基於夾固振膜結構的微聲學器件的製作方法
2023-05-14 09:02:21 1
專利名稱：基於夾固振膜結構的微聲學器件的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種微聲學器件，尤其涉及一種用於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。
背景技術：
近年來，MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)技術得到飛速發展。目前，已經進入市場的MEMS產品包括各種壓力傳感器和用於汽車氣囊控制的加速度計等。在微電子機械系統的應用領域，微聲學器件的研製和開發日益成為人們關注的焦點之一。以微麥克風為例，它可以應用於蜂窩電話、無繩電話、助聽器、各種數字多媒體設備、聲學監測系統等等。與傳統的聲學器件相比，MEMS微聲學器件具有體積小、成本低、可靠性高、並且可與信號處理電路相集成的特點，因而具有廣闊的應用領域和極好的應用前景。
壓電材料具備力電耦合特性，能夠實現力信號和電信號的相互轉換。利用壓電材料，藉助微機械的加工工藝，採用與標準CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)工藝相兼容的製作流程，可以實現結構簡單、高性能、集微麥克風和揚聲器功能於一體的壓電聲學器件。中國發明專利申請(申請號00105555.0)提出了一種用於微麥克風和揚聲器的懸臂式振膜結構及其製備方法，本實用新型是在矽襯底上製作出一層複合薄膜，並採用懸臂式振膜結構，其靈敏度和聲輸出與現有技術相比有都有較大的提高。但其製作工藝相對複雜，釋放懸臂的過程對微機械加工設備的要求較高；另外，該器件採用與傳統的IC工藝相兼容的表面矽微加工方法和體矽微機械加工方法，通過在襯底上生長、澱積、刻蝕等工藝條件製備複合薄膜，薄膜中不可避免的會產生殘餘應力，在通常情況下，熱生長的氧化矽會表現為約300MPa的壓應力，採用溶膠-凝膠法製備的鋯鈦酸鉛鐵電薄膜極化後一般表現為約180MPa的張應力，採用低應力低壓化學氣相澱積法澱積的氮化矽表現為約200MPa的張應力，濺射形成的金屬鉑電極表現為約800MPa的張應力，與之相比其他各層的內應力可以忽略。這些殘餘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，甚至在結構釋放後會令器件的功能失效。由於存在應力剛化(StressStiffening)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。在薄膜殘餘應力的影響下，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。
實用新型內容本實用新型的目的是提出一種基於夾固振膜結構的微聲學器件，這種基於夾固振膜結構的微聲學器件可有效克服懸臂振膜結構的缺陷，它是利用四周夾固的壓電薄膜實現電聲信號之間的轉換，並充分考慮複合膜之間的應力補償，使其具有結構堅固、性能可靠、成品率高且適應大批量生產的要求。
本實用新型的目的是通過如下技術方案實現的一種基於夾固振膜結構的微聲學器件，由矽襯底和設置在其上的複合膜構成，其特徵在於所述的複合膜的四周由底層向上依次為矽層、熱氧化的二氧化矽層、低壓化學氣相澱積的氮化矽層、低溫澱積的二氧化矽層、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澱積的二氧化矽層、金屬鋁引線層，該複合膜的四周通過底層的矽層與矽襯底固結在一起。
本實用新型所述的基於夾固振膜結構的微聲學器件，其特徵在於所述複合膜的矽層厚度範圍為2～20微米，熱氧化的二氧化矽層的厚度範圍為800～1000納米，低壓化學氣相澱積的氮化矽層的厚度範圍為150～200納米，低溫澱積的二氧化矽層的厚度範圍為100～150納米，金屬鈦粘附層的厚度範圍為20～30納米，金屬鉑下電極層的厚度範圍為150～200納米，鋯鈦酸鉛鐵電薄膜層的厚度範圍為400～1000納米，金屬鉑上電極層的厚度範圍為150～200納米，等離子增強化學氣相澱積的二氧化矽層的厚度範圍為200～300納米，金屬鋁引線層的厚度範圍為400～1000納米。
本實用新型所述的微聲學器件的優化結構為長為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，熱氧化的二氧化矽層的厚度為1000微米，低壓化學氣相澱積的氮化矽層的厚度為200納米，金屬鉑下電極層的厚度為200納米。
本實用新型與現有懸臂式振膜結構的聲學器件相比，具有以下優點及突出性效果本實用新型由於採用了四周夾固的振膜結構，同時充分考慮了複合膜內的內應力，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，基於夾固振膜結構的微聲學器件，其聲學靈敏度在10mV/Pa量級，頻帶範圍為20Hz～15KHz，能夠滿足行動電話、助聽器和其他數字通訊系統音頻應用的需要。同時，基於夾固振膜結構的微聲學器件的製作成品率可達60％以上，封裝後其電學和機械性能穩定，不易受溫度、潮氣等影響，因而為大批量生產奠定了基礎。
圖1為懸臂式振膜結構的聲學器件剖面圖。
圖2為本實用新型製作的基於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-低溫生長的二氧化矽；15-氮化矽；16-矽襯底；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-低溫生長的二氧化矽；25-為低壓化學氣相澱積的氮化矽；26-矽襯底；28-背腔；29-等離子增強化學氣相澱積的二氧化矽層；210-金屬鋁引線；211-熱氧化生長的二氧化矽層；212-矽層。
具體實施方式
以下結合附圖進一步說明本實用新型的具體結構及優選方式。
本實用新型所述的基於夾固振膜結構的微聲學器件，由矽襯底26和設置在其上的複合膜構成，所述的複合膜由底層向上依次為矽層212、熱氧化的二氧化矽層211、低壓化學氣相澱積的氮化矽層25、低溫澱積的二氧化矽層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澱積的二氧化矽層29、金屬鋁引線層210，即為Al/SiO2/Pt/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si3N4/SiO2/Si複合膜結構，該複合膜的四周通過底層的矽層212與矽襯底26固結在一起。
為了減小複合膜製作時所產生的殘餘壓力積累對器件性能的影響，本實用新型採用具有不同初始應力的材料組成的複合膜結構，使鋯鈦酸鉛(PZT)鐵電薄膜、氮化矽薄膜和金屬鉑下電極的張應力為熱生長的二氧化矽的壓應力所補償，從而減小複合膜的初始變形，提高其機械靈敏度。理論上講，當組成複合膜的各層膜滿足條件①每層膜材料內應力均勻；②複合結構無彎曲時，等效的複合膜應力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，...)的關係為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複合膜應力σc為零。由此可設計出複合應力σc≈0的Al/SiO2/Pt/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si3N4/SiO2/Si複合膜結構。經過模擬實驗研究，所述複合膜的結構尺寸為矽層的厚度範圍是2～20微米，熱氧化的二氧化矽層的厚度範圍是800～1000納米，低壓化學氣相澱積的氮化矽層的厚度範圍是150～200納米，低溫澱積的二氧化矽層的厚度範圍是100～150納米，金屬鈦粘附層的厚度範圍是20～30納米，金屬鉑下電極層的厚度範圍是150～200納米，鋯鈦酸鉛鐵電薄膜層的厚度範圍是400～1000納米，金屬鉑上電極層的厚度範圍是150～200納米，等離子增強化學氣相澱積的二氧化矽層的厚度範圍是200～300納米，金屬鋁引線層的厚度範圍是400～1000納米。優化尺寸為所述複合膜的平面尺寸範圍是長為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，熱氧化的二氧化矽層的厚度為1000微米，低壓化學氣相澱積的氮化矽層的厚度為200納米，金屬鉑下電極層的厚度為200納米。
本實用新型可按以下步驟製作(a)取雙面拋光的矽片，用濃硫酸和雙氧水的混合液煮沸後，用去離子水漂洗並烘乾；將矽片放入氧化爐中，在矽片兩面熱生成800～1000納米的二氧化矽層；(b)採用低壓化學氣相澱積方法在二氧化矽層上澱積150～200納米的氮化矽層，背面光刻形成背腔窗口，再把矽片置於氫氟酸-氟化銨緩衝溶液中，將二氧化矽去除；(c)腐蝕背腔在氫氧化鉀溶液中進行體矽腐蝕，反應後殘留的矽層的厚度為50～80微米，用以增強矽片在後續工藝中的機械強度；
(d)在正面氮化矽層上低溫澱積100～150納米的二氧化矽；(e)在正面濺射20～30納米的金屬鈦和150～200納米的金屬鉑，採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)採用溶膠-凝膠法在正面製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，採用反應離子刻蝕或者離子束刻蝕或者溼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，採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)採用等離子增強化學氣相澱積法在正面形成200～300納米二氧化矽，採用反應離子刻蝕或者溼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，採用正膠剝離或者溼法腐蝕的方法形成鋁引線；(j)用氫氟酸-氟化銨緩衝溶液去除背面低溫生長的二氧化矽，採用四甲基氫氧化銨溶液或者感應耦合離子刻蝕的方法，減薄矽層至2～20微米。
權利要求1.一種基於夾固振膜結構的微聲學器件，由矽襯底和設置在其上的複合膜構成，其特徵在於所述的複合膜由底層向上依次為矽層、熱氧化的二氧化矽層、低壓化學氣相澱積的氮化矽層、低溫澱積的二氧化矽層、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澱積的二氧化矽層、金屬鋁引線層，該複合膜的四周通過底層的矽層與矽襯底固結在一起。
2.按照權利要求1所述的基於夾固振膜結構的微聲學器件，其特徵在於所述複合膜的矽層厚度範圍為2～20微米，熱氧化的二氧化矽層的厚度範圍為800～1000納米，低壓化學氣相澱積的氮化矽層的厚度範圍為150～200納米，低溫澱積的二氧化矽層的厚度範圍為100～150納米，金屬鈦粘附層的厚度範圍為20～30納米，金屬鉑下電極層的厚度範圍為150～200納米，鋯鈦酸鉛鐵電薄膜層的厚度範圍為400～1000納米，金屬鉑上電極層的厚度範圍為150～200納米，等離子增強化學氣相澱積的二氧化矽層的厚度範圍為200～300納米，金屬鋁引線層的厚度範圍為400～1000納米。
3.按照權利要求1或2所述的基於夾固振膜結構的微聲學器件，其特徵在於所述的微聲學器件的平面尺寸範圍為長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，熱氧化的二氧化矽層的厚度為1000納米，低壓化學氣相澱積的氮化矽厚度層為200納米，金屬鉑下電極層的厚度為200納米。
專利摘要基於夾固振膜結構的微聲學器件，涉及一種微聲學器件的結構設計。該器件由矽襯底和設置在其上的複合膜構成，所述的複合膜由底層向上依次為矽層、熱氧層、氮化矽層、低溫澱積的二氧化矽層、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、等離子化學氣相澱積的二氧化矽層、金屬鋁引線層，該複合膜的四周與矽襯底固結在一起。本實用新型由於採用了四周夾固的振膜結構，並通過優化設計膜層的尺寸，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，能夠滿足行動電話、助聽器和其他數字通訊系統音頻應用的需要。
文檔編號H04R1/00GK2613965SQ0325099
公開日2004年4月28日 申請日期2003年5月1日 優先權日2003年5月1日
發明者任天令, 劉理天, 楊軼, 張林濤 申請人:清華大學