一种PZT/Si扩散键合装置

摘要

本发明提供了一种PZT/Si扩散键合装置，属于先进制造技术领域。一种PZT/Si扩散键合装置，包括基座、螺栓紧固件、压块、挠性压板及螺母紧固件；所述的基座的中心处加工有矩形通槽，用于放置待键合的PZT元件和硅衬底；所述的压块置于待键合的PZT元件和硅衬底上，用于压紧待键合的PZT元件和硅衬底于矩形通槽中；所述的挠性压板通过螺栓紧固件和螺母紧固件固定在基座上，并压紧放置于矩形通槽内的压块。此装置可保证PZT元件与硅片间键合压力均匀，使PZT/Si扩散键合充分，提高键合强度和键合质量，此外，此装置具有结构简单、易于操作等优点。

权利要求

1.一种PZT/Si扩散键合装置，其特征在于，所述的PZT/Si扩散键合装置包括基座(1)、螺栓紧固件(2)、压块(3)、挠性压板(4)及螺母紧固件(7)；所述的基座(1)的中心处加工有矩形通槽，用于放置待键合的PZT元件(5)和硅衬底(6)；所述的压块(3)置于待键合的PZT元件(5)和硅衬底(6)上，用于压紧待键合的PZT元件(5)和硅衬底(6)于矩形通槽中；所述的挠性压板(4)通过螺栓紧固件(2)和螺母紧固件(7)固定在基座(1)上，并压紧放置于矩形通槽内的压块(3)；所述的PZT元件(5)由PZT块材、电极和PZT膜组成，PZT膜侧为键合面。

2.根据权利要求1所述的PZT/Si扩散键合装置，其特征在于，为保证PZT元件(5)与硅衬底(6)结合面间的键合压力尽量均匀，所述的压块(3)呈半球形，半球形压块(3)与挠性压板(4)提供单点受力模式，通过调节螺栓紧固件(2)和螺母紧固件(7)的紧固程度，挠性压板(4)经压块(3)将压力均匀施加在PZT元件(5)上，从而保证PZT元件(5)与硅衬底(6)结合面间键合压力的均匀性。

3.根据权利要求1或2所述的PZT/Si扩散键合装置，其特征在于，所述的基座(1)和压块(3)由氧化铝、氧化锆耐高温材料加工而成；所述的螺栓紧固件(2)、挠性压板(4)和螺母紧固件(7)的材质为310S不锈钢耐高温、抗氧化、高强度材料。

说明书

一种PZT/Si扩散键合装置

技术领域

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

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。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的方法主要为在硅片上直接沉积成膜和机械减薄块材再粘贴在硅片表面。在硅片上直接沉积PZT膜需要后续烧结结晶处理，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。由于PZT为脆性材料，将PZT块材减薄到100μm是机械加工极限，而且成品率仅为10％，后续转移粘接过操作非常困难，通过机械加工方法将PZT块材减薄再使用胶粘合在硅衬底上的方法不利于批量生产。PZT/Si扩散键合并结合机械研磨、抛光等工艺是制备PZT/Si元件的有效途径，基于该方法制备的pMEMS器件具有卓越的压电性能。然而，在进行PZT/Si扩散键合工艺过程中，容易出现PZT与硅之间受力不均，进而造成PZT/Si键合不充分和键合强度差，影响PZT/Si元件性能。

发明内容

[0004] 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扩散键合装置。首先，对PZT元件与硅衬底进行表面预处理。在基座上放置待键合的PZT元件与硅衬底，将半球形压块置于PZT元件上，通过挠性压板压紧半球形压块，进而对PZT元件与硅衬底施加压力，压力大小可通过紧固件调节。挠性压板与半球形压块构成单点受力模式，可保证PZT元件与硅衬底结合面间均匀受力；然后，将压紧的PZT元件与硅衬底连同键合装置整体置于高温炉中保温一定时间，使PZT膜中的铅元素与硅发生扩散反应并形成扩散键合层，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。此装置可保证PZT元件与硅片间键合压力均匀，使PZT/Si扩散键合充分，提高键合强度和键合质量，此外，此装置具有结构简单、易于操作等优点。

[0005] 本发明的技术方案：

[0006] 一种PZT/Si扩散键合装置，包括基座1、螺栓紧固件2、压块3、挠性压板4及螺母紧固件7；

[0007] 步骤如下：

[0008] 1)PZT元件与硅衬底的表面预处理

[0009] 在实施PZT/Si的扩散键合工艺前，需对PZT元件5与硅衬底6进行表面预处理。对于PZT元件5，首先，对其PZT膜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膜表面附着的有机杂质；最后，使用除油液对PZT元件5进行除油处理，去除PZT膜表面的皂化油和矿物油；

[0010] 对于硅衬底6，通过RCA标准清洗法进行清洗，以去除表面附着的杂质；

[0011] 2)PZT元件与硅衬底的加压处理

[0012] 由于PZT/Si的扩散键合需在700～1000℃的高温条件下进行，并保温10～60min，所述的基座1和压块3由氧化铝、氧化锆等耐高温材料加工而成，螺栓紧固件2和螺母紧固件7及挠性压板4选用材料为310S不锈钢(0Cr25Ni20)等耐高温、抗氧化、高强度材料。在基座1中心处加工一矩形通槽以放置待键合的PZT元件5(PZT膜侧为键合面)和硅衬底6。所述的挠性压板4通过螺栓紧固件2和螺母紧固件7固定在基座1上，压紧放置于矩形通槽内的压块3。
为实施PZT/Si的扩散键合工艺，PZT元件5与硅衬底6结合面间的键合压力应尽量保证均匀，为此，将所述压块3加工成半球形。半球形压块3与挠性压板4提供了单点受力模式，通过调节螺栓紧固件2和螺母紧固件7的紧固程度，挠性压板4经压块3将压力均匀施加在PZT元件5上，从而保证了PZT元件5与硅衬底6结合面间键合压力的均匀性；

[0013] 3)PZT元件与硅衬底的高温扩散键合

[0014] 完成上述工艺步骤后，将键合装置、PZT元件5及硅衬底6整体置于700～1000℃高温环境下，并保温10～60min，完成PZT元件5与硅衬底6的高温扩散键合；

[0015] 4)PZT元件的减薄处理

[0016] 完成PZT元件5与硅衬底6的高温扩散键合后，利用机械研磨和抛光工艺，对PZT元件5的PZT块材部分进行减薄处理，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。

[0017] 所述的PZT元件5由PZT块材、电极和PZT膜组成。

[0018] 本发明的有益效果为：提供一种PZT/Si扩散键合装置，首先，对PZT元件与硅衬底进行表面预处理。在基座上放置待键合的PZT元件与硅衬底，将半球形压块置于PZT元件上，通过挠性压板压紧半球形压块，进而对PZT元件与硅衬底施加压力，压力大小可通过紧固件调节。挠性压板与半球形压块构成单点受力模式，可保证PZT元件与硅衬底结合面间均匀受力；然后，将压紧的PZT元件与硅片连同键合装置整体置于高温炉中保温一定时间，使PZT膜中的铅元素与硅发生扩散反应形成扩散键合层，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。此装置可保证PZT元件与硅片间键合压力均匀，使PZT/Si扩散键合充分，提高键合强度和键合质量，此外，此装置具有结构简单、易于操作等优点。

附图说明

[0019] 图1为PZT/Si扩散键合装置主视图。

[0020] 图2为PZT/Si扩散键合装置俯视图。

[0021] 图中：1基座；2螺栓紧固件；3压块；4挠性压板；5PZT元件；6硅衬底；

[0022] 7螺母紧固件。

具体实施方式

[0023] 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。

[0024] 实施例的PZT/Si扩散键合装置主要由基座1、螺栓紧固件2、压块3、挠性压板4以及螺母紧固件7组成。所述的基座1和压块3由氧化铝陶瓷加工而成，螺栓紧固件2、挠性压板4和螺母紧固件7选用材料为310S不锈钢。首先，在基座1的中心处加工一矩形通槽以放置待键合的PZT元件5和硅衬底6。所述的挠性压板4通过螺栓紧固件2和螺母紧固件7固定在基座1上，压紧放置于矩形通槽内的压块3。为实施PZT/Si的扩散键合工艺，PZT元件5与硅衬底6结合面间的键合压力应尽量保证均匀，将所述压块3加工成半球形，半球形压块3与挠性压板4提供了单点受力模式，通过调节螺栓紧固件2和螺母紧固件7的紧固程度，挠性压板4经压块3将压力均匀施加在PZT元件5上，从而保证了PZT元件5与硅衬底6结合面间键合压力的均匀性；然后，将压紧的PZT元件5与硅衬底6连同键合装置整体置于高温炉中保温一定时间，使PZT元件5的PZT膜中的铅元素与硅发生扩散反应形成扩散键合层，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。

[0025] 实施例的具体实施步骤如下：

[0026] 1)PZT元件与硅衬底的表面预处理

[0027] 本实施例中PZT元件5由PZT块材、电极和PZT膜组成。在实施PZT/Si的扩散键合工艺前，需对PZT元件5与硅衬底6进行表面预处理。对于PZT元件5，首先，对其PZT膜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；

[0028] 对于硅衬底6，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)；

[0029] 2)PZT元件与硅衬底的加压处理

[0030] 在基座1的中心矩形通槽处放置待键合的PZT元件5(PZT膜侧为键合面)和硅衬底6，压块3置于PZT元件5上后，将挠性压板4通过螺栓紧固件2和螺母紧固件7固定在基座1上，并压紧压块3。通过调节螺栓紧固件2和螺母紧固件7的紧固程度，挠性压板4经压块3将压力均匀施加在PZT元件5上，从而保证了PZT元件5与硅衬底6结合面间键合压力的均匀性；

[0031] 3)PZT元件与硅衬底的高温扩散键合

[0032] 将压紧后的PZT元件5、硅衬底6连同键合装置整体置于高温炉中。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。取出装置，卸下挠性压板4与压块3，取出已键合的PZT元件5与硅衬底6；

[0033] 4)PZT元件的减薄处理

[0034] 完成PZT元件5与硅衬底6的高温扩散键合后，利用机械研磨和抛光工艺，对PZT元件5的PZT块材部分进行减薄处理，直至PZT块材厚度达到约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。

[0035] 本发明提出一种PZT/Si扩散键合装置。首先，对PZT元件与硅衬底进行表面预处理。在基座上放置待键合的PZT元件与硅衬底，将半球形压块置于PZT元件上，通过挠性压板压紧半球形压块，进而对PZT元件与硅衬底施加压力，压力大小可通过紧固件调节。挠性压板与半球形压块构成单点受力模式，可保证PZT元件与硅衬底结合面间均匀受力；随后，将压紧的PZT元件与硅衬底连同键合装置整体置于高温炉中保温一定时间，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。此装置可保证PZT元件与硅片间键合压力均匀，使PZT/Si扩散键合充分，提高键合强度和键合质量，此外，此装置具有结构简单、易于操作等优点。