CN105957959A - 一种微压电驱动器阵列结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微压电驱动器阵列结构的制备方法，包括：对一双面抛光的硅片进行热氧化处理，在表面形成二氧化硅薄膜；对二氧化硅薄膜进行图形化处理，形成掩膜图案；根据掩膜图案，对硅片的上表面进行电感耦合等离子体刻蚀，形成硅支撑台；分别在硅支撑台的上表面和一压电陶瓷片的下表面蒸镀一层金层，采用共晶键合的方法实现两者的键合；对压电陶瓷片进行物理减薄；在压电陶瓷片的上表面溅射一层金/铬薄膜，作为压电陶瓷片的上层电极，并使用准分子激光器对压电陶瓷片进行图形化处理；采用湿法刻蚀方法，从硅片的下表面刻蚀硅，形成硅腔，硅腔与硅支撑台的位置相对应。本发明的微压电驱动器阵列结构的制备方法简单易行，致密性和压电性能好。
Description
技术领域
本发明涉及微机电技术领域，特别涉及一种未压电驱动器阵列结构的制备方法。
背景技术
近年来，微反应器、微流控分析芯片等一直在积极推动着医疗微流体系统的研究。其中，微流控分析芯片是最大限度地将采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等分析功能集成为一体的微型全分析系统(μ-TAS)，是新世纪分析科学、微机电加工、生命科学、化学合成、分析仪器及环境科学等许多领域的重要发展前沿。而用于微压电驱动的PZT薄膜是微流控分析芯片中微驱动器的主要部分，是微流控分析芯片内样品驱动的动力源。
目前，微压电驱动用的PZT薄膜的制备方法通常有溅射法、溶胶-凝胶法和丝印法。溅射法的优点是薄膜致密，厚度均匀。但溅射设备成本较高，沉膜速率较慢，而且组分不易控制。溶胶-凝胶(Sol-gel)法的优点在于：能够与光刻工艺兼容，可以制备大面积涂层，精确地控制组分，但制备厚度为10～100μm的PZT膜时，以上各种方法都不太适合。即使制备出来，其致密性和压电性能也受到了极大地限制。除此，Sol-gel的原料具有毒性。而用丝印法制备的膜厚可达100μm，但这种方法制得的压电膜需要950℃的高温退火处理，难以与其他微细加工工艺兼容，而且在高温处理时铅会扩散到硅中，从而影响薄膜的质量。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种微压电驱动器阵列结构的制备方法，采用块状压电陶瓷物理减薄的方法实现压电厚膜的制备，其致密性和压电性能能够得到极大地保证；而且将电感耦合等离子体刻蚀和湿法刻蚀工艺相结合，方法步骤简单易行，解决了现有技术中存在的制备方法复杂，致密性和压电性能差的问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种微压电驱动器阵列结构的制备方法，其包括以下步骤：
S11：对一双面抛光的硅片进行热氧化处理，在所述硅片的上、下表面形成预设厚度的二氧化硅薄膜；
S12：对所述硅片的上、下表面的所述二氧化硅薄膜进行图形化处理，形成掩膜图案；
S13：根据所述掩膜图案，对所述硅片的上表面进行电感耦合等离子体刻蚀，形成硅支撑台；
S14：分别在所述硅支撑台的上表面和一压电陶瓷片的下表面蒸镀一层金层，采用共晶键合的方法实现所述硅支撑台的上表面和所述压电陶瓷片的下表面的键合；
S15：对所述压电陶瓷片进行物理减薄处理；
S16：在所述压电陶瓷片的上表面溅射一层金/铬薄膜，所述金/铬薄膜作为所述压电陶瓷片的上层电极，并使用准分子激光器对所述压电陶瓷片进行图形化处理；
S17：采用湿法刻蚀的方法，从所述硅片的下表面刻蚀硅，形成硅腔，所述硅腔与所述硅支撑台的位置相对应。
较佳地，所述步骤S11中所述硅片的厚度为300～500um，所述二氧化硅薄膜的厚度为0.1～0.5um。
较佳地，所述步骤S12具体包括：
S121：在所述硅片的上、下表面旋涂光刻胶；
S122：对所述光刻胶进行紫外线光刻，开出刻蚀二氧化硅薄膜的窗口；
S123：刻蚀所述二氧化硅薄膜，使所述硅片的上、下表面形成刻蚀硅的二氧化硅掩膜图案。
较佳地，所述步骤13中的电感耦合等离子体刻蚀以SF6为刻蚀气体，以C4F8为保护气体。
较佳地，所述步骤S14中所述金层作为所述硅支撑台的上表面和所述压电陶瓷片的下表面键合时的中间层，也作为所述压电陶瓷片的下层电极。
较佳地，所述步骤S15具体为：先用粗砂纸进行粗磨，使其快速减薄；然后再使用细砂纸进行细磨抛光。
较佳地，所述步骤S16中的准分子激光器为KrF准分子激光器。
较佳地，所述步骤S17中的湿法刻蚀所采用的湿法刻蚀液为氢氧化钾溶液、EPW溶液或四甲基氢氧化铵溶液中的任意一种。
相较于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明提供的微压电驱动器阵列结构的制备方法，采用块状压电陶瓷物理减薄的方法实现压电厚膜的制备，不需要复杂的化学方法制备压电薄膜，能够比较容易地得到较厚的压电薄膜(10～100um)，其致密性和压电性能能够得到极大地保证；
(2)本发明采用电感耦合等离子体刻蚀、准分子激光切割、湿法刻蚀工艺，操作简单，整套工艺流程简单易行，非常适合批量化制备。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1为本发明的实施例的微压电驱动器阵列结构的制备方法的流程图；
图2为本发明的实施例的步骤S11之后的硅片结构示意图；
图3为本发明的实施例的步骤S13之后的硅片上表面结构示意图；
图4为本发明的实施例的步骤S14的共晶键合之后的示意图；
图5为本发明的实施例的步骤S16之后的硅片上表面的结构示意图；
图6为本发明的实施例的步骤S17之后的硅片下表面的结构示意图；
图7为本发明的实施例的微压电驱动器阵列结构的半剖视图。
标号说明：1-硅片，2-二氧化硅薄膜，3-硅支撑台，4-压电陶瓷片，5-硅腔
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
结合图1-图7，对本发明的微压电驱动器阵列结构的制备方法进行详细描述，其流程图如图1所示，其包括以下步骤：
S11：取一块20mm*20mm大小的，300um厚的双面抛光的硅片1，洗净、烘干后，将其放入热氧化炉中进行热氧化处理，使硅片的上、下表面形成预设厚度的二氧化硅薄膜2，经过此步骤之后的硅片结构示意图如图2所示；硅片的厚度较佳地为300～500um，二氧化硅薄膜的厚度较佳地为0.1～0.5um；
S12：对硅片的上、下表面的二氧化硅薄膜2进行图形化处理，形成掩膜图案；
S13：根据掩膜图案，对硅片的上表面进行电感耦合等离子体刻蚀，形成硅支撑台3，经过此步骤之后的硅片上表面结构示意图如图3所示；
S14：分别在硅支撑台3的上表面和一压电陶瓷片4的下表面蒸镀一层金层，采用共晶键合的方法实现硅支撑台3的上表面和压电陶瓷片4的下表面的键合，经过此步骤之后的结构示意图如图4所示，压电陶瓷片4的大小与硅片1的大小相同，厚度为150um，金层既作为压电陶瓷片与硅支撑台之间的键合中间层，也作为压电陶瓷片的下层电极；
S15：对压电陶瓷片4进行物理减薄处理；
S16：在压电陶瓷片4的上表面溅射一层金/铬薄膜，金/铬薄膜作为压电陶瓷片的上层电极，并使用准分子激光器对压电陶瓷片4进行图形化处理，使其与硅支撑台3相对应，经过该步骤之后的硅片上表面的结构示意图如图5所示；
S17：采用湿法刻蚀的方法，从硅片的下表面刻蚀硅，形成2*2个硅腔5，硅腔5与硅支撑台3的位置相对应，经过此步骤之后的硅片下表面的结构示意图如图6所示，最终形成的微压电驱动器阵列结构的半剖视图如图7所示。
较佳实施例中，步骤S12中图形化处理的过程具体为：
S121：在硅片1的上、下表面的二氧化硅薄膜2上旋涂一层5um厚的光刻胶，110℃固化；
S122：将硅片1放入光刻机内，利用已制备完成的紫外线掩膜板，进行紫外线光刻，开出刻蚀二氧化硅薄膜的窗口；
S123：使用氢佛酸溶液刻蚀二氧化硅薄膜，并使用光刻胶剥离液去除硅片1上的光刻胶，使硅片的上、下表面形成刻蚀硅的二氧化硅掩膜图案。
较佳实施例中，步骤S15中物理减薄可以分快速减薄和精细减薄两个过程，首先利用目数为1000目与2000目的砂纸对压电陶瓷基片4的表面进行粗磨，使其快速减薄；当减薄到一定厚度后，再用目数为3000目与6000目的研磨膏对压电陶瓷基片4进行精磨和抛光，使压电陶瓷基片4减薄到10～100um。
此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。
Claims (8)
1.一种微压电驱动器阵列结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S11：对一双面抛光的硅片进行热氧化处理，在所述硅片的上、下表面形成预设厚度的二氧化硅薄膜；
S12：对所述硅片的上、下表面的所述二氧化硅薄膜进行图形化处理，形成掩膜图案；
S13：根据所述掩膜图案，对所述硅片的上表面进行电感耦合等离子体刻蚀，形成硅支撑台；
S14：分别在所述硅支撑台的上表面和一压电陶瓷片的下表面蒸镀一层金层，采用共晶键合的方法实现所述硅支撑台的上表面和所述压电陶瓷片的下表面的键合；
S15：对所述压电陶瓷片进行物理减薄处理；
S16：在所述压电陶瓷片的上表面溅射一层金/铬薄膜，所述金/铬薄膜作为所述压电陶瓷片的上层电极，并使用准分子激光器对所述压电陶瓷片进行图形化处理；
S17：采用湿法刻蚀的方法，从所述硅片的下表面刻蚀硅，形成硅腔，所述硅腔与所述硅支撑台的位置相对应。
2.根据权利要求1所述的微压电驱动器阵列结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S11中所述硅片的厚度为300～500um，所述二氧化硅薄膜的厚度为0.1～0.5um。
3.根据权利要求1所述的微压电驱动器阵列结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S12具体包括：
S121：在所述硅片的上、下表面旋涂光刻胶；
S122：对所述光刻胶进行紫外线光刻，开出刻蚀二氧化硅薄膜的窗口；
S123：刻蚀所述二氧化硅薄膜，使所述硅片的上、下表面形成刻蚀硅的二氧化硅掩膜图案。
4.根据权利要求1所述的微压电驱动器阵列结构的制备方法，其特征在于，所述步骤13中的电感耦合等离子体刻蚀以SF6为刻蚀气体，以C4F8为保护气体。
5.根据权利要求1所述的微压电驱动器阵列结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S14中所述金层作为所述硅支撑台的上表面和所述压电陶瓷片的下表面键合时的中间层，也作为所述压电陶瓷片的下层电极。
6.根据权利要求1所述的微压电驱动器阵列结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S15具体为：先用粗砂纸进行粗磨，使其快速减薄；然后再使用细砂纸进行细磨抛光。
7.根据权利要求1所述的微压电驱动器阵列结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S16中的准分子激光器为KrF准分子激光器。
8.根据权利要求1所述的微压电驱动器阵列结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S17中的湿法刻蚀所采用的湿法刻蚀液为氢氧化钾溶液、EPW溶液或四甲基氢氧化铵溶液中的任意一种。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160921 |