一種微壓電驅動器陣列結構的制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種微壓電驅動器陣列結構的制備方法，包括：對一雙面拋光的硅片進行熱氧化處理，在表面形成二氧化硅薄膜；對二氧化硅薄膜進行圖形化處理，形成掩膜圖案；根據掩膜圖案，對硅片的上表面進行電感耦合等離子體刻蝕，形成硅支撐臺；分別在硅支撐臺的上表面和一壓電陶瓷片的下表面蒸鍍一層金層，采用共晶鍵合的方法實現兩者的鍵合；對壓電陶瓷片進行物理減薄；在壓電陶瓷片的上表面濺射一層金/鉻薄膜，作為壓電陶瓷片的上層電極，并使用準分子激光器對壓電陶瓷片進行圖形化處理；采用濕法刻蝕方法，從硅片的下表面刻蝕硅，形成硅腔，硅腔與硅支撐臺的位置相對應。本發明的微壓電驅動器陣列結構的制備方法簡單易行，致密性和壓電性能好。
【專利說明】
一種微壓電驅動器陣列結構的制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及微機電技術領域，特別涉及一種未壓電驅動器陣列結構的制備方法。 【背景技術】
[0002]近年來，微反應器、微流控分析芯片等一直在積極推動著醫療微流體系統的研究。 其中，微流控分析芯片是最大限度地將采樣、稀釋、加試劑、反應、分離、檢測等分析功能集成為一體的微型全分析系統(y-TAS)，是新世紀分析科學、微機電加工、生命科學、化學合成、分析儀器及環境科學等許多領域的重要發展前沿。而用于微壓電驅動的PZT薄膜是微流控分析芯片中微驅動器的主要部分，是微流控分析芯片內樣品驅動的動力源。
[0003]目前，微壓電驅動用的PZT薄膜的制備方法通常有濺射法、溶膠-凝膠法和絲印法。 濺射法的優點是薄膜致密，厚度均勻。但濺射設備成本較高，沉膜速率較慢，而且組分不易控制。溶膠-凝膠(Sol-gel)法的優點在于:能夠與光刻工藝兼容，可以制備大面積涂層，精確地控制組分，但制備厚度為10?100M1的PZT膜時，以上各種方法都不太適合。即使制備出來，其致密性和壓電性能也受到了極大地限制。除此，Sol-gel的原料具有毒性。而用絲印法制備的膜厚可達100M1，但這種方法制得的壓電膜需要950°C的高溫退火處理，難以與其他微細加工工藝兼容，而且在高溫處理時鉛會擴散到硅中，從而影響薄膜的質量。
【發明內容】
[0004]本發明針對上述現有技術中存在的問題，提出一種微壓電驅動器陣列結構的制備方法，采用塊狀壓電陶瓷物理減薄的方法實現壓電厚膜的制備，其致密性和壓電性能能夠得到極大地保證;而且將電感耦合等離子體刻蝕和濕法刻蝕工藝相結合，方法步驟簡單易行，解決了現有技術中存在的制備方法復雜，致密性和壓電性能差的問題。
[0005]為解決上述技術問題，本發明是通過如下技術方案實現的:
[0006]本發明提供一種微壓電驅動器陣列結構的制備方法，其包括以下步驟:
[0007]S11:對一雙面拋光的硅片進行熱氧化處理，在所述硅片的上、下表面形成預設厚度的二氧化硅薄膜；
[0008]S12:對所述硅片的上、下表面的所述二氧化硅薄膜進行圖形化處理，形成掩膜圖案；
[0009]S13:根據所述掩膜圖案，對所述硅片的上表面進行電感耦合等離子體刻蝕，形成硅支撐臺；
[0010]S14:分別在所述硅支撐臺的上表面和一壓電陶瓷片的下表面蒸鍍一層金層，采用共晶鍵合的方法實現所述硅支撐臺的上表面和所述壓電陶瓷片的下表面的鍵合；
[0011]S15:對所述壓電陶瓷片進行物理減薄處理；
[0012]S16:在所述壓電陶瓷片的上表面濺射一層金/鉻薄膜，所述金/鉻薄膜作為所述壓電陶瓷片的上層電極，并使用準分子激光器對所述壓電陶瓷片進行圖形化處理；
[0013]S17:采用濕法刻蝕的方法，從所述硅片的下表面刻蝕硅，形成硅腔，所述硅腔與所述硅支撐臺的位置相對應。[0〇14]較佳地，所述步驟S11中所述娃片的厚度為300?500um，所述二氧化娃薄膜的厚度為0?1?0?5um。[〇〇15]較佳地，所述步驟S12具體包括:[〇〇16]S121:在所述硅片的上、下表面旋涂光刻膠；
[0017]S122:對所述光刻膠進行紫外線光刻，開出刻蝕二氧化硅薄膜的窗口；[0〇18]S123:刻蝕所述二氧化娃薄膜，使所述娃片的上、下表面形成刻蝕娃的二氧化娃掩膜圖案。
[0019]較佳地，所述步驟13中的電感耦合等離子體刻蝕以SF6為刻蝕氣體，以C4F8為保護氣體。
[0020]較佳地，所述步驟S14中所述金層作為所述硅支撐臺的上表面和所述壓電陶瓷片的下表面鍵合時的中間層，也作為所述壓電陶瓷片的下層電極。
[0021]較佳地，所述步驟S15具體為:先用粗砂紙進行粗磨，使其快速減薄;然后再使用細砂紙進行細磨拋光。[〇〇22] 較佳地，所述步驟S16中的準分子激光器為KrF準分子激光器。
[0023]較佳地，所述步驟S17中的濕法刻蝕所采用的濕法刻蝕液為氫氧化鉀溶液、EPW溶液或四甲基氫氧化銨溶液中的任意一種。
[0024]相較于現有技術，本發明具有以下優點:[〇〇25] (1)本發明提供的微壓電驅動器陣列結構的制備方法，采用塊狀壓電陶瓷物理減薄的方法實現壓電厚膜的制備，不需要復雜的化學方法制備壓電薄膜，能夠比較容易地得到較厚的壓電薄膜(10?l〇〇um)，其致密性和壓電性能能夠得到極大地保證；
[0026] (2)本發明采用電感耦合等離子體刻蝕、準分子激光切割、濕法刻蝕工藝，操作簡單，整套工藝流程簡單易行，非常適合批量化制備。
[0027]當然，實施本發明的任一產品并不一定需要同時達到以上所述的所有優點。【附圖說明】
[0028]下面結合附圖對本發明的實施方式作進一步說明:
[0029]圖1為本發明的實施例的微壓電驅動器陣列結構的制備方法的流程圖；
[0030]圖2為本發明的實施例的步驟S11之后的硅片結構示意圖；
[0031]圖3為本發明的實施例的步驟S13之后的硅片上表面結構示意圖；
[0032]圖4為本發明的實施例的步驟S14的共晶鍵合之后的示意圖；
[0033]圖5為本發明的實施例的步驟S16之后的硅片上表面的結構示意圖；
[0034]圖6為本發明的實施例的步驟S17之后的硅片下表面的結構示意圖；
[0035]圖7為本發明的實施例的微壓電驅動器陣列結構的半剖視圖。
[0036]標號說明:1_硅片，2-二氧化硅薄膜，3-硅支撐臺，4-壓電陶瓷片，5-硅腔【具體實施方式】
[0037]下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0038]結合圖1-圖7,對本發明的微壓電驅動器陣列結構的制備方法進行詳細描述，其流程圖如圖1所示，其包括以下步驟:[〇〇39]S11:取一塊20mm*20mm大小的，300um厚的雙面拋光的硅片1，洗凈、烘干后，將其放入熱氧化爐中進行熱氧化處理，使硅片的上、下表面形成預設厚度的二氧化硅薄膜2,經過此步驟之后的硅片結構示意圖如圖2所示;硅片的厚度較佳地為300?500um，二氧化硅薄膜的厚度較佳地為〇 ? 1?〇 ? 5um;
[0040]S12:對硅片的上、下表面的二氧化硅薄膜2進行圖形化處理，形成掩膜圖案；
[0041]S13:根據掩膜圖案，對硅片的上表面進行電感耦合等離子體刻蝕，形成硅支撐臺 3,經過此步驟之后的硅片上表面結構示意圖如圖3所示；
[0042]S14:分別在硅支撐臺3的上表面和一壓電陶瓷片4的下表面蒸鍍一層金層，采用共晶鍵合的方法實現硅支撐臺3的上表面和壓電陶瓷片4的下表面的鍵合，經過此步驟之后的結構示意圖如圖4所示，壓電陶瓷片4的大小與硅片1的大小相同，厚度為150um，金層既作為壓電陶瓷片與硅支撐臺之間的鍵合中間層，也作為壓電陶瓷片的下層電極；[〇〇43]S15:對壓電陶瓷片4進行物理減薄處理；
[0044]S16:在壓電陶瓷片4的上表面濺射一層金/鉻薄膜，金/鉻薄膜作為壓電陶瓷片的上層電極，并使用準分子激光器對壓電陶瓷片4進行圖形化處理，使其與硅支撐臺3相對應， 經過該步驟之后的硅片上表面的結構示意圖如圖5所示；[〇〇45] S17:采用濕法刻蝕的方法，從硅片的下表面刻蝕硅，形成2* 2個硅腔5，硅腔5與硅支撐臺3的位置相對應，經過此步驟之后的硅片下表面的結構示意圖如圖6所示，最終形成的微壓電驅動器陣列結構的半剖視圖如圖7所示。
[0046]較佳實施例中，步驟S12中圖形化處理的過程具體為:[〇〇47] S121:在硅片1的上、下表面的二氧化硅薄膜2上旋涂一層5um厚的光刻膠，110 °C固化；[〇〇48]S122:將硅片1放入光刻機內，利用已制備完成的紫外線掩膜板，進行紫外線光刻，開出刻蝕二氧化硅薄膜的窗口；
[0049]S123:使用氫佛酸溶液刻蝕二氧化硅薄膜，并使用光刻膠剝離液去除硅片1上的光刻膠，使硅片的上、下表面形成刻蝕硅的二氧化硅掩膜圖案。
[0050]較佳實施例中，步驟S15中物理減薄可以分快速減薄和精細減薄兩個過程，首先利用目數為1000目與2000目的砂紙對壓電陶瓷基片4的表面進行粗磨，使其快速減薄；當減薄到一定厚度后，再用目數為3000目與6000目的研磨膏對壓電陶瓷基片4進行精磨和拋光，使壓電陶瓷基片4減薄到10?100um〇[〇〇51]此處公開的僅為本發明的優選實施例，本說明書選取并具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發明的原理和實際應用，并不是對本發明的限定。任何本領域技術人員在說明書范圍內所做的修改和變化，均應落在本發明所保護的范圍內。
【主權項】
1.一種微壓電驅動器陣列結構的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:S11:對一雙面拋光的硅片進行熱氧化處理，在所述硅片的上、下表面形成預設厚度的二氧化硅薄膜；S12:對所述硅片的上、下表面的所述二氧化硅薄膜進行圖形化處理，形成掩膜圖案； S13:根據所述掩膜圖案，對所述硅片的上表面進行電感耦合等離子體刻蝕，形成硅支 撐臺；S14:分別在所述硅支撐臺的上表面和一壓電陶瓷片的下表面蒸鍍一層金層，采用共晶 鍵合的方法實現所述硅支撐臺的上表面和所述壓電陶瓷片的下表面的鍵合；S15:對所述壓電陶瓷片進行物理減薄處理；S16:在所述壓電陶瓷片的上表面濺射一層金/鉻薄膜，所述金/鉻薄膜作為所述壓電陶 瓷片的上層電極，并使用準分子激光器對所述壓電陶瓷片進行圖形化處理；S17:采用濕法刻蝕的方法，從所述硅片的下表面刻蝕硅，形成硅腔，所述硅腔與所述硅 支撐臺的位置相對應。2.根據權利要求1所述的微壓電驅動器陣列結構的制備方法，其特征在于，所述步驟 S11中所述硅片的厚度為300?500um，所述二氧化硅薄膜的厚度為0.1?0.5um〇3.根據權利要求1所述的微壓電驅動器陣列結構的制備方法，其特征在于，所述步驟 S12具體包括:SI 21:在所述硅片的上、下表面旋涂光刻膠；S122:對所述光刻膠進行紫外線光刻，開出刻蝕二氧化硅薄膜的窗口；S123:刻蝕所述二氧化硅薄膜，使所述硅片的上、下表面形成刻蝕硅的二氧化硅掩膜圖案。4.根據權利要求1所述的微壓電驅動器陣列結構的制備方法，其特征在于，所述步驟13 中的電感耦合等離子體刻蝕以SF6為刻蝕氣體，以C4F8為保護氣體。5.根據權利要求1所述的微壓電驅動器陣列結構的制備方法，其特征在于，所述步驟 S14中所述金層作為所述硅支撐臺的上表面和所述壓電陶瓷片的下表面鍵合時的中間層， 也作為所述壓電陶瓷片的下層電極。6.根據權利要求1所述的微壓電驅動器陣列結構的制備方法，其特征在于，所述步驟 S15具體為:先用粗砂紙進行粗磨，使其快速減薄;然后再使用細砂紙進行細磨拋光。7.根據權利要求1所述的微壓電驅動器陣列結構的制備方法，其特征在于，所述步驟 S16中的準分子激光器為KrF準分子激光器。8.根據權利要求1所述的微壓電驅動器陣列結構的制備方法，其特征在于，所述步驟 S17中的濕法刻蝕所采用的濕法刻蝕液為氫氧化鉀溶液、EPW溶液或四甲基氫氧化銨溶液中的任意一種。
【文檔編號】H01L41/22GK105957959SQ201610415190
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月14日
【發明人】李以貴, 黃遠, 顏平, 王歡, 胡隆勝, 夏碧穎, 李俊衡, 桑先潤
【申請人】上海應用技術學院