压电PZT薄膜上超细电极的制备

于舜尧，崔 岩，王子祥，李嘉豪，杨 帆，于 昊

（大连理工大学，辽宁省微纳米技术与系统重点实验室，辽宁大连 116024）

0 引言

微 机 电 系 统 （Microelectromechanical Systems,MEMS）是指尺寸在微米级甚至纳米级的高科技电子系统[1]，通常在硅晶圆上进行光刻、显影、刻蚀等微观操作，涉及到多个学科如机械工程学、电子技术学、控制工程、测试技术等的交叉融合。MEMS技术广泛应用于微纳米传感器[2]、微纳米驱动器[3]、MEMS马达[4]、能量收集器[5]等器件的制作，在生活中的各个领域都可以见到其身影。目前，以压电PZT薄膜为核心的压电驱动、传感器件是当今探讨的研究热点之一[6]。

相较于其他铁电薄膜，Trolier Mckinstry等[7]指出压电PZT薄膜的主要优势有：较大的有效横向压电系数（e31,f(max)＝-12 C/N）；较低的驱动电压需求；良好的温度稳定性；能量密度高且不受尺寸影响等。目前，压电PZT薄膜已经在多个领域得到了广泛地应用，如微电机[8]、微泵[9]、扫描力显微镜尖端[10]、纳米发电机[11]、皮肤电子器件[12]、设备损伤定位[13]等。在使用压电PZT薄膜作为敏感层时，需要在PZT薄膜上下表面制备电极，通过外接电源在薄膜两端形成电场，驱动薄膜产生应力，电极的面积大小决定了薄膜应力作用范围。为实现对压电PZT薄膜的有效驱动，部分MEMS器件，如Hosseini N[14]提出的压电应力光开关，需要在PZT薄膜上制备出，长度较大（8 000μm）及宽度较小（5～10μm）的电极，然而目前，传统MEMS工艺在PZT薄膜上加工长宽比达1 600∶1的超细电极，难度较大。

本文提出使用双层光刻胶剥离法，在压电PZT薄膜上分别制备宽5μm或10μm、长8 000μm的电极，研究了制备超细电极的工艺流程，并测试了剥离完成的电极。测试结果表明，在溶胶凝胶法制备的压电PZT薄膜上，双层光刻胶剥离法可以制备出的宽度最小为5μm，长度达8 000μm的超细电极。为日后以压电PZT薄膜为核心的MEMS器件的电极制作提供工艺参考。

1 压电PZT薄膜上制备电极

1.1 溶胶凝胶法制备PZT薄膜

本文选用溶胶凝胶法完成压电PZT薄膜制备，锆钛比为53∶47。溶胶凝胶法与微机电系统兼容性较好，且制备的薄膜具有表面质量平整、粗糙度较低等优点[15]。

溶胶凝胶法制备压电PZT薄膜主要步骤为：制备PZT前驱体凝胶、甩胶及热处理。制备PZT前驱体凝胶配方如表1所示。

表1 PZT前驱体溶液配方Tab.1 Dimensional parameters of two-size flexible piezoelectric energy harvester

首先，按照压电PZT薄膜的组分（Pb（Zr0.53Ti0.47）O3）计算各种配料用量，并使用精密天平及量筒称取对应固体及液体，根据工艺经验，三水合醋酸铅应额外多加入15%，避免铅元素在后续热处理工艺中挥发，导致薄膜配比失衡。随后，将五水合硝酸锆、三水合醋酸铅置入乙二醇甲醚中，充分搅拌并加热溶解后，将乙酰丙酮加入混合溶液中作为稳定剂，保持凝胶液体稳定，避免固体析出；最后分多次加入钛酸丁酯并持续加热搅拌后，形成稳定PZT前驱体凝胶。

PZT前驱体凝胶经过甩胶、热处理等工艺后最终生长成为压电PZT薄膜，工艺流程如图1所示。首先，按照标准RCA工艺对硅衬底进行清洗，去除硅衬底表面的有机物、金属等杂质，并保持工艺环境的清洁，保证工艺过程无其他杂质引入。随后，在硅衬底上溅射下电极，并置入400℃马弗炉中，充分去除其表面残留水雾后，开始旋涂PZT凝胶。

图1 溶胶凝胶法Fig.1 sol-gel method

每次旋涂PZT凝胶后，需进行三次热处理工艺促进胶体成膜。第一次在180℃热板上热处理5 min，去除胶体中无用的水分，将胶体定型；第二次在350℃马弗炉中处理5 min，将胶体中未溶解的有机物分解，留下已形成的薄膜化合物。当薄膜层数为偶数层时，进行第三次热处理，600℃马弗炉中热处理8 min，给予胶体充分能量，促进其沿着衬底外延生长为压电PZT薄膜，由非晶体转为钙钛矿结构。第三次热处理的温度及时间极为重要，若不能给与薄膜足够的能量形成钙钛矿结构，会生成干扰薄膜性能的焦绿石相。

PZT薄膜制备完成后，使用型号为XE-20003040111的原子力显微镜对其表面进行粗糙度测量，结果如图2所示。表面粗糙度最大为处仅为5μm，证明溶胶凝胶法制备的压电PZT薄膜表面较为平整，可以作为电极溅射的良好衬底。

图2 PZT薄膜粗糙度Fig.2 Roughnessof PZTfilm

1.2 剥离法制备电极

电极选用钛/白金（Ti/PT），利用Ti优秀的粘结性，增强电极与压电PZT薄膜之间的附着力。在Ti上补充溅射一层厚200μm用于与引线键合的PT。

常规的电极制备方式主要有化学腐蚀法和剥离法。化学腐蚀法需使用如王水等强腐蚀性液体将电极溶解，在腐蚀过程中，不仅极容易损坏电极下的PZT薄膜，也会对电极造成侧蚀，最终导致电极各处宽度不一致，甚至断裂。因此，本文选用剥离法制备上电极[16]。

针对传统剥离法制备电极时，由于电极宽度较窄，若脱落金属与电极有侧壁连接，会导致电极被拉扯脱落的问题，提出使用双层光刻胶剥离法制备电极。在PZT薄膜上匀涂两层光刻胶，增大光刻胶与电极厚度比值，避免侧壁连接导致的电极脱落。光刻胶选用AZ703正胶，利用AZ703分辨率高、热膨胀率低、稳定性高且易剥离等优良特性，完成电极制备。

使用两英寸硅片作为衬底，掩膜版设计如图3所示。图中上半部分为43条5μm宽电极，下部分为47条10μm宽度电极，长度均为8 000μm。设置左右间隔为5 mm，上下间隔分别为1 mm或2 mm不等。

图3 5μm/10μm电极剥离掩模版Fig.3 5μm/10μmelectrodestrippingmask

双层光刻胶电极剥离工艺流程：匀胶—曝光—显影—溅射—剥离，具体操作如图4所示。

图4 电极剥离流程Fig.4 Flow chart of electrodestripping

（1）甩胶。在硅片上滴满AZ703光刻胶，使用匀胶机先慢速转动将光刻胶铺满PZT薄膜，随后高速转动硅片，将光刻胶均匀覆盖在薄膜上。AZ系列的黏度为85 CP，在此方法下每次匀胶后厚度约为1.5μm，根据双层光刻胶剥离发，为保证光刻胶厚度远大于溅射电极厚度，本次实验进行两次匀胶，最终实现光刻胶厚度达到3μm，远大于电极厚度。

（2）显影。实验选用的AZ正胶具有强烈的溶解抑制性质，在紫外（UV）曝光后，会发生性质改变，大幅提高其在特定显影液中的溶解度性能，将硅片浸入AZ光刻胶专用显影液中10 s即可去除被紫外线照射部分的光刻胶。

（3）后烘。将应力光开关放置在85℃热板烘干水汽及残留显影液，避免未曝光的光刻胶与显影液接触，降低与薄膜的黏附力。同时，加温烘烤既可以增加光刻胶的硬度及抗刻蚀性，使得光刻胶可以更牢固地粘附在薄膜表面，也可以减小驻波效应的干扰。后烘温度不宜过高也不宜过长，避免光刻胶变性或者固行增加，降低分辨率，增大去胶难度。

（4）溅射。使用型号为JS3X-80B的超真空磁控溅射设备在PZT薄膜上均匀溅射一层20/500 nm厚度的Ti/Pt，金属会直接沉积在显影去胶的空位上，形成电极接结构。

（5）将硅片置入丙酮溶液中，使用棉球轻轻擦拭，每隔一段时间使用显微镜观察，避免过度浸泡导致有效电极脱落。若光刻胶在丙酮中充分浸泡后，仍有部分残留金属，可使用超声仪器超声去除。

最终剥离完成的电极如图5所示。图5（a）为剥离电极完成后硅片的1/4，图中细线均为电极，长度为8 000μm，宽度为5μm。图5（b）为100倍显微镜下放大的多条电极，其中，亮白色细条状图形为电极，其余部分为压电PZT薄膜。图5（c）为600倍显微镜下电极放大图。双层光刻胶剥离法制备的电极边缘齐整，剥离完全，基本无脱落、断裂或金属残留，可以较好地附着在PZT薄膜上。

图5 剥离完成的电极Fig.5 Electrodeafter stripping

2 电极性能测试

使用型号为4200－SMU的半导体参数测试仪，测试长8 000μm，宽5μm电极的I-V性能，测试电压为1～15 V。测试结果如图6所示。电极中间无隐形断裂及电极脱落，可以实现双端导通，电阻约为1 kΩ。

图6 电极的IV测试曲线Fig.6 IV test curveof electrode

使用型号为MM6150 KEITHLEY型手动探针平台，配合型号为UB3-07 KEITHLEY型半导体参数测试仪对压电PZT薄膜进行I-V性能测试，在PZT薄膜的上下电极间施加电压，由1 V增至30 V，测试结果如图7所示，结果图表明，PZT上下电极接通电源后可以形成有效电场，并在薄膜内部产生微弱电流。

图7 PZT薄膜的IV测试曲线Fig.7 IV test curveof PZTthin film

3 结束语

本文针对以压电PZT薄膜为核心的MEMS器件对超细电极的制备需求，提出了使用双层光刻胶剥离法在PZT薄膜上制备电极。首先选用溶胶凝胶法制备压电PZT薄膜，并测量薄膜表面粗糙度最大仅为5μm。随后在PZT薄膜上进行甩胶、光刻、显影、溅射、剥离等工艺后，制备出最小宽度仅为5μm，长度高达8 000μm的电极，电极材料为Ti/PT，厚度为50/200μm。根据电极观察及测试结果，电极剥离完全，基本无多余金属残留，中间无断裂，可以实现双端导通，为以PZT为核心的MEMS器件的电极制备提供工艺参考。