CN111180573B - 十字形板状mems压电指向性传感芯片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种十字形板状结构的MEMS压电指向性传感芯片的制备方法。包括加工基底层、压电弹性复合支撑结构、十字形板状结构、及支撑件。每个压电弹性复合支撑结构被设计在对应的位置。这种十字形板状结构的MEMS压电指向性传感芯片的制备方法，工艺稳定性好，可行性强，成品率高。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域，具体涉及一种十字形板状MEMS压电指向性传感芯片的制备方法。
背景技术
声场中声信号的信息主要由声压与声源位置组成。因此，要完整的描述一个声场，将同时需要声压和声源位置两种参量。目前对于声场声压的测量技术已经非常成熟，如丹麦的B&K和G.R.A.S.等公司都有一系列商业化的声压传声器。而对于声场声源位置的测量，目前主要有两种测量手段，一种是间接测量手段，通过两个具有一定距离的声压传感器，通过测量两者接收到信号的时间差来最终确定声源位置，该方法会受限于声压传声器之间的相位一致性和物理距离等条件，在低频测量时要求传声器的物理间距较大，这也就使得测量系统尺寸难以实现小型化；另外一种则是直接测量手段，20世纪90年代，荷兰特温特大学H-E.de Bree博士等人提出了一种新的声学传感器—微流量传感器(Microflown)，即MEMS指向传声器。该传感器可以直接测量空气声场中信号的声源位置。但目前，MEMS指向传声器多为单方向的检测元件，仅有的一种可以同时测三维位置的元件测量方向角精度并不理想。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种十字形板状MEMS压电指向性传感芯片的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、清洗SOI基片；
分别利用酸性清洗液和碱性清洗液对SOI基片进行煮沸清洗，然后用去离子水进行去离子清洗，最后将SOI基片用氮气吹干；所述SOI基片包括由下到上布置的SOI基底层、SOI氧化层和SOI硅层；
步骤2、沉积绝缘氧化层；
在所述SOI硅层的上表面和SOI基底层的下表面分别沉积绝缘氧化层；
步骤3、制备十字形板状结构；
在SOI硅层上表面的绝缘氧化层上刻蚀十字形图形后沉积氮化硅层，利用标准化工艺，形成图形化光刻胶，利用掩膜和离子刻蚀法刻蚀氮化硅层表面，去除多余的氮化硅层后形成十字形板状结构；
步骤4、制备底电极；
利用真空蒸镀方法在步骤3所述的绝缘氧化层上表面沉积铝膜，利用标准化工艺，形成图形化光刻胶，作为掩膜利用化学方法腐蚀铝膜，使铝膜图形化后去除多余的铝膜，形成底电极；
步骤5、制备压电层；
在底电极的上表面沉积压电材料膜，利用标准化工艺，形成图形化光刻胶，作为掩膜，利用化学方法腐蚀压电材料膜，使压电材料膜图形化后形成压电层；
步骤6、制备顶电极；
在所述压电层上表面涂覆光刻胶，进行曝光、显影后，在光刻胶上形成顶电极的反图形后，沉积铝膜，然后去除光刻胶及多余铝膜，得到图形化的顶电极；
步骤7、形成SOI基片空腔；
在SOI基底层下表面的绝缘氧化层的下表面沉积光刻胶，并利用标准化工艺，形成图形化光刻胶，使光刻胶图形化，刻蚀下表面绝缘氧化层，该刻蚀后的绝缘氧化层与光刻胶组成体刻蚀掩膜，对SOI基底层由外向内进行干法刻蚀，形成SOI基片空腔；
步骤8、制备支撑层铝膜；
利用电子束蒸发方法在所述空腔的内表面上镀狭缝刻蚀的支撑层铝膜；
步骤9、采用等离子体ICP刻蚀方法，刻蚀出狭缝，将十字形板状结构同压电弹性复合支撑结构分区，所述的压电弹性复合支撑结构包括从上到下依次排列的顶电极、压电层、底电极、绝缘氧化层和SOI硅层；
步骤10、去除光刻胶、SOI基底层下表面绝缘氧化层、支撑层铝膜和位于空腔内的SOI氧化层，清洗烘干，也可保留SOI基底层下表面绝缘氧化层；
步骤11、利用LIGA技术制备形成基片支撑结构，并与外壳一同封装，完成传感芯片制备。
本发明还提供了另一种十字形板状MEMS压电指向性传感芯片的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、清洗硅基片；
分别利用酸性清洗液和碱性清洗液对硅基片进行煮沸清洗，然后用去离子水进行去离子清洗，最后将硅基片用氮气吹干；
步骤2、沉积绝缘氧化层；
在硅基片的上、下表面分别沉积绝缘氧化层；
步骤3、制备支撑结构
在硅基片上表面的绝缘氧化层上表面涂覆光刻胶并图形化，利用干法刻蚀法由硅基片上表面往下刻蚀，形成中央具有支撑结构上半部分的空腔；
步骤4、填充牺牲层；
利用化学气相沉积方法在空腔中沉积牺牲层，利用cmp技术进行化学机械抛光，将高出绝缘氧化层的牺牲层去除，直至牺牲层高度与硅基片上表面的绝缘氧化层齐平；
步骤5、硅层沉积
利用pecvd方法在步骤4所形成结构的上表面沉积硅，形成硅层；
步骤6、制备十字形板状结构；
利用pecvd方法在步骤5的硅层上表面沉积氮化硅，形成氮化硅层，利用标准化工艺，形成图形化光刻胶，利用掩膜和离子刻蚀法刻蚀氮化硅层，去除多余的氮化硅层，形成十字形板状结构；
步骤7、制备底电极；
利用真空蒸镀方法在步骤6所述的硅层上表面沉积铝膜，利用标准化工艺，形成图形化光刻胶，作为掩膜利用化学方法腐蚀铝膜，使铝膜图形化后去除多余的铝膜，形成底电极；
步骤8、制备压电层；
在底电极的上表面沉积掺钒氧化锌膜，利用标准化工艺，形成图形化光刻胶，作为掩膜利用化学方法腐蚀掺钒氧化锌膜，使掺钒氧化锌膜图形化后形成压电层；
步骤9、制备顶电极；
在所述压电层上表面涂覆光刻胶，进行曝光、显影后，在光刻胶上形成顶电极的反图形后，沉积铝膜，然后去除多余铝膜，得到图形化的顶电极；
步骤10、采用等离子体ICP刻蚀方法，刻蚀出狭缝，将十字形板状结构同压电弹性复合支撑结构分区；所述的压电弹性复合支撑结构包括从上到下依次排列的顶电极、压电层、底电极、氮化硅层和硅层；
步骤11、形成硅基片背部空腔；
在硅基片下表面的绝缘氧化层的下表面沉积光刻胶，并利用标准化工艺，形成图形化光刻胶，利用化学方法刻蚀下表面绝缘氧化层，该刻蚀后的绝缘氧化层与光刻胶组成体刻蚀掩膜，对硅基片由外向内进行干法刻蚀，保留与步骤3上部支撑结构相对应的下部支撑结构，形成中央具有支撑结构的硅基片背部空腔；
步骤12、腐蚀掉硅基片牺牲层以及下表面剩余的体刻蚀掩膜或仅去除光刻胶，清洗烘干，完成传感器芯片的制备。
本发明的有益效果为：本发明所提供的传感芯片的制备方法工艺稳定性好，可行性强，成品率高。
附图说明
图1为本发明的一种十字形MEMS压电指向传声器封装后的示意图；
图2为采用的SOI基片的剖面图；
图3为沉积绝缘氧化层后的剖面图；
图4为沉积氮化硅层后的剖面图；
图5为制备压电弹性复合支撑结构后的剖面图；
图6为刻蚀基片空腔后的剖面图；
图7为沉积支撑层铝层后的剖面图；
图8为各结构分离后的剖面图；
图9为未封装前传感芯片的剖面图；
图10为硅基片剖面图；
图11为沉积绝缘氧化层后的剖面图；
图12为干法刻蚀上部空腔后的剖面图；
图13为填充牺牲层后的剖面图；
图14为沉积硅层后的剖面图；
图15为沉积氮化硅层后的剖面图；
图16为制备压电弹性复合支撑结构后的剖面图；
图17为各结构分离后的剖面图；
图18为刻蚀背部空腔后的剖面图；
图19为封装前的传感芯片剖面图；
图20为体刻蚀掩模版示意图，中间叉形结构为支撑结构中的加强结构。
附图标识：
1、SOI硅层 2、SOI氧化层
3、SOI基底层 4、绝缘氧化层
5、光刻胶复合膜 6、支撑层铝膜
7、氮化硅层 8、底电极
9、压电层 10、顶电极
11、硅基片 12、绝缘氧化层
13、牺牲层 14、硅层
15、氮化硅层 16、底电极
17、压电层 18、顶电极
具体实施方式
下面将参照附图对本发明进行详细说明。
实施例1
一种十字形板状MEMS压电指向性传感芯片的制备方法，步骤如下：
1)清洗基片SOI硅片；
分别利用酸性清洗液和碱性清洗液对SOI硅片进行煮沸清洗，然后用去离子水进行去离子清洗，最后将SOI硅片用氮气吹干。图2为芯片的基片SOI硅片剖面图，如图2所示，SOI硅片包括：SOI基底层3、SOI氧化层2、SOI硅层1；SOI基底层的厚度为100μm；SOI氧化层的厚度为3μm；SOI硅层的厚度为20μm。
2)沉积绝缘氧化层4
在SOI硅层1的上表面和SOI基底层3的下表面利用热氧化炉分别沉积1μm厚的绝缘氧化层4，如图3所示
3)制备十字形板
在绝缘氧化层4的上表面刻蚀图形后沉积5μm的氮化硅层，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、腐蚀液腐蚀复合层、丙酮去除光刻胶等工艺，利用掩膜和离子刻蚀刻蚀氮化硅层表面，形成十字形图形。
3)制备底电极8
利用真空蒸镀方法在所述绝缘氧化层4的上表面沉积铝厚度为0.2μm，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、腐蚀液腐蚀复合层、丙酮去除光刻胶等工艺，使复合层图形化，形成底电极8
4)制备压电层9
在下电极6的上表面制备10μm厚的掺钒氧化锌膜，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、1:10的磷酸：水腐蚀液腐蚀掺钒氧化锌膜、丙酮去除光刻胶等工艺，使掺钒氧化锌膜图形化，形成压电层9。
5)采用剥离工艺制备顶电极10
在硅基片正面涂覆光刻胶，进行曝光、显影后，在光刻胶上形成顶电极的反图形，利用真空蒸镀设备沉积铝厚度为0.2μm，最后用丙酮去除光刻胶，得到图形化的顶电极8。其中，正面沉积底电极8、压电层9和顶电极10后的芯片剖面示意图如图5所示。
6)SOI基底层3的释放
对绝缘氧化层4的下表面沉积4μm厚的光刻胶复合膜5，绝缘氧化层4和光刻胶复合膜5组成了体刻蚀掩膜；对体刻蚀掩膜进行双面曝光图形化，如图6所示；再进一步，对SOI基底层由外向内进行干法刻蚀，形成背腔，如图6所示。
7)沉积支撑层铝膜12
利用电子束蒸发方法在背腔的外表面上镀有厚度为2.5μm的狭缝刻蚀的支撑层铝膜6，如图7所示
8)狭缝的刻蚀
在基片SOI硅片的上表面涂覆光刻胶并图形化，对基片正表面进行高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀，形成宽度为1μm的狭缝，如图8所示。
9)各牺牲层、掩膜层释放
在硅片正面涂正性光刻胶，腐蚀背面支撑层铝膜12、绝缘氧化层4、SOI氧化层2以及光刻胶复合膜5，如图9所示，把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。
实施例2
一种十字形板状MEMS压电指向性传感芯片的制备方法，步骤如下：
1)清洗基片硅片；
分别利用酸性清洗液和碱性清洗液对硅基片进行煮沸清洗，然后用去离子水进行去离子清洗，最后将硅基片用氮气吹干，其剖面图如图10。
2)沉积绝缘氧化层4
在硅基片3的上、下表面利用热氧化炉分别沉积1μm厚的绝缘氧化层12，如图11所示。
3)支撑结构刻蚀
在绝缘氧化层12的上表面涂覆光刻胶并图形化。利用干法刻蚀刻蚀空腔，厚度50μm，如图12所示。
4)填充牺牲层
利用化学气相沉积方法在基片上表面沉积50μm牺牲层，其中牺牲层材料可为氧化锌、LTO等材料，并利用CMP技术对基片上表面进行化学机械抛光，使得牺牲层上表面同硅基片上表面一致，如图13所示。
5)硅层沉积
利用pecvd方法在基片上表面沉积硅层20μm，形成硅层14，如图14所示。
6)氮化硅层沉积
利用pecvd方法在多晶硅上表面沉积5μm低应力氮化硅层，形成氮化硅层15，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、腐蚀液腐蚀复合层、丙酮去除光刻胶等工艺，利用掩膜和离子刻蚀刻蚀氮化硅层表面，如图15所示。
7)制备底电极16
利用真空蒸镀方法在所述绝缘氧化层12的上表面沉积铝厚度为0.2μm，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、腐蚀液腐蚀复合层、丙酮去除光刻胶等工艺，使复合层图形化，形成底电极16。
8)制备压电层17
在下电极6的上表面制备10μm厚的掺钒氧化锌膜，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、1:10的磷酸：水腐蚀液腐蚀掺钒氧化锌膜、丙酮去除光刻胶等工艺，使掺钒氧化锌膜图形化，形成压电层17。
9)采用剥离工艺制备顶电极18
在硅基片正面涂覆光刻胶，进行曝光、显影后，在光刻胶上形成上电极的反图形，利用真空蒸镀设备沉积铝厚度为0.2μm，最后用丙酮去除光刻胶，得到图形化的顶电极8。其中，正面沉积底电极16、压电层17和顶电极18后的芯片剖面示意图如图16所示。
10)狭缝的刻蚀
在基片硅片的上表面涂覆光刻胶并图形化，对基片正表面进行高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀，形成宽度为1μm的狭缝，如图17所示。
11)背腔体刻蚀
对绝缘氧化层12的下表面沉积4μm厚的光刻胶复合膜，绝缘氧化层12和光刻胶复合膜组成了体刻蚀掩膜；对体刻蚀掩膜进行双面曝光图形化，再进一步，对硅基片由外向内进行干法刻蚀，形成背腔，如图18所示。
12)各牺牲层、掩膜层释放
在硅片正面涂正性光刻胶，腐蚀绝缘氧化层12下表面、光刻胶复合膜以及牺牲层铝，如图19所示，把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。
上述氮化硅层还可用氧化硅代替，此时，氧化硅层的厚度为0.5～5μm；所述所述压电层的掺钒氧化锌膜还可用氮化铝膜、锆钛酸铅膜、钙钛矿膜以及有机物膜代替，压电层的厚度为0.01～60μm；所述顶电极和底电极的铝膜还可用金/铬复合层、铂/钛复合层代替，当为金/铬复合层时，金的厚度为0.05～0.5μm，铬的厚度为0.01～0.1μm；当为铂/钛复合层时，铂的厚度为0.05～0.5μm，钛的厚度为0.01～0.1μm。
制成后的传感器芯片如图1所示。
以上所述仅是本发明的具体实例，任何基于本发明方法基础的等效变换，如通过两片或多片硅或类硅晶圆键合的方法，均在本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.一种十字形板状MEMS压电指向性传感芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、清洗硅基片；
分别利用酸性清洗液和碱性清洗液对硅基片进行煮沸清洗，然后用去离子水进行去离子清洗，最后将硅基片用氮气吹干；
步骤2、沉积绝缘氧化层；
在硅基片的上、下表面分别沉积绝缘氧化层；
步骤3、制备支撑结构
在硅基片上表面的绝缘氧化层上表面涂覆光刻胶并图形化，利用干法刻蚀法由硅基片上表面往下刻蚀，形成中央具有支撑结构上半部分的空腔；
步骤4、填充牺牲层；
利用化学气相沉积方法在空腔中沉积牺牲层，利用cmp技术进行化学机械抛光，将高出绝缘氧化层的牺牲层去除，直至牺牲层高度与硅基片上表面的绝缘氧化层齐平；
步骤5、硅层沉积
利用pecvd方法在步骤4所形成结构的上表面沉积硅，形成硅层；
步骤6、制备十字形板状结构；
利用pecvd方法在步骤5的硅层上表面沉积氮化硅，形成氮化硅层，利用标准化工艺，形成图形化光刻胶，利用掩膜和离子刻蚀法刻蚀氮化硅层，去除多余的氮化硅层，形成十字形板状结构；
步骤7、制备底电极；
利用真空蒸镀方法在步骤6所述的硅层上表面沉积铝膜，利用标准化工艺，形成图形化光刻胶，作为掩膜利用化学方法腐蚀铝膜，使铝膜图形化后去除多余的铝膜，形成底电极；
步骤8、制备压电层；
在底电极的上表面沉积掺钒氧化锌膜，利用标准化工艺，形成图形化光刻胶，作为掩膜利用化学方法腐蚀掺钒氧化锌膜，使掺钒氧化锌膜图形化后形成压电层；
步骤9、制备顶电极；
在所述压电层上表面涂覆光刻胶，进行曝光、显影后，在光刻胶上形成顶电极的反图形后，沉积铝膜，然后去除多余铝膜，得到图形化的顶电极；
步骤10、采用等离子体ICP刻蚀方法，刻蚀出狭缝，将十字形板状结构同压电弹性复合支撑结构分区；所述的压电弹性复合支撑结构包括从上到下依次排列的顶电极、压电层、底电极、氮化硅层和硅层；
步骤11、形成硅基片背部空腔；
在硅基片下表面的绝缘氧化层的下表面沉积光刻胶，并利用标准化工艺，形成图形化光刻胶，利用化学方法刻蚀下表面绝缘氧化层，该刻蚀后的绝缘氧化层与光刻胶组成体刻蚀掩膜，对硅基片由外向内进行干法刻蚀，保留与步骤3上部支撑结构相对应的下部支撑结构，形成中央具有支撑结构的硅基片背部空腔；
步骤12、腐蚀掉硅基片牺牲层以及下表面剩余的体刻蚀掩膜或仅去除光刻胶，清洗烘干，完成传感器芯片的制备。
2.根据权利要求1所述的传感芯片的制备方法，其特征在于，所述牺牲层的填充方法还通过时间控制其材料厚度，使其同绝缘氧化层厚度一致。
3.根据权利要求1所述的传感芯片的制备方法，其特征在于，所述压电层与顶电极间设有隔离层，所述隔离层材料包括LTO。
4.根据权利要求1所述的传感芯片的制备方法，其特征在于，所述十字形板状结构为单层、多层结构、多孔结构或筋板结构。
5.根据权利要求1所述的传感芯片的制备方法，其特征在于，所述十字形板状结构中心区域填充有吸声材料，所述吸声材料包括吸声橡胶和吸声泡沫。
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