CN113438588A - 微机电系统麦克风、耳机和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种微机电系统麦克风、耳机和电子设备，其中，该微机电系统麦克风包括：压电层，该压电层包括调节元素，该调节元素用于对该压电层的晶格失配进行调节；设置在该压电层的第一侧的第一电极；设置在该压电层的第二侧的第二电极。
Description
技术领域
本申请涉及麦克风技术领域，具体而言，涉及一种微机电系统麦克风、耳机和电子设备。
背景技术
压电式微机电系统麦克风中的关键结构是压电薄膜，含压电薄膜的麦克风在受到声音激励时，会产生振动和形变，进而带动压电薄膜产生应变。压电薄膜将机械应变转换为电荷并输出，形成麦克风的信号输出。
其中，影响压电薄膜的两项系数分别为：压电系数和介电常数，目前的微机电系统麦克风，一些压电系数高的压电薄膜存在介电常数也比较高，导致目前的微机电系统麦克风的输出灵敏度较低。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例的目的在于提供一种微机电系统麦克风、耳机和电子设备。能够达到缓解微机电系统麦克风的输出灵敏度较低的问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种微机电系统麦克风，包括：
压电层，所述压电层包括调节元素，所述调节元素用于对所述压电层的晶格失配进行调节；
设置在所述压电层的第一侧的第一电极；
设置在所述压电层的第二侧的第二电极。
可选地，所述调节元素为硅元素。
在上述实施方式中，由于通常的麦克风的支撑层的成分是硅元素，因此，在压电层中增加硅元素可以减小压电层晶格的失配的情况。
可选地，所述压电层中硅元素含量小于10ppm。
可选地，所述第一电极为钼电极，所述调节元素为钼元素。
在上述实施方式中，在第一电极为钼电极时，因此，在压电层中增加钼元素可以改善压电层晶格失配的情况。
可选地，所述压电层中的钼元素的含量小于50ppm。
可选地，所述第一电极为钌电极。
在上述实施方式中，用钌作为第一电极之后，可以更好地与铝元素、氮元素、钪元素三种元素形成的压电层的晶格进行适配，降低压电层的缺陷。
第二方面，本申请实施例提供一种耳机，包括：上述的微机电系统麦克风。
第三方面，本申请实施例提供一种电子设备，包括：上述的微机电系统麦克风。
第四方面，本申请实施例提供一种微机电系统麦克风制备方法，包括：
提供一基底；
在所述基底上形成第一电极；
在所述第一电极上，通过反应溅射工艺在所述第一电极上溅射铝元素、氮元素、钪元素，以形成压电层，其中，在所述反应溅射工艺过程中掺入调节元素；
在所述压电层上形成第二电极。
可选地，所述在所述第一电极上，通过反应溅射工艺在所述第一电极上溅射铝元素、氮元素、钪元素，以形成压电层，包括：
通过射频偏置为第一功率的反应溅射工艺在所述第一电极上溅射铝元素、氮元素、钪元素，以形成压电层，所述第一功率大于60W。
可选地，本申请实施例提供的微机电系统麦克风制备方法还包括：
利用光刻和刻蚀工艺，在所述第二电极上形成图形；
在所述第二电极上形成绝缘层；
对所述绝缘层和所述压电层进行刻蚀，以使所述第一电极显露，形成第一电极通孔；
对所述绝缘层进行刻蚀，以使所述第二电极显露，形成第二电极通孔；
在所述绝缘层形成导电层，所述导电层填充所述第一电极孔和所述第二电极通孔；
对所述导电层进行刻蚀，形成导线和焊盘；
对所述绝缘层、所述压电层、所述第一电极进行刻蚀，形成悬臂梁结构；
对所述基底远离所述第一电极的一面进行刻蚀，以形成腔体，以得到所述微机电系统麦克风。
本申请实施例提供的微机电系统麦克风、耳机、电子设备和微机电系统麦克风制备方法，采用压电层中包含铝元素、氮元素、钪元素三种元素的压电层，与现有技术中的包含铝元素、氮元素的压电层可以有更高的压电系数。进一步地，在该压电层中还掺入了一些调节元素，从而可以调节解铝元素、氮元素、钪元素三种元素的压电层可能存在的晶格失配的情况，从而实现在提高压电系数的情况下，可以改善压电薄膜与衬底之间的晶格失配问题，降低薄膜的应力。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为压电微机电系统麦克风与压电层应力的关系示意图；
图2为本申请实施例提供的微机电系统麦克风的示意图；
图3为本申请实施例提供的微机电系统麦克风制备方法的流程图；
图4-10为本申请实施例提供的微机电系统麦克风的制备流程图。
图标：100-微机电系统麦克风；110-压电层；120-第一电极；130-第二电极；140-绝缘层；150-导电层；160-基底；170-腔体；181-第一电极通孔；182-第二电极通孔。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是所述申请产品使用时惯常拜访的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能解释为本申请的限制。
本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称：MEMS)麦克风中的压电薄膜的压电系数能够体现机-电转换能力，为了使微机电系统麦克风需要压电系数能够具有更好的灵敏度，需要压电系数更高的压电薄膜。
在其中一种实现技术中，基于锆钛酸铅(PZT)压电薄膜微机电系统麦克风中的锆钛酸铅压电薄膜具有较高的压电系数。因此，本领域技术人员通过该锆钛酸铅压电薄膜制作了微机电系统麦克风。但是该类微机电系统麦克风并不具有很高的输出灵敏度。经发明人研究了解到，锆钛酸铅压电薄膜的节点常数可高至1000-1500。由于该锆钛酸铅压电薄膜的介电常数较高，导致该锆钛酸铅压电薄膜将形成一个较大的电容，使锆钛酸铅压电薄膜转换的电荷无法形成较高的电压，则导致输出效率低，灵敏度较差。
在另一实现技术中，采用了氧化锌(ZnO)为材质制作压电薄膜，该氧化锌具有较高的压电系数，且该氧化锌相较于锆钛酸铅压电薄膜具有更低的介电常数，该氧化锌的介电常数约为10。因此，理想状态下，基于氧化锌压电薄膜的微机电系统压电麦克风应较基于锆钛酸铅压电薄膜的微机电系统麦克风有更大的输出。但是经本申请的发明人研究了解到，氧化锌压电薄膜由于材料的禁带宽度较低，生长工艺或后续工艺中任何的非理想因素都会产生较大的介电损耗。氧化锌的介电损耗角可达0.1，相比之下锆钛酸铅的损耗角为0.03-0.05之间，锆钛酸铅的损耗角不足氧化锌的介电损耗角的一半。介电损耗相当于在电容极板间接入了一个有限大小的电阻并产生漏电流，麦克风产生的电荷信号将会部分地被该电阻所损耗。介电损耗越高则该电阻越小，被损耗的电荷则越多。因此，基于对于氧化锌压电薄膜的微机电系统压电麦克风而言，由于具有较高的介电损耗，使麦克风的实际输出和灵敏度往往很低。
进一步地，介电损耗还是麦克风中的最重要噪声来源，介电损耗带来的热噪声与漏电流呈正相关关系。且在压电微机电系统麦克风领域中由于介电损耗带来的噪声在整个压电微机电系统麦克风中占据主导地位。
经本申请发明人研究，确定出另一实现技术，使钼电极作为麦克风的底电极，采用氮化铝(AlN)薄膜作为压电薄膜的压电微机电系统麦克风。钼作为底电极可以形成较好的匹配，使其上的氮化铝压电薄膜的生长质量较好。氮化铝压电薄膜作为一种压电材料，尽管氮化铝压电薄膜的压电系数并不突出，氮化铝压电薄膜的压电系数约5pC/N，但氮化铝压电薄膜具有较低的介电常数和较低的介电损耗，该氮化铝压电薄膜的介电常数约为10，该氮化铝压电薄膜的介电损耗约为0.002甚至更低。因此，该使得采用氮化铝压电薄膜的压电微机电系统麦克风具有优良的灵敏度、输出特性以及信噪比(SNR)。
但是，如果需要进一步地提高压电微机电系统麦克风的性能，氮化铝压电薄膜的压电系数成为关键影响因素，从对上述的锆钛酸铅压电薄膜和氧化锌压电薄膜了解到，仅仅是的替换压电系数的材料作为压电薄膜，并不一定能够使麦克风的性能得到提升，还可能会导致麦克风的性能的大幅度退化。
当AlN压电层掺杂入钪原子后，形成的AlScN压电层会产生比AlN压电层更大的应力。压电层的机电耦合系数K2与压电层的应力呈正比。机电耦合系数表示压电效应中机械能转换为电能的效率，系数越高则转换效率越大。因此较大的应力对压电射频器件、压电能量收集器等器件而言是一项优势。这是因为压电射频器件希望更大的带宽，而高机电耦合系数K2能带来更大的带宽；压电能量收集器希望收集到更多的能量，而高机电耦合系数K2意味着能量转换效率更高。
然而，较大的应力在压电微机电系统麦克风中不仅不能带来好处，反而会使其性能大幅度恶化。如图1所示，图1为压电微机电系统麦克风与压电层应力的关系。其中，图1所示的横坐标表示应力数据，纵坐标表示输出压力。由图1所示的实例可以看到随着应力的增加，器件输出电压会大幅度下降。当应力达到200MPa时，对AlScN压电层而言属于正常偏低的应力值，输出电压下降接近40％，这几乎可以完全抵消掉掺杂带来的输出性能的提升。
经发明人研究了解到，由于掺入钪原子后，AlScN压电层会出现晶格失配、位错、空洞等缺陷。具体表现为形成较明显的多晶晶界，或者在压电层上形成金字塔形的析出物。AlScN压电层的质量可能会随着钪原子的掺杂浓度升高而明显下降。
基于上述研究，本申请实施例提供的微机电系统麦克风，能够在提升压电系数，还能够保留低介电常数和低介电损耗，以获得高性能的压电微机电系统麦克风。下面通过一些实施例对上微机电系统麦克风进行描述。
本申请实施例提供一种微机电系统麦克风100。如图2所示，本申请实施例中的微机电系统麦克风100可以包括：压电层110、第一电极120和第二电极130。
其中，该压电层110包括调节元素。
可选地，该压电层110可以为包含铝元素、氮元素、钪(Sc)元素的AlScN压电层。
调节元素用于对该压电层110的晶格失配进行调节。
示例性地，压电层110中钪的原子分数可以在5％-30％。例如，该钪的原子分数可以为5％，也可以为9％，还可以为15％，还可以为30％等。
该第一电极120设置在压电层110的第一侧，第二电极130设置在该压电层110的第二侧。
该第一电极120可以为微机电系统麦克风100的底电极，该第二电极130可以为微机电系统麦克风100的顶电极。
示例性地，该第一电极120可以是钼电极，也可以是钌电极。
示例性地，该第二电极130可以是钼电极。
在一实施方式中，该调节元素为硅元素。
示例性地，该压电层110中硅元素含量小于10ppm。
在一种实施方式中，若该微机电系统麦克风100的第一电极120为钼电极，该调节元素可以为钼元素。
示例性地，该压电层110中的钼元素的含量小于50ppm。
可选地，该第一电极120可以为钌(Ru)电极。
本实施例中，该微机电系统麦克风100还可以包括：绝缘层140和导电层150。
该绝缘层140覆盖在第二电极130上，其中，压电层110与该绝缘层140分布在该第二电极130的两侧。
其中，微机电系统麦克风100上设置有第一电极通孔181，该第一电极通孔181贯穿绝缘层140、第二电极130和压电层110。
示例性地，微机电系统麦克风100上设置有第二电极通孔182，该第二电极通孔182贯穿绝缘层140。可选地，该绝缘层140可以是二氧化硅层。
示例性地，导电层150覆盖在绝缘层140上，并填充第一电极通孔181和第二电极通孔182，使第一电极120和第二电极130导通。可选地，该导电层150可以是铝(Al)层。
示例性地，该导电层150的材料可以是铝金属。
可选地，该微机电系统麦克风100的结构可以是悬臂梁式结构，也可以是振膜式结构。在具体实施该微机电系统麦克风100时，可以按照实际需求选择该微机电系统麦克风100的结构。
本申请实施例中，为了克服由于钪原子掺杂后带来的问题，可以将第一电极120设计为金属钌电极。使用钌作为第一电极120之后，可以更好地与AlScN压电层的晶格进行适配，降低AlScN压电层的缺陷。本申请实施例中，还可以在形成AlScN压电层时，可以在该AlScN压电层掺杂入微量的钼元素，如果第一电极120是钼电极，该钼电极与压电层110可以具有更好的晶格适配，从而改善压电层110的晶格失配情况。本申请实施例中，还可以在形成AlScN压电层时，可以在该AlScN压电层掺杂入微量的硅元素，由于AlScN压电层下方的支撑层为硅，因此在AlScN压电层中掺入微量的硅元素有助于减小压电层110的晶格的失配。
本申请实施例还提供一种耳机，该耳机包括：微机电系统麦克风100。
本实施例中的微机电系统麦克风100与上述的微机电系统麦克风100实施例提供的微机电系统麦克风100相似，关于本实施例中的微机电系统麦克风100的其它细节可以参阅前述实施例中的描述，在此不再赘述。
本申请实施例还提供一种电子设备，该电子设备包括：微机电系统麦克风100。
本实施例中的微机电系统麦克风100与上述的微机电系统麦克风100实施例提供的微机电系统麦克风100相似，关于本实施例中的微机电系统麦克风100的其它细节可以参阅前述实施例中的描述，在此不再赘述。
本实施例中的电子设备还可以包括其他组件，例如，该微机电系统麦克风100还可以包括：存储器、处理器等。
示例性地，若该电子设备是车载设备，则该电子设备还可以包括定位单位。
示例性地，若该电子设备是电视机等显示设备，则该电子设备还可以包括显示单元。
本申请实施例还提供一种微机电系统麦克风制备方法。请参阅图3，是本申请实施例提供的微机电系统麦克风制备方法的流程图。下面将对图3所示的具体流程进行详细阐述。
步骤201，提供一基底。
示例性地，该基地可以是SOI(Silicon-On-Insulator)的硅晶圆。
在一个实例中，该硅晶圆可以包括硅基底、二氧化硅层以及硅层。其中，二氧化硅层设置在硅基底和硅层之间。
步骤202，在该基底上形成第一电极。
示例性地，可以通过金属溅射工艺在该硅晶圆上生长一层第一电极120。可选地，该第一电极120可以是钼电极，也可以是钌电极。
在上述实例中，第一电极120可以形成在硅层上。
步骤203，在该第一电极上，通过反应溅射工艺在该第一电极上溅射铝元素、氮元素、钪元素，以形成压电层，其中，在该反应溅射工艺过程中掺入调节元素。
示例性地，可以通过反应溅射工艺，利用高纯度铝-钪合金靶材，在氮气氛围中进行反应溅射，以在硅晶圆表面生长AlScN压电层。其中，钪的原子分数可以由铝-钪合金中钪的含量确定。
可选地，可以通过射频偏置为第一功率的反应溅射工艺在该第一电极120上溅射铝元素、氮元素、钪元素，以形成压电层110，该第一功率大于60W。
示例性地，在此形成压电层110的反应溅射过程中，掺入的调节元素可以是微量的硅元素，也可以是微量的钼元素，还可以是硅元素和钼元素。
步骤204，在该压电层上形成第二电极。
示例性地，可以通过金属溅射工艺，在压电层110上生长一层金属钼，形成第二电极130。
如图4所示，图4中分别示出了在基底160上依次形成第一电极120、压电层110和第二电极130的截面结构示意图。
步骤205，利用光刻和刻蚀工艺，在该第二电极上形成图形。
可参阅图5所示，图5中示出了，在第二电极130上形成一个图形的截面示意图。
步骤206，在该第二电极上形成绝缘层。
可选地，可以通过化学气相沉积生长一层二氧化硅(SiO2)作为绝缘层140。
如图6所示，在图6所示的截面示意图中，绝缘层140覆盖在第二电极130上，且填充该第二电极130上形成的图形。
步骤207，对绝缘层、第二电极和压电层进行刻蚀，以使该第一电极显露，形成第一电极通孔。
示例性地，可以利用光刻和刻蚀工艺，对绝缘层140和压电层110进行图形化的刻蚀，以暴露出第一电极120。
可参阅图7所示，图7所示的示意图中，第一电极通孔181贯穿绝缘层140、第二电极130和压电层110，以显露第一电极120。
步骤208，对该绝缘层进行刻蚀，以使该第二电极显露，形成第二电极通孔。
示例性地，可以使用光刻和刻蚀工艺，对绝缘层140进行图形化的刻蚀，以暴露出第二电极130。
可参阅图7所示，图7所示的示意图中，第二电极通孔182贯穿绝缘层140，以显露第二电极130。
步骤209，在该绝缘层形成导电层，该导电层填充该第一电极孔和该第二电极通孔。
可选地，可以使用金属溅射工艺，生长一层金属铝层，该金属铝层作为导电层150。生长过程中完成对第一电极通孔181和第二电极通孔182的填充。
如图8所示，在绝缘层140上形成的导电层150，该导电层150填充第一电极通孔181和第二电极通孔182。
步骤210，对该导电层150进行刻蚀，形成导线和焊盘。
利用光刻和刻蚀工艺，形成导电层150的导线和焊盘。
如图9所示，在该导电层150上进行刻蚀，填充在第一电极通孔181和第二电极通孔182内的可以形成导线，覆盖在第一电极通孔181和第二电极通孔182周边的部分导电层150可以形成焊盘。
步骤211，对绝缘层140、第二电极130、压电层110、第一电极120进行刻蚀，形成悬臂梁结构。
利用光刻和刻蚀工艺，依次对绝缘层140、该压电层110、该第一电极120进行图案化刻蚀，定义出悬臂梁的外形。
可选地，微机电系统麦克风100也可以是振膜式结构，若该微机电系统麦克风100是振膜式结构，则可以不刻蚀形成悬臂梁结构。
如图10所示，通过在绝缘层140、第二电极130、压电层110、第一电极120进行刻蚀可形成贯穿绝缘层140、第二电极130、压电层110、第一电极120的通孔，以形成悬臂梁结构。
步骤212，对该基底远离该第一电极的一面进行刻蚀，以形成腔体，以得到该微机电系统麦克风。
可参阅图2所示，形成一腔体170，以得到该微机电系统麦克风100。
本实施例中，将当前形成了多层结构的晶圆翻转，通过背部对准光刻工艺和深硅刻蚀工艺，完成对衬底体硅的刻蚀，形成微机电系统麦克风100的腔体170。
本申请实施例提供的微机电系统麦克风制备方法中，可以通过AlScN压电层的生长过程中的工艺参数的控制，例如，提高溅射过程中的射频偏置的功率，使得晶圆表面受到更强的离子轰击作用，压电层110生长过程中的离子轰击可以降低压电层110的应力。还可以在生长压电层110时，掺入微量的硅元素和钼元素，可以改善压电薄膜与衬底之间的晶格失配问题，降低薄膜的应力。
以上所述仅为本申请的可选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。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。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种微机电系统麦克风，其特征在于，包括：
压电层，所述压电层包括调节元素，所述调节元素用于对所述压电层的晶格失配进行调节；
设置在所述压电层的第一侧的第一电极；
设置在所述压电层的第二侧的第二电极。
2.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风，其特征在于，所述调节元素为硅元素。
3.根据权利要求2所述的微机电系统麦克风，其特征在于，所述压电层中硅元素含量小于10ppm。
4.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风，其特征在于，所述第一电极为钼电极，所述调节元素为钼元素。
5.根据权利要求4所述的微机电系统麦克风，其特征在于，所述压电层中的钼元素的含量小于50ppm。
6.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风，其特征在于，所述第一电极为钌电极。
7.一种耳机，其特征在于，包括：
权利要求1-6任意一项所述的微机电系统麦克风。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：
权利要求1-6任意一项所述的微机电系统麦克风。
9.一种微机电系统麦克风制备方法，其特征在于，包括：
提供一基底；
在所述基底上形成第一电极；
在所述第一电极上，通过反应溅射工艺在所述第一电极上溅射铝元素、氮元素、钪元素，以形成压电层，其中，在所述反应溅射工艺过程中掺入调节元素；
在所述压电层上形成第二电极。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述在所述第一电极上，通过反应溅射工艺在所述第一电极上溅射铝元素、氮元素、钪元素，以形成压电层，包括：
通过射频偏置为第一功率的反应溅射工艺在所述第一电极上溅射铝元素、氮元素、钪元素，以形成压电层，所述第一功率大于60W。
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