基于MEMS的压电能量收集器件制造工艺

逍遥设计自动化

引言
8 w( s/ m! D2 x6 PMEMS压电能量收集器件的制造需要精确的工艺控制和周密的流程规划。整个制造过程包含多个步骤，从晶圆制备、材料沉积、图形制作、刻蚀到封装。本文介绍制造导梁式压电能量收集器件的关键工艺步骤和技术[1]。
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# \, q+ i1 H2 }# Q; m5 G8 S图1展示了完整的制造工艺流程，包括热氧化、TMAH刻蚀、电极制作和梁释放等八个主要步骤。

: u; U$ O* W" b0 M* P0 R4 M; r晶圆制备和初始加工
制造过程始于P型双面抛光硅晶圆。首先使用硫酸和过氧化氢混合的溶液进行彻底清洗，随后进行氢氟酸浸泡。在1000°C下生长0.6微米热氧化层，接着沉积0.2微米LPCVD氮化硅作为湿法刻蚀的掩蔽层。
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图2展示了晶圆清洗步骤、氧化/氮化炉装料和光刻胶涂覆过程。
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, m) z) r( W; C3 H光刻和图形转移
: P, p/ ^5 U7 |' D- }" U) N% I7 S工艺采用五层掩模系统制作不同的结构和功能层。使用正性光刻胶S1818和显影液CD26进行光刻。

" t4 D. J8 L5 G6 T5 D& ?! p每个掩模定义特定特征：

金字塔形质量块（掩模#1）

底电极（掩模#2）

压电层（掩模#3）

顶电极（掩模#4）

梁释放（掩模#5）
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图3展示了掩模对准过程和使用CD26显影液进行光刻胶显影的步骤。

体硅微加工和结构形成
3 o; \; l3 R/ `9 S# e采用TMAH湿法刻蚀制作金字塔形质量块。在79°C下使用25%的TMAH溶液进行刻蚀，刻蚀速率达到20微米/小时。角补偿技术确保质量块底部顶点边缘完整。

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. y, F" Z% v- T1 T$ y4 B图4展示了TMAH刻蚀设置和形成的金字塔形质量块结构。
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8 w/ R* k# q2 P4 W/ }' k压电层和电极制作
  {) w6 ~- F  U1 I' @$ L' N使用射频磁控溅射沉积2.5微米厚的氧化锌压电层。工艺参数包括400W功率，40%氩气+60%氧气的气体组成，以及30毫托压强。通过溅射沉积0.02/0.2微米铬/金电极并进行图形制作，形成顶部和底部电极。

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; Q/ t6 A4 P1 ]1 M  C. u. G% `3 D图5展示了ZnO溅射过程和形成的电极结构图形。
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梁释放和器件完成
采用深度反应离子刻蚀(DRIE)从正面释放导梁。工艺参数包括4.8×102毫巴压强，1000W射频源功率和SF6气体流量。通过梁减薄实现约10-12微米的目标厚度。

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图6展示了使用DRIE进行梁释放的过程和最终制作的双梁和四梁器件。
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5 ]6 y% {: {0 A. Q+ w0 z8 f器件封装和测试准备
设计了带有镀金焊盘的定制PCB封装，用于线焊。使用非导电环氧树脂在130°C下固化安装器件。特制的带有内置连接器的PCB附件便于连接测试设备。

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图7展示了PCB封装设计和安装了测试连接器的器件。

0 F5 F: g& ]; Y) L3 ^+ F通过优化后的制造工艺，梁的厚度从25微米降低到约12微米，使谐振频率显著降低到约500赫兹，使器件适用于实际的振动能量收集应用。工艺优化对实现理想的器件特性具有重要作用。
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参考文献
[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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