CN111807313A - 一种基于阳极键合技术的mems压电水听器及制备方法 - Google Patents

一种基于阳极键合技术的mems压电水听器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于阳极键合技术的MEMS压电水听器及制备方法，解决了传统压电水听器量程小、灵敏度低、低抗干扰能力差的问题。本发明包括通过阳极键合技术形成有真空密闭空腔的基片以及有上下电极的压电层。单个工作区内的所有振动薄膜均通过电极相连的方式并联起来。通过图形化压电层上的电极层以获得器件最大的输出。本发明的压电水听器结构新颖，具有量程大、灵敏度大、抗干扰能力强、可控性高等优点，并且该传感器的工艺流程步骤少、工艺周期短，适合于批量生产。

Description

一种基于阳极键合技术的MEMS压电水听器及制备方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体为一种基于阳极键合技术的MEMS压电水听器。
背景技术
水听器是一种用于接收水下声音信号的设备，用来接收声压信号并将其转换电信号。随着传感器的快速发展，声音传感器也迅速崛起，被应用到日常生活、军事、医疗、工业、领海、航天等中，并且成为现代社会发展所不能缺少的部分。传统的压电水听器采用压电陶瓷作为压电材料，常用作标准水声传感器，其技术成熟，结构和制作工艺简单，一致性相对较好。但同时，具有成本高，体积大，抗电磁干扰差，易受振动、温度等信号干扰等缺点。
随着MEMS技术的不断发展，特别是基于PZT、ZnO、A1N等薄膜材MEMS技术的逐渐成熟，压电式MEMS水听器得到了广泛关注。比起传统的水声传感器，基于压电薄膜的MEMS水听器在体积、重量、功耗等方面都有着明显的优势，但是现有的压电水听器存在灵敏度较低，抗流噪声性能差，容易引入额外噪声等问题。
发明内容
针对上述现有压电水听器的缺点，本发明目的是提供一种基于阳极键合技术的MEMS压电水听器。通过阳极键合的方法形成的真空密闭空腔可以有效地减少布朗噪声对水听器性能的影响，真空密闭空腔可以实现阻抗匹配能够得到接近100%的声传递，从而提高水听器的灵敏度。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于阳极键合技术的MEMS压电水听器，包括硅片1和SOI基底2，所述硅片1表面刻蚀出空腔3，所述SOI基底2的器件硅层表面热氧化出SiO2层10，所述硅片1上刻蚀有空腔3的面和SOI基底2的器件硅层热氧化后形成SiO2层10的面进行阳极键合后形成真空密闭空腔，所述SOI基底2的硅衬底腐蚀掉后在其埋氧层上依次溅射沉积AlN种子层、下电极层4、AlN压电层5、上电极层6，所述上电极层6采用干法刻蚀形成图形化后的上电极11，之后采用等离子增强化学气相淀积生长SiO2保护层7，然后刻蚀掉上电极11上的SiO2保护层7后采用剥离的方法在上电极11上溅射沉积上电极焊盘8，之后刻蚀掉用于下电极焊盘的SiO2保护层7和AlN压电层5后裸露出部分的下电极，在裸露出的下电极上溅射沉积下电极焊盘9。
通过理论计算得出压电水听器的机电耦合系数为
Figure 91809DEST_PATH_IMAGE001
， γ为上电极与空腔的半径的比值，由此可以得出上电极半径为空腔半径的70%时，该压电水 听器有最大的输出。
工作时，当声信号作用在振动膜上时，压电材料由于应力而产生感应电荷，感应电荷经上下电极聚集后产生点信号输出。
上述基于阳极键合技术的MEMS压电水听器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、在双面抛光的硅片上光刻后干法刻蚀出厚度为3μm的空腔，在SOI基底表面热氧化一层厚度为1μm的 SiO2层；SOI基底的规格为器件硅层5μm、埋氧层1μm、硅衬底475μm；
步骤二、将硅片刻蚀有空腔的面和SOI基底器件层热氧化后形成氧化层的面通过阳极键合形成真空密闭空腔；用TMAH腐蚀液腐蚀掉SOI基底的硅衬底；
步骤三、在SOI基底的埋氧层上使用磁控溅射镀膜设备依次溅射沉积0.2μm的AlN种子层、0.2μm的下电极层、1μm的AlN压电层、0.2μm的上电极层；
步骤四、使用干法刻蚀对上电极层进行光刻后形成图形化后的上电极，使得上电极的半径为空腔半径的70%；
步骤五、之后采用等离子增强化学气相淀积生长0.3μm的SiO2保护层；
步骤六、对上电极上的SiO2保护层进行光刻，裸露出上电极；
步骤七、在上电极上采用剥离的方法溅射沉积0.2μm 的上电极焊盘；
步骤八、刻蚀掉下电极焊盘上的SiO2保护层、AlN压电层后裸露出部分下电极；
步骤九、在裸露出的下电极上采用剥离的方法溅射沉积0.2μm的下电极焊盘；完成AlN压电MEMS水听器的制备。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、采用阳极键合技术形成真空密闭空腔，有效地减少了布朗噪声对器件性能的影响，使得水听器的灵敏度更高，抗干扰能力更强。
2、制备的上电极半径为空腔半径的70%，经仿真和理论计算此时水听器有着最大的机电耦合系数和灵敏度。
3、由于AlN压电层不耐酸碱，在水听器表面沉积一层SiO2可以起到很好的保护作用。
本发明传感器结构新颖、重量轻、体积小，具有可控性高、灵敏度大、线性度好、抗干扰能力强的优点。此外本发明传感器的工艺流程步骤少、工艺周期短，适合于批量化生产，解决了传统的压电水听器在制造过程中残余应力大，在水声探测方面有着一定的应用前景。
附图说明
图1a表示本发明高灵敏度以AlN为压电材料的压电式MEMS水听器的工艺流程图（硅片）。
图1b表示本发明高灵敏度以AlN为压电材料的压电式MEMS水听器的工艺流程图（硅片上刻蚀空腔）。
图1c表示本发明高灵敏度以AlN为压电材料的压电式MEMS水听器的工艺流程图（SOI上热氧化层）。
图1d表示本发明高灵敏度以AlN为压电材料的压电式MEMS水听器的工艺流程图（步骤二中阳极键合）。
图1e表示本发明高灵敏度以AlN为压电材料的压电式MEMS水听器的工艺流程图（步骤二中腐蚀掉SOI的硅衬底）。
图1f表示本发明高灵敏度以AlN为压电材料的压电式MEMS水听器的工艺流程图（步骤三）。
图1g表示本发明高灵敏度以AlN为压电材料的压电式MEMS水听器的工艺流程图（步骤四至步骤七）。
图1h表示本发明高灵敏度以AlN为压电材料的压电式MEMS水听器的工艺流程图（步骤八至步骤九）。
图2表示本发明的压电式MEMS水听器的机电耦合因数随上电极与空腔的半径的比值变化图。
图3表示本发明的压电式MEMS水听器的电荷密度图。
图中：1-硅片，2-SOI基底，3-（在硅片上刻蚀的）空腔，4-下电极层，5-AlN压电层，6-上电极层，7-SiO2保护层，8-（图形化后的）上电极焊盘，9-下电极焊盘，10- SiO2层，11-（图形化后的）上电极。
具体实施方式
为使本发明目的、技术方案的优点更加清楚，下面对本发明实施方式做进一步地详细描述。
一种基于阳极键合技术的MEMS压电水听器，包括硅片1和SOI基底2，硅片1表面刻蚀出空腔3，SOI基底2的器件硅层表面热氧化出SiO2层10，硅片1上刻蚀有空腔3的面和SOI基底2的器件硅层热氧化后形成SiO2层10的面进行阳极键合后形成真空密闭空腔，SOI基底2的硅衬底腐蚀掉后在其埋氧层上依次溅射沉积AlN种子层、下电极层4、AlN压电层5、上电极层6，上电极层6采用干法刻蚀形成图形化后的上电极11，之后采用等离子增强化学气相淀积生长SiO2保护层7，然后刻蚀掉上电极11上的SiO2保护层7后采用剥离的方法在上电极11上溅射沉积上电极焊盘8，之后刻蚀掉用于下电极焊盘的SiO2保护层7和AlN压电层5后裸露出部分的下电极，在裸露出的下电极上溅射沉积下电极焊盘9。
阳极键合是最普通采用的一种键合技术，又称为静电键合或者场助键合。阳极键合温度较低，可以减弱键合后材料残余应力和应变的影响，与其他工艺相容性较好，键合强度及稳定性高，能够提供可靠的真空密封性能。基于以上优点，阳极键合广泛应用于硅-玻璃键合、非硅材料与硅键合，以及玻璃金属半导体、陶瓷之间的键合。然而，阳极键合最广泛的应用是硅-玻璃或石英晶圆与硅晶圆的键合。
阳极键合的原理为在一定温度下，玻璃中含有可移动的正离子Na+，和不可移动的负离子O2-。随着温度的升高硅片的电阻率将本征激发而降到0.1Ωcm左右。在直流电场的作用下，玻璃中的Na+向负极移动，在移动过程中不断地被复合而消失。在硅和玻璃的界面附近，玻璃一侧由于空出了Na+，而留下可不可移动的负离子，因而形成几微米的耗尽层。这样玻璃表面的耗尽层带负电荷，硅片带正电荷，所以硅片与玻璃之间存在较大的静电吸引力，使二者表面的微小起伏发生弹性或塑性形变而紧密接触。静电引力的大小主要与外加电压、玻璃与硅片之间间隙的大小、玻璃中离子的浓度分布等因素有关。玻璃中的氧离子与硅片发生化学反应，生成的SiO2将硅和玻璃键合起来。
阳极键合的主要工艺过程：（1）键合前首先要对键合的硅片和玻璃片进行清洗；（2） 基片清洗完毕后需要在对准设备上将硅片和玻璃片上的图形进行对准，对准精度偏差要掌握在一定的范围以内；（3） 将对准后的硅片和玻璃片放入键合机，设备经过抽真空、升温、施加压力、施加电压后，键合完毕，达到一定的键合强度。
阳极键合之后需要刻蚀掉SOI的衬底硅层以减薄振动薄膜，本发明采用四甲基氢氧化铵（TMAH）来实现硅的刻蚀。四甲基氢氧化铵（TMAH）本身就是一种光刻胶的显影液，也被广泛应用于硅的各向异性腐蚀。四甲基氢氧化铵对SiO2的腐蚀速率也很低，其腐蚀的表面光滑度也要比氢氧化钾的腐蚀表面高10倍左右，是湿法腐蚀硅纳米结构的最佳碱性腐蚀剂。而且，四甲基氢氧化铵不含碱金属离子，可以安全应用于集成电路制造的工艺环境中。
水听器的机电耦合系数为
Figure 922492DEST_PATH_IMAGE001
，其中γ为上电极与空腔 的半径的比值。水听器的机电耦合系数随上电极与空腔的半径的比值如图2所示，从图中可 以看出机电耦合系数最大值对应的上电极与空腔的半径的比值为70%。图3为水听器在受到 声信号时由于压电效应感应出的表面电荷密度，可以看出压电层在空腔中心处感应正电 荷，在空腔边缘处感应负电荷，感应正负的分界线大概在空腔半径的70%左右。理论计算与 仿真结果相互印证都表明上电极半径为空腔半径的70%时，水听器有最佳性能。
由于AlN压电薄膜不耐酸碱所以要生长一层保护层来将AlN与周围环境隔绝。SiO2保护层的厚度既不能太厚，也不能太薄。太薄会使得在AlN 压电薄膜以及电极的边缘得不到有效地覆盖，而起不到保护作用，SiO2的硬度较大，太厚会严重影响水听器的性能。优选地，SiO2保护层的厚度为0.3μm。
上述基于阳极键合技术的MEMS压电水听器，通过阳极键合技术形成的有真空密闭空腔的基片以及感知声信号的振动膜敏感单元。真空密闭空腔采用阳极键合技术将刻蚀有空腔的硅片与SOI键合之后用湿法腐蚀的方法去掉SOI上的衬底硅以减薄空腔上方的支撑层形成，振动膜敏感单元由具有双面电极的AlN压电材料组成，通过图形化压电层上的电极层以获得器件最大的输出，之后再生长一层SiO2保护层。当声信号作用在振动膜上时，压电材料由于应力而产生感应电荷，感应电荷经上下电极聚集后产生点信号输出。
具体制备方法如下：
步骤一、在双面抛光的硅片1（如图1a所示）上光刻后干法刻蚀出厚度为3μm的空腔3（如图1b所示）。
用氧化扩散炉在SOI基底2表面热氧化一层厚度为1μm的 SiO2层10（如图1c所示）；SOI基底的规格为器件硅层5μm、埋氧层1μm、硅衬底475μm。
步骤二、将硅片刻蚀有空腔的面和SOI基底器件层热氧化后形成氧化层的面通过阳极键合形成真空密闭空腔，如图1d所示。使用阳极键合技术形成的空腔可以有效地减少传感器中的布朗噪声以及稳定传感器的声阻抗来提高压电水听器的灵敏度。
用TMAH腐蚀液腐蚀掉SOI基底2的硅衬底，如图1e所示；对阳极键合后的基片用四甲基氢氧化铵（TMAH）湿法腐蚀SOI的硅衬底可以得到非常薄的振动支撑层，且用四甲基氢氧化铵湿法腐蚀后表面相比于其他腐蚀方法光滑度更高，使得后续压电薄膜淀积的径向也更好。
步骤三、如图1f所示，在SOI基底的埋氧层上使用磁控溅射镀膜设备依次溅射沉积0.2μm的AlN种子层、0.2μm的Mo作为下电极层4、1μm的AlN压电层5、0.2μm的的Mo作为上电极层6。
步骤四、在顶层Mo上进行光刻，使用干法刻蚀对上电极层6进行光刻后形成图形化后的上电极11，使得上电极11的半径为空腔3半径的70%，上电极和空腔同轴。
步骤五、刻蚀掉不需要的部位，完成上电极的图形化之后采用等离子增强化学气相淀积（PECVD）生长一层0.3μm的SiO2保护层7。
步骤六、在保护层上做光刻，对上电极11上的SiO2保护层7进行光刻，刻蚀掉上电极焊盘上的保护层以裸露出上电极11。
步骤七、在上电极11上采用剥离的方法溅射沉积0.2μm 的Au作为上电极焊盘8。
步骤四至步骤七如图1g所示。
步骤八、在保护层上再次做光刻，刻蚀掉下电极焊盘对应部位的SiO2保护层至压电层，之后再刻蚀掉下电极焊盘上对应位置的AlN压电层后裸露出部分下电极。
步骤九、在裸露出的下电极上采用剥离的方法溅射沉积0.2μm的Au作为下电极焊盘9。
步骤八至步骤九如图1h所示，从而完成AlN压电MEMS水听器的制备。
对上述步骤完成的压电MEMS水听器，使用晶圆切割机，对硅晶圆上的水听器阵列进行分割划片、引线。
本发明所述基于阳极键合技术的MEMS压电水听器，解决了传统压电水听器量程小、灵敏度低、低抗干扰能力差的问题。通过阳极键合技术形成有真空密闭空腔的基片以及有上下电极的压电层，单个工作区内的所有振动薄膜均通过电极相连的方式并联起来，通过图形化后的上电极以获得器件最大的输出。
本发明的压电水听器结构新颖，具有量程大、灵敏度大、抗干扰能力强、可控性高等优点，并且该传感器的工艺流程步骤少、工艺周期短，适合于批量生产。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于阳极键合技术的MEMS压电水听器，其特征在于：包括硅片（1）和SOI基底（2），所述硅片（1）表面刻蚀出空腔（3），所述SOI基底（2）的器件硅层表面热氧化出SiO2层（10），所述硅片（1）上刻蚀有空腔（3）的面和SOI基底（2）的器件硅层热氧化后形成SiO2层（10）的面进行阳极键合后形成真空密闭空腔，所述SOI基底（2）的硅衬底腐蚀掉后在其埋氧层上依次溅射沉积AlN种子层、下电极层（4）、AlN压电层（5）、上电极层（6），所述上电极层（6）采用干法刻蚀形成图形化后的上电极（11），之后采用等离子增强化学气相淀积生长SiO2保护层（7），然后刻蚀掉上电极（11）上的SiO2保护层（7）后采用剥离的方法在上电极（11）上溅射沉积上电极焊盘（8），之后刻蚀掉用于下电极焊盘的SiO2保护层（7）和AlN压电层（5）后裸露出部分的下电极，在裸露出的下电极上溅射沉积下电极焊盘（9）。
2.根据权利要求1所述的一种基于阳极键合技术的MEMS压电水听器，其特征在于：所述上电极（11）的半径是空腔（3）的半径的70%。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于阳极键合技术的MEMS压电水听器，其特征在于：所述空腔（3）厚度为3μm。
4.根据权利要求3所述的一种基于阳极键合技术的MEMS压电水听器，其特征在于：所述SiO2层（10）的厚度为1μm。
5.根据权利要求4所述的一种基于阳极键合技术的MEMS压电水听器，其特征在于：所述SOI基底（2）的规格为器件硅层厚5μm、埋氧层厚1μm、硅衬底厚475μm。
6.根据权利要求5所述的一种基于阳极键合技术的MEMS压电水听器，其特征在于：AlN种子层的厚度为0.2μm，下电极层（4）的厚度为0.2μm，AlN压电层（5）的厚度为1μm，上电极层（6）的厚度为0.2μm。
7.根据权利要求6所述的一种基于阳极键合技术的MEMS压电水听器，其特征在于：SiO2保护层（7）的厚度为0.3μm。
8.根据权利要求7所述的一种基于阳极键合技术的MEMS压电水听器，其特征在于：上电极焊盘（8）和下电极焊盘（9）的厚度均为0.2μm。
9.一种基于阳极键合技术的MEMS压电水听器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、在双面抛光的硅片（1）上光刻后干法刻蚀出厚度为3μm的空腔（3），在SOI基底（2）表面热氧化一层厚度为1μm的 SiO2层（10）；SOI基底的规格为器件硅层5μm、埋氧层1μm、硅衬底475μm；
步骤二、将硅片刻蚀有空腔的面和SOI基底器件层热氧化后形成氧化层的面通过阳极键合形成真空密闭空腔；用TMAH腐蚀液腐蚀掉SOI基底（2）的硅衬底；
步骤三、在SOI基底的埋氧层上使用磁控溅射镀膜设备依次溅射沉积0.2μm的AlN种子层、0.2μm的下电极层（4）、1μm的AlN压电层（5）、0.2μm的上电极层（6）；
步骤四、使用干法刻蚀对上电极层（6）进行光刻后形成图形化后的上电极（11），使得上电极（11）的半径为空腔（3）半径的70%；
步骤五、之后采用等离子增强化学气相淀积生长0.3μm的SiO2保护层（7）；
步骤六、对上电极（11）上的SiO2保护层（7）进行光刻，裸露出上电极（11）；
步骤七、在上电极（11）上采用剥离的方法溅射沉积0.2μm 的上电极焊盘（8）；
步骤八、刻蚀掉下电极焊盘上的SiO2保护层、AlN压电层后裸露出部分下电极；
步骤九、在裸露出的下电极上采用剥离的方法溅射沉积0.2μm的下电极焊盘（9）；完成AlN压电MEMS水听器的制备。
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