方华斌1,刘景全1,徐峥谊2,王 莉2,陈 迪1,蔡炳初1,刘 悦2
(1·上海交通大学微纳科学技术研究院薄膜与微细技术教育部重点实验室微米/纳米加工技术
国家级重点实验室,上海200030;2·美国Honeywell公司上海传感器实验室,上海200030)
摘要:采用sol-gel方法制备了PZT铁电厚膜,构成了SiO2/Si/SiO2/Ti/Pt/PZT/Ti/Pt形式的拾振器敏感元结构。基于半导体光刻技术,通过干法刻蚀电极和化学湿法刻蚀PZT厚膜等技术,成功地实现了敏感元的微图形化,解决了Pt/Ti下电极刻蚀难、制作的PZT膜形貌不好和上电极容易起壳等问题,为基于PZT厚膜的高性能拾振器的研制打下了良好的基础。
关 键 词:拾振器;PZT厚膜;Pt/Ti电极;湿法化学刻蚀;干法刻蚀
中图分类号:TN305 文献标识码:A
1 引言
PZT陶瓷、薄膜以及厚膜材料以其优异的热释电、压电和铁电、电光特性,在制备热释电探测器、微型驱动器、换能器、铁电存储器、光波导器等方面有着广泛的应用。其中PZT厚膜兼顾了体材料和薄膜材料的优点,比薄膜的压电效应更明显,驱动力更大,比体材料更容易与硅平面进行MEMS工艺结合。在20世纪90年代中期,PZT厚膜材料及器件就成为了研究的热点,已研制出许多硅基PZT微型器件。国外利用PZT铁电厚膜优异的压电性能,采用MEMS技术研制出硅基PZT铁电厚膜声纳换能器等构件[1-4]。拾振器作为一种测量振动的设备,其基本原理是将机械振动转化为电量,它包括电容式、感应式和压电式等方式,在地震监测、机组、桥梁、建筑物等安全监控以及医学的脉象诊断、血压监控等方面有着广泛的应用[5-7]。采用MEMS技术,设计了一种基于压电转换原理PZT厚膜的高性能拾振器微系统,以用于低频段振动测量,如道路、桥梁、大型机组、大型建筑物等的安全监控传感器网络。
在器件制备过程中,PZT膜及上下电极等敏感元部分的图形化是非常重要的一环。目前PZT膜及上下电极微图形化技术主要包括化学腐蚀法、等离子刻蚀法、反应离子刻蚀法、lift-off工艺等。本研究中采用化学腐蚀法对PZT膜进行刻蚀、离子轰击物理干法刻蚀对电极进行刻蚀,成功地实现了敏感元的微图形化,解决了传统工艺中存在的Pt/Ti下电极刻蚀难、制作的PZT膜形貌不好和上电极容易起壳等问题,为基于PZT厚膜的高性能拾振器微系统的研制打下良好的基础。
2 拾振器敏感元
微图形化工艺试验
基于PZT厚膜压电效应的拾振器微系统器件,其敏感元部分的剖面示意图如图1所示,其制备过程为:1)热氧化SiO 2;2)淀积下电极Pt/Ti;3)sol-gel制备PZT厚膜[5] (膜厚3μm);4)淀积上电极Pt/Ti;5)背面刻蚀Si形成微悬臂梁;6)将SU-8准LIGA工艺制备的NI金属微质量块添加到悬臂梁尖端。该质量块对降低结构的固有频率起到非常重要的作用。结构制备完成之后在上下电极间施加直流电压对PZT进行极化。
2 .1 上下电极及PZT膜的制备
SiO2/Si/SiO2/Ti/Pt/PZT/Ti/Pt形式的敏感元结构的具体制备工艺过程如下:
(1)采用典型的半导体清洗工艺将双面抛光、双面氧化的(100)Si基片清洗干净;
(2)在基片SiO 2层上先后沉积Ti膜和Pt膜,其中Ti金属膜主要起增强电极与基片结合力的作用,膜厚分别为:Ti膜30 nm,Pt膜300 nm。
(3)在SiO 2/Si/SiO 2/Ti/Pt基底上,利用新型sol-gel技术通过多层涂覆PZT薄膜形成厚膜。首先以2-甲氧基乙醇为溶剂,以醋酸铅、四丁氧基钛、异丙醇锆为溶质制备PZT先驱体溶液。在使用的PZT先驱体溶液中另外添加了摩尔百分含量为20%的富铅物,然后以3 000 r/min的转速涂覆在基底上,时间为20 s;再在300℃下进行2 min高温分解工艺。重复以上步骤,逐层进行,经过8次涂覆,得到1.6μm厚的膜层;最后在650℃下进行30 min快速热退火处理,得到纯钙钛矿相结构的PZT厚膜[8] 。
(4)PZT制备完成之后,采用丙酮、酒精、异丙醇先后超声清洗基片,烘干后,再在PZT层上溅射沉积与下电极相同的Ti和Pt膜。
2. 2 电极及PZT膜微图形化
2.2.1上电极刻蚀
由于没有有效的溶液对Pt/Ti电极进行湿法刻蚀,一般采用的制作方法有SF6/Ar反应离子刻蚀技术、剥离(lift-off)技术[9-12]等,在这些常规制备法中,通常会出现上电极起翘的问题。本试验中采用纯Ar气体进行离子轰击的干法刻蚀手段进行了电极刻蚀。工艺总体步骤为普通的光刻工艺流程,甩胶时使用的是AZ系列正胶,胶厚2μm,经95℃烘胶1 h后,采用德国Karl Suss公司的MA6/BA6型双面曝光机进行曝光,曝光功率为10mJ/s,曝光时间30 s。使用AZ系列胶专用显影液显影40 s后,在105℃下后烘30 min。
电极刻蚀是采用美国Comptech公司的2440-C溅射系统进行反溅射,刻蚀气氛为Ar,其中气体流量为标准状况下69 mL/min,气压2 .67 Pa,RF功率600 W,经过30 min刻蚀,得到线条完好的电极图形(图2a)。导电性检测证明,待刻蚀区域不导电,表明全部刻穿。测量光刻胶和电极层总厚度约2. 11μm,用丙酮去胶后测量电极厚度约332 nm(Ti约30nm、Pt约300 nm),据此推算刻蚀过程中光刻胶和电极的选择比约为1∶1.5。
2.2.2PZT膜化学刻蚀
PZT膜的刻蚀工艺与上电极刻蚀流程基本相同,同样经过甩胶、前烘、曝光、显影、后烘、刻蚀和去胶等工艺,除刻蚀外,其余各步骤的工艺参数基本一致,只是甩胶是在刻蚀好的上电极图形的表面进行,曝光时需要从正面对准上电极图案中的对准标记,以保证PZT和电极之间的层间对准。
在所有PZT膜刻蚀方法中,化学湿法刻蚀[8-11]较等离子刻蚀、反应离子刻蚀等技术而言,是一种经济、快速的图形化工艺。其中对PZT进行化学湿法腐蚀的腐蚀剂主要有HF,HCl,HNO3,BOE(49%的HF和40%的NH4F按1∶6配制)和BHF(40%的NH4F和HF按1∶5配制)等,如表1所示。研究表明,HF对PZT刻蚀速度太快,不容易控制,所得图形边缘粗糙,钻蚀严重,而且由于其对锆和钛的刻蚀能力比较强,容易形成白色的残留富铅物。以缓冲氟化物腐蚀剂(BOE)和盐酸组成的混合溶液作为刻蚀液,能得到较好的效果。盐酸的加入有助于除去BOE刻蚀后留下的富铅膜,但由于刻蚀液对PZT膜中每一种元素的刻蚀速率不同,锆的刻蚀速率最快,钛次之,然后是铅。而盐酸刻蚀铅的速率比氢氟酸刻蚀锆和钛的速率慢,且铅又不溶于氢氟酸或BOE中,因此BOE-HCl刻蚀时仍会有富铅膜形成,可以进一步通过50%的硝酸浸泡,即能完全除去。对于所制备的PZT膜而言,采用的刻蚀液最佳配比为V(BHF)∶V(HCl)∶V(H2O)=1∶25∶74,刻蚀速度约0 .3μm/min,刻蚀是在兆声搅拌环境中进行,通过搅拌作用以提高刻蚀的均匀性和速度。用显微镜进行对比观察,刻蚀完成之后置入50%HNO3溶液中浸泡3 min的效果很好,去胶后的效果如图2b所示。
2 .2. 3 下电极刻蚀
由于下电极刻蚀是在经历前述各工艺之后进行的,特别是在PZT制备时,经过多次高温热处理,会使Pt/Ti膜变得不容易被刻蚀。采用与上电极刻蚀时所述的Ar离子轰击,可完全解决这个问题。试验中采用与上电极刻蚀完全相同的工艺流程,得到如图2c所示的下电极图形。
3 结论
采用典型的半导体光刻工艺,实现拾振器微系统的敏感元上下电极和PZT厚膜的图形化,为高性能拾振器微系统的研制打下了良好的基础:
(1)根据Pt/Ti电极的特点,利用Ar离子轰击,对上下电极进行刻蚀,工艺条件为:Ar气流量为标准状况下69 mL/min,气压2·67Pa,功率600 W。
(2)根据PZT化学刻蚀反应机理,研究了sol-gel法制备PZT厚膜化学刻蚀的图形化工艺,得到刻蚀该类型PZT膜的腐蚀液最佳配比为V(BHF)∶V(HCl)∶V(H2O)=1∶25∶74,另加50%HNO3溶液浸泡,可以达到最佳效果。
4 致谢
感谢上海大学程晋荣副教授提供的PZT厚膜。
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