高深寬比硅微結(jié)構(gòu)MEMS電容器制造工藝優(yōu)化及其性能研究.pdf

1、隨著便攜式電子元器件的需求不斷增加,對(duì)器件的體積、靈敏度、能耗和集成度等提出了更高的要求,能源供應(yīng)也成為限制器件微小型化的重要技術(shù)瓶頸。本論文面向“電源微型化、集成化和智能化”的發(fā)展趨勢(shì),針對(duì)MEMS微型電容器溫度使用范圍寬、功耗低、噪聲低、使用壽命長(zhǎng)、儲(chǔ)能密度高及瞬發(fā)功率高的迫切發(fā)展要求,開展基于MEMS技術(shù)的大容量體積比和高可靠性微型電容器的基礎(chǔ)研究,以期為未來微能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　本論文系統(tǒng)分析了MEMS電容

2、器電容量與耐壓強(qiáng)度之間的關(guān)系,對(duì)電容器的掩膜結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了優(yōu)化,并采用ANSYS軟件對(duì)5μm×15μm×150μm深槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析,確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。將硅通孔(TSV)技術(shù)和原子層沉積(ALD)技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了大比表面積的微型電容器制造;利用深槽微孔隙填充技術(shù)提高了電容器的可靠性;采用PCB板封裝實(shí)現(xiàn)大容量體積比、高可靠性和強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性的MEMS電容器原型器件的研制。此外,本論文研究了MEMS微型電容器的制造技術(shù)對(duì)其結(jié)構(gòu)和

3、性能的影響,并自主搭建電學(xué)性能測(cè)試平臺(tái),對(duì)HfO2電介質(zhì)層的擊穿特性、MEMS微型電容器的阻抗特性、C-V特性、I-V特性和頻譜特性進(jìn)行測(cè)試與分析,之后與冷熱臺(tái)耦合對(duì)MEMS微型電容器的溫度適應(yīng)性進(jìn)行了研究。
　　本論文設(shè)計(jì)的單個(gè)5μm×15μm結(jié)構(gòu),解決了硅片刻蝕過程中占空比過大造成的負(fù)載效應(yīng)問題,ANSYS仿真結(jié)果表明:該深槽結(jié)構(gòu)能夠滿足MEMS微型電容器的正常工作需求。對(duì)不同摻雜元素高導(dǎo)電硅的刻蝕垂直度進(jìn)行了分析,其中B摻雜

4、高導(dǎo)電硅的刻蝕效果最好,垂直度最高。由于濺射工藝本身的缺陷和鋁的質(zhì)量較輕,深槽填充效果不太理想。之后,對(duì)不同金屬電極材料的MEMS電容器進(jìn)行了分析,結(jié)果表明原子層沉積的金屬電極鎢性能最穩(wěn)定。由HfO2電介質(zhì)層擊穿特性的測(cè)試結(jié)果可知:HfO2電介質(zhì)層的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為(4~4.5)MV/cm左右,漏電流在nA級(jí),并且隨著電介質(zhì)層厚度的增加,電介質(zhì)的漏電流減小,擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨之降低。對(duì)MEMS微型電容器進(jìn)行C-V特性測(cè)試,分析可知:該電容器的儲(chǔ)能密度