CN107425112B - 薄膜声波传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种薄膜声波传感器及其制作方法，其中方法包括：在绝缘体上硅的顶层硅沉积制作电路图形；在绝缘体上硅的背衬底的外表面上制作腐蚀槽图形；对绝缘体上硅的背衬底中腐蚀槽图形投影的区域进行刻蚀；将绝缘体上硅的氧化层中腐蚀槽图形投影的氧化层去除。由于采用绝缘体上硅制作薄膜声波传感器，在顶层硅面沉积制作电路图形，在绝缘体上硅的背衬底的外表面上制作腐蚀槽图形，而后对背衬底中腐蚀槽图形投影的区域进行刻蚀，在刻蚀腐蚀槽时由于绝缘的氧化层有阻挡作用，从而能够减少在刻蚀腐蚀槽时对顶层硅的损坏，使得顶层硅的厚度可控，继而保证薄膜处硅基衬底厚度的一致性，由此提高了薄膜声波传感器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种薄膜声波传感器及其制作方法。
背景技术
Lamb波传感器和硅反面刻蚀型FABR传感器(film bulk acoustic resonator)作为薄膜压电传感器，由于电极和样品测试区域位于薄膜的两侧，便于进行液体样品的测试，广泛应用于生物制药、食品质量、水质安全等多个领域。
理论上，该类传感器薄膜支撑层厚度越薄，质量灵敏度越高。通常基于双抛硅片进行传感器制作时，晶圆通过湿法腐蚀等工艺制作器件的基底厚度一致性难以得到保证。另外湿法腐蚀时如果采用先沉积压电层和电极，后刻蚀腐蚀槽的顺序，则电极和压电层等需要相对复杂的保护工艺，例如氮化铝和铝电极等材料不耐碱溶液，而刻蚀时为加热状态的强碱溶液，对于上述材料具有腐蚀作用。如果采用先湿法腐蚀背面槽结构，则各薄膜层沉积中产生的热应力问题难以避免，并且后续光刻、图形化工艺进行中器件均需要真空吸附，这都加大了器件制作的工艺难度。最后，湿法腐蚀如氢氧化钾等腐蚀溶液在湿法刻蚀硅基底时，存在各向异性腐蚀现象，相比干法刻蚀方法，同一晶圆下传感器制作数量会大大减少。
因此，确保器件的基底厚度一致性成为了亟待解决的问题。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中器件的基底厚度不一致性问题，从而提供一种薄膜声波传感器及其制作方法。
为解决上述技术问题，根据第一方面，本发明实施例提供了一种薄膜声波传感器制作方法，包括：
在绝缘体上硅的顶层硅上沉积制作电路图形；在绝缘体上硅的背衬底的外表面上制作腐蚀槽图形；对绝缘体上硅的背衬底中腐蚀槽图形投影的区域进行刻蚀；将绝缘体上硅的氧化层中腐蚀槽图形投影的氧化层去除。
可选地，在绝缘体上硅的背衬底的外表面上制作腐蚀槽图形之前，还包括：在绝缘体上硅的背衬底的外表面沉积金属掩膜；在绝缘体上硅的背衬底的外表面上制作腐蚀槽图形包括：在沉积在绝缘体上硅的背衬底的外表面的金属掩膜上制作腐蚀槽图形。
可选地，在对绝缘体上硅的背衬底中腐蚀槽图形投影的区域进行刻蚀之后，还包括：去除沉积在绝缘体上硅的背衬底的外表面的金属掩膜。
可选地，对绝缘体上硅的背衬底中腐蚀槽图形投影的区域进行刻蚀，包括：对绝缘体上硅的背衬底中腐蚀槽图形投影的区域进行干法深硅刻蚀。
可选地，在绝缘体上硅的顶层硅上沉积制作电路图形，包括：在绝缘体上硅的顶层硅上沉积压电层；在压电层上沉积电极材料；对电极材料进行腐蚀制作成叉指线条。
可选地，在绝缘体上硅的顶层硅上沉积制作电路图形，包括：在绝缘体上硅的顶层硅上沉积压电层；在压电层上沉积电极材料；对电极材料进行腐蚀制作成一体化结构。
根据第二方面，本发明实施例提供了一种薄膜声波传感器，采用上述第一方面提供的薄膜声波传感器制作方法制备而成。
根据上述实施例提供的薄膜声波传感器及制作方法，由于采用绝缘体上硅制作薄膜声波传感器，在顶层硅面沉积制作电路图形，在绝缘体上硅的背衬底的外表面上制作腐蚀槽图形，而后，对背衬底中腐蚀槽图形投影的区域进行刻蚀，在刻蚀腐蚀槽时由于绝缘的氧化层有阻挡作用，从而能够减少在刻蚀腐蚀槽时对顶层硅的损坏，使得顶层硅的厚度可控，继而保证薄膜处硅基衬底厚度的一致性，由此，可以提高薄膜声波传感器的灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种薄膜声波传感器制作方法流程图。
图2为本发明实施例中一种薄膜声波传感器的一种截面结构示意图；
图3为本发明实施例中一种薄膜声波传感器的另一种截面结构示意图；
图4为本发明实施例中一种薄膜声波传感器的一种三维轴测示意图；
图5为本发明实施例中一种薄膜声波传感器的另一种三维轴测示意图；
图6为本发明实施例中一种干法刻蚀腐蚀槽结构示意图；
图7为本发明实施例薄膜声波传感器制作方法的一种工艺流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
请参考图1，为本实施例公开的一种薄膜声波传感器制作方法，以解决薄膜声波传感器硅基底厚度一致性问题，该方法采用绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)进行制作，该方法包括以下步骤：
S10，在绝缘体上硅的顶层硅上沉积制作电路图形。请参考图2和3，在本实施例中，在绝缘体上硅的顶层硅6上沉积一层地电极3材料，如铂，铝，钨，钛或钼等金属，沉积厚度在100nm-300nm；溅射沉积压电层4，材料为氮化铝或氧化锌，厚度在50nm-3μm之间；对压电层所在的部分区域用干法或湿法腐蚀，露出地电极3，后续进行电极2信号的引出；沉积上电极1材料，如铂，铝，金或钼等金属。在具体实施例中，上电极1和电极2可以采用电子束蒸发或者溅射沉积而成，具体上电极1图形可以采用例如湿法腐蚀或剥离工艺制作。
S20，在绝缘体上硅的背衬底的外表面上制作腐蚀槽图形。在本实施例中，可以在SOI背衬底8的底面制作腐蚀槽图形，腐蚀槽图形可以根据具体的腐蚀槽形状在背衬底硅8上的投影确定。
S30，对绝缘体上硅的背衬底中腐蚀槽图形投影的区域进行刻蚀。在本实施例中，背衬底8的硅厚度在300-525μm之间，对背衬底8硅部分进行例如干法深硅工艺(Deepreactive ion etching，DRIE)刻蚀，形成腐蚀槽7，如图2、图3和图6所示。在具体实施例中，采用感应耦合等离子体(Inductively Couple Plasma Emission Spectrometer，ICP)进行刻蚀时，按照范围内刻蚀速率，控制刻蚀时间，直到SOI中间绝缘氧化层二氧化硅即将或者已经出现时刻蚀停止。由于采用干法刻蚀，腐蚀槽7的边缘线9可保持较高的垂直度，例如角度可达到89°以上。
S40，将绝缘体上硅的氧化层中腐蚀槽图形投影的氧化层去除。在本实施例中，采用氢氟酸去除二氧化硅。
本实施例提供的薄膜声波传感器制作方法，由于采用绝缘体上硅制作薄膜声波传感器，在顶层硅面沉积制作电路图形，在绝缘体上硅的背衬底的外表面上制作腐蚀槽图形，而后，对背衬底中腐蚀槽图形投影的区域进行刻蚀，在刻蚀腐蚀槽时由于绝缘的氧化层有阻挡作用，从而能够减少在刻蚀腐蚀槽时对顶层硅的损坏，使得顶层硅的厚度可控，继而保证薄膜处硅基衬底厚度的一致性，由此，可以提高薄膜声波传感器的灵敏度。
在可选的实施例中，在执行步骤S20之前，还包括：
步骤S11，在绝缘体上硅的背衬底的外表面沉积金属掩膜。在具体实施例中，铝掩膜对硅有良好的附着性，因此，本实施例金属可以选用铝掩膜，有效保护衬底硅不需刻蚀的部分。在其它实施例中，也可以选用其它的金属掩膜，例如铬掩膜或不锈钢掩膜等。
本实施例中，执行步骤S20时，在绝缘体上硅的背衬底的外表面上制作腐蚀槽图形包括：在沉积在绝缘体上硅的背衬底的外表面的金属掩膜上制作腐蚀槽图形。
在具体实施例中，在执行步骤30之后，还包括：
步骤S31，去除沉积在绝缘体上硅的背衬底的外表面的金属掩膜。具体地，金属掩膜为铝掩膜时，可以通过例如氢氟酸来去除铝掩膜，当然，也可以通过其它能够去除铝掩膜的材料来去除铝掩膜。
在可选的实施例中，在执行步骤30之前，还包括：
步骤S21，对电路图形旋涂光刻胶并烘干。在本实施例中，采用光刻胶例如AZ9260旋涂在电路图形上，保护电路图形。并且在执行步骤S40之后，去除光刻胶，具体地，可以采用丙酮乙醇去除光刻胶AZ9260。
需要说明的是，本实施例中，步骤S31和步骤S40的执行顺序不分先后。
作为可选的实施例，在执行步骤S10时，在绝缘体上硅的顶层硅上沉积制作电路图形包括：在绝缘体上硅的顶层硅上沉积压电层4；在压电层上沉积电极材料；对电极材料进行腐蚀制作成叉指线条。具体地，请参考图2和图4，在绝缘体上硅的顶层硅6上沉积一层地电极3材料，如铂，铝，钨，钛或钼等金属，沉积厚度在100nm-300nm；溅射沉积压电层4，材料为氮化铝或氧化锌，厚度在50nm-3μm之间；对压电层采的部分区域用干法或湿法腐蚀，露出地电极3，后续进行电极2信号的引出；沉积上电极1材料，如铂，铝，金或钼等金属。上电极1图形可以采用例如湿法腐蚀等现有工艺制作成叉指线条，制成一种基于SOI的Lamb波传感器。
作为可选的实施例，在执行步骤S10时，在绝缘体上硅的顶层硅上沉积制作电路图形包括：在绝缘体上硅的顶层硅上沉积压电层4；在压电层上沉积电极材料；对电极材料进行腐蚀制作成一体化结构。具体地，请参考图3和图5，在绝缘体上硅的顶层硅6上沉积一层地电极3材料，如铂，铝，钨，钛或钼等金属，沉积厚度在100nm-300nm；溅射沉积压电层4，材料为氮化铝或氧化锌，厚度在50nm-3μm之间；对压电层采的部分区域用干法或湿法腐蚀，露出地电极3，后续进行电极2信号的引出；沉积上电极1材料，如铂，铝，金或钼等金属。上电极1图形可以采用例如湿法腐蚀等现有工艺制作成一体化结构，制成一种基于SOI的FBAR传感器。
本实施例还公开了一种薄膜声波传感器，请参考图2和图4，为该薄膜声波传感器的一种结构示意图，该薄膜声波传感器包括：叉指电极1、地电极3、引出地电极信号的电极2、压电层4、顶层硅6、二氧化硅5、背衬底8和腐蚀槽7，本实施例公开的薄膜声波传感器采用上述实施例公开的薄膜声波传感器制作方法制备而成。本实施例中，在顶层硅上沉积制作电路图形时，对电极材料进行腐蚀制作成叉指线条，从而形成一种基于SOI硅片的Lamb波传感器。
请参考图3和图5，为本实施例薄膜声波传感器的另一种结构示意图，该薄膜声波传感器包括：块状电极12、地电极3、引出地电极信号的电极2、压电层4、顶层硅6、二氧化硅5、背衬底8和腐蚀槽7，本实施例公开的薄膜声波传感器采用上述实施例公开的薄膜声波传感器制作方法制备而成。本实施例中，在顶层硅上沉积制作电路图形时，对电极材料进行腐蚀制作成一体化结构，从而形成一种基于SOI硅片的硅反面刻蚀型FBAR传感器。
为便于本领域技术人员理解，请参考图7，为本实施例薄膜声波传感器制作方法的一种工艺流程示意图：对SOI硅片进行清洗，先制作顶层硅一侧电极沉积及图形化：沉积地电极材料、沉积压电层材料、压电层图形化、沉积上电极材料、上电极图形化，后制作背衬底一侧的刻蚀工艺：底层硅沉积铝掩膜、电极层一侧保护、铝掩膜图形化、底层硅深硅刻蚀、去除氧化层和铝、晶圆划片。
本实施例提供的薄膜声波传感器及制作方法，由于采用绝缘体上硅制作薄膜声波传感器，在顶层硅面沉积制作电路图形，在绝缘体上硅的背衬底的外表面上制作腐蚀槽图形，而后，对背衬底中腐蚀槽图形投影的区域进行刻蚀，在刻蚀腐蚀槽时由于绝缘的氧化层有阻挡作用，从而能够减少在刻蚀腐蚀槽时对顶层硅的损坏，使得顶层硅的厚度可控，继而保证薄膜处硅基衬底厚度的一致性，由此，可以提高薄膜声波传感器的灵敏度。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种薄膜声波传感器制作方法，其特征在于，包括：
在绝缘体上硅的顶层硅上沉积制作电路图形；
在绝缘体上硅的背衬底的外表面上制作腐蚀槽图形；
对所述绝缘体上硅的背衬底中所述腐蚀槽图形投影的区域进行刻蚀；
将绝缘体上硅的氧化层中所述腐蚀槽图形投影的氧化层去除；
在所述对所述绝缘体上硅的背衬底中所述腐蚀槽图形投影的区域进行刻蚀之前，还包括：
对所述电路图形一侧旋涂光刻胶并烘干。
2.根据权利要求1所述的薄膜声波传感器制作方法，其特征在于，在所述在绝缘体上硅的背衬底的外表面上制作腐蚀槽图形之前，还包括：
在所述绝缘体上硅的背衬底的外表面沉积金属掩膜；
所述在绝缘体上硅的背衬底的外表面上制作腐蚀槽图形包括：
在沉积在绝缘体上硅的背衬底的外表面的所述金属掩膜上制作腐蚀槽图形。
3.根据权利要求2所述的薄膜声波传感器制作方法，其特征在于，在所述对所述绝缘体上硅的背衬底中所述腐蚀槽图形投影的区域进行刻蚀之后，还包括：
去除沉积在绝缘体上硅的背衬底的外表面的所述金属掩膜。
4.根据权利要求1所述的薄膜声波传感器制作方法，其特征在于，所述对所述绝缘体上硅的背衬底中所述腐蚀槽图形投影的区域进行刻蚀，包括：对所述绝缘体上硅的背衬底中所述腐蚀槽图形投影的区域进行干法深硅刻蚀。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的薄膜声波传感器制作方法，其特征在于，所述在绝缘体上硅的顶层硅上沉积制作电路图形，包括：
在绝缘体上硅的顶层硅上沉积下电极层；
在绝缘体上硅的顶层硅上沉积压电层；
在所述压电层上沉积电极材料；
对所述电极材料进行腐蚀或剥离工艺制作成叉指线条。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的薄膜声波传感器制作方法，其特征在于，
在绝缘体上硅的顶层硅上沉积下电极层；
在绝缘体上硅的顶层硅上沉积压电层；
在所述压电层上沉积电极材料；
对所述电极材料进行腐蚀制作成一体化结构。
7.一种薄膜声波传感器，其特征在于，采用如权利要求1-6任意一项所述的薄膜声波传感器制作方法制备而成。
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