[发明专利]一种基于MEMS工艺的薄膜压电微变形镜及其制作方法

权利要求书

1.一种基于MEMS工艺的薄膜压电微变形镜，其特征在于，包括SOI基板(1)、Ti粘结层(2)、Pt下电极(3)、PZT压电薄膜(4)、Al顶部电极(5)、SiO2活性层(6)以及Al镜面(7)，所述Ti粘结层(2)位于SOI基板(1)的顶部，Pt下电极(3)位于Ti粘结层(2)的顶部，PZT压电薄膜(4)位于Pt下电极(3)的顶部，Al顶部电极(5)位于PZT压电薄膜(4)的顶部，所述SiO2活性层(6)位于Ti粘结层(2)的底部，Al镜面(7)位于SiO2活性层(6)的底部，且SiO2活性层(6)以及Al镜面(7)位于SOI基板(1)内；

所述SOI基板(1)的厚度为500μm，Ti粘结层(2)的厚度为0.1-0.15μm，Pt下电极(3)的厚度为0.1-0.15μm，PZT压电薄膜(4)的厚度为2μm，Al顶部电极(5)的厚度为0.2μm，SiO2活性层(6)的厚度为20μm，Al镜面(7)的厚度为0.2μm；

变形镜电极阵列排布方式为圆形阵列排布，电极形状为中心的圆形电极以及外部的扇形电极，增加了内围电极排布的密度，在各个电极的微小间隔上施加布线。

2.一种权利要求1所述的基于MEMS工艺的薄膜压电微变形镜的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：准备加工用基板，在SOI基板厚500μm的Si层上有20μm的SiO2层，进而在其上层叠有20μm的Si层；

S2：制备粘结层、下部电极以及压电薄膜，在基板上通过溅射法依次成膜Ti、Pt、PZT，每一层成膜均使用RF磁控溅射装置加工，加工过程中基板维持在一定温度，选择适当的输出功率，根据不同层设计的成膜厚度，在一定压力下的放电气体中堆积一段时间；

S3：实现顶部电极图案，使用旋转涂布法将剥离电阻涂在PZT上，并图案化为顶部电极的形状，旋转涂布过程一共两次，分别以不同的转速涂布一定时间，在使用掩膜曝光前后分别以不同温度烘烤一段时间，最后使用显影液显影，最终得到顶部电极图案；

S4：制备顶部电极，使用真空蒸镀装置成0.2μm厚度的膜Al，通过去除剥离电阻，将Al图案化为上部电极形状；

S5：保护上表面的Al和PZT，使用旋转涂布法涂抹光致抗蚀剂，旋转涂布两次，分别以不同的转速涂布一定时间，然后保持一定温度烘烤一段时间；

S6：实现隔膜部的图案，在下表面的Si上粘贴干膜，图案化为隔膜部的形状，底部涂抹光致抗蚀剂，使用隔膜部的掩膜进行曝光，并使用碳酸钠1％水溶液将干膜图案化；

S7：制作隔膜部，使用刻蚀装置通过干蚀刻除去隔膜部的Si，此时，通过用SiO2层停止干蚀刻，制作膜厚恒定的隔膜部，使用丙酮去除保护上表面的光致抗蚀剂和下表面的干膜，刻蚀中选择合适的输出功率与反应气体，在一定压力下反应一段时间；

S8：制备变形镜镜面，使用真空蒸镀装置在可动区域SiO2层上形成0.2μm厚度的Al层作为镜面；

步骤S2中Ti层作为Ti粘结层(2)，通过RF磁控溅射装置成膜厚度约0.1μm，基板温度保持在750℃，高频输出为150W，放电气体使用Ar气为19.5sccm，压力维持在0.5Pa下堆积10分钟，Pt层作为Pt下电极(3)，通过RF磁控溅射装置成膜厚度约0.1μm，基板温度保持在750℃，高频输出为100W，放电气体使用Ar气为19.5sccm，压力维持在0.5Pa下堆积10分钟，PZT层作为致动器的PZT压电薄膜(4)，通过RF磁控溅射装置成膜厚度约2.0μm，基板温度保持在750℃，高频输出为180W，放电气体使用Ar气为19.5sccm与O₂为0.5sccm，压力维持在0.5Pa下堆积120分钟；

步骤S3具体为使用旋转涂布机，将ZPN1150作为剥离电阻涂覆在PZT层的顶部，第一次旋转涂布转速1000rpm涂布10秒，第二次旋转涂布转速3000rpm涂布30秒，此外，前烘保持温度90℃烘烤90秒，再使用顶部电极的掩膜暴露ZPN，曝光时间4秒，后烘保持温度110℃烘烤90秒，并使用TMAH进行显影，显影时间60秒，最终形成顶部电极图案；

步骤S5具体为：使用旋转涂布机，将S1813光刻胶涂布在上表面，第一次旋转涂布转速500rpm涂布5秒，第二次旋转涂布转速3000rpm涂布30秒，烘烤温度115℃保持10分钟；

步骤S7输出功率为500W，刻蚀反应气体为SF6气为50sccm，工作压力为5Pa，进行干蚀刻除去Si时，在125分钟内到达蚀刻停止器的SiO2层，制作隔膜部；

变形镜电极阵列排布方式为圆形阵列排布，电极形状为中心的圆形电极以及外部的扇形电极，增加了内围电极排布的密度，在各个电极的微小间隔上施加布线。

3.根据权利要求2所述的基于MEMS工艺的薄膜压电微变形镜的制作方法，其特征在于，步骤S8之后，利用仿真软件对变形镜的运动性能进行仿真测试，将铝电极连接电源，将底部基板设置为固定约束，对中心电极依次施加从-10V至10V的电压，测量变形镜镜面中心处的位移情况。