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基于夾固振膜結(jié)構(gòu)的微聲學(xué)器件的制作方法

文檔序號(hào):7840368閱讀:288來源:國知局
專利名稱:基于夾固振膜結(jié)構(gòu)的微聲學(xué)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本實(shí)用新型涉及一種微聲學(xué)器件,尤其涉及一種用于微麥克風(fēng)和和揚(yáng)聲器的四周夾固振膜結(jié)構(gòu)的微聲學(xué)器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)
近年來,MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)技術(shù)得到飛速發(fā)展。目前,已經(jīng)進(jìn)入市場的MEMS產(chǎn)品包括各種壓力傳感器和用于汽車氣囊控制的加速度計(jì)等。在微電子機(jī)械系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域,微聲學(xué)器件的研制和開發(fā)日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。以微麥克風(fēng)為例,它可以應(yīng)用于蜂窩電話、無繩電話、助聽器、各種數(shù)字多媒體設(shè)備、聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)等等。與傳統(tǒng)的聲學(xué)器件相比,MEMS微聲學(xué)器件具有體積小、成本低、可靠性高、并且可與信號(hào)處理電路相集成的特點(diǎn),因而具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和極好的應(yīng)用前景。
壓電材料具備力電耦合特性,能夠?qū)崿F(xiàn)力信號(hào)和電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。利用壓電材料,借助微機(jī)械的加工工藝,采用與標(biāo)準(zhǔn)CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)工藝相兼容的制作流程,可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、高性能、集微麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器功能于一體的壓電聲學(xué)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(fēng)和揚(yáng)聲器的懸臂式振膜結(jié)構(gòu)及其制備方法,本實(shí)用新型是在硅襯底上制作出一層復(fù)合薄膜,并采用懸臂式振膜結(jié)構(gòu),其靈敏度和聲輸出與現(xiàn)有技術(shù)相比有都有較大的提高。但其制作工藝相對(duì)復(fù)雜,釋放懸臂的過程對(duì)微機(jī)械加工設(shè)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(jī)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(fù)合薄膜,薄膜中不可避免的會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力,在通常情況下,熱生長的氧化硅會(huì)表現(xiàn)為約300MPa的壓應(yīng)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(yīng)力,采用低應(yīng)力低壓化學(xué)氣相淀積法淀積的氮化硅表現(xiàn)為約200MPa的張應(yīng)力,濺射形成的金屬鉑電極表現(xiàn)為約800MPa的張應(yīng)力,與之相比其他各層的內(nèi)應(yīng)力可以忽略。這些殘余應(yīng)力會(huì)在微結(jié)構(gòu)形成過程中產(chǎn)生積累,對(duì)器件的力學(xué)特性造成很大的影響,甚至在結(jié)構(gòu)釋放后會(huì)令器件的功能失效。由于存在應(yīng)力剛化(StressStiffening)效應(yīng),即平面內(nèi)應(yīng)力和橫向剛度的耦合效應(yīng),還將極大的影響微結(jié)構(gòu)的機(jī)械靈敏度。在薄膜殘余應(yīng)力的影響下,懸臂振膜結(jié)構(gòu)初始擾度過大,會(huì)降低器件的靈敏度,甚至造成器件結(jié)構(gòu)自身的破壞,導(dǎo)致流片的成品率不高。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提出一種基于夾固振膜結(jié)構(gòu)的微聲學(xué)器件,這種基于夾固振膜結(jié)構(gòu)的微聲學(xué)器件可有效克服懸臂振膜結(jié)構(gòu)的缺陷,它是利用四周夾固的壓電薄膜實(shí)現(xiàn)電聲信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換,并充分考慮復(fù)合膜之間的應(yīng)力補(bǔ)償,使其具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、性能可靠、成品率高且適應(yīng)大批量生產(chǎn)的要求。
本實(shí)用新型的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種基于夾固振膜結(jié)構(gòu)的微聲學(xué)器件,由硅襯底和設(shè)置在其上的復(fù)合膜構(gòu)成,其特征在于所述的復(fù)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(xué)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(qiáng)化學(xué)氣相淀積的二氧化硅層、金屬鋁引線層,該復(fù)合膜的四周通過底層的硅層與硅襯底固結(jié)在一起。
本實(shí)用新型所述的基于夾固振膜結(jié)構(gòu)的微聲學(xué)器件,其特征在于所述復(fù)合膜的硅層厚度范圍為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(xué)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(qiáng)化學(xué)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。
本實(shí)用新型所述的微聲學(xué)器件的優(yōu)化結(jié)構(gòu)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(xué)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。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有懸臂式振膜結(jié)構(gòu)的聲學(xué)器件相比,具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果本實(shí)用新型由于采用了四周夾固的振膜結(jié)構(gòu),同時(shí)充分考慮了復(fù)合膜內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力,因而有效克服了微聲學(xué)器件懸臂振膜結(jié)構(gòu)存在的缺陷,具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、性能可靠、成品率高的突出性特點(diǎn)。測試表明,基于夾固振膜結(jié)構(gòu)的微聲學(xué)器件,其聲學(xué)靈敏度在10mV/Pa量級(jí),頻帶范圍為20Hz~15KHz,能夠滿足移動(dòng)電話、助聽器和其他數(shù)字通訊系統(tǒng)音頻應(yīng)用的需要。同時(shí),基于夾固振膜結(jié)構(gòu)的微聲學(xué)器件的制作成品率可達(dá)60%以上,封裝后其電學(xué)和機(jī)械性能穩(wěn)定,不易受溫度、潮氣等影響,因而為大批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。


圖1為懸臂式振膜結(jié)構(gòu)的聲學(xué)器件剖面圖。
圖2為本實(shí)用新型制作的基于夾固振膜結(jié)構(gòu)的微聲學(xué)器件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為圖1的俯視圖。
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(xué)氣相淀積的氮化硅;26-硅襯底;28-背腔;29-等離子增強(qiáng)化學(xué)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。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的具體結(jié)構(gòu)及優(yōu)選方式。
本實(shí)用新型所述的基于夾固振膜結(jié)構(gòu)的微聲學(xué)器件,由硅襯底26和設(shè)置在其上的復(fù)合膜構(gòu)成,所述的復(fù)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(xué)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(qiáng)化學(xué)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(fù)合膜結(jié)構(gòu),該復(fù)合膜的四周通過底層的硅層212與硅襯底26固結(jié)在一起。
為了減小復(fù)合膜制作時(shí)所產(chǎn)生的殘余壓力積累對(duì)器件性能的影響,本實(shí)用新型采用具有不同初始應(yīng)力的材料組成的復(fù)合膜結(jié)構(gòu),使鋯鈦酸鉛(PZT)鐵電薄膜、氮化硅薄膜和金屬鉑下電極的張應(yīng)力為熱生長的二氧化硅的壓應(yīng)力所補(bǔ)償,從而減小復(fù)合膜的初始變形,提高其機(jī)械靈敏度。理論上講,當(dāng)組成復(fù)合膜的各層膜滿足條件①每層膜材料內(nèi)應(yīng)力均勻;②復(fù)合結(jié)構(gòu)無彎曲時(shí),等效的復(fù)合膜應(yīng)力σc、等效的膜厚度tc和各層膜的應(yīng)力σi、各層膜的厚度ti(i=1,2,...)的關(guān)系為σctc=σ1t1+σ2t2+σ3t3... (1)tc=t2+t2+t3... (2)由公式(1)可知合理設(shè)置各層薄膜厚度可使復(fù)合膜應(yīng)力σc為零。由此可設(shè)計(jì)出復(fù)合應(yīng)力σc≈0的Al/SiO2/Pt/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si3N4/SiO2/Si復(fù)合膜結(jié)構(gòu)。經(jīng)過模擬實(shí)驗(yàn)研究,所述復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)尺寸為硅層的厚度范圍是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(xué)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(qiáng)化學(xué)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。優(yōu)化尺寸為所述復(fù)合膜的平面尺寸范圍是長為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(xué)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。
本實(shí)用新型可按以下步驟制作(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(xué)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(jìn)行體硅腐蝕,反應(yīng)后殘留的硅層的厚度為50~80微米,用以增強(qiáng)硅片在后續(xù)工藝中的機(jī)械強(qiáng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(qiáng)化學(xué)氣相淀積法在正面形成200~300納米二氧化硅,采用反應(yīng)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(yīng)耦合離子刻蝕的方法,減薄硅層至2~20微米。
權(quán)利要求1.一種基于夾固振膜結(jié)構(gòu)的微聲學(xué)器件,由硅襯底和設(shè)置在其上的復(fù)合膜構(gòu)成,其特征在于所述的復(fù)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(xué)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(qiáng)化學(xué)氣相淀積的二氧化硅層、金屬鋁引線層,該復(fù)合膜的四周通過底層的硅層與硅襯底固結(jié)在一起。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于夾固振膜結(jié)構(gòu)的微聲學(xué)器件,其特征在于所述復(fù)合膜的硅層厚度范圍為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(xué)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(qiáng)化學(xué)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(quán)利要求1或2所述的基于夾固振膜結(jié)構(gòu)的微聲學(xué)器件,其特征在于所述的微聲學(xué)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(xué)氣相淀積的氮化硅厚度層為200納米,金屬鉑下電極層的厚度為200納米。
專利摘要基于夾固振膜結(jié)構(gòu)的微聲學(xué)器件,涉及一種微聲學(xué)器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該器件由硅襯底和設(shè)置在其上的復(fù)合膜構(gòu)成,所述的復(fù)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(xué)氣相淀積的二氧化硅層、金屬鋁引線層,該復(fù)合膜的四周與硅襯底固結(jié)在一起。本實(shí)用新型由于采用了四周夾固的振膜結(jié)構(gòu),并通過優(yōu)化設(shè)計(jì)膜層的尺寸,因而有效克服了微聲學(xué)器件懸臂振膜結(jié)構(gòu)存在的缺陷,具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、性能可靠、成品率高的突出性特點(diǎn)。測試表明,其聲學(xué)靈敏度在10mV/Pa量級(jí),能夠滿足移動(dòng)電話、助聽器和其他數(shù)字通訊系統(tǒng)音頻應(yīng)用的需要。
文檔編號(hào)H04R1/00GK2613965SQ0325099
公開日2004年4月28日 申請日期2003年5月1日 優(yōu)先權(quán)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(xué)
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