一种PZT/Si扩散键合方法

摘要

本发明属于先进制造技术领域，提供了一种PZT/Si扩散键合方法。首先，在PZT块材表面制备电极层，并在电极层表面沉积PZT膜，形成PZT元件；然后，在一定温度条件下，通过对PZT元件与硅衬底施加压力，使PZT膜中的铅元素与硅发生扩散反应，形成具有一定深度和高结合力的扩散键合层，从而实现PZT元件/硅的稳固结合；最后，利用后续机械研磨和抛光工艺，获得所需厚度的PZT压电层。该键合方式PZT/Si的结合强度高、工艺简单、实施方便、成本低，利于商业化推广应用。

权利要求

1.一种PZT/Si扩散键合方法，其特征在于，步骤如下：

1)PZT块材的表面预处理

首先，对PZT块材(1)进行机械研磨抛光处理，使之表面平整度低于800nm，粗糙度为100～500nm，以满足电极层溅射要求；随后，使用丙酮、去离子水去除PZT块材(1)表面附着的有机杂质；最后，利用除油液对PZT块材(1)进行除油处理，去除PZT块材(1)表面皂化油和矿物油；

2)电极层和PZT膜的制备

在预处理后的PZT块材(1)表面溅射电极层(2)作为PZT元件的底部工作电极；在电极层(2)表面沉积10～70μm厚的PZT膜(3)作为键合层；PZT块材(1)、电极层(2)和PZT膜(3)构成PZT元件；

3)PZT元件与硅衬底的表面预处理

对于PZT元件，首先，对PZT膜(3)进行机械研磨抛光处理，使之表面平整度低于600nm，粗糙度低于500nm，以满足键合要求；然后，使用丙酮、去离子水去除PZT膜(3)表面附着的有机杂质；最后，使用除油液对PZT元件进行除油处理，去除PZT膜(3)表面的皂化油和矿物油；

对于硅衬底(4)，通过RCA标准清洗法进行清洗，以去除表面附着的杂质；

4)PZT元件与硅衬底的高温扩散键合

对PZT元件与硅衬底(4)施加5～30N压力，在保持压力条件下，将PZT元件及硅衬底(4)整体置于700～1000℃高温环境下，并保温10～60min，完成PZT元件与硅衬底(4)的高温扩散键合；

5)PZT元件的减薄处理

完成PZT元件与硅衬底(4)的高温扩散键合后，利用机械研磨和抛光工艺，对PZT元件的PZT块材(1)进行减薄处理，获得所需厚度的PZT压电层；同时，PZT压电层表面平整度低于

800nm，粗糙度为100～500nm。

2.根据权利要求1所述的PZT/Si扩散键合方法，其特征在于，所述的电极层(2)包括Ti电极层(2-1)和Pt电极层(2-2)，Ti电极层(2-1)溅射在PZT块材(1)的表面，Pt电极层(2-2)溅射在Ti电极层(2-1)的表面。

3.根据权利要求2所述的PZT/Si扩散键合方法，其特征在于，所述的Ti电极层(2-1)层厚为20～50nm，Pt电极层(2-2)层厚为100～500nm。

说明书

一种PZT/Si扩散键合方法

技术领域

[0001] 本发明属于先进制造技术领域，提供一种PZT/Si扩散键合方法。

背景技术

[0002] 近年来，作为信息采集、处理、执行一体化的微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)以其微型化、低能耗、高灵敏度、高集成化等优点受到学术界和产业界的高度关注。

[0003] 压电材料具有可将电能与机械能进行相互转化的特性，利用压电材料制作的传感器、执行器、能量收集器等压电MEMS器件(pMEMS)已经成为MEMS研究领域的一个重要分支。其中，以硅为衬底的pMEMS器件占主导地位。锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷材料因其具有相对较高的压电系数d33，而被广泛应用于硅基压电器件。

[0004] 为制备硅基PZT压电器件，首先需要将PZT压电层与硅衬底进行集成，pMEMS器件中压电层厚度通常为10～500μm左右，为适应不同的应用需求，对其一般还具有图案化要求。目前，在硅衬底上制备PZT的方法主要包括：(1)在硅衬底上沉积制备目标厚度的PZT膜，然后通过光刻、刻蚀等微加工工艺制备图案。这种方法在PZT烧结结晶过程中硅与PZT的热失配产生较大应力，容易导致PZT产生裂纹进而影响PZT膜压电性能。(2)通过机械加工方法将PZT块材减薄到目标厚度，通过胶粘合在硅衬底上，然后通过光刻、刻蚀等微加工工艺制备图案。将PZT块材减薄到100μm已经是机械加工极限，而且成品率仅为10％，后续转移粘接过程复杂，操作困难。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术难题是克服上述技术的不足，发明一种PZT/Si扩散键合方法。首先，在PZT块材表面制备电极层和PZT膜，形成PZT元件；然后，在一定温度条件下，通过对PZT元件与硅衬底施加压力，使PZT膜中的铅元素与硅发生扩散反应形成扩散键合层，从而实现PZT元件/硅的稳固结合；最后，利用后续机械研磨和抛光工艺，获得所需厚度的PZT压电层。该键合方式PZT/Si的结合强度高、工艺简单、实施方便、成本低，利于商业化推广应用。

[0006] 本发明的技术方案：

[0007] 一种PZT/Si扩散键合方法，首先，在PZT块材1表面制备电极层2，并在电极层2表面沉积PZT膜3，形成PZT元件；然后，在一定温度条件下，通过对PZT元件与硅衬底4施加压力，使PZT膜3中的铅元素与硅发生扩散反应，形成具有一定深度和高结合力的扩散键合层，从而实现PZT元件/硅的稳固结合；最后，利用后续机械研磨和抛光工艺，获得所需厚度的PZT压电层。

[0008] 具体步骤如下：

[0009] 1)PZT块材的表面预处理

[0010] 首先，对PZT块材1进行机械研磨抛光处理，使之表面平整度低于800nm，粗糙度为100～500nm，以满足电极层溅射要求；随后，使用丙酮、去离子水去除PZT块材1表面附着的有机杂质；最后，利用除油液对PZT块材1进行除油处理，去除PZT块材1表面皂化油和矿物油；

[0011] 2)电极层和PZT膜的制备

[0012] 在预处理后的PZT块材1表面溅射电极层2作为PZT元件的底部工作电极；在电极层2表面沉积10～70μm厚的PZT膜3作为键合层；PZT块材1、电极层2和PZT膜3构成PZT元件；

[0013] 3)PZT元件与硅衬底的表面预处理

[0014] 对于PZT元件，首先，对PZT膜3进行机械研磨抛光处理，使之表面平整度低于600nm，粗糙度低于500nm，以满足键合要求；然后，使用丙酮、去离子水去除PZT膜3表面附着的有机杂质；最后，使用除油液对PZT元件进行除油处理，去除PZT膜3表面的皂化油和矿物油；

[0015] 对于硅衬底4，通过RCA标准清洗法进行清洗，以去除表面附着的杂质；

[0016] 4)PZT元件与硅衬底的高温扩散键合

[0017] 对PZT元件与硅衬底4施加5～30N压力，在保持压力条件下，将PZT元件及硅衬底4整体置于700～1000℃高温环境下，并保温10～60min，完成PZT元件与硅衬底4的高温扩散键合；

[0018] 5)PZT元件的减薄处理

[0019] 完成PZT元件与硅衬底4的高温扩散键合后，利用机械研磨和抛光工艺，对PZT元件的PZT块材1进行减薄处理，获得所需厚度的PZT压电层。同时，PZT压电层表面平整度低于800nm，粗糙度为100～500nm。

[0020] 所述的电极层2包括Ti电极层2-1和Pt电极层2-2，Ti电极层2-1溅射在PZT块材1的表面，Pt电极层2-2溅射在Ti电极层2-1的表面。

[0021] 所述的Ti电极层2-1层厚为20～50nm，Pt电极层2-2层厚为100～500nm。

[0022] 本发明的有益效果：本发明提供一种PZT/Si扩散键合方法，首先，在PZT块材上制备电极层和PZT膜，形成PZT元件；然后，在一定温度条件下，通过对PZT元件与硅衬底施加压力形成扩散键合层，实现PZT元件/硅的稳固结合；最后，利用后续机械研磨和抛光工艺，获得所需厚度的PZT压电层。该键合方式PZT/Si的结合强度高、工艺简单、实施方便、成本低，利于商业化推广应用。

附图说明

[0023] 图1为PZT/Si扩散键合方法示意图。

[0024] 图2为PZT/Si扩散键合方法工艺路线图。

[0025] 图中：1PZT块材；2-1Ti电极层；2-2Pt电极层；3PZT膜；4硅衬底；

[0026] 5PZT块材研磨抛光处理；6PZT块材表面溅射电极层；

[0027] 7PZT块材电极层表面PZT膜制备；8PZT元件研磨抛光处理；

[0028] 9PZT元件与硅衬底高温扩散键合；10PZT元件减薄处理。

具体实施方式

[0029] 以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。

[0030] 首先，对PZT块材进行研磨抛光、去杂质及除油处理；然后，在PZT块材表面溅射Ti电极与Pt电极，并在Pt电极表面沉积一定厚度的PZT膜，PZT块材、电极层和PZT膜构成了PZT元件。PZT/Si扩散键合过程为：在一定温度条件下，通过对PZT元件与硅衬底施加压力，使PZT膜与硅发生扩散键合，实现PZT元件/硅的稳固结合；最后，利用后续机械研磨和抛光工艺，获得所需厚度的PZT压电层。

[0031] 实施例的具体实施步骤如下：

[0032] 1)PZT块材的表面预处理

[0033] 本实施例中PZT块材1型号为PZT-5H，尺寸为10mm×7mm×1mm(长×宽×厚)。首先，对其进行机械研磨抛光处理，使之表面平整度与粗糙度分别达到500nm和300nm，以满足电极溅射要求；随后，使用丙酮、乙醇、去离子水、三氯乙烯常温下依次超声清洗10min，以去除表面附着的有机杂质；最后，在30～40℃温度下，利用除油液进行5～10min超声处理，以去除表面皂化油和矿物油；

[0034] 2)电极层和PZT膜的制备

[0035] 完成PZT块材1的表面预处理后，需在PZT块材1表面制备电极层2作为PZT元件的底部工作电极，为增加电极与PZT块材1的结合强度，首先通过磁控溅射方法在PZT块材1表面溅射30nm厚的Ti电极2-1，再在Ti电极2-1表面溅射200nm厚的Pt电极2-2。完成PZT块材1表面电极层2的制备后，利用电喷印沉积(Electrohydrodynamic atomization deposition)技术在电极层2表面沉积50μm厚的PZT膜3作为键合层。PZT块材1、电极层2和PZT膜3构成了PZT元件；

[0036] 3)PZT元件与硅衬底的表面预处理

[0037] 在实施PZT/Si的扩散键合工艺前，需对PZT元件与硅衬底4进行表面预处理。对于PZT元件，首先，需对PZT膜3进行机械研磨抛光处理，使之表面平整度与粗糙度分别达到500nm和300nm，以满足键合要求；随后，使用丙酮、乙醇、去离子水、三氯乙烯常温下超声清洗10min，去除表面附着的有机杂质；最后，在30～40℃温度下，利用除油液进行5～10min超声处理，以去除表面皂化油和矿物油；

[0038] 对于硅衬底4，使用前通过RCA标准清洗法进行清洗，以去除表面附着的杂质。本实施例中选用的硅片为单面抛光单晶硅片，尺寸为15mm×12mm×0.3mm(长×宽×厚)；

[0039] 4)PZT元件与硅衬底的高温扩散键合

[0040] 完成上述工艺步骤后，使用2.5kg的不锈钢砝码对PZT元件与硅衬底4施加压力F(约为25N)，并将砝码、PZT元件及硅衬底4整体置于高温炉中。炉温由室温(20℃)开始，以25℃/min的升温速率逐渐升温至800℃，并保温20min，随后随炉冷却至室温。取出已成功键合的PZT元件与硅衬底4；

[0041] 5)PZT元件的减薄处理

[0042] 完成PZT元件与硅衬底4的高温扩散键合后，利用机械研磨和抛光工艺，对PZT块材1进行减薄处理，直至PZT块材1厚度达到约200μm，表面平整度与粗糙度分别达到500nm和
300nm，完成PZT压电层的制备。

[0043] 本发明提出一种PZT/Si扩散键合方法。首先，在PZT块材1表面制备电极层2，并利用电喷印沉积技术在电极层2表面沉积制备PZT膜3，形成PZT元件；然后，在一定温度条件下，通过对PZT元件与硅衬底4施加压力，使PZT膜3与硅发生扩散键合，实现PZT元件/硅的稳固结合；最后，利用后续机械研磨和抛光工艺，获得所需厚度的PZT压电层。该键合方式PZT/Si的结合强度高、工艺简单、实施方便、成本低，利于商业化推广应用。