硅基pzt压电薄膜微传感器关键技术的研究

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1、摘要中文摘要集成电路技术的发展使得微电子学由电路集成进入系统集成时代，在集成化芯片系统中，不仅需要强大的信号处理、运算分析能力，同时需要感知外界信号的微传感器和以及将运算结果作用于外界环境的微执行器。与此同时，微传感器和微执行器技术的研究比较薄弱，适用于芯片系统结构和工艺兼容的微传感器很少，已成为限制芯片系统发展的瓶颈。因此，本论文将从理论分析和实验研究两方面着手，开展新型压电薄膜微传感器／微执行器的器件原理、结构和与CMOS兼容的加工技术等基础研究，在此基础上实现压电薄膜微压力传感器和微型开关样品的研制。本论文的

2、主要研究工作如下：1．分析研究了MEMS技术的材料和现状，尤其是对MEMS系统的常用材料、分析设计和微加工技术进行了较为详细的论述，介绍了铁电薄膜用于MEMS的优势，为MEMS器件设计奠定理论基础。2．系统地研究了MEt,'IS微传感器的核心技术一微传感器结构与驱动技术，在对多种微传感器及其相应驱动方案的结构、原理和关键工艺技术进行分析的基础上，选定了硅基压电薄膜直接驱动双晶片微悬臂梁结构的微传感器单元做为研究重点，并设计出了硅基压电薄膜微传感器的基本结构。3．在压电原理和材料力学理论的基础上，采用简化的等效微器件

3、结构建立了数学分析模型，并利用有限元软件ANSYS对压电薄膜微悬臂梁结构进行了性能模拟(包括力一电压关系和电压一位移关系)和优化设计。在IuN级的外力和相应位移作用时，其输出电压可达数十mv，而在2V驱动电压时，微悬臂梁端头位移可达数十11m以上，并随外力的频率有相应的变化，这证明了该结构兼具微传感器／微执行器的双重功能和与微电子电路兼容的性能指标。4．对压电薄膜微传感器制备过程中的关键工艺进行了系统的研究，包括多晶硅结构层的应力控制问题、多孔硅牺牲层的制备、PZT压电薄膜的制备和刻蚀、电极的剥离工艺以及工艺兼容性

4、。5．完成了双槽电化学法制备多孔硅牺牲层，从其制备的多孔硅表面SEM形貌可以看出：表面均匀平整，孔结构分布规则均匀，孔径比较小(在um数量级)，形成的多孔硅厚度大(可达100多um)。在多孔硅形成的大部分时间内，其生成的深度和时间基本上呈线性关系，即在恒定电流下其腐蚀速率为一定值，且多孔硅的腐蚀速率与电流密度成正比。室温下在极稀的弱碱溶液中就可以得到去除，腐蚀方向性好。石+基PZT压电薄膜微传感器的关键技术研究6．以SF6和SF6+m为刻蚀气体，采用电子回旋共振(ECR)等离子体刻蚀工艺成功地对溶胶一凝胶工艺制备的

5、锆钛酸铅薄膜(PZT)进行了有效的刻蚀去除。系统地研究了不同气体总流量、混合比、微波功率等因素对刻蚀速率的影响，实验指出当气体混合比约为20％时，刻蚀速率达到最大值。XPS能谱分析表明，在SF6和SF6+Ar气体中被刻蚀后的样品Pb含量大大减少。SEM分析表明，刻蚀后表面光洁，仅有少量残留物。7．采用(H20：HCL：HF=280ml：120ml：4drops)腐蚀液，在室温下进行了PZT薄膜的湿法腐蚀工艺，腐蚀过程采用光刻胶作为掩蔽，未结晶的PZT薄膜可以很轻易的得到去除，图形化效果好，将图形化后的PZT薄膜进行

6、再结晶处理。实验结果表明这种处理方式可以用于压电薄膜微器件的制备。8．根据ME．MSI艺和标准硅基IC工艺的特点，获得了压电薄膜微结构加工的关键工艺技术及典型工艺条件，确定了压电薄膜微传感器／微执行器结构的13步系统工艺流程，研制了相应的四块光刻版。通过对结构和版图的改进，较好地克服了电极图形化后PZT结晶性能差、极化过程中边缘击穿以及牺牲层释放后梁和衬底的粘附等问题，获得了硅基PZT压电薄膜微传感器／微执行器结构样品。最后对本文的工作进行了总结，并对以后的相关工作进行了展望和探讨。这些基础性研究对集成化芯片系统的

7、发展具有重要的科学意义和潜在的应用价值。关键词：MEMS，集成化芯片系统，压电薄膜，多孔硅，微传感器，微执行器，电子回旋共振反应离子刻蚀AbstractABSTRACT111edevelopmentofintegratecircuittechniquemakemicroelectroniesfromICtoSOC(systemonchip)．ForSOC，whichnotonlyneedapowerfulabilityofsignaldisposingandopermionanalyzing，butalsoneed

8、micro—sensortoappereeiveoutsidesignalandmicro-actuatortoputoperatedresultstoenvironment．Atthesametime，theresearchesonmicro·sensorandmicro·actuatoraremuchweakness，especiallythestruc