CN101646115A - 基于铁电pzt膜面内极化工作的硅微压电传声器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器及其制备方法属于硅微压电传声器技术领域，其特征在于：硅微压电传声器由从上到下依次放置的电极、面内极化的铁电PZT膜层、氧化锆过渡层、振动膜层、高温二氧化硅圆形倒模层、体硅刻蚀方杯和体硅刻蚀掩模层组成。所述的微传声器的振动膜层的工作区域为圆形结构，PZT膜及电极构成的电容位于微传声器振动膜圆形工作区域的中心或边缘，PZT膜的图形为圆形或环形，电极图形为具有相同圆心的圆形叉指结构。采用本发明所述的面内极化的PZT膜工作的硅微压电传声器，不需沉积PZT膜的底电极，简化了工艺，通过改变PZT膜和叉指电极在振动膜圆形工作区域上的位置、叉指电极间距大小可明显提高压电微传声器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及硅微压电传声器领域，特别涉及一种基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器及其制备方法。
背景技术
硅微传声器在民用和国防(如手机、视听设备、机器人语言识别、噪声与振动的有源控制、战场侦查网、安全侦听等)领域具有广阔的应用前景。微传声器主要包括电容式和压电式两种，目前电容式硅微传声器已经走向市场化，与电容式相比，压电式微传声器具有不需极化电压、内阻低、制备简单等诸多优点，具有重大的应用前景，但目前它的灵敏度较低，达不到实用要求。
硅微压电传声器通常是一种压电膜弯曲振动的换能器，压电膜的电极在其上下表面，压电微传声器利用压电膜的横向压电常数d31工作，ZnO膜和PZT膜是使用最多的压电膜材料，PZT膜的压电系数比ZnO膜大一个数量级，但由于PZT膜的相对介电常数较大，微传声器的电压灵敏度不能得到提高，目前报道的压电微传声器主要采用ZnO膜作为压电材料。与厚度极化的PZT膜利用横向压电常数d31工作不同，面内极化的PZT膜在弯曲振动中主要利用纵向压电常数d33工作，压电膜的电极为位于其表面的一对叉指电极，由于PZT膜的压电常数d33比d31大一倍，因此利用面内极化的PZT膜工作，微执行器可以提高驱动位移(力)，微传感器可以提高灵敏度。通常基于面内极化的PZT膜工作的硅微器件叉指电极位于整个压电膜表面，如Sensors andActuators A，119(2005)，p521-527，由Eunki Hong，S.V.Krishnaswamy，C.B.Freidhoff，S.Trolier-McKinstry所著的《Micromachined piezoelectricdiaphragms actuated by ring shaped interdigitated transducer electrodes》一文中所述的基于PZT膜面内极化工作的微执行器；以及Transducers &Eurosensors’07，The 14th International Conference on Solid-StateSensors，Actuators and Microsystems，p1291-1294，由Yi-Ping Zhu，Tian-Ling Ren，Chao Wang，Zhe-Yao Wang，Li-Tian Liu，Zhi-Jian Li所著的《Novel in-planepolarized PZT film based ultrasonic micro-acoustic devices》一文中所述的超声发射和接收微器件。压电微传声器的电压灵敏度与压电膜应力及电极间距成正比，因此，压电膜的电极位于压电膜(或振动膜)应力最大处可以提高灵敏度，在工艺允许的情况下增大电极间距也可提高压电微传声器电压灵敏度。基于面内极化的PZT膜工作的压电微传声器，只需设计电极版图，将电极设计在振动膜应力最大处，并提高版图的电极间距，即可提高压电微传声器的灵敏度，在工艺上很容易实现。另外，面内极化的PZT膜不需沉积底电极，而厚度极化的PZT膜通常都生长在Pt/Ti底电极上，作为压电陶瓷材料，PZT膜的应力较大，易产生微泡和微裂纹，对底电极的生长工艺要求较高，因此基于面内极化的PZT膜工作的压电微传声器可简化工艺，显著提高器件的成品率。目前硅微压电传声器振动膜的释放多采用成本较低的湿法体硅微加工工艺，由于硅的各向异性腐蚀，振动膜结构一般为方形结构，应力较大，特别是在尖角处应力更大，导致传声器的灵敏度下降，甚至出现实效破裂，因此制作具有圆形振动膜结构的压电微传声器可以提高压电传声器的灵敏度，并可提高成品率和使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器，提高目前压电微传声器的灵敏度，为大批量制备性能可靠、成品率高的微传声器提供简便可行的工艺。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
本发明提供的基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器，其由从上至下依次放置的电极、面内极化的铁电PZT膜层、氧化锆过渡层、振动膜层、高温二氧化硅圆形倒模层、体硅刻蚀方杯和体硅刻蚀掩模层组成；
所述振动膜层为氮化硅膜层、低温二氧化硅膜层或为由氮化硅膜和低温二氧化硅膜构成的复合膜层；所述低温二氧化硅膜中的低温二氧化硅是采用等离子体增强化学气相沉积法制备的二氧化硅；
所述高温二氧化硅圆形倒模层中心处设有中心圆孔，该高温二氧化硅圆形倒模层的高温二氧化硅是采用热氧化法制备的二氧化硅；
所述振动膜中心处的圆形工作区域直径与所述高温二氧化硅圆形倒模层中心处的中心圆孔直径相同；
所述体硅刻蚀掩模层中心处设有中心方孔；
所述面内极化的铁电PZT膜层及电极构成的电容位于所述振动膜的圆形工作区域的中心或边缘；所述面内极化的铁电PZT膜层为圆形膜层或环形膜层，所述电极为具有相同圆心的圆形叉指结构的电极；
所述体硅刻蚀方杯下表面中心处设有与所述体硅刻蚀掩模层的中心方孔尺寸相同的方形孔，体硅刻蚀方杯上表面中心处设有中心方形孔，该中心方形孔对角线长度小于所述中心圆孔的直径。
所述电极厚度为150-300纳米；所述面内极化的铁电PZT膜层厚度为0.5-2微米；所述氧化锆过渡层厚度为300-500纳米；所述振动膜层厚度为0.5-2微米；高温二氧化硅圆形倒模层厚度为1-4微米。
所述振动膜圆形工作区域的半径为300-3000微米。
所述面内极化的铁电PZT膜层及电极构成的电容位于所述振动膜的圆形工作区域中心时，该面内极化的铁电PZT膜层为圆形，其半径小于所述圆形工作区域半径的70％。
所述面内极化的铁电PZT膜层及电极构成的电容位于所述振动膜5的圆形工作区域边缘时，该面内极化的铁电PZT膜层为圆环形，该圆环形环内沿到所述振动膜的圆形工作区域外沿的距离小于所述圆形工作区域半径的30％。
所述电极的圆形叉指电极的叉指对数为1-30对，电极宽度为5-100微米，电极间距为5-100微米。
本发明的基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器的制备方法，包括以下步骤：
1)硅片热氧化
在一硅片正面和背面分别热氧化生长1-4微米正面高温二氧化硅层和背面高温二氧化硅层；
2)制备高温二氧化硅圆形倒模层
分别在所述硅片的正面高温二氧化硅层和背面高温二氧化硅层上旋涂正性光刻胶，对所述正面高温二氧化硅层进行正面光刻并采用缓冲氢氟酸溶液腐蚀正面高温二氧化硅层，形成中心带有中心圆孔的高温二氧化硅圆形倒模层；所述高温二氧化硅圆形倒模层上表面和所述背面高温二氧化硅层上分别涂有光刻胶一和光刻胶二；
3)制备圆形氧化锌牺牲层
在所述光刻胶一和中心圆孔内的硅片上溅射1-4微米氧化锌牺牲层，去除光刻胶一和光刻胶二，剥离形成圆形氧化锌牺牲层，所述圆形氧化锌牺牲层位于所述中心圆孔内，并与中心圆孔厚度相同；
4)制备振动膜层
在硅片正面的高温二氧化硅圆形倒模层和圆形氧化锌牺牲层上生长厚度为0.5-2微米的振动膜层；该振动膜层采用下述方法中的任一种制备：
(a)采用低压化学气相沉积法在硅片正面的高温二氧化硅圆形倒模层和圆形氧化锌牺牲层上生长氮化硅膜，在硅片背面的高温二氧化硅层上生长氮化硅膜，此时形成的振动膜层为氮化硅膜层；所述硅片背面为由高温二氧化硅层和氮化硅膜构成的复合膜掩模层；
(b)采用等离子体增强化学气相沉积法在硅片正面的高温二氧化硅圆形倒模层和圆形氧化锌牺牲层上生长低温二氧化硅膜，此时形成的振动膜层为低温二氧化硅膜层，硅片背面为高温二氧化硅层构成的掩模层；
(c)采用低压化学气相沉积法在硅片正面的高温二氧化硅圆形倒模层和圆形氧化锌牺牲层上生长氮化硅膜，再采用等离子体增强化学气相沉积法在该氮化硅膜上生长低温二氧化硅膜；所述硅片背面的高温二氧化硅层上生长氮化硅膜，此时形成的振动膜层为由氮化硅和低温二氧化硅膜构成的复合膜层，硅片背面为高温二氧化硅层和氮化硅膜构成的复合膜掩模层；
5)制备体硅刻蚀掩模层
采用双面光刻机双面光刻所述掩模层或复合膜掩模层，当所述掩模层为高温二氧化硅层和氮化硅膜构成的复合膜时，氮化硅膜采用等离子刻蚀机进行刻蚀，高温二氧化硅采用缓冲氢氟酸溶液进行腐蚀，当所述掩模层为高温二氧化硅层时，采用缓冲氢氟酸溶液进行腐蚀，形成体硅刻蚀掩模层，所述体硅刻蚀掩模层中心处具有中心方孔；
6)制备氧化锆过渡层
采用溶胶-凝胶法在硅片正面的振动膜层上制备厚度为300-500纳米的氧化锆过渡层；
7)制备铁电PZT膜层
采用溶胶-凝胶法在所述氧化锆过渡层上制备铁电PZT膜层，所述铁电PZT膜层的组分为Pbx(ZryTi1-y)O3，其中x＝1.1，y＝0.52，所述铁电PZT膜层厚度为0.5-2微米，再采用湿法刻蚀方法对铁电PZT膜层进行刻蚀，形成圆形或环形铁电PZT膜层；该铁电PZT膜层位于所述振动膜的圆形工作区域的中心或边缘；
8)制备电极
在硅片正面的铁电PZT膜层上采用溅射、真空蒸镀或离子镀法沉积电极，所述电极为Al层、在金属Cr层上生长金属Au层构成的An/Cr复合膜或为在金属Ti层上生长金属Pt层构成的Pt/Ti复合膜，该电极厚度为150-300纳米，采用正胶剥离或湿法腐蚀法形成电极，所述电极为具有相同圆心的圆形叉指结构；
9)PZT膜极化
采用直流电源对铁电PZT膜层进行极化，形成面内极化的铁电PZT膜层，极化电场为10-30伏/微米；
10)释放振动膜圆形工作区域
采用体硅刻蚀夹具将硅片正面保护并固定，放入氢氧化钾溶液中进行体硅刻蚀，形成体硅刻蚀方杯，在体硅刻蚀方杯与氧化锌牺牲层交界处，继续腐蚀氧化锌牺牲层，最终释放出振动膜的圆形工作区域，制得本发明的基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器。
本发明的优点在于：
(1)本发明提供的压电微传声器采用了面内极化的PZT膜，利用PZT膜的更高的压电常数d33；压电膜的工作区域为圆形振动膜的中心或边缘区域，利用了振动膜应力最大区域；通过版图设计提高电极间距，远大于传统厚度极化工作模式中压电微传声器的电极间距，上述方法可以大大提高压电微传声器的灵敏度。
(2)本发明采用圆形振动膜作为压电微传声器的振动膜，有效地控制和降低了振动膜的应力，提高了器件的灵敏度、成品率；另外，本发明提供的压电微传声器中，面内极化的PZT膜的电极位于压电膜的上表面，不需沉积PZT膜的底电极，简化了微加工工艺。本发明提供的压电微传声器制备方法工艺兼容性好，方便可行。
附图说明
图1为本发明的基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器的结构示意图；
图2-1-2-9为本发明的制作工艺流程图；
图2-1为热氧化后的剖面图；
图2-2为高温二氧化硅圆形倒模层形成后的剖面图；
图2-3为圆形氧化锌牺牲层形成后的剖面图；
图2-4为振动膜层形成后的剖面图；
图2-5为体硅刻蚀掩模层形成后的剖面图；
图2-6为氧化锆过渡层形成后的剖面图；
图2-7为PZT膜层位于振动膜圆形工作区域边缘时PZT膜层形成后的剖面图；
图2-8为电极位于振动膜圆形工作区域边缘时电极形成后的剖面图；
图2-9为PZT膜和电极位于振动膜圆形工作区域边缘时硅微压电传声器的剖面图；
图3为电极位于振动膜圆形工作区域边缘，叉指电极对数为1的俯视图；
图4为电极位于振动膜圆形工作区域边缘，叉指电极对数为2的俯视图；
图5为PZT膜和电极位于振动膜圆形工作区域中心时硅微压电传声器结构剖面图；
图6为电极位于振动膜圆形工作区域中心，叉指电极对数为1的俯视图；
图7为电极位于振动膜圆形工作区域中心，叉指电极对数为3的俯视图；
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步描述本发明：
图1为本发明的基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器的结构示意图；由图1可知，本发明的基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器的结构如下：
本发明的基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器，其由从上至下依次放置的电极8、面内极化的铁电PZT膜层7、氧化锆过渡层6、振动膜层5、高温二氧化硅圆形倒模层2、体硅刻蚀方杯1和体硅刻蚀掩模层4组成；
所述振动膜层5为中心处设有圆形工作区域51的氮化硅膜层、低温二氧化硅膜层或为由氮化硅膜和低温二氧化硅膜构成的复合膜层；所述低温二氧化硅膜中的低温二氧化硅为采用等离子体增强化学气相沉积法制备的二氧化硅；
高温二氧化硅圆形倒模层2中心处设有中心圆孔21，其中的高温二氧化硅为采用热氧化法制备的二氧化硅；
所述振动膜5的圆形工作区域51直径与所述中心圆孔21直径相同；
所述体硅刻蚀掩模层4中心处设有中心方孔41；
所述面内极化的铁电PZT膜层7及电极8构成的电容位于所述振动膜5的圆形工作区域51的中心或边缘；所述面内极化的铁电PZT膜层7为圆形膜层或环形膜层，电极8为具有相同圆心的圆形叉指结构的电极；
所述体硅刻蚀方杯1下表面中心处设有与所述体硅刻蚀掩模层4的中心方孔41的图形和尺寸相同的方形孔，体硅刻蚀方杯1上表面中心处设有中心方形孔，该中心方形孔对角线长度小于所述中心圆孔21的直径。
所述电极8厚度为150-300纳米；所述面内极化的铁电PZT膜层7厚度为0.5-2微米；所述氧化锆过渡层6厚度为300-500纳米；所述振动膜层5厚度为0.5-2微米；高温二氧化硅圆形倒模层2厚度为1-4微米。
所述振动膜5圆形工作区域51的半径为300-3000微米。
所述面内极化的铁电PZT膜层7及电极8构成的电容位于所述振动膜5的圆形工作区域51中心时，该面内极化的铁电PZT膜层7为圆形，其半径小于所述圆形工作区域51半径的70％。
所述面内极化的铁电PZT膜层7及电极8构成的电容位于所述振动膜5的圆形工作区域51边缘时，该面内极化的铁电PZT膜层7为圆环形，该圆环形环内沿到所述振动膜5的圆形工作区域51外沿的距离小于所述圆形工作区域51半径的30％。
所述电极8的圆形叉指电极的叉指对数为1-30对，电极宽度为5-100微米，电极间距为5-100微米。
实施例1，采用本发明方法制备一基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器，其步骤如下：
1)硅片热氧化
用酸性清洗液和碱性清洗液清洗硅片，之后用去离子水冲洗并烘干，将硅片放入氧化炉中，在硅片正面和背面分别热氧化生长2微米正面高温二氧化硅层22和背面高温二氧化硅层23，如图2-1所示；
2)制备高温二氧化硅圆形倒模层2
分别在所述正面高温二氧化硅层22和背面高温二氧化硅层23上旋涂正性光刻胶，硅片正面光刻并采用缓冲氢氟酸溶液腐蚀高温二氧化硅层，形成中心处具有中心圆孔21的高温二氧化硅圆形倒模层2，其半径为500微米，高温二氧化硅圆形倒模层2和背面高温二氧化硅层23上分别涂有光刻胶一24和光刻胶二25，如图2-2所示；
3)制备圆形氧化锌牺牲层3
在所述光刻胶一24和中心圆孔21内的硅片上溅射2微米氧化锌牺牲层，去除光刻胶一24和光刻胶二25，剥离形成圆形氧化锌牺牲层3，其位于所述中心圆孔21内，并与中心圆孔21的形状和厚度相同，如图2-3所示；
4)制备振动膜层5
采用等离子体增强化学气相沉积法在硅片正面的高温二氧化硅圆形倒模层2和圆形氧化锌牺牲层3上生长正面生长1微米低温二氧化硅膜，此时振动膜层5为低温二氧化硅膜层，硅片背面为高温二氧化硅层23构成的掩模层42，如图2-4所示；
5)制备体硅刻蚀掩模层4
采用双面光刻机双面光刻所述掩模层42，采用缓冲氢氟酸溶液腐蚀高温二氧化硅掩模层42，形成体硅刻蚀掩模层4，其中心有中心方孔41，如图2-5所示；
6)制备氧化锆过渡层6
采用溶胶-凝胶法在硅片正面的振动膜层5上制备厚度为300纳米的氧化锆过渡层6，如图2-6所示；
7)制备PZT膜层7
采用溶胶-凝胶法在氧化锆过渡层6上制备铁电PZT膜层[Pbx(ZryTi1-y)O3，其中x＝1.1，y＝0.52]，其厚度为1微米，采用湿法刻蚀所述铁电PZT膜层，形成环形PZT膜层，如图2-7所示；
8)制备电极8
在硅片正面采用真空蒸镀法沉积厚度为20纳米的Cr，再采用真空蒸镀法沉积厚度为120纳米的Au，采用湿法腐蚀的方法形成圆形叉指结构的电极8，如图2-8所示；其叉指电极叉指对数为1对，电极宽度为10微米，电极间距为10微米，电极图形如图3所示；
9)PZT膜极化
采用直流电源在室温下对铁电PZT膜极化20分钟，制成面内极化的铁电PZT膜层7，其极化电压为120伏，极化电场为12伏/微米；
10)释放振动膜圆形工作区域51
采用体硅刻蚀夹具将硅片正面保护并固定，放入氢氧化钾溶液中进行体硅刻蚀，形成体硅刻蚀方杯1，在体硅刻蚀方杯1与氧化锌牺牲层3交界处，继续腐蚀氧化锌牺牲层，最终释放出振动膜圆形工作区域51，如图2-9所示，便制作出本实施例的基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器。
实施例2，采用本发明方法制备一基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器，其步骤如下：
1)硅片热氧化
用酸性清洗液和碱性清洗液清洗硅片，之后用去离子水冲洗并烘干，将硅片放入氧化炉中，在硅片正面和背面分别热氧化生长4微米正面高温二氧化硅层22和背面高温二氧化硅层23，如图2-1所示；
2)制备高温二氧化硅圆形倒模层2
分别在所述正面高温二氧化硅层22和背面高温二氧化硅层23上旋涂正性光刻胶，硅片正面光刻并采用缓冲氢氟酸溶液腐蚀高温二氧化硅层，形成中心处具有中心圆孔21的高温二氧化硅圆形倒模层2，其半径为1000微米，高温二氧化硅圆形倒模层2和背面高温二氧化硅层23上分别涂有光刻胶一24和光刻胶二25，如图2-2所示；
3)制备圆形氧化锌牺牲层3
在所述光刻胶一24和中心圆孔21内的硅片上溅射4微米氧化锌牺牲层，去除光刻胶一24和光刻胶二25，剥离形成圆形氧化锌牺牲层3，其位于所述中心圆孔21内，并与中心圆孔21的形状和厚度相同，如图2-3所示；
4)制备振动膜层5
采用低压化学气相沉积法在硅片正面的高温二氧化硅圆形倒模层2和圆形氧化锌牺牲层3上生长氮化硅膜0.5微米，再采用等离子体增强化学气相沉积法在该氮化硅膜上生长低温二氧化硅膜0.9微米；所述硅片背面高温二氧化硅层23上生长氮化硅膜，此时振动膜层5为由氮化硅和低温二氧化硅构成的复合膜层，硅片背面为高温二氧化硅层23和氮化硅膜构成的复合膜掩模层42，如图2-4所示；
5)制备体硅刻蚀掩模层4
采用双面光刻机双面光刻所述掩模层42，采用等离子刻蚀机刻蚀氮化硅膜，采用缓冲氢氟酸溶液腐蚀高温二氧化硅，形成体硅刻蚀掩模层4，其中心有方孔41，如图2-5所示；
6)制备氧化锆过渡层6
采用溶胶-凝胶法在硅片正面的振动膜层5上制备厚度为400纳米的氧化锆过渡层6，如图2-6所示；
7)制备PZT膜层7
采用溶胶-凝胶法在氧化锆过渡层6上制备铁电PZT膜层[Pbx(ZryTi1-y)O3，其中x＝1.1，y＝0.52]，其厚度为1.6微米，采用湿法刻蚀所述铁电PZT膜层，形成环形PZT膜层，如图2-7所示；
8)制备电极8
在硅片正面采用真空蒸镀法沉积厚度为20纳米的Cr，再采用真空蒸镀法沉积厚度为120纳米的Au，采用湿法腐蚀的方法形成圆形叉指结构的电极8，如图2-8所示；其叉指电极叉指对数为2对，电极宽度为10微米，电极间距为20微米，电极图形如图4所示；
9)PZT膜极化
采用直流电源在室温下对面内极化的铁电PZT膜极化20分钟，制成面内极化的铁电PZT膜层7，其极化电压为240伏，极化电场为12伏/微米；
10)释放振动膜圆形工作区域51
采用体硅刻蚀夹具将硅片正面保护并固定，放入氢氧化钾溶液中进行体硅刻蚀，形成体硅刻蚀方杯1，在体硅刻蚀方杯1与氧化锌牺牲层3交界处，继续腐蚀氧化锌牺牲层，最终释放出振动膜圆形工作区域51，如图2-9所示，便制作出本实施例的基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器。
实施例3，采用本发明方法制备一基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器，其步骤如下：
1)硅片热氧化
用酸性清洗液和碱性清洗液清洗硅片，之后用去离子水冲洗并烘干，将硅片放入氧化炉中，在硅片正面和背面分别热氧化生长4微米正面高温二氧化硅层22和背面高温二氧化硅层23，如图2-1所示；
2)制备高温二氧化硅圆形倒模层2
分别在所述正面高温二氧化硅层22和背面高温二氧化硅层23上旋涂正性光刻胶，硅片正面光刻并采用缓冲氢氟酸溶液腐蚀高温二氧化硅层，形成中心处具有中心圆孔21的高温二氧化硅圆形倒模层2，其半径为1000微米，高温二氧化硅圆形倒模层2和背面高温二氧化硅层23上分别涂有光刻胶一24和光刻胶二25，如图2-2所示；
3)制备圆形氧化锌牺牲层3
在所述光刻胶一24和中心圆孔21内的硅片上溅射4微米氧化锌牺牲层，去除光刻胶一24和光刻胶二25，剥离形成圆形氧化锌牺牲层3，其位于所述中心圆孔21内，并与中心圆孔21的形状和厚度相同，如图2-3所示；
4)制备振动膜层5
采用低压化学气相沉积法在硅片正面的高温二氧化硅圆形倒模层2和圆形氧化锌牺牲层3上生长氮化硅膜0.5微米，再采用等离子体增强化学气相沉积法在该氮化硅膜上生长低温二氧化硅膜0.9微米；所述硅片背面高温二氧化硅层23上生长氮化硅膜，此时振动膜层5为由氮化硅和低温二氧化硅构成的复合膜层，硅片背面为高温二氧化硅层23和氮化硅膜构成的复合膜掩模层42，如图2-4所示；
5)制备体硅刻蚀掩模层4
采用双面光刻机双面光刻所述掩模层42，采用等离子刻蚀机刻蚀氮化硅膜，采用缓冲氢氟酸溶液腐蚀高温二氧化硅，形成体硅刻蚀掩模层4，其中心有方孔41，如图2-5所示；
6)制备氧化锆过渡层6
采用溶胶-凝胶法在硅片正面的振动膜层5上制备厚度为400纳米的氧化锆过渡层6，如图2-6所示；
7)制备PZT膜层7
采用溶胶-凝胶法在氧化锆过渡层6上制备铁电PZT膜层[Pbx(ZryTi1-y)O3，其中x＝1.1，y＝0.52]，其厚度为1.6微米，采用湿法刻蚀所述铁电PZT膜层，形成环形PZT膜层，如图2-7所示；
8)制备电极8
在硅片正面采用真空蒸镀法沉积厚度为20纳米的Cr，再采用真空蒸镀法沉积厚度为120纳米的Au，采用湿法腐蚀的方法形成圆形叉指结构的电极8，如图2-8所示；其叉指电极叉指对数为1对，电极宽度为10微米，电极间距为30微米，电极图形如图3所示；
9)PZT膜极化
采用直流电源在室温下对面内极化的铁电PZT膜极化20分钟，制成面内极化的铁电PZT膜层7，其极化电压为330伏，极化电场为11伏/微米；
10)释放振动膜圆形工作区域51
采用体硅刻蚀夹具将硅片正面保护并固定，放入氢氧化钾溶液中进行体硅刻蚀，形成体硅刻蚀方杯1，在体硅刻蚀方杯1与氧化锌牺牲层3交界处，继续腐蚀氧化锌牺牲层，最终释放出振动膜圆形工作区域51，如图2-9所示，便制作出本实施例的基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器。
实施例4，采用本发明方法制备一基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器，其步骤如下：
1)硅片热氧化
用酸性清洗液和碱性清洗液清洗硅片，之后用去离子水冲洗并烘干，将硅片放入氧化炉中，在硅片正面和背面分别热氧化生长2微米正面高温二氧化硅层22和背面高温二氧化硅层23，如图2-1所示；
2)制备高温二氧化硅圆形倒模层2
分别在所述正面高温二氧化硅层22和背面高温二氧化硅层23上旋涂正性光刻胶，硅片正面光刻并采用缓冲氢氟酸溶液腐蚀高温二氧化硅层，形成中心处具有中心圆孔21的高温二氧化硅圆形倒模层2，其半径为500微米，高温二氧化硅圆形倒模层2和背面高温二氧化硅层23上分别涂有光刻胶一24和光刻胶二25，如图2-2所示；
3)制备圆形氧化锌牺牲层3
在所述光刻胶一24和中心圆孔21内的硅片上溅射2微米氧化锌牺牲层，去除光刻胶一24和光刻胶二25，剥离形成圆形氧化锌牺牲层3，其位于所述中心圆孔21内，并与中心圆孔21的形状和厚度相同，如图2-3所示；
4)制备振动膜层5
采用等离子体增强化学气相沉积法在硅片正面的高温二氧化硅圆形倒模层2和圆形氧化锌牺牲层3上生长正面生长1微米低温二氧化硅膜，此时振动膜层5为低温二氧化硅膜层，硅片背面为高温二氧化硅层23构成的掩模层42，如图2-4所示；
5)制备体硅刻蚀掩模层4
采用双面光刻机双面光刻所述掩模层42，采用缓冲氢氟酸溶液腐蚀高温二氧化硅掩模层42，形成体硅刻蚀掩模层4，其中心有方孔41，如图2-5所示；
6)制备氧化锆过渡层6
采用溶胶-凝胶法在硅片正面的振动膜层5上制备厚度为300纳米的氧化锆过渡层6，如图2-6所示；
7)制备PZT膜层7
采用溶胶-凝胶法在氧化锆过渡层6上制备铁电PZT膜层[Pbx(ZryTi1-y)O3，其中x＝1.1，y＝0.52]，其厚度为1微米，采用湿法刻蚀所述铁电PZT膜层，形成圆形PZT膜层；
8)制备电极8
在硅片正面采用真空蒸镀法沉积厚度为20纳米的Cr，再采用真空蒸镀法沉积厚度为120纳米的Au，采用湿法腐蚀的方法形成圆形叉指结构的电极8；其叉指电极叉指对数为1对，电极宽度为10微米，电极间距为30微米，电极图形如图6所示；
9)PZT膜极化
采用直流电源在室温下对面内极化的铁电PZT膜极化20分钟，制成面内极化的铁电PZT膜层7，其极化电压为330伏，极化电场为11伏/微米；
10)释放振动膜圆形工作区域51
采用体硅刻蚀夹具将硅片正面保护并固定，放入氢氧化钾溶液中进行体硅刻蚀，形成体硅刻蚀方杯1，在体硅刻蚀方杯1与氧化锌牺牲层3交界处，继续腐蚀氧化锌牺牲层，最终释放出振动膜圆形工作区域51，如图5所示，便制作出本实施例的基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器。
实施例5，采用本发明方法制备一基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器，其步骤如下：
1)硅片热氧化
用酸性清洗液和碱性清洗液清洗硅片，之后用去离子水冲洗并烘干，将硅片放入氧化炉中，在硅片正面和背面分别热氧化生长2微米正面高温二氧化硅层22和背面高温二氧化硅层23，如图2-1所示；
2)制备高温二氧化硅圆形倒模层2
分别在所述正面高温二氧化硅层22和背面高温二氧化硅层23上旋涂正性光刻胶，硅片正面光刻并采用缓冲氢氟酸溶液腐蚀高温二氧化硅层，形成中心处具有中心圆孔21的高温二氧化硅圆形倒模层2，其半径为500微米，高温二氧化硅圆形倒模层2和背面高温二氧化硅层23上分别涂有光刻胶一24和光刻胶二25，如图2-2所示；
3)制备圆形氧化锌牺牲层3
在所述光刻胶一24和中心圆孔21内的硅片上溅射2微米氧化锌牺牲层，去除光刻胶一24和光刻胶二25，剥离形成圆形氧化锌牺牲层3，其位于所述中心圆孔21内，并与中心圆孔21的形状和厚度相同，如图2-3所示；
4)制备振动膜层5
采用等离子体增强化学气相沉积法在硅片正面的高温二氧化硅圆形倒模层2和圆形氧化锌牺牲层3上生长正面生长1微米低温二氧化硅膜，此时振动膜层5为低温二氧化硅膜层，硅片背面为高温二氧化硅层23构成的掩模层42，如图2-4所示；
5)制备体硅刻蚀掩模层4
采用双面光刻机双面光刻所述掩模层42，采用缓冲氢氟酸溶液腐蚀高温二氧化硅掩模层42，形成体硅刻蚀掩模层4，其中心有方孔41，如图2-5所示；
6)制备氧化锆过渡层6
采用溶胶-凝胶法在硅片正面的振动膜层5上制备厚度为300纳米的氧化锆过渡层6，如图2-6所示；
7)制备PZT膜层7
采用溶胶-凝胶法在氧化锆过渡层6上制备铁电PZT膜层[Pbx(ZryTi1-y)O3，其中x＝1.1，y＝0.52]，其厚度为1微米，采用湿法刻蚀所述铁电PZT膜层，形成圆形PZT膜层；
8)制备电极8
在硅片正面采用真空蒸镀法沉积厚度为20纳米的Cr，再采用真空蒸镀法沉积厚度为120纳米的Au，采用湿法腐蚀的方法形成圆形叉指结构的电极8；其叉指电极叉指对数为3对，电极宽度为10微米，电极间距为5微米，电极图形如图7所示；
9)PZT膜极化
采用直流电源在室温下对面内极化的铁电PZT膜极化20分钟，制成面内极化的铁电PZT膜层7，其极化电压为70伏，极化电场为14伏/微米；
10)释放振动膜圆形工作区域51
采用体硅刻蚀夹具将硅片正面保护并固定，放入氢氧化钾溶液中进行体硅刻蚀，形成体硅刻蚀方杯1，在体硅刻蚀方杯1与氧化锌牺牲层3交界处，继续腐蚀氧化锌牺牲层，最终释放出振动膜圆形工作区域51，如图5所示，便制作出本实施例的基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器。
上述实施例中的压电微传声器，振动膜释放后为圆形，没用应力集中现象，振动膜释放过程不会破裂，制作成品率高；工艺中不需生长PZT膜的底电极，氧化锆过渡层的存在降低了PZT膜与振动膜材料的应力失配，工艺简单、兼容性好。压电膜的工作区域为传声器圆形振动膜的中心或边缘区域，利用了传声器振动膜的应力最大区域；PZT膜采用面内极化，利用了PZT膜的更高的压电常数d33；面内极化的PZT膜的电极间距为10-30微米，远大于传统厚度极化工作模式中压电微传声器的电极间距，它的电极间距为压电膜厚度，一般小于2微米；上述方法可以大大提高压电微传声器的灵敏度。在相同的横向尺寸前提下，本发明实施例三制备的压电微传声器可以将传统的压电微传声器的灵敏度提高20-40倍。
Claims (7)
1、一种基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器，其特征在于，其由从上至下依次放置的电极、面内极化的铁电PZT膜层、氧化锆过渡层、振动膜层、高温二氧化硅圆形倒模层、体硅刻蚀方杯和体硅刻蚀掩模层组成；
所述振动膜层为氮化硅膜层、低温二氧化硅膜层或为由氮化硅膜和低温二氧化硅膜构成的复合膜层；所述低温二氧化硅膜中的低温二氧化硅是采用等离子体增强化学气相沉积法制备的二氧化硅；
所述高温二氧化硅圆形倒模层中心处设有中心圆孔，该高温二氧化硅圆形倒模层的高温二氧化硅是采用热氧化法制备的二氧化硅；
所述振动膜中心处的圆形工作区域直径与所述高温二氧化硅圆形倒模层中心处的中心圆孔直径相同；
所述体硅刻蚀掩模层中心处设有中心方孔；
所述面内极化的铁电PZT膜层及电极构成的电容位于所述振动膜的圆形工作区域的中心或边缘；所述面内极化的铁电PZT膜层为圆形膜层或环形膜层，所述电极为具有相同圆心的圆形叉指结构的电极；
所述体硅刻蚀方杯下表面中心处设有与所述体硅刻蚀掩模层的中心方孔尺寸相同的方形孔，体硅刻蚀方杯上表面中心处设有中心方形孔，该中心方形孔对角线长度小于所述中心圆孔的直径。
2、按权利要求1所述的基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器，其特征在于，所述电极厚度为150-300纳米；所述面内极化的铁电PZT膜层厚度为0.5-2微米；所述氧化锆过渡层厚度为300-500纳米；所述振动膜层厚度为0.5-2微米；高温二氧化硅圆形倒模层厚度为1-4微米。
3、按权利要求1所述的基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器，其特征在于，所述振动膜圆形工作区域的半径为300-3000微米。
4、按权利要求1所述的基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器，其特征在于，所述面内极化的铁电PZT膜层及电极构成的电容位于所述振动膜的圆形工作区域中心时，该面内极化的铁电PZT膜层为圆形，其半径小于所述圆形工作区域半径的70％。
5、按权利要求1所述的基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器，其特征在于，所述面内极化的铁电PZT膜层及电极构成的电容位于所述振动膜的圆形工作区域边缘时，该面内极化的铁电PZT膜层为圆环形，该圆环形环内沿到所述振动膜的圆形工作区域外沿的距离小于所述圆形工作区域半径的30％。
6、按权利要求1所述的基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器，其特征在于，所述电极的圆形叉指电极的叉指对数为1-30对，电极宽度为5-100微米，电极间距为5-100微米。
7、一种权利要求1所述的基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器的制备方法，包括以下步骤：
1)硅片热氧化
在一硅片正面和背面分别热氧化生长1-4微米正面高温二氧化硅层和背面高温二氧化硅层；
2)制备高温二氧化硅圆形倒模层
分别在所述硅片的正面高温二氧化硅层和背面高温二氧化硅层上旋涂正性光刻胶，对所述正面高温二氧化硅层进行正面光刻并采用缓冲氢氟酸溶液腐蚀正面高温二氧化硅层，形成中心带有中心圆孔的高温二氧化硅圆形倒模层；所述高温二氧化硅圆形倒模层上表面和所述背面高温二氧化硅层上分别涂有光刻胶一和光刻胶二；
3)制备圆形氧化锌牺牲层
在所述光刻胶一和中心圆孔内的硅片上溅射1-4微米氧化锌牺牲层，去除光刻胶一和光刻胶二，剥离形成圆形氧化锌牺牲层，所述圆形氧化锌牺牲层位于所述中心圆孔内，并与中心圆孔厚度相同；
4)制备振动膜层
在硅片正面的高温二氧化硅圆形倒模层和圆形氧化锌牺牲层上生长厚度为0.5-2微米的振动膜层；该振动膜层采用下述方法中的任一种制备：
(a)采用低压化学气相沉积法在硅片正面的高温二氧化硅圆形倒模层和圆形氧化锌牺牲层上生长氮化硅膜，在硅片背面的高温二氧化硅层上生长氮化硅膜，此时形成的振动膜层为氮化硅膜层；所述硅片背面为由高温二氧化硅层和氮化硅膜构成的复合膜掩模层；
(b)采用等离子体增强化学气相沉积法在硅片正面的高温二氧化硅圆形倒模层和圆形氧化锌牺牲层上生长低温二氧化硅膜，此时形成的振动膜层为低温二氧化硅膜层，硅片背面为高温二氧化硅层构成的掩模层；
(c)采用低压化学气相沉积法在硅片正面的高温二氧化硅圆形倒模层和圆形氧化锌牺牲层上生长氮化硅膜，再采用等离子体增强化学气相沉积法在该氮化硅膜上生长低温二氧化硅膜；所述硅片背面的高温二氧化硅层上生长氮化硅膜，此时形成的振动膜层为由氮化硅和低温二氧化硅膜构成的复合膜层，硅片背面为高温二氧化硅层和氮化硅膜构成的复合膜掩模层；
5)制备体硅刻蚀掩模层
采用双面光刻机双面光刻所述掩模层或复合膜掩模层，当所述掩模层为高温二氧化硅层和氮化硅膜构成的复合膜时，氮化硅膜采用等离子刻蚀机进行刻蚀，高温二氧化硅采用缓冲氢氟酸溶液进行腐蚀，当所述掩模层为高温二氧化硅层时，采用缓冲氢氟酸溶液进行腐蚀，形成体硅刻蚀掩模层，所述体硅刻蚀掩模层中心处具有中心方孔；
6)制备氧化锆过渡层
采用溶胶-凝胶法在硅片正面的振动膜层上制备厚度为300-500纳米的氧化锆过渡层；
7)制备铁电PZT膜层
采用溶胶-凝胶法在所述氧化锆过渡层上制备铁电PZT膜层，所述铁电PZT膜层的组分为Pbx(ZryTi1-y)O3，其中x＝1.1，y＝0.52，所述铁电PZT膜层厚度为0.5-2微米，再采用湿法刻蚀方法对铁电PZT膜层进行刻蚀，形成圆形或环形铁电PZT膜层；该铁电PZT膜层位于所述振动膜的圆形工作区域的中心或边缘；
8)制备电极
在硅片正面的铁电PZT膜层上采用溅射、真空蒸镀或离子镀法沉积电极，所述电极为Al层、在金属Cr层上生长金属Au层构成的An/Cr复合膜或为在金属Ti层上生长金属Pt层构成的Pt/Ti复合膜，该电极厚度为150-300纳米，采用正胶剥离或湿法腐蚀法形成电极，所述电极为具有相同圆心的圆形叉指结构；
9)PZT膜极化
采用直流电源对铁电PZT膜层进行极化，形成面内极化的铁电PZT膜层，极化电场为10-30伏/微米；
10)释放振动膜圆形工作区域
采用体硅刻蚀夹具将硅片正面保护并固定，放入氢氧化钾溶液中进行体硅刻蚀，形成体硅刻蚀方杯，在体硅刻蚀方杯与氧化锌牺牲层交界处，继续腐蚀氧化锌牺牲层，最终释放出振动膜圆形工作区域，制得基于铁电PZT膜面内极化工作的硅微压电传声器。
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