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]。

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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晶圓制備和初始加工
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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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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& w! J1 H2 U, T( }. C1 a光刻和圖形轉(zhuǎn)移
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。
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/ q9 \+ h& `. 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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圖3展示了掩模對(duì)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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體硅微加工和結(jié)構(gòu)形成
9 m/ X6 G7 }, D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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4 M6 U9 _  {* N; x+ m3 |) @& X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)。

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。


, I- y9 ]! o" s( ^0 F+ ~. @/ `4 L圖5展示了ZnO濺射過程和形成的電極結(jié)構(gòu)圖形。

梁釋放和器件完成
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。


4 u4 D9 ]0 g: Y2 J1 t. T$ c6 H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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+ U! a) A$ n/ W7 X  e" ?% f+ O5 n  P# @器件封裝和測試準(zhǔn)備
$ \/ z# ?0 g' L) z7 P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。
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圖7展示了PCB封裝設(shè)計(jì)和安裝了測試連接器的器件。

( b3 C; p. H/ {* c6 `3 ~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(duì)實(shí)現(xiàn)理想的器件特性具有重要作用。

  X) x6 ~' p# H% j4 Y0 R參考文獻(xiàn)
[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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