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基于溶胶 - 凝胶的高纵横比PZT结构的横向驱动压电双晶片MEMS致动器的理论方法和制作方法
摘要：本文报道了具有高纵横比（AR）锆钛酸铅（PZT）结构的新型横向驱动压电双晶片微机电系统执行器的理论方法和制作方法．通过具有微机械加工硅模板的纳米复合溶胶 - 凝胶工艺制造夹有Pt侧壁电极的PZT结构（AR 8）．成功制造了单悬臂式横向双晶片致动器，并且在500mu;m长的致动器上也未观察到初始垂直弯曲．在双晶片致动器中，在 25V / -5V的驱动电压下获得10mu;m的横向位移．然后，由致动器性能表征PZT结构的压电特性．横向压电致动器具有各种潜在的应用，可以作为占据大面积的静电梳状驱动致动器的替代品．
一，简介
侧向静电梳状驱动致动器已广泛开发用于各种微机电系统（MEMS）应用，例如精确定位系统[1-5]，光学开关[6,7]，变距光栅[8,9]，无线电 - 频率（RF）开关[10]和微操纵器[11,12]．静电致动器可以通过传统的MEMS微制造工艺容易地制造．原则上低功耗也是一个有吸引力的优势．然而，梳状电极占据相对大的面积，特别是当有很多手指产生大的力时．而且，经常需要几十V或更高的高驱动电压来产生大位移或大的力．
压电致动器是MEMS的另一代表性致动器以及静电致动器．通常，压电致动器的功率密度高于静电的功率密度[13-17]．特别是，锆钛酸铅（PZT）及其系列实际上是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]和金属有机物制备．化学气相沉积[22,23]等PZT薄膜已经应用于例如用于低驱动电压的RF-MEMS开关[24,25]．还制造出了多层薄PZT薄膜致动器，用于在低驱动电压下产生大输出力[26]．然而，大多数PZT微致动器都是在平面外方向上移动．有一些基于PZT的横向执行器[27,28]被报道过，但它们没有显示纯横向运动，因为它们基于传统的平面外PZT执行器．另外，这种类型的致动器可能受应力引起的意外初始位移影响，这对于平面外致动器来说是不可避免的问题．即使薄膜应力得到很好的控制，由于其不对称结构，平面外PZT致动器可能因温度变化而偏转．
图1.横向驱动的压电双晶片MEMS致动器的概念
在这项研究中，我们提出了一种新颖的横向驱动压电双晶片MEMS致动器，如图1所示．悬臂式双晶片致动器由Si弹性板和夹在侧壁电极上的高纵横比（AR）PZT结构组成．普通双晶片MEMS致动器在基板上具有堆叠膜，平面内结构，而该致动器设置在垂直方向上．可以在相当低的驱动电压下驱动宽度为几微米或更小的高AR PZT结构．头部可以与多个输出力相关联，而无需支付位移和额外制造复杂性的成本．此外，图1所示的对称结构产生纯粹的平面内运动，原则上没有应力引起的初始垂直弯曲和无热偏转．
为了证明这一概念，最重要的挑战之一是开发制造工艺．尤其是具有侧壁电极的高AR PZT结构的批量制造，这是最重要的问题．为了专注于基础工艺的发展，本研究中制作了单悬臂式横向PZT双晶片执行器，如图2所示．考虑到与晶圆级批量生产的兼容性，我们采用纳米复合溶胶-凝胶微成型工艺来制造PZT结构．采用原子层沉积（ALD），将膜沉积到高AR微模中．其中，ALD-Pt和ALD-Al2O3分别用作侧壁电极和Pb扩散阻挡层．本文报告了制造过程和制造执行器的特性．
图2.本研究中制造的单悬臂式横向驱动PZT双压电晶片执行器的示意图
二、制造方法
图3.横向驱动的PZT双晶片致动器的制造过程
图3显示了横向PZT双压电晶片MEMS致动器的制造过程． 每个详细的处理步骤描述如下．
（1）在高电阻绝缘体上硅（SOI）衬底（gt; 10.000Kcm）中通过深反应离子蚀刻（RIE）制造具有分支的20mu;m深的Si沟槽．
（2）通过ALD在Si沟槽上形成Al2O3和Pt薄膜．使用Al（CH3）3和H2O作为前体，在190℃下以500个循环沉积40nm厚的Al2O3．随后，使用（甲基 - 环戊二烯基）三甲基铂和O2在290℃下在1000个循环中沉积40nm厚的Pt．如图4所示，这些薄膜共形地覆盖沟槽内部而不会在拐角处或侧壁扇形上断开．即使沟槽的AR达到10，也证实了类似的顺应性．在界面之间没有观察到剥离问题．
图4.（a）Al2O3和Pt的ALD后Si沟槽的横截面图
放大图像（b）位于顶部，（c）底部，（d）侧壁
（3）通过使用Ar气体的干法蚀刻在侧壁上之外的方法来除去Pt膜．传统的等离子蚀刻机（L-201D，ANELVA Inc.）用于该过程．如图5（a）所示，由于Ar离子直接加速到基板上，因此可以进行表面选择性去除．由于Pt的蚀刻速率高于Al2O3的蚀刻速率，因此实现了Pt-Al2O3界面处的蚀刻停止．
（4）将厚正型光致抗蚀剂（PMER P-LA 900 PM，Tokyo Ohka Kogyo Co.，Ltd）旋涂并图案化．通过在真空中除去任何气泡，容易用光致抗蚀剂填充沟槽．在优化紫外光剂量和显影时间后，在深沟槽的非平面表面上进行图案化（图5（b））．
（5）在沟槽的末端，在70℃用稀释的王水（HCl：HNO3：H2O = 7：1：8）蚀刻掉侧壁Pt膜，以避免相对的驱动电极之间的电短路．然后，用丙酮除去光刻胶．最终，在沟槽中制造Pt侧壁电极（图5（c））．并且，没有观察到Pt蚀刻剂对Al2O3的损坏．
图5.（a）通过干蚀刻选择性蚀刻除了侧壁上的Pt膜之外的Pt膜
（b）增厚的正型光致抗蚀剂的图案化结果
（c）用于制造驱动电极的侧壁Pt膜的图案化
（6）通过纳米复合溶胶-凝胶工艺[29]用PZT填充沟槽，并抛光PZT涂覆的表面．PZT填充过程的详细顺序如图6所示，并描述如下．通过混合100ml市售PZT溶胶-凝胶溶液(PZT-YM9, YOUTEC Inc., 20 wt% of Pb1.1Zr0.52Ti0.48O3) 和5g平均直径为约450nm的PZT纳米粉末(HIZIRCO AC750, HAYASHI Chemical Inc.) 制备纳米复合溶胶-凝胶溶液．用足量的复合溶液完全覆盖基材．在真空中除去任何气泡后，进行旋涂．然后，将溶胶PZT层干燥并通过快速热退火（RTA）处理10分钟，在680◦C烧结．通过重复旋涂和烧结过程十次，Si沟槽完全充满结晶的PZT．最后，使用Al2O3基浆料对表面进行机械抛光．
图6.通过纳米复合溶胶-凝胶工艺将PZT填充到Si沟槽中的流程图
图7.已制成的AR为8的PZT结构
在这项研究中，成功制造出没有明显空隙的具有Pt侧壁电极的高AR PZT结构（AR 8），如图7所示．倘若使用不含纳米粉末的溶胶-凝胶溶液，沟槽则未完全填充，并且，由于退火过程中的收缩，在PZT薄膜中总是产生大的裂缝，如图8所示．因此，证明了纳米复合溶胶-凝胶工艺对于沟槽填充过程是有效的．这是因为由于存在大量PZT粉末而降低了退火中PZT膜的体积收缩．而粉末表面上的羟基与溶胶-凝胶溶液中的聚合物大簇物质之间的结合反应也阻止了裂纹的产生[29 ]．
图8.填充结果（a）不含纳米粉末的PZT溶胶-凝胶溶液，（b）纳米复合溶胶-凝胶溶液
为了研究填充在沟槽中的PZT结构的压电性质，可以测量沉积在Si衬底上的Pt / Al2O3 ALD膜上的PZT纳米复合膜的X射线衍射（XRD）图案来完成．图9绘制了厚度为40 / 40nm的Pt / Al2O3膜上8mu;m厚的PZT膜的XRD图案．该图表明PZT膜具有像块状陶瓷一样的随机取向．PZT的所有峰对应于钙钛矿相，并且没有观察到对应于烧绿石相的峰[30,31]．Pb扩散到Si通常会导致烧绿石相的产生，从而导致压电性能的恶化[32]．XRD结果表明，薄的ALD Al2O3薄膜作为Pb扩散阻挡层工作良好．
图9.沉积在Si基底上的Pt / Al2O3 ALD薄膜上PZT纳米复合薄膜的XRD图
（7）通过图案化Cr和Au膜形成电极焊盘．这里，Cr膜用作粘合层．沟槽的分支图案允许焊盘接触侧壁电极而没有精确对准和窄线图案．
（8）通过使用SF6气体的各向同性干法蚀刻将SOI层蚀刻成悬臂形状．
（9）通过传统的深RIE工艺从硅衬底的背面释放双晶片致动器．分别用CHF3和Ar干法蚀刻除去SiO2和Al2O3层．图10显示了完成的致动器和示意性横截面结构．PZT结构和Si弹性板的厚度均为2mu;m，因此双压电晶片致动器的总AR为3．
图10.（a）具有高AR PZT结构的制造双晶片MEMS致动器 （b）头部的放大图 （c）PZT结构与头部附近的Si弹性板之间的界面 （d）致动器的横截面视图的示意图
三、理论方法与讨论
3.1 执行器的表面轮廓测量
致动器的初始弯曲可能是实际应用的关键问题之一．因此，可以通过白光干涉测量法（MSA-500 Micro System Analyzer，Polytec Inc.）测量致动器的表面轮廓．图11中所示的干涉测量图像表明悬臂具有平坦的形态，并且即使在500mu;m长的悬臂上也没有初始垂直弯曲．而且也没有观察到初始侧向弯曲．所以，该结果应该归因于其对称结构和垂直方向上的大刚度．
图11.执行器的白光干涉测量图像．（b）（a）中沿AA#39;线的表面轮廓
3.2单变形驱动的演示
500mu;m长的双晶片致动器以单压电晶片模式致动，也可以用金属探针将驱动电压施加到任一侧壁电极，如图12（a）所示．在该图中，中间电极焊盘接地，并且正驱动电压施加到上焊盘．通过在室温下施加 25V几分钟来定义PZT膜的初始偏振方向．然后，通过施加 25V来执行单晶片致动．结果，在悬臂端观察到约7.5mu;m的偏转（图12（b））．
图12.（a）将驱动电压施加到电极焊盘以进行单晶电极驱动,致动器的长度约为500mu;m （b）在25V的驱动电压下单晶片驱动中的致动器的偏转
通过以5V的步长将驱动电压从0V改变到25V来测量驱动电压和尖端偏转之间的关系．如图13所示，清楚地观察到压电材料的传统蝶形环并且压电致动是验证．在从0 V到25 V的第一次正电压扫描中，偏转随驱动电压线性增加，在25 V时达到约7.5mu;m．在从0 V到-25 V的负电压扫描中，在5左右观察到极化反转．并且在第二次正电压扫描中在5V附近再次发生反转．从该测量结果发现矫顽电场约为25kV cm-1．
图13.单压电晶片驱动中的偏转与驱动电压曲线
3.3双晶片执行器的演示
图14.用于双压电晶片驱动的驱动电压的应用（b-1)初始状态（b-2）通过向下电极施加 25V来实现单晶片（b-3）通过向上电极施加-5V来实现双晶片激励
双晶片致动也如图14所示．首先，PZT薄膜的初始偏振方向是通过向上下焊盘施加25V来定义的．然后将25V施加到下电极垫，这通过单晶片致动导致约5mu;m的尖端偏转（图14（b-2））．之后，另外将-5V施加到上部衬垫，并且通过双压电晶片致动将尖端偏转增加到约10mu;m（图14（b-3））．
在双压电晶片致动中，PZT薄膜中的相对于极化方向反向偏置，可以压缩PZT结构．该反向电压受到矫顽电场的限制，在该研究中为25kV cm -1，与其他报告值（30 60 kV cm -1）相比相对较小[35-38]．它强烈依赖于PZT纳米粉末，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，双晶片致动器的偏转具有改进的空间．
3.4 致动器中PZT纳米复合结构的压电系数（d31）估算
图15.简化的悬臂的横截面图，用于估计来自单晶片致动的d31，弹性板对应于由2mu;m厚的PZT层和2mu;m厚的Si层构成的堆叠板
最后，估计PZT结构的压电系数（d31）．对于该估计，可以通过设计和观察假设图15中所示的致动器的横截面尺寸来完成．由于Al2O3和Pt薄膜的厚度远远小于PZT和Si薄层的厚度，因此忽略它们以简化计算模型．致动器长度为500mu;m，所以PZT纳米复合材料的杨氏模量由以下等式计算，
其中E，f，rho;，A，l，I分别表示杨氏模量，基本共振频率，密度，横截面积，长度和致动器的第二力矩．材料（Si或PZT）由下标显示，例如EPZT，用于PZT纳米复合材料的杨氏模量．沟槽填充的PZT纳米复合材料（rho;PZT）的密度通过实验估算如下．首先，以与致动器的制造工艺相同的方式在SOI晶片上制造许多填充有PZT纳米复合材料的深沟槽，并测量晶片重量．在用HF基蚀刻剂湿法蚀刻PZT之
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