CN113690365B - 压电器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电器件的制作方法以及压电器件。其中，压电器件的制作方法包括：提供基底；于基底表面形成压电材料层；于压电材料层表面形成保护材料层；于保护材料层表面形成图形化掩膜层；基于图形化掩膜层，依次对保护材料层以及压电材料层进行刻蚀，以依次形成保护层以及压电初始层，并去除图形化掩膜层以及保护层；对压电初始层进行处理，以形成表面粗糙度小于压电初始层表面粗糙度的压电层。本申请可以有效提高压电器件的压电性能。
Description
技术领域
本申请涉及压电器件技术领域，特别是涉及一种压电器件及其制作方法。
背景技术
压电器件为利用材料的压电效应制成的器件，其通常包括电极以及电压层等。
在工艺制备的过程中，通常会使用到对压电层有腐蚀作用的化学试剂，这些试剂会对压电层造成不同程度的腐蚀，从而影响压电层的压电性能。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够提高压电器件的压电性能的压电器件的制作方法以及压电器件。
为了实现上述目的，本发明提供了一种压电器件的制作方法，包括：
提供基底；
于所述基底表面形成压电材料层；
于所述压电材料层表面形成保护材料层；
于所述保护材料层表面形成图形化掩膜层；
基于所述图形化掩膜层，依次对所述保护材料层以及所述压电材料层进行刻蚀，以形成保护层以及压电初始层，并去除所述图形化掩膜层以及所述保护层；
对所述压电初始层进行处理，以形成表面粗糙度小于所述压电初始层表面粗糙度的压电层。
在其中一个实施例中，
所述于所述基底表面形成压电材料层，包括：
于所述基底表面形成厚度大于目标厚度的所述压电材料层；
所述对所述压电初始层进行处理，以形成表面粗糙度小于所述压电初始层表面粗糙度的压电层，包括：
将所述压电初始层的厚度减薄至所述目标厚度，以形成表面粗糙度小于所述压电初始层表面粗糙度的压电层。
在其中一个实施例中，所述将所述压电初始层的厚度减薄至所述目标厚度，以形成表面粗糙度小于所述压电初始层表面粗糙度的压电层，包括：
获取所述初始压电层的厚度分布；
根据所述厚度分布及所述目标厚度对所述初始压电层进行修整，对所述初始压电层各位置处的修整时间与其厚度呈正相关。
在其中一个实施例中，所述根据所述初始压电层的厚度分布及所述目标厚度对所述初始压电层进行修整，包括：
根据所述厚度分布与所述目标厚度，计算所述压电初始层的不同位置处的修整时间；
采用高能离子束对所述压电初始层的不同位置处进行相应修整时间的刻蚀轰击。
在其中一个实施例中，所述压电材料层的材料包括AlN、ZnO以及PZT中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述压电材料层的厚度与目标厚度之差为
在其中一个实施例中，保护材料层包括硬质掩膜材料层。
在其中一个实施例中，所述于所述保护材料层表面形成图形化掩膜层包括：
于所述保护材料层表面形成光刻胶层；
对所述光刻胶层进行光刻，以形成所述图形化掩膜层。
在其中一个实施例中，所述基底包括衬底以及图形化的第一电极层，所述第一电极层位于所述衬底表面，所述压电初始层暴露部分所述第一电极层，
对所述压电初始层进行处理，以形成表面粗糙度小于所述压电初始层表面粗糙度的压电层之后，还包括：
于所述压电层以及暴露的所述第一电极层表面形成图形化的第二电极层。
一种压电器件，通过上述任一项所述的压电器件的制作方法制作而成。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述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为一实施例中提供的压电器件的制作方法的流程图；
图2为一实施例中将压电初始层的厚度减薄至目标厚度的流程图。
图3至图9一实施例中提供的压电器件的制作过程中各步骤所得结构的截面结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层、掺杂类型和/或部分，这些元件、部件、区、层、掺杂类型和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层、掺杂类型或部分与另一个元件、部件、区、层、掺杂类型或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层、掺杂类型或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分；举例来说，可以将第一电极层成为第二电极层，且类似地，可以将第二电极层成为第一电极层。
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例，这样可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造技术导致的形状偏差。
在一个实施例中，请参阅图1，提供一种压电器件的制作方法，包括如下步骤：
步骤S100，提供基底100，请参阅图3；
步骤S200，于基底100表面形成压电材料层201，请继续参阅图3；
步骤S300，于压电材料层201表面形成保护材料层301，请继续参阅图3；
步骤S400，于保护材料层301表面形成图形化掩膜层400，请参阅图4；
步骤S500，基于图形化掩膜层400，依次对保护材料层301以及压电材料层201进行刻蚀，以依次形成保护层300以及压电初始层200a，去除图形化掩膜层400以及保护层300，请参阅图7；
步骤S600，对压电初始层进行处理，以形成表面粗糙度小于压电初始层表面粗糙度的压电层200，请参阅图8。
在步骤100中，作为示例，基底100可以包括衬底110以及位于衬底110表面的第一电极层120。具体地，第一电极层120可以为形成在衬底110表面的图形化结构。
当然，可以理解的是，基底100也可以为其他形式，本申请对此并没有限制。
在步骤S200中，压电材料层为具有压电性能的材料层。
作为示例，压电材料层的材料可以包括氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)以及锆钛酸铅(PZT)中的至少一种。
其中，AlN在Z轴取向上有良好的压电性能，化学性质相对稳定，且没有金属离子的污染问题等优势。其可以被用于制作体声波(BAW，Bulk Acoustic Wave)滤波器和压电麦克风等微机电系统(MEMS，Micro Electromechanical System)传感器。
在步骤S300中，保护材料层301可以为化学性质比较稳定的、不易被腐蚀的材料层。
作为示例，保护材料层301可以包括硬质掩膜材料层。硬质掩膜材料层通常不易被腐蚀，从而可以有效保护其下层的压电材料层201。具体地，保护材料层301的材料可以包括二氧化硅等。
在步骤S400中，图形化掩膜层400为具有一定图形化结构的膜层。图形化掩膜层400形成于压电材料层210上方，用于作为对压电材料层210进行图形化处理的掩膜。
图形化掩膜层400形成过程中，通常需要用于化学试剂对其进行刻蚀。而图形化掩膜层400下的保护材料层301化学性质稳定、不易被腐蚀。因此，保护材料层301可以对压电材料层201进行有效保护，防止压电材料层201在图形化掩膜层400的形成过程被腐蚀而影响压电性能。
在步骤S500中，作为示例，可以首先基于图形化掩膜层400，对保护材料层301进行刻蚀，形成图形化的保护层300，请参阅图5。
具体地，保护材料层301包括硬质掩膜材料层时，保护层300可以包括硬质掩膜层。可以通过缓冲氧化物刻蚀液(BOE，Buffered Oxide Etch)等刻蚀硬质掩膜材料层，以形成硬质掩膜层。
然后，再基于图形化掩膜层400以及保护层300，对压电材料层201进行刻蚀，形成图形化的压电初始层200a，请参阅图6。之后去除图形化掩膜层400以及保护层300，请参阅图7。
或者，也可以首先基于图形化掩膜层400，对保护材料层301进行刻蚀，形成图形化的保护层300。然后去除图形化掩膜层400。之后，再基于保护层300，对压电材料层201进行刻蚀，形成图形化的压电初始层200a。然后去除保护层300。
这里值得注意的是，发明人研究发现，在步骤S500去除保护层300的过程中，会对压电初始层200a造成损伤，导致压电初始层200a的表面粗糙度较高。如果直接将压电初始层200a作为压电层而形成器件，器件的压电性能仍然会有不理想的现象。
基于此，本申请压电器件的制作方法，在步骤S500之后，还设置步骤S600。在步骤S600中，经过对压电初始层的处理，形成表面粗糙度小于压电初始层表面粗糙度的压电层200。
因此，本申请可以有效提高压电器件的压电性能。
在一个实施例中，步骤S200包括，于基底100表面形成厚度大于目标厚度的压电材料层201。
目标厚度为压电器件所需要的压电层200的厚度。目标厚度的厚度范围可以为当然，其也可以出现在这个范围之外。
此时，步骤S600包括：将压电初始层200a的厚度减薄至目标厚度，以形成表面粗糙度小于压电初始层200a表面粗糙度的压电层200。
本实施例制作的压电材料层201的厚度要大于压电器件所需要的压电层200的厚度，从而使得后续可以在对压电初始层201的厚度进行减薄的过程中，可以逐渐减小压电初始层201的表面粗糙度，从而形成表面粗糙度小于压电初始层表面粗糙度的压电层200。
当然，在其他实施例，也可以通过其他方式，形成表面粗糙度小于压电初始层表面粗糙度的压电层，本申请对此并没有限制。
在一个实施例中，请参阅图2，步骤S600包括：
步骤S610，获取压电初始层200a的厚度分布；
步骤S620，根据厚度分布及目标厚度对初始压电层200a进行修整，对初始压电层各位置处的修整时间与其厚度呈正相关。
在步骤S610之中，可以通过测试机台测试压电初始层200a的各个位置处的厚度分布。
步骤S620中，对初始压电层各位置处的修整时间与其厚度呈正相关，从而使得最终形成的压电层200的厚度比较均匀。
因此，本实施例在改善压电层200的粗糙度的同时，还使得压电层200的整片厚度也更加均匀，从而更加有利于提高器件性能。
在一个实施例中，步骤S620包括：
步骤S621，根据厚度分布与目标厚度，计算压电初始层200a的不同位置处的修整时间；
步骤S622，采用高能离子束对压电初始层200a的不同位置处进行相应修整时间的刻蚀轰击。
在本实施例中，具体地，可以将步骤S610中测试机台所获取的各个位置处的厚度分布导入至修整(trimming)机台。修整机台可以与测试机台具有相同的位置坐标系。
然后，可以在修整机台里设置一个目标厚度。机台可以根据各个位置处的厚度与目标厚度之差，计算压电初始层的不同位置处的修整时间。
之后，修整机台可以根据不同位置处的修整时间，采用高能离子束轰击压电初始层200a表面不同位置处。高能离子束轰击各个位置处之后，压电初始层200a形成压电层200。
作为示例，压电初始层200a的5个位置处的测量厚度分别是 目标厚度为/>则各个位置处的厚度与目标厚度之差分别为/>据此，可以计算各个位置处的修整时间。厚度差越大，修整时间越长。
本实施例方法形成的压电层200，其粗糙度得到有效改善的同时，整片厚度也更加均匀，从而更加有利于提高器件性能。具体地，压电层200的表面粗糙度Ra大约可以从降至/>以内。压电层200的各个位置处的厚度差百分比U大约可以从1％降至0.3％以内。
当然，减薄压电初始层200a的方式并不限于此。例如，在其他实施例中，也可以设置各个位置处具有相同的高能离子束刻蚀时间。或者，也可以通过其他方式(例如化学机械抛光(CMP)的方式减薄压电初始层200a)。
在本实施例中，请参阅图8，当压电层200底部的电极层120已经有刻蚀图形时，压电层200顶部也会出现底部图形一样的图形。如果用CMP的方式研磨，CMP研磨的无差别性会使得有电极层120图形的位置区域形成的压电层200偏薄，而形成在电极层120图形的缺口位置区域的压电层200偏厚。
在一个实施例中，设置压电材料层201的厚度与目标厚度之差在预设厚度范围内。
压电材料层201的厚度与目标厚度之差较大时，更有利于提高厚度均匀性和改善粗糙度，但是会增加减薄时间而降低产量。因此，将压电材料层201的厚度与目标厚度之差在预设厚度范围内可以同时兼顾质量与产量。“预设厚度”为既满足质量要求，又满足产量要求的厚度。
作为示例，预设厚度范围可以为目标厚度小的话可以设置压电材料层201的厚度与目标厚度之差小一些，目标厚度大的话可以设置压电材料层201的厚度与目标厚度之差大一些。
当然，也可以根据实际需要设置压电材料层201的厚度与目标厚度之差。
在一个实施例中，步骤S400包括：
步骤S410，于保护材料层301表面形成光刻胶层401；
步骤S420，对光刻胶层401进行光刻，以形成图形化掩膜层400。
此时，图形化掩膜层400为光刻胶掩膜层。对光刻胶层401进行光刻时，需要采用四甲基氢氧化铵(THMA)等显影液腐蚀光刻胶层401，以形成图形化掩膜层400。THMA等显影液直接接触压电材料层201，会对其造成损伤。
本实施例中，压电材料层201之上的保护材料层201可以对其进行有效保护，防止其被显影液腐蚀。
同时，在需要通过去胶液去除光刻胶层401而进行返工时，保护材料层201可以有效防止压电材料层201被去胶液腐蚀，从而便于在生产过程中进行返工。
在一个实施例中，压电器件的制作方法用于制作压电麦克风。基底100包括衬底110以及图形化的第一电极层120。第一电极层120位于衬底110表面。步骤S500形成的压电初始层200a暴露部分第一电极层120。
此时，步骤S600之后，还可以包括：
步骤S700，于压电层200以及暴露的第一电极层120表面形成图形化的第二电极层500，请参阅图9。
本实施例中形成的压电麦克风包括两个电极层(第一电极层120以及第二电极层500)。
在其他实施例中，压电麦克风包括三个电极层。三个电极层可以分别为上层电极层、中间电极层以及下层电极层。此时，中间电极层与两侧的上层电极层之间形成有第一压电层。中间电极层与两侧的上层电极层之间形成有第二压电层。且上层电极层与中间电极层以及下层电极层均连接。此时，可以在通过上述实施例中形成压电层200的方式形成第一压电层。且此时基底可以包括衬底、下层电极层、第二压电层以及中间电极层。
在一个实施例中，还提供一种压电器件，其可以通过上述任一实施例的压电器件的制作方法制作而成。具体地，压电器件可以为压电麦克风等MEMS传感器产品或者BAW滤波器等等。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种压电器件的制作方法，其特征在于，包括：
提供基底；
于所述基底表面形成压电材料层，所述压电材料层的厚度大于目标厚度，所述目标厚度用于表征压电器件所需要的压电层厚度；
于所述压电材料层表面形成保护材料层；
于所述保护材料层表面形成图形化掩膜层；
基于所述图形化掩膜层，依次对所述保护材料层以及所述压电材料层进行刻蚀，以形成保护层以及压电初始层，并去除所述图形化掩膜层以及所述保护层；
对所述压电初始层进行处理，以形成表面粗糙度小于所述压电初始层表面粗糙度的压电层。
2.根据权利要求1所述的压电器件的制作方法，其特征在于，
所述对所述压电初始层进行处理，以形成表面粗糙度小于所述压电初始层表面粗糙度的压电层，包括：
将所述压电初始层的厚度减薄至所述目标厚度，以形成表面粗糙度小于所述压电初始层表面粗糙度的压电层。
3.根据权利要求2所述的压电器件的制作方法，其特征在于，所述将所述压电初始层的厚度减薄至所述目标厚度，以形成表面粗糙度小于所述压电初始层表面粗糙度的压电层，包括：
获取所述压电初始层的厚度分布；
根据所述厚度分布及所述目标厚度对所述压电初始层进行修整，对所述压电初始层各位置处的修整时间与其厚度呈正相关。
4.根据权利要求3所述的压电器件的制作方法，其特征在于，所述根据所述压电初始层的厚度分布及所述目标厚度对所述压电初始层进行修整，包括：
根据所述厚度分布与所述目标厚度，计算所述压电初始层的不同位置处的修整时间；
采用高能离子束对所述压电初始层的不同位置处进行相应修整时间的刻蚀轰击。
5.根据权利要求1-4任一项所述的压电器件的制作方法，其特征在于，所述压电材料层的材料包括AlN、ZnO以及PZT中的至少一种。
6.根据权利要求1至4任一项所述的压电器件的制作方法，其特征在于，所述压电材料层的厚度与目标厚度之差为
7.根据权利要求1至4任一项所述的压电器件的制作方法，其特征在于，保护材料层包括硬质掩膜材料层。
8.根据权利要求1至4任一项所述的压电器件的制作方法，其特征在于，所述于所述保护材料层表面形成图形化掩膜层包括：
于所述保护材料层表面形成光刻胶层；
对所述光刻胶层进行光刻，以形成所述图形化掩膜层。
9.根据权利要求1至4任一项所述的压电器件的制作方法，其特征在于，所述基底包括衬底以及图形化的第一电极层，所述第一电极层位于所述衬底表面，所述压电初始层暴露部分所述第一电极层，
对所述压电初始层进行处理，以形成表面粗糙度小于所述压电初始层表面粗糙度的压电层之后，还包括：
于所述压电层以及暴露的所述第一电极层表面形成图形化的第二电极层。
10.一种压电器件，其特征在于，所述压电器件通过权利要求1-9任一项所述的压电器件的制作方法制作而成。
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