一種矽微壓電式傳感器晶片及其製備方法
2023-10-10 19:17:39 3
專利名稱：一種矽微壓電式傳感器晶片及其製備方法
技術領域：
本發明涉及矽微壓電傳感器領域，特別涉及一種矽微壓電傳感器晶片及其製備方法。
背景技術：
矽微壓電傳感器由矽晶片部分和外圍電路部分組成，其中矽晶片部分由矽基片及其上的穿孔背板、支撐隔離牆、壓電層/Si3N4或多晶矽複合彎曲振動膜、金屬電極組成。現今一般矽微壓電傳感器的振動膜均為方形的，如「Silicon SubminiatureMicrophones with Organic Piezoelectric Layers」，Ralf Schellin等，以及「PiezoelectricCantilever Microphone and Microspeaker」，Seung S.Lee等文中所述的，由於已知的工藝中，在釋放犧牲層時存在著腐蝕的各向異性，所以，只能產生方形孔的背板，比如低溫的二氧化矽，從矽片背面的體刻蝕只能產生方形孔的背板，即複合壓電振動膜支撐牆都是方形的。這樣，在振動膜和矽基底呈方形的情況下，振動膜的應力較大，尤其是在尖角處的應力更大，產生應力集中，進而導致傳感器的靈敏度下降乃至時效破裂。這樣形成的方形膜自然降低了微傳感器的靈敏度和成品率。為此就需要尋求克服這種缺陷的辦法。
發明內容
本發明的目的在於現有傳感器製備工藝中由于振動膜在尖角處的應力集中，造成了傳感器靈敏度較低以及振動膜破裂所引起的成品率降低，為了克服現有中的傳感器晶片及製備工藝的存在的以上缺點，提出一種具有圓形壓電層/Si3N4或多晶矽複合彎曲振動膜的矽微壓電式傳感器晶片及其製備方法。
本發明的目的是這樣實現的本發明提供的矽微壓電傳感器晶片，包括一n型矽基片1；該n型矽基片1正面和反面分別澱積一層氮化矽基膜層2和一層氮化矽掩膜層9，所述矽基片1中心有體刻蝕時形成的上小下大的方錐形孔，所述氮化矽基膜層2中心設有孔21，所述氮化矽掩膜層9中心有與n型矽基片1反面方孔相同尺寸的方孔91；所述氮化矽基膜層2上表面上有氮化矽或多晶矽振動膜4，以及依次製備在所述氮化矽振動膜4上表面上的下電極5；製備在下電極5上表面上的壓電膜6；光刻腐蝕在壓電膜6上表面上的低溫氧化矽膜保護層7；和製備在所述低溫氧化矽膜保護層7上表面上的上電極8；所述壓電膜6、振動膜4、低溫氧化矽膜保護層7和上電極8的形狀均為圓形；所述的孔21為圓孔，具有圓形孔(21)的基膜厚度為0.2～2μm，其直徑大於等於或小於n型矽基片1正面方孔的對角線；所述振動膜4與壓電膜6形成圓形壓電膜/氮化矽膜或多晶矽膜複合彎曲振動膜。
所述的壓電膜為氧化鋅壓電膜、鋯鈦酸鉛壓電膜、鈣鈦礦型壓電膜、鐵電材料壓電膜或有機壓電膜。所述的壓電膜層6的厚度為0.2～2μm。
所述的振動膜為氮化矽振動膜或多晶矽振動膜，厚度為0.2～3μm。
本發明提供的矽微壓電傳感器晶片的製備方法，包括以下步驟1)清洗n型矽基片1先分別用酸性清洗液和鹼性清洗液清洗n型矽基片1，之後再用去離子水衝洗乾淨；2)在n型矽基片1的正、反表面上，利用低壓化學氣相沉積設備分別澱積厚度為0.2～2μm的氮化矽基膜層2和厚度為0.2～2μm的氮化矽掩膜層9；3)製備易腐蝕犧牲層3在所述氮化矽基膜層2表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成圓形犧牲層倒膜光刻圖形；再利用高密度等離子刻蝕機光刻所述氮化矽膜2，所使用的腐蝕氣體為六氟化硫，形成圓形犧牲層倒模；去除殘餘光刻膠；在氮化矽膜2及犧牲層倒模內製備厚度為0.2～2μm易腐蝕犧牲層；再在其上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成犧牲層光刻圖形；並用腐蝕液腐蝕，形成所需要的犧牲層圖形3；去除殘餘光刻膠，完成易腐蝕犧牲層製備；4)使用低壓化學氣相沉積設備在易腐蝕犧牲層3及所述氮化矽膜2的表面上澱積厚度為0.2～3μm氮化矽或多晶矽振動膜4；5)製備下電極5
在氮化矽振動膜4上，利用真空蒸鍍設備或磁控濺射設備製備0.01～0.1μm厚度的Cr或Ti層和0.05～0.5μm厚度的Au或Pt層，以形成下電極複合層；並利用正反刻技術形成下電極5；完成下電極5的製備；6)製備壓電膜6在下電極5的表面上製備厚度為0.2～2μm壓電膜；在壓電膜的表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成壓電膜光刻圖形；用腐蝕液腐蝕壓電膜，形成所需圖形的壓電膜6，去除殘餘光刻膠，完成壓電膜6製備；7)製備上電極8在壓電膜6的表面上，利用等離子輔助化學氣相沉澱裝置澱積厚度為0.01～0.5μm壓電膜保護層；在膜保護層表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成保護層光刻圖形；利用高寬度等離子刻蝕機進行光刻腐蝕，腐蝕氣體為六氟化硫，形成保護層圖形；去除殘餘光刻膠，完成壓電膜6的低溫氧化矽膜保護層7的製備；在低溫氧化矽膜保護層7表面上塗光刻膠，光刻曝光，形成上電極反圖形；再依次真空蒸鍍或磁控濺射0.01～0.1μm厚度的Cr或Ti層和0.05～0.5μm厚度的Au或Pt層，以形成金屬複合膜層；用丙酮去光刻膠，完成上電極8的製備；8)在矽基片1的反面的氮化矽掩膜層9的表面上塗正性光刻膠，利用雙面曝光機進行雙面曝光，在氮化矽掩膜層9上形成體刻蝕掩膜光刻圖形，並利用高寬度等離子刻蝕機進行刻蝕在背面形成體刻蝕掩膜；去除殘餘光刻膠，完成體刻蝕掩膜製備；用體刻蝕夾具將矽基片1密封固定，放入35％KOH溶液進行體刻蝕，刻透矽基片，形成矩形背窗孔；並利用腐蝕液繼續腐蝕犧牲層3，完成釋放犧牲層，便製備出本發明的具有圓形壓電膜/氮化矽或多晶矽複合彎曲振動膜的矽微壓電式傳感器晶片。
所述的壓電膜6為氧化鋅壓電膜、鋯鈦酸鉛壓電膜、鈣鈦礦型壓電膜、鐵電材料壓電膜或有機壓電膜。所述的壓電膜層6的厚度為0.2～2μm。
所述的易腐蝕犧牲層3為氧化鋅犧牲層、磷矽玻璃犧牲層、多孔矽犧牲層、或氧化多孔矽犧牲層。
本發明在n型矽基片的兩面澱積氮化矽薄膜，通過對正面氮化矽的光刻、腐蝕形成犧牲層倒膜光刻圖形，澱積犧牲層並在其上澱積氮化矽或多晶矽振動膜，然後在振動膜之上先後澱積金屬金下電極、壓電層以及金上電極；對矽基片背面的氮化矽進行光刻、刻蝕，形成體刻蝕所需的氮化矽掩膜。最後體刻蝕並釋放犧牲層，完成傳感器的製備。本發明的方法製備傳感器具有圓形壓電膜/氮化矽膜或多晶矽膜複合彎曲振動膜，構成本發明的矽微壓電傳感器，並且此傳感器的實現工藝兼容性好、方便可行。
本發明中首次採用易腐蝕的材料代替原來在微機電領域被廣泛應用、較難腐蝕的二氧化矽材料來作為犧牲層材料。利用易腐蝕材料腐蝕速度快的特點，將圓形的犧牲薄膜很快去除從而形成圓形支撐的隔離層。另外較快的腐蝕速度還減小了以往氫氟酸釋放二氧化矽犧牲層的同時對振動膜較強的腐蝕。從而減少了振動薄膜的腐蝕缺陷，這無疑將會明顯提高傳感器的靈敏度和成品率。
本發明的優點在於在傳感器的製備過程中採用了一種新的工藝方法，通過利用易腐蝕材料作為犧牲層，製備了圓形結構的複合壓電彎曲振動膜，大大減小了振動膜的應力不均勻性，避免了由於應力過大而引起的振動膜的破裂，大大提高了成品率，並明顯提高了傳感器的靈敏度；另外，由於犧牲層的腐蝕速度較快，減小了以往氫氟酸釋放犧牲層的同時對振動膜的腐蝕，減少了振動膜腐蝕缺陷。
圖1為本發明矽微壓電傳感器晶片的結構示意圖；圖2為犧牲層倒膜形成後的剖面圖；圖3為犧牲層形成後的剖面示意4是振動膜澱積後的剖面示意5是壓電層形成後的剖面示意6是深度體刻蝕後的剖面示意圖具體實施方式
參照附圖，將詳細敘述本發明的實施方案。
實施例1，採用本發明製備方法製備一新型壓電傳感器晶片，其步驟如下1)清洗n型矽基片1先分別用酸性清洗液和鹼性清洗液分別清洗n型矽基片1，之後再用去離子水衝洗乾淨；2)在n型矽基片1的正、反表面上，利用低壓化學氣相沉積設備分別澱積厚度為0.2μm的氮化矽基膜層2和厚度為0.2μm的氮化矽掩膜層9；3)製備氧化鋅犧牲層3
在所述氮化矽基膜層2表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成圓形犧牲層倒膜光刻圖形；再利用高密度等離子刻蝕機光刻所述氮化矽基膜層2，所使用的腐蝕氣體SF6，形成圓形氧化鋅犧牲層倒模；去除殘餘光刻膠；利用磁控濺射設備在氮化矽基膜層2及氧化鋅犧牲層倒模內濺射厚度為0.2μm氧化鋅層；再在其上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成犧牲層光刻圖形；用稀磷酸腐蝕氧化鋅層，形成氧化鋅犧牲層3；去除殘餘光刻膠，完成氧化鋅犧牲層製備；4)使用低壓化學氣相沉積設備在氧化鋅犧牲層3及所述氮化矽基膜層2的表面上澱積厚度為0.2μm氮化矽彈性振動膜4；5)製備下電極5在氮化矽彈性振動膜4上，利用真空蒸鍍設備依次蒸鍍0.01μm厚度的Cr層和0.05μm厚度的Au層，以形成Cr/Au複合層；並在Cr/Au複合層上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成下電極光刻圖形；在金、鉻腐蝕液中腐蝕Cr/Au複合層，形成下電極5；去除殘餘光刻膠，完成下電極5的製備；6)製備氧化鋅壓電膜6在下電極5的表面上利用磁控濺射設備反應濺射厚度為0.2μm氧化鋅壓電膜；在氧化鋅壓電膜的表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成氧化鋅壓電膜光刻圖形；用稀磷酸腐蝕氧化鋅膜，形成氧化鋅壓電膜6，去除殘餘光刻膠，完成氧化鋅壓電層6製備；當然，也可以根據需要將壓電膜6製作成鈣鈦礦型壓電膜、鐵電材料壓電膜或有機壓電膜；至於製作成何種壓電膜屬於本領域的普通技術人員應知應會。
7)製備上電極8在氧化鋅壓電膜6的表面上，利用等離子輔助化學氣相沉澱裝置澱積厚度為0.5μm氧化鋅膜保護層；在薄膜保護層表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成保護層光刻圖形；利用ICP光刻腐蝕，腐蝕氣體SF6，形成保護層圖形7；去除殘餘光刻膠，完成氧化鋅膜保護層7製備；在氧化鋅膜保護層7表面上塗負性光刻膠，光刻曝光，形成上電極反圖形；再依次真空蒸鍍0.01μm厚度的Cr層和0.05μm厚度的Au層，以形成Cr/Au複合膜層；在金、鉻腐蝕液中腐蝕Cr/Au複合層，去除殘餘光刻膠，完成上電極8的製備；8)在矽基片1的反面的氮化矽掩膜層9的表面上塗正性光刻膠，利用雙面曝光機進行雙面曝光，在氮化矽掩膜層9上形成體刻蝕掩膜光刻圖形，並利用ICP進行刻蝕在背面形成體刻蝕掩膜；去除殘餘光刻膠，完成體刻蝕掩膜製備；
用體刻蝕夾具將矽基片1密封固定，放入35％KOH溶液進行體刻蝕，刻透矽基片，形成矩形背窗孔；繼續在KOH溶液中腐蝕氧化鋅犧牲層3，完成釋放犧牲層，便製做出本發明的具有圓形ZnO/Si3N4複合彎曲振動膜的矽微壓電式傳感器晶片。
實施例2，採用本發明製備方法製備一新型壓電傳感器晶片，其步驟如下1)清洗n型矽基片1先分別用酸性清洗液和鹼性清洗液分別清洗n型矽基片1，之後再用去離子水衝洗乾淨；2)在n型矽基片1的正、反表面上，利用低壓化學氣相沉積設備分別澱積厚度為2μm的氮化矽基膜層2和厚度為2μm的氮化矽掩膜層9；3)製備磷矽玻璃犧牲層3在所述氮化矽基膜層2表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成圓形犧牲層倒膜光刻圖形；再利用高密度等離子刻蝕機光刻所述氮化矽基膜層2，所使用的腐蝕氣體SF6，形成圓形犧牲層倒模；去除殘餘光刻膠；利用等離子輔助化學氣相沉澱裝置在氮化矽基膜層2及氧化鋅犧牲層倒模內澱積厚度為2μm磷矽玻璃層；再在其上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成犧牲層光刻圖形；用緩衝氫氟酸溶液腐蝕磷矽玻璃層，形成犧牲層3；去除殘餘光刻膠，完成犧牲層製備；4)使用低壓化學氣相沉積設備在犧牲層3及所述氮化矽基膜層2的表面上澱積厚度為3μm氮化矽彈性振動膜4；5)製備下電極5在氮化矽彈性振動膜4上，利用真空蒸鍍設備依次蒸鍍0.1μm厚度的Cr層和0.5μm厚度的Au層，以形成Cr/Au複合層；並在Cr/Au複合層上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成下電極光刻圖形；在金、鉻腐蝕液中腐蝕Cr/Au複合層，形成下電極5；去除殘餘光刻膠，完成下電極5的製備；6)製備氧化鋅壓電膜6在下電極5的表面上利用磁控濺射設備反應濺射厚度為2μm氧化鋅壓電膜；在氧化鋅壓電膜的表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成氧化鋅壓電膜光刻圖形；用稀磷酸腐蝕氧化鋅膜，形成氧化鋅壓電膜6，去除殘餘光刻膠，完成氧化鋅壓電層6製備；7)製備上電極8
在氧化鋅壓電膜6的表面上，利用等離子輔助化學氣相沉澱裝置澱積厚度為0.01μm氧化鋅膜保護層；在膜保護層表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成保護層光刻圖形；利用ICP光刻腐蝕，腐蝕氣體SF6，形成保護層圖形7；去除殘餘光刻膠，完成氧化鋅膜保護層7製備；在氧化鋅薄膜保護層7表面上塗負性光刻膠，光刻曝光，形成上電極反圖形；再依次真空蒸鍍0.1μm厚度的Cr層和0.5μm厚度的Au層，以形成Cr/Au複合膜層；用丙酮去光刻膠，完成上電極8的製備；8)在矽基片1的反面的氮化矽掩膜層9的表面上塗正性光刻膠，利用雙面曝光機進行雙面曝光，在氮化矽掩膜層9上形成體刻蝕掩膜光刻圖形，並利用ICP進行刻蝕在背面形成體刻蝕掩膜；去除殘餘光刻膠，完成體刻蝕掩膜製備；用體刻蝕夾具將矽基片1密封固定，放入35％KOH溶液進行體刻蝕，刻透矽基片，形成矩形背窗孔；繼續在緩衝氫氟酸溶液中腐蝕磷矽玻璃犧牲層3，完成釋放犧牲層，便製做出本發明的具有圓形ZnO/Si3N4複合彎曲振動膜的矽微壓電式傳感器晶片。
實施例3，採用本發明製備方法製備一新型壓電傳感器晶片，其步驟如下1)清洗n型矽基片1先分別用酸性清洗液和鹼性清洗液清洗n型矽基片1，之後再用去離子水衝洗乾淨；2)在n型矽基片1的正、反表面上，利用低壓化學氣相沉積設備分別澱積厚度為1μm的氮化矽基膜層2和厚度為1μm的氮化矽掩膜層9；3)製備氧化鋅犧牲層3在所述氮化矽基膜層2表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成圓形犧牲層倒膜光刻圖形；再利用高密度等離子刻蝕機光刻所述氮化矽基膜層2，所使用的腐蝕氣體SF6，形成圓形氧化鋅犧牲層倒模；去除殘餘光刻膠；利用磁控濺射設備在氮化矽基膜層2及氧化鋅犧牲層倒模內濺射厚度為1μm氧化鋅層；再在其上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成犧牲層光刻圖形；用稀磷酸腐蝕氧化鋅層，形成氧化鋅犧牲層3；去除殘餘光刻膠，完成氧化鋅犧牲層製備；4)使用低壓化學氣相沉積設備在氧化鋅犧牲層3及所述氮化矽基膜層2的表面上澱積厚度為1.5μm氮化矽彈性振動膜4；5)製備下電極5
在氮化矽彈性振動膜4上，塗正性光刻膠，光刻曝光，形成下電極反圖形；利用磁控濺射設備依次濺射0.05μm厚度的Ti層和0.25μm厚度的Pt層，以形成Ti/Pt複合層；用丙酮去光刻膠，完成下電極5的製備；6)製備鋯鈦酸鉛(PZT)壓電膜6在下電極5的表面上利用溶膠-凝膠法製備厚度為1μm鋯鈦酸鉛壓電膜；在鋯鈦酸鉛壓電膜的表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成壓電膜光刻圖形；用PZT腐蝕液腐蝕PZT膜，形成壓電膜6，去除殘餘光刻膠，完成壓電層6製備；7)製備上電極8在壓電膜6的表面上，利用等離子輔助化學氣相沉澱裝置澱積厚度為0.25μm氧化鋅膜保護層；在膜保護層表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成保護層光刻圖形；利用ICP光刻腐蝕，腐蝕氣體SF6，形成保護層圖形7；去除殘餘光刻膠，完成壓電膜保護層7製備；在壓電膜保護層7表面上塗負性光刻膠，光刻曝光，形成上電極反圖形；再依次真空蒸鍍0.05μm厚度的Cr層和0.25μm厚度的Au層，以形成Cr/Au複合膜層；用丙酮去光刻膠，完成上電極8的製備；8)在矽基片1的反面的氮化矽掩膜層9的表面上塗正性光刻膠，利用雙面曝光機進行雙面曝光，在氮化矽掩膜層9上形成體刻蝕掩膜光刻圖形，並利用ICP進行刻蝕在背面形成體刻蝕掩膜；去除殘餘光刻膠，完成體刻蝕掩膜製備；用體刻蝕夾具將矽基片1密封固定，放入35％KOH溶液進行體刻蝕，刻透矽基片，形成矩形背窗孔；繼續在KOH溶液中腐蝕氧化鋅犧牲層3，完成釋放犧牲層，便製做出本發明的具有圓形PZT/Si3N4複合彎曲振動膜的矽微壓電式傳感器晶片。
實施例4，採用本發明製備方法製備一新型壓電傳感器晶片，其步驟如下1)清洗n型矽基片1先分別用酸性清洗液和鹼性清洗液清洗n型矽基片1，之後再用去離子水衝洗乾淨；2)在n型矽基片1的正、反表面上，利用低壓化學氣相沉積設備分別澱積厚度為1μm的氮化矽基膜層2和厚度為1μm的氮化矽掩膜層9；3)製備磷矽玻璃犧牲層3在所述氮化矽基膜層2表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成圓形犧牲層倒膜光刻圖形；
再利用高密度等離子刻蝕機光刻所述氮化矽基膜層2，所使用的腐蝕氣體為六氟化硫(SF6)，形成圓形犧牲層倒模；去除殘餘光刻膠；利用等離子輔助化學氣相沉澱裝置在氮化矽基膜層2及氧化鋅犧牲層倒模內澱積厚度為1μm磷矽玻璃層；再在其上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成犧牲層光刻圖形；用緩衝氫氟酸溶液腐蝕磷矽玻璃層，形成犧牲層3；去除殘餘光刻膠，完成犧牲層製備；4)使用低壓化學氣相沉積設備在氧化鋅犧牲層3及所述氮化矽基膜層2的表面上澱積厚度為1μm氮化矽彈性振動膜4；5)製備下電極5在氮化矽彈性振動膜4上，塗正性光刻膠，光刻曝光，形成下電極反圖形；利用磁控濺射設備依次濺射0.05μm厚度的Ti層和0.2μm厚度的Pt層，以形成Ti/Pt複合層；用丙酮去光刻膠，完成下電極5的製備；6)製備鋯鈦酸鉛(PZT)壓電膜6在下電極5的表面上利用溶膠-凝膠法製備厚度為1.5μm鋯鈦酸鉛壓電膜；在鋯鈦酸鉛壓電膜的表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成壓電膜光刻圖形；用PZT腐蝕液腐蝕PZT膜，形成壓電膜6，去除殘餘光刻膠，完成壓電層6製備；7)製備上電極8在壓電膜6的表面上，利用等離子輔助化學氣相沉澱裝置澱積厚度為0.4μm氧化鋅膜保護層；在膜保護層表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成保護層光刻圖形；利用高寬度等離子刻蝕機(ICP)光刻腐蝕，腐蝕氣體為六氟化硫(SF6)，形成保護層圖形7；去除殘餘光刻膠，完成壓電膜保護層7製備；在壓電膜保護層7表面上塗負性光刻膠，光刻曝光，形成上電極反圖形；再依次真空蒸鍍0.05μm厚度的Cr層和0.2μm厚度的Au層，以形成Cr/Au複合膜層；用丙酮去光刻膠，完成上電極8的製備；8)在矽基片1的反面的氮化矽掩膜層9的表面上塗正性光刻膠，利用雙面曝光機進行雙面曝光，在氮化矽掩膜層9上形成體刻蝕掩膜光刻圖形，並利用ICP進行刻蝕在背面形成體刻蝕掩膜；去除殘餘光刻膠，完成體刻蝕掩膜製備；用體刻蝕夾具將矽基片1密封固定，放入35％KOH溶液進行體刻蝕，刻透矽基片，形成矩形背窗孔；繼續在緩衝氫氟酸溶液中腐蝕磷矽玻璃犧牲層3，完成釋放犧牲層，便製做出本發明的具有圓形PZT/Si3N4複合彎曲振動膜的矽微壓電式傳感器晶片。
實施例5，採用本發明製備方法製備一新型壓電傳感器晶片，其步驟如下1)清洗n型矽基片1先分別用酸性清洗液和鹼性清洗液分別清洗n型矽基片1，之後再用去離子水衝洗乾淨；2)在n型矽基片1的正、反表面上，利用低壓化學氣相沉積設備分別澱積厚度為0.2μm的氮化矽基膜層2和厚度為0.2μm的氮化矽掩膜層9；3)製備氧化鋅犧牲層3在所述氮化矽基膜層2表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成圓形犧牲層倒膜光刻圖形；再利用高密度等離子刻蝕機光刻所述氮化矽基膜層2，所使用的腐蝕氣體SF6，形成圓形氧化鋅犧牲層倒模；去除殘餘光刻膠；利用磁控濺射設備在氮化矽基膜層2及氧化鋅犧牲層倒模內濺射厚度為0.2μm氧化鋅層；再在其上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成犧牲層光刻圖形；用稀磷酸腐蝕氧化鋅層，形成氧化鋅犧牲層3；去除殘餘光刻膠，完成氧化鋅犧牲層製備；4)使用低壓化學氣相沉積設備在氧化鋅犧牲層3及所述氮化矽基膜層2的表面上澱積厚度為0.2μm多晶矽彈性振動膜4；5)製備下電極5在氮化矽彈性振動膜4上，利用真空蒸鍍設備依次蒸鍍0.01μm厚度的Cr層和0.05μm厚度的Au層，以形成Cr/Au複合層；並在Cr/Au複合層上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成下電極光刻圖形；在金、鉻腐蝕液中腐蝕Cr/Au複合層，形成下電極5；去除殘餘光刻膠，完成下電極5的製備；6)製備氧化鋅壓電膜6在下電極5的表面上利用磁控濺射設備反應濺射厚度為0.2μm氧化鋅壓電膜；在氧化鋅壓電膜的表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成氧化鋅壓電膜光刻圖形；用稀磷酸腐蝕氧化鋅膜，形成氧化鋅壓電膜6，去除殘餘光刻膠，完成氧化鋅壓電層6製備；7)製備上電極8在氧化鋅壓電膜6的表面上，利用等離子輔助化學氣相沉澱裝置澱積厚度為0.5μm氧化鋅膜保護層；在薄膜保護層表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成保護層光刻圖形；利用ICP光刻腐蝕，腐蝕氣體SF6，形成保護層圖形7；去除殘餘光刻膠，完成氧化鋅膜保護層7製備；
在氧化鋅膜保護層7表面上塗負性光刻膠，光刻曝光，形成上電極反圖形；再依次真空蒸鍍0.01μm厚度的Cr層和0.05μm厚度的Au層，以形成Cr/Au複合膜層；在金、鉻腐蝕液中腐蝕Cr/Au複合層，去除殘餘光刻膠，完成上電極8的製備；8)在矽基片1的反面的氮化矽掩膜層9的表面上塗正性光刻膠，利用雙面曝光機進行雙面曝光，在氮化矽掩膜層9上形成體刻蝕掩膜光刻圖形，並利用ICP進行刻蝕在背面形成體刻蝕掩膜；去除殘餘光刻膠，完成體刻蝕掩膜製備；用體刻蝕夾具將矽基片1密封固定，放入35％KOH溶液進行體刻蝕，刻透矽基片，形成矩形背窗孔；繼續在KOH溶液中腐蝕氧化鋅犧牲層3，完成釋放犧牲層，便製做出本發明的具有圓形ZnO/多晶矽複合彎曲振動膜的矽微壓電式傳感器晶片。
實施例6，採用本發明製備方法製備一新型壓電傳感器晶片，其步驟如下1)清洗n型矽基片1先分別用酸性清洗液和鹼性清洗液分別清洗n型矽基片1，之後再用去離子水衝洗乾淨；2)在n型矽基片1的正、反表面上，利用低壓化學氣相沉積設備分別澱積厚度為2μm的氮化矽基膜層2和厚度為2μm的氮化矽掩膜層9；3)製備磷矽玻璃犧牲層3在所述氮化矽基膜層2表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成圓形犧牲層倒膜光刻圖形；再利用高密度等離子刻蝕機光刻所述氮化矽基膜層2，所使用的腐蝕氣體SF6，形成圓形犧牲層倒模；去除殘餘光刻膠；利用等離子輔助化學氣相沉澱裝置在氮化矽基膜層2及氧化鋅犧牲層倒模內澱積厚度為2μm磷矽玻璃層；再在其上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成犧牲層光刻圖形；用緩衝氫氟酸溶液腐蝕磷矽玻璃層，形成犧牲層3；去除殘餘光刻膠，完成犧牲層製備；4)使用低壓化學氣相沉積設備在犧牲層3及所述氮化矽基膜層2的表面上澱積厚度為3μm多晶矽彈性振動膜4；5)製備下電極5在氮化矽彈性振動膜4上，利用真空蒸鍍設備依次蒸鍍0.1μm厚度的Cr層和0.5μm厚度的Au層，以形成Cr/Au複合層；並在Cr/Au複合層上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成下電極光刻圖形；在金、鉻腐蝕液中腐蝕Cr/Au複合層，形成下電極5；去除殘餘光刻膠，完成下電極5的製備；
6)製備氧化鋅壓電膜6在下電極5的表面上利用磁控濺射設備反應濺射厚度為2μm氧化鋅壓電膜；在氧化鋅壓電膜的表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成氧化鋅壓電膜光刻圖形；用稀磷酸腐蝕氧化鋅膜，形成氧化鋅壓電膜6，去除殘餘光刻膠，完成氧化鋅壓電層6製備；7)製備上電極8在氧化鋅壓電膜6的表面上，利用等離子輔助化學氣相沉澱裝置澱積厚度為0.01μm氧化鋅膜保護層；在膜保護層表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成保護層光刻圖形；利用ICP光刻腐蝕，腐蝕氣體SF6，形成保護層圖形7；去除殘餘光刻膠，完成氧化鋅膜保護層7製備；在氧化鋅薄膜保護層7表面上塗負性光刻膠，光刻曝光，形成上電極反圖形；再依次真空蒸鍍0.1μm厚度的Cr層和0.5μm厚度的Au層，以形成Cr/Au複合膜層；用丙酮去光刻膠，完成上電極8的製備；8)在矽基片1的反面的氮化矽掩膜層9的表面上塗正性光刻膠，利用雙面曝光機進行雙面曝光，在氮化矽掩膜層9上形成體刻蝕掩膜光刻圖形，並利用ICP進行刻蝕在背面形成體刻蝕掩膜；去除殘餘光刻膠，完成體刻蝕掩膜製備；用體刻蝕夾具將矽基片1密封固定，放入35％KOH溶液進行體刻蝕，刻透矽基片，形成矩形背窗孔；繼續在緩衝氫氟酸溶液中腐蝕磷矽玻璃犧牲層3，完成釋放犧牲層，便製做出本發明的具有圓形ZnO/多晶矽複合彎曲振動膜的矽微壓電式傳感器晶片。
實施例7，採用本發明製備方法製備一新型壓電傳感器晶片，其步驟如下1)清洗n型矽基片1先分別用酸性清洗液和鹼性清洗液清洗n型矽基片1，之後再用去離子水衝洗乾淨；2)在n型矽基片1的正、反表面上，利用低壓化學氣相沉積設備分別澱積厚度為1μm的氮化矽基膜層2和厚度為1μm的氮化矽掩膜層9；3)製備氧化鋅犧牲層3在所述氮化矽基膜層2表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成圓形犧牲層倒膜光刻圖形；再利用高密度等離子刻蝕機光刻所述氮化矽基膜層2，所使用的腐蝕氣體SF6，形成圓形氧化鋅犧牲層倒模；去除殘餘光刻膠；
利用磁控濺射設備在氮化矽基膜層2及氧化鋅犧牲層倒模內濺射厚度為1μm氧化鋅層；再在其上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成犧牲層光刻圖形；用稀磷酸腐蝕氧化鋅層，形成氧化鋅犧牲層3；去除殘餘光刻膠，完成氧化鋅犧牲層製備；4)使用低壓化學氣相沉積設備在氧化鋅犧牲層3及所述氮化矽基膜層2的表面上澱積厚度為1.5μm多晶矽彈性振動膜4；5)製備下電極5在氮化矽彈性振動膜4上，塗正性光刻膠，光刻曝光，形成下電極反圖形；利用磁控濺射設備依次濺射0.05μm厚度的Ti層和0.25μm厚度的Pt層，以形成Ti/Pt複合層；用丙酮去光刻膠，完成下電極5的製備；6)製備鋯鈦酸鉛(PZT)壓電膜6在下電極5的表面上利用溶膠-凝膠法製備厚度為1μm鋯鈦酸鉛壓電膜；在鋯鈦酸鉛壓電膜的表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成壓電膜光刻圖形；用PZT腐蝕液腐蝕PZT膜，形成壓電膜6，去除殘餘光刻膠，完成壓電層6製備；7)製備上電極8在壓電膜6的表面上，利用等離子輔助化學氣相沉澱裝置澱積厚度為0.25μm氧化鋅膜保護層；在膜保護層表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成保護層光刻圖形；利用ICP光刻腐蝕，腐蝕氣體SF6，形成保護層圖形7；去除殘餘光刻膠，完成壓電膜保護層7製備；在壓電膜保護層7表面上塗負性光刻膠，光刻曝光，形成上電極反圖形；再依次真空蒸鍍0.05μm厚度的Cr層和0.25μm厚度的Au層，以形成Cr/Au複合膜層；用丙酮去光刻膠，完成上電極8的製備；8)在矽基片1的反面的氮化矽掩膜層9的表面上塗正性光刻膠，利用雙面曝光機進行雙面曝光，在氮化矽掩膜層9上形成體刻蝕掩膜光刻圖形，並利用ICP進行刻蝕在背面形成體刻蝕掩膜；去除殘餘光刻膠，完成體刻蝕掩膜製備；用體刻蝕夾具將矽基片1密封固定，放入35％KOH溶液進行體刻蝕，刻透矽基片，形成矩形背窗孔；繼續在KOH溶液中腐蝕氧化鋅犧牲層3，完成釋放犧牲層，便製做出本發明的具有圓形PZT/多晶矽複合彎曲振動膜的矽微壓電式傳感器晶片。
實施例8，採用本發明製備方法製備一新型壓電傳感器晶片，其步驟如下1)清洗n型矽基片1
先分別用酸性清洗液和鹼性清洗液清洗n型矽基片1，之後再用去離子水衝洗乾淨；2)在n型矽基片1的正、反表面上，利用低壓化學氣相沉積設備分別澱積厚度為1μm的氮化矽基膜層2和厚度為1μm的氮化矽掩膜層9；3)製備磷矽玻璃犧牲層3在所述氮化矽基膜層2表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成圓形犧牲層倒膜光刻圖形；再利用高密度等離子刻蝕機光刻所述氮化矽基膜層2，所使用的腐蝕氣體為六氟化硫(SF6)，形成圓形犧牲層倒模；去除殘餘光刻膠；利用等離子輔助化學氣相沉澱裝置在氮化矽基膜層2及氧化鋅犧牲層倒模內澱積厚度為1μm磷矽玻璃層；再在其上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成犧牲層光刻圖形；用緩衝氫氟酸溶液腐蝕磷矽玻璃層，形成犧牲層3；去除殘餘光刻膠，完成犧牲層製備；4)使用低壓化學氣相沉積設備在氧化鋅犧牲層3及所述氮化矽基膜層2的表面上澱積厚度為1μm多晶矽彈性振動膜4；5)製備下電極5在氮化矽彈性振動膜4上，塗正性光刻膠，光刻曝光，形成下電極反圖形；利用磁控濺射設備依次濺射0.05μm厚度的Ti層和0.2μm厚度的Pt層，以形成Ti/Pt複合層；用丙酮去光刻膠，完成下電極5的製備；6)製備鋯鈦酸鉛(PZT)壓電膜6在下電極5的表面上利用溶膠-凝膠法製備厚度為1.5μm鋯鈦酸鉛壓電膜；在鋯鈦酸鉛壓電膜的表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成壓電膜光刻圖形；用PZT腐蝕液腐蝕PZT膜，形成壓電膜6，去除殘餘光刻膠，完成壓電層6製備；7)製備上電極8在壓電膜6的表面上，利用等離子輔助化學氣相沉澱裝置澱積厚度為0.4μm氧化鋅膜保護層；在膜保護層表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成保護層光刻圖形；利用高寬度等離子刻蝕機(ICP)光刻腐蝕，腐蝕氣體為六氟化硫(SF6)，形成保護層圖形7；去除殘餘光刻膠，完成壓電膜保護層7製備；在壓電膜保護層7表面上塗負性光刻膠，光刻曝光，形成上電極反圖形；再依次真空蒸鍍0.05μm厚度的Cr層和0.2μm厚度的Au層，以形成Cr/Au複合膜層；用丙酮去光刻膠，完成上電極8的製備；
8)在矽基片1的反面的氮化矽掩膜層9的表面上塗正性光刻膠，利用雙面曝光機進行雙面曝光，在氮化矽掩膜層9上形成體刻蝕掩膜光刻圖形，並利用ICP進行刻蝕在背面形成體刻蝕掩膜；去除殘餘光刻膠，完成體刻蝕掩膜製備；用體刻蝕夾具將矽基片1密封固定，放入35％KOH溶液進行體刻蝕，刻透矽基片，形成矩形背窗孔；繼續在緩衝氫氟酸溶液中腐蝕磷矽玻璃犧牲層3，完成釋放犧牲層，便製做出本發明的具有圓形PZT/多晶矽複合彎曲振動膜的矽微壓電式傳感器晶片。
權利要求
1.一種矽微壓電傳感器晶片，該矽微壓電傳感器晶片包括一n型矽基片(1)；該n型矽基片(1)正面和反面分別澱積一層氮化矽基膜層(2)和一層氮化矽掩膜層(9)，所述矽基片(1)中心有體刻蝕時形成的上小下大的方錐形孔，所述氮化矽基膜層(2)中心設有孔(21)，所述氮化矽掩膜層(9)中心有與n型矽基片(1)反面方孔相同尺寸的方孔(91)；所述氮化矽基膜層(2)上表面上有氮化矽或多晶矽振動膜(4)，以及依次製備在所述氮化矽或多晶矽振動膜(4)上表面上的下電極(5)；製備在下電極(5)上表面上的壓電膜(6)；光刻腐蝕在壓電膜(6)上表面上的低溫氧化矽膜保護層(7)；和製備在所述低溫氧化矽膜保護層(7)上表面上的上電極(8)；所述振動膜(4)、壓電膜(6)、低溫氧化矽膜保護層(7)和上電極(8)的形狀均為圓形；其特徵在於，所述的孔(21)為圓孔，其直徑大於等於或小於n型矽基片(1)正面方孔的對角線；所述氮化矽或多晶矽振動膜(4)與壓電膜(6)形成圓形壓電膜/氮化矽或多晶矽複合彎曲振動膜。
2.按權利要求1所述的矽微壓電傳感器晶片，其特徵在於，所述的壓電膜(6)為氧化鋅壓電膜、鋯鈦酸鉛壓電膜、鈣鈦礦型壓電膜、有機壓電膜。
3.按權利要求1所述的矽微壓電傳感器晶片，其特徵在於，所述的壓電膜層(6)的厚度為0.2～2μm。
4.按權利要求1所述的矽微壓電傳感器晶片，其特徵在於，所述的具有圓形孔(21)的基膜厚度為0.2～2μm。
5.按權利要求1所述的矽微壓電傳感器晶片，其特徵在於，所述的振動膜(4)為氮化矽振動膜或多晶矽振動膜。
6.按權利要求1所述的矽微壓電傳感器晶片，其特徵在於，所述的振動膜(4)厚度為0.2～3μm。
7.按權利要求1所述的矽微壓電傳感器晶片，其特徵在於，所述氮化矽振動膜或多晶矽振動膜(4)與壓電膜(6)形成圓形壓電膜/氮化矽或多晶矽複合彎曲振動膜。
8.權利要求1所述矽微壓電傳感器晶片的製備方法，包括以下步驟1)清洗n型矽基片(1)先分別用酸性清洗液和鹼性清洗液清洗n型矽基片(1)，之後再用去離子水衝洗乾淨；2)在n型矽基片(1)的正、反表面上，利用低壓化學氣相沉積設備分別澱積厚度為0.2～2μm的氮化矽基膜層(2)和厚度為0.2～2μm的氮化矽掩膜層(9)；3)製備易腐蝕犧牲層(3)在所述氮化矽基膜層(2)表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成圓形犧牲層倒膜光刻圖形；再利用高密度等離子刻蝕機光刻所述氮化矽膜(2)，所使用的腐蝕氣體為六氟化硫，形成圓形犧牲層倒模；去除殘餘光刻膠；在氮化矽膜(2)及犧牲層倒模內製備厚度為0.2～2μm易腐蝕犧牲層；再在其上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成犧牲層光刻圖形；並用腐蝕液腐蝕，形成所需要的犧牲層圖形(3)；去除殘餘光刻膠，完成易腐蝕犧牲層製備；4)使用低壓化學氣相沉積設備在易腐蝕犧牲層(3)及所述氮化矽膜(2)的表面上澱積厚度為0.2～3μm氮化矽或多晶矽振動膜(4)；5)製備下電極(5)在氮化矽振動膜(4)上，利用真空蒸鍍設備或磁控濺射設備製備0.01～0.1μm厚度的Cr或Ti層和0.05～0.5μm厚度的Au或Pt層，以形成下電極複合層；並利用正反刻技術形成下電極(5)；完成下電極(5)的製備；6)製備壓電膜(6)在下電極(5)的表面上製備厚度為0.2～2μm壓電膜；在壓電膜的表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成壓電膜光刻圖形；用腐蝕液腐蝕壓電膜，形成所需圖形的壓電膜(6)，去除殘餘光刻膠，完成壓電膜(6)製備；7)製備上電極(8)在壓電膜(6)的表面上，利用等離子輔助化學氣相沉澱裝置澱積厚度為0.01～0.5μm氧化鋅膜保護層；在膜保護層表面上塗正性光刻膠，光刻曝光，形成保護層光刻圖形；利用高密度等離子刻蝕機進行光刻腐蝕，腐蝕氣體為六氟化硫，形成保護層圖形；去除殘餘光刻膠，完成壓電膜(6)的低溫氧化矽膜保護層(7)的製備；在低溫氧化矽膜保護層(7)表面上塗光刻膠，光刻曝光，形成上電極反圖形；再依次真空蒸鍍或磁控濺射0.01～0.1μm厚度的Cr或Ti層和0.05～0.5μm厚度的Au或Pt層，以形成金屬複合膜層；用丙酮去光刻膠，完成上電極(8)的製備；8)在矽基片(1)的反面的氮化矽掩膜層(9)的表面上塗正性光刻膠，利用雙面曝光機進行雙面曝光，在氮化矽掩膜層(9)上形成體刻蝕掩膜光刻圖形，並利用高寬度等離子刻蝕機進行刻蝕在背面形成體刻蝕掩膜；去除殘餘光刻膠，完成體刻蝕掩膜製備；用體刻蝕夾具將矽基片(1)密封固定，放入35％KOH溶液進行體刻蝕，刻透矽基片，形成矩形背窗孔；並利用腐蝕液繼續腐蝕犧牲層(3)，完成釋放犧牲層，便製備出本發明的具有圓形壓電膜/氮化矽或多晶矽複合彎曲振動膜的矽微壓電式傳感器晶片。
9.按權利要求8所述的矽微壓電傳感器晶片的製備方法，其特徵在於，所述的壓電膜(6)為氧化鋅壓電膜、鋯鈦酸鉛壓電膜、鈣鈦礦型壓電膜、鐵電材料壓電膜或有機壓電膜。
10.按權利要求8所述的矽微壓電傳感器晶片的製備方法，其特徵在於，所述的壓電膜層(6)的厚度為0.5～2μm。
11.按權利要求9所述的矽微壓電傳感器晶片的製備方法，其特徵在於，所述的壓電膜層(6)的厚度為0.5～2μm。
12.按權利要求8所述的矽微壓電傳感器晶片的製備方法，其特徵在於，所述的易腐蝕犧牲層(3)為氧化鋅犧牲層或磷矽玻璃犧牲層。
全文摘要
本發明涉及的矽微壓電傳感器晶片，包括n型矽基片中心有上小下大的方錐形孔，基片正、反面分別澱積氮化矽基膜層和掩膜層，基膜層中心設制圓孔，直徑大於等於或小於矽基片正面方孔的對角線，掩膜層中心有與矽基片反面方孔相同尺寸的方孔；基膜層上表面有氮化矽振動膜，振動膜上表面有下電極；下電極上表面有壓電膜；和光刻腐蝕在壓電膜上表面的低溫氧化矽膜保護層；以及保護層上表面的上電極；壓電膜、護層層和上電極的形狀均為圓形；氮化矽氮化矽或多晶矽振動膜與壓電膜形成圓形壓電膜/氮化矽或多晶矽複合彎曲振動膜。優點在於該圓形壓電膜/氮化矽或多晶矽複合彎曲振動膜可減小振動膜應力的不均勻性，避免應力過大引起的振動膜破裂，提高成品率，並明顯提高傳感器靈敏度。
文檔編號H03H9/00GK1790765SQ20041009884
公開日2006年6月21日 申請日期2004年12月17日 優先權日2004年12月17日
發明者楊楚威, 黃歆, 李俊紅, 汪承灝, 解述, 徐聯 申請人:中國科學院聲學研究所