CN104837099A - 膜片上fbar结构的微麦克风 - Google Patents

Abstract

本发明公开了膜片上FBAR结构的微麦克风，包括基底、检测元件和复合弹性支撑层，基底位于复合弹性支撑层下方，检测元件位于复合弹性支撑层的上方，复合弹性支撑层用于支撑检测元件；基底包括Si基座与空腔，Si基座外形为一长方体，Si基座的中间设置有喇叭状的通孔，通孔孔径较小端位于Si基座的上表面，Si基座上表面紧贴于复合弹性支撑层下表面，通孔与复合弹性支撑层之间形成为空腔；空腔顶面对应的复合弹性支撑层的部分为弹性膜片，弹性膜片用于形成振膜，空腔顶面和侧面形成声波反射界面；检测元件包括FBAR、引线、焊盘，FBAR通过引线与焊盘连接；本发明具有可制造性好、温度稳定性高、模态交叉耦合小和机械强度高的优点。

Description

膜片上FBAR结构的微麦克风

技术领域

本发明属于微电子机械系统器件领域，具体涉及一种膜片上FBAR(薄膜体声波谐振器，film bulk acoustic-wave resonators)结构的微麦克风，该结构的微麦克风具有刚度高，交叉耦合小，灵敏度高及线性度好等特点。

技术背景

微麦克风是最重要的MEMS传感器之一，目前主要采用驻极体、电容、压电等检测原理，表头输出微弱的模拟信号，容易受到环境温度、寄生电容等因素的影响，易于导致器件可靠性、稳定性等方面的问题。

薄膜体声波谐振器(FBAR，thin-film bulk acoustic wave resonators)是一种新型的微型电声谐振器，具有高灵敏度、高工作频率和低功耗等特点。以FBAR替代压电传感器，结合复合弹性支撑层，可以构建一种新型的电声谐振式微麦克风，满足高灵敏度、稳定性好的中高精度微麦克风的需求。微麦克风的工作原理是：当声波作用于振膜时，带动振膜变形，使得集成在振膜的FBAR产生应变，导致FBAR谐振频率偏移；利用适当的射频电路或矢量网络分析仪测量FBAR的谐振频率偏移，实现声波信号的读出或测量。

中国台湾新竹市清华大学公开了公开号为CN102264020A、公开日为2011年11月30日的中国发明专利。该专利公开了一种微机电电容式麦克风，主要特点是振膜为一刚性振膜，并设置于一弹性元件上，使得刚性振膜得以借弹性元件的弹性作用平行一背极板的法向量方向位移，从而获得刚性振膜与背极板间的电容变化。该发明的灵敏度较低，且制作工艺较为复杂。

中国江苏省华景传感科技(无锡)有限公司繆建民公开了公开号为CN103067838A、公开日为2013年4月24日的中国发明专利。该专利公开了一种高灵敏度压电式硅麦克风及制备方法，利用压电材料的机电换能性质将声波信号转化为电信号。但压电材料易受外界温度的影响，导致产生测量误差。而本发明利用FBAR的电声谐振特性将声波信号转化为FBAR的谐振频率偏移来实现声波信号的读出或测量，这在麦克风设计中是一种全新的设计原理与方法，并且采用了具有SiO₂层温度补偿层的膜片，能够实现声波信号测量或读出的高灵敏度要求，可望满足消费电子、汽车电子、航空航天、武器工程等领域对高灵敏度、 高稳定性、可制造性好的新型麦克风的应用需求。

发明内容

本发明提供了一种膜片上FBAR结构的微麦克风，该种结构的微麦克风除了具有高灵敏度、低功耗、高可靠性、制造性好、高工作频率(f₀在GHz量级)，还能改善温度对FBAR灵敏度的影响，增加了器件的机械强度，一阶模态频率与其他阶相隔较远，交叉耦合小，且采用工艺较为简单的背腔刻蚀工艺即可形成弹性膜片；膜片上FBAR结构的微麦克风，可能满足高灵敏度需求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

膜片上FBAR结构的微麦克风，其特征在于：包括基底、检测元件和复合弹性支撑层，基底位于复合弹性支撑层下方，检测元件位于复合弹性支撑层的上方，复合弹性支撑层用于支撑检测元件；基底包括Si基座与空腔，Si基座外形为一长方体，Si基座的中间设置有喇叭状的通孔，通孔孔径较小的一端位于Si基座的上表面，Si基座的上表面紧贴于复合弹性支撑层的下表面，通孔与复合弹性支撑层之间形成为空腔；空腔顶面对应的复合弹性支撑层的部分为弹性膜片，空腔侧面为通孔的内壁，空腔的底面为开放区域，所述弹性膜片用于形成振膜，空腔的顶面和侧面形成声波反射界面；检测元件包括FBAR、引线、焊盘，FBAR通过引线与焊盘连接。

对于检测元件，进一步具体结构和连接关系为：

所述FBAR包括有压电振荡堆，压电振荡堆位于空腔上面对应的弹性膜片应力集中部分；压电振荡堆由下到上依次包括底电极、压电层、顶电极，底电极紧贴设置于弹性膜片上面，压电层底面的一部分紧贴底电极上面，压电层底面的另一部分向弹性膜片中心方向包覆底电极侧面并延伸至弹性膜片上面，顶电极底面的一部分紧贴压电层的上面，顶电极底面的另一部分向弹性膜片中心方向包覆压电层侧面并延伸至弹性膜片上面。其中，FBAR的压电振荡堆的数量≥1。

所述引线包括底电极引线与顶电极引线，焊盘包括底电极焊盘与顶电极焊盘，FBAR的底电极通过底电极引线与底电极焊盘连接，FBAR的顶电极通过顶电极引线与顶电极焊盘连接。

所述检测元件通过三次沉积和图形化工艺形成，具体为：底电极、底电极引线、及底电极焊盘在第一次金属层沉积和图形化时形成；压电堆在第二次压电材 料沉积和图形化时形成；顶电极、顶引线及顶电极焊盘在第三次金属层沉积和图形化时形成；底电极、顶电极位于弹性膜片之上，由于弹性膜片是一个连续、完整的平面，底电极引线、顶电极引线可以在弹性膜片上灵活布线，底电极焊盘、顶电极焊盘均设置于Si基座支撑的复合弹性支撑层上面。

所述空腔是通过硅衬底背面刻蚀形成。

为了获得高性能的FBAR，需将声波限制在由底电极-压电层-顶电极组成的压电振荡堆中。根据传输线理论，当负载为零或无穷大时，入射波将全反射，空气的声阻抗近似等于零，可以作为良好的声波反射边界。而压电振荡堆中顶电极一般与空气接触，自然形成了良好的声波反射界面，底电极因置于复合弹性支撑层上面所以需要人为地形成声波反射界面，在本发明中即是空腔的顶面(弹性膜片)与空腔的侧面(通孔的内壁)形成声波反射界面。

对于复合弹性支撑层，进一步的具体限定为：

所述复合弹性支撑层是X-Y平面内的正方形沿正Z轴方向拉伸的方形膜片，复合弹性支撑层包括SiO₂层和Si₃N₄层，SiO₂层与Si基座连接，Si₃N₄层位于SiO₂层上面，复合弹性支撑层的拉伸高度即为SiO₂层与Si₃N₄层的厚度之和。

所述复合弹性支撑层的弹性膜片不仅作为振膜，也作为FBAR中的压电振荡堆的支撑层。

所述复合弹性支撑层中的SiO₂层具有正温度系数，通过CVD工艺制备；FBAR的压电层具有负温度系数；复合弹性支撑层的弹性膜片的SiO₂层与FBAR的压电层复合，进行温度补偿，可提高FBAR的温度稳定性。

由FBAR串联谐振频率f_s与压电层弹性系数c之间的关系式： 知，压电层的弹性系数c与串联谐振频率f_s成正比。现有的多数的压电层其内部原子间的相互作用力一般都表现出负温度特性，即随着温度升高，原子间的相互作用力减弱，导致压电层的弹性系数变小。而FBAR的谐振频率又与压电层的弹性系数成正比关系，因此，随着温度的升高，FBAR的谐振频率减小。为降低这种温度-频率漂移特性的影响，必须对FBAR进行温度补偿以提高其温度稳定性。由于SiO₂层的杨氏模量随温度的升高而增大，即其温度系数为正值(约+85/℃)，因此，当正温度系数的SiO₂层在和负温度系数的压电层复合时，会减小彼此的温度漂移，故采用SiO₂层作为弹性膜片中的下层结构。

所述SiO₂层作为硅衬底刻蚀时的自停止层；由于刻蚀剂刻蚀SiO₂的速度远小于刻蚀Si的速度，可以确保硅衬底的刻蚀不会对SiO₂/Si₃N₄弹性膜片的厚度产生影响。

所述Si₃N₄层与SiO₂层复合，可用于增强复合弹性支撑层的机械强度。同时，Si₃N₄层是绝缘材料，FBAR中的底电极可以直接溅射在Si₃N₄层之上。

由于Si对FBAR的谐振频率影响很大，会使FBAR产生多个谐振模式，不利于声波信号的检测，故不能使用Si作为弹性膜片。Si₃N₄层具有高致密性、高介电常数、高绝缘强度等优良的物理性能及抗疲劳强度高、抗折断能力强等优良的机械性能；且较薄的Si₃N₄层不会对FBAR的谐振频率产生影响。为了提高器件的机械强度，故采用Si₃N₄层作为弹性膜片的上层结构。

本发明的有益效果如下：

本发明在实现微麦克风高灵敏度、高可靠性与高工作频率的同时，还能改善FBAR的温度稳定性，采用工艺较为简单的背腔刻蚀工艺形成空腔与弹性膜片，交叉耦合小，器件机械强度大，布线方便；膜片上FBAR结构的微麦克风，可望满足消费电子、汽车电子、航空航天、武器工程等领域对高灵敏度、高稳定性、可制造性好的新型麦克风的应用需求。

附图说明

图1(a)-1(e)为本发明的俯视结构示意图；

图2为图1A—A方向上的横截面示意图；

图3为本发明的背视结构示意图；

图4为本发明静态条件下FBAR谐振频率示意图；

图5(a)-图5(g)为本发明主要制作工艺步骤示意图；

其中，附图标记为：1-硅衬底，2-检测元件，3-Si基座，4-弹性膜片，5-空腔，6-SiO₂层，7-Si₃N₄层，8-压电振荡堆，9-焊盘，10-引线，11-底电极，12-压电层，13-顶电极，14-复合弹性支撑层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明：

如图1(a)-1(d)和图2所示，分别为本发明中的俯视结构示意图和侧视结构示意图。

膜片上FBAR结构的微麦克风，包括基底、检测元件2和复合弹性支撑层14，基底位于复合弹性支撑层14下方，检测元件2位于复合弹性支撑层14的上方，复合弹性支撑层14用于支撑检测元件2；基底包括Si基座3与空腔5，Si基座3外形为一长方体，Si基座3的中间设置有喇叭状的通孔，通孔孔径较小的一端位于Si基座3的上表面，Si基座3的上表面紧贴于复合弹性支撑层14的下表面，通孔与复合弹性支撑层14之间形成空腔5；空腔5顶面对应的复合弹性支撑层14的部分为弹性膜片4，空腔5侧面为通孔的内壁，空腔5的底面为开放区域，所述弹性膜片4用于形成振膜，空腔5的顶面和侧面形成声波反射界面；检测元件2包括FBAR、引线10、焊盘9，FBAR通过引线10与焊盘9连接。

对于检测元件2，进一步具体结构和连接关系为：

所述FBAR主要包括有压电振荡堆8，压电振荡堆8位于空腔5上面对应的弹性膜片4上面，即压电振荡堆8位于复合弹性支撑层14上面的应力集中处；压电振荡堆8由下到上依次包括底电极11、压电层12、顶电极13，底电极11设置于弹性膜片4上面，压电层12底面的一部分紧贴底电极11上面，压电层12底面的另一部分向弹性膜片4中心方向包覆底电极11侧面并延伸至弹性膜片4上面，顶电极13底面的一部分紧贴压电层12的上面，顶电极13底面的另一部分向弹性膜片4中心方向包覆压电层12侧面并延伸至弹性膜片4上面。

压电振荡堆8的形状为任意正多边形，可以如图1(a)所示的矩形，也可以如图1(b)所示的正方形或者图1(c)所示的正五边形等；压电振荡堆8在弹性膜片4上分布的位置可以如图1(b)所示靠近弹性膜片4的外边沿处，也可以如图1(d)所述位于弹性膜片4的中间；压电振荡堆8的数量可以如图1(a)所示的四个，也可以如图1(e)所示的两个。压电振荡堆8可以是多个，但至少有一个。

图3为本发明的背视结构示意图。图3中编号4所指向位置为本发明膜片上FBAR中复合弹性支撑层14的应力集中区，既是弹性膜片4。当声波作用于该区域时弹性膜片4产生振动进而产生应变，使得设置于Si₃N₄层7顶部、工作于纵波模式下FBAR的压电振荡堆8中的压电层12发生变形，从而导致FBAR的谐振频率发生偏移。膜片上FBAR结构的微麦克风应力最大处集中在弹性膜片4边缘，为了使该结构的微麦克风有较好的灵敏度，将检测元件2中的压电振荡堆8设置于该区域上。

表1显示了本发明的初始结构参数：

表1 膜片上FBAR结构的微麦克风初始结构参数

对于膜片上FBAR，压电振荡堆8设置在Si₃N₄层7顶部，其谐振频率随弹性膜片4(或压电振荡堆8中压电层12)中应力变化而偏移的根本原因是FBAR的基频谐振频率主要由压电层12的属性决定，忽略底电极11与顶电极13的影响，可以简单表示为：

$f=\frac{V_z}{2d}---\left(1\right)$

式中，f为FBAR的串联谐振频率，V_z是声波的纵波传播速度，d是压电层12的厚度。由式(1)可知，FBAR的谐振频率与其纵波传播速度有关。而FBAR的纵波声速为：

$V_z=\sqrt{\frac{c_{33}+\frac{{c_{z3}}^2}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}}}{\mathrm{\ρ}}}---\left(2\right)$

式中，c₃₃、e_z3和ε_zz分别为压电层12的弹性系数、压电常数和介电常数，ρ为压电层12的密度。而应力将改变晶胞的晶格常数a、c和晶胞内部参数μ，从而改变了晶胞体积，导致晶胞总能量发生变化，引起压电层12弹性系数c₃₃的改变。故惯性力作用下，弹性膜片4中产生应变，由于压电振荡堆8集成在Si₃N₄层7顶部，应变转移至压电振荡堆8中的压电层12，导致压电层12弹性系数c₃₃改变，最终使薄FBAR谐振频率发生偏移。

图4为本发明空载条件下FBAR谐振频率，m2标记FBAR串联谐振频率，m1标记FBAR的并联谐振频率，分别约为1.5093GHz和1.5281GHz。

图5为本发明膜片上FBAR结构的微麦克风主要制作工艺步骤示意图，包 括5(a)-5(g)七个主要工艺步骤。5(a)为初始的硅衬底1；在5(b)中，通过干-湿-干氧化在硅衬底1上表面形成一层SiO₂层6；在5(c)中，通过低压化学气相淀积法在SiO₂层6上表面形成一层Si₃N₄层7，SiO₂层6与Si₃N₄层7构成了复合弹性支撑层14；在5(d)中，通过磁控溅射和超声剥离在Si₃N₄层7上表面形成Pt底电极11；在5(e)中，通过反应磁控溅射和TMAH溶液腐蚀在Pt底电极11上表面形成AlN压电薄膜的压电层12；在5(f)中，通过磁控溅射和湿法腐蚀在AlN压电薄膜的压电层12上表面形成Al顶电极13；在5(g)中，通过深反应离子刻蚀对硅衬底1下表面进行刻蚀，形成Si基座3，同时形成空腔5。

Claims (10)

1.膜片上FBAR结构的微麦克风，其特征在于：包括基底、检测元件和复合弹性支撑层，基底位于复合弹性支撑层下方，检测元件位于复合弹性支撑层的上方，复合弹性支撑层用于支撑检测元件；基底包括Si基座与空腔，Si基座外形为一长方体，Si基座的中间设置有喇叭状的通孔，通孔孔径较小的一端位于Si基座的上表面，Si基座的上表面紧贴于复合弹性支撑层的下表面，通孔与复合弹性支撑层之间形成空腔；空腔顶面对应的复合弹性支撑层的部分为弹性膜片，空腔侧面为通孔的内壁，空腔的底面为开放区域，所述弹性膜片用于形成振膜，空腔的顶面和侧面形成声波反射界面；检测元件包括FBAR、引线、焊盘，FBAR通过引线与焊盘连接。

2.根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的微麦克风，其特征在于：所述FBAR包括有压电振荡堆，压电振荡堆位于空腔上面对应的弹性膜片应力集中部分；压电振荡堆由下到上依次包括底电极、压电层、顶电极，底电极紧贴设置于弹性膜片上面，压电层底面的一部分紧贴底电极上面，压电层底面的另一部分向弹性膜片中心方向包覆底电极侧面并延伸至弹性膜片上面，顶电极底面的一部分紧贴压电层的上面，顶电极底面的另一部分向弹性膜片中心方向包覆压电层侧面并延伸至弹性膜片上面。

3.根据权利要求2所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：所述压电振荡堆的数量≥1。

4.根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的微麦克风，其特征在于：所述引线包括底电极引线与顶电极引线，焊盘包括底电极焊盘与顶电极焊盘，FBAR的底电极通过底电极引线与底电极焊盘连接，FBAR的顶电极通过顶电极引线与顶电极焊盘连接。

5.根据权利要求4所述的膜片上FBAR结构的微麦克风，其特征在于：所述底电极焊盘、顶电极焊盘均设置于Si基座对应支撑的复合弹性支撑层上面。

6.根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的微麦克风，其特征在于：所述检测元件通过三次沉积和图形化工艺形成，具体为：底电极、底电极引线、及底电极焊盘在第一次金属层沉积和图形化时形成；压电层在第二次压电材料沉积和图形化时形成；顶电极、顶引线及顶电极焊盘在第三次金属层沉积和图形化时形成。

7.根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的微麦克风，其特征在于：所述空腔的顶面还用于形成FBAR的声波反射界面。

8.根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的微麦克风，其特征在于：所述复合弹性支撑层包括SiO₂层和Si₃N₄层，SiO₂层与Si基座连接，Si₃N₄层位于SiO₂层上面。

9.根据权利要求8所述的膜片上FBAR结构的微麦克风，其特征在于：所述复合弹性支撑层中的SiO₂层具有正温度系数，通过CVD工艺制备；所述FBAR的压电层具有负温度系数；复合弹性支撑层的弹性膜片的SiO₂层与FBAR的压电层复合，进行温度补偿，用于提高FBAR的温度稳定性。

10.根据权利要求8所述的膜片上FBAR结构的微麦克风，其特征在于：所述复合弹性支撑层中的SiO₂层作为硅衬底背面刻蚀时的自停止层。