本技術(shù)涉及含壓電單晶薄膜的懸臂梁結(jié)構(gòu)及其激光改性輔助制備方法、mems器件，屬于mems。

背景技術(shù)：

1、鈮酸鋰晶圓、鉭酸鋰晶圓憑借其優(yōu)異特性廣泛應(yīng)用在眾多器件制備上：例如其優(yōu)異的壓電、鐵電效應(yīng)被廣泛用于制備傳感器、探測器；其聲學(xué)特性被廣泛應(yīng)用于聲表面波器件、薄膜體聲波諧振器件等mems器件；其突出的電光效應(yīng)和非線性光學(xué)效應(yīng)在光波導(dǎo)、電光調(diào)制器、光相位調(diào)制器、電光調(diào)q開關(guān)等光學(xué)器件的發(fā)展和應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在當(dāng)前器件集成化、微型化的發(fā)展趨勢下，對單晶鈮酸鋰或鉭酸鋰材料的微納加工工藝也提出了更高的要求。

2、單晶鈮酸鋰或鉭酸鋰化學(xué)性能穩(wěn)定，耐腐蝕且耐高溫性能好，是難以加工的硬脆材料。目前常用的刻蝕方法主要有干法刻蝕和濕法刻蝕。干法刻蝕主要采用直接在鈮酸鋰薄膜表面進(jìn)行刻蝕的方法制備波導(dǎo)，刻蝕過程中但此法成本高、設(shè)備復(fù)雜、對下層材料的刻蝕選擇比差、等離子體帶來的器件損傷。濕法刻蝕主要采用鉻做掩膜，將鈮酸鋰薄膜直接放置在氫氟酸溶液里，對未覆蓋鉻掩膜的表面進(jìn)行刻蝕，與干法刻蝕相比，濕法刻蝕成本低、適合大批量生產(chǎn)，但刻蝕產(chǎn)物氟化鋰會(huì)沉積到鈮酸鋰表面，不僅影響刻蝕速度，而且由于液體的流動(dòng)特性導(dǎo)致刻蝕各向同性，因此僅利用濕法刻蝕加工單晶鈮酸鋰或鉭酸鋰難度極大，選擇性不高。此外，激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性，對材料進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)加工用于晶圓刻蝕是一種切實(shí)可行的方法，效率高，生產(chǎn)成本低，但受激光衍射極限和熱效應(yīng)的限制，激光燒蝕切割的分辨率有限，刻蝕精度不高，無法滿足壓電單晶薄膜高精度、高質(zhì)量加工的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于此，本技術(shù)提供了一種含壓電單晶薄膜的懸臂梁結(jié)構(gòu)及其激光改性輔助制備方法、mems器件，利用激光輔助濕法刻蝕的方式解決了mems現(xiàn)有技術(shù)中單晶鈮酸鋰或鉭酸鋰刻蝕速率和刻蝕精度與成本難以兼顧的問題，并基于此提供了一種含壓電單晶薄膜的懸臂梁結(jié)構(gòu)制備方法，解決了空腔層和壓電單晶薄膜層的應(yīng)力匹配和補(bǔ)償問題，以及傳統(tǒng)單晶壓電薄膜沉積方法引起內(nèi)部晶格失配而導(dǎo)致器件性能降低問題。

2、根據(jù)本技術(shù)的第一個(gè)方面，提供了一種含壓電單晶薄膜的懸臂梁結(jié)構(gòu)，包括基體片，所述基體片的材質(zhì)為單晶鈮酸鋰或單晶鉭酸鋰；

3、所述基體片的內(nèi)部，靠近基體片一面表層的區(qū)域設(shè)置有空腔；

4、相對靠近所述空腔的基體片一面表層上遮蓋空腔的部分為壓電單晶薄膜；

5、所述壓電單晶薄膜的邊緣上相對空腔邊緣的位置設(shè)置有至少一個(gè)微孔，所述空腔通過微孔與基體片外部聯(lián)通。

6、在其中一個(gè)實(shí)施方式中，所述微孔的孔徑為5μm～20μm。

7、在其中一個(gè)實(shí)施方式中，所述壓電單晶薄膜的厚度為0.3μm～10μm。

8、根據(jù)本技術(shù)的第二個(gè)方面，提供了一種上述含壓電單晶薄膜的懸臂梁結(jié)構(gòu)的激光改性輔助制備方法，包括：

9、將清洗后的實(shí)心基體片置于移動(dòng)臺(tái)，使用激光輻照實(shí)心基體片的內(nèi)部形成改性區(qū)域，得到改性實(shí)心基體片；

10、在改性實(shí)心基體片靠近改性區(qū)域的一面表層與改性區(qū)域邊緣相對應(yīng)的位置進(jìn)行開孔直至形成微孔的區(qū)域與改性區(qū)域連通；

11、將沉積電極和結(jié)構(gòu)層并經(jīng)過開孔的改性實(shí)心基體片置入刻蝕液中，浸漬直至改性區(qū)域完全被刻蝕去除后形成空腔和壓電單晶薄膜，得到所述的含壓電單晶薄膜的懸臂梁結(jié)構(gòu)。

12、在其中一個(gè)實(shí)施方式中，所述開孔選自激光改性刻蝕開孔或直接激光燒蝕開孔。

13、在其中一個(gè)實(shí)施方式中，所述激光改性刻蝕開孔為：使用激光輻照實(shí)心基體片的微孔區(qū)域使該區(qū)域材質(zhì)改性形成與改性區(qū)域相同的材質(zhì)，形成封閉性微孔。

14、在其中一個(gè)實(shí)施方式中，所述直接激光燒蝕開孔：使用激光輻照實(shí)心基體片的微孔區(qū)域使該區(qū)域直接形成開放性微孔。

15、在其中一個(gè)實(shí)施方式中，所述激光輻照的條件包括：激光脈沖寬度為150fs～500ps，激光波長為780nm～1100nm，激光頻率為1khz～1mhz。

16、在其中一個(gè)實(shí)施方式中，所述刻蝕液選自氟化氫含量為2％～49％的含氟化氫的溶液。

17、本技術(shù)中對含氟化氫的溶液中除氟化氫以外的組分不做嚴(yán)格限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)需求進(jìn)行組分的選擇。

18、在其中一個(gè)實(shí)施方式中，所述含氟化氫的溶液選自氫氟酸或boe溶液。

19、根據(jù)本技術(shù)的第三個(gè)方面，提供了一種mems器件，包括上述含壓電單晶薄膜的懸臂梁結(jié)構(gòu)，或其基體片相對遠(yuǎn)離空腔的一面經(jīng)過減薄至暴露空腔后的含壓電單晶薄膜的懸臂梁結(jié)構(gòu)。

20、在其中一個(gè)實(shí)施方式中，所述mems器件選自壓電式超聲換能器、諧振器、壓力傳感器、聲波濾波器中的一種。

21、在其中一個(gè)實(shí)施方式中，所述壓電式超聲換能器包括至少2個(gè)電極、結(jié)構(gòu)層、基底；

22、所述電極設(shè)置在所述壓電單晶薄膜遠(yuǎn)離空腔一側(cè)的表面；

23、所述結(jié)構(gòu)層覆蓋設(shè)置在所述含壓電單晶薄膜的懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電單晶薄膜一側(cè)的表面；

24、所述結(jié)構(gòu)層與微孔對應(yīng)的位置設(shè)置有將微孔與外部聯(lián)通的通孔；

25、所述結(jié)構(gòu)層的厚度大于所述電極厚度；

26、所述基底由所述基體片相對遠(yuǎn)離空腔的一面經(jīng)過減薄至暴露空腔后余下圍繞壓電單晶薄膜的部分形成。

27、在其中一個(gè)實(shí)施方式中，所述結(jié)構(gòu)層與電極對應(yīng)的位置設(shè)置有容納電極的開孔。

28、在其中一個(gè)實(shí)施方式中，所述壓電式超聲換能器采用包括如下步驟的方法制備得到：

29、將清洗后的實(shí)心基體片置于移動(dòng)臺(tái)，使用激光輻照實(shí)心基體片的內(nèi)部形成改性區(qū)域，得到改性實(shí)心基體片；

30、在改性實(shí)心基體片上與壓電單晶薄膜對應(yīng)的表面，沉積電極；

31、在改性實(shí)心基體片上沉積電極的一面沉積結(jié)構(gòu)層；

32、在改性實(shí)心基體片靠近改性區(qū)域的一面表層與改性區(qū)域邊緣相對應(yīng)的位置進(jìn)行開孔直至形成微孔的區(qū)域與改性區(qū)域連通；

33、將具有沉積電極和結(jié)構(gòu)層并經(jīng)過開孔的改性實(shí)心基體片置入刻蝕液中，浸漬直至改性區(qū)域完全被刻蝕去除后形成空腔和壓電單晶薄膜；

34、將基體片相對遠(yuǎn)離空腔的一面減薄至暴露空腔后，得到所述壓電式超聲換能器。

35、在其中一個(gè)實(shí)施方式中，所述壓電式超聲換能器的制備還包括如下步驟：將與電極對應(yīng)的結(jié)構(gòu)層部分刻蝕去除至形成開孔使暴露電極。

36、在其中一個(gè)實(shí)施方式中，所述電極的厚度為0.05μm～3μm。

37、在其中一個(gè)實(shí)施方式中，所述電極的材料選自mo(鉬)、pt(鉑)、cr(鉻)、al(鋁)中的至少一種。

38、在其中一個(gè)實(shí)施方式中，所述結(jié)構(gòu)層的厚度為5μm～20μm。

39、在其中一個(gè)實(shí)施方式中，所述結(jié)構(gòu)層的材質(zhì)選自二氧化硅、多晶硅、氮化硅中的一種。

40、本技術(shù)能產(chǎn)生的有益效果包括：

41、1、本技術(shù)技術(shù)方案制備的含壓電單晶薄膜的懸臂梁結(jié)構(gòu)，通過特殊的刻蝕工藝方式在鈮酸鋰或鉭酸鋰壓電材料中直接刻蝕出空腔結(jié)構(gòu)，并保留壓電薄膜層，保證了壓電層和空腔層材料一致，能有效解決空腔層和壓電單晶薄膜層的應(yīng)力匹配和補(bǔ)償問題。

42、2、本技術(shù)技術(shù)方案中含壓電單晶薄膜的懸臂梁結(jié)構(gòu)的激光改性輔助制備方法，通過激光輻照使特定區(qū)域鈮酸鋰或鉭酸鋰晶體性質(zhì)發(fā)生非晶體改性，改性后的材料易于去除，其刻蝕速率遠(yuǎn)高于未經(jīng)激光輻照的單晶鈮酸鋰或鉭酸鋰晶體，利用兩者濕法刻蝕的速率差，對特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)刻蝕。此法改性效率高，極大提高鈮酸鋰或鉭酸鋰晶體微納結(jié)構(gòu)的制備效率。并且，可以實(shí)現(xiàn)在鈮酸鋰或鉭酸鋰基體片內(nèi)部利用激光改性輔助濕法刻蝕制備空腔，同時(shí)制備單晶鈮酸鋰或鉭酸鋰薄膜和懸臂梁結(jié)構(gòu)。

43、3、本技術(shù)技術(shù)方案中基于含壓電單晶薄膜的懸臂梁結(jié)構(gòu)的mems器件，利用所制備的結(jié)構(gòu)中單晶鈮酸鋰或鉭酸鋰薄膜的高壓電系數(shù)、高機(jī)電耦合系數(shù)和低介電損耗，可制備多種高性能mems器件。例如，可制備低功耗、高信噪比、高發(fā)射聲壓級以及全頻域響應(yīng)的壓電超聲換能器。