CN116105850A - 双质量块多边形结构的mems压电矢量水听器芯片的制备方法 - Google Patents
双质量块多边形结构的mems压电矢量水听器芯片的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的制备方法。包括加工衬底硅基片、压电复合悬臂结构、多边环形支撑结构、上下质量块。所述压电复合悬臂结构包括一体化的：悬臂中心和多条压电复合悬臂梁；所述压电复合悬臂梁的一端与所述质量块相连，其另一端与所述多边环形支撑结构一侧的内壁相连；上质量块和下质量块对称分布于所述多边环形支撑结构的正中心；相邻两个压电复合悬臂梁与多边环形支撑结构之间构成一个缝隙；多边环形支撑结构与下质量块之间形成孔洞。这种双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的制备方法，工艺稳定性好，可行性强，成品率高。
Description
技术领域
本发明涉及传感技术领域，特别涉及一种双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的制备方法。
背景技术
相较于传统水听器，MEMS矢量水听器由于MEMS工艺使其具有体积小、功耗低、成本低、易阵列化的优点；“8”字形指向性使其能够测量水下声场的矢量信息，如质点位移、速度和加速度等，有利于水下远距离、多目标的识别。
良好的指向性是衡量MEMS矢量水听器的重要指标之一。现有技术中，矢量水听器常用单质量块的悬臂梁结构，其“8”字形指向性具有较大的偏斜，经研究发现这种偏斜主要是由于敏感结构的不对称性造成的。实际应用中发现单质量块的悬臂梁结构已无法满足目前对水听器指向性和灵敏度的需求。因此，制备出一种指向性好、灵敏度高的MEMS压电矢量水听器芯片是亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于进一步提高MEMS矢量水听器的指向性与灵敏度，相较于现有技术中矢量水听器采用的单质量块悬臂梁结构存在的敏感结构的不对称性造成问题，本发明提供了一种双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的制备方法，使用该制备方法可以稳定高效的制备双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片。
为了解决传统单质量块悬臂梁结构存在的敏感结构的不对称性造成问题，该制备方法首先通过仿真软件对双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片进行建模，根据下质量块的尺寸和位置以及具体的多边形结构，对上质量块的尺寸与放置位置进行分析与优化，以确保上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合。随后根据仿真分析得到的数据，制备均匀的多边形结构以及关于压电复合悬臂结构对称的上下质量块，以保证上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合。通过该方法制备出的双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片，其灵敏度与指向性均得到了极大的提高；并且由于其上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合，其在x-z平面与y-z平面均呈现出无偏的“8”字形指向性，且x-z平面与y-z平面的指向性能很好的重合，一致性良好。
本发明的一种双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1.准备衬底硅基片；
步骤2.在衬底硅基片表面沉积绝缘层；
步骤3.在绝缘层的上表面沉积金属膜，并对金属膜进行图形化，形成下电极；
步骤4.在下电极的上表面制备压电膜层，并对压电膜层图形化，形成压电层；
步骤5.在压电层的上表面沉积金属膜，并对金属膜进行图形化，形成上电极；
步骤6.在衬底硅基片的上表面涂覆光刻胶，并在光刻胶上露出需刻蚀的多个缝隙的图形并图形化，分别对绝缘层、器件硅层进行湿法腐蚀或干法刻蚀，形成多个缝隙，为多条悬臂和下质量块的释放做准备；
步骤7.在衬底硅基片的背面制备体刻蚀掩膜层，并对体刻蚀掩膜层进行图形化；
步骤8.对衬底基片的底部进行湿法腐蚀或干法刻蚀，形成孔洞，并释放得到多条悬臂和下质量块；所述孔洞中间的基底硅层即为下质量块；
步骤9.在所述压电复合悬臂结构的上表面粘贴或键合一个上质量块，且所述上质量块与下质量块位于压电复合悬臂结构上下表面的相同位置处；所述下质量块(11)通过刻蚀、粘贴或键合制得。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤1中采用SOI基片或普通硅基片作为衬底基片；所述SOI硅基片包括由上到下依次堆叠的：器件硅层、SOI埋氧层和基底硅层；所述普通硅基片包括由上到下依次堆叠的：器件硅层和基底硅层；
当采用SOI基片作为衬底基片时，所述步骤8中，对SOI基片的基底硅层和SOI埋氧层由外向内进行湿法腐蚀或干法刻蚀；
当采用普通硅基片作为衬底基片时，所述步骤8中，对普通硅基片的基底硅层进行湿法腐蚀或干法刻蚀。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤2中的绝缘层为二氧化硅层、氮化硅层、多晶硅层、磷硅玻璃层或由其中至少两种形成的复合层。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤3与步骤5中的金属膜为铝、钼、金、铬、铂、钛，或由其中至少两种金属形成的复合膜。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤4中的压电层为氧化锌压电膜，氮化铝压电膜，锆钛酸铅压电膜，PMN-PT压电膜，钙钛矿型压电膜，有机压电膜，或由其中至少1种压电膜与掺杂元素形成的掺杂膜，或由其中至少两种压电膜形成的复合膜，或在表面设置隔离层的某种压电膜或者复合膜；所述隔离层为氮化硅层、二氧化硅层、多晶硅层、磷硅玻璃层或由其中至少两种形成的复合膜；
所述掺杂元素为钒、铁、铬、锰、钐、铟、镧、镨、钴或铌，实际应用中并不局限于列举的的这些元素。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤7中的体刻蚀掩膜层为二氧化硅层，氮化硅层，多晶硅层，磷硅玻璃层，金属铝，金，或由其中至少两种材料形成的复合层组成的硬掩膜，或光刻胶，或硬掩膜与光刻胶组成的复合掩膜层。
作为上述技术方案的改进之一，所述多边形结构为：五边形、六边形、七边形、八边形、九边形或十边形，对应地，在步骤6中分别形成五个、六个、七个、八个、九个或十个缝隙，在步骤8中分别释放得到五条、六条、七条、八条、九条或十条悬臂。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤9中的上质量块与下质量块质量相同，使得上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合。
作为上述技术方案的改进之一，为了保证上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合，所述步骤9具体包括：
通过仿真软件对双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片进行建模，根据下质量块的尺寸和位置以及具体的多边形结构，对上质量块的尺寸与放置位置进行分析与优化，以确保上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合；
对上质量块进行制备：根据优化后的上质量块尺寸，设计掩膜版；采用双面抛光的普通硅基片作为衬底，沉积支撑层，并在支撑层表面涂敷较厚的光刻胶；对硅基片的另一面使用掩膜版进行图形化，并对体硅进行湿法腐蚀或干法刻蚀；去除光刻胶和支撑层，得到上质量块；
将上质量块键合或粘贴在压电复合悬臂结构上已优化好的位置，使得上质量块位置与下质量块上下对称，且位置正对，上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合；
其中，所述支撑层为铝、金、铬、铂、钛、二氧化硅、氮化硅，或由其中至少两种形成的复合膜。
作为上述技术方案的改进之一，所述方法制备出双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片；所述双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合。
本发明的有益效果为：通过本发明所提供的制备工艺，制备出的双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器指向性好，凹点深度高；通过制备多边形结构实现多个压电层的串联，提高了灵敏度；通过对上质量块的形状与放置位置的建模分析，保证制备的上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合，使得其在x-z平面与y-z平面均呈现出无偏的“8”字形指向性，且x-z平面与y-z平面的指向性能很好的重合，一致性良好。本发明所提供的MEMS矢量水听器的制备方法工艺稳定性好，可行性强，成品率高。
附图说明
图1是SOI硅片的双质量块六边形结构的MEMS压电矢量水听器的三维示意图；
图2是SOI硅片的剖面图；
图3是在图2表面沉积绝缘氧化层后的芯片剖面示意图；
图4是在图3上制备压电单元后的芯片剖面示意图；
图5是SOI硅片深硅体刻蚀掩膜层图形化后的芯片剖面示意图；
图6是SOI硅片刻蚀基底硅层和SOI埋氧层后的芯片剖面示意图；
图7是SOI硅片制备完成压电传感器芯片后的剖面示意图；
图8是硅基片的双质量块六边形结构的MEMS压电矢量水听器的三维示意图。
图9是硅基片的剖面图；
图10是在图9表面沉积绝缘氧化层后的芯片剖面示意图；
图11是在图10上制备压电单元后的芯片剖面示意图；
图12是硅基片深硅体刻蚀掩膜层图形化后的芯片剖面示意图；
图13是硅基片刻蚀基底硅层后的芯片剖面示意图；
图14是硅基片制备完成压电传感器芯片后的剖面示意图；
图15是SOI硅片的双质量块五边形结构的MEMS压电矢量水听器的三维示意图；
图16是SOI硅片的双质量块八边形结构的MEMS压电矢量水听器的三维示意图。
附图标识：
1、器件硅层 2、SOI埋氧层
3、基底硅层 4、绝缘层
5、体刻蚀掩膜层 6、下电极
7、压电层 8、上电极
9、孔洞 10、下质量块
11、上质量块 12、缝隙
具体实施方式
一种双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的制备方法，具体包括如下步骤：
1)清洗衬底硅基片
先分别利用酸性清洗液与碱性清洗液进行煮沸清洗，然后用去离子水清洗，最后用氮气吹干。
所述衬底硅基片也可为免洗基片。
2)沉积绝缘层4
在衬底硅基片表面沉积绝缘层4。
所述绝缘层4为二氧化硅层、氮化硅层、多晶硅层、磷硅玻璃层或它们的复合层。
3)制备下电极6
利用真空蒸镀方法在所述绝缘层4的上表面沉积金属膜，并采用湿法腐蚀、干法刻蚀或lift-off工艺对金属膜进行图形化，形成下电极6。
所述金属膜为铝，钼，金，铬，铂，钛，或由其中至少两种金属形成的复合膜。
4)制备压电层7
在下电极6的上表面制备压电膜，并采用湿法腐蚀、干法刻蚀或lift-off工艺对压电膜图形化，形成压电层7。
所述压电膜为氧化锌压电膜，氮化铝压电膜，锆钛酸铅压电膜，PMN-PT压电膜，钙钛矿型压电膜，有机压电膜，或它们的掺杂膜，或由其中至少两种压电膜形成的复合膜，或在表面设置隔离层的某压电膜或者复合膜；所述隔离层为氮化硅层、二氧化硅层、多晶硅层、磷硅玻璃层或由其中至少两种形成的复合膜构成。
所述掺杂元素包括钒、铁、铬、锰、钐、铟、镧、镨、钴、铌。
5)制备上电极8
利用真空蒸镀方法在所述压电层7的上表面沉积金属膜，并采用湿法腐蚀、干法刻蚀或lift-off工艺对金属膜进行图形化，形成上电极8。
所述金属膜为铝，钼，金，铬，铂，钛，或由其中至少两种金属形成的复合膜。
6)缝隙12的刻蚀
在所述衬底硅基片的上表面涂覆光刻胶，进行曝光、显影后，在光刻胶上露出需刻蚀的多个缝隙12的图形并图形化，采用干法刻蚀方法分别对绝缘层4、器件硅层1进行刻蚀，形成多个缝隙12，为多条压电复合悬臂梁和下质量块10的释放打下基础。
7)深硅体刻蚀掩膜层5的制备与图形化
在所述衬底硅基片背面制备体刻蚀掩膜层5，并采用湿法腐蚀、干法刻蚀或光刻对体刻蚀掩膜层5进行图形化；所述的体刻蚀掩膜层5可为二氧化硅层、氮化硅层、多晶硅层、磷硅玻璃层、金属铝、金或由其中至少两种材料形成的复合层组成的硬掩膜，或光刻胶，或硬掩膜与光刻胶组成的复合掩膜层。
8)多压电复合悬臂梁和下质量块10的释放
利用湿法腐蚀或干法刻蚀先后对基底硅层3和SOI埋氧层2由外向内进行腐蚀或刻蚀，形成孔洞9,释放得到多条压电复合悬臂梁和下质量块10；
所述压电复合悬臂梁包括器件硅层1、绝缘层4和压电单元；
所述压电单元包括下电极6、压电层7和上电极8；
所述孔洞9中间的基底硅层3为下质量块10。
9)上质量块11的形成
首先通过仿真软件对双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片进行建模，根据下质量块的尺寸和位置以及具体的多边形结构，对上质量块的尺寸与放置位置进行分析与优化，以确保上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合。进一步地，对上质量块进行制备。根据优化后的上质量块尺寸，设计掩膜版；采用双面抛光的普通硅基片作为衬底，沉积支撑层，并在支撑层表面涂敷较厚的光刻胶；对硅基片的另一面使用掩膜版进行图形化，并对体硅进行湿法腐蚀或干法刻蚀；去除光刻胶和支撑层，得到上质量块。最后，将上质量块键合或粘贴在压电复合悬臂结构上已优化好的位置，使得上质量块位置与下质量块上下对称，且位置正对，上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合。
所述支撑层可为铝、金、铬、铂、钛、二氧化硅、氮化硅，或它们的复合膜。
所述MEMS压电矢量水听器芯片的制备可采用SOI硅基片或普通硅基片作为衬底硅基片；
所述SOI硅基片包括器件硅层1、SOI埋氧层2和基底硅层3；
所述普通硅基片包括器件硅层1、基底硅层3；
所述多边形结构为五边形、六边形、七边形、八边形、九边形、十边形。相应的,压电复合悬臂梁为五条、六条、七条、八条、九条、十条。
所述下质量块10也可通过与上质量块11一样的粘贴工艺或键合工艺得到，而非通过刻蚀得到。
所述上质量块11与下质量块10质量相同，且材质可以相同或者不同。
一种双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的制备方法制备的MEMS压电矢量水听器芯片包括：上质量块11、下质量块10、压电复合悬臂结构、多边环形支撑结构；所述压电复合悬臂结构包括一体化的：悬臂中心和多个压电复合悬臂梁；所述悬臂中心为多边形柱体，且与多边环形柱体支撑结构为同心多边形；每个压电复合悬臂梁的一端均与悬臂中心的每条边一体连接，另一端则均与多边环形柱体支撑结构一侧的内壁连接；相邻两个压电复合悬臂梁与多边环形支撑结构之间构成一个缝隙12；多边环形支撑结构与下质量块10之间形成孔洞9；
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
其中多边形结构以五边形、六边形、八边形结构进行举例说明。
实施例1
本发明实施例1提供了一种采用SOI硅基片作为衬底硅基片的双质量块六边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的制备方法，其中，MEMS压电矢量水听器芯片包括：上质量块11、下质量块10、压电复合悬臂结构、六边环形柱体支撑结构；所述压电复合悬臂结构包括一体化的：悬臂中心和六条压电复合悬臂梁；所述悬臂中心为六边形柱体，且与六边环形柱体支撑结构为同心六边形；每条压电复合悬臂梁的一端均与悬臂中心的一条边一体连接，另一端则与六边环形柱体支撑结构一侧的内壁连接；相邻两个压电复合悬臂梁与六边环形支撑结构之间构成一个缝隙12；六边环形支撑结构与下质量块10之间形成孔洞9；
具体步骤如下：
1、清洗衬底硅基片：
所述衬底硅基片采用SOI硅片，先分别利用酸性清洗液与碱性清洗液进行煮沸清洗，然后用去离子水清洗，最后用氮气吹干；所述SOI硅片如图2所示自上而下分别是:器件硅层1、SOI埋氧层2和基底硅层3；基底硅层3的厚度为800μm；SOI埋氧层2的厚度为3.5μm；器件硅层1的厚度为50μm。
若所述SOI硅基片为免洗基片可以直接进行实验使用。
2、沉积绝缘层4：
如图3所示，在衬底硅基片表面沉积1μm厚热氧化二氧化硅层作为绝缘层4。
3、制备下电极6
利用真空蒸镀方法在所述绝缘层的上表面沉积0.1μm厚的铝膜，并采用lift-off工艺对所述铝膜图形化，形成下电极6。
4、制备压电层7
在下电极6的上表面制备10μm厚的氧化锌膜，并采用干法刻蚀对氧化锌膜图形化，形成压电层。
5、制备上电极8
利用真空蒸镀方法在所述压电层7的上表面沉积0.1μm厚的铝膜，并采用lift-off工艺对所述铝膜图形化，形成上电极8。
制备完下电极、压电层、上电极后的芯片剖面示意图如图4所示。
6、缝隙12的刻蚀
在所述衬底硅基片的上表面涂覆光刻胶，进行曝光、显影后，在光刻胶上露出需刻蚀的六个缝隙的图形并图形化，采用干法刻蚀方法分别对绝缘层4、器件硅层3进行刻蚀，形成六个缝隙12，为六条压电复合悬臂梁和下质量块10的释放打下基础。
7、深硅体刻蚀掩膜层5的制备与图形化
在所述衬底硅基片背面制备10μm厚的二氧化硅层作为体刻蚀掩膜层5，并采用干法刻蚀对体刻蚀掩膜层进行图形化。
深硅体刻蚀掩膜层5图形化后的芯片剖面示意图如图5所示。
8、压电复合悬臂梁和下质量块10的释放
利用干法刻蚀先后对所述基底硅层3和所述SOI埋氧层2由外向内进行刻蚀，形成孔洞9,释放得到所述六条压电复合悬臂梁和所述下质量块10，随后使用干法刻蚀去除体刻蚀掩膜层5；所述孔洞9中间的所述基底硅层3为所述下质量块10。
刻蚀完基底硅层3和SOI埋氧层2后的芯片剖面示意图如图6所示。
9、上质量块11的形成
对上质量块的尺寸与放置位置进行分析与优化，以确保上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合。采用另一双面抛光的普通硅基片作为衬底，溅射2μm厚的金属铝膜作为支撑膜，并在铝膜表面涂敷20μm厚的光刻胶；对硅基片的另一面进行图形化，并对体硅进行干法刻蚀；采用丙酮、乙醇去除光刻胶；对铝膜通过湿法腐蚀去除，得到上质量块11。
10、键合上质量块11
将上质量块11键合在压电复合悬臂结构上表面已优化好的位置，使得上质量块位置与下质量块上下对称，且位置正对，保上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合。随后，把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。
制备完成的压电传感器芯片的剖面示意图如图7所示。SOI硅片双质量块六边形结构的MEMS压电矢量水听器的三维示意图如图1所示，所述压电复合悬臂梁自上而下分别是：上电极8、压电层7、下电极6、绝缘层4、器件硅层1；所述六边环形支撑结构自上而下分别是：绝缘层4、器件硅层1、SOI埋氧层2、基底硅层3。
实施例2
本发明实施例2提供了一种采用普通硅基片作为衬底硅基片的双质量块六边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的制备方法，其中，MEMS压电矢量水听器芯片包括：上质量块11、下质量块10、压电复合悬臂结构、六边环形柱体支撑结构；所述压电复合悬臂结构包括一体化的：悬臂中心和六条压电复合悬臂梁；所述悬臂中心为六边形柱体，且与六边环形柱体支撑结构为同心六边形；每条压电复合悬臂梁的一端均与悬臂中心的一条边一体连接，另一端则与六边环形柱体支撑结构一侧的内壁连接；相邻两个压电复合悬臂梁与六边环形支撑结构之间构成一个缝隙12；六边环形支撑结构与下质量块10之间形成孔洞9；
具体步骤如下：
1、清洗衬底硅基片：
所述衬底硅基片采用普通硅基片，先分别利用酸性清洗液与碱性清洗液进行煮沸清洗，然后用去离子水清洗，最后用氮气吹干；所述普通硅基片如图9所示自上而下分别是:器件硅层1、基底硅层3；基底硅层3的厚度为800μm；器件硅层1的厚度为50μm。
若所述SOI硅基片为免洗基片可以直接进行实验使用。
2、沉积绝缘层4：
如图10所示，在衬底硅基片表面沉积1μm厚氮化硅层。
3、制备下电极6
利用真空蒸镀方法在所述绝缘层的上表面沉积金/铬复合膜，金的厚度为0.5μm，铬的厚度为0.1μm，并采用干法刻蚀对所述金/铬复合膜图形化，形成下电极6。
4、制备压电层7
在下电极6的上表面制备20μm厚的氮化铝膜，并采用lift-off工艺对氧化锌膜图形化，形成压电层7。
5、制备上电极8
利用真空蒸镀方法在所述压电层7的上表面沉积沉积金/铬复合膜，金的厚度为0.5μm，铬的厚度为0.1μm，并采用干法刻蚀对所述金/铬复合膜图形化，形成上电极8。
制备完下电极、压电层、上电极后的芯片剖面示意图如图11所示。
6、缝隙12的刻蚀
在所述衬底硅基片的上表面涂覆光刻胶，进行曝光、显影后，在光刻胶上露出需刻蚀的六个缝隙的图形并图形化，采用干法刻蚀方法分别对绝缘层4、器件硅层3进行刻蚀，形成六个缝隙，为六条压电复合悬臂梁和下质量块10的释放打下基础。
7、深硅体刻蚀掩膜层5的制备与图形化
在所述衬底硅基片背面制备2μm厚的氮化硅层作为体刻蚀掩膜层5，并采用湿法腐蚀对体刻蚀掩膜层进行图形化。
深硅体刻蚀掩膜层5图形化后的芯片剖面示意图如图12所示。
8、多压电复合悬臂梁和下质量块10的释放
利用湿法腐蚀对基底硅层3由外向内进行刻蚀，形成孔洞9,释放得到六条压电复合悬臂梁和下质量块10，随后使用干法刻蚀去除体刻蚀掩膜层5；所述孔洞9中间的所述基底硅层3为所述下质量块10。
刻蚀完基底硅层3后的芯片剖面示意图如图13所示。
9、上质量块11的形成
对上质量块的尺寸与放置位置进行分析与优化，以确保上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合。采用另一双面抛光的普通硅基片作为衬底，溅射2μm厚的二氧化硅膜作为支撑膜，并在二氧化硅膜表面涂敷20μm厚的光刻胶；对硅基片的另一面进行图形化，并对体硅进行干法刻蚀；采用丙酮、乙醇去除光刻胶；对二氧化硅膜通过干法刻蚀去除，得到上质量块11。
10、键合上质量块11
将上质量块11键合在压电复合悬臂结构上表面已优化好的位置，使得上质量块位置与下质量块上下对称，且位置正对，保上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合。随后，把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。
制备完成的压电传感器芯片的剖面示意图如图14所示。硅基片双质量块六边形结构的MEMS压电矢量水听器的三维示意图如图8所示，所述压电复合悬臂梁自上而下分别是：上电极8、压电层7、下电极6、绝缘层4、器件硅层1；所述六边环形支撑结构自上而下分别是：绝缘层4、器件硅层1、基底硅层3。
实施例3
本发明实施例3提供了一种采用SOI硅基片作为衬底硅基片的双质量块五边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的制备方法，其中，MEMS压电矢量水听器芯片包括：上质量块11、下质量块10、压电复合悬臂结构、五边环形柱体支撑结构；所述压电复合悬臂结构包括一体化的：悬臂中心和五条压电复合悬臂梁；所述悬臂中心为五边形柱体，且与五边环形柱体支撑结构为同心五边形；每条压电复合悬臂梁的一端均与悬臂中心的一条边一体连接，另一端则与五边环形柱体支撑结构一侧的内壁连接；相邻两个压电复合悬臂梁与五边环形支撑结构之间构成一个缝隙12；五边环形支撑结构与下质量块10之间形成孔洞9；
具体步骤如下：
1、清洗衬底硅基片：
所述衬底硅基片采用SOI硅片，先分别利用酸性清洗液与碱性清洗液进行煮沸清洗，然后用去离子水清洗，最后用氮气吹干；所述SOI硅片如图2所示自上而下分别是:器件硅层1、SOI埋氧层2和基底硅层3；基底硅层3的厚度为900μm；SOI埋氧层2的厚度为4μm；器件硅层1的厚度为60μm。
若所述SOI硅基片为免洗基片可以直接进行实验使用。
2、沉积绝缘层4：
如图3所示，在衬底硅基片表面沉积1.5μm厚的多晶硅层作为绝缘层4。
3、制备下电极6
利用真空蒸镀方法在所述绝缘层的上表面沉积0.1μm厚的钼膜，并采用lift-off工艺对所述钼膜图形化，形成下电极6。
4、制备压电层7
在下电极6的上表面制备10μm厚的锆钛酸铅压电膜，并采用湿法腐蚀对锆钛酸铅压电膜图形化，形成压电层。
5、制备上电极8
利用真空蒸镀方法在所述压电层7的上表面沉积0.1μm厚的钼膜，并采用lift-off工艺对所述钼膜图形化，形成上电极8。
6、缝隙12的刻蚀
在所述衬底硅基片的上表面涂覆光刻胶，进行曝光、显影后，在光刻胶上露出需刻蚀的五个缝隙的图形并图形化，采用干法刻蚀方法分别对绝缘层4、器件硅层3进行刻蚀，形成五个缝隙12，为五条压电复合悬臂梁和下质量块10的释放打下基础。
7、深硅体刻蚀掩膜层5的制备与图形化
在所述衬底硅基片背面制备10μm厚的多晶硅层作为体刻蚀掩膜层5，并采用湿法腐蚀对体刻蚀掩膜层进行图形化。
8、压电复合悬臂梁和下质量块10的释放
利用湿法腐蚀先后对所述基底硅层3和所述SOI埋氧层2由外向内进行刻蚀，形成孔洞9,释放得到所述五条压电复合悬臂梁和所述下质量块10，随后使用湿法腐蚀去除体刻蚀掩膜层5；所述孔洞9中间的所述基底硅层3为所述下质量块10。
9、上质量块11的形成
对上质量块的尺寸与放置位置进行分析与优化，以确保上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合。采用另一双面抛光的普通硅基片作为衬底，溅射2μm厚的金属铂膜和钛膜作为复合支撑膜，并在铂/钛复合膜表面涂敷40μm厚的光刻胶；对硅基片的另一面进行图形化，并对体硅进行湿法腐蚀；采用丙酮、乙醇去除光刻胶；对铂/钛复合膜通过湿法腐蚀去除，得到上质量块11。
10、粘贴上质量块11
将上质量块11粘贴在压电复合悬臂结构上表面已优化好的位置，使得上质量块位置与下质量块上下对称，且位置正对，保上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合。随后，把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。
制备完成的压电传感器芯片的三维示意图如图15所示，所述压电复合悬臂梁自上而下分别是：上电极8、压电层7、下电极6、绝缘层4、器件硅层1；所述五边环形支撑结构自上而下分别是：绝缘层4、器件硅层1、SOI埋氧层2、基底硅层3。
实施例4
本发明实施例4提供了一种采用SOI硅基片作为衬底硅基片的双质量块八边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的制备方法，其中，MEMS压电矢量水听器芯片包括：上质量块11、下质量块10、压电复合悬臂结构、八边环形柱体支撑结构；所述压电复合悬臂结构包括一体化的：悬臂中心和八条压电复合悬臂梁；所述悬臂中心为八边形柱体，且与八边环形柱体支撑结构为同心八边形；每条压电复合悬臂梁的一端均与悬臂中心的一条边一体连接，另一端则与八边环形柱体支撑结构一侧的内壁连接；相邻两个压电复合悬臂梁与八边环形支撑结构之间构成一个缝隙12；八边环形支撑结构与下质量块10之间形成孔洞9；
具体步骤如下：
1、清洗衬底硅基片：
所述衬底硅基片采用SOI硅片，先分别利用酸性清洗液与碱性清洗液进行煮沸清洗，然后用去离子水清洗，最后用氮气吹干；所述SOI硅片如图2所示自上而下分别是:器件硅层1、SOI埋氧层2和基底硅层3；基底硅层3的厚度为850μm；SOI埋氧层2的厚度为3μm；器件硅层1的厚度为50μm。
若所述SOI硅基片为免洗基片可以直接进行实验使用。
2、沉积绝缘层4：
如图3所示，在衬底硅基片表面沉积3μm厚磷硅玻璃层作为绝缘层4。
3、制备下电极6
利用真空蒸镀方法在所述绝缘层的上表面沉积铂/钛复合层，铂的厚度为0.5μm，钛的厚度为0.1μm，并采用干法刻蚀工艺对所述铂/钛复合层图形化，形成下电极6。
4、制备压电层7
在下电极6的上表面制备10μm厚的PMN-PT压电膜，并采用干法刻蚀对PMN-PT压电膜图形化，形成压电层。
5、制备上电极8
利用真空蒸镀方法在所述压电层7的上表面沉积铂/钛复合层，铂的厚度为0.5μm，钛的厚度为0.1μm，并采用干法刻蚀工艺对所述铂/钛复合层图形化，形成上电极8。
制备完下电极、压电层、上电极后的芯片剖面示意图如图4所示。
6、缝隙12的刻蚀
在所述衬底硅基片的上表面涂覆光刻胶，进行曝光、显影后，在光刻胶上露出需刻蚀的八个缝隙的图形并图形化，采用干法刻蚀方法分别对绝缘层4、器件硅层3进行刻蚀，形成八个缝隙12，为八条压电复合悬臂梁和下质量块10的释放打下基础。
7、深硅体刻蚀掩膜层5的制备与图形化
在所述衬底硅基片背面制备12μm厚的磷硅玻璃层作为体刻蚀掩膜层5，并采用干法刻蚀对体刻蚀掩膜层进行图形化。
深硅体刻蚀掩膜层5图形化后的芯片剖面示意图如图5所示。
8、压电复合悬臂梁和下质量块10的释放
利用干法刻蚀先后对所述基底硅层3和所述SOI埋氧层2由外向内进行刻蚀，形成孔洞9,释放得到所述八条压电复合悬臂梁和所述下质量块10，随后使用干法刻蚀去除体刻蚀掩膜层5；所述孔洞9中间的所述基底硅层3为所述下质量块10。
刻蚀完基底硅层3和SOI埋氧层2后的芯片剖面示意图如图6所示。
9、上质量块11的形成
对上质量块的尺寸与放置位置进行分析与优化，以确保上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合。采用另一双面抛光的普通硅基片作为衬底，溅射2μm厚的金属铂膜和钛膜作为复合支撑膜，并在铂/钛复合膜表面涂敷40μm厚的光刻胶；对硅基片的另一面进行图形化，并对体硅进行干法刻蚀；采用丙酮、乙醇去除光刻胶；对铂/钛复合膜通过干法刻蚀去除，得到上质量块11。
10、粘贴上质量块11
将上质量块11粘贴在压电复合悬臂结构上表面已优化好的位置，使得上质量块位置与下质量块上下对称，且位置正对，保上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合。随后，把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。
制备完成的压电传感器芯片的剖面示意图如图7所示。SOI硅片双质量块八边形结构的MEMS压电矢量水听器的三维示意图如图16所示，所述压电复合悬臂梁自上而下分别是：上电极8、压电层7、下电极6、绝缘层4、器件硅层1；所述八边环形支撑结构自上而下分别是：绝缘层4、器件硅层1、SOI埋氧层2、基底硅层3。
需要说明的是：
所述绝缘层4可为热氧化二氧化硅层、低温二氧化硅层、氮化硅层、多晶硅层、磷硅玻璃层或由其中至少两种形成的复合层；绝缘层4厚度为0.01～100μm。
所述上下电极可为铝、钼、金、铬、铂、钛或由其中至少两种金属形成的复合膜；下电极和上电极的材料可以相同也可以不同，电极厚度为0.01～100μm。
所述压电层7可为氧化锌压电膜，氮化铝压电膜，锆钛酸铅压电膜，PMN-PT压电膜，钙钛矿型压电膜，有机压电膜，或由其中至少一种压电膜与掺杂元素形成的掺杂膜，或由其中至少两种压电膜形成的复合膜，或在表面设置隔离层的某种压电膜或者复合膜；所述隔离层为氮化硅层、二氧化硅层、多晶硅层、磷硅玻璃层或由其中至少两种形成的复合膜；压电层厚度为0.01～600μm。
所述的体刻蚀掩膜层5可为二氧化硅层、氮化硅层、多晶硅层、磷硅玻璃层、金属铝、金或由其中至少两种材料形成的复合层组成的硬掩膜，或光刻胶，或硬掩膜与光刻胶组成的复合掩膜层；硬掩膜厚度为0.01μm～100μm，光刻胶厚度为0.01μm～100μm。
所述MEMS压电矢量水听器芯片的制备可采用SOI硅基片或普通硅基片作为衬底硅基片；
所述SOI硅基片包括器件硅层1、SOI埋氧层2和基底硅层3；
所述普通硅基片包括器件硅层1、基底硅层3；器件硅层1和基底硅层3的厚度为10～5000μm；SOI埋氧层2厚度为0.01～100μm。
所述多边形结构为五边形、六边形、七边形、八边形、九边形、十边形；相应的,压电复合悬臂梁为五条、六条、七条、八条、九条、十条。
下质量块也可通过与上质量块一样的粘贴工艺或键合工艺得到，而非通过刻蚀得到；上质量块与下质量块质量相同，且材质可以相同或者不同。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1.准备衬底硅基片；
步骤2.在衬底硅基片表面沉积绝缘层(4)；
步骤3.在绝缘层(4)的上表面沉积金属膜，并对金属膜进行图形化，形成下电极(6)；
步骤4.在下电极(6)的上表面制备压电膜层，并对压电膜层图形化，形成压电层(7)；
步骤5.在压电层(7)的上表面沉积金属膜，并对金属膜进行图形化，形成上电极(8)；
步骤6.在衬底硅基片的上表面涂覆光刻胶，并在光刻胶上露出需刻蚀的多个缝隙(12)的图形并图形化，分别对绝缘层(4)、器件硅层(1)进行湿法腐蚀或干法刻蚀，形成多个缝隙(12)，为多条悬臂和下质量块(10)的释放做准备；
步骤7.在衬底硅基片的背面制备体刻蚀掩膜层(5)，并对体刻蚀掩膜层(5)进行图形化；
步骤8.对衬底基片的底部进行湿法腐蚀或干法刻蚀，形成孔洞(9)，并释放得到多条悬臂和下质量块(10)；所述孔洞(9)中间的基底硅层(3)即为下质量块(10)；
步骤9.在所述压电复合悬臂结构的上表面粘贴或键合一个上质量块(11)，且所述上质量块(11)与下质量块(10)位于压电复合悬臂结构上下表面的相同位置处；
所述下质量块(11)通过刻蚀、粘贴或键合制得。
2.根据权利要求1所述的双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤1中采用SOI基片或普通硅基片作为衬底基片；所述SOI硅基片包括由上到下依次堆叠的：器件硅层(1)、SOI埋氧层(2)和基底硅层(3)；所述普通硅基片包括由上到下依次堆叠的：器件硅层(1)和基底硅层(3)；
当采用SOI基片作为衬底基片时，所述步骤8中，对SOI基片的基底硅层(3)和SOI埋氧层(2)由外向内进行湿法腐蚀或干法刻蚀；
当采用普通硅基片作为衬底基片时，所述步骤8中，对普通硅基片的基底硅层(3)进行湿法腐蚀或干法刻蚀。
3.根据权利要求1所述的双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的绝缘层(4)为二氧化硅层、氮化硅层、多晶硅层、磷硅玻璃层或由其中至少两种形成的复合层。
4.根据权利要求1所述的双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤3与步骤5中的金属膜为铝、钼、金、铬、铂、钛，或由其中至少两种金属形成的复合膜。
5.根据权利要求1所述的双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤4中的压电层(7)为氧化锌压电膜，氮化铝压电膜，锆钛酸铅压电膜，PMN-PT压电膜，钙钛矿型压电膜，有机压电膜，或由其中至少一种压电膜与掺杂元素形成的掺杂膜，或由其中至少两种压电膜形成的复合膜，或在表面设置隔离层的某种压电膜或者复合膜；所述隔离层为氮化硅层、二氧化硅层、多晶硅层、磷硅玻璃层或由其中至少两种形成的复合膜。
6.根据权利要求1所述的双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤7中的体刻蚀掩膜层(5)为二氧化硅层，氮化硅层，多晶硅层，磷硅玻璃层，金属铝，金，或由其中至少两种材料形成的复合层组成的硬掩膜，或光刻胶，或硬掩膜与光刻胶组成的复合掩膜层。
7.根据权利要求1所述的双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的制备方法，其特征在于，所述多边形结构为：五边形、六边形、七边形、八边形、九边形或十边形，对应地，在步骤6中分别形成五个、六个、七个、八个、九个或十个缝隙(12)，在步骤8中分别释放得到五条、六条、七条、八条、九条或十条悬臂。
8.根据权利要求1所述的双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤9中的上质量块(11)与下质量块(10)质量相同，使得上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合。
9.根据权利要求1所述的双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤9具体包括：
通过仿真软件对双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片进行建模，根据下质量块的尺寸和位置以及具体的多边形结构，对上质量块的尺寸与放置位置进行分析与优化，以确保上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合；
对上质量块进行制备：根据优化后的上质量块尺寸，设计掩膜版；采用双面抛光的普通硅基片作为衬底，沉积支撑层，并在支撑层表面涂敷较厚的光刻胶；对硅基片的另一面使用掩膜版进行图形化，并对体硅进行湿法腐蚀或干法刻蚀；去除光刻胶和支撑层，得到上质量块；
将上质量块键合或粘贴在压电复合悬臂结构上已优化好的位置，使得上质量块位置与下质量块上下对称，且位置正对，上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合；
其中，所述支撑层为铝、金、铬、铂、钛、二氧化硅、氮化硅，或由其中至少两种形成的复合膜。
10.根据权利要求1-9之一所述的双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的制备方法，其特征在于，所述方法制备出双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片；所述双质量块多边形结构的MEMS压电矢量水听器芯片的上下质量块整体的重心与压电复合悬臂结构的重心重合。
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