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)