CN116944006B - 一种d11工作模式驱动的PMUT单元及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种d11工作模式驱动的PMUT单元及其制备方法，解决了现有PMUT性能较低的技术问题，该方法包括在SOI片上表面制备压电层；在压电层上制作上电极；在SOI片下表面沉积二氧化硅层，在二氧化硅层的下表面向上刻蚀漏出SOI片的埋层；对二氧化硅层和SOI片中的埋层进行腐蚀，得到PMUT单元的空腔结构。本发明提供的PMUT单元采用压电材料表面横向伸缩工作模式膜薄压电层与振动层产生位移差，实现弯曲振动，可用于超声成像，同时可提高输出电压及相应灵敏度；该方法避免了压电层图形化过程中刻蚀工艺复杂、困难问题，该方法简单，可应用于医疗、工业、生物特征识别等领域。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种d11工作模式驱动的PMUT单元及其制备方法。
背景技术
超声换能器作为超声面阵的组成部分，相较依赖块状压电陶瓷的传统超声换能器，微机械超声换能器拥有更小的体积和质量，功耗随之降低，可批量化生产同时大幅度降低了制造成本，具有可靠性高、频带宽、灵敏度高、频率控制灵活等特点。微机械超声换能器可与IC集成并实现系统化，使得系统的集成度进一步提高，实现便携化。微机械超声换能器主要包括电容式微机械超声换能器（Capacitive Micromachined UltrasonicTransducers，CMUT）和压电式微机械超声换能器（Piezoelectric MicromachinedUltrasonic Transducers，PMUT）两种，两者具有不同的输出特性。CMUT的振动幅度或电流大小是器件电容，偏置电压和驱动电压的函数。若想实现较大的发射或接受灵敏度，CMUT通常需要一个很高的直流偏置和很小的基板间距，这无疑给器件加工和驱动电路带来了困难。另外，当极板的动作量达到间距的1/3以上的时候，CMUT会产生吸合效应，当极板加工不平整时也会降低器件工作可靠性。PMUT主要利用压电材料的正压电效应和逆压电效应来实现振动与电能的转换。由于压电材料不导电，PMUT设有上电极和下电极。当工作在发射模式，上下电极间通入交流电，利用压电材料的逆压电效应使薄板产生弯曲，向空气中辐射声压。当工作在接收模式时，外部声压使薄板受力弯曲，正压电效应使压电材料的两侧产生感应电荷PMUT相比CMUT具有更大的电容，从而具有更低的电阻抗，对寄生电容的敏感程度也更低些。但由于PMUT采取上下电极d31工作模式，薄膜压电材料的加工与图形化工艺较为复杂，导致制作的PMUT总体性能较低，其发展和应用受到限制。
发明内容
为克服现有PMUT采取上下电极d31工作模式，薄膜压电材料的加工与图形化工艺较为复杂，导致制作的PMUT总体性能较低技术缺陷，本发明提供了一种d11工作模式驱动的PMUT单元及其制备方法。
本发明提供了一种d11工作模式驱动的PMUT单元的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、将SOI片进行清洗，确保表面清洁后，在SOI片上表面制备压电层；
步骤S2、在压电层上完成金属图形化，制作上电极，上电极包括两根引线电极和多根叉指电极；
步骤S3、在SOI片下表面沉积一层二氧化硅层，在二氧化硅层下表面依次匀胶、光刻、显影及反应离子刻蚀氧化层制备出空腔的形状及大小；
步骤S4、进一步使用深硅刻蚀设备在二氧化硅层的下表面向上刻蚀SOI片的底硅，直至漏出SOI片的埋层；
步骤S5、对步骤S3的二氧化硅层和SOI片中的埋层进行腐蚀，得到PMUT单元的空腔结构，SOI片上表面的硅层作为PMUT单元的振动层，用于承载压电层和上电极；最终制备得到PMUT单元。
本发明所述方法相对传统制备方法，制作时间周期大幅度缩短，改变了PMUT单元的固定工作方式，制备出d11工作模式的PMUT单元，该PMUT单元为宽频带、高输出电压的传感器件，可用于超声成像，同时可提高输出电压及相应灵敏度。其具有双端口电极层，其中SOI片上表面的硅层作为振动层，SOI片中间的埋层为空腔结构刻蚀停止层，除去空腔结构的下层硅作为支撑层，使得PMUT单元有足够的振动空间。
优选的，步骤S1中，依次使用丙酮、异丙醇、乙醇溶液分别超声清洗SOI片1~15min，再用去离子水将SOI片表面冲洗干净，用氮气将表面吹干；采用磁控溅射工艺在SOI片上制备压电层，压电层为锆钛酸铅、氮化铝、氧化锌或铌酸锂薄膜，且压电层厚度小于SOI片厚度。
优选的，步骤S1中，在磁控溅射工艺之前，通过原子层沉积工艺在SOI片上表面制备可控晶相的致密种子层。
优选的，步骤S2中，金属图形化过程采用电极等离子刻蚀工艺，包括以下子步骤：
步骤S21、在压电层上采用磁控溅射工艺先生长金属铬作为粘附层，再生长金属金作为表面电极层；
步骤S22、依次进行匀胶、光刻及显影完成金属图形化掩膜；
步骤S23、在金属图形化掩膜的基础上，利用等离子刻蚀机完成金属刻蚀；
步骤S24、使用丙酮、异丙醇、乙醇分别超声清洗1~15min，用去离子水将表面冲洗干净，用氮气将表面吹干，完成金属图形化过程，形成上电极。
优选的，步骤S2中，金属图形化过程采用电极剥离工艺，包括以下子步骤：
步骤S21、在压电层上依次进行匀胶、光刻及显影完成金属图形化掩膜；
步骤S22、接着采用磁控溅射工艺先生长金属铬作为粘附层，再生长金属金作为表面电极层；
步骤S23、在丙酮、异丙醇、乙醇中分别超声清洗1~15min，用去离子水将表面冲洗干净，用氮气将表面吹干，完成表面金属剥离；
步骤S24、在丙酮、异丙醇、无水乙醇、去离子水中分别浸泡1~15min，用去离子水将表面冲洗干净，用氮气将表面吹干，完成金属图形化过程，形成上电极。
优选的，步骤S5中，采用氢氟酸对二氧化硅层和SOI片中的埋层进行腐蚀。
优选的，步骤S3中，二氧化硅层的厚度为300nm。
优选的，步骤S4中，先使用反应离子刻蚀设备沿空腔的形状及大小对二氧化硅层进行刻蚀，直至漏出SOI片的底硅，即得到硬掩膜层。
本发明还提供了一种d11工作模式驱动的PMUT单元，从上至下依次包括上电极、压电层、振动层和支撑层，支撑层上开有空腔结构，空腔结构延伸至振动层下表面，支撑层的顶部与振动层底部之间还设置有埋层，上电极包括两根引线电极和多根叉指电极，引线电极平行且间隔设置，两根引线电极位于空腔结构正上方范围之外的压电层上，多根叉指电极平行且间隔设置在空腔结构正上方范围之内的压电层上，相邻两根叉指电极分别连接至不同的引线电极上，引线电极与叉指电极垂直。本发明所述的PMUT单元中，两个引线电极均位于压电层的最上层，引线电极在空腔外以获得更高的响应，叉指电极的数量≥2个。采用压电层作为换能器功能材料，采用微纳加工工艺完成制造。本发明提供的PMUT单元可用于微尺度特征结构的超声检测，应用于医疗、工业、生物特征识别等领域。所涉及的d11工作模式驱动即横向伸缩弯曲振动工作模式的PMUT单元，采用的压电材料表面横向伸缩工作模式膜薄压电层与振动层产生位移差，进而实现弯曲振动。
优选的，上电极的厚度为10nm~1µm，各叉指电极等宽，宽度均为20µm~500µm，且相邻叉指电极的间距相等，间距均为20µm~500µm。
本发明提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：本发明提供了一种横向伸缩弯曲振动工作模式的压电微机械超声换能器，采用压电材料表面横向伸缩工作模式的膜薄压电层与振动层产生位移差，进而实现弯曲振动，该PMUT单元为宽频带、高输出电压的传感器件，可用于超声成像，同时可提高输出电压及相应灵敏度；本发明所述制备方法优化了传统换能器制备工艺流程，避免了压电层图形化过程中刻蚀工艺复杂、困难问题，其整体流程简单，可应用于医疗、工业、生物特征识别等领域。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
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，对于本领域普通技术人员而言，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SOI片的截面图；
图2为本发明实施例1和2中所述一种d11工作模式驱动的PMUT单元的俯视结构示意图；
图3为本发明实施例1和2中所述一种d11工作模式驱动的PMUT单元的侧视图；
图4为本发明实施例1和2中所述一种d11工作模式驱动的PMUT单元的制备方法的流程图；
图5为发明所述的一种d11工作模式驱动的PMUT单元在COMSOL仿真软件中的仿真截面图；
图6为发明所述的一种d11工作模式驱动的PMUT单元的特征频率及激发振形仿真图。
图中：1、上电极；11、引线电极；12、叉指电极；2、压电层；3、振动层；4、支撑层；5、埋层；6、空腔结构。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
下面结合附图1至图6对本发明的具体实施例进行详细说明。
如图1所示，SOI片从上至下包括顶层的硅层、中间的埋层5和底部的底硅。
在实施例1中，公开了一种d11工作模式驱动的PMUT单元，从上至下依次包括上电极1、压电层2、振动层3和支撑层4，支撑层4上开有空腔结构6，空腔结构6延伸至振动层3下表面，支撑层4的顶部与振动层3底部之间还设置有埋层5，上电极1包括两根引线电极11和多根叉指电极12，引线电极11平行且间隔设置，两根引线电极11位于空腔结构6范围之外的压电层2上，多根叉指电极12平行且间隔设置在空腔结构6正上方的压电层2上，相邻两根叉指电极12分别连接至不同的引线电极11上，引线电极11与叉指电极12垂直；上电极1的厚度为10nm~1µm，各叉指电极12等宽，宽度均为20µm~500µm，且相邻叉指电极12的间距相等，间距均为20µm~500µm。
针对该d11工作模式驱动的PMUT单元本实施例还提供了一种PMUT单元的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、将SOI片进行清洗，即依次使用丙酮、异丙醇、乙醇溶液分别超声清洗SOI片1~15min，再用去离子水将SOI片表面冲洗干净，用氮气将表面吹干；确保表面清洁后，先通过原子层沉积工艺在SOI片上表面制备可控晶相的致密种子层，然后采用磁控溅射法在SOI片上表面制备压电层2，压电层2具体为氮化铝薄膜，压电层2厚度小于SOI片的厚度；
步骤S2、在压电层2上完成金属图形化，制作上电极1，上电极1包括两根引线电极11和多根叉指电极12；金属图形化过程采用电极等离子刻蚀工艺，包括以下子步骤：
步骤S21、采用磁控溅射工艺，即将溅射机频率调整为500W，在压电层2上先生长厚度为10nm的金属铬作为粘附层，再生长50nm的金属金作为表面电极层；
步骤S22、依次进行匀胶、光刻及显影完成金属图形化掩膜；具体为：采用反转胶AZ5214且匀胶机3000r/min的转速进行匀胶，热板95℃下进行前烘90s，进而采用光刻机EVG610进行光刻，用显影液AZ400k，比例1:6进行显影，氧等离子体设备中运行4min，去除显影后残留的底胶，最后热板110℃进行坚膜；
步骤S23、在金属图形化掩膜的基础上，利用等离子刻蚀机刻蚀10min左右，完成金属刻蚀；
步骤S24、使用丙酮、异丙醇、乙醇分别超声清洗1~15min，用去离子水将表面冲洗干净，用氮气将表面吹干，完成金属图形化过程，形成上电极1；
步骤S3、首先，用丙酮、异丙醇、无水乙醇、去离子水中分别浸泡10min，然后用去离子水将表面冲洗干净，用氮气将表面吹干，完成清洗；清洗之后采用等离子体增强化学气相沉积仪在SOI片下表面沉积一层厚度为300nm的二氧化硅层，在二氧化硅层下表面依次匀胶、光刻、显影及反应离子刻蚀氧化层制备出空腔的形状及大小，具体为：采用正胶4620且匀胶机1000r/min的转速进行匀胶，热板100℃下进行前烘1min，进而采用光刻机EVG610进行光刻，用显影液AZ400k，比例1:3进行显影，氧等离子体设备中运行2min，去除显影后残留的底胶，最后热板120℃进行坚膜20min；
步骤S4、先使用反应离子刻蚀设备沿空腔的形状及大小对二氧化硅层进行刻蚀，刻蚀深度为300nm，直至漏出SOI片的底硅，即得到硬掩膜层；进一步使用深硅刻蚀设备向上刻蚀SOI片的底硅，直至漏出SOI片的埋层5，之后再次利用丙酮、乙醇、去离子水分别浸泡30min进行清洗；
步骤S5、对步骤S3的二氧化硅层和SOI片中的埋层5进行腐蚀，具体使用氢氟酸，得到PMUT单元的空腔结构6，SOI片上表面的硅层作为PMUT单元的振动层3，用于承载压电层2和上电极1；最终制备得到PMUT单元。
在实施例2中，公开了一种d11工作模式驱动的PMUT单元，从上至下依次包括上电极1、压电层2、振动层3和支撑层4，支撑层4上开有空腔结构6，空腔结构6延伸至振动层3下表面，上电极1包括两根引线电极11和多根叉指电极12，两根引线电极11位于空腔结构6正上方范围之外的压电层2上，多根叉指电极12平行且间隔设置在空腔结构6正上方范围之内的压电层2上，相邻两根叉指电极12分别连接至不同的引线电极11上，引线电极11与叉指电极12垂直；上电极1的厚度为10nm~1µm，各叉指电极12等宽，宽度均为20µm~500µm，且相邻叉指电极12的间距相等，间距均为20µm~500µm。
针对该d11工作模式驱动的PMUT单元本实施例还提供了一种PMUT单元的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、将SOI片进行清洗，即依次使用丙酮、异丙醇、乙醇溶液分别超声清洗SOI片1~15min，再用去离子水将SOI片表面冲洗干净，用氮气将表面吹干；确保表面清洁后，先通过原子层沉积工艺在SOI片上表面制备可控晶相的致密种子层，然后采用原子层沉积法在SOI片上表面制备压电层2，压电层2具体为氮化铝薄膜，压电层2厚度小于SOI片的厚度；
步骤S2、在压电层2上完成金属图形化，制作上电极1，上电极1包括两根引线电极11和多根叉指电极12；金属图形化过程采用电极等离子刻蚀工艺，包括以下子步骤：
步骤S21、在压电层2上依次进行匀胶、光刻及显影完成金属图形化掩膜，具体为，采用反转胶AZ5214且匀胶机3000r/min的转速进行匀胶，热板95℃前烘90s，进而采用光刻机EVG610进行光刻，热板120℃中烘2min，光刻设备EVG610进行泛曝光，显影液AZ238进行显影，氧等离子体设备中运行2min，去除显影后残留的底胶；
步骤S22、采用磁控溅射工艺，即将溅射机的频率调为500W，先生长厚度为10nm的金属铬作为粘附层，再生长厚度为50nm的金属金作为表面电极层；
步骤S23、在丙酮、异丙醇、乙醇中分别超声清洗1~15min，用去离子水将表面冲洗干净，用氮气将表面吹干，完成表面金属剥离；
步骤S24、在丙酮、异丙醇、无水乙醇、去离子水中分别浸泡10min，用去离子水将表面冲洗干净，用氮气将表面吹干，完成金属图形化过程，形成上电极1；
步骤S3、首先，用丙酮、异丙醇、无水乙醇、去离子水中分别浸泡10min，然后用去离子水将表面冲洗干净，用氮气将表面吹干，完成清洗；清洗之后采用等离子体增强化学气相沉积仪在SOI片下表面沉积一层厚度为300nm的二氧化硅层，在二氧化硅层下表面依次匀胶、光刻、显影及反应离子刻蚀氧化层制备出空腔的形状及大小，具体为：采用正胶4620且匀胶机1000r/min的转速进行匀胶，热板100℃下进行前烘1min，进而采用光刻机EVG610进行光刻，用显影液AZ400k，比例1:3进行显影，氧等离子体设备中运行2min，去除显影后残留的底胶，最后热板120℃进行坚膜20min；
步骤S4、先使用反应离子刻蚀设备沿空腔的形状及大小对二氧化硅层进行刻蚀，刻蚀深度为300nm，直至漏出SOI片的底硅，即得到硬掩膜层；进一步使用深硅刻蚀设备向上刻蚀SOI片的底硅，直至漏出SOI片的埋层5，之后再次利用丙酮、乙醇、去离子水分别浸泡30min进行清洗；
步骤S5、对步骤S3的二氧化硅层和SOI片中的埋层5进行腐蚀，具体使用氢氟酸，得到PMUT单元的空腔结构6，SOI片上表面的硅层作为PMUT单元的振动层3，用于承载压电层2和上电极1；最终制备得到PMUT单元。
图6是在COMSOL软件中建立本发明所述PMUT单元，而且通过设定参数进行测试，得到仿真结果，通过图6可知，使用本发明所述方法制备的PMUT单元工作在谐振频率区间内，性能稳定表现良好，在大大简化了整体制备流程的前提下，得到的PMUT单元为宽频带、高输出电压的传感器件，可用于超声成像，同时可提高输出电压及相应灵敏度。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。尽管参照前述各实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离各实施例技术方案的范围，其均应涵盖权利要求书的保护范围中。
Claims (10)
1.一种d11工作模式驱动的PMUT单元的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、将SOI片进行清洗，确保表面清洁后，在SOI片上表面制备压电层（2）；
步骤S2、在压电层（2）上完成金属图形化，制作上电极（1），上电极（1）包括两根引线电极（11）和多根叉指电极（12）；
步骤S3、在SOI片下表面沉积一层二氧化硅层，在二氧化硅层下表面依次匀胶、光刻、显影及反应离子刻蚀氧化层制备出空腔的形状及大小；
步骤S4、进一步使用深硅刻蚀设备在二氧化硅层的下表面向上刻蚀SOI片的底硅，直至漏出SOI片的埋层（5）；
步骤S5、对步骤S3的二氧化硅层和SOI片中的埋层（5）进行腐蚀，得到PMUT单元的空腔结构（6），SOI片上表面的硅层作为PMUT单元的振动层（3），用于承载压电层（2）和上电极（1）；最终制备得到PMUT单元。
2.根据权利要求1所述的一种d11工作模式驱动的PMUT单元的制备方法，其特征在于，步骤S1中，依次使用丙酮、异丙醇、乙醇溶液分别超声清洗SOI片1~15min，再用去离子水将SOI片表面冲洗干净，用氮气将表面吹干；采用磁控溅射工艺在SOI片上制备压电层（2），压电层（2）为锆钛酸铅、氮化铝、氧化锌或铌酸锂薄膜，且压电层（2）厚度小于SOI片厚度。
3.根据权利要求2所述的一种d11工作模式驱动的PMUT单元的制备方法，其特征在于，步骤S1中，在磁控溅射工艺之前，通过原子层沉积工艺在SOI片上表面制备可控晶相的致密种子层。
4.根据权利要求1所述的一种d11工作模式驱动的PMUT单元的制备方法，其特征在于，步骤S2中，金属图形化过程采用电极等离子刻蚀工艺，包括以下子步骤：
步骤S21、在压电层（2）上采用磁控溅射工艺先生长金属铬作为粘附层，再生长金属金作为表面电极层；
步骤S22、依次进行匀胶、光刻、显影完成金属图形化掩膜；
步骤S23、在金属图形化掩膜的基础上，利用等离子刻蚀机完成金属刻蚀；
步骤S24、使用丙酮、异丙醇、乙醇分别超声清洗1~15min，用去离子水将表面冲洗干净，用氮气将表面吹干，完成金属图形化过程，形成上电极（1）。
5.根据权利要求1所述的一种d11工作模式驱动的PMUT单元的制备方法，其特征在于，步骤S2中，金属图形化过程采用电极剥离工艺，包括以下子步骤：
步骤S21、在压电层（2）上依次进行匀胶、光刻及显影完成金属图形化掩膜；
步骤S22、接着采用磁控溅射工艺先生长金属铬作为粘附层，再生长金属金作为表面电极层；
步骤S23、在丙酮、异丙醇、乙醇中分别超声清洗1~15min，用去离子水将表面冲洗干净，用氮气将表面吹干，完成表面金属剥离；
步骤S24、在丙酮、异丙醇、无水乙醇、去离子水中分别浸泡1~15min，用去离子水将表面冲洗干净，用氮气将表面吹干，完成金属图形化过程，形成上电极（1）。
6.根据权利要求1~5任一项所述的一种d11工作模式驱动的PMUT单元的制备方法，其特征在于，步骤S5中，采用氢氟酸对二氧化硅层和SOI片中的埋层（5）进行腐蚀。
7.根据权利要求6所述的一种d11工作模式驱动的PMUT单元的制备方法，其特征在于，步骤S3中，二氧化硅层的厚度为300nm。
8.根据权利要求7所述的一种d11工作模式驱动的PMUT单元的制备方法，其特征在于，步骤S4中，先使用反应离子刻蚀设备沿空腔的形状及大小对二氧化硅层进行刻蚀，直至漏出SOI片的底硅，即得到硬掩膜层。
9.一种d11工作模式驱动的PMUT单元，其特征在于，从上至下依次包括上电极（1）、压电层（2）、振动层（3）和支撑层（4），支撑层（4）上开有空腔结构（6），空腔结构（6）延伸至振动层（3）下表面，支撑层（4）的顶部与振动层（3）的底部之间还设置有埋层（5），上电极（1）包括两根引线电极（11）和多根叉指电极（12），引线电极（11）平行且间隔设置，两根引线电极（11）位于空腔结构（6）正上方范围之外的压电层（2）上，多根叉指电极（12）平行且间隔设置在空腔结构（6）正上方范围之内的压电层（2）上，相邻两根叉指电极（12）分别连接至不同的引线电极（11）上，引线电极（11）与叉指电极（12）垂直。
10.根据权利要求9所述的一种d11工作模式驱动的PMUT单元，其特征在于，上电极（1）的厚度为10nm~1µm，各叉指电极（12）等宽，宽度均为20µm~500µm，且相邻叉指电极（12）的间距相等，间距均为20µm~500µm。
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