CN111405442A - 一种mems结构 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种MEMS结构，包括：衬底，包括外环体和设置于所述外环体内并且与所述外环体连接的支撑板，其中，所述支撑板和所述外环体之间具有空腔；压电复合振动层，形成在所述衬底上方，所述压电复合振动层包括与所述支撑板连接的固定端和悬置于所述空腔上方的自由端。因此，相比于MEMS结构中不含有支撑板的技术方案，本申请通过设置一个或多个支撑板，缩短了悬臂梁从固定端到自由端的长度，从而降低了压电复合振动层的膜片翘曲的几率。而且降低了MEMS结构的工艺难度，提高了成品率和器件的稳定性。另外，压电复合振动层中的多个悬臂梁结构有效地提高了灵敏度。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，具体来说，涉及一种MEMS(MicroelectroMechanical Systems的简写，即微机电系统)结构。
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。而且，MEMS压电传声器的膜片尺寸较大时容易造成膜片翘曲。
针对相关技术中如何提高压电式MEMS结构的灵敏度低和膜片容易翘曲的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本申请提出一种MEMS结构，能够提高灵敏度和降低膜片翘曲的几率。
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MEMS结构，包括：
衬底，包括外环体和设置于所述外环体内并且与所述外环体连接的支撑板，其中，所述支撑板和所述外环体之间具有空腔；
压电复合振动层，形成在所述衬底上方，所述压电复合振动层包括与所述支撑板连接的固定端和悬置于所述空腔上方的自由端。
其中，所述支撑板从所述外环体向所述外环体的中心延伸，所述压电复合振动层包括一个或多个膜片，每个所述膜片的固定端连接于所述支撑板，每个所述膜片的自由端悬置于所述空腔上方。
其中，相邻所述膜片的固定端不同。
其中，至少两个相邻所述膜片的固定端相同。
其中，每个所述膜片的自由端在振动方向上的投影轮廓位于对应的所述空腔内侧。
其中，每个所述膜片的自由端在振动方向上的投影轮廓与对应的所述空腔在振动方向上的投影轮廓形状相似。
其中，所述压电复合振动层的膜片的宽度从所述固定端向所述自由端逐渐缩小。
其中，所述压电复合振动层的膜片的宽度从所述固定端向所述自由端保持恒定。
其中，所述压电复合振动层包括：
第一电极层，形成在所述衬底上方；
第一压电层，形成在所述第一电极层上方；
第二电极层，形成在所述第一压电层上方。
其中，所述压电复合振动层还包括：支撑层，形成在所述衬底和所述第一电极层之间。
在MEMS结构中，在衬底的外环体内设置了一个或多个支撑板，并且将一个或多个支撑板作为压电复合振动层的膜片的悬臂梁的固定端。因此，相比于MEMS结构中不含有支撑板的技术方案，本申请通过设置一个或多个支撑板，缩短了悬臂梁从固定端到自由端的长度，从而降低了压电复合振动层的膜片翘曲的几率。而且，由于降低了压电复合振动层的膜片翘曲的几率，从而降低了MEMS结构的工艺难度，提高了成品率和器件的稳定性。另外，本申请中的MEMS结构中自由地设计了固定端和自由端，使得压电复合振动层中的多个悬臂梁结构有效地提高了灵敏度。
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示出了根据一些实施例提供的MEMS结构的示意图；
图2是图1所示的MEMS结构的爆炸视图；
图3示出了根据一些实施例提供的MEMS结构的示意图；
图4示出了根据一些实施例提供的MEMS结构的示意图；
图5至图9是制造图3所示的MEMS结构的中间阶段的沿着平行于支撑板方向的剖面图。
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，根据本申请的实施例，提供了一种MEMS结构，该MEMS结构可以但不限用于传声器或麦克风等传感器，或其他执行器。在一些实施例中，MEMS结构包括衬底10和压电复合振动层20。
参见图2，衬底10包括外环体11和设置于外环体11内并且与外环体11连接的支撑板12，其中，支撑板12和外环体11之间具有空腔13。
压电复合振动层20形成在衬底10上方，压电复合振动层20包括与支撑板12连接的固定端和悬置于空腔13上方的自由端。
在该MEMS结构中，由于衬底10包括外环体11和支撑板12，并且压电复合振动层20与支撑板12固定连接从而构成悬臂梁。因此，本申请提供了新的MEMS结构，并且简化了工艺步骤。以下将详细介绍该MEMS结构及其制造方法。
参见图5，步骤S101，在衬底10的正面上方形成压电复合振动层20。衬底10的材料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)。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。
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。
在一些实施例中，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。另外，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。在设置有振动支撑层21的实施例中，在第二电极层24上方没有第二压电层和第三电极层。值得注意的是，在本申请图5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。
参见图6，步骤S102，蚀刻衬底10的背面直至到达压电复合振动层20，使得衬底10包括外环体11和设置于外环体11内并且与外环体11连接的支撑板12。其中，支撑板12和外环体11之间形成空腔13。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13。在一些实施例中，支撑板12从外环体11向外环体11的中心延伸。在其他实施例中，在从上往下的视角下，支撑板12可以具有弯曲的形状，或者支撑板12可以不经过外环体11的中心。支撑板12的数目可以是一个或多个。
参见图7，步骤S103，在衬底10的背面共形形成牺牲支撑层30。在后续的步骤中，牺牲支撑层30用于支撑压电复合振动层20。牺牲支撑层30的材料包括铝材料、LTO(LowTemperature Oxide的简称，即低温氧化物)或其他易腐蚀材料。形成牺牲支撑层30的方法包括化学气相沉积、物理气相沉积或其他合适方法。
参见图8，步骤S104，蚀刻分割压电复合振动层20，使压电复合振动层20包括与支撑板12连接的固定端和悬置于空腔13上方的自由端。压电复合振动层20包括一个或多个膜片20a，每个膜片20a的固定端连接于支撑板12，每个膜片20a的自由端悬置于空腔13上方。每个膜片20a的自由端在振动方向上的投影轮廓位于对应的空腔13内侧。每个膜片20a的自由端在振动方向上的投影轮廓与对应的空腔13在振动方向上的投影轮廓形状相似。
参见图1、图3和图4，在一些实施例中，每个膜片20a具有从相对应的固定端向自由端延伸的方向，并且相邻膜片20a的固定端不同。
在一些实施例中，每个膜片20a具有从相对应的固定端向自由端延伸的方向，并且至少两个相邻膜片20a的固定端相同。这些实施例在图中没有示出。
在图1和图3所示的实施例中，压电复合振动层20的膜片20a的宽度从固定端向自由端逐渐缩小。
在图4所示的实施例中，压电复合振动层20的膜片20a的宽度从固定端向自由端保持恒定。
参见图9，步骤S105，在分割压电复合振动层20之后去除牺牲支撑层30。在去除牺牲支撑层30之后，解除了各个膜片20a的自由端的约束，从而实现了各个膜片20a的悬臂梁结构。
在基于以上制造方法所形成的MEMS结构中，在衬底10的外环体11内设置了一个或多个支撑板12，并且将一个或多个支撑板12作为压电复合振动层20的膜片20a的悬臂梁的固定端。因此，相比于MEMS结构中不含有支撑板12的技术方案，本申请通过设置一个或多个支撑板12，缩短了悬臂梁从固定端到自由端的长度，从而降低了压电复合振动层20的膜片20a翘曲的几率。而且，由于降低了压电复合振动层20的膜片20a翘曲的几率，从而降低了MEMS结构的工艺难度，提高了成品率和器件的稳定性。另外，本申请中的MEMS结构中自由地设计了固定端和自由端，使得压电复合振动层20中的多个悬臂梁结构有效地提高了灵敏度。
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 (10)
1.一种MEMS结构，其特征在于，包括：
衬底，包括外环体和设置于所述外环体内并且与所述外环体连接的支撑板，其中，所述支撑板和所述外环体之间具有空腔；
压电复合振动层，形成在所述衬底上方，所述压电复合振动层包括与所述支撑板连接的固定端和悬置于所述空腔上方的自由端。
2.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述支撑板从所述外环体向所述外环体的中心延伸，所述压电复合振动层包括一个或多个膜片，每个所述膜片的固定端连接于所述支撑板，每个所述膜片的自由端悬置于所述空腔上方。
3.根据权利要求2所述的MEMS结构，其特征在于，相邻所述膜片的固定端不同。
4.根据权利要求2所述的MEMS结构，其特征在于，至少两个相邻所述膜片的固定端相同。
5.根据权利要求2所述的MEMS结构，其特征在于，每个所述膜片的自由端在振动方向上的投影轮廓位于对应的所述空腔内侧。
6.根据权利要求5所述的MEMS结构，其特征在于，每个所述膜片的自由端在振动方向上的投影轮廓与对应的所述空腔在振动方向上的投影轮廓形状相似。
7.根据权利要求2所述的MEMS结构，其特征在于，所述压电复合振动层的膜片的宽度从所述固定端向所述自由端逐渐缩小。
8.根据权利要求2所述的MEMS结构，其特征在于，所述压电复合振动层的膜片的宽度从所述固定端向所述自由端保持恒定。
9.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述压电复合振动层包括：
第一电极层，形成在所述衬底上方；
第一压电层，形成在所述第一电极层上方；
第二电极层，形成在所述第一压电层上方。
10.根据权利要求9所述的MEMS结构，其特征在于，所述压电复合振动层还包括：
支撑层，形成在所述衬底和所述第一电极层之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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