CN1953315A - 一种加工基于无机驻极体的mems微发电机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了加工基于无机驻极体的MEMS微发电机的方法。本发明加工方法，包括如下步骤：1)在无机衬底表面光刻、溅射金属电极，剥离得到下金属电极；2)在无机衬底表面沉积无机驻极体薄膜，经光刻腐蚀形成驻极体图形；3)在硅衬底上表面光刻，腐蚀出浅槽，并在硅表面注入硼；4)将所述硅衬底与所述无机衬底表面牢固结合在一起，其中，硅衬底带有浅槽的表面与无机衬底带有驻极体图形的表面相对；5)通过光刻并刻蚀上层硅衬底形成上极板，刻蚀位置与驻极体图形的位置相对应；6)在无机驻极体薄膜内注入电荷，得到所述MEMS微发电机。本发明方法具有与集成电路工艺兼容性好，可批量生产，应用前景广阔。

Description

一种加工基于无机驻极体的MEMS微发电机的方法

技术领域

本发明涉及驻极体微发电机的加工方法，特别是涉及加工基于无机驻极体的MEMS微发电机的方法。

背景技术

微机电系统(以下简称MEMS)是一个新兴的多学科交叉的高科技领域，在促进国民经济和生产力的发展，巩固国家安全等方面表现出巨大的潜力。MEMS技术的应用使得多种系统的微小型化成为可能，同时，与MEMS器件对应的稳定、高效和微型化能源供应也成为一个技术挑战。而传统的能量供应方式已经难以满足MEMS技术低成本、实用化和批量生产的要求，尤其对于一些植入式或者分布式MEMS器件，传统电池的更换、充电以及废物排放给供电造成了很大的不便。人们希望通过应用MEMS技术改善能源供应的效率和性能，提供一种更加清洁、持续、可靠的能量供应方式。

驻极体是一类具有储电功能的电介质，在电子工程、光学、生物医学等方面都有广泛的应用。利用驻极体发电具备清洁、无排放物、无需更换燃料或进行电源充电的优点。虽然驻极体发电目前已经有所研究，但所能检索到的驻极体发电单元均采用有机驻极体材料，驻极体MEMS发电机也都只是原型，其制造工艺通常先分别制造和加工驻极体膜与可动结构，然后通过粘结或者其他机械装置将二者组合成发电机原型，也就是一对一实现两者之间的连接和固定，难于实现并行批量生产和小型化，而且驻极体膜与可动电极之间的距离难以精确控制。

目前所能查找到的驻极体发电机均采用有机驻极体材料，主要以高分子聚合物为主，如聚四氟乙烯(Teflon Af)和全氟环状聚合物(CYTOP)等等，其与集成电路和MEMS技术的兼容性差，难以实现批量制造。

从制备技术上来看，聚合物电介质可以用旋涂法或化学气相沉积法制备。化学气相淀积法尽管是半导体技术中常用薄膜制备方法，但是气氛与工艺条件和半导体技术常用设备不同，而且适用的聚合物材料有限，被沉积材料的化学结构难以控制和测量，并且会在形成的薄膜中产生高的内应力。旋涂法是一种制备可溶性有机介质材料比较通用的方法，但是由于存在热固化过程，可能会有溶胀问题，使聚合物交联或使其转变成不溶性材料；另外，薄膜的纯度以及晶体片污染也是旋涂法的一个重要缺点。另外一种常见的做法是将聚合物薄膜直接粘在利用体硅工艺加工好的器件结构上面，这种做法的缺点平整度和均匀性差，无法再在其上进行MEMS加工，对产品的自动化，产业化生产造成了困难。

从工艺的兼容性来看，聚合物材料通常抗腐蚀性强，难以形成图形。但是耐高温性差，一般软化温度在100℃左右，无法承受其它较高温度的加工过程，对进一步的加工和形成图形造成了障碍。

发明内容

本发明的目的是提供一种加工基于无机驻极体的MEMS微发电机的方法。

本发明所提供的加工方法，包括如下步骤：

1)在无机衬底表面光刻、溅射金属电极，剥离得到下金属电极；

2)在无机衬底表面沉积无机驻极体薄膜，经光刻腐蚀形成驻极体图形；

3)在硅衬底上表面光刻，腐蚀出浅槽，并在硅表面注入硼；

4)将所述硅衬底与所述无机衬底表面牢固结合在一起，其中，硅衬底带有浅槽的表面与无机衬底带有驻极体图形的表面相对；

5)通过光刻并刻蚀上层硅衬底形成上极板，刻蚀位置与驻极体图形的位置相对应；

6)在无机驻极体薄膜内注入电荷，得到所述MEMS微发电机。

本发明中采用的各种加工步骤，均为目前MEMS体硅加工工艺中常用的各种加工方法。例如，步骤2)沉积方法采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)；图形化采用干法刻蚀(RIE)或湿法腐蚀。步骤3)采用湿法腐蚀或者干法深刻蚀(ICP)。步骤4)采用的是圆片级键合工艺使两个衬底图形对准并牢固结合在一起。步骤5)刻蚀硅膜前还将硅衬底采用ICP或KOH湿法腐蚀减薄，以控制硅膜的厚度。步骤5)刻蚀硅膜采用ICP进行。

常用的无机驻极体薄膜材料包括SiO₂膜，Si₃N₄膜，SiO₂/Si₃N₄复合膜等(其中SiO₂/Si₃N₄复合膜具有更好的注极性能和电荷稳定性)，关于Si、SiON等无机材料的注极性能也有所研究。在本发明中，无机衬底可以选用目前MEMS加工所常用的各种衬底材料，如硅片、玻璃片等；对于所用的金属电极也没有特殊要求，常用的电极有铝电极、钛/铂/金、铬/金电极等。

本发明以无机材料作为制备材料，并利用目前常用的集成电路和MEMS各种方法和设备来进行材料制备与图形化，解决了目前有机材料制备过程兼容性差并难以批量生产的缺点，而且，衬底选择性高，各种衬底均可以适用于本发明；采用PECVD的方法生长无机驻极体薄膜，具有生长温度低、生长速率快、膜厚范围大、多孔等优点，采用SiO₂/Si₃N₄复合膜有利于提高驻极体性能和电荷的稳定性。本发明方法可精确控制驻极体与可动电极间的间距，所得微发电机具有体积小、重量轻、集成度高等优点，应用前景广阔。

附图说明

图1A-图1I为制备过程中衬底的剖面示意图。

图2为制备所得MEMS微发电机结构的立体示意图。

具体实施方式

本发明方法加工原理如下：

先用剥离工艺在无机衬底表面形成固定的金属下极板；然后在金属图形上淀积无机驻极体薄膜并图形化；硅衬底上进行浅槽腐蚀，定义出悬空结构的高度，并于硅片表面注入硼；将硅片和无机衬底进行键合，光刻并ICP刻蚀上层硅膜形成悬空可动上极板；最后进行电注极形成所得MEMS微发电机。

这里，常用的无机驻极体材料有SiO₂膜，SiO₂/Si₃N₄复合膜，Si₃N₄膜等。由于等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)具有生长温度低、生长速率快、膜厚范围大等优点，与其他方法相比，采用PECVD淀积可以在更短的时间内得到10μm量级的薄膜厚度，实现大批量生产。

硼的注入一般可以采用目前常规的注入方法来进行，如离子注入法或者热扩散注入法等。

进行电注极的方法有很多，包括电晕、离子束、电子束等，在本发明中可以采用这些常规方法进行电注极，只要能够满足要求使驻极体薄膜表面达到足够的表面电势即可。

以下以具体的实施例对本发明进行描述。

实施例1、制备基于SiO₂/Si₃N₄复合膜驻极体的微发电机

在衬底上制备微发电机的工艺流程如下，制备过程的剖面图分别如图1A-图1I：

步骤1：在玻璃衬底1表面光刻、溅射金属电极(Al电极)，然后剥离得到下金属电极11；

步骤2：采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)的方法在玻璃衬底11表面淀积SiO₂/Si₃N₄复合膜12(先沉积SiO₂膜再沉积Si₃N₄膜)。

步骤3：光刻SiO₂/Si₃N₄复合膜，采用反应离子刻蚀(RIE)干法刻蚀Si₃N₄和SiO₂，得到驻极体图形。

步骤4：硅片2表面光刻并腐蚀出浅槽，定义出悬空结构高度。

步骤5：采用离子注入方法在硅片2的硅表面注入硼。

步骤6：将硅片2和玻璃1进行键合，使硅片2的浅槽与驻极体图形相对。

步骤7：利用KOH湿法腐蚀减薄硅片2，定义出悬空结构厚度。

步骤8：在硅片2上与玻璃衬底1上驻极体图形相对应的位置，光刻并利用ICP刻蚀上层硅膜，形成上极板。

步骤9：采用电晕注极方法进行电注极，使SiO₂/Si₃N₄复合膜12带有电荷，得到基于SiO₂/Si₃N₄复合膜驻极体的MEMS微发电机。

所得MEMS微发电机的立体结构图如图2所示。

如果采用其他无机驻极体材料，可以通过与上相同的方法得到类似的MEMS微发电机。

Claims (8)

1、基于无机驻极体的MEMS微发电机的加工方法，包括如下步骤：

1)在无机衬底表面光刻、溅射金属电极，剥离得到下金属电极；

2)在无机衬底表面沉积无机驻极体薄膜，经光刻腐蚀形成驻极体图形；

3)在硅衬底上表面光刻，腐蚀出浅槽，并在硅表面注入硼；

4)将所述硅衬底与所述无机衬底表面牢固结合在一起，其中，硅衬底带有浅槽的表面与无机衬底带有驻极体图形的表面相对；

5)通过光刻并刻蚀上层硅衬底形成上极板，刻蚀位置与驻极体图形的位置相对应；

6)在无机驻极体薄膜内注入电荷，得到所述MEMS微发电机。

2、根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：所述无机驻极体薄膜为SiO₂膜，SiO₂/Si₃N₄复合膜，Si₃N₄膜。

3、根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：步骤2)沉积方法采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)；光刻腐蚀采用RIE干法刻蚀或湿法腐蚀。

4、根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：步骤3)采用湿法腐蚀或者干法深刻蚀(ICP)制备浅槽。

5、根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：步骤4)采用的是圆片级键合工艺使两个衬底图形对准并牢固结合在一起。

6、根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：步骤5)刻蚀硅膜前还将硅衬底采用ICP或KOH湿法腐蚀减薄，以控制硅膜的厚度。

7、根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：步骤5)刻蚀硅膜采用ICP进行。

8、根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：所述无机衬底为硅片或玻璃片。

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