CN111252728B - 一种mems压电装置的批量加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MEMS压电装置的批量加工方法，MEMS压电装置包括PZT立柱和设于的PZT立柱上的Si层；该加工方法包括以下步骤：取一PZT基板和Si基板，在的Si基板上加工出定位刀口，并将PZT基板加工成固定于的Si基板上的PZT立柱；的Si基板相对位置的边部上的定位刀口的连线构成切割路径，横向和纵向的切割路径构成PZT立柱边缘形状；取一与的Si基板形状大小相同的Si晶片，在的Si晶片的边部加工出定位刀口，的Si晶片键合连接于的PZT立柱上得到中间产品，并且位于Si晶片上的定位刀口与位于Si基板的定位刀口上下对齐；通过切割工艺切割Si晶片，得到覆盖于PZT立柱上的Si层。与现有技术相比，本发明具有生产成本低、切割简单、容易批量生产等优点。

Description

一种MEMS压电装置的批量加工方法

技术领域

本发明涉及MEMS技术领域，尤其是涉及一种MEMS压电装置的批量加工方法。

背景技术

键合工艺作为MEMS领域中一种重要的加工工艺。键合技术是将MEMS器件中不同材料的部件永久地连结为一体，生产仅用硅难以制作的新型器件和微型元件的一种技术。键合技术用于MEMS器件的制作、组装和封装，使许多新技术和新应用在MEMS中得以实现。近年来键合技术发展迅速，已成为MEMS器件开发和实用化的关键技术之一。用于MEMS器件的键合技术主要包括四种：直接键合、阳极键合、粘结剂键合和共晶键合。

传统键合工艺在制作小型部件的时候需要预先将材料切割成合适大小再进行键合，键合步骤复杂，不适合批量生产，无法满足大规模生产的需求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的无法批量生产的缺陷而提供一种MEMS压电装置的批量加工方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种MEMS压电装置的批量加工方法，所述MEMS压电装置包括PZT立柱和设于所述的PZT立柱上的Si层；

该加工方法包括以下步骤：

取一PZT基板和Si基板，在所述的Si基板上加工出定位刀口，并将PZT基板加工成固定于所述的Si基板上的PZT立柱；所述的Si基板相对位置的边部上的定位刀口的连线构成切割路径，横向和纵向的切割路径构成PZT立柱边缘形状；

取一与所述的Si基板形状大小相同的Si晶片，在所述的Si晶片的边部加工出定位刀口，所述的Si晶片键合连接于所述的PZT立柱上得到中间产品，并且位于Si晶片上的定位刀口与位于Si基板的定位刀口上下对齐；

通过切割工艺切割所述Si晶片，得到覆盖于所述PZT立柱上的Si层。

所述的定位刀口为三角形的定位刀口，位于相对位置的三角形的顶点连线构成所述的切割路径。

所述的PZT立柱的截面形状为矩形，每块PZT基板上加工出呈矩阵排列的若干个PZT立柱。

将若干个所述的中间产品通过所述的定位刀口在横向和纵向上对齐放置于切割平台上，然后通过切割工艺一次完成若干个中间产品的切割

所述的Si晶片与PZT基板在500～600℃、740～780[mbar]压力的条件下通过金键合连接。

所述的切割工艺采用激光切割。

所述的Si晶片(3)厚度为0.2～0.3mm；所述的激光切割过程中激光功率为14～16mj，优选为15.5mj，切割速度为20～30，优选为25μm/s，辅助气体为氮气。

所述的PZT基板和Si晶片上的定位刀口通过光刻法、电感耦合等离子体-反应离子刻蚀法加工得到，并且在光刻过程中，加工Si基板和Si晶片时采用的掩膜版相同。

本发明先将Si晶片和PZT基板键合，然后在对Si晶片和PZT基板进行统一切割，减少了预先加工的步骤，相对节省了时间，具有省时经济的特点，进一步将PZT基板按照一定规律在Si基板上进行排列，排列之后的基板可以进行批量操作，进一步节省了生产时间，满足大规模批量生产的要求。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)工艺简单，加工步骤少：通过先将Si晶片和PZT基板键合，然后经过一步切割即可加工完成，简化了加工步骤，提高了加工效率；

(2)通过在Si晶片和PZT基板上加工出缺口，缺口与缺口的连线即为切割的路径，保证了切割精度；

(3)在Si基板上同时排布多个Si晶片和PZT基板，批量操作，进一步节省了生产时间。

附图说明

图1为本发明中的切割路径的结构示意图；

图2为本发明的加工过程示意图；

图3为在Si基板上批量加工时的PZT基板的排列示意图；

图中，1为定位刀口，2为切割路径，3为Si晶片，4为键合材料，5为切割路径的截面，6为Si基板，7为PZT基板，8为PZT立柱，9为切割平台。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

一种MEMS压电装置的批量加工方法，MEMS压电装置包括PZT立柱8和设于PZT立柱8上的Si层；该加工方法包括以下步骤：

S-1：取一PZT基板7和Si基板6，在Si基板6上加工出定位刀口1，并将PZT基板7加工成固定于Si基板6上的PZT立柱；Si基板6相对位置的边部上的定位刀口1的连线构成切割路径2，横向和纵向的切割路径2构成PZT立柱边缘形状；如图1所示，Si基板6为矩形，通过纵、横向的切割路径2交叉，得到了3×3矩阵排列的矩形形状的图形；

将PZT基板加工成立柱的方法采用现有技术，加工步骤可以为：

在Si基板6上先加工出定位刀口1，将Si基板6清洗后使用真空蒸镀装置在PZT基板7的一面蒸镀一层金属Au；在550℃稳定温度、压力760[mbar]的条件下进行PZT基板7和下部的Si基板6的键合，具体为PZT-Au与Au-Si的晶键结合；PZT基板的尺寸小于Si基板6的尺寸，不会掩盖定位刀口1，采用采用切割刀对PZT基板进行分布区域化切割操作，得到PZT立柱部分。例如微纳电子技术期刊的隔膜式压电驱动器的制备及其在微泵中的应用文章中的加工方法也可以制备得到PZT立柱。

先加工定位刀口1，可以直接通过区域化切割操作以定位刀口1为定位基准，直接加工出PZT立柱，可以保证PZT立柱、Si基板6以及Si晶片3上的图案完全匹配。

定位刀口的加工方式可以采用现有的技术，通过光刻法、电感耦合等离子体-反应离子刻蚀法加工得到，并且在光刻过程中，加工Si基板6和Si晶片3时采用的掩膜版相同。

S-2：取一与Si基板6形状大小相同的Si晶片3，在Si晶片3的边部加工出定位刀口1，如图1所示，定位刀口1的连线同样构成切割路径2，Si晶片3与PZT立柱在550℃稳定温度、压力760[mbar]的条件下通过键合材料4进行结合，即Si-Au与Au-PZT-Si的结合得到中间产品，并且位于Si晶片3上的定位刀口1与位于Si基板6的定位刀口1上下对齐；如图2所示；

以上两步骤中，定位刀口1为三角形的定位刀口1，位于相对位置的三角形的顶点连线构成切割路径2，将定位刀口1设计为三角形，连接线通过三角形的顶点确定，连接线仅有一条，提高切割路径2的定位精度。

S-3：通过切割工艺切割Si晶片3，加工出PZT立柱8和覆盖于PZT立柱8上的Si层，通过图1中的切割路径，切割路径的截面5如图2所示，得到的PZT立柱8的截面形状为矩形，每块PZT基板7上加工出呈矩阵排列的9个PZT立柱8。切割工艺采用激光切割，本实施例中，Si晶片3厚度为0.2mm；；激光切割过程中激光功率为15.5mj，切割速度为25μm/s，辅助气体为氮气。

实施例2

本实施例中，步骤S-1和实施例1相同，步骤S-2相同中Si晶片3与PZT立柱在600℃稳定温度、压力780[mbar]的条件下通过键合材料4进行结合；步骤S-3中，将若干个中间产品通过定位刀口1在横向和纵向上对齐放置于切割平台上，然后通过切割工艺一次完成若干个中间产品的切割。如图3所示，切割平台9为圆形，以其圆心为对称中心，在切割平台9中心对称式排列有24个中间产品，从第一行开始，中间产品的个数分别为2、4、6、6、4、2，并且中间产品的上下左右均通过定位刀口1对齐排列，然后通过切割工艺依次批量切割，得到9×24个MEMS压电装置。同样，切割工艺采用激光切割，Si晶片3厚度为0.3mm；激光切割过程中激光功率为15.5mj，切割速度为25μm/s，辅助气体为氮气

实施例3

本实施例中，整体步骤与实施例1中相同，不同之处在于步骤S-3过程中，激光切割过程中激光功率为14mj，切割速度为20μm/s。

实施例4

本实施例中，整体步骤与实施例1中相同，不同之处在于步骤S-3过程中，激光切割过程中激光功率为16mj，切割速度为25μm/s。

本实施例提供了一种压电装置键合之后的切割工艺，与现有技术相比，本实施例具有以下优点：现有工艺需要在键合之前将需要键合到部件上的材料大小加工到合适的尺寸，费时费力且浪费材料。本发明采用先键合再切割的方式，减少了预先加工的步骤，相对节省了时间，减少了加工过程中原材料的损耗，具有省时经济的特点。同时提出了将基板按照一定规律在Si基板上进行排列，排列之后的基板可以进行批量操作，进一步节省了生产时间。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种MEMS压电装置的批量加工方法，所述的MEMS压电装置包括PZT立柱(8)和设于所述的PZT立柱(8)上的Si层；

其特征在于，包括以下步骤：

取一PZT基板(7)和Si基板(6)，在所述的Si基板(6)上加工出定位刀口(1)，并将PZT基板(7)加工成固定于所述的Si基板(6)上的PZT立柱；所述的Si基板(6)相对位置的边部上的定位刀口(1)的连线构成切割路径(2)，横向和纵向的切割路径(2)构成PZT立柱边缘形状；

取一与所述的Si基板(6)形状大小相同的Si晶片(3)，在所述的Si晶片(3)的边部加工出定位刀口(1)，所述的Si晶片(3)键合连接于所述的PZT立柱上得到中间产品，并且位于Si晶片(3)上的定位刀口(1)与位于Si基板(6)的定位刀口(1)上下对齐；

通过切割工艺切割所述Si晶片(3)，得到覆盖于所述PZT立柱(8)上的Si层。

2.根据权利要求1所述的一种MEMS压电装置的批量加工方法，其特征在于，所述的定位刀口(1)为三角形的定位刀口(1)，位于相对位置的三角形的顶点连线构成所述的切割路径(2)。

3.根据权利要求1所述的一种MEMS压电装置的批量加工方法，其特征在于，所述的PZT立柱(8)的截面形状为矩形，每块PZT基板(7)上加工出呈矩阵排列的若干个PZT立柱(8)。

4.根据权利要求3所述的一种MEMS压电装置的批量加工方法，其特征在于，将若干个所述的中间产品通过所述的定位刀口(1)在横向和纵向上对齐放置于切割平台(9)上，然后通过切割工艺一次完成若干个中间产品的切割。

5.根据权利要求1所述的一种MEMS压电装置的批量加工方法，其特征在于，所述的Si晶片(3)与PZT基板(7)在500～600℃、740～780[mbar]压力的条件下通过金键合连接。

6.根据权利要求1所述的一种MEMS压电装置的批量加工方法，其特征在于，所述的切割工艺采用激光切割。

7.根据权利要求6所述的一种MEMS压电装置的批量加工方法，其特征在于，所述的Si晶片(3)厚度为0.2～0.3mm；所述的激光切割过程中激光功率为14～16mj，切割速度为20～25μm/s，辅助气体为氮气。

8.根据权利要求1所述的一种MEMS压电装置的批量加工方法，其特征在于，所述的PZT基板(7)和Si晶片(3)上的定位刀口(1)通过光刻法、电感耦合等离子体-反应离子刻蚀法加工得到，并且在光刻过程中，加工Si基板(6)和Si晶片(3)时采用的掩膜版相同。

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