專利名稱：一種加工基于無(wú)機(jī)駐極體的mems微發(fā)電機(jī)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及駐極體微發(fā)電機(jī)的加工方法，特別是涉及加工基于無(wú)機(jī)駐極體的MEMS微發(fā)電機(jī)的方法。
背景技術(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱MEMS)是一個(gè)新興的多學(xué)科交叉的高科技領(lǐng)域，在促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)力的發(fā)展，鞏固國(guó)家安全等方面表現(xiàn)出巨大的潛力。MEMS技術(shù)的應(yīng)用使得多種系統(tǒng)的微小型化成為可能，同時(shí)，與MEMS器件對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定、高效和微型化能源供應(yīng)也成為一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。而傳統(tǒng)的能量供應(yīng)方式已經(jīng)難以滿足MEMS技術(shù)低成本、實(shí)用化和批量生產(chǎn)的要求，尤其對(duì)于一些植入式或者分布式MEMS器件，傳統(tǒng)電池的更換、充電以及廢物排放給供電造成了很大的不便。人們希望通過(guò)應(yīng)用MEMS技術(shù)改善能源供應(yīng)的效率和性能，提供一種更加清潔、持續(xù)、可靠的能量供應(yīng)方式。
駐極體是一類具有儲(chǔ)電功能的電介質(zhì)，在電子工程、光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等方面都有廣泛的應(yīng)用。利用駐極體發(fā)電具備清潔、無(wú)排放物、無(wú)需更換燃料或進(jìn)行電源充電的優(yōu)點(diǎn)。雖然駐極體發(fā)電目前已經(jīng)有所研究，但所能檢索到的駐極體發(fā)電單元均采用有機(jī)駐極體材料，駐極體MEMS發(fā)電機(jī)也都只是原型，其制造工藝通常先分別制造和加工駐極體膜與可動(dòng)結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)粘結(jié)或者其他機(jī)械裝置將二者組合成發(fā)電機(jī)原型，也就是一對(duì)一實(shí)現(xiàn)兩者之間的連接和固定，難于實(shí)現(xiàn)并行批量生產(chǎn)和小型化，而且駐極體膜與可動(dòng)電極之間的距離難以精確控制。
目前所能查找到的駐極體發(fā)電機(jī)均采用有機(jī)駐極體材料，主要以高分子聚合物為主，如聚四氟乙烯(Teflon Af)和全氟環(huán)狀聚合物(CYTOP)等等，其與集成電路和MEMS技術(shù)的兼容性差，難以實(shí)現(xiàn)批量制造。
從制備技術(shù)上來(lái)看，聚合物電介質(zhì)可以用旋涂法或化學(xué)氣相沉積法制備?；瘜W(xué)氣相淀積法盡管是半導(dǎo)體技術(shù)中常用薄膜制備方法，但是氣氛與工藝條件和半導(dǎo)體技術(shù)常用設(shè)備不同，而且適用的聚合物材料有限，被沉積材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)難以控制和測(cè)量，并且會(huì)在形成的薄膜中產(chǎn)生高的內(nèi)應(yīng)力。旋涂法是一種制備可溶性有機(jī)介質(zhì)材料比較通用的方法，但是由于存在熱固化過(guò)程，可能會(huì)有溶脹問(wèn)題，使聚合物交聯(lián)或使其轉(zhuǎn)變成不溶性材料；另外，薄膜的純度以及晶體片污染也是旋涂法的一個(gè)重要缺點(diǎn)。另外一種常見(jiàn)的做法是將聚合物薄膜直接粘在利用體硅工藝加工好的器件結(jié)構(gòu)上面，這種做法的缺點(diǎn)平整度和均勻性差，無(wú)法再在其上進(jìn)行MEMS加工，對(duì)產(chǎn)品的自動(dòng)化，產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)造成了困難。
從工藝的兼容性來(lái)看，聚合物材料通?？垢g性強(qiáng)，難以形成圖形。但是耐高溫性差，一般軟化溫度在100℃左右，無(wú)法承受其它較高溫度的加工過(guò)程，對(duì)進(jìn)一步的加工和形成圖形造成了障礙。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種加工基于無(wú)機(jī)駐極體的MEMS微發(fā)電機(jī)的方法。
本發(fā)明所提供的加工方法，包括如下步驟1)在無(wú)機(jī)襯底表面光刻、濺射金屬電極，剝離得到下金屬電極；2)在無(wú)機(jī)襯底表面沉積無(wú)機(jī)駐極體薄膜，經(jīng)光刻腐蝕形成駐極體圖形；3)在硅襯底上表面光刻，腐蝕出淺槽，并在硅表面注入硼；4)將所述硅襯底與所述無(wú)機(jī)襯底表面牢固結(jié)合在一起，其中，硅襯底帶有淺槽的表面與無(wú)機(jī)襯底帶有駐極體圖形的表面相對(duì)；5)通過(guò)光刻并刻蝕上層硅襯底形成上極板，刻蝕位置與駐極體圖形的位置相對(duì)應(yīng)；6)在無(wú)機(jī)駐極體薄膜內(nèi)注入電荷，得到所述MEMS微發(fā)電機(jī)。
本發(fā)明中采用的各種加工步驟，均為目前MEMS體硅加工工藝中常用的各種加工方法。例如，步驟2)沉積方法采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)；圖形化采用干法刻蝕(RIE)或濕法腐蝕。步驟3)采用濕法腐蝕或者干法深刻蝕(ICP)。步驟4)采用的是圓片級(jí)鍵合工藝使兩個(gè)襯底圖形對(duì)準(zhǔn)并牢固結(jié)合在一起。步驟5)刻蝕硅膜前還將硅襯底采用ICP或KOH濕法腐蝕減薄，以控制硅膜的厚度。步驟5)刻蝕硅膜采用ICP進(jìn)行。
常用的無(wú)機(jī)駐極體薄膜材料包括SiO2膜，Si3N4膜，SiO2/Si3N4復(fù)合膜等(其中SiO2/Si3N4復(fù)合膜具有更好的注極性能和電荷穩(wěn)定性)，關(guān)于Si、SiON等無(wú)機(jī)材料的注極性能也有所研究。在本發(fā)明中，無(wú)機(jī)襯底可以選用目前MEMS加工所常用的各種襯底材料，如硅片、玻璃片等；對(duì)于所用的金屬電極也沒(méi)有特殊要求，常用的電極有鋁電極、鈦/鉑/金、鉻/金電極等。
本發(fā)明以無(wú)機(jī)材料作為制備材料，并利用目前常用的集成電路和MEMS各種方法和設(shè)備來(lái)進(jìn)行材料制備與圖形化，解決了目前有機(jī)材料制備過(guò)程兼容性差并難以批量生產(chǎn)的缺點(diǎn)，而且，襯底選擇性高，各種襯底均可以適用于本發(fā)明；采用PECVD的方法生長(zhǎng)無(wú)機(jī)駐極體薄膜，具有生長(zhǎng)溫度低、生長(zhǎng)速率快、膜厚范圍大、多孔等優(yōu)點(diǎn)，采用SiO2/Si3N4復(fù)合膜有利于提高駐極體性能和電荷的穩(wěn)定性。本發(fā)明方法可精確控制駐極體與可動(dòng)電極間的間距，所得微發(fā)電機(jī)具有體積小、重量輕、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。


圖1A-圖1I為制備過(guò)程中襯底的剖面示意圖。
圖2為制備所得MEMS微發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的立體示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明方法加工原理如下先用剝離工藝在無(wú)機(jī)襯底表面形成固定的金屬下極板；然后在金屬圖形上淀積無(wú)機(jī)駐極體薄膜并圖形化；硅襯底上進(jìn)行淺槽腐蝕，定義出懸空結(jié)構(gòu)的高度，并于硅片表面注入硼；將硅片和無(wú)機(jī)襯底進(jìn)行鍵合，光刻并ICP刻蝕上層硅膜形成懸空可動(dòng)上極板；最后進(jìn)行電注極形成所得MEMS微發(fā)電機(jī)。
這里，常用的無(wú)機(jī)駐極體材料有SiO2膜，SiO2/Si3N4復(fù)合膜，Si3N4膜等。由于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)具有生長(zhǎng)溫度低、生長(zhǎng)速率快、膜厚范圍大等優(yōu)點(diǎn)，與其他方法相比，采用PECVD淀積可以在更短的時(shí)間內(nèi)得到10μm量級(jí)的薄膜厚度，實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。
硼的注入一般可以采用目前常規(guī)的注入方法來(lái)進(jìn)行，如離子注入法或者熱擴(kuò)散注入法等。
進(jìn)行電注極的方法有很多，包括電暈、離子束、電子束等，在本發(fā)明中可以采用這些常規(guī)方法進(jìn)行電注極，只要能夠滿足要求使駐極體薄膜表面達(dá)到足夠的表面電勢(shì)即可。
以下以具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述。
實(shí)施例1、制備基于SiO2/Si3N4復(fù)合膜駐極體的微發(fā)電機(jī)在襯底上制備微發(fā)電機(jī)的工藝流程如下，制備過(guò)程的剖面圖分別如圖1A-圖1I步驟1在玻璃襯底1表面光刻、濺射金屬電極(Al電極)，然后剝離得到下金屬電極11；步驟2采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)的方法在玻璃襯底11表面淀積SiO2/Si3N4復(fù)合膜12(先沉積SiO2膜再沉積Si3N4膜)。
步驟3光刻SiO2/Si3N4復(fù)合膜，采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)干法刻蝕Si3N4和SiO2，得到駐極體圖形。
步驟4硅片2表面光刻并腐蝕出淺槽，定義出懸空結(jié)構(gòu)高度。
步驟5采用離子注入方法在硅片2的硅表面注入硼。
步驟6將硅片2和玻璃1進(jìn)行鍵合，使硅片2的淺槽與駐極體圖形相對(duì)。
步驟7利用KOH濕法腐蝕減薄硅片2，定義出懸空結(jié)構(gòu)厚度。
步驟8在硅片2上與玻璃襯底1上駐極體圖形相對(duì)應(yīng)的位置，光刻并利用ICP刻蝕上層硅膜，形成上極板。
步驟9采用電暈注極方法進(jìn)行電注極，使SiO2/Si3N4復(fù)合膜12帶有電荷，得到基于SiO2/Si3N4復(fù)合膜駐極體的MEMS微發(fā)電機(jī)。
所得MEMS微發(fā)電機(jī)的立體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
如果采用其他無(wú)機(jī)駐極體材料，可以通過(guò)與上相同的方法得到類似的MEMS微發(fā)電機(jī)。
權(quán)利要求
1.基于無(wú)機(jī)駐極體的MEMS微發(fā)電機(jī)的加工方法，包括如下步驟1)在無(wú)機(jī)襯底表面光刻、濺射金屬電極，剝離得到下金屬電極；2)在無(wú)機(jī)襯底表面沉積無(wú)機(jī)駐極體薄膜，經(jīng)光刻腐蝕形成駐極體圖形；3)在硅襯底上表面光刻，腐蝕出淺槽，并在硅表面注入硼；4)將所述硅襯底與所述無(wú)機(jī)襯底表面牢固結(jié)合在一起，其中，硅襯底帶有淺槽的表面與無(wú)機(jī)襯底帶有駐極體圖形的表面相對(duì)；5)通過(guò)光刻并刻蝕上層硅襯底形成上極板，刻蝕位置與駐極體圖形的位置相對(duì)應(yīng)；6)在無(wú)機(jī)駐極體薄膜內(nèi)注入電荷，得到所述MEMS微發(fā)電機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工方法，其特征在于所述無(wú)機(jī)駐極體薄膜為SiO2膜，SiO2/Si3N4復(fù)合膜，Si3N4膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工方法，其特征在于步驟2)沉積方法采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)；光刻腐蝕采用RIE干法刻蝕或濕法腐蝕。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工方法，其特征在于步驟3)采用濕法腐蝕或者干法深刻蝕(ICP)制備淺槽。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工方法，其特征在于步驟4)采用的是圓片級(jí)鍵合工藝使兩個(gè)襯底圖形對(duì)準(zhǔn)并牢固結(jié)合在一起。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工方法，其特征在于步驟5)刻蝕硅膜前還將硅襯底采用ICP或KOH濕法腐蝕減薄，以控制硅膜的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工方法，其特征在于步驟5)刻蝕硅膜采用ICP進(jìn)行。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工方法，其特征在于所述無(wú)機(jī)襯底為硅片或玻璃片。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了加工基于無(wú)機(jī)駐極體的MEMS微發(fā)電機(jī)的方法。本發(fā)明加工方法，包括如下步驟1)在無(wú)機(jī)襯底表面光刻、濺射金屬電極，剝離得到下金屬電極；2)在無(wú)機(jī)襯底表面沉積無(wú)機(jī)駐極體薄膜，經(jīng)光刻腐蝕形成駐極體圖形；3)在硅襯底上表面光刻，腐蝕出淺槽，并在硅表面注入硼；4)將所述硅襯底與所述無(wú)機(jī)襯底表面牢固結(jié)合在一起，其中，硅襯底帶有淺槽的表面與無(wú)機(jī)襯底帶有駐極體圖形的表面相對(duì)；5)通過(guò)光刻并刻蝕上層硅襯底形成上極板，刻蝕位置與駐極體圖形的位置相對(duì)應(yīng)；6)在無(wú)機(jī)駐極體薄膜內(nèi)注入電荷，得到所述MEMS微發(fā)電機(jī)。本發(fā)明方法具有與集成電路工藝兼容性好，可批量生產(chǎn)，應(yīng)用前景廣闊。
文檔編號(hào)H02N1/08GK1953315SQ200610113570
公開(kāi)日2007年4月25日 申請(qǐng)日期2006年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月30日
發(fā)明者張錦文, 郝一龍, 金玉豐, 田大宇, 王穎, 陳治宇 申請(qǐng)人:北京大學(xué)