CN105036063B - 一种压电驻极体基体的mems工艺制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电驻极体基体的MEMS工艺制备方法。本发明采用了标准MEMS微加工工艺，利用第一光刻板形成高深宽比的孔槽，在孔槽中填充功能性压电驻极体基体材料，然后利用第二光刻板形成开放窗口，最后释放开放窗口下面的压电驻极体基体，实现了压电驻极体孔洞形貌的一致性和可控性，最小可控尺寸在1μm量级，并且可高效率制备在膜厚方向上的多层压电驻极体基体，层数≥50。本发明通过光刻板图的设计达到自由灵活调控孔洞的几何尺寸和压电驻极体基体的层数和几何尺寸的目的。
Description
技术领域
本发明涉及微加工制备技术，具体涉及一种压电驻极体基体的MEMS工艺制备方法。
背景技术
压电驻极体是一类新型的具有极强压电效应的柔性多孔驻极体。其压电常数d33可达数百pC/N，其压电性能可与传统压电陶瓷类材料媲美，在微机电系统领域，尤其是声学/振动/压力传感器得以广泛应用。压电驻极体包括压电驻极体基体及其表面的极化电荷，压电驻极体基体为多孔结构，在压电驻极体基体的孔洞附近附着有极化电荷；在外力作用下，压电驻极体发生形貌变化，产生压电效应。压电驻极体基体的形状和结构是决定其压电效应的关键因素。目前，压电驻极体基体的制备可以通过工业发泡制备技术和实验室制备技术实现，前者会造成随机分布并且具有不同尺寸的椭球形孔洞，并造成不均匀极化。后者无法在膜厚方向形成多层压电驻极体基体，且制备效率极低。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了压电驻极体基体的MEMS工艺的高效制备方法，有效地解决了孔洞形貌的一致性和均匀性的难题。
本发明的目的在于提供压电驻极体基体的MEMS工艺制备方法。
本发明的压电驻极体基体的MEMS工艺制备方法，包括以下步骤：
1)提供基板；
2)在基板上旋涂光刻胶，软烤光刻胶；
3)在第一光刻板上设计所需压电驻极体基体的孔洞的图形，通过紫外线曝光，将第一光刻板的图形转移到光刻胶上，在光刻胶上形成所需孔洞的图形；
4)以光刻胶为掩膜，采用深度反应等离子技术(bosch方法)刻蚀基板，在基板内形成高深宽比的孔槽，作为压电驻极体基体的基板；
5)去除基板上方残余的光刻胶，随后通过化学气相沉积或真空注塑方法，在高深宽比的孔槽中填充功能性压电驻极体基体材料；
6)在填充有功能性压电驻极体基体材料的基板的上表面和下表面，分别蒸镀或溅射金属掩膜层；
7)在两个表面的金属掩膜层上分别旋涂光刻胶，软烤光刻胶；
8)采用具有开放窗口图形的第二光刻板，分别对两个表面上的光刻胶先后进行曝光，在光刻胶上形成开放窗口的图形；
9)利用湿法腐蚀金属掩膜层，而后利用氧气等离子刻蚀基板上面的功能性压电驻极体基体，形成开放窗口；
10)利用湿法或干法刻蚀开放窗口下面的基板，从而释放在开放窗口下面的压电驻极体基体。
其中，在步骤1)中，基板的材料采用硅、玻璃或金属中的一种，基板的厚度在300μm以上。
在步骤2)中，光刻胶的厚度在6μm以上。软烤温度大于100℃，时间在10～30分钟之间。
在步骤4)中，孔槽的长度为a、宽度为b、高度为c以及间距为d，分别满足a:d≥8：1,a:c≥5：1,c:b≥15：1。
在步骤5)中，功能性压电驻极体基体材料采用聚合物如派瑞林Parylene或特氟龙Teflon。
在步骤6)中，蒸镀或溅射金属掩膜层包括：首先在表面蒸镀一层粘附性金属层；然后在粘附性金属上再蒸镀一层主金属层；最后在主金属层上蒸镀一层粘附性金属层。两层粘附性金属层的材料相同，采用钛或铬，厚度在50～100nm之间；主金属层的材料采用铅或金，厚度在100nm～1μm之间。
在步骤7)中，软烤光刻胶，温度大于100℃，时间在10～30分钟之间。
在步骤8)中，根据紫外线强度，曝光时间在3～50秒之间，显影时间在1～5分钟之间。
在步骤9)中，开放窗口的用来定义压电驻极体基体的几何尺寸。开放窗口的长度和宽度分别≥0.1mm。
本发明的优点：
本发明采用了标准MEMS微加工工艺，利用第一光刻板形成高深宽比的孔槽，在孔槽中填充功能性压电驻极体基体材料，然后利用第二光刻板形成开放窗口，最后释放开放窗口下面的压电驻极体基体，实现了压电驻极体孔洞形貌的一致性和可控性，最小可控尺寸在1μm量级，并且可高效率制备在膜厚方向上的多层压电驻极体基体，层数≥50。本发明通过光刻板图的设计达到自由灵活调控孔洞的几何尺寸和压电驻极体基体的层数和几何尺寸的目的。
附图说明
图1至图10为本发明的压电驻极体基体的MEMS工艺制备方法的流程图。
图11为根据本发明的压电驻极体基体的MEMS工艺制备方法得到的压电驻极体基体的电镜图，其中，(a)为采用深度反应等离子技术刻蚀基板的电镜图，(b)为释放后得到的压电驻极体基板的电镜图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
本实施例的压电驻极体基体的MEMS工艺的制备方法，包括以下步骤：
1)提供基板1，材料采用Si，厚度400μm，如图1所示；
2)在基板上旋涂光刻胶2，光刻胶采用AZP4620，厚度7μm，利用热炉软烤光刻胶，温度为150℃，时间25分钟，如图2所示；
3)根据第一光刻板上设计所需压电驻极体基体的孔洞的图形，通过紫外线曝光，将第一光刻板的图形转移到光刻胶上，曝光时间在9秒，显影时间在1.5分钟，便可在光刻胶上形成所需孔洞的图形21，如图3所示；
4)以光刻胶为掩膜，采用深度反应等离子技术刻蚀基板，在基板内形成高深宽比的孔槽3，孔槽的尺寸为a＝800μm，b＝20μm，c＝350μm，d＝50μm，作为压电驻极体基体的硅基板，如图4所示；
5)利用氧气等离子体清除基板上方残余的光刻胶掩膜，随后通过利用化学气相沉积法，在高深宽比的孔槽中填充功能性压电驻极体基体材料4，采用Parylene，如图5所示；
6)在填充有功能性压电驻极体基体材料的基板的上表面和下表面，分别蒸镀金属掩膜层5，材料采用Cr/Au/Cr，厚度分别为50nm/200nm/50nm，如图6所示；
7)在两个表面的金属掩膜层Cr/Au/Cr上分别旋涂光刻胶6，采用AZP4400，厚度为4μm，热炉软烤光刻胶，温度为100℃，时间30分钟，如图7所示；
8)采用具有开放窗口图形的第二光刻板，开放窗口图形的尺寸为1mm×0.5mm，分别对两个表面上的光刻胶进行曝光，曝光时间在5秒，显影时间在1.0分钟，便可在光刻胶上形成开放窗口的图形61，如图8所示；
9)利用湿法腐蚀金属掩膜层Cr/Au/Cr，而后利用氧气等离子刻蚀基板上面的功能性压电驻极体基体材料，形成开放窗口7，如图9所示；
10)利用XeF2气体干法刻蚀具有开放窗口的硅基板，从而释放在开放窗口内的压电驻极体基体0，如图10所示。
通过MEMS微加工方法制备的压电驻极体基体的电镜图如图11所示，其中，图(a)为利用深度反应等离子技术刻蚀基板的电镜图，即步骤4)后的效果图；图(b)为释放后得到的压电驻极体基板的电镜图，即步骤10)后的效果图。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种压电驻极体基体的MEMS工艺制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)提供基板；
2)在基板上旋涂光刻胶，软烤光刻胶；
3)在第一光刻板上设计所需压电驻极体基体的孔洞的图形，通过紫外线曝光，将第一光刻板的图形转移到光刻胶上，在光刻胶上形成所需孔洞的图形；
4)以光刻胶为掩膜，采用深度反应等离子技术刻蚀基板，在基板内形成高深宽比的孔槽，作为压电驻极体基体的基板；
5)去除基板上方残余的光刻胶，随后通过化学气相沉积或真空注塑方法，在高深宽比的孔槽中填充功能性压电驻极体基体材料；
6)在填充有功能性压电驻极体基体材料的基板的上表面和下表面，分别蒸镀或溅射金属掩膜层；
7)在两个表面的金属掩膜层上分别旋涂光刻胶，软烤光刻胶；
8)采用具有开放窗口图形的第二光刻板，分别对两个表面上的光刻胶先后进行曝光，在光刻胶上形成开放窗口的图形；
9)利用湿法腐蚀金属掩膜层，而后利用氧气等离子刻蚀基板上面的功能性压电驻极体基体，形成开放窗口；
10)利用湿法或干法刻蚀开放窗口下面的基板，从而释放在开放窗口下面的压电驻极体基体。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，所述基板的材料采用硅、玻璃或金属中的一种，基板的厚度在300μm以上。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，所述光刻胶的厚度在6μm以上；软烤温度大于100℃，时间在10～30分钟之间。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤4)中，所述孔槽的长度为a、宽度为b、高度为c以及间距为d，分别满足a:d≥8：1,a:c≥5：1,c:b≥15：1。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤5)中，所述功能性压电驻极体基体材料采用派瑞林Parylene或特氟龙Teflon。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤6)中，蒸镀或溅射金属掩膜层包括：首先在表面蒸镀一层粘附性金属层；然后在粘附性金属上再蒸镀一层主金属层；最后在主金属层上蒸镀一层粘附性金属层。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，两层粘附性金属层的材料相同，采用钛或铬，厚度在50～100nm之间；主金属层的材料采用铅或金，厚度在100nm～1μm之间。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤7)中，软烤光刻胶，温度大于100℃，时间在10～30分钟之间。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤8)中，根据紫外线强度，曝光时间在3～50秒之间，显影时间在1～5分钟之间。
10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤9)中，所述开放窗口的长度和宽度分别≥0.1mm。
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