CN103840075B

CN103840075B - 微型压电振动能量收集器及其制造方法

Info

Publication number: CN103840075B
Application number: CN201210493270.1A
Authority: CN
Inventors: 吴航; 欧毅; 郑陶雷; 欧文; 刘宇
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2012-11-27
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2017-07-11
Anticipated expiration: 2032-11-27
Also published as: CN103840075A

Abstract

本发明设计一种新型MEMS压电振动能量收集器的结构及其制备方法，其包括双抛衬底；双面衬底保护层；正面金属导电层(底)作为输出底电极；金属上层制备图形化后的导电胶；PZT压电片通过导电胶键合在硅片底电极；整片覆盖顶电极金属导电层(顶)；KOH通过背面衬底保护层窗口腐蚀，释放出不含Si以环氧树脂为主的悬臂梁结构；划片释放出悬臂梁‑质量块结构。本发明结构简单易于实现，便于批量生产，敏感度，输出电平、功率高，适用范围广，安全可靠。

Description

微型压电振动能量收集器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种微型压电振动能量收集器及其制造方法，特别是涉及一种基于环氧树脂悬臂梁的微型压电式振动能量收集器及其制造方法。

背景技术

微电源通常是无源无线传感器网或者是微执行器的一部分，此类微传感器微执行器使用范围广、需求量大，要求在保证性能的情况下体积小，稳定性强，经常需要工作在极端、恶劣环境或者无法随意更换电池的环境，所以微传感器微执行器搭载微电源模块变得相当必要。

微电源模块，即能量收集器分为压电型、电磁型、可变电容式以及复合型。压电型以其结构简单，性能出众，工作稳定以及近几年来业界对压电材料的广泛深入研究而收到人们的格外关注，在目前的能量收集器件中也占据主导地位。

在压电振动能量收集器结构中，电极-压电材料-电极结构下释放出悬臂梁结构，悬臂梁一端附质量块的结构占据主导地位，此种结构简单易行，但是目前的压电振动能量收集器普遍存在两个显著的问题：

1.悬臂梁的释放。悬臂梁的释放通常使用<110>或者<100>硅片的背面KOH腐蚀。如果选用SOI硅片，预埋的SiO₂作为KOH背硅腐蚀的自停止层，可以较好的控制悬臂梁的厚度，但这样造价会被提高很多；如果选用普通硅片，造价会相应降低，但是悬臂梁的厚度变得极难控制。

2.压电敏感层的选择。目前作为振动能量收集装置的压电材料主要有AlN和PZT(锆钛酸铅)两种。AlN材料在研究初期被广泛使用在能量收集器上的原因，便是其易于制备，与CMOS 工艺兼容性较好。但是AlN材料存在很致命的缺陷：1)薄膜生长必须具有晶体择优取向才可以具有压电效应，这种择优取向可以通过生长压力、N₂和Ar比例、基片与靶材之间距离、生长温度、溅射功率等条件来调节，同时对生长AlN的衬底也有较高的要求，条件稍微偏差一些，AlN的压电性能就会急剧衰减。2)AlN压电系数和介电常数过小，在整个压电材料库中也属于比较低的水平。近年来PZT的研究使PZT的制备以及薄膜性能产生了质的飞跃，科研人员已经开发出了多种不同制备体硅PZT膜的方法，比如溶胶-凝胶、水热溶胶-凝胶、Mocvd法、溅射法、脉冲激光法等。这些方法均可以获得性能尚佳的PZT薄膜，但却有一个共同的缺陷，就是无法将厚度做大。在对PZT材料研究的几年内，即使使用多次成膜技术，厚度最高也只有几个微米，若再高将影响材料性能。在这种情况的制约下，对PZT材料性能进行改进所取得的进展远远不能突破PZT薄膜厚度带来的瓶颈。

对于问题1，由于目前微机电系统(MEMS)加工技术是建立在硅加工技术之上，想要放弃硅的优良性能衬底绝非易事。对于问题2，近年来提出了一种新的思路：宏观尺度的PZT压电陶瓷片的制作技术已经相对成熟，但是厚度最低也有几百微米无法直接应用于微加工技术。于是，使用将大尺寸PZT压电陶瓷片键合到硅衬底然后减薄的技术便应运而生。

这种大尺寸PZT压电陶瓷片通过先键合再减薄的工艺流程解决了PZT无法做厚的问题，同时也带来了新的问题：键合材料选择。主流选择有两种：1.以Au为主的金属键合，此种键合因其互融点低，对其余工艺影响较少而被采用，但是互融之后应力变大。之后有人提出使用提升Au使其同时兼备键合层和弹性层，但是由于其互融之后的极大应力，释放之后的悬臂梁形成了自动弯曲的形状，极大地影响了器件的性能。2.导电胶键合，导电胶粘度较大，通常使用点胶机或者是印刷版配合使用，很难在硅片上制作成膜，而其后续相关未加工步骤也相对不成熟。

导电胶是一种常温下呈流体至浓胶状，干燥或固化后具有一定导电性的胶黏剂。现有导电胶一般以环氧树脂为主，掺有Ag等金属颗粒，通过金属颗粒直接接触或者是隧穿效应实现导电。由于导电胶工艺简单，易于操作，可以提高生产效率，目前广泛用于为电子封装、印刷电路板、导电线路粘接等各种电子领域中。导电胶也可用于硅片与陶瓷材料之间的键合。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是改进现有技术中存在的不足，提出了一种新型MEMS压电式振动能量收集器的结构及制备方法，其结构简单易于实现，成本低，适用范围广，安全可靠，便于批量生产。

为此，本发明提供了一种微型压电振动能量收集器，包括：衬底，衬底背面具有开口，剩余的衬底部分作为质量块；第一保护层，位于衬底正面上，开口暴露第一保护层；第一金属层，位于第一保护层上；导电胶层，位于第一金属层上，位置与开口相对应；压电陶瓷片，位于导电胶层上；第二金属层，位于压电陶瓷片上、以及位于未被导电胶层覆盖第一金属层上；其中，第二金属层、压电陶瓷片、导电胶层、第一金属层以及第一保护层构成悬梁臂，跨越开口两侧的质量块。

其中，衬底包括硅，第一保护层包括氧化硅、氮化硅及其组合。

其中，第一金属层和/或第二金属层包括粘附层以及导电层。

其中，导电胶层为掺杂了金属的环氧树脂，压电陶瓷片包括PZT薄膜。

本发明还提供了一种微型压电振动能量收集器的制造方法，包括：在衬底正面上形成第一保护层以及第一金属层；在第一金属层上形成具有窗口的光刻胶层；在第一金属层以及光刻胶层上形成导电胶层；在与窗口对应的位置处的导电胶层上粘贴压电陶瓷片；去除光刻胶层以及未被压电陶瓷片覆盖的导电胶层；在压电陶瓷片以及第一金属层上形成第二金属层；在衬底背面形成与窗口位置对应的开口，直至暴露第一保护层，使得第二金属层、压电陶瓷片、导电胶层、第一金属层以及第一保护层构成悬梁臂，跨越开口两侧的衬底构成的质量块。

其中，粘贴压电陶瓷片之后进一步包括加热固化导电胶层以完成键合。

其中，形成第一保护层的同时也在衬底背面形成第二保护层，图案化第二保护层形成暴露衬底的背面窗口，用于在衬底背面形成直至暴露第一保护层的开口。

其中，粘贴压电陶瓷片之后进一步包括通过CMP以及湿法腐蚀，将压电陶瓷片减薄至需要厚度。

其中，形成开口之后进一步包括：划片以释放质量块；在第二金属层上形成接触焊垫。

本发明具有如下优点：

1.悬臂梁使用环氧树脂作为主要材料，悬臂梁从下至上为金属层/环氧树脂胶层/压电材料层/金属层，将键合层作为弹性层，节省了工艺步骤，这样避免了普通硅片厚度不好掌握的问题，也避免了SOI硅片造价过高的问题。

2.使用环氧树脂作为悬臂梁，由于环氧树脂膜具有低杨氏模量的特性，使器件敏感度增加，在低振动情况下也可以保证输出电平。

3.使用大尺寸PZT薄片作为压电执行层，极大地提高了器件性能，解决了目前体硅工艺制备PZT薄膜无法获得较厚PZT薄膜的问题。

4.顶电极使用PZT厚台阶自动分离顶/底电极，缩短了工艺步骤。

5.由本发明提供的新型MEMS压电振动能量收集器具有工艺步骤短，器件结构易于实现，便于批量生产，输出开环电压高，敏感度高，可在各类无源无线传感器中应用。

附图说明

以下参照附图1-11来详细说明本发明的技术方案，其中：

图1为本发明在衬底上形成双面衬底保护层后的剖视图；

图2为本发明在衬底背面形成背硅KOH腐蚀窗口后的剖视图；

图3为本发明在正面制备金属导电层(底)之后的剖视图；

图4为本发明在正面制备剥离用光刻胶之后的剖视图；

图5为本发明在正面制备导电胶层之后的剖视图；

图6为本发明在正面键合压电陶瓷片之后的剖视图；

图7为本发明将压电陶瓷片减薄之后的剖视图；

图8为本发明将导电胶剥离之后的剖视图；

图9为本发明在整片制备金属导电层(顶)之后的剖视图；

图10为本发明在进行背硅腐蚀之后的剖视图；以及

图11为本发明划片释放质量块结构的剖视图。

附图标记说明：101-衬底、102-正面衬底保护层、103-背面衬底保护层、201-背硅KOH腐蚀窗口、301-正面金属导电层(底)、401-剥离用光刻胶、501-导电胶层、601-压电陶瓷片、701-减薄后的压电陶瓷、801-减薄后的压电陶瓷、802-剥离后的导电胶层、901-正面金属导电层(顶)、1001-背硅腐蚀腔、1002-粘连质量块、1003-悬臂梁结构、1101-划片分割质量块、1102分割后的质量块、1103作为底座。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明做进一步说明。

如图11所示：本发明的新型MEMS压电振动能量收集器结构包括衬底101；所述衬底上设有双面释放阻挡带102、103；正面阻挡带102上有金属导电层(底)301；金属导电层(底)301上通过导电胶501将压电陶瓷片601与金属导电层(底)，制备导电胶层501之前，需要预先在金属导电层(底)301上制备图形化后的光刻胶401；键和之后的压电陶瓷片601通过减薄以及湿法腐蚀至适合厚度701，然后整片淀积金属导电层(顶)，这样，在压电陶瓷片上方金属层作为顶电极引出，金属导电层(底)上方金属层作为底电极引出，至此，正面工艺结束，接下来进行背硅的KOH腐蚀，通过背面阻挡带窗口进行KOH腐蚀，腐蚀至硅片穿透1001形成梁结构，最后通过划片机将质量块部分1002分割成可活动的两部分1102使质量块结构释放出来。

本发明实施例中所述的导电胶层501区域应大于压电陶瓷层601、701，以保证键合质量，导电胶层501和压电陶瓷层601、701区域应覆盖背硅腐蚀区域1001。

如图1～图11所示：上述结构的MEMS压电能量振动收集器结构可以采用下述工艺步骤实现，下述实施例中，无特殊说明，工艺步骤均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。具体地包括：

a、提供衬底101，优选地采用双面抛光(例如CMP)平坦化工艺去减小表面缺陷、降低粗糙度。在所述衬底101表面设置衬底保护层102(正面)与103(背面)；

如图1所示：在衬底101的表面(双面)淀积氧化硅、氮化硅及其组合的材料(优选地为低温CVD工艺，也即LP Si₃N₄或SiO₂)，以形成衬底保护层102/103，衬底保护层厚度为并优选淀积温度为600～900℃并优选780℃；所述衬底101采用常规材料，优选双面抛光，衬底101材料包括硅、锗、锗硅、碳化硅等，并优选单晶体硅。

b、选择性地掩蔽和刻蚀上述衬底背面保护层103，以形成背面KOH腐蚀窗口201；

如图2所示：在背面衬底保护层涂胶光刻，在背面衬底保护层103上形成光刻胶的窗口图形，窗口大小例如为长18mm、宽1.7mm；利用反应离子刻蚀(RIE)技术对背面衬底保护层103进行各向异性刻蚀，将光刻胶图形转移到衬底保护层103上，形成衬底接触窗口201；利用硫酸/双氧水湿法去胶与氧等离子体干法去胶相结合的方法去除硅片表面的光刻胶。

c、在正面衬底保护层上102淀积第一金属层-金属导电层(底)301作为底电极；

第一金属层也即金属导电层(底)301优选地包括两层金属，厚度约为的粘附层Cr以及厚度约为的导电层Au；第一金属导电层(底)301使用MOCVD、ALD、溅射、蒸镀方法制备。

d、在正面制备第一金属导电层301上的光刻胶，选择性光刻在底电极上留出底电极接触窗口401；

光刻胶为AR4450剥离(lift-off)负胶，是一种专门用于厚胶剥离的光刻负胶，然而实际上，只要可以涂的足够厚，可以加热到150℃的负光刻胶都可以胜任此项工作。在一个实施例中，优选胶层厚度中心16um。光刻胶底电极接触窗口401窗口尺寸例如为3.6mm*18mm。然后氧等离子体扫底膜6min。

e、在正面制备导电胶层501，覆盖了露出金属导电层301的光刻胶层构成的底电极接触窗口401；

导电胶成分应以环氧树脂为主，内掺金属至少包括Ag，此外还可以包括Al、Au、Pt、Cu、Sn、Ti等其他金属、金属合金或金属氮化物。例如，导电胶层501优选为DAD-91F，使用前搅拌，使用环己酮稀释，稀释剂比率3％，使用旋转匀胶机匀胶，预转6s，转速1000转/秒，旋涂1min，转速2500转/分，胶层厚度中心20um。

f、通过导电胶层501粘贴压电陶瓷片601与衬底301；

压电陶瓷片601尺寸3.5mm*17mm，与应紧紧贴合在导电胶501透过光刻胶金属层接触窗口401所形成的图形，也即压电陶瓷片601设置在与底电极接触窗口401对应的位置上，优选地两者尺寸相匹配。

g、通过加热固化完成键合；

固化温度优选150℃，固化时间优选1h，键合压力0.1～2MPa并优选0.4MPa。

h、通过CMP(化学机械抛光)和/或湿法腐蚀，将压电陶瓷片601减薄至需要厚度701，如图7所示。

压电陶瓷片厚度例如200um，CMP磨料使用金刚砂，减薄至100um，此时减薄速度快，但是表面粗糙度较大。之后使用以缓释刻蚀剂(BOE，NH4F与HF的混合水溶液)溶液为主的PZT腐蚀液进行湿法腐蚀，腐蚀液成分BOE∶HCl∶H2O＝1∶2∶3(体积比)，可以减薄至例如15um，此时减薄速度较慢，但是能得到更精细的表面。

i、剥离导电胶层501，如图8所示；

剥离液使用丙酮，剥离温度60℃，剥离时间24h，每八小时超声5min。剥离完成后，干法去胶10min。导电胶层501剥离之后，位于减薄了的压电陶瓷片801下方的剩余部分记做802。与此同时，图7中剩余的光刻胶部分也将在剥离导电胶层501的同时被去除，从而露出了下方的金属导电层301。

j、正面制备第二金属层也即导电层(顶/底)901作为电极，如图9所示；

第二金属层也即金属导电层(顶/底)901也优选地包括两层金属，厚度的粘附层Cr和厚度的导电层Au；第二金属导电层(顶)901使用MOCVD、MBE、ALD、溅射、蒸镀方法制备。第二金属层901在底部接触了第一金属层301并联合作为底电极，在顶部则单独构成顶电极，也即在压电材料(701)台阶处自动分层，缩短了工艺步骤。

k、背硅湿法腐蚀1001，形成悬臂梁结构1003，如图10所示；

将器件浸入腐蚀液，或者喷洒腐蚀液，使得腐蚀液从背面的窗口201作用于衬底101。腐蚀液使用30％的KOH在约70℃下腐蚀，腐蚀速率1um/min，腐蚀时间500mi n。腐蚀时正面使用黑腊保护。此外，也可以采用四甲基氢氧化铵(TMAH)腐蚀硅。腐蚀形成了梯形沟槽，直至暴露衬底101正面的保护层102，使得其上的各个层悬垂在相邻的衬底余部之间构成悬梁臂结构1003。值得注意的是，使用固化之后的导电胶层(501-802)作为悬臂梁(1003)的主体结构，悬臂梁结构上不含Si，因此节省了工艺步骤，这样避免了普通硅片厚度不好掌握的问题，也避免了SOI硅片造价过高的问题。此外，由于环氧树脂膜具有低杨氏模量的特性，使器件敏感度增加，在低振动情况下也可以保证输出电平。

l、划片，使之形成质量块1102结构，如图11所示；

划片道预留100um。划穿。使之释放出质量块1102结构。

m、从压电陶瓷片上方金属层上引出顶电极焊垫(pad)，从导电胶上方金属层上引出底电极pad。

如图1～11所示：工作时，基座1103固定，整个器件接收到环境振动，在响应频率下产生共振，质量块1102带动悬臂梁1003进行上下往复的振动。压电敏感层701受到沿悬臂梁平面方向应力作用，在垂直于悬臂梁平面方向产生电势差，电势通过上下电极向外输出。

本发明中悬臂梁结构1003使用环氧树脂作为主要材料，悬臂梁1003从下至上为掩蔽层102/金属层301/环氧树脂胶层501/压电材料层701/金属层901，将键合层作为弹性层，节省了工艺步骤，这样避免了普通硅片厚度不好掌握的问题，也避免了SOI硅片造价过高的问题。使用环氧树脂作为悬臂梁1003主体结构，由于环氧树脂膜具有低杨氏模量的特性，使器件敏感度增加，在低振动情况下也可以保证输出电平。使用大尺寸PZT薄片601作为压电执行层，极大地提高了器件性能，解决了目前体硅工艺制备PZT薄膜无法获得较厚PZT薄膜的问题。顶电极使用PZT厚台阶自动分离顶/底电极，缩短了工艺步骤。由本发明提供的新型MEMS压电振动能量收集器具有工艺步骤短，器件结构易于实现，便于批量生产，输出开环电压高，敏感度高，可在各类无源无线传感器中得到广泛而实际的应用。

尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对器件结构做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的器件结构及其制造方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。

Claims

1.一种微型压电振动能量收集器的制造方法，包括：

在衬底正面上形成第一保护层以及第一金属层；

在第一金属层上形成具有窗口的光刻胶层；

在第一金属层以及光刻胶层上形成导电胶层；

在与窗口对应的位置处的导电胶层上粘贴压电陶瓷片；

去除光刻胶层以及未被压电陶瓷片覆盖的导电胶层；

在压电陶瓷片以及第一金属层上形成第二金属层；

在衬底背面形成与窗口位置对应的开口，直至暴露第一保护层，使得第二金属层、压电陶瓷片、导电胶层、第一金属层以及第一保护层构成悬梁臂，跨越开口两侧的衬底构成的质量块。

2.如权利要求1所述的微型压电振动能量收集器的制造方法，其中，粘贴压电陶瓷片之后进一步包括加热固化导电胶层以完成键合。

3.如权利要求1所述的微型压电振动能量收集器的制造方法，其中，形成第一保护层的同时也在衬底背面形成第二保护层，图案化第二保护层形成暴露衬底的背面窗口，用于在衬底背面形成直至暴露第一保护层的开口。

4.如权利要求1所述的微型压电振动能量收集器的制造方法，其中，粘贴压电陶瓷片之后进一步包括通过CMP以及湿法腐蚀，将压电陶瓷片减薄至需要厚度。

5.如权利要求1所述的微型压电振动能量收集器的制造方法，其中，形成开口之后进一步包括：划片以释放质量块；在第二金属层上形成接触焊垫。

6.如权利要求1所述的微型压电振动能量收集器的制造方法，其中，导电胶层为掺杂了金属的环氧树脂，压电陶瓷片包括PZT薄膜。