基于MEMS的壓電能量收集器件制造工藝

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
MEMS壓電能量收集器件的制造需要精確的工藝控制和周密的流程規(guī)劃。整個(gè)制造過程包含多個(gè)步驟，從晶圓制備、材料沉積、圖形制作、刻蝕到封裝。本文介紹制造導(dǎo)梁式壓電能量收集器件的關(guān)鍵工藝步驟和技術(shù)[1]。

! N4 J5 A1 p) D$ \: F圖1展示了完整的制造工藝流程，包括熱氧化、TMAH刻蝕、電極制作和梁釋放等八個(gè)主要步驟。
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% j8 O; a+ B0 P! O4 \6 S# v$ V晶圓制備和初始加工
# @6 c" L7 t1 O制造過程始于P型雙面拋光硅晶圓。首先使用硫酸和過氧化氫混合的溶液進(jìn)行徹底清洗，隨后進(jìn)行氫氟酸浸泡。在1000°C下生長0.6微米熱氧化層，接著沉積0.2微米LPCVD氮化硅作為濕法刻蝕的掩蔽層。
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1 w% M+ J% O, f) F) |$ V& k圖2展示了晶圓清洗步驟、氧化/氮化爐裝料和光刻膠涂覆過程。
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3 h0 o9 g1 r3 t8 o" X2 c光刻和圖形轉(zhuǎn)移
3 Q  B, P( T( F  g3 I4 h9 B0 K7 C, v工藝采用五層掩模系統(tǒng)制作不同的結(jié)構(gòu)和功能層。使用正性光刻膠S1818和顯影液CD26進(jìn)行光刻。

& Z" Y" S5 z/ n' }+ u% m! e每個(gè)掩模定義特定特征：

金字塔形質(zhì)量塊（掩模#1）

底電極（掩模#2）

壓電層（掩模#3）

頂電極（掩模#4）

梁釋放（掩模#5）
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  M( g: X  `3 z5 T1 y" `圖3展示了掩模對準(zhǔn)過程和使用CD26顯影液進(jìn)行光刻膠顯影的步驟。
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) s# }5 }  a6 K體硅微加工和結(jié)構(gòu)形成
" J: U4 P5 \6 {2 l采用TMAH濕法刻蝕制作金字塔形質(zhì)量塊。在79°C下使用25%的TMAH溶液進(jìn)行刻蝕，刻蝕速率達(dá)到20微米/小時(shí)。角補(bǔ)償技術(shù)確保質(zhì)量塊底部頂點(diǎn)邊緣完整。
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圖4展示了TMAH刻蝕設(shè)置和形成的金字塔形質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)。
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壓電層和電極制作
使用射頻磁控濺射沉積2.5微米厚的氧化鋅壓電層。工藝參數(shù)包括400W功率，40%氬氣+60%氧氣的氣體組成，以及30毫托壓強(qiáng)。通過濺射沉積0.02/0.2微米鉻/金電極并進(jìn)行圖形制作，形成頂部和底部電極。
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& L/ d  [. M. r/ w圖5展示了ZnO濺射過程和形成的電極結(jié)構(gòu)圖形。

( a& E$ @" j  B" m梁釋放和器件完成
3 @: \  c4 C: ~% w4 B2 V采用深度反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)從正面釋放導(dǎo)梁。工藝參數(shù)包括4.8×102毫巴壓強(qiáng)，1000W射頻源功率和SF6氣體流量。通過梁減薄實(shí)現(xiàn)約10-12微米的目標(biāo)厚度。

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' X0 d* |3 [, l3 `圖6展示了使用DRIE進(jìn)行梁釋放的過程和最終制作的雙梁和四梁器件。
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7 @  n* d: c8 D! l4 C5 I. \器件封裝和測試準(zhǔn)備
, P: f" r  n% ~) |7 [/ i/ G設(shè)計(jì)了帶有鍍金焊盤的定制PCB封裝，用于線焊。使用非導(dǎo)電環(huán)氧樹脂在130°C下固化安裝器件。特制的帶有內(nèi)置連接器的PCB附件便于連接測試設(shè)備。


圖7展示了PCB封裝設(shè)計(jì)和安裝了測試連接器的器件。

通過優(yōu)化后的制造工藝，梁的厚度從25微米降低到約12微米，使諧振頻率顯著降低到約500赫茲，使器件適用于實(shí)際的振動(dòng)能量收集應(yīng)用。工藝優(yōu)化對實(shí)現(xiàn)理想的器件特性具有重要作用。
) S2 S$ @& |. `
參考文獻(xiàn)
- E* j8 X$ H/ s8 b[1] S. Saxena, R. Sharma, and B. D. Pant, "Design and Development of MEMS based Guided Beam Type Piezoelectric Energy Harvester," in Energy Systems in Electrical Engineering. Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.
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