CN110896518B - 一种mems结构的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种制造MEMS结构的方法，包括：在衬底的正面的外围部分形成波浪形凸起和/或凹进；在所述衬底的正面的中间部分形成压电复合振动层，并且露出所述波浪形凸起和/或凹进；在露出的所述波浪形凸起和/或凹进上方共形地形成连接件，所述连接件连接所述衬底和所述压电复合振动层；蚀刻所述衬底的背面以形成空腔，所述压电复合振动层形成在所述空腔正上方。该MEMS结构通过连接件实现了衬底和压电复合振动层的弹性接合，获得了较低的谐振频率,其频率范围是100‑10000Hz。并且该制造方法工艺相对简单，易于实现，提高了产品的生产效率。

Description

一种MEMS结构的制造方法
技术领域
本申请涉及微机电系统领域，具体来说，涉及一种MEMS(MicroelectroMechanical Systems的简写，即微机电系统)结构的制造方法。
背景技术
MEMS传声器(麦克风)主要包括电容式和压电式两种。MEMS压电传声器是利用微电子机械系统技术和压电薄膜技术制备的传声器，由于采用半导体平面工艺和体硅加工等技术，所以其尺寸小、体积小、一致性好。同时相对于电容传声器还有不需要偏置电压，工作温度范围大，防尘、防水等优点，但其灵敏度比较低，制约着MEMS压电传声器的发展。
针对相关技术中如何提高压电式MEMS结构的灵敏度的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中灵敏度较低的问题，本申请提出一种MEMS结构的制造方法，能够有效提高灵敏度。
本申请的技术方案是这样实现的：
根据本申请的一个方面，提供了一种制造MEMS结构的方法，包括：
在衬底的正面的外围部分形成波浪形凸起和/或凹进；
在所述衬底的正面的中间部分形成压电复合振动层，并且露出所述波浪形凸起和/或凹进；
在露出的所述波浪形凸起和/或凹进上方共形地形成连接件，所述连接件连接所述衬底和所述压电复合振动层；
蚀刻所述衬底的背面以形成空腔，所述压电复合振动层形成在所述空腔正上方。
其中，所述压电复合振动层的区域面积小于所述空腔的区域面积，形成所述压电复合振动层的方法包括：
在所述衬底上沉积支撑材料形成振动支撑层；
在所述振动支撑层上沉积第一电极材料，图案化所述第一电极材料以形成第一电极层，并且露出部分所述振动支撑层；
在所述第一电极层上方沉积形成压电材料，并且图案化所述压电材料以形成第一压电层；
在所述第一压电层上方沉积形成第二电极材料，并且图案化所述第二电极材料以形成第二电极层。
其中，在所述衬底上方、所述波浪形凸起和/或凹进上方、露出的所述振动支撑层的侧壁和上方共形地形成所述连接件，使得所述连接件具有波浪形褶皱，其中，所述波浪形褶皱位于所述压电复合振动层的外围。
其中，在形成压电复合振动层之前，在形成所述波浪形凸起和/或凹进之后，在所述衬底上方和所述波浪形凸起和/或凹进上方形成蚀刻停止层。
其中，在蚀刻所述衬底的背面以形成所述空腔的步骤中，蚀刻所述衬底的背面以及所述波浪形褶皱正下方的衬底材料直至到达所述蚀刻停止层，之后去除所述蚀刻停止层，所述波浪形褶皱位于所述空腔的上方。
其中，在所述第二电极层上方沉积形成所述质量块，所述质量块的密度大于氮化硅的密度。
其中，所述第一电极层和所述第二电极层具有至少两个相互隔离的分区，相互对应的所述第一电极层和所述第二电极层的分区构成电极层对，多个所述电极层对依次串联。
其中，所述振动支撑层包括氮化硅、氧化硅、单晶硅、多晶硅构成的单层或者多层复合膜结构；所述第一压电层包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅或钙钛矿型压电膜中的一层或多层。
其中，所述连接件的材料包括聚酰亚胺薄膜、聚对二甲苯。
其中，通过光刻和蚀刻工艺形成所述波浪形凸起和/或凹进。
综上，本申请提供了一种MEMS结构的制造方法，该MEMS结构通过连接件实现了衬底和压电复合振动层的弹性接合，获得了较低的谐振频率, 其频率范围是100-10000Hz。MEMS结构通过在谐振频率附近工作，获得高的灵敏度，起到有效的唤醒作用。并且该制造方法工艺相对简单，易于实现，提高了产品的生产效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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和图2示出了根据一些实施例提供的MEMS结构的立体图和剖面立体图；
图3至图7示出了根据一些实施例提供的制造MEMS结构的方法的中间阶段的示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参见图1和图2，根据本申请的实施例，提供了一种MEMS结构。该MEMS 结构包括：衬底10，具有空腔12；压电复合振动层20，形成在空腔12的正上方；连接件40，形成在衬底10上方并且连接衬底10和压电复合振动层20。该MEMS结构降低了谐振频率，并且具有较高的灵敏度。该MEMS结构的详细内容将在制造方法中详细说明。
并且本申请还提供了相应的MEMS结构的制造方法，该MEMS结构的制造方法包括以下步骤：
步骤S101，参见图3，在衬底10的正面的外围部分形成波浪形凸起和 /或凹进11。在一些实施例中，可以通过光刻和蚀刻工艺形成波浪形凸起和/或凹进11。具体的，衬底10包括硅或任何合适的硅基化合物或衍生物(例如硅晶片、SOI、SiO2)。在一些实施例中，从俯视图看，波浪形凸起和/或凹进11呈封闭环形。
步骤S102，在衬底10上方和波浪形凸起和/或凹进11上方形成蚀刻停止层(图中未示出)。可以采用沉积或热氧化法形成蚀刻停止层。蚀刻停止层的材料包括二氧化硅。
步骤S103，参见图4，在衬底10的正面的中间部分形成压电复合振动层20，并且露出波浪形凸起和/或凹进11。具体的，形成压电复合振动层 20的方法包括：
在衬底10上沉积支撑材料形成振动支撑层21。振动支撑层21包括氮化硅(Si3N4)、氧化硅、单晶硅、多晶硅构成的单层或者多层复合膜结构或其他合适的支撑材料。考虑到控制振动支撑层21的应力问题，可以将振动支撑层21设置为多层结构以减小应力。形成振动支撑层21的方法包括热氧化法或化学气相沉积法。在一些实施例中，形成振动支撑层21的步骤可以跳过或省略。
在振动支撑层21上沉积第一电极材料，图案化第一电极材料以形成第一电极层22，并且露出部分振动支撑层21。第一电极层22的区域面积小于振动支撑层21的区域面积。
在第一电极层22上方沉积形成压电材料，并且图案化压电材料以形成第一压电层23。在一些实施例中，第一压电层23的材料包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅、钙钛矿型压电膜中的一层或多层，或其他合适的材料。形成第一压电层23的方法包括磁控溅射法、沉积或其他合适的方法。
在第一压电层23上方沉积形成第二电极材料，并且图案化第二电极材料以形成第二电极层24。第一电极层22和第二电极层24的材料包括铝、金、铂、钼、钛、铬以及它们组成的复合膜或其他合适的材料。形成第一电极层22和第二电极层24的方法包括物理气相沉积或其他合适的方法。
在此实施例中，第一电极层22、第一压电层23和第二电极层24构成压电复合层。第一压电层23可将施加的压力转换成电压，第一电极层22 和第二电极层24可将所产生的电压传送至其他集成电路器件。第一电极层22和第二电极层24具有至少两个相互隔离的分区，相互对应的第一电极层22和第二电极层24的分区构成电极层对，多个电极层对依次串联。
步骤S104，在第二电极层24上方形成第二压电层(图中未示出)，在第二压电层上方形成第三电极层(图中未示出)。第二压电层的材料包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅、钙钛矿型压电膜中的一层或多层，或其他合适的材料。第二压电层的材料和形成方法与第一压电层23 的材料和形成方法可以相同，也可以不同。第三电极层的材料包括铝、金、铂、钼、钛、铬以及它们组成的复合膜或其他合适的材料。第三电极层的材料和形成方法与第一电极层22的材料和形成方法可以相同，也可以不同。并且，在此实施例中，MEMS结构的压电复合层具有第一电极层22、第一压电层23、第二电极层24、第二压电层和第三电极层，从而构成了双晶片结构，提高了MEMS结构的压电转换效率。在没有设置振动支撑层21的实施例中，可以在第二电极层24上方依次形成第二压电层和第三电极层。在一些实施例中，该步骤S104可以省略或跳过。值得注意的是，在本申请所示的实施例中，压电复合振动层20包括振动支撑层21、第一电极层22、第一压电层23和第二电极层24。
步骤S105，在压电复合振动层20的中间区域形成质量块30，从而有助于降低压电复合振动层20的谐振频率，增加MEMS结构的灵敏度。质量块30的密度大于氮化硅的密度。质量块30的厚度范围是0.1-100微米。质量块30的面积小于或等于中间区域的面积。具体的是，质量块30的密度大于3.2kg/dm3。质量块30的材料可以包括钨、金、银等金属。具体的，在本申请的实施例中，质量块30形成在第二电极层24上方。
步骤S106，参见图5，在露出的波浪形凸起和/或凹进11上方共形地形成连接件40。连接件40的厚度范围是0.01-20微米。具体的，在衬底 10上方、波浪形凸起和/或凹进11上方、露出的振动支撑层21的侧壁和上方共形地形成连接件40，使得连接件40具有波浪形褶皱，其中，波浪形褶皱位于压电复合振动层20的外围。换句话说，连接件40的第一端连接在衬底10上方，连接件40的第二端连接在露出的振动支撑层21上方。连接件40的材料包括聚酰亚胺薄膜、聚对二甲苯。而且，连接件40的厚度小于压电复合振动层20的厚度。可以通过旋涂、喷涂、提拉等方法形成连接件40。
步骤S107，参见图6，蚀刻衬底10的背面以形成空腔12，压电复合振动层20形成在空腔12正上方，并且压电复合振动层20的区域面积小于空腔12的区域面积。
在一些实施例中，在蚀刻衬底10的背面以形成空腔12的步骤中，蚀刻衬底10的背面以及波浪形褶皱正下方的衬底10材料直至到达蚀刻停止层，之后去除蚀刻停止层，使得波浪形褶皱位于空腔12的上方。在蚀刻停止层的材料是二氧化硅的实施例中，可以通过DRIE(Deep Reactive Ion Etching的缩写，即深反应离子蚀刻)或湿法蚀刻来形成空腔12，并且去除波浪形褶皱下方的衬底10材料，然后可以采用氢氟酸来去除蚀刻停止层。
在一些实施例中，参见图7，可以在质量块30的正下方和空腔12之间保留衬底10的部分材料13。该保留的衬底10的部分材料13也可以用于进一步调节压电复合振动层20的谐振频率。因此，压电复合振动层20 下部的空腔12包括第一深度的第一区域和第二深度的第二区域，其中，第二区域保留衬底10的部分材料13，第二深度小于第一深度。保留的衬底 10的部分材料13的厚度大于1um直至与衬底10的厚度相等。
可以通过以下步骤来形成保留的衬底10的部分材料13，例如：
可以将第一区域和第二区域的衬底10蚀刻至相同深度，之后利用掩模层掩蔽保护第二区域的衬底10并且继续蚀刻第一区域的衬底10直至到达衬底10上方的层,从而获得保留的衬底10的部分材料13。
或者可以利用掩模层掩蔽保护第二区域的衬底10并蚀刻第一区域和第二区域的衬底10以将衬底10蚀刻至不同深度，直至蚀刻第一区域的衬底10到达衬底10上方的层。此处利用了掩模层和衬底10之间不同的蚀刻速率，从而获得保留的衬底10的部分材料13。
在一些实施例中，MEMS结构中可以不形成质量块30，但是形成保留的衬底10的部分材料13。或者在一些实施例中，MEMS结构可以不形成保留的衬底10的部分材料13，而是形成质量块30。或者MEMS结构同时具有质量块30和保留的衬底10的部分材料13。
综上，本申请提供了一种MEMS结构及其制造方法，该MEMS结构通过连接件40实现了衬底10和压电复合振动层20的弹性接合，获得了较低的的谐振频率,其频率范围是100-10000Hz。MEMS结构通过在谐振频率附近工作，获得高的灵敏度，起到有效的唤醒作用。并且该制造方法工艺相对简单，易于实现，提高了产品的生产效率。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种制造MEMS结构的方法，其特征在于，包括：
在衬底的正面的外围部分形成波浪形凸起和/或凹进；
在所述衬底的正面的中间部分形成压电复合振动层，并且露出所述波浪形凸起和/或凹进；在露出的所述波浪形凸起和/或凹进上方共形地形成连接件，所述连接件连接所述衬底和所述压电复合振动层；
蚀刻所述衬底的背面以形成空腔，所述压电复合振动层形成在所述空腔正上方；
其中，所述压电复合振动层的区域面积小于所述空腔的区域面积，形成所述压电复合振动层的方法包括：
在所述衬底上沉积支撑材料形成振动支撑层；
在所述振动支撑层上沉积第一电极材料，图案化所述第一电极材料以形成第一电极层，并且露出部分所述振动支撑层；
在所述第一电极层上方沉积形成压电材料，并且图案化所述压电材料以形成第一压电层；
在所述第一压电层上方沉积形成第二电极材料，并且图案化所述第二电极材料以形成第二电极层；
其中，在所述衬底上方、所述波浪形凸起和/或凹进上方、露出的所述振动支撑层的侧壁和上方共形地形成所述连接件，使得所述连接件具有波浪形褶皱，其中，所述波浪形褶皱位于所述压电复合振动层的外围。
2.根据权利要求1所述的制造MEMS结构的方法，其特征在于，在形成压电复合振动层之前，在形成所述波浪形凸起和/或凹进之后，在所述衬底上方和所述波浪形凸起和/或凹进上方形成蚀刻停止层。
3.根据权利要求2所述的制造MEMS结构的方法，其特征在于，在蚀刻所述衬底的背面以形成所述空腔的步骤中，蚀刻所述衬底的背面以及所述波浪形褶皱正下方的衬底材料直至到达所述蚀刻停止层，之后去除所述蚀刻停止层，所述波浪形褶皱位于所述空腔的上方。
4.根据权利要求1所述的制造MEMS结构的方法，其特征在于，在所述第二电极层上方沉积形成所述质量块，所述质量块的密度大于氮化硅的密度。
5.根据权利要求1所述的制造MEMS结构的方法，其特征在于，所述第一电极层和所述第二电极层具有至少两个相互隔离的分区，相互对应的所述第一电极层和所述第二电极层的分区构成电极层对，多个所述电极层对依次串联。
6.根据权利要求1所述的制造MEMS结构的方法，其特征在于，所述振动支撑层包括氮化硅、氧化硅、单晶硅、多晶硅构成的单层或者多层复合膜结构；所述第一压电层包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅或钙钛矿型压电膜中的一层或多层。
7.根据权利要求1所述的制造MEMS结构的方法，其特征在于，所述连接件的材料包括聚酰亚胺薄膜、聚对二甲苯。
8.根据权利要求1所述的制造MEMS结构的方法，其特征在于，通过光刻和蚀刻工艺形成所述波浪形凸起和/或凹进。
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