CN113917443A

CN113917443A - 超声波飞行传感器及其制作方法

Info

Publication number: CN113917443A
Application number: CN202010662129.4A
Authority: CN
Inventors: 梁骥; 效烨辉; 程泰毅
Original assignee: Silead Inc
Current assignee: Silead Inc
Priority date: 2020-07-10
Filing date: 2020-07-10
Publication date: 2022-01-11

Abstract

本发明提供一种超声波飞行传感器及其制作方法，包括设置于半导体衬底内的空腔、设置于所述空腔上方且呈图案化设计的激励层及覆盖所述空腔并包裹图案化的所述激励层的弹性膜，其中，所述激励层包括第一电极层、第二电极层以及设置于所述第一电极层和所述第二电极层之间的压电层。本发明在实现超声波飞行传感器微型化的前提下，以使得生产制作出的超声波飞行传感器能给达到预期的性能。进一步的，本发明在在对应空腔的弹性膜的边缘区域开设开孔，有利于减少弹性膜应力对超声波飞行传感器频率的影响。

Description

超声波飞行传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及超声波传感器领域，尤其涉及一种超声波飞行传感器及其制作方法。

背景技术

超声波传感器被广泛应用于消费电子、机器人、无人机，医疗仪器等领域，例如，可以测量距离，位置跟踪，人员检测，机器人避障，医疗成像等。作为电能和机械能相互转换的器件，超声换能器是超声传感器的重要组成部件。传统的超声换能器通常基于机械加工制成，因而具有体积较大，加工精度较低，加工成本较高，难以形成阵列结构等缺点。

压电微超声换能器(PMUT)由弹性膜、压电层及上下金属电极构成，利用弹性膜的弯曲振动模式发射和接收超声波，具有驱动电压低、输出阻抗低、发射接收效率兼顾等优点。压电微超声换能器可利用半导体的工艺进行制作，实现压电转换微超声换能器的微型化，因此可利于应用压电微超声换能器的超声波飞行传感器的小型化。

超声波飞行传感器可用于距离测量、位置追踪、无接触式识别和3D图像和形貌的无接触式检测和成像。相比于光学传感器或红外传感器，它具有诸多优势。它不易受外界环境的干扰，例如环境光的影响。这些优点均使得超声波飞行传感器的应用前景光明。

目前采用半导体工艺制作超声波飞行传感器还在研究中，并没有实际量产运用的产品案例。如何生产和制作可以实现预期功能和性能的超声波飞行传感器并将之量产，这将是超声波飞行传感器的研究的终极目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声波飞行传感器及其制作方法，在实现超声波飞行传感器微型化的前提下，以使得生产制作出的超声波飞行传感器能给达到预期的性能。

为实现上述目的，本发明提供一种超声波飞行传感器，利用半导体工艺制作，包括：

空腔，所述空腔设置于半导体衬底；

激励层，设置所述空腔的上方，所述激励层包括第一电极层、第二电极层以及设置于所述第一电极层和所述第二电极层之间的压电层，所述激励层图案化；

弹性膜，覆盖所述空腔并包裹图案化的所述激励层。

可选的，所述弹性膜设有开孔，所述开孔贯穿所述弹性膜与所述空腔连通。

可选的，所述开孔设置于对应空腔的弹性膜的中央区域。

可选的，所述开孔对称设置于对应空腔的弹性膜的边缘区域。

可选的，所述第一电极层、所述第二电极层以及所述压电层图案化的形状相同或者相似。

可选的，所述激励层图案化的主体部分围绕所述空腔的中央区域设置。

可选的，所述激励层还包括至少两个支肋，所述支肋围绕所述激励层的主体部分对称设置，所述支肋自所述主体部分向所述空腔的外围部分延伸。

可选的，至少一个所述支肋与所述激励层的主体部分连接并延伸至所述空腔外围部分以将所述第一电极层和所述第二电极层引出。

可选的，还包括设置于所述空腔外围的第一电接触孔和第二电接触孔；所述第一电接触孔和所述第二电接触孔分别与所述支肋中的所述第一电极层和所述第二电极层电性连通。

可选的，所述第一电接触孔和所述第二电接触孔填有导电材料，而分别与附近所述激励层中第一电极层和所述第二电极层电性连通。

可选的，所述激励层还包括对称设置与所述激励层主体部分的支肋，所述对称设置的支肋与所述激励层主体部分的第一电极层和第二电极层绝缘。

本发明提供一种超声波飞行传感器，利用半导体工艺制作且所述超声波飞行传感器包括：

空腔，所述空腔设置于半导体衬底；

图案化的激励层，位于所述空腔上方的激励层在所述空腔上的投影面积小于所述空腔；

弹性膜，所述空腔上方的弹性膜附着于所述图案化的激励层表面，所述空腔之外的弹性膜与所述半导体衬底接触。

可选的，位于所述空腔上方的激励层包括主体部分和分支部分，所述激励层的主体部分分布于所述空腔的中部。

可选的，所述激励层的分支部分分布于所述空腔的靠近边缘的部分。

可选的，所述激励层的分支部分对称围绕所述激励层的主体部分分布。

相应的，本发明还提供一种超声波飞行传感器的制作方法，利用晶圆及半导体工艺制作所述超声波飞行传感器，所述制作方法包括：

在晶圆的表面形成第一部分弹性膜，所述第一部分弹性膜中间形成有图案化的牺牲层；

在所述第一部分弹性膜的表面形成激励层，并图案化所述激励层；

在所述激励层的表面形成第二部分弹性膜；以及

从所述晶圆背面刻穿所述晶圆、紧贴晶圆表面的部分所述第一部分弹性膜以及牺牲层而形成所述超声波飞行传感器的空腔。

可选的，所述制作激励层包括：

制作第一电极层；

在制作好的第一电极层上制作压电层；

在制作好的压电层上制作第二电极层。

可选的，图案化所述激励层包括：

图案化后的所述第一电极层、所述压电层以及所述第二电极层的形状相同或者相似。

可选的，形成第一部分弹性膜包括：

紧贴晶圆的表面形成保护层；

在所述保护层的表面形成所述牺牲层；

图案化所述牺牲层；

在图案化后的所述牺牲层的表面形成钝化层。

可选的，所述部分第一部分弹性膜为紧贴晶圆表面形成的所述保护层，所述钝化层紧贴所述激励层。

可选的，所述图案化后的牺牲层的尺寸大于后续形成的所述空腔在所述晶圆里的尺寸。

可选的，制作所述激励层之前还包括在所述半导体衬底的表面制作牺牲层。

可选的，制作所述空腔之后还包括：去除所述牺牲层。

可选的，还包括在所述弹性膜覆盖所述空腔的部分制作开孔。

可选的，还包括在所述空腔外围部分的弹性膜以及激励层上制作第一电接触孔和第二电接触孔。

可选的，还包括将导电材料填入所述第一电接触孔和所述第二电接触孔，而使所述第一电接触孔电性连接至所述激励层的第一电极层，所述第二电接触孔电性连接至所述激励层的第二电极层。

综上所述，本发明提供一种超声波飞行传感器及其制作方法，包括设置于半导体衬底的空腔、设置于所述空腔上方且呈图案化设计的激励层及覆盖所述空腔并包裹所述激励层的弹性膜，其中，所述激励层包括第一电极层、第二电极层以及设置于所述第一电极层和所述第二电极层之间的压电层。本发明在实现超声波飞行传感器微型化的前提下，以使得生产制作出的超声波飞行传感器能给达到预期的性能。

进一步的，本发明在在对应空腔的弹性膜的边缘区域开设开孔，有利于减少弹性膜应力对超声波飞行传感器频率的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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发明的一些实施例，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为本发明实施例一提供的超声波飞行传感器部分结构的俯视图；

图2a为图1中的结构沿AA′和BB′方向上的剖面示意图；图2b为图1沿CC′方向上的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例以提供的超声波飞行传感器的制作方法的流程图；

图4a至图4k为本发明实施例一提供的超声波飞行传感器的制作方法的相应步骤的结构示意图，其中，4a至图4k为相应步骤中图1中的结构沿AA′和BB′方向上的剖面示意图；

图5为发明实施例二提供的超声波飞行传感器部分结构的俯视图；

图6为图5中的结构沿AA′和BB′方向上的剖面示意图；

图7为发明实施例三提供的超声波飞行传感器部分结构的俯视图；

图8为图7中的结构沿AA′和BB′方向上的剖面示意图；

其中，附图标记为：

100-半导体衬底(晶圆)；100a、100b-保护层；101-牺牲层；102-钝化层；103-种子层；104-第一电极层；105-压电层；106-第二电极层；107-第二部分弹性膜；108a′-凹槽；108a-第一电接触孔；108b-第二电接触孔；109-导电材料；110-激励层；110a-主体部分；110b-支肋；120-开孔；130-空腔；131-开口；

200-半导体衬底；200a-保护层；201-牺牲层；203-种子层；204-第一电极层；205-压电层；206-第二电极层；207-第二部分弹性膜；208a-第一电接触孔；208b-第二电接触孔；209-导电材料；210-激励层；210a-主体部分；210b-支肋；220-开孔；230-空腔；231-开口；

300-半导体衬底；300a-保护层；301-牺牲层；30-种子层；304-第一电极层；305-压电层；306-第二电极层；307-第二部分弹性膜；308a-第一电接触孔；308b-第二电接触孔；309-导电材料；310-激励层；310a-主体部分；310b-支肋；320-开孔；330-空腔；331-开口。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的超声波飞行传感器及其制作方法做进一步详细说明。根据下面的说明和附图，本发明的优点和特征将更清楚，然而，需说明的是，本发明技术方案的构思可按照多种不同的形式实施，并不局限于在此阐述的特定实施例。附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

在说明书中的术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换，例如可使得本文所述的本发明实施例能够以不同于本文所述的或所示的其他顺序来操作。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。若某附图中的构件与其他附图中的构件相同，虽然在所有附图中都可轻易辨认出这些构件，但为了使附图的说明更为清楚，本说明书不会将所有相同构件的标号标于每一图中。

实施例一

图1为本实施例提供的超声波飞行传感器部分结构的俯视图，图2a为图1中的结构沿AA′和BB′方向上的剖面示意图；图2b为图1沿CC′方向上的剖面结构示意图。

参考图1、图2a及图2b所示，本实施例提供的超声波飞行传感器利用半导体工艺制作。所述超声波飞行传感器包括：空腔130、激励层110及弹性膜，所述空腔130设置于半导体衬底100，所述激励层110设置于所述空腔130的上方，所述激励层110包括第一电极层104、第二电极层106以及设置于所述第一电极层104和所述第二电极层106之间的压电层105，所述激励层110呈图案化设计。所述弹性膜覆盖所述空腔130并包裹图案化的所述激励层。

所述弹性膜包括第一部分弹性膜和第二部分弹性膜107。所述第一部分弹性膜设置在所述半导体衬底100与所述激励层110之间。第一部分弹性膜包括依次设置在所述半导体衬底100上的保护层100a、牺牲层101及钝化层102。保护层100a的主要目的是在去除牺牲层形成开口时，对半导体衬底100的保护，保护层100a的材料可以依据牺牲层的材料以及开口的制作工艺进行选择。保护层100a的厚度也可以依据开口的制作工艺而选择合适的厚度。而牺牲层101在最终所制作超声波飞行传感器过程中会被去除。牺牲层101的厚度由空腔中的开口的高度所决定。第一部分弹性膜中钝化层102的厚度主要是对激励层110中第一电极层104进行相应的保护，避免激励层110中第一电极层直接暴露空腔中。钝化层102的厚度一般设置在100nm至500nm之间。第二部分弹性膜107覆盖所述激励层110。由于激励层110图案化后，第二部分弹性膜107在去除了激励层的位置会与所述第一部分弹性膜接触。第二部分弹性膜107的厚度大于第一部分弹性膜中钝化层102的厚度，可以让整个振动隔膜的厚度的中性层偏离该振动隔膜的物理中心。这样，更便于超声波换能器在达到预设频率的振动时，能达到预期的强度而产生所期望的较高声压。

本实施例中，所述保护层100a的材料例如为氧化硅，可用于保护半导体衬底100。所述钝化层102设置在所述牺牲层101与所述激励层110之间。所述钝化层102的材料可以与第二部分弹性膜107的材料相同。所述牺牲层101的材料为无定形硅(Amorphous Silicon,α-Si)。其中，牺牲层101只会在超声波飞行传感器的制作过程中存在，在最终形成的超声波飞行传感器的结构中只能显示制作过程中牺牲层所存在过的空洞部分。在制作过程的实施例中，牺牲层101呈图案化设计，会覆盖后续在半导体衬底100中形成的空腔位置。因此，牺牲层101的尺寸大于所述空腔130的尺寸。图案化后牺牲层所在的位置，也即后续形成的开口131的位置。所述开口131可以通过释放或者去除牺牲层101中的牺牲材料而形成。由于所述牺牲层101呈图案化设计，通过以上例举的方法而形成的开口131，位于半导体衬底100内形成的空腔130的边缘位置，且具有较规则的形状。通过在半导体衬底上方形成形状规则的开口131并与半导体衬底内的空腔连通，使得最终形成的超声波飞行传感器的空腔与包裹激励层的弹性膜接触的边缘位置形状规则。根据对多个超声波飞行传感器测试或者仿真结果得知，超声波飞行传感器空腔边缘与弹性膜接触的位置的形状会影响其发声或者接收性能。这样，利于提高在同一片晶圆上制作的超声波飞行传感器性能之间的一致性。

所述激励层110呈图案化设计。在此例举的图案化后的所述激励层110包括一主体部分110a和至少两个支肋110b。所述激励层110图案化的主体部分110a围绕所述空腔130中央区域设置，图案化后的所述第一电极层104、第二电极层106以及压电层105图案化的形状相同或者相似，例如所述第一电极层104、所述第二电极层106以及所述压电层105呈环状围绕所述空腔130的中央区域分布。激励层110和弹性膜在激励层110接收激励信号时，产生预设频率的振动而产生超声波。该预设频率与空腔半径的关系大体成如下公式(1)所表征的关系：

其中，f₀是振动的频率，a是开口131的半径；D是空腔上激励层与弹性膜组成振动隔膜的抗弯刚度，ρ是振动隔膜的密度。

由以上公式(1)可以看出，振动隔膜的工作频率与开口的半径成反向关系，即振动隔膜的工作频率越低，需要开口半径尺寸越大。超声波飞行传感器所产生的超声波信号需要向空气中进行传播。由于声波在空气中的衰减随着其频率的增加而增加，因此，为保证超声波飞行传感器所产生的超声波能发射至预期射程范围内，其工作频率一般在10khz-300khz以内。对应至这个工作频率范围内时，开口的半径大约5um-1mm之间。

激励层110中第一电极层104厚度范围为50nm-1μm。由于在制作第一电极层104完成之后，需要在第一电极层表面形成压电层105，第一电极层的厚度综合实验和测试结果，较为合适的厚度控制在100nm-300nm。第二电极层106的厚度范围为50nm-1μm，考虑到第二电极层106的阻值以及制作工艺的问题，第二电极层106的厚度较为合适的控制在100nm-300nm。振动隔膜中，第二部分弹性膜107覆盖所述激励层110，激励层110被第二部分弹性膜107包盖。在此实施例中，第二部分弹性膜107的厚度大于所述激励层110的厚度，例如第二部分弹性膜107的厚度范围为500nm-10μm。基于振动隔膜的工作频率、空腔的尺寸以及超声波飞行传感器灵敏度的考量，第二部分弹性膜107的厚度3μm-5μm是较为合适的厚度。

所述第二部分弹性膜107可充当所述激励层110的钝化层。所述第二部分弹性膜107设置在激励层110上，与所述第一部分弹性膜可被配置成谐振空腔的密封层。第二部分弹性膜的材料可以与第一部分弹性膜中部分材料相同，也可以与第一部分弹性膜的制作中采用的材料完全不同。第二部分弹性膜的材料可以依据超声波飞行传感器的制作工艺而进行选择。通过选择所述第二部分弹性膜107的材料属性、厚度和内应力，可改进超声波飞行传感器参数。例如，谐振频率、静态和动态偏转、声压输出以及可通过以适当方式配置所述第二部分弹性膜107来调整激励层110中的残余应力的产生。

在此实施例中，激励层110中第一电极层104、压电层105以及第二电极层106的截面图成梯形的形状，即第一电极层104的面积会略大于压电层105的面积，压电层105的面积会略大于第二电极层106的面积。这是对激励层的所有层结构采用半导体工艺进行图案化时，容易使得图案化后的激励层的实际截面呈现梯形状。

在此实施例中，空腔130通过刻蚀半导体衬底100形成，与刻蚀牺牲层101形成的开口131构成超声波飞行传感器的谐振空腔。空腔130和开口131均是在激励层110制作完成之后。激励层110中稍厚的压电层105，在未进行图案化时，在制作超声波飞行传感器的同一片晶圆中产生应力差别会较大，从而易导致同一片晶圆制作出的超声波飞行传感器之间性能因应力差别，导致其工作频率的偏移超出预设容差。因此，为降低压电层的不同位置的应力不同，而导致超声波飞行传感器性能出现的漂移，可对激励层110图案化。激励层的图案化的主要目的是激励层中压电层105所覆盖的面积，降低压电层105的不同位置存在的不同应力对超声波飞行传感器性能的影响。本实施例中对所述激励层110进行图案化设计，相应去除了部分压电层或者包括同时去除部分的电极层，减小了压电层的不同位置存在的不同应力对超声波飞行传感器性能的影响。

在其他的实施例中，激励层图案化，也可以选择只对激励层中的电极层进行图案化，并非需要图案化压电层。或者，激励层中压电层、电极层分别进行不同图案的图形化，并非限定于以上所介绍的实施例中，压电层和电极层进行同种或相似图案的图形化。可以根据不同图案的激励层的超声波飞行传感器进行测试或者模拟而确定最终激励层的各层具体所需要的设计图案。在此描述的激励层的图案仅用于描述，不作限定。

在此实施例中，所述支肋110b围绕所述激励层110的主体部分110a对称设置。所述支肋110b自所述主体部分110a向所述空腔130的外围部分延伸，且至少一个所述支肋110b连接所述主体部分110a并延伸至所述空腔130外围部分以将所述第一电极层104和第二电极层106引出。在其中的一些实施例中，如图1所示，所述支肋110b的数量例如可以为四个，其中两个支肋110b延伸至所述空腔130外围部分分别将所述第一电极层104和第二电极层106引出，其余支肋110b可以与激励层110的主体部分110a电隔离。当然，在其中的一些其他的实施例中，所述支肋110b也可以只需要一个，作为激励层电极层的引出端。在本发明其他实施例中，具体设置几个支肋110b引出电极，可以视具体设计而定，在此，本发明不作限定。

然而，在此示意的实施例或者其他实施例中，多个支肋110b中，并非作为激励层的引出端子，有些支肋并未与激励层中电极层的连通。例如所述激励层110还包括对称设置与所述激励层的主体部分110a的支肋110b，所述对称设置的支肋110b与所述激励层110的主体部分110a的第一电极层104和第二电极层106绝缘，对称的支肋结构，主要是减小压电层残余应力对整个弹性隔膜的刚度影响的同时还能维持整个激励层和弹性膜组成的振动隔膜的抗弯刚度。

所述弹性膜设有开孔120。该开孔120相对于空腔130的尺寸要小很多。当然该开孔120的位置可以选择弹性膜位于激励层110图案化开口的位置进行开设，这样可以避免此开孔需要贯穿激励层110。此开孔120通过开口131与空腔130连通。该开孔120的目的主要是平衡弹性隔膜里外两侧的压力。在其他实施例中，该开孔120无需位于空腔130中央的位置，选用其他弹性隔膜应力较小处开设即可。

请参阅图2a所示，本实施例提供的超声波飞行传感器还包括设置于所述空腔130外围的第一电接触孔108a和第二电接触孔108b。所述第一电接触孔108a和所述第二电接触孔108b分别与所述支肋110b中的所述第一电极层104和所述第二电极层106电性连通。例如，所述第一电接触孔108a和所述第二电接触孔108b内填充有导电材料109以实现与所述支肋110b中的所述第一电极层104和所述第二电极层106的电性连通。这样通过第一电接触孔108a和第二点接触孔108b给该超声波飞行传感器施加激励信号，或者接收超声波飞行传感器所接收的超声波信号后转换成的电信号。如图1所示，延伸至所述空腔130外围部分的支肋110b，将所述激励层110中的第一电极层104和所述第二电极层106引出，通过填充在所述第一电接触孔108a和所述第二电接触孔108b内的导电材料109与外界电连接。

以上为简略清楚地示意出，该超声波飞行传感器主要结构，并未清楚或具体的示意出，其实际的结构中还包括的其他层的结构。本实施例提供的超声波飞行传感器实际上可能还包括：设置在所述钝化层102与所述激励层110之间的种子层103，以便于生长所述激励层110，以上仅为例举的可能的其他层结构，并不以此为限。

需要说明的是，为便于对本实施例超声波飞行传感器结构的阐述，图1对应的俯视图相应做了简化，如所述第一电极采用虚线表示，未示出弹性膜、牺牲层、钝化层等。

本实施例提供的超声波飞行传感器中，所述弹性膜包裹着激励层，对激励层保护的同时，且配置成谐振空腔的密封层。此种结构的超声波飞行传感器，可适应目前大多数半导体产品制作厂的制作工艺，可改进超声波飞行传感器参数，提高超声波飞行传感器的性能。另外，采用半导体工艺制作该超声波飞行传感器，有助于实现超声波飞行传感器的微型化，减小了超声波飞行传感器的体积，提高超声波飞行传感器与其他高集成度的电子产品的兼容性。

相应的，本实施例提供了一种超声波飞行传感器的制作方法。图3为本实施例提供的超声波飞行传感器的制作方法的流程图，如图3所示，本实施例提供的超声波飞行传感器的制作方法，利用晶圆及半导体工艺制作所述超声波飞行传感器，所述制作方法包括：

S01：在晶圆表面形成第一部分弹性膜，所述第一部分弹性膜中间形成有图案化的牺牲层；

S02：在所述第一部分弹性膜表面形成激励层，并图案化所述激励层；

S03：在所述激励层的表面形成第二部分弹性膜；以及

S04：从所述晶圆背面刻穿所述晶圆、紧贴晶圆表面的部分所述第一部分弹性膜以及牺牲层而形成所述超声波飞行传感器的空腔。

图4a至图4k为本发明一实施例提供的超声波飞行传感器的制作方法的相应步骤的结构示意图，其中，4a至图4k为相应步骤中图1中的结构沿AA′和BB′方向上的剖面示意图；以下结合图3及图4a至图4k对本实施例提供的超声波飞行传感器的制作方法做进一步详细的说明。

参考图4a和图4b所示，执行步骤S01，在晶圆100(半导体衬底)表面形成第一部分弹性膜，所述第一部分弹性膜中间形成有图案化的牺牲层101。具体的，首先，提供一晶圆100，晶圆100可以是以下所提到的材料中的至少一种：Si、Ge、SiGe、SiC、SiGeC、InAs、GAA′s、InP或者其它III/V化合物。所述晶圆100还可以包括这些材料构成的多层结构，或者为绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeO)等。

然后，在所述晶圆100表面形成第一部分弹性膜。具体的，首先，在所述晶圆100的表面依次形成保护层100a及牺牲层101。为便于技术操作及保护晶圆100，在晶圆的背面也形成以保护层100b。然后，对所述牺牲层101进行图案化，图案化后的牺牲层101与后续制作的空腔的位置相对应，如图4a所示。接着，在图案化的牺牲层101上形成所述钝化层102。可选择地，形成所述钝化层102后，可进行化学机械研磨(CMP)，如图4b所示。所述牺牲层101的材料为无定形硅(Amorphous Silicon,α-Si)，厚度范围为0.1-2μm，优选0.1-0.5μm，例如0.1μm、0.2μm或0.3μm。所述保护层和所述钝化层102的材料例如均可以为二氧化硅(SiO₂)，厚度范围均为0.1-0.5μm。在此实施例中，第一部分弹性膜包括保护层、牺牲层和钝化层；牺牲层设置于保护层和钝化层之间。在最终制作成的超声波飞行传感器中，由于牺牲层会被去掉，因此牺牲层在超声波飞行传感器的结构中会难寻踪迹。如以上内容中所描述，牺牲层在去除之后会形成对应的空腔中开口部分。综上所述，随着制作工艺的不同，第一部分弹性膜在不同的实施例中，所包含的材料成分会有所不同。第一部分弹性膜大体的结构会包括晶圆表面的保护层、和保护层上面图案化的牺牲层，钝化层在不同的实施例中可能不需要设置也可。在本制作方法的实施例中，制作牺牲层主要是用于形成超声波飞行传感器空腔的边缘。具体原因已在上述结构的实施例中有所描述，在此不再赘述。

参考图4b至图4f所示，执行步骤S02，在所述第一部分弹性膜表面形成激励层110，并图案化所述激励层110。所述激励层110包括依次形成在所述第一部分弹性膜表面上的第一电极层104、压电层105及第二电极层106。

以下一种具体的制作方法作为实施例，对此制作方法进行进一步描述和说明。

具体的，请参阅图4b至图4f制作的简略示意图，并非涵盖实际制作工艺中所有的工序。首先，如图4b和图4c所示的实施例中，在所述钝化层102表面形成种子层103。在种子层103表面形成第一电极层104。在制作方法的一实施例中，在形成第一电极层后，可对所述第一电极层104进行图案化处理，以将所述第一电极层104刻蚀成预设形状。接着，在所述第一电极层104上依次沉积压电层105及第二电极层106；然后，依次刻蚀所述第二电极层106及所述压电层105，以对所述激励层110进行图案化。

图案化所述激励层110后，所述第一电极层104、所述压电层105及所述第二电极层106的形状相同或者相似。在本发明其他实施例中，所述激励层110也可以采用依次形成第一电极层104、压电层105及第二电极层106后，再依次对所述第二电极层104、所述压电层105及所述第一电极层106进行图案化来形成。相对以上制作激励层方法所例举的实施例，可以节约一个光罩的使用，简化制作工序，降低制作成本。在此例举的半导体制作工艺中，主要利用刻蚀工艺来实现激励层110的图案化。

本实施例中，第一电极层104的材料可以为钼(Mo)、铂(Pt)、铝(Al)或金(Au)等。第二电极层106和第一电极层104可以采用相同的材料制备，也可以采用不同的材料制备。各层的厚度在以上的内容中，已有描述，在此不再赘述。

压电层105的材料可以为氮化铝(AlN)、掺杂钪(Sc)的氮化铝(Sc_xAl_1-xN)，氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)、掺杂其他元素的锆钛酸铅压电陶瓷(如PLZT，PNZT)、铌酸铅镁-钛酸铅(PMN-PT)、KNN基陶瓷或有机压电材料聚偏氟乙烯(PVDF)等。本实施例中，第一电极层104和所述第二电极层106为钼(Mo)，所述压电层105的材料为氮化铝(AlN)。

如上结构的实施例中的所描述，激励层的图案化，并非是激励层图案化所有的材料层均需图案化，或者激励层的每层的材料的图形化后的图案并非得完全一致。如上所述，激励层图形化后具体的图案，可以依据实际超声波传感器制作下来的测试结果进行调整。因此，当激励层的预设图案不同时，也会导致激励层的实际制作工艺会有所调整。因此以上所描述的制作激励层的实施例仅是针对以上例举的结构的实施例对应进行描述，并不以此为限。

参考图4g所示，执行步骤S03，在所述激励层110的表面制作第二部分弹性膜107。所述第二部分弹性膜107的厚度大于所述激励层110的厚度，部分所述第二部分弹性膜107贯穿所述激励层位于所述牺牲层101上。所述第二部分弹性膜107的材料可以为硅(Si)、二氧化硅(SiO₂)或氮化硅(Si₃N₄)，所述第二部分弹性膜107的厚度范围为500nm-10μm，优选的，厚度为3μm-5μm。

接着，参考图4h至图4k所示，执行步骤S04，从所述晶圆背面刻穿所述晶圆、紧贴晶圆表面的部分所述第一部分弹性膜以及牺牲层而形成所述超声波飞行传感器的空腔130。

具体的，首先，去除晶圆异于牺牲层101一侧的保护层100b，并对所述晶圆100进行背面减薄处理。然后，可采用深反应离子刻蚀(DRIE)刻蚀所述晶圆100，形成空腔130。

接着，刻蚀去除部分紧贴晶圆表面的部分所述第一部分弹性膜，即刻蚀去除部分所述保护层100a，以使晶圆100内空腔130延伸至所述牺牲层101。

然后，在此实施例中湿法刻蚀所述牺牲层101，例如可以采用二氟化氙(XeF₂)气相刻蚀法去除所述牺牲层101，XeF₂刻蚀牺牲层(无定形硅)101的速率大于刻蚀半导体衬底(硅衬底)100的速率，所以刻蚀所述牺牲层101形成开口131的过程中对晶圆200的影响不大。在制作方法的其他实施例所述牺牲层101也可以选择其他材料，并搭配相应的释放剂来去除。由于在步骤S02中对牺牲层101进行了图案化，在本步骤只需通过湿法刻蚀来释放与所述空腔130对应的牺牲层101，使形成的开口131具有规则的边缘结构，进而与半导体衬底100内形成的空腔130连通，这样确保整个半导体衬底所形成的超声波飞行传感器的空腔的边缘均是规则且一致性高的形状。这样使得同一个半导体衬底中的超声波飞行传感器之间的性能参数之差在预设的容差范围内。

从以上超声波飞行传感器的空腔的制作方法的实施例中，可以看出空腔130与开口131连通后，激励层中的第一电极层104与开孔131之间还存在钝化层102和种子层103。由于超声波飞行传感器在使用过程中，空腔130与外界空气连通。为避免空气中的环境对第一电极层造成影响，如氧化，钝化层102和种子层103对第一电极层104起到一定的保护作用。当然，在种子层103对第一电极层104也能起到预期的保护作用时，第一部分弹性膜可以省却钝化层102的制作。

继续参考图4h至图4k所示，本实施例提供的超声波飞行传感器的制作方法还包括以下步骤：在所述空腔130外围部分的第二部分弹性膜107以及激励层110上制作第一电接触孔108a和第二电接触孔108b及在所述第一电接触孔108a和所述第二电接触孔108b填充导电材料109。

继续参考图4h至图4k所示，本实施例提供的超声波飞行传感器的制作方法还包括在所述第二部分弹性膜107覆盖所述空腔130的部分制作开孔120。所述开孔120贯穿所述第二部分弹性膜107和第一部分弹性膜并通过开口131与空腔130连通，使空腔130和外部空气气压相同。制作所述开孔120可以在制作所述第一电接触孔108a和所述第二电接触孔108b后进行。这样，避免有杂质或者污染物通过此开孔120进入空腔130中。当然，在其他制作方法中，不会出现上述描述的问题时，也可以与所述第一电接触孔108a和所述第二电接触孔108b同一步骤完成，本发明对此不作限定。

需要说明的是，为了便于更简略和清楚的示意本案的结构和制作方法本发明提供的超声波飞行传感器的制作方法或者结构中有省去了一些其他的结构层而简化结构和制作方法的描述。

实施例二

本实施例提供一种超声波飞行传感器。图5为本实施例提供的超声波飞行传感器部分结构的俯视图，图6为图5中的结构沿AA′和BB′方向上的剖面示意图。

参考图5和图6所示，本实施例提供的超声波飞行传感器利用半导体工艺制作，所述超声波飞行传感器包括：空腔230、激励层210及弹性膜，所述空腔230设置于半导体衬底200，所述激励层210设置于所述空腔230上方，所述激励层210呈图案化设计，包括第一电极层204、第二电极层206以及设置于所述第一电极层204和所述第二电极层206之间的压电层205。所述弹性膜覆盖所述空腔230并包裹图案化的所述激励层210。

所述弹性膜包括第一部分弹性膜和第二部分弹性膜207。所述第一部分弹性膜设置在所述半导体衬底200与所述激励层210之间。第一部分弹性膜包括依次设置在所述半导体衬底200上的保护层200a、牺牲层201及钝化层202。第二部分弹性膜207覆盖所述激励层200。由于激励层210图案化后，第二部分弹性膜207在去除了激励层的位置会与所述第一部分弹性膜接触。其中，牺牲层只会在超声波飞行传感器的制作过程中存在，在最终形成的超声波飞行传感器的结构中只能显示制作过程中牺牲层所存在过的空洞部分。在制作过程的实施例中，牺牲层201呈图案化设计，会覆盖后续在半导体衬底200中形成的空腔位置。因此，牺牲层的尺寸大于所述空腔230的尺寸。图案化后牺牲层所在的位置，也即后续形成的所述开口231的位置。所述开口231可以通过释放或者去除牺牲层201中的牺牲材料而形成。由于所述牺牲层201呈图案化设计，通过以上例举的方法而形成的开口231，位于半导体衬底200内形成的空腔230的边缘位置，且具有较规则的形状。

所述激励层210呈图案化设计。在此例举的图案化后的所述激励层210包括一主体部分210a和至少两个支肋210b，所述激励层210图案化的主体部分210a围绕所述空腔230中央区域设置，图案化后的所述第一电极层204、第二电极层206以及压电层205图案化的形状相同或者相似，例如所述第一电极层204、所述第二电极层206以及所述压电层205呈环状围绕所述空腔130的中央区域分布。相比于实施例一，本实施例中激励层210的主体部分210a呈环状，位于所述空腔230上方的相对边缘一些位置。

所述空腔230的竖截面形状例如可以为方形或梯形。如实施例一中所描述，空腔230的尺寸依据超声波飞行传感器的工作频率而定，其横截面为圆形。所述第二部分弹性膜207设有开孔220，开孔220贯穿所述弹性膜207，通过开口231与所述空腔230连通。在此介绍的实施例二中例举的超声波飞行传感器的结构大体上和实施例一介绍内容相同。主要区别是：实施例二中，所述开孔220设置有多个，所述开孔220对称设置于对应空腔230边缘的弹性膜(第一部分弹性膜中的钝化层202和第二部分弹性膜207)的区域。如图5和图6所示，在包裹所述激励层210的主体部分210a的弹性膜上开设开孔220，所述开孔220连通开口231。本实施中在对应空腔230边缘的弹性膜的区域开设开孔220，有利于减少弹性膜应力对器件频率的影响。图案化后的激励层呈环状，相对实施例一中，图案化后的激励层的形状会有所不同。实施例一中激励层相对来说分布于弹性膜对应空腔的中部区域，而本实施例中，图案化后的激励层分布于弹性膜对应空腔相对边缘的位置。

在本实施中，所述开孔220的数量为4个，且关于空腔230对称设置，在本发明其他实施例中，所述开孔220的数量可以为一个、两个、三个或大于四个，也可以在对应空腔的弹性膜的中央区域和边缘区域同时开设开孔220，具体开孔220的开设数量和位置，可以视具体设计而定，在此，本发明不作限定。

如图5和图6所示，本实施例提供的超声波飞行传感器还包括设置于所述空腔230外围的第一电接触孔208a和第二电接触孔208b，所述第一电接触孔208a和所述第二电接触孔208b分别与所述支肋210b中的所述第一电极层204和所述第二电极层206电性连通。例如，所述第一电接触孔208a和所述第二电接触孔208b内填充有导电材料209以实现与所述支肋210b中的所述第一电极层204和所述第二电极层206的电性连通。

实施例三

本实施例提供一种超声波飞行传感器。图7为本实施例提供的超声波飞行传感器部分结构的俯视图，图8为图7中的结构沿AA′和BB′方向上的剖面示意图。

参考图7和图8所示，本实施例提供的超声波飞行传感器利用半导体工艺制作，所述超声波飞行传感器包括：空腔330、激励层310及弹性膜，所述空腔330设置于半导体衬底300，所述激励层310设置于所述空腔330上方，所述弹性膜覆盖所述空腔330并包裹图案化的所述激励层310。其中，所述激励层310呈图案化设计，包括第一电极层304、第二电极层306以及设置于所述第一电极层304和所述第二电极层306之间的压电层305。

所述弹性膜设有开孔320，开孔320贯穿所述弹性膜(第一部分弹性膜中的钝化层302和第二部分弹性膜307)，通过开口331与所述空腔330连通。开孔320在此介绍的实施例三中例举的超声波飞行传感器的结构大体上和实施例二介绍内容相同。主要区别是：实施例三中，图案化后的激励层310的主体部分310a分布于弹性膜对应空腔的中部区域，而若干开孔320与实施例二中开孔的设置类似，将开孔320设置在弹性膜覆盖空腔的边缘位置。这样，相应简化了激励层310的图案化工艺，节省生成时间。

综上所述，以上例举了不同图案的图案化后的激励层，和与空腔开孔位置的举例说明，但并不以此为限。

本发明提供一种超声波飞行传感器及其制作方法，包括设置于半导体衬底内的空腔、设置于所述空腔上方且呈图案化设计的激励层及覆盖所述空腔并包裹图案化的所述激励层的弹性膜，其中所述激励层包括第一电极层、第二电极层以及设置于所述第一电极层和所述第二电极层之间的压电层。本发明在实现超声波飞行传感器微型化的前提下，利用已有的半导体产品制作工艺，以使得生产制作出的超声波飞行传感器能给达到预期的性能。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于结构实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims

1.一种超声波飞行传感器，其特征在于，利用半导体工艺制作且所述超声波飞行传感器包括：

空腔，所述空腔设置于半导体衬底；

激励层，设置于所述空腔的上方，所述激励层包括第一电极层、第二电极层以及设置于所述第一电极层和所述第二电极层之间的压电层，所述激励层图案化；

弹性膜，覆盖所述空腔并包裹图案化的所述激励层。

2.根据权利要求1所述的超声波飞行传感器，其特征在于，所述弹性膜设有开孔，所述开孔贯穿所述弹性膜与所述空腔连通。

3.根据权利要求2所述的超声波飞行传感器，其特征在于，所述开孔设置于对应空腔的弹性膜的中央区域。

4.根据权利要求2所述的超声波飞行传感器，其特征在于，所述开孔对称设置于对应空腔的弹性膜的边缘区域。

5.根据权利要求3或4所述的超声波飞行传感器，其特征在于，所述第一电极层、所述第二电极层以及所述压电层图案化的形状相同或者相似。

6.根据权利要求5所述的超声波飞行传感器，其特征在于，所述激励层图案化的主体部分围绕所述空腔的中央区域设置。

7.根据权利要求6所述的超声波飞行传感器，其特征在于，所述激励层还包括至少两个支肋，所述支肋围绕所述激励层的主体部分对称设置，所述支肋自所述主体部分向所述空腔的外围部分延伸。

8.根据权利要求7所述的超声波飞行传感器，其特征在于，至少一个所述支肋与所述激励层的主体部分连接并延伸至所述空腔外围部分以将所述第一电极层和所述第二电极层引出。

9.根据权利要求8所述的超声波飞行传感器，其特征在于，还包括设置于所述空腔外围的第一电接触孔和第二电接触孔；所述第一电接触孔和所述第二电接触孔分别与所述支肋中的所述第一电极层和所述第二电极层电性连通。

10.根据权利要求9所述的超声波飞行传感器，其特征在于，所述第一电接触孔和所述第二电接触孔填有导电材料，而分别与附近的所述激励层中第一电极层和所述第二电极层电性连通。

11.根据权利要求7所述的超声波飞行传感器，其特征在于，所述激励层还包括对称设置与所述激励层主体部分的支肋，所述对称设置的支肋与所述激励层主体部分的第一电极层和第二电极层绝缘。

12.一种超声波飞行传感器的制作方法，利用晶圆及半导体工艺制作所述超声波飞行传感器，其特征在于，所述制作方法包括：

在晶圆的表面形成第一部分弹性膜，所述第一部分弹性膜的中间形成有图案化的牺牲层；

在所述激励层的表面形成第二部分弹性膜；以及

从所述晶圆的背面刻穿所述晶圆、紧贴晶圆表面的部分所述第一部分弹性膜以及牺牲层而形成所述超声波飞行传感器的空腔。

13.根据权利要求12所述的超声波飞行传感器的制作方法，其特征在于，所述制作激励层包括：

制作第一电极层；

在制作好的第一电极层上制作压电层；

在制作好的压电层上制作第二电极层。

14.根据权利要求13所述超声波飞行传感器的制作方法，其特征在于，图案化所述激励层包括：

15.根据权利要求12所述的超声波飞行传感器的制作方法，其特征在于，形成第一部分弹性膜包括：

紧贴晶圆的表面形成保护层；

在所述保护层的表面形成所述牺牲层；

图案化所述牺牲层；

在图案化后的所述牺牲层的表面形成钝化层。

16.根据权利要求15所述的超声波飞行传感器的制作方法，其特征在于，所述部分第一部分弹性膜为紧贴晶圆表面形成的所述保护层，所述钝化层紧贴所述激励层。

17.根据权利要求12所述的超声波飞行传感器的制作方法，其特征在于，所述图案化后的牺牲层的尺寸大于后续形成的所述空腔在所述晶圆里的尺寸。

18.根据权利要求12所述的超声波飞行传感器的制作方法，其特征在于，还包括在所述弹性膜覆盖所述空腔的部分制作开孔。

19.根据权利要求12所述的超声波飞行传感器的制作方法，其特征在于，还包括在所述空腔外围部分制作第一电接触孔和第二电接触孔。

20.根据权利要求19所述的超声波飞行传感器的制作方法，其特征在于，还包括将导电材料填入所述第一电接触孔和所述第二电接触孔，而使所述第一电接触孔电性连接至所述激励层的第一电极层，所述第二电接触孔电性连接至所述激励层的第二电极层。