三维压电MEMS应用中功能化氮化铝薄膜的垂直侧壁质量优化研究

这篇综述系统探讨了通过低温深反应离子刻蚀（cryo-DRIE）和氢退火技术提升氮化铝（AlN）薄膜在三维压电微机电系统（3D PiezoMEMS）垂直侧壁上的结晶质量。研究通过优化氧流量（18 sccm）、射频功率（8 W）和基底温度（-120°C），将侧壁粗糙度（Rq）降至26 nm，并经氢退火进一步降至7 nm。金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长的AlN薄膜展现出与湿法刻蚀表面相当的晶体质量，但局部表面不规则性导致c轴取向轻微偏离Si（111）晶面，为多轴传感/驱动器件的小型化提供了关键技术突破。

　　

三维压电MEMS器件的概念革新

传统微机电系统（MEMS）依赖水平面压电材料实现单轴传感，而三维压电MEMS通过将氮化铝（AlN）集成于垂直侧壁，实现了多轴机电耦合。如图1所示，悬臂梁结构的垂直/水平面同步沉积使面内与面外运动协同成为可能。这种设计在保持器件微型化的同时，将有效压电面积最大化，但核心挑战在于垂直侧壁的AlN晶体必须保持c轴垂直于表面，任何取向偏差都会显著降低压电响应。

低温深反应离子刻蚀的工艺突破

传统湿法刻蚀或等离子刻蚀产生的粗糙表面会破坏AlN晶体取向。研究采用同步引入刻蚀气体（SF₆）和钝化气体（O₂）的低温深反应离子刻蚀（cryo-DRIE），在-120°C下形成稳定的硅氧氟化物钝化层。通过参数优化发现：氧流量18 sccm时粗糙度（Rq）最低达57 nm，但过量氧（>18 sccm）会导致腔底出现微草状缺陷；射频功率提升至8 W可增强离子动能，使Rq进一步降至26 nm，但残留的波状起伏（Wq=131 nm）仍需后处理消除。

氢退火对表面形貌的调控机制

1100°C氢退火对不同初始状态的表面产生差异化影响：高粗糙度样本（Rq=200 nm）经退火后粗糙度降低90%，但预优化样本（Rq=26 nm）的波状特征反而加剧。这表明中等氢压（75 Torr）下，表面扩散会优先平滑尖锐特征，而初始平坦表面则可能自发形成新起伏。最终优化样本（O18T-120RF8）获得7 nm超光滑表面，为AlN沉积奠定基础。

垂直侧壁AlN薄膜的晶体缺陷分析

透射电镜（TEM）显示MOCVD生长的AlN薄膜虽整体呈现c轴取向，但局部表面凸起会导致晶粒倾斜生长。选区衍射（SADP）证实AlN（0002）晶面与硅基底的夹角偏差，这种取向紊乱源于晶粒沿曲面法线垂直生长的特性。值得注意的是，即便存在微米级针孔缺陷，薄膜结晶质量仍与湿法刻蚀基准相当，证明该工艺对3D压电器件具有实用价值。

工艺全流程的技术整合

从2 μm氧化硅硬掩模制备到最终MOCVD沉积，研究构建了完整工艺链（图7）。特别值得注意的是二硅烷（Si₂H₆）预退火和氨气（NH₃）氮化步骤，这些预处理显著提升了AlN成核密度。原子力显微镜（AFM）20×10 μm扫描显示，氢退火后晶粒尺寸分布集中度提高50%，证实表面能均匀化对后续外延生长的关键作用。