專利名稱：基于夾固振膜結構的微聲學器件及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微聲學器件及其制作方法，尤其涉及一種用于微麥克風和和揚聲器的四周夾固振膜結構的微聲學器件的結構設計及其制作方法。
壓電材料具備力電耦合特性，能夠實現(xiàn)力信號和電信號的相互轉換。利用壓電材料，借助微機械的加工工藝，采用與標準CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)工藝相兼容的制作流程，可以實現(xiàn)結構簡單、高性能、集微麥克風和揚聲器功能于一體的壓電聲學器件。中國發(fā)明專利申請(申請?zhí)?0105555.0)提出了一種用于微麥克風和揚聲器的懸臂式振膜結構及其制備方法，本發(fā)明是在硅襯底上制作出一層復合薄膜，并采用懸臂式振膜結構，其靈敏度和聲輸出與現(xiàn)有技術相比有都有較大的提高。但其制作工藝相對復雜，釋放懸臂的過程對微機械加工設備的要求較高；另外，該器件采用與傳統(tǒng)的IC工藝相兼容的表面硅微加工方法和體硅微機械加工方法， 通過在襯底上生長、淀積、刻蝕等工藝條件制備復合薄膜，薄膜中不可避免的會產生殘余應力，在通常情況下，熱生長的氧化硅會表現(xiàn)為約300MPa的壓應力，采用溶膠-凝膠法制備的鋯鈦酸鉛鐵電薄膜極化后一般表現(xiàn)為約180MPa的張應力，采用低應力低壓化學氣相淀積法淀積的氮化硅表現(xiàn)為約200MPa的張應力，濺射形成的金屬鉑電極表現(xiàn)為約800MPa的張應力，與之相比其他各層的內應力可以忽略。這些殘余應力會在微結構形成過程中產生積累，對器件的力學特性造成很大的影響，甚至在結構釋放后會令器件的功能失效。由于存在應力剛化(Stress Stiffening)效應，即平面內應力和橫向剛度的耦合效應，還將極大的影響微結構的機械靈敏度。在薄膜殘余應力的影響下，懸臂振膜結構初始擾度過大，會降低器件的靈敏度，甚至造成器件結構自身的破壞，導致流片的成品率不高。
本發(fā)明的目的是通過如下技術方案實現(xiàn)的一種基于夾固振膜結構的微聲學器件，由硅襯底和設置在其上的復合膜構成，其特征在于所述的復合膜的四周由底層向上依次為硅層、熱氧化的二氧化硅層、低壓化學氣相淀積的氮化硅層、低溫淀積的二氧化硅層、金屬鈦粘附層、金屬鉑下電極層、鋯鈦酸鉛(PZT)鐵電薄膜層、金屬鉑上電極層、等離子增強化學氣相淀積的二氧化硅層、金屬鋁引線層，該復合膜的四周通過底層的硅層與硅襯底固結在一起。
本發(fā)明所述的基于夾固振膜結構的微聲學器件，其特征在于所述復合膜的硅層的厚度范圍是2～20微米，熱氧化的二氧化硅層的厚度范圍是800～1000納米，低壓化學氣相淀積的氮化硅層的厚度范圍是150～200納米，低溫淀積的二氧化硅層的厚度范圍是100～150納米，金屬鈦粘附層的厚度范圍是20～30納米，金屬鉑下電極層的厚度范圍是150～200納米，鋯鈦酸鉛鐵電薄膜層的厚度范圍是400～1000納米，金屬鉑上電極層的厚度范圍是150～200納米，等離子增強化學氣相淀積的二氧化硅層的厚度范圍是200～300納米，金屬鋁引線層的厚度范圍是400～1000納米。
本發(fā)明所述的微聲學器件的優(yōu)化結構為長為500～3000微米，寬為500～3000微米；鋯鈦酸鉛鐵薄膜層的厚度為500納米，熱氧化的二氧化硅層的厚度為1000微米，低壓化學氣相淀積的氮化硅層的厚度為200納米，金屬鉑下電極層的厚度為200納米。
一種制備基于夾固振膜結構的微聲學器件的方法，該方法按如下步驟進行(a)首先在硅襯底上熱生長800～1000納米的二氧化硅層；(b)采用低壓化學氣相淀積法在二氧化硅層上淀積150～200納米的氮化硅層，背面光刻形成背腔窗口；(c)采用氫氧化鉀溶液腐蝕背腔，復合膜保留50～80微米的硅層；(d)在正面氮化硅層上低溫淀積100～150納米的二氧化硅層；(e)在正面濺射20～30納米的金屬鈦和150～200納米的金屬鉑，采用正膠剝離或者反應離子刻蝕或離子束刻蝕的方法形成下電極圖形；(f)采用溶膠-凝膠法在正面制備鋯鈦酸鉛鐵電薄膜[Pbx(ZryTi1-y)O3，組分為x＝1.1，y＝0.52]，鐵電薄膜厚度為400～1000納米，采用反應離子刻蝕或者離子束刻蝕或者濕法刻蝕的方法形成鐵電薄膜的圖形；(g)在正面濺射150～200納米的金屬鉑，采用正膠剝離或者反應離子刻蝕或者離子束刻蝕的方法形成上電極圖形；(h)采用等離子增強化學氣相淀積法在正面形成200～300納米二氧化硅層，采用反應離子刻蝕或者濕法腐蝕的方法形成上下電極與鋁引線的接觸孔；(i)在正面濺射400～1000納米的金屬鋁，采用正膠剝離或者濕法腐蝕的方法形成鋁引線；
(j)采用四甲基氫氧化銨溶液或者感應耦合離子刻蝕的方法，減薄硅層至2～20微米。
本發(fā)明與現(xiàn)有懸臂結構相比，具有以下優(yōu)點及突出性效果本發(fā)明由于采用了四周夾固的振膜結構，同時充分考慮了復合膜內的內應力，因而有效克服了微聲學器件懸臂振膜結構存在的缺陷，具有結構堅固、性能可靠、成品率高的突出性特點。測試表明，基于夾固振膜結構的微聲學器件，其聲學靈敏度在10mV/Pa量級，頻帶范圍為20Hz～15KHz，能夠滿足移動電話、助聽器和其他數字通訊系統(tǒng)音頻應用的需要。同時，基于夾固振膜結構的微聲學器件的制作成品率可達60％以上，封裝后其電學和機械性能穩(wěn)定，不易受溫度、潮氣等影響，因而為大批量生產奠定了基礎。
圖2為本發(fā)明制作的基于夾固振膜結構的微聲學器件結構示意圖。
圖3為

圖1的俯視圖。
圖4(a)～(j)為本發(fā)明的制作工藝流程圖。
(a)為備片、清洗，熱氧后的剖面圖。
(b)為淀積氮化硅并刻蝕出背腔窗口后的剖面圖。
(c)為背腔腐蝕后的剖面圖。
(d)為低溫生長二氧化硅后的剖面圖。
(e)為形成下電極后的剖面圖。
(f)為形成鋯鈦酸鉛鐵電薄膜后的剖面圖。
(g)為形成上電極后的剖面圖。
(h)為形成接觸孔后的剖面圖。
(i)為形成鋁引線后的剖面圖。
(j)為減薄硅層后的剖面圖。
圖中11-金屬鉑上電極；12-鋯鈦酸鉛鐵電薄膜；13-金屬鈦-鉑下電極；14-低溫生長的二氧化硅；15-氮化硅；16-硅襯底；17-刻蝕去除部分；18-背腔；21-金屬鉑上電極；22-鋯鈦酸鉛鐵電薄膜；23-金屬鈦粘附層和金屬鉑下電極；24-低溫生長的二氧化硅；25-為低壓化學氣相淀積的氮化硅；26-硅襯底；28-背腔；29-等離子增強化學氣相淀積的二氧化硅層；210-金屬鋁引線；211-熱氧化生長的二氧化硅層；212-硅層。
本發(fā)明所述的基于夾固振膜結構的微聲學器件，由硅襯底26和設置在其上的復合膜構成，所述的復合膜由底層向上依次為硅層212、熱氧化的二氧化硅層211、低壓化學氣相淀積的氮化硅層25、低溫淀積的二氧化硅層24、金屬鈦粘附層和金屬鉑下電極層23、鋯鈦酸鉛鐵電薄膜層22、金屬鉑上電極層21、等離子增強化學氣相淀積的二氧化硅層29、金屬鋁引線層210，即為Al/SiO2/Pt/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si3N4/SiO2/Si復合膜結構，該復合膜的四周通過底層的硅層212與硅襯底26固結在一起。
為了減小復合膜制作時所產生的殘余壓力積累對器件性能的影響，本發(fā)明采用具有不同初始應力的材料組成的復合膜結構，使鋯鈦酸鉛鐵電薄膜、氮化硅薄膜和金屬鉑下電極的張應力為熱生長的二氧化硅的壓應力所補償，從而減小復合膜的初始形變，提高其機械靈敏度。理論上講，當組成復合膜的各層膜滿足條件①每層膜材料內應力均勻；②復合結構無彎曲時，等效的復合膜應力σc、等效的膜厚度tc和各層膜的應力σi、各層膜的厚度ti(i＝1，2，...)的關系為σctc＝σ1t1+σ2t2+σ3t3... (1)tc＝t2+t2+t3... (2)由公式(1)可知合理設置各層薄膜厚度可使復合膜應力σc為零。由此可設計出復合應力σc≈0的Al/SiO2/Pt/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si3N4/SiO2/Si復合膜結構。經過模擬實驗研究，所述復合膜的硅層的厚度范圍為2～20微米，熱氧化的二氧化硅層的厚度范圍為800～1000納米，低壓化學氣相淀積的氮化硅層的厚度范圍為150～200納米，低溫淀積的二氧化硅層的厚度范圍為100～150納米，金屬鈦粘附層的厚度范圍為20～30納米，金屬鉑下電極層的厚度范圍為150～200納米，鋯鈦酸鉛鐵電薄膜層的厚度范圍為400～1000納米，金屬鉑上電極層的厚度范圍為150～200納米，等離子增強化學氣相淀積的二氧化硅層的厚度范圍為200～300納米，金屬鋁引線層的厚度范圍為400～1000納米。優(yōu)化結構尺寸為所述復合膜的平面尺寸范圍長為500～3000微米，寬為500～3000微米；鋯鈦酸鉛鐵薄膜層的厚度為500納米，熱氧化的二氧化硅層的厚度為1000微米，低壓化學氣相淀積的氮化硅層的厚度為200納米，金屬鉑下電極層的厚度為200納米。
本發(fā)明的具體步驟如下(a)取雙面拋光的硅片，用濃硫酸和雙氧水的混合液煮沸后，用去離子水漂洗并烘干；將硅片放入氧化爐中，在硅片兩面熱生成800～1000納米的二氧化硅層；(b)采用低壓化學氣相淀積方法在二氧化硅層上淀積150～200納米的氮化硅層，背面光刻形成背腔窗口，再把硅片置于氫氟酸-氟化銨緩沖溶液中，將二氧化硅去除；(c)腐蝕背腔在氫氧化鉀溶液中進行體硅腐蝕，反應后殘留的硅層的厚度為50～80微米，用以增強硅片在后續(xù)工藝中的機械強度；(d)在正面氮化硅層上低溫淀積100～150納米的二氧化硅；(e)在正面濺射20～30納米的金屬鈦和150～200納米的金屬鉑，采用正膠剝離或者反應離子刻蝕或者離子束刻蝕的方法形成下電極圖形；(f)采用溶膠-凝膠法在正面制備鋯鈦酸鉛鐵電薄膜[Pbx(ZryTi1-y)O3，組分為x＝1.1，y＝0.52]，鐵電薄膜厚度為400～1000納米，采用反應離子刻蝕或者離子束刻蝕或者濕法刻蝕形成鐵電薄膜的圖形；(g)在正面濺射150～200納米的金屬鉑，采用正膠剝離或者反應離子刻蝕或者離子束刻蝕的方法形成上電極圖形；(h)采用等離子增強化學氣相淀積法在正面形成200～300納米二氧化硅，采用反應離子刻蝕或者濕法腐蝕的方法形成鋁引線與上下電極的接觸孔；(i)在正面濺射400～1000納米的金屬鋁，采用正膠剝離或者濕法腐蝕的方法形成鋁引線；(j)用氫氟酸-氟化銨緩沖溶液去除背面低溫生長的二氧化硅，采用四甲基氫氧化銨溶液或者感應耦合離子刻蝕的方法，減薄硅層至2～20微米。
實施例1制備復合膜Al/SiO2/Pt/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si3N4/SiO2/Si各層厚度分別為800/300/150/1000/200/20/100/200/900/10納米的夾固振膜結構，振膜尺寸為2500微米×2500微米。
(a)以直徑為3英寸，厚度為400±10微米、雙面拋光的P型硅片作為襯底(襯底電阻率為1-10Ω·cm)，用濃硫酸和雙氧水的混合液煮沸10分鐘，然后去離子水漂洗并烘干；將硅片放入氧化爐中，在1050±1℃下，在硅片兩面熱生長900納米的二氧化硅層；(b)采用低壓化學氣相淀積方法，在硅片兩面形成厚度為200納米的氮化硅層，采用反應離子刻蝕的方法刻蝕背面氮化硅，形成背腔窗口，再把硅片置于氫氟酸-氟化銨緩沖溶液中，將二氧化硅去除；(c)在33％的KOH溶液中進行體硅腐蝕，水浴溫度為80℃，反應后的殘留硅層的厚度約為50微米；(d)在正面氮化硅層上低溫淀積100納米的二氧化硅層；(e)在正面濺射20納米的金屬鈦和200納米的金屬鉑，正膠剝離形成下電極圖形；(f)用溶膠-凝膠法制備1000納米厚度的鋯鈦酸鉛鐵電薄膜，其中，Pbx(ZryTi1-y)O3的組分為x＝1.1，y＝0.52，采用反應離子刻蝕的方法形成鐵電薄膜的圖形；(g)在正面濺射150納米的金屬鉑，采用正膠剝離的方法形成上電極圖形；(h)采用等離子增強化學氣相淀積法在正面形成300納米二氧化硅，采用反應離子刻蝕形成鋁引線與上下電極的接觸孔；(i)在正面濺射800納米的金屬鋁，用磷酸腐蝕形成鋁引線；(j)用氫氟酸-氟化銨緩沖溶液去除背面低溫生長的二氧化硅，再將硅片置于四甲基氫氧化銨(TMAH)溶液中，在85℃水浴中加熱，減薄背腔內硅層厚度至約10微米，其中，四甲基氫氧化銨溶液的配制方法(wt％)TMAH為5％、硅粉為1.6％、過硫酸銨為0.6％。
經模擬測試表明，其電壓靈敏度為9.3mV/Pa，頻帶范圍為20Hz～15KHz。
實施例2制備復合膜Al/SiO2/Pt/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si3N4/SiO2/Si各層厚度分別為400/200/150/400/150/20/100/200/800/2納米的夾固振膜結構，振膜尺寸為500微米×500微米。
(a)以直徑為3英寸，厚度為400±10微米、雙面拋光的P型硅片作為襯底(襯底電阻率為1-10Ω·cm)，用濃硫酸和雙氧水的混合液煮沸10分鐘，然后用去離子水漂洗并烘干；將硅片放入氧化爐中，在1050±1℃下，在硅片兩面熱生長800納米的二氧化硅層；(b)采用低壓化學氣相淀積方法，在硅片兩面形成厚度為200納米的氮化硅層，采用反應離子刻蝕的方法刻蝕背面氮化硅，形成背腔窗口，再把硅片置于氫氟酸-氟化銨緩沖溶液中，將二氧化硅去除；(c)在33％的KOH溶液中進行體硅腐蝕，水浴溫度為90℃，反應后的殘留硅層的厚度約為50微米；(d)在正面氮化硅層上低溫淀積100納米的二氧化硅層；(e)在正面濺射20納米的金屬鈦和150納米的金屬鉑，采用離子束刻蝕的方法形成下電極圖形；(f)用溶膠-凝膠法制備400納米厚度的鋯鈦酸鉛鐵電薄膜，其中，Pbx(ZryTi1-y)O3的組分為x＝1.1，y＝0.52，采用反應離子刻蝕的方法形成鐵電薄膜的圖形；(g)在正面濺射150納米的金屬鉑，采用離子束刻蝕的方法形成上電極圖形；(h)采用等離子增強化學氣相淀積法在正面形成200納米二氧化硅，采用反應離子刻蝕形成鋁引線與上下電極的接觸孔；(i)在正面濺射400納米的金屬鋁，采用正膠剝離的方法形成鋁引線；(j)用氫氟酸-氟化銨緩沖溶液去除背面低溫生長的二氧化硅，再將硅片置于四甲基氫氧化銨溶液(TMAH)中，在90℃水浴中加熱，減薄背腔內硅層厚度至約2微米，其中，四甲基氫氧化銨溶液的配制方法(wt％)TMAH為5％、硅粉為1.6％、過硫酸銨為0.6％。
經模擬測試表明，其電壓靈敏度為0.3mV/Pa，頻帶范圍為20Hz～15KHz。
實施例3制備復合膜Al/SiO2/Pt/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si3N4/SiO2/Si各層厚度分別為1000/300/200/800/200/30/150/150/1000/20納米的夾固振膜結構，振膜尺寸為3000微米×3000微米。
(a)以直徑為3英寸，厚度為400±10微米、雙面拋光的N型硅片作為襯底(襯底電阻率為1-10Ω·cm)，用濃硫酸和雙氧水的混合液煮沸10分鐘，然后用去離子水漂洗并烘干；將硅片放入氧化爐中，在1050℃±1下，在硅片兩面熱生長1000納米的二氧化硅層；(b)采用低壓化學氣相淀積方法，在硅片兩面形成厚度為150納米的氮化硅層，采用反應離子刻蝕的方法刻蝕背面氮化硅，形成背腔窗口，再把硅片置于氫氟酸-氟化銨緩沖溶液中，將二氧化硅去除；(c)在33％的KOH溶液中進行體硅腐蝕，水浴溫度為60℃，反應后的殘留硅層的厚度約為80微米；(d)在正面氮化硅層上低溫淀積150納米的二氧化硅層；(e)在正面濺射30納米的金屬鈦和200納米的金屬鉑，采用反應離子刻蝕的方法形成下電極圖形；(f)用溶膠-凝膠法六次旋涂制備800納米厚度的鋯鈦酸鉛鐵電薄膜，其中，Pbx(ZryTi1-y)O3的組分為x＝1.1，y＝0.52，采用反應離子刻蝕的方法形成鐵電薄膜的圖形；(g)在正面濺射200納米的金屬鉑，采用反應離子刻蝕的方法形成上電極圖形；(h)采用等離子增強化學氣相淀積法在正面形成300納米二氧化硅，采用濕法腐蝕的方法形成鋁引線與上下電極的接觸孔；(i)在正面濺射1000納米的金屬鋁，磷酸腐蝕形成鋁引線；(j)用氫氟酸-氟化銨緩沖溶液去除背面低溫生長的二氧化硅，采用感應耦合離子刻蝕的方法減薄背腔內硅層厚度至約20微米。
經模擬測試表明，其電壓靈敏度為15.8mV/Pa，頻帶范圍為20Hz～15KHz。
權利要求
1.一種基于夾固振膜結構的微聲學器件，由硅襯底和設置在其上的復合膜構成，其特征在于所述的復合膜由底層向上依次為硅層、熱氧化的二氧化硅層、低壓化學氣相淀積的氮化硅層、低溫淀積的二氧化硅層、金屬鈦粘附層、金屬鉑下電極層、鋯鈦酸鉛鐵電薄膜層、金屬鉑上電極層、等離子增強化學氣相淀積的二氧化硅層、金屬鋁引線層，該復合膜的四周通過底層的硅層與硅襯底固結在一起。
2.按照權利要求1所述的基于夾固振膜結構的微聲學器件，其特征在于所述復合膜硅層的厚度范圍為2～20微米，熱氧化的二氧化硅層的厚度范圍為800～1000納米，低壓化學氣相淀積的氮化硅層的厚度范圍為150～200納米，低溫淀積的二氧化硅層的厚度范圍為100～150納米，金屬鈦粘附層的厚度范圍為20～30納米，金屬鉑下電極層的厚度范圍為150～200納米，鋯鈦酸鉛鐵電薄膜層的厚度范圍為400～1000納米，金屬鉑上電極層的厚度范圍為150～200納米，等離子增強化學氣相淀積的二氧化硅層的厚度范圍為200～300納米，金屬鋁引線層的厚度范圍為400～1000納米。
3.按照權利要求1或2所述的基于夾固振膜結構的微聲學器件，其特征在于所述的微聲學器件的平面尺寸范圍為長500～3000微米，寬500～3000微米；所述的鋯鈦酸鉛鐵薄膜層的厚度為500納米，熱氧化的二氧化硅層的厚度為1000納米，低壓化學氣相淀積的氮化硅厚度層的為200納米，金屬鉑下電極層的厚度為200納米。
4.一種如權利要求1所述微聲學器件的制作方法，該方法按如下步驟進行(a)首先在硅襯底上熱氧化生成800～1000納米的二氧化硅層；(b)采用低壓化學氣相淀積法在二氧化硅層上淀積150～200納米的氮化硅層，背面光刻形成背腔窗口；(c)采用氫氧化鉀溶液腐蝕背腔，保留50～80微米的硅層；(d)在正面氮化硅層上低溫淀積100～150納米的二氧化硅層；(e)在正面濺射20～30納米的金屬鈦和150～200納米的金屬鉑，采用正膠剝離或者反應離子刻蝕或離子束刻蝕的方法形成下電極圖形；(f)采用溶膠-凝膠法在正面制備鋯鈦酸鉛鐵電薄膜[Pbx(ZryTi1-y)O3，組分為x＝1.1，y＝0.52]，鐵電薄膜的厚度為400～1000納米，采用反應離子刻蝕或者離子束刻蝕或者濕法刻蝕的方法形成鐵電薄膜的圖形；(g)在正面濺射150～200納米的金屬鉑，采用正膠剝離或者反應離子刻蝕或者離子束刻蝕的方法形成上電極圖形；(h)采用等離子增強化學氣相淀積法在正面形成200～300納米的二氧化硅層，采用反應離子刻蝕或者濕法腐蝕的方法形成鋁引線與上下電極的接觸孔；(i)在正面濺射400～1000納米的金屬鋁，采用正膠剝離或者濕法腐蝕的方法形成鋁引線；(j)采用四甲基氫氧化銨溶液或者感應耦合離子刻蝕的方法，減薄硅層至2～20微米。
全文摘要
基于夾固振膜結構的微聲學器件及其制作方法，涉及一種微聲學器件的結構設計。該器件由硅襯底和設置在其上的復合膜構成，所述的復合膜由底層向上依次為硅層、熱氧層、氮化硅層、低溫淀積的二氧化硅層、金屬鈦粘附層、金屬鉑下電極層、鋯鈦酸鉛鐵電薄膜層、金屬鉑上電極層、等離子化學氣相淀積的二氧化硅層、金屬鋁引線層，該復合膜的四周與硅襯底固結在一起。本發(fā)明由于采用了四周夾固的振膜結構，并通過優(yōu)化設計膜層的尺寸，因而有效克服了微聲學器件懸臂振膜結構存在的缺陷，具有結構堅固、性能可靠、成品率高的突出性特點。測試表明，其聲學靈敏度在10mV/Pa量級，能夠滿足移動電話、助聽器和其他數字通訊系統(tǒng)音頻應用的需要。
文檔編號H04R7/16GK1452434SQ0312422
公開日2003年10月29日 申請日期2003年5月1日 優(yōu)先權日2003年5月1日
發(fā)明者任天令, 劉理天, 楊軼, 張林濤 申請人:清華大學