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基于溶胶-凝胶高纵横比PZT结构的横向驱动双晶片MEMS驱动器的制备与表征
摘要
本文说明了一种新型高纵横比(AR)铅-锆-钛酸盐(PZT)横向驱动压电双晶片微机电系统驱动器的制备和表征。利用微机械硅模板，采用纳米复合溶胶-凝胶工艺制备了夹有Pt侧壁电极的PZT结构(AR=8)。成功地制备了单悬臂式双晶片横向驱动器，即使在500um长的驱动器上也没有出现初始垂直弯曲现象。在 25 V/minus;5 V的驱动电压下，双晶片驱动可获得10um的横向位移。然后从执行器的性能来表征压电陶瓷结构的压电性能。横向压电作动器作为取代占有很大面积的静电梳状驱动器具有多种潜在的应用前景。
引言
横向静电梳状驱动执行器已广泛应用于各种微机电系统(MEMS)中，如精密定位系统[1-5]、光开关[6,7]、变距光栅[8,9]、射频开关[10]和微操作器[11,12]。通过传统的MEMS微加工工艺，可以很容易地制作静电致动器。在原则上，低功耗也是一个吸引人的优势。但是，梳状电极占有的面积比较大，特别是当有很多手指时产生较大的力。此外，往往需要几十伏或更高的高驱动电压来产生大位移或大力。
压电驱动器与静电驱动器是MEMS的另一代表性驱动器。一般情况下，压电执行器的功率密度要高于静电执行器[13-17]。具体地说，锆钛酸铅及其系列实际上是用于微致动器的最佳压电材料，可以通过溶胶-凝胶法[18、19]、溅射沉积[20、21]和金属-有机化学气相沉积[22、23]等方法制备PZT薄膜，例如用于低驱动电压的RF-MEMS开关。在低驱动电压[26]条件下，制备了一种具有大输出力的多层PZT薄膜驱动器。然而，大多数压电陶瓷微致动器的运动方向是平面外的。一些基于PZT的横向驱动器被报道[27,28]，但由于它们是基于传统的平面外PZT驱动器，所以并没有显示纯粹的横向运动。此外，这类驱动器还可能存在应力诱导的非预期初始位移，这对于面外驱动器来说是一个不可避免的问题。即使薄膜应力得到了很好的控制，由于其结构的不对称，平面外PZT驱动器也可能因温度变化而发生弯曲。
图 1横向驱动压电双晶片MEMS驱动器的概念
在本研究中，我们提出了一种新型的横向驱动压电双晶片MEMS驱动器，如图1所示。悬臂式双晶片驱动器由硅弹性板和高纵横比(AR) PZT结构夹持的侧壁电极组成。普通双晶片MEMS执行器在平面内结构衬底上具有堆叠的薄膜，而该执行器是在垂直方向设置的。一个宽度小于或等于几微米的高AR PZT结构可以在一个相当低的驱动电压下驱动。头件可以连接多个输出力，而无需支付位移成本和额外的制造复杂性。此外，图1所示的对称结构产生纯平面内运动，原则上没有应力引起的初始垂直弯曲，也没有热挠度。
为了验证这一概念，最重要的挑战之一是开发制造工艺。特别是，用侧壁电极批量制造高AR PZT结构是一个重要的问题。为了专注于基本过程的发展，本研究制作了一种单悬臂式横向PZT双晶片驱动器，如图2所示。考虑到与晶片级批量制备的相容性，我们采用纳米复合溶胶-凝胶微成型工艺来制备PZT结构。为了将薄膜沉积到高AR微模具中，使用了原子层沉积(ALD)。
采用ALD-Pt和ALD-Al2O3分别作为侧壁电极和铅扩散阻挡层。本文说明了该驱动器的制作过程和特性。
制造
图3显示了横向PZT双晶片MEMS驱动器的制作过程。每个详细的过程步骤描述如下。
- 在绝缘体上高阻硅(SOI)衬底(gt; 10.000Omega;cm)上，采用深度反应离子蚀刻法(RIE)制备了20 um深沟道。
- 利用ALD在硅沟槽上形成Al2O3和Pt薄膜。以Al(CH3)3和H2O为前驱物，在190◦C下500次循环沉积40 nm厚的Al2O3。随后，40 nm厚的铂在290◦C使用(甲基-环戊二烯基)三甲基铂和O2沉积1000次。如图4所示，这些薄膜共形覆盖在沟槽内部，在拐角处或侧壁扇贝上没有断开连接，即使沟槽的AR达到10um，也证实了类似的一致性。界面间未观察到剥落问题。
图 2 本文制作的单悬臂梁型横向驱动PZT双晶片驱动器的原理图
- 采用氩气干刻蚀法除去侧壁上以外的Pt膜，该过程使用了传统等离子体刻蚀器(L-201D, ANELVA Inc.)。如图5(a)所示，Ar离子被直接加速到衬底上，可以表面选择性去除衬底材料。由于Pt比Al2O3的腐蚀速率高，在Pt - Al2O3界面上出现了腐蚀停止。
- 一种厚的正极型光刻胶(PMER P-LA 900 PM, Tokyo Ohka Kogyo Co.， Ltd)被旋转沉积并形成图案。通过在真空中去除气泡，可以很容易地用光刻胶填充沟槽。优化紫外光剂量和显影时间后，在有深沟槽的非平面表面进行图案处理(图5(b))。
- 在沟槽末端，为了避免正面驱动电极之间的电短路，用稀释王水（HCI:HNO3:H2O=7:1:8）在70℃下蚀刻侧壁Pt膜。然后，用丙酮去除光刻胶，在沟槽中制作了Pt侧壁电极(图5(c))，也没有观察到Pt腐蚀液对Al2O3的损伤。
- 采用纳米复合溶胶-凝胶[29]工艺填充PZT涂层，并对涂层表面进行抛光处理。PZT填充过程的顺序如图6所示，具体描述如下。将100 ml商品化PZT溶胶-凝胶溶液(PZT - ym9, YOUTEC Inc.， 20% wt% Pb1.1Zr0.52Ti0.48O3)和5 g平均直径约450nm的PZT纳米粉末(HIZIRCO AC750, HAYASHI Chemical Inc.)混合，制备纳米复合溶胶-凝胶溶液。衬底被足量的复合溶液完全覆盖后，在680◦C快速退火(RTA)条件下干燥并烧结10min。重复十次旋涂和烧结过程，使Si沟
图 3 横向驱动PZT双晶片驱动器的制作工艺
槽完全充满结晶的PZT。最后，使用Al2O3基浆料对表面进行机械抛光。
- 在本研究中，成功地制备了带有Pt侧壁电极的高AR PZT结构(AR = 8)，没有显著的空隙，如图7所示。当使用不含纳米粉的溶胶-凝胶溶液时，沟槽没有完全填满，PZT薄膜在退火过程中由于收缩而产生较大的裂纹，如图8所示。结果表明，纳米复合溶胶-凝胶工艺是一种有
图 4 (a)经Al2O3和Pt ALD处理后的Si槽截面图。放大图像(b)顶部，(c)底部和(d)侧壁
图 5 (a)对铂膜进行选择性蚀刻，除了在侧壁上的蚀刻。(b)加厚的正片型光刻胶的图案结果。(c)用于制造驱动电极的侧壁Pt膜的图案
效的沟槽填充工艺。这是由于大量PZT粉末的存在降低了退火过程中PZT薄膜的体积收缩。此外，粉末表面的羟基与溶胶-凝胶溶液中聚合物巨团簇的结合反应也防止了裂纹[29]的产生。
图 6 纳米复合溶胶-凝胶法在深硅沟槽中填充PZT的工艺流程图
图 7 制备了AR为8的PZT结构
图 8 结果:(a)无纳米粉末的PZT溶胶-凝胶溶液，(b)纳米复合溶胶-凝胶溶液填充沟槽
- 为了研究填充在沟槽中的PZT结构的压电性能，测量了沉积在Si衬底上的Pt/Al2O3 ALD薄膜上的PZT纳米复合薄膜的x射线衍射(XRD)图谱。图9绘制了厚度为40/40 nm的Pt/Al2O3
图 9 Si衬底上沉积的Pt/Al2O3 ALD薄膜上PZT纳米复合薄膜的XRD谱图
图 10 a)制备了高AR PZT结构的双晶片MEMS驱动器。(b)头部放大，(c)头部附近PZT结构与Si弹性板的界面。(d)执行器的横截面示意图
- 薄膜上的厚度为8um的PZT薄膜的XRD谱图。这表明PZT薄膜像体陶瓷一样具有随机取向。PZT的所有峰都与钙钛矿相对应，没有发现与焦绿石相对应的峰[30,31]。Pb向Si扩散通常会产生烧绿石相，导致[32]压电性能的恶化。XRD结果表明，ALD - Al2O3薄膜可以很好地作为铅扩散阻挡层。
- 电极片由Cr、Au薄膜形成。e、Cr膜作为粘附层。沟槽的分支模式允许衬垫接触侧壁电极，而不需要精确对齐和狭窄的导线模式。利用SF6气体对SOI层进行各向同性干刻蚀，将SOI层刻蚀成悬臂状。通过传统的深层RIE工艺，双晶片驱动器从硅衬底的背面释放。分别用CHF3和Ar干刻蚀法去除SiO2和Al2O3层。图10显示了完成执行机构和横截面结构示意图。由于PZT结构和Si弹性板的厚度均为2 um，因此双晶片驱动器的总AR为3。
描述和讨论
测量致动器的表面轮廓
图 11 驱动器的白光干涉成像。(b)沿(a) - (a)中线的表面轮廓
驱动器的初始弯曲是实际应用中的关键问题之一。通过白光干涉测量法(MSA-500微系统分析仪，polytecinc .)测量致动器的表面轮廓。从图11所示的干涉图像可以看出，悬臂梁的形态是平坦的，即使在500 um长的悬臂上也没有初始的垂直弯曲，也没有观察到初始侧弯。这是由于其结构对称，在垂直方向上刚度较大。
单形驱动的演示
500 um长的双晶片驱动器以单晶模式驱动，即使用金属探头将驱动电压施加到两个侧壁电极上，如图12(a)所示。图中，中间电极垫接地，上部电极垫施加正驱动电压。通过在室温下 25 V作用几分钟，确定了PZT薄膜的初始极化方向。然后，施加 25 V进行单形驱动。结果，在悬臂端观察到约7.5 um的偏转(图12(b))。
图 12 (a)将驱动电压施加到电极垫上以实现单一驱动。驱动器的长度约为500 um。(b)驱动电压为25v时，在单驱动时致动器的偏转。
图 13 在单一驱动下的偏转与驱动电压曲线
将驱动电压从0 V改变到plusmn;25 V，步长5 V，测量驱动电压与尖端偏转的关系。如图13所示，观察到压电材料的常规蝶形环，并验证了压电驱动。在从0 V到25 V的第一次正扫描中，偏转随驱动电压线性增加，在25 V时偏转达到约7.5 um。0 ~ 25 V负扫描时，在minus;5 V左右出现极化反转，第二次正扫描时，在 5 V左右再次出现极化反转。从测量结果来看，矫顽力电场约为25 kV cmminus;1。
双晶片驱动的演示
双晶片驱动也如图14所示。首先，通过在上、下两个垫片上施加 25 V来确定PZT薄膜的初始极化方向。然后将 25 V施加到下电极垫上，这导致了单形驱动下约5um的尖端偏转(图14(b-2))。在此之后，将minus;5 V额外施加到上膜片上，在双晶片驱动下，尖端偏转增加到约10 um(图14(b-3))。
图 14 驱动电压在双晶片驱动中的应用。(b - 1)初始状态。(b-2)通过施加 25 V到下电极的非晶驱动。(b-3)双晶片驱动，通过额外施加minus;5 V到上电极
图 15 悬臂梁截面视图的简化，以估计从单形驱动的d31。弹性板对应于由2 um厚PZT层和2 um厚Si层组成的堆叠板
在双晶片驱动中，为了压缩PZT结构，其中一个PZT薄膜向偏振方向反向偏置。反向电压受到矫顽力电场的限制，在本研究中矫顽力电场为25 KV cmminus;1，与其他报道的值(30 ~ 60 KV cmminus;1)相比相对较小[35-38]。主要取决于PZT纳米粉、溶胶-凝胶溶液、粉末与溶液的混合比、添加剂等。因此，通过优化工艺和材料参数，可以改进双晶片驱动的挠度。
压电陶瓷纳米复合结构在驱动器中的压电系数(d31)估计
对PZT结构的压电系数(d31)进行了估算。为了进行这一估算，图15所示的执行器的截面尺寸是根据设计和观察假定的。由于Al2O3和Pt膜的厚度比PZT和Si膜薄得多，因此忽略了它们以简化计算模型，驱动器长度为500 um。PZT纳米复合材料的杨氏模量计算公式如下:
式中，E, f， rho;， A, l, I分别表示驱动器的杨氏模量、基本谐振频率、密度、截面面积、长度和面积的二阶矩。这些材料(Si或PZT)由下标表示，如EPZT表示PZT纳米复合材料的杨氏模量。通过实验计算了沟槽填充型PZT纳米复合材料(rho;PZT)的密度。首先，按照驱动器的制造工艺，在SOI晶片上制造了许多填充PZT纳米复合材料的深沟槽，并测量了晶片的重量。用高频基蚀刻剂湿法蚀刻PZT后，再次测量重量。PZT蚀刻前后的重量变化应该是PZT的重量。体积是根据沟槽的尺寸计算的。PZT陶瓷的密度约为5.7 g cm-3，这在一定程度上是由于孔隙的存在而低于体积PZT陶瓷的密度。单晶硅的杨氏模量(ESi)为170 GPa，密度(rho;Si)为2.33 g cm-3。执行器的共振频率(f)是通过分析脉冲输入后的衰减振动来确定的。振动由频闪仪成像(MSA-500微系统分析仪，Polytec Inc.)监测。由图16所示的频率特性可知，谐振频率为14.3 kHz。由式(1)-(3)可知，PZT纳米复合材料(EPZT)的杨氏模量约为75 GPa。压电系数(d31)由单形驱动的尖端偏转计算，计算公式如下:[33]。
式中，Z、l、V分别表示偏转、驱动器长度和驱动电压。sp和tp分别为压电薄膜的弹性柔度和厚度，ss和ts分别为弹性板的弹性柔度和厚度。在本研究的非晶驱动中，2 um厚的PZT层和2 um厚的Si层就像弹性板一样工作，如图15所示。由式(4)可知，d31约为minus;20 pC Nminus;1，这不仅低于体晶PZT(minus;93.5 pC Nminus;1[34])，也低于先前报道的纳米复合PZT厚膜(minus;80 pC Nminus;1[29])。d31小的可能原因之一是PZT结构中的小键孔，如图7所示，这可能会吸收PZT结构的变形。此外，通过能量色散x射线能谱分析发现，沟槽中PZT结构中的碳含量比表面的要多，如图17所示。这一结果表明，在RTA条件下，沟槽内的纳米复合溶胶-凝胶膜并没有完全烧结。图9所示的XRD结果表明PZT在平面衬底上完全热解结晶。然而，在沟槽底部，PZT溶胶
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