CN105514258A - 一种压电悬臂梁传感器结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电悬臂梁传感器结构，通过采用柔性材料作为悬臂梁支撑结构，简化了传感器结构和加工工艺，可大幅提高传感器的灵敏度或执行器的变形幅度，以及提高悬臂梁对外部激励的响应和信号输出；本发明还公开了一种压电悬臂梁传感器结构的制造方法，通过采用表面牺牲层工艺和各向同性湿法刻蚀工艺，从正面释放压电微悬臂梁结构，工艺简单可控，可提高压电悬臂梁传感器制造工艺与硅集成电路工艺的兼容性，避免产生污染问题。
Description
技术领域
本发明涉及压电薄膜微传感器技术领域，更具体地，涉及一种具有柔性支撑的压电悬臂梁传感器结构及其制造方法。
背景技术
压电原理是实现微传感器的一种新途径。通过压电效应，力、加速度等待感知量可以直接在压电薄膜上输出电压，而逆压电效应使微传感器可以通过施加外电压驱动微结构产生位移，从而同时具备执行器功能。资料表明，利用压电薄膜材料制成的微传感器/执行器与现有的硅基材料微传感器/执行器相比具有无可比拟的优势，是微传感器研究发展的新领域。
基于压电效应的传感器，是一种自发电式和机电转换式传感器，它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷，此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后，就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。
目前，国际上多个研究机构都已经开展了对压电薄膜微传感器技术的研究，在压电薄膜微器件的原理、结构、性能等的理论分析方面已经取得了一定的成果。但是，真正可以在实际中应用的压电微器件却很少，其关键问题在于：一是压电薄膜的微细加工技术和压电薄膜与硅集成电路工艺的兼容性问题尚未得到很好的解决；二是大部分的压电传感器采用体硅工艺，微结构的释放采用硅衬底背面腐蚀工艺，工艺复杂、难控制，与目前普遍采用的集成电路工艺不兼容，而且易发生微结构与衬底粘连的问题，导致成品率降低；三是已应用的压电微器件大多采用多晶硅、压电陶瓷等刚性支撑结构，对小信号激励的响应不敏感，灵敏度低；同时，带刚性支撑结构的微器件无法在任意尺寸、任意形状表面的物体上应用。这些问题也是发展铁电不挥发存储器、室温型热释电红外探测器等新型器件亟待解决的关键技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种具有柔性支撑的压电悬臂梁传感器结构及其制造方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种压电悬臂梁传感器结构，自下而上依次包括：硅片衬底、柔性支撑层、下电极、压电薄膜、上电极，所述衬底具有面向柔性支撑层的沟槽，所述柔性支撑层一端搭设于沟槽外的衬底表面，其余部分悬设于沟槽上方，与其上方下电极、压电薄膜、上电极一起构成悬臂。
优选地，所述衬底材料为N型或P型双面抛光硅片。
优选地，所述柔性支撑层材料包括聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二脂；所述上、下电极材料为Pt/Ti薄膜；所述压电薄膜材料为PZT压电薄膜。
一种压电悬臂梁传感器结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤S01：提供一硅片衬底，在衬底中形成沟槽，并填充牺牲层材料；
步骤S02：在衬底上制备柔性支撑层；
步骤S03：在柔性支撑层上依次制备图形化的下电极、压电薄膜、上电极；
步骤S04：进行柔性支撑层的图形化，使其一端位于沟槽区域外、另一端位于沟槽区域内，并使沟槽中的牺牲层材料露出；
步骤S05：通过释放工艺去除牺牲层材料，在沟槽上方形成由柔性支撑层与下电极、压电薄膜、上电极一起构成的悬臂梁结构。
优选地，所述衬底材料为N型或P型硅片，并进行双面抛光。
优选地，步骤S01中，先采用SACVD方法在衬底上淀积BPSG、BSG、PSG或SOG作为牺牲层材料，并进行平坦化回流；然后，采用干法刻蚀工艺对牺牲层材料进行回刻，去除衬底表面的牺牲层材料，使牺牲层材料与衬底表面平齐。
优选地，步骤S02中，采用旋涂法或淀积法制备聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二脂材料柔性支撑层；步骤S04中，采用各向异性的干法刻蚀工艺刻蚀柔性支撑层，形成悬臂梁的支撑结构。
优选地，步骤S03中，先采用光刻胶直接剥离工艺，经曝光、显影形成所需的电极图形，并去除电极图形区域的光刻胶；然后，采用PVD方法淀积Pt/Ti薄膜电极材料；最后，使用丙酮溶液剥离电极图形以外区域的光刻胶，形成Pt/Ti电极。
优选地，步骤S03中，先采用溶胶-凝胶方法制备PZT压电薄膜；然后，对PZT压电薄膜进行涂胶、曝光、显影，并采用干法刻蚀工艺进行图形化。
优选地，步骤S04中，通过在衬底上全面覆盖一层SiN，作为释放时的阻挡层，并刻蚀牺牲层材料上的SiN，使沟槽中的牺牲层材料露出形成释放窗口；S05中，采用各向同性的湿法刻蚀工艺去除沟槽中的牺牲层材料，释放悬臂梁结构。
本发明具有以下优点：
1、通过采用表面牺牲层工艺和各向同性湿法刻蚀工艺，从正面释放压电微悬臂梁结构，可充分利用普遍采用的CMOS工艺完成，工艺简单可控，提高了压电悬臂梁传感器制造工艺与硅集成电路工艺的兼容性，避免了体硅衬底用湿法刻蚀从背面释放悬臂梁工艺中的污染问题。
2、采用柔性材料作为悬臂梁支撑结构，与传统刚性支撑结构相比，大幅提高了传感器的灵敏度或执行器的变形幅度，提高了悬臂梁对外部激励的响应和信号输出。
3、采用柔性材料支撑结构，简化了传感器结构和加工工艺，使得采用本发明结构的压电微传感器可以应用在任意尺寸、任意形状表面的物体上，从而扩展了微传感器的应用范围。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例中的一种压电悬臂梁传感器结构示意图；
图2是本发明的一种压电悬臂梁传感器结构的制造方法流程图；
图3-19是本发明一较佳实施例中根据图2的方法制造压电悬臂梁传感器结构的工艺步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明一较佳实施例中的一种压电悬臂梁传感器结构示意图。如图1所示，本发明的一种压电悬臂梁传感器结构，建立在硅片衬底之上，其自下而上依次包括：硅片衬底11、柔性支撑层13、下电极14、压电薄膜15、上电极16。在柔性支撑层13下方的衬底11中设有一个沟槽12，所述沟槽12面向柔性支撑层13的方向为开口。所述柔性支撑层13的一端搭设于沟槽12外的衬底11表面，并与衬底11相连，包括另一端在内的其余部分悬设于沟槽12上方。柔性支撑层13与其上方的下电极14、压电薄膜15、上电极16一起在衬底的沟槽12上方构成悬臂，从而形成本发明的压电悬臂梁传感器结构。
与传统刚性支撑结构相比，本发明通过采用柔性材料作为悬臂梁支撑结构，可大幅提高传感器的灵敏度或执行器的变形幅度，并可提高悬臂梁对外部激励的响应和信号输出。采用此结构的压电微传感器可以应用在任意尺寸、任意形状表面的物体上，从而扩展了微传感器的应用范围。
作为一可选的实施方式，所述衬底材料可采用N型或P型硅片，该硅片可经过双面抛光处理。
作为一优选的实施方式，所述柔性支撑层材料可采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)或聚对苯二甲酸乙二脂(PET)；柔性支撑层的厚度可约为5-20微米，其较佳的厚度为10微米。所述上、下电极材料可采用Pt/Ti薄膜；其中，Pt薄膜的厚度可约为0.05微米，Ti薄膜的厚度可约为0.01-0.02微米。所述压电薄膜材料可采用PZT压电薄膜；PZT压电薄膜的厚度可约为2-10微米，其较佳的厚度为5微米。
下面通过具体的实施方式，对本发明的一种压电悬臂梁传感器结构的制造方法进行详细的说明。
请参阅图2，图2是本发明的一种压电悬臂梁传感器结构的制造方法流程图；同时，请参阅图3-19，图3-19是本发明一较佳实施例中根据图2的方法制造压电悬臂梁传感器结构的工艺步骤示意图，图3-19中显示的分步器件结构，可分别与图2中的工艺步骤相对应。如图2所示，本发明的一种压电悬臂梁传感器结构的制造方法，包括以下步骤：
如框01所示，步骤S01：提供一硅片衬底，在衬底中形成沟槽，并填充牺牲层材料。
请参阅图3。首先，可采用一N型或P型硅片1，并进行双面抛光，作为衬底材料。在此硅片衬底1中可事先制备好传感器所需的对应电路结构。
请参阅图4。接着，可通过涂胶、曝光、显影步骤，在衬底1上定义出一沟槽图形，作为牺牲层填充区域；然后，可采用干法刻蚀工艺刻蚀硅衬底1，形成牺牲层填充沟槽1a。
请参阅图5。接着，可采用SACVD方法进行牺牲层2淀积，在衬底1上淀积例如BPSG、BSG、PSG或SOG等作为牺牲层材料，将沟槽1a填满，并进行平坦化回流。其中，回流温度可在850-900℃，回流时间约为60-120分钟。
请参阅图6。接着，可采用干法刻蚀工艺对此牺牲层2进行回刻，将衬底表面的牺牲层材料去除，使牺牲层2与衬底1表面平齐。
如框02所示，步骤S02：在衬底上制备柔性支撑层。
请参阅图7。接着，可采用旋涂法或淀积法制备柔性支撑层3，并可采用例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)或聚对苯二甲酸乙二脂(PET)作为柔性支撑层材料，以形成悬臂梁的支撑结构。作为一可选的实施方式，柔性支撑层3的厚度可约为5-20微米，其较佳的厚度为10微米。
如框03所示，步骤S03：在柔性支撑层上依次制备图形化的下电极、压电薄膜、上电极。
请参阅图8。接着，可采用常规光刻胶直接剥离工艺，经曝光、显影形成所需的下电极图形；其中，在需要剥离下电极的区域保留光刻胶4，而在需要保留下电极的区域(即形成下电极图形的区域)去除光刻胶。
请参阅图9。接着，可采用PVD方法淀积Pt/Ti薄膜5作为下电极材料；其中，Pt薄膜的厚度可约为0.05微米，Ti薄膜的厚度可约为0.01-0.02微米。
请参阅图10。接着，可将整个器件结构浸入到丙酮溶液中，使用丙酮溶液剥离下电极图形以外区域的光刻胶4，以便去除多余的下电极材料，形成Pt/Ti下电极图形5。
请参阅图11。接着，可采用常规的溶胶-凝胶方法制备PZT压电薄膜6；PZT压电薄膜的厚度可约为2-10微米，其较佳的厚度为5微米。
请参阅图12。接着，对PZT压电薄膜6进行涂胶、曝光、显影，并采用例如含有Cl2/Ar/O2气体的干法刻蚀工艺进行图形化，在下电极上形成PZT压电薄膜6。
请参阅图13。接着，可采用光刻胶直接剥离工艺，经曝光、显影形成所需的上电极图形；其中，在需要剥离上电极的区域保留光刻胶4a，而在需要保留上电极的区域(即形成下电极图形的区域)去除光刻胶。
请参阅图14。接着，可采用PVD方法淀积Pt/Ti薄膜7作为上电极材料；其中，Pt薄膜的厚度可约为0.05微米，Ti薄膜的厚度可约为0.01-0.02微米。
请参阅图15。接着，可将整个器件结构再次浸入到丙酮溶液中，使用丙酮溶液剥离上电极图形以外区域的光刻胶4a，以便去除多余的上电极材料，形成Pt/Ti上电极图形7。
如框04所示，步骤S04：进行柔性支撑层的图形化，使其一端位于沟槽区域外、另一端位于沟槽区域内，并使沟槽中的牺牲层材料露出。
请参阅图16。接着，可使用光刻胶作为掩蔽，并采用各向异性干法刻蚀工艺刻蚀柔性支撑层3，使柔性支撑层3的一端位于沟槽区域1a外、另一端位于沟槽区域1a内，形成悬臂梁支撑结构。这样，在沟槽1a上方，就形成了由柔性支撑层3、下电极5、压电薄膜6、上电极7一起组成的悬臂梁结构。
如框05所示，步骤S05：通过释放工艺去除牺牲层材料，在沟槽上方形成由柔性支撑层与下电极、压电薄膜、上电极一起构成的悬臂梁结构。
请参阅图17。接着，可采用PECVD的方法，在衬底上的整个器件结构表面生长一层SiN层8，作为释放悬臂梁结构时的阻挡层；SiN阻挡层8的厚度可约为0.05-0.1微米。
请参阅图18。接着，可采用干法刻蚀方法刻蚀牺牲层材料上的SiN层8，使沟槽1a中的牺牲层2材料露出，形成悬臂梁结构释放的窗口。
请参阅图19。最后，可采用各向同性的湿法刻蚀工艺，去除衬底沟槽1a中的牺牲层2材料，释放悬臂梁结构，完成本发明压电悬臂梁传感器结构的制造。
综上所述，本发明通过采用表面牺牲层工艺和各向同性湿法刻蚀工艺，从正面释放压电微悬臂梁结构，可充分利用普遍采用的CMOS工艺完成，工艺简单可控，提高了压电悬臂梁传感器制造工艺与硅集成电路工艺的兼容性，避免了体硅衬底用湿法刻蚀从背面释放悬臂梁工艺中的污染问题；采用柔性材料作为悬臂梁支撑结构，与传统刚性支撑结构相比，大幅提高了传感器的灵敏度或执行器的变形幅度，提高了悬臂梁对外部激励的响应和信号输出；同时，采用柔性材料支撑结构，简化了传感器结构和加工工艺，使得采用本发明结构的压电微传感器可以应用在任意尺寸、任意形状表面的物体上，从而扩展了微传感器的应用范围。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种压电悬臂梁传感器结构，其特征在于，自下而上依次包括：硅片衬底、柔性支撑层、下电极、压电薄膜、上电极，所述衬底具有面向柔性支撑层的沟槽，所述柔性支撑层一端搭设于沟槽外的衬底表面，其余部分悬设于沟槽上方，与其上方下电极、压电薄膜、上电极一起构成悬臂。
2.根据权利要求1所述的压电悬臂梁传感器结构，其特征在于，所述衬底材料为N型或P型双面抛光硅片。
3.根据权利要求1所述的压电悬臂梁传感器结构，其特征在于，所述柔性支撑层材料包括聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二脂；所述上、下电极材料为Pt/Ti薄膜；所述压电薄膜材料为PZT压电薄膜。
4.一种压电悬臂梁传感器结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01：提供一硅片衬底，在衬底中形成沟槽，并填充牺牲层材料；
步骤S02：在衬底上制备柔性支撑层；
步骤S03：在柔性支撑层上依次制备图形化的下电极、压电薄膜、上电极；
步骤S04：进行柔性支撑层的图形化，使其一端位于沟槽区域外、另一端位于沟槽区域内，并使沟槽中的牺牲层材料露出；
步骤S05：通过释放工艺去除牺牲层材料，在沟槽上方形成由柔性支撑层与下电极、压电薄膜、上电极一起构成的悬臂梁结构。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述衬底材料为N型或P型硅片，并进行双面抛光。
6.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，步骤S01中，先采用SACVD方法在衬底上淀积BPSG、BSG、PSG或SOG作为牺牲层材料，并进行平坦化回流；然后，采用干法刻蚀工艺对牺牲层材料进行回刻，去除衬底表面的牺牲层材料，使牺牲层材料与衬底表面平齐。
7.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，步骤S02中，采用旋涂法或淀积法制备聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二脂材料柔性支撑层；步骤S04中，采用各向异性的干法刻蚀工艺刻蚀柔性支撑层，形成悬臂梁的支撑结构。
8.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，步骤S03中，先采用光刻胶直接剥离工艺，经曝光、显影形成所需的电极图形，并去除电极图形区域的光刻胶；然后，采用PVD方法淀积Pt/Ti薄膜电极材料；最后，使用丙酮溶液剥离电极图形以外区域的光刻胶，形成Pt/Ti电极。
9.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，步骤S03中，先采用溶胶-凝胶方法制备PZT压电薄膜；然后，对PZT压电薄膜进行涂胶、曝光、显影，并采用干法刻蚀工艺进行图形化。
10.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，步骤S04中，通过在衬底上全面覆盖一层SiN，作为释放时的阻挡层，并刻蚀牺牲层材料上的SiN，使沟槽中的牺牲层材料露出形成释放窗口；S05中，采用各向同性的湿法刻蚀工艺去除沟槽中的牺牲层材料，释放悬臂梁结构。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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