CN103460721B - 具有间隙控制几何形状的声换能器以及声换能器制造方法 - Google Patents

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Abstract

优选实施方案的换能器包括衬底和多个相邻的锥形悬臂梁。每个梁界定了梁基部、梁尖部以及设置在梁基部和梁尖部之间的梁主体。梁被布置成使得每个梁尖部朝向共同区域延伸。每个梁沿着梁基部接合至衬底并且沿着梁主体与衬底分离。制造换能器的优选方法可包括：在方框中将交替的压电层和电极层沉积在衬底上，在方框中处理沉积层以界定悬臂几何形状，在方框中沉积金属迹线，以及在方框中从衬底释放悬臂梁。

Description

具有间隙控制几何形状的声换能器以及声换能器制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年3月31日提交的且标题为“Acoustic Sensor with Gap-Controlling Geometry and Method of Manufacturing an Acoustic Sensor”的临时申请号61/470,384的优先权，该临时申请全文通过引用结合于此。
背景
声换能器技术的目前趋势是朝向更小的传声器。目前，基于薄的、携带电荷的膜的驻极体传声器已用于大部分应用中。然而，这些传声器在暴露于高温后遭受降解。电容MEMS传声器越来越受欢迎，因为它们可以经受在焊料回流期间所经历的高温，并且因此降低制造成本。对压电MEMS传声器的研究已超过30年，并且其潜在地可以以成本有效的方式将驻极体传声器和MEMS电容传声器的优点结合。不幸的是，压电MEMS传声器通常遭受高本底噪声，部分地由于薄膜中的残余应力引起的隔膜张力。例如，隔膜传声器在所有的边缘都被限制，这引起导致下降的灵敏度的高隔膜张力。常规的悬臂式设计，如矩形悬臂梁传声器，同样遭受残余应力的影响，尽管所述残余应力基本上从周围的衬底被释放；相反，少量的残余应力引起悬臂弯曲远离衬底平面，或向上或向下。该弯曲导致悬臂周围的间隙增加、减小声阻以及导致低频灵敏度的不希望的下降。
因此，尽管残余应力，但在压电MEMS声换能器领域需要产生一种具有低频灵敏度的新的和有用的声换能器。
发明内容
本发明的实施方案提供了以下方面：
1)一种MEMS换能器，包括：
衬底；
多个相邻的渐缩悬臂梁，每个所述渐缩悬臂梁界定了梁基部、梁尖部以及设置在所述梁基部和所述梁尖部之间的梁主体，被布置成使得每个所述梁尖部朝向共同区域延伸，以及还使得每个梁沿着所述梁基部接合至所述衬底并且沿着所述梁主体与所述衬底分离。
2)根据1)所述的换能器，其中，沿着相邻的梁的长度界定的间隙大约为1微米或更小。
3)根据1)所述的换能器，其中，所述共同区域是虚点，其中，所述梁尖部实质上会聚在所述虚点处。
4)根据1)所述的换能器，其中，所述梁基部形成实质上连续的传声器周边。
5)根据4)所述的换能器，其中，每个梁包括三角形，使得所述传声器包括实质上多边形的周边。
6)根据4)所述的换能器，其中，所述换能器包括两个相对的梯形梁和两个相对的三角形梁，其中，所述梯形梁的短的平行边以及所述三角形梁的尖部会聚在共同中心区域，其中，每个梯形梁的每个倾斜边邻近三角形梁的边。
7)根据1)所述的换能器，其中，所述梁中的至少两个被串联地电耦合在一起。
8)根据1)所述的换能器，其中，每个梁包括交替的压电层和电极层。
9)根据8)所述的换能器，其中，所述梁包括两个压电层和三个电极层。
10)根据9)所述的换能器，其中，每个梁的所述电极层通过金属迹线被串联地电耦合。
11)根据8)所述的换能器，其中，所述压电层包括氮化铝，且所述电极层包括钼。
12)一种声传感器，包括：
衬底；
多个渐缩悬臂梁，每个梁包括固定到所述衬底的基部，并且每个梁从所述基部逐渐变细成为可移动尖部，所述多个梁被相邻地布置，且每个可移动尖部会聚在共同区域中，使得所述基部形成实质上连续的传声器周边；以及
每个梁还包括交替的压电层和电极层。
13)一种方法，包括：
沉积压电层；
图案化所述压电层；
沉积电极层；
图案化所述电极层；
处理沉积层以界定多个渐缩梁，每个所述渐缩梁界定朝向共同区域延伸的梁尖部；
沉积金属迹线；
图案化所述金属迹线；以及
从衬底释放所述梁。
14)根据13)所述的方法，其中，相邻的渐缩梁界定延伸通过所述沉积层的厚度的间隙。
15)根据14)所述的方法，其中，相邻的渐缩梁之间的间隙宽度大约为1微米或更小。
16)根据14)所述的方法，其中，所述间隙经过微机械加工。
17)根据14)所述的方法，其中，所述梁由两个相交的线性间隙界定。
18)根据13)所述的方法，其中，沉积所述金属迹线包括将金属迹线沉积到每个电极层。
19)根据13)所述的方法，其中，从所述衬底释放所述梁包括从所述梁蚀刻掉所述衬底。
20)根据19)所述的方法，其中，蚀刻所述衬底包括深反应离子蚀刻。
21)根据20)所述的方法，还包括在沉积和图案化所述压电层和所述电极层之前在所述衬底上生长热氧化物层。
附图简述
图1是代表性的现有技术的换能器的示意图。
图2是根据本发明的优选实施方案的悬臂梁的平面微观视图。
图3A、3B、3C、3D和3E分别是本发明的第一、第二、第三、第四和第五优选实施方案的示意图。
图4是根据本发明的优选实施方案的换能器的一部分的示意性透视图。
图5是描述根据本发明的优选实施方案的制造换能器的方法的流程图。
图6A-6H是根据优选实施方案的方法的一个变化形式制造的示例性换能器的示意图。
优选实施方案的描述
本发明的优选实施方案的以下描述并非意图将本发明限制于这些优选实施方案，而是使MEMS声换能器领域中的任何技术人员能够实施和使用本发明。
声换能器
如图2、图3和图4所示，优选实施方案的换能器100可包括衬底160和以间隙控制布置而布置的多个悬臂梁120，每个梁120包括间隙控制几何形状130。优选的换能器100的几何形状和布置使得间隙电阻得以控制，这反过来使得能够控制频率，低于该频率的传声器的响应“滚降”或减少。换能器100优选地为压电换能器，但可以可选择地为电容换能器、光换能器(例如，光声传感器)，或遭受受压的悬臂的任何其它合适的换能器。优选的换能器100优选地为声换能器，更优选地为声传感器(即，传声器)，但是可以可选择地由电压或电流驱动并用作扬声器。优选的换能器100被优选地结合到消费电子产品如移动电话中，但可以用于医疗应用(例如，助听器)、光声检测、超声波应用或任何其他基于换能器的应用如传感器或扬声器中。优选的换能器100的悬臂布置用于将间隙尺寸限制为相邻的悬臂梁120之间的间隔距离。这与常规的设计相反，常规的设计中，悬臂梁内的残余应力使得梁在分离之后强烈地偏转，有时与衬底和悬臂梁之间的距离一样大。在优选实施方案的换能器100中，衬底160上的多个悬臂梁120之间的接近使得梁120之间的残余应力相似。相邻的悬臂梁之间的相似应力分布导致相似的悬梁曲率，这反过来将间隙尺寸限制为相邻的悬臂梁120之间的间隔距离。
如图4所示，优选的换能器100可包括衬底160。优选的换能器100的衬底160用于在制造工艺期间支撑换能器100，以及在运行期间支撑换能器100的悬臂梁120。在优选的换能器100的一种变化形式中，衬底160至少部分地由硅或任何合适的硅基化合物或衍生物(例如硅晶片、SOI、SiO2/Si上的多晶Si等)组成。可选择地，衬底160可至少部分地由玻璃纤维、玻璃或材料的任何合适的组合组成。在优选的换能器100的另一种变化形式中，衬底160在制造工艺期间基本上从悬臂梁120的有源区域(active area)中被去除，使得悬臂梁120最大化行程和响应。
如图2、图3和图4所示，优选的换能器100可包括至少一个悬臂梁120。更优选地，优选的换能器100可包括以合适的几何形状布置的多个或大量的悬臂梁120，如例如在图3A至图3E中所示的那些。优选的换能器100的悬臂梁120用于将声压转换成电子信号。悬臂梁120优选地包括间隙控制几何形状130，其将具有更多个或更大量的悬臂梁120的每一个之间的所产生间隙最小化。悬臂梁120的间隙控制几何形状130优选地包括尖部132和基部134。在优选的悬臂梁120中，尖部132基本上小于基部134，使得悬臂梁120从基部134向尖部132逐渐变细。除了优选地基本上耦合至衬底160的基部134，整个悬臂梁120优选地基本上从周围的衬底160脱离，使得它可以扩大或收缩以消除所施加的应力。
如图3A-3E所示，悬臂梁120优选地具有基本上尖角的间隙控制几何形状130，使得基部134沿着垂直于悬臂梁120的行程方向的方向基本上比尖部132更宽。例如，优选的换能器100的一种变化形式，示于图3A、图3B和图3C中的悬臂梁120可具有基本上三角形的几何形状。在优选的换能器100的另一种变化形式中，悬臂梁120可具有圆形的扇形或楔形几何形状130，其具有如图3D所示的基本上弯曲的基部134。在优选的换能器100的另一种变化形式中，悬臂梁120可具有如图3E所示的正方形几何形状。在优选实施方案的换能器100的其他变化形式中，悬臂梁120可具有任何合适的几何形状，其中尖部132在沿着垂直于悬臂梁120的行程方向的方向在宽度上比基部134更窄。合适的可选择几何形状可包括任何类型的多边形形状或圆扇形，并且具有阵列的每个悬臂梁120可具有基本上相同或基本上不同的几何形状。悬臂梁120的长度优选地被调整成与传声器的所需谐振频率匹配，但是可以可选择地为更长或更短。基部134优选地是长度两倍宽的，但是可以可选择地具有允许实现所需的换能器100外部周边102几何形状的任何宽度。
悬臂梁120优选地由交替的压电层和电极层142制成。压电层144可用于将施加的压力转换为电压，且电极层142可用于将所产生的电压传送至放大器如JFET、电荷放大器或集成电路。压电层144优选地包括氮化铝(AlN)，由于其CMOS兼容，但可以可选择地包括锆钛酸铅(PZT)、氧化锌(ZnO)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、铌酸铅镁-钛酸铅(PMN-PT)或任何其它合适的压电材料。电极层142优选地包括钼(Mo)、钛(Ti)、铝(Al)或铂(Pt)，但可以可选择地包括任何其他合适的电极材料。悬臂梁120优选地包括散布在三个电极层142之间的两个压电层144。然而，悬臂梁120可以包括散布在三个电极层142之间的三个压电层144，只包括总共三个层(第一电极层142、第一压电层144以及顶部电极层142)，或以电极层142和压电层144的任何合适排列的任何数目的层。优选地，悬臂梁120结合了至少一个压电层144和一个电极层142。在一个示例性的配置中，电极层142优选地基本上覆盖基本上三角形的悬臂梁120区域的三分之二，以最小化本底噪声，但可以可选择地根据悬臂梁120几何形状覆盖更多或更少的悬臂梁120。此外，虽然每个电极层142优选地仅界定每个电极层142的一个独立的电极，但电极层142可被图案化以界定每个电极层142的多个独立的电极。电极层142优选地通过金属迹线被串联地耦合在一起，但可以被并联或既串联又并联地耦合。
如图3所示，优选的换能器100被配置成使得基本上相同的悬臂梁120被布置成使得尖部132在基本上在声换能器100的中心附近的共同区域中相遇。优选地，每个悬臂梁120的自由边缘136中的每一个优选地各自平行于相邻的悬臂梁120的自由边缘136。悬臂梁120的相应的基部134优选地形成正多边形和/或圆形形状的外部周边102。换能器100的外部周边102优选地为正方形，其中换能器100优选地结合四个悬臂梁120(示于图3A中)，但是外部周边102可以可选择地为圆形，其中声换能器结合任何合适数目的楔形悬臂梁120(示于图3D中)；为三角形，其中换能器100优选地结合三个悬臂梁120(示于图3B中)；为八边形，其中换能器100优选地结合八个悬臂梁120；为六边形，其中换能器100优选地结合六个悬臂梁120(示于图3C中)；或者为结合任何所需数目的悬臂梁120的任何几何形状。
在优选的换能器中，在制造期间悬臂梁120之间的间隙大约小于1微米，但可以稍微更大。在制造之后，悬臂梁120之间的间隙优选地保持在1微米以下，但由于残余应力造成的变形而可以明显更大。悬臂梁120优选地通过一个或多个电极层142电耦合，但可以可选择地由导电迹线146电耦合、与彼此电隔离或者是混合线(blend)，其中一些悬臂梁120被电耦合，而其他悬臂梁120被电隔离。悬臂梁120可以被串联或并联地耦合，但优选地是与两个极端的混合线耦合，其中一些悬臂梁120被串联地耦合并且其他悬臂梁120被并联地耦合。
制造声换能器的方法
如图5和图6所示，制造换能器的优选方法可包括：在方框(block)S100中将交替的压电层和电极层沉积到衬底上，在方框S200中处理沉积层以界定悬臂几何形状，在方框S300中沉积金属迹线，以及在方框S400中从衬底100释放悬臂梁120。由于优选地使用标准CMOS工艺制造换能器100，所以可以使用相同的CMOS工艺将相关的电子产品(例如JFET、电荷放大器、集成电路)制造在与换能器100相同的衬底上。
优选方法的方框S100叙述了将交替的压电层和电极层沉积到衬底上。方框S100优选地用于产生悬臂的层。压电层优选地包括氮化铝(AlN)，由于其CMOS兼容性，但可以可选择地包括锆钛酸铅(PZT)、氧化锌(ZnO)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、铌酸铅镁-钛酸铅(PMN-PT)或任何其它合适的压电材料。电极层优选地包括钼(Mo)、钛(Ti)、铝(Al)或铂(Pt)，但可以可选择地包括任何其他合适的电极材料。悬臂优选地使用表面微机械加工来制造，但可以可选择地通过体微机械加工来制造。优选地将每层沉积到前一层上(其中，将第一层沉积到SiO2层上)，然后，在将下一层沉积之前将其蚀刻成所希望的图案。优选地通过薄膜沉积来沉积每层，但可以可选择地通过反应物理气相沉积、物理气相沉积、化学气相沉积、外延或任何合适的工艺进行沉积。每层优选地首先通过光刻法被图案化，然后被微机械加工以去除通过光刻法暴露的区域中的材料。微机械加工方法可包括湿蚀刻(化学蚀刻)和干蚀刻(例如，通过反应离子蚀刻或离子铣削)，但可包括任何其它合适的蚀刻方法。在一个实施方案中，电极层被图案化，使得交替层被错开(如图6所示)，使得每隔一个电极层可以通过在S300中沉积的金属迹线并联地耦合。然而，电极层和压电层可以被图案化有任何合适的图案。
优选方法的方框S200叙述了处理沉积层以界定悬臂几何形状。方框S200优选地用于产生界定了悬臂的间隙控制几何形状的间隙。优选地通过蚀刻间隙通过沉积层来处理沉积层(例如，利用反应离子蚀刻、湿蚀刻、离子铣削或任何其他蚀刻方法)，但是可以可选择地以其他方式进行处理以界定悬臂梁120并从它们的相邻者将其释放。间隙厚度优选地为1微米或更小，但是可以可选择地稍微更大。另外，间隙优选地将彼此平分以形成基本上三角形的悬臂梁，但是可以可选择地在端部相交以形成所需的间隙控制几何形状。该步骤优选地产生至少两个等分间隙，使得形成至少四个三角形悬臂梁，但是可以可选择地产生三个、四个或任意数目的间隙以形成任意数目的悬臂梁。
优选方法的方框S300叙述了沉积金属迹线。方框S300优选地用于将声换能器电耦合至一个或多个放大器。方框S300可以在方框S200之前、之后或与方框S200同时发生。金属迹线优选地在层被图案化之后被沉积，但是可以可选择地被预图案化并被沉积到声换能器上。方框S300优选地为每个电极或电极层142提供金属迹线，但是可以为多个电极提供单独的金属迹线，其中电极被并联地耦合在一起。金属迹线优选地通过中间的压电层和/或电极层延伸到相关的电极层142，但是可以可选择地以任何合适的方式被耦合至换能器电极。
优选方法的方框S400叙述了从衬底释放悬臂梁。方框S400优选地用于允许悬臂梁随着需要扩大、收缩或弯曲以基本上消除残余应力。优选地通过将衬底从悬臂梁的下方去除来将悬臂梁从衬底释放。这优选地使用DRIE(深反应离子蚀刻)来实现，但可以使用湿蚀刻、EDM(电火花加工)、微机械加工工艺或任何其他将悬臂梁从衬底释放的处理方法来实现。可选择地，悬臂梁可以从衬底完全地释放，并随后重新附接至相同的衬底或不同的衬底。悬臂梁可以通过在梁层沉积之前(即在方框S100之前)在衬底和悬臂梁层之间提供牺牲层来完全地释放，并随后在方框S500中蚀刻掉牺牲层。牺牲层优选地为氧化物，但可以是不同于可被选择性去除的压电层和电极层材料的任何合适的材料。优选地利用蚀刻剂如水溶液中的氟化氢(HF)、等离子体刻蚀或任何其它合适的蚀刻工艺蚀刻掉牺牲层。优选地通过静电夹紧或任何合适的技术将悬臂梁沿着其基部重新附接到衬底。
优选的方法可以另外包括方框S500中的在衬底上生长氧化物层的步骤。方框S500优选地在方框S100之前发生，并且优选地用于控制S400中悬臂梁释放的量。在方框S400的一种变化形式中，衬底去除工艺优选地在氧化物层上结束。在方框S500的第二变化形式中，氧化物层优选地用作牺牲层。合适的氧化物优选地生长在换能器的所需有源区域上，但可以可选择地生长在换能器的所需释放区域中、在整个衬底上或在任何合适的区域中。氧化物优选地是从衬底上生长的氧化物，更优选地是二氧化硅(SiO2)，但可以是生长在或沉积在衬底上的任何合适的氧化物。氧化物优选地使用一般热氧化进行生长，但可以可选择地使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD氧化物沉积)、化学气相沉积(CVD氧化物淀积)、物理气相沉积(PVD氧化物沉积)或任何其它合适的氧化或氧化物沉积工艺进行生长。优选的方法可以另外包括方框S500A中的去除氧化物层，其通过蚀刻或微机械加工从换能器去除氧化物层。
优选的方法可以另外包括方框S600中的沉积晶种层(seed layer)。晶种层优选地用作在其上构建悬臂梁的有源层。方框S600优选地在方框S100之前发生。更优选地，在方框S500之后执行方框S600，使得晶种层被布置在悬臂梁的压电层或电极层和氧化物层之间。晶种层优选地为氮化铝(AlN)，但可以是任何合适的压电、电极、或晶种材料。优选地使用物理气相沉积(PVD)或任何其它合适的溅射技术来溅射晶种层，但可以以其他方式将其沉积在氧化物层或衬底上。
示例性方法和换能器
如图6A-6H所示，优选方法的一个示例性实现包括方框S500中在衬底上生长热氧化物(SiO2)、方框S600中沉积氮化铝(AlN)晶种层(图6A)，沉积和图案化第一电极层(钼)(图6B)，沉积和图案化第一压电层(AlN)(图6C)，沉积和图案化第二电极层(钼(mobidum))(图6C)，沉积和图案化第二压电层(AlN)(图6D)，以及方框S100中沉积和图案化顶部电极层(钼)(图6D)。空腔可优选地被蚀刻通过压电层(AlN通孔)至电极层，并且在方框S300中金属迹线被沉积(图6E和6F)。在一种变化形式中，两条金属迹线被沉积，其中第一空腔/金属迹线延伸至顶部电极和底部电极并与顶部电极和底部电极耦合，且第二空腔/金属迹线延伸至中间电极并与中间电极耦合。悬臂梁从沉积层S200(蚀刻地或微机械加工地)被界定(图6E)，并且在方框S400中通过使用深反应离子蚀刻(DRIE)从背面蚀刻衬底来与衬底分离(图6G)。DRIE在氧化物层上停止，并且在S500A中氧化物层被去除以从衬底释放换能器(图6H)。
在示例性方法的整个执行中，优选地使用晶片曲率测量(例如通过光或物理测量)监测残余应力，但是可以可选择地通过应力测量(例如，应力换能器)、非线性弹性应力测量(例如，超声或磁技术、X射线或中子衍射)、或者任何其他测量悬臂中的残余应力或曲率的方法来测量。然后，沉积参数优选地被调整为将悬臂偏转或应力最小化。
本领域的技术人员将从先前详细的描述以及从附图和权利要求中认识到：可以对本发明的优选实施方案做出修改和变化，而不脱离以下权利要求中所界定的本发明的范围。

Claims (18)

1.一种MEMS换能器，包括：
衬底；以及
至少三个渐缩换能器梁，每个渐缩换能器梁均包括用于将施加的压力转换成电压的压电层和夹置所述压电层的一对电极层，所述渐缩换能器梁均具有梁基部、梁端部和梁主体，其中，所述梁主体从所述梁基部到所述梁端部逐渐变细并设置在所述梁基部和所述梁端部之间，所述渐缩换能器梁通过具有附接至所述衬底的所述梁基部、朝向单个点会聚的所述梁端部而在所述衬底之上连接成悬臂布置，并且同时每个梁主体与所述衬底分离并且每个梁端部不受约束且未被附接。
2.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中，沿着相邻的渐缩换能器梁的长度界定的间隙为1微米或更小。
3.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中，所述梁基部形成实质上连续的换能器周边。
4.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中，所述MEMS换能器是MEMS传声器，并且其中，每个渐缩换能器梁包括三角形，使得所述MEMS传声器包括实质上多边形的周边。
5.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中，所述渐缩换能器梁中的至少两个被串联地电耦合在一起。
6.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中，所述压电层实质上通过渐缩换能器梁的宽度和长度而延伸。
7.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中，所述渐缩换能器梁包括两个压电层和三个电极层。
8.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中，每个渐缩换能器梁的所述电极层通过金属迹线被串联地电耦合。
9.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中，所述压电层包括氮化铝，且所述电极层包括钼。
10.一种制造换能器的方法，包括：
在衬底上沉积第一电极层；
沉积压电层；
沉积第二电极层；
图案化所述第二电极层；
图案化所述压电层；
处理所沉积的第一电极层、压电层和第二电极层以界定至少三个渐缩换能器梁，每个所述渐缩换能器梁均包括用于将施加的压力转换为电压的所述压电层以及夹置所述压电层的第一电极层和第二电极层，所述渐缩换能器梁均具有梁基部、梁端部和梁主体，其中所述梁主体被设置在所述梁基部和所述梁端部之间；
沉积金属迹线；
图案化所述金属迹线；以及
从所述衬底释放所述渐缩换能器梁，其中经释放的所述渐缩换能器梁通过具有附接至所述衬底的所述梁基部、朝向单个点会聚的所述梁端部而在所述衬底之上连接成悬臂布置，并且同时每个梁主体与所述衬底分离并且每个梁端部不受约束且未被附接。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，相邻的渐缩换能器梁界定延伸通过所沉积的第一电极层、压电层和第二电极层的厚度的间隙。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，相邻的渐缩换能器梁之间的间隙为1微米或更小。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述间隙经过微机械加工。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述渐缩换能器梁由两个相交的线性间隙界定。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，沉积所述金属迹线包括将金属迹线沉积到每个电极层。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，从所述衬底释放所述渐缩换能器梁包括从所述渐缩换能器梁蚀刻掉所述衬底。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，蚀刻所述衬底包括深反应离子蚀刻。
18.根据权利要求10所述的方法，还包括在沉积和图案化所述压电层、所述第一电极层和所述第二电极层之前在所述衬底上生长热氧化物层。
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