[发明专利]一种PZT/Si扩散键合装置

说明书

本发明提供了一种PZT/Si扩散键合装置，属于先进制造技术领域。一种PZT/Si扩散键合装置，包括基座、螺栓紧固件、压块、挠性压板及螺母紧固件；所述的基座的中心处加工有矩形通槽，用于放置待键合的PZT元件和硅衬底；所述的压块置于待键合的PZT元件和硅衬底上，用于压紧待键合的PZT元件和硅衬底于矩形通槽中；所述的挠性压板通过螺栓紧固件和螺母紧固件固定在基座上，并压紧放置于矩形通槽内的压块。此装置可保证PZT元件与硅片间键合压力均匀，使PZT/Si扩散键合充分，提高键合强度和键合质量，此外，此装置具有结构简单、易于操作等优点。

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，提供一种PZT/Si扩散键合装置。

背景技术

近年来，作为信息采集、处理、执行一体化的微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)以其微型化、低能耗、高灵敏度、高集成化等优点受到学术界和产业界的高度关注。

压电材料具有可将电能与机械能进行相互转化的特性，利用压电材料制作的传感器、执行器、能量收集器等压电MEMS器件(pMEMS)已经成为MEMS研究领域的一个重要分支。其中，以硅为衬底的pMEMS器件占主导地位。锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷材料因其具有相对较高的压电系数d₃₃，而被广泛应用于硅基压电器件。为制备硅基PZT压电器件，首先需要将PZT压电层与硅衬底进行集成，pMEMS器件中压电层厚度通常为10～500μm左右，为适应不同的应用需求，对其一般还具有图案化要求。目前，在硅衬底上制备PZT的方法主要为在硅片上直接沉积成膜和机械减薄块材再粘贴在硅片表面。在硅片上直接沉积PZT膜需要后续烧结结晶处理，在PZT烧结结晶过程中硅与PZT的热失配产生较大应力，容易导致PZT产生裂纹进而影响PZT膜压电性能。由于PZT为脆性材料，将PZT块材减薄到100μm是机械加工极限，而且成品率仅为10％，后续转移粘接过操作非常困难，通过机械加工方法将PZT块材减薄再使用胶粘合在硅衬底上的方法不利于批量生产。PZT/Si扩散键合并结合机械研磨、抛光等工艺是制备PZT/Si元件的有效途径，基于该方法制备的pMEMS器件具有卓越的压电性能。然而，在进行PZT/Si扩散键合工艺过程中，容易出现PZT与硅之间受力不均，进而造成PZT/Si键合不充分和键合强度差，影响PZT/Si元件性能。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服上述技术的不足，发明一种PZT/Si扩散键合装置。首先，对PZT元件与硅衬底进行表面预处理。在基座上放置待键合的PZT元件与硅衬底，将半球形压块置于PZT元件上，通过挠性压板压紧半球形压块，进而对PZT元件与硅衬底施加压力，压力大小可通过紧固件调节。挠性压板与半球形压块构成单点受力模式，可保证PZT元件与硅衬底结合面间均匀受力；然后，将压紧的PZT元件与硅衬底连同键合装置整体置于高温炉中保温一定时间，使PZT膜中的铅元素与硅发生扩散反应并形成扩散键合层，从而实现PZT元件/硅的稳固结合；最后，利用后续机械研磨和抛光工艺，获得所需厚度的PZT压电层。此装置可保证PZT元件与硅片间键合压力均匀，使PZT/Si扩散键合充分，提高键合强度和键合质量，此外，此装置具有结构简单、易于操作等优点。

本发明的技术方案：

一种PZT/Si扩散键合装置，包括基座1、螺栓紧固件2、压块3、挠性压板4及螺母紧固件7；

步骤如下：

1)PZT元件与硅衬底的表面预处理

在实施PZT/Si的扩散键合工艺前，需对PZT元件5与硅衬底6进行表面预处理。对于PZT元件5，首先，对其PZT膜进行机械研磨抛光处理，使之表面平整度低于600nm，粗糙度低于500nm，以满足键合要求；然后，使用丙酮、去离子水去除PZT膜表面附着的有机杂质；最后，使用除油液对PZT元件5进行除油处理，去除PZT膜表面的皂化油和矿物油；

对于硅衬底6，通过RCA标准清洗法进行清洗，以去除表面附着的杂质；