壓電PZT薄膜上超細電極的制備

于舜堯，崔 巖，王子祥，李嘉豪，楊 帆，于 昊

（大連理工大學(xué)，遼寧省微納米技術(shù)與系統(tǒng)重點實驗室，遼寧大連 116024）

0 引言

微 機 電 系 統(tǒng) （Microelectromechanical Systems,MEMS）是指尺寸在微米級甚至納米級的高科技電子系統(tǒng)[1]，通常在硅晶圓上進行光刻、顯影、刻蝕等微觀操作，涉及到多個學(xué)科如機械工程學(xué)、電子技術(shù)學(xué)、控制工程、測試技術(shù)等的交叉融合。MEMS技術(shù)廣泛應(yīng)用于微納米傳感器[2]、微納米驅(qū)動器[3]、MEMS馬達[4]、能量收集器[5]等器件的制作，在生活中的各個領(lǐng)域都可以見到其身影。目前，以壓電PZT薄膜為核心的壓電驅(qū)動、傳感器件是當(dāng)今探討的研究熱點之一[6]。

相較于其他鐵電薄膜，Trolier Mckinstry等[7]指出壓電PZT薄膜的主要優(yōu)勢有：較大的有效橫向壓電系數(shù)（e31,f(max)＝-12 C/N）；較低的驅(qū)動電壓需求；良好的溫度穩(wěn)定性；能量密度高且不受尺寸影響等。目前，壓電PZT薄膜已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用，如微電機[8]、微泵[9]、掃描力顯微鏡尖端[10]、納米發(fā)電機[11]、皮膚電子器件[12]、設(shè)備損傷定位[13]等。在使用壓電PZT薄膜作為敏感層時，需要在PZT薄膜上下表面制備電極，通過外接電源在薄膜兩端形成電場，驅(qū)動薄膜產(chǎn)生應(yīng)力，電極的面積大小決定了薄膜應(yīng)力作用范圍。為實現(xiàn)對壓電PZT薄膜的有效驅(qū)動，部分MEMS器件，如Hosseini N[14]提出的壓電應(yīng)力光開關(guān)，需要在PZT薄膜上制備出，長度較大（8 000μm）及寬度較小（5～10μm）的電極，然而目前，傳統(tǒng)MEMS工藝在PZT薄膜上加工長寬比達1 600∶1的超細電極，難度較大。

本文提出使用雙層光刻膠剝離法，在壓電PZT薄膜上分別制備寬5μm或10μm、長8 000μm的電極，研究了制備超細電極的工藝流程，并測試了剝離完成的電極。測試結(jié)果表明，在溶膠凝膠法制備的壓電PZT薄膜上，雙層光刻膠剝離法可以制備出的寬度最小為5μm，長度達8 000μm的超細電極。為日后以壓電PZT薄膜為核心的MEMS器件的電極制作提供工藝參考。

1 壓電PZT薄膜上制備電極

1.1 溶膠凝膠法制備PZT薄膜

本文選用溶膠凝膠法完成壓電PZT薄膜制備，鋯鈦比為53∶47。溶膠凝膠法與微機電系統(tǒng)兼容性較好，且制備的薄膜具有表面質(zhì)量平整、粗糙度較低等優(yōu)點[15]。

溶膠凝膠法制備壓電PZT薄膜主要步驟為：制備PZT前驅(qū)體凝膠、甩膠及熱處理。制備PZT前驅(qū)體凝膠配方如表1所示。

表1 PZT前驅(qū)體溶液配方Tab.1 Dimensional parameters of two-size flexible piezoelectric energy harvester

首先，按照壓電PZT薄膜的組分（Pb（Zr0.53Ti0.47）O3）計算各種配料用量，并使用精密天平及量筒稱取對應(yīng)固體及液體，根據(jù)工藝經(jīng)驗，三水合醋酸鉛應(yīng)額外多加入15%，避免鉛元素在后續(xù)熱處理工藝中揮發(fā)，導(dǎo)致薄膜配比失衡。隨后，將五水合硝酸鋯、三水合醋酸鉛置入乙二醇甲醚中，充分?jǐn)嚢璨⒓訜崛芙夂螅瑢⒁阴１尤牖旌先芤褐凶鳛榉€(wěn)定劑，保持凝膠液體穩(wěn)定，避免固體析出；最后分多次加入鈦酸丁酯并持續(xù)加熱攪拌后，形成穩(wěn)定PZT前驅(qū)體凝膠。

PZT前驅(qū)體凝膠經(jīng)過甩膠、熱處理等工藝后最終生長成為壓電PZT薄膜，工藝流程如圖1所示。首先，按照標(biāo)準(zhǔn)RCA工藝對硅襯底進行清洗，去除硅襯底表面的有機物、金屬等雜質(zhì)，并保持工藝環(huán)境的清潔，保證工藝過程無其他雜質(zhì)引入。隨后，在硅襯底上濺射下電極，并置入400℃馬弗爐中，充分去除其表面殘留水霧后，開始旋涂PZT凝膠。

圖1 溶膠凝膠法Fig.1 sol-gel method

每次旋涂PZT凝膠后，需進行三次熱處理工藝促進膠體成膜。第一次在180℃熱板上熱處理5 min，去除膠體中無用的水分，將膠體定型；第二次在350℃馬弗爐中處理5 min，將膠體中未溶解的有機物分解，留下已形成的薄膜化合物。當(dāng)薄膜層數(shù)為偶數(shù)層時，進行第三次熱處理，600℃馬弗爐中熱處理8 min，給予膠體充分能量，促進其沿著襯底外延生長為壓電PZT薄膜，由非晶體轉(zhuǎn)為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。第三次熱處理的溫度及時間極為重要，若不能給與薄膜足夠的能量形成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，會生成干擾薄膜性能的焦綠石相。

PZT薄膜制備完成后，使用型號為XE-20003040111的原子力顯微鏡對其表面進行粗糙度測量，結(jié)果如圖2所示。表面粗糙度最大為處僅為5μm，證明溶膠凝膠法制備的壓電PZT薄膜表面較為平整，可以作為電極濺射的良好襯底。

圖2 PZT薄膜粗糙度Fig.2 Roughnessof PZTfilm

1.2 剝離法制備電極

電極選用鈦/白金（Ti/PT），利用Ti優(yōu)秀的粘結(jié)性，增強電極與壓電PZT薄膜之間的附著力。在Ti上補充濺射一層厚200μm用于與引線鍵合的PT。

常規(guī)的電極制備方式主要有化學(xué)腐蝕法和剝離法。化學(xué)腐蝕法需使用如王水等強腐蝕性液體將電極溶解，在腐蝕過程中，不僅極容易損壞電極下的PZT薄膜，也會對電極造成側(cè)蝕，最終導(dǎo)致電極各處寬度不一致，甚至斷裂。因此，本文選用剝離法制備上電極[16]。

針對傳統(tǒng)剝離法制備電極時，由于電極寬度較窄，若脫落金屬與電極有側(cè)壁連接，會導(dǎo)致電極被拉扯脫落的問題，提出使用雙層光刻膠剝離法制備電極。在PZT薄膜上勻涂兩層光刻膠，增大光刻膠與電極厚度比值，避免側(cè)壁連接導(dǎo)致的電極脫落。光刻膠選用AZ703正膠，利用AZ703分辨率高、熱膨脹率低、穩(wěn)定性高且易剝離等優(yōu)良特性，完成電極制備。

使用兩英寸硅片作為襯底，掩膜版設(shè)計如圖3所示。圖中上半部分為43條5μm寬電極，下部分為47條10μm寬度電極，長度均為8 000μm。設(shè)置左右間隔為5 mm，上下間隔分別為1 mm或2 mm不等。

圖3 5μm/10μm電極剝離掩模版Fig.3 5μm/10μmelectrodestrippingmask

雙層光刻膠電極剝離工藝流程：勻膠—曝光—顯影—濺射—剝離，具體操作如圖4所示。

圖4 電極剝離流程Fig.4 Flow chart of electrodestripping

（1）甩膠。在硅片上滴滿AZ703光刻膠，使用勻膠機先慢速轉(zhuǎn)動將光刻膠鋪滿PZT薄膜，隨后高速轉(zhuǎn)動硅片，將光刻膠均勻覆蓋在薄膜上。AZ系列的黏度為85 CP，在此方法下每次勻膠后厚度約為1.5μm，根據(jù)雙層光刻膠剝離發(fā)，為保證光刻膠厚度遠大于濺射電極厚度，本次實驗進行兩次勻膠，最終實現(xiàn)光刻膠厚度達到3μm，遠大于電極厚度。

（2）顯影。實驗選用的AZ正膠具有強烈的溶解抑制性質(zhì)，在紫外（UV）曝光后，會發(fā)生性質(zhì)改變，大幅提高其在特定顯影液中的溶解度性能，將硅片浸入AZ光刻膠專用顯影液中10 s即可去除被紫外線照射部分的光刻膠。

（3）后烘。將應(yīng)力光開關(guān)放置在85℃熱板烘干水汽及殘留顯影液，避免未曝光的光刻膠與顯影液接觸，降低與薄膜的黏附力。同時，加溫烘烤既可以增加光刻膠的硬度及抗刻蝕性，使得光刻膠可以更牢固地粘附在薄膜表面，也可以減小駐波效應(yīng)的干擾。后烘溫度不宜過高也不宜過長，避免光刻膠變性或者固行增加，降低分辨率，增大去膠難度。

（4）濺射。使用型號為JS3X-80B的超真空磁控濺射設(shè)備在PZT薄膜上均勻濺射一層20/500 nm厚度的Ti/Pt，金屬會直接沉積在顯影去膠的空位上，形成電極接結(jié)構(gòu)。

（5）將硅片置入丙酮溶液中，使用棉球輕輕擦拭，每隔一段時間使用顯微鏡觀察，避免過度浸泡導(dǎo)致有效電極脫落。若光刻膠在丙酮中充分浸泡后，仍有部分殘留金屬，可使用超聲儀器超聲去除。

最終剝離完成的電極如圖5所示。圖5（a）為剝離電極完成后硅片的1/4，圖中細線均為電極，長度為8 000μm，寬度為5μm。圖5（b）為100倍顯微鏡下放大的多條電極，其中，亮白色細條狀圖形為電極，其余部分為壓電PZT薄膜。圖5（c）為600倍顯微鏡下電極放大圖。雙層光刻膠剝離法制備的電極邊緣齊整，剝離完全，基本無脫落、斷裂或金屬殘留，可以較好地附著在PZT薄膜上。

圖5 剝離完成的電極Fig.5 Electrodeafter stripping

2 電極性能測試

使用型號為4200－SMU的半導(dǎo)體參數(shù)測試儀，測試長8 000μm，寬5μm電極的I-V性能，測試電壓為1～15 V。測試結(jié)果如圖6所示。電極中間無隱形斷裂及電極脫落，可以實現(xiàn)雙端導(dǎo)通，電阻約為1 kΩ。

圖6 電極的IV測試曲線Fig.6 IV test curveof electrode

使用型號為MM6150 KEITHLEY型手動探針平臺，配合型號為UB3-07 KEITHLEY型半導(dǎo)體參數(shù)測試儀對壓電PZT薄膜進行I-V性能測試，在PZT薄膜的上下電極間施加電壓，由1 V增至30 V，測試結(jié)果如圖7所示，結(jié)果圖表明，PZT上下電極接通電源后可以形成有效電場，并在薄膜內(nèi)部產(chǎn)生微弱電流。

圖7 PZT薄膜的IV測試曲線Fig.7 IV test curveof PZTthin film

3 結(jié)束語

本文針對以壓電PZT薄膜為核心的MEMS器件對超細電極的制備需求，提出了使用雙層光刻膠剝離法在PZT薄膜上制備電極。首先選用溶膠凝膠法制備壓電PZT薄膜，并測量薄膜表面粗糙度最大僅為5μm。隨后在PZT薄膜上進行甩膠、光刻、顯影、濺射、剝離等工藝后，制備出最小寬度僅為5μm，長度高達8 000μm的電極，電極材料為Ti/PT，厚度為50/200μm。根據(jù)電極觀察及測試結(jié)果，電極剝離完全，基本無多余金屬殘留，中間無斷裂，可以實現(xiàn)雙端導(dǎo)通，為以PZT為核心的MEMS器件的電極制備提供工藝參考。