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压电微探针中PZT薄膜与硅尖制备工艺的研究

张吕权  
【摘要】: 压电微悬臂梁集成了传感和执行功能,既可致动微悬臂梁,又可探测微悬臂梁的位移量,以其结构简单、易于微型化、频率响应高等特点在原子力显微镜中得到广泛应用。本课题组设计了一种新型压电微悬臂梁探针,但是在工艺上出现硅尖不易获得、PZT薄膜不容易腐蚀干净等问题,在本文中提出了解决方案,从薄膜性能的优化到探针制作工艺的改进,并对压电微悬臂梁探针进行了频率测试。 为了优化PZT薄膜的性能,在实验中利用溶胶-凝胶法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备PZT薄膜,并在不同工艺参数下进行了处理,然后利用XRD技术对它们进行了表征,利用基片曲率法对它们进行了残余应力测试。研究表明:PZT薄膜经过不同退火温度(500℃、600℃、700℃)后薄膜都具有钙钛矿结构,但是在600℃退火下薄膜的特征峰最为尖锐,钙钛矿结构最好,当PZT薄膜经过700℃高温退火后薄膜出现了PbO杂质峰;厚度和衬底是否提前退火对PZT薄膜的特征峰位置影响很小,但是使薄膜的择优取向发生了改变。磁控溅射制备的Pt薄膜呈现为压应力,在经过高温退火后Pt薄膜的残余应力变成了拉应力,经过不同的退火温度处理得到的Pt (PZT)薄膜残余应力大小不同,在未退火的衬底上制备的PZT压电薄膜表现为拉应力,而在退火衬底上制备的PZT压电薄膜则表现为压应力,不同厚度的PZT压电薄膜残余应力不一样。在600℃时,PZT薄膜的钙钛矿结构最好,同时拉应力最小,因此600℃是PZT压电薄膜的最佳退火温度。 在KOH中加入乙醇溶液减慢了硅尖的腐蚀速度,成功的解决了压电微悬臂梁探针针尖制备中腐蚀速度不易控制的问题;为了解决PZT薄膜不容易腐蚀干净问题,在实验中将PZT压电层与PZT钝化层分成二步进行腐蚀。经过工艺改进后,硅尖制备和PZT薄膜腐蚀效果得到显著提高。成功制备了压电微悬臂梁探针,对450μm×70μm×10μm的压电微悬臂梁探针进行了固有频率测试,该微悬臂梁探针的一阶固有频率为43.78kHz。


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