CN117861984A - 一种双压电薄膜压电超声换能器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种双压电薄膜压电超声换能器，包括自下而上依次层叠的衬底、种子层、底部电极层、顶部电极层、绝缘层和引线层，所述衬底自下而上包括底硅层、埋氧层和结构硅层，该衬底的中心开设有空腔，该空腔由所述底硅层截止到埋氧层，并在所述结构硅层呈圆弧状；在所述底部电极层和顶部电极层之间自下而上设有第一压电层和第二压电层，所述第一压电层可确保第二压电层生长的高c轴取向，从而使在相同激励电压下，双层压电层具备更高动态振幅。本发明结合利用应力优化器件性能的方法，有效提升了器件的动态振幅，且具有双层压电薄膜，在同电压激励下其压电响应大于单层压电薄膜的器件，通过在工艺过程中调节薄膜应力优化机电耦合系数。
Description
技术领域
本发明涉及超声传感技术领域，具体为一种双压电薄膜PMUT及其制备方法。
背景技术
MEMS(Micro Electromechanical System)即微机电系统，自1960年以来得到了广泛且迅速的发展，如今已经成为在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。MEMS系统通过使用电容、压电、谐振等敏感元件来感受外界的物理信号并将物理信号转换为可量化和处理的电信号，该系统包括压力、加速度和超声等各种传感器件。为了实现这些传感器产品商业化的目标，更小的尺寸、更低的成本和更好的器件性能越来越重要。
压电超声换能器(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer，PMUT)属于MEMS器件的一种，它由悬空在空腔上方的薄膜叠层和衬底组成，该叠层包括上电极/压电层/下电极组成，上下电极施加电压激励，被电极覆盖区域的压电层由于逆压电效应将电能转化为机械能，机械力与到固支边界的力臂相互作用产生沿垂直方向的位移，从而促使薄膜以一定的频率振动向周边介质辐射超声波。器件的频率主要由结构层和压电层的厚度和半径决定，因此可以通过设计这两层的尺寸来得到需求的谐振频率。同时，PMUT也可以作为接收端来接收超声波，声波促使薄膜产生变形，由于压电效应在压电层内会产生一定大小的电信号，可以对该电信号做利用和处理来开发应用，如超声测距、手势识别和超声成像等。器件的性能越好越稳定，产品的开发越容易，如对于超声测距，距离越远回波信号衰减越大，如果能够提高单个PMUT器件的声压级(SPL)，就可以实现远距离超声探测，而SPL与器件振幅呈正比，要实现高SPL就必须提升器件的振幅。
公告号为CN107511318的中国发明专利，公开了一种“压电超声换能器及其制备方法”，采用弹性结构层减小了器件刚度，使得器件对应力更加更敏感，减小了受激励电压的频率线性范围，但器件工作时频率容易发生偏移，器件工作稳定性差，且单层压电层使器件产生的振幅和声压也不够高。
公告号为CN114890372的中国发明专利，公开了“一种带隔离沟槽的PMUT的设计及制备方法”，采用圆环状隔离沟槽结构，四端设有连接桥，且连接桥将隔离沟槽均分为四段，实现阵列中单个器件相互独立。该设计存在的缺陷是连接桥线宽小，当承受较大激励电压，器件振动时，容易崩断连接桥，损坏器件，物理性能差。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种双压电薄膜PMUT及其制备方法，采用双层紧密接触的压电薄膜结构，底层压电薄膜保证了上层压电薄膜生长的高c轴取向，提高了薄膜质量，此外，双压电薄膜可以产生比传统单层压电薄膜器件更高的压电响应。同时，通过工艺过程中通过调节工艺参数使器件内部应力控制在一定的大小，优化器件性能。
本发明的技术解决方案如下：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)用双层紧密接触的压电薄膜结构，底层压电薄膜保证了上层压电薄膜生长的高c轴取向，提高了薄膜质量。
2)通过双层压电结构和工艺制备结合，在器件内部形成一定大小的应力来优化器件机电耦合系数，有效提升器件性能。
附图说明
图1为本发明双压电薄膜压电超声换能器的结构示意图；
图2为本发明双压电薄膜压电超声换能器的工艺流程示意图；
图3为通过仿真得出的应力与中性轴位置变化趋势；
图4为仿真得出的中性轴位置与器件机电耦合系数的关系，可以看出最大机电耦合系数处对应的中性轴位置，再由图1可得到最佳应力值；
图5为制备好的带应力的双压电薄膜器件表面轮廓测试图；
图6为制备好的带应力的双压电薄膜器件的相位和频率测试信息示意图；
图7为1Vpp正弦激励下，所述器件时域振幅的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进一步限定，但不应以限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1为本发明双压电薄膜压电超声换能器的结构示意图，如图所示，一种双压电薄膜压电超声换能器，包括自下而上依次层叠的衬底1、种子层2、底部电极层3、顶部电极层6、绝缘层7和引线层8，所述衬底自下而上包括底硅层101、埋氧层102和结构硅层103，该衬底的中心开设有空腔9，该空腔9由所述底硅层截止到埋氧层，并在所述结构硅层呈圆弧状；在所述底部电极层和顶部电极层之间自下而上设有第一压电层4和第二压电层5，所述第一压电层可确保第二压电层生长的高c轴取向，从而使在相同激励电压下，双层压电层具备更高动态振幅。
实施例1：
带-30MPa压缩应力的双压电薄膜PMUT器件，本实施例中衬底1为SOI衬底.第一压电层选用Sc0.096AlN0.904，第二压电层选用Sc0.2AlN0.8，h为一定压应力时器件产生的形变高度。
包括如下设计步骤：
①确定结构(包括材料厚度尺寸)：该PMUT器件上下电极采用Mo，两层压电薄膜采用具有一定Sc元素掺杂的ScAlN，厚度分别为：(1μmSc0.2AlN0.8+0.2μmSc0.096AlN0.904)。第一层压电薄膜(0.2μmSc0.096AlN0.904)保证了第二层压电薄膜(1μmSc0.2AlN0.8)生长的高c轴取向，衬底采用定制抛光的SOI(Silicon-On-Insulator)。其余尺寸参数如表1。
表1
②使用有限元仿真得出应力与中性轴的位置关系，再得出中性轴位置与机电耦合系数的关系，从而确定最大机电耦合系数处对应的应力，如图3和图4，此时对应中性轴位置在结构层(103)内部且距结构层上表面0.7μm处，此时有最佳应力-30MPa，也即30MPa压缩应力。
③在对SOI衬底1抛光清洗后，采用磁控溅射先后沉积种子层2、底部电极层3、第一压电层(Sc0.096AlN0.904)4、第二压电层(Sc0.2AlN0.8)5、顶部电极层6，绝缘层二氧化硅7、引线层8，衬底1为SOI衬底，包括底部空腔9和两侧支撑部分、埋氧层二氧化硅102，结构层硅103，工艺过程中可通过调节工艺参数来获得上述最佳应力值；比如，沉积薄膜将所用气流比设置为1：5；沉积双压电层时温度设置在300℃，沉积上下电极时温度设在200℃；沉积前将晶圆先放在450℃环境下90s左右预处理。
图2为本发明双压电薄膜压电超声换能器的工艺流程示意图，如图所示，一种双压电薄膜压电超声换能器的制备方法，采用MEMS工艺技术，包括流程如下：
S1、在SOI硅片上按照一定的生长工艺依次沉积种子层2、底部电极层3、第一压电层4、第二压电层5、顶部电极6；
S2、在S1得到的产品的表面对顶部电极层6、第二压电层5、第一压电层4、底部电极层3进行刻蚀以图形化；
S3、针对S2得到的产品在器件表面沉积一定厚度的二氧化硅作为绝缘层7，并刻蚀出电极通孔；
S4、针对S3得到的产品沉积Al/Cu作为引线层8，便于与顶部电极6和底部电极3的直接接触；
S5、针对S4得到的产品刻蚀掉器件表面的绝缘层7的二氧化硅；
S6、针对S5得到的产品表面沉积一定厚度的绝缘层二氧化硅7保护引线层8；
S7、针对S6得到的产品在引线表面刻蚀出用于连接外部电源的电极孔；
S8、针对S7得到的产品背部刻蚀，并刻蚀掉顶部电极上表面的绝缘层二氧化硅7，释放振动薄膜以使薄膜发生高度为h的初始变形。
其中，空腔9能为压电薄膜沿垂直方向振动提供空间，厚度由底部硅101到埋氧层二氧化硅102截止，通过目前成熟的深硅刻蚀技术形成。
其中，埋氧层102材料选用二氧化硅，作为底部硅衬底深硅刻蚀工艺的停止层。
其中，结构层采用硅材料，其厚度和半径是决定器件性能主要因素之一。
其中，顶部电极6和底部电极3材料均采用钼(Mo)，电极直径占底部空腔直径的78％，此时有最佳的发射和接收性能。
其中，第二电极层5和第一电极层4采用1μm厚的Sc0.2AlN0.8和0.2μm厚的Sc0.096AlN0.904，双层压电材料能提供比单层压电材料更好的压电响应，在相同激励电压下，双层压电材料有更高的动态振幅，第一压电层(Sc0.096AlN0.904)也为第二压电层(Sc0.2AlN0.8)提供更好薄膜生长环境。
其中，绝缘层7的材料为二氧化硅，且覆盖在整个器件表面，绝缘层7的中心与两侧开设有用于引线连接的孔，开孔位置正对底部电极层3相对于压电层多余的边缘部分，便于引线和底部电极层3相连接。
其中，引线层8的材质为Al/Cu，一侧接触底部电极3处开孔，另一侧接触顶部电极6处的开孔，分别接外部激励电压的正负端，给压电层两侧施加一定大小的电势，由于逆压电效应器件会产生垂直方向上的振动发射超声波。
应力大小通过有限元仿真得出理论最佳应力值，在器件制备过程中通过调节工艺参数，最后通过深硅刻蚀释放结构层(103)，应力会显性地导致薄膜产生一定幅度的初始形变，具体形变值可由轮廓测试仪测得如图4所示。
其中，具有该初始形变的双压电层器件的相位和频率可以电学探针台测得如图5所示，相位值初步显示该结构下的高机电耦合趋势。
其中，在器件谐振频率点给予器件1Vpp的方波激励，使用激光多普勒测速仪在时域下观测器件的实际振幅如图6所示。
制备流程均采用比较常规成熟的MEMS工艺技术，不需要开发新工艺，可节约工艺成本。
本发明提供了初始形变的双压电薄膜PMUT器件制备方法，具备以下有益效果：
本实施例能有效提升PMUT器件机电耦合系数，通过工艺过程中将压缩应力调节至30MPa，制备出的器件具有2.4μm的静态轮廓位移，减去器件本身从结构层上表面到顶部电极1.6μm的厚度，器件表面轮廓较平坦状态的膜上凸高度h为0.7μm，此时能达到4.42％的机电耦合系数值。将函数发生器频率设置为器件一阶谐振频率，以1Vpp方波交流激励器件，时域显示的动态位移达到了2.3μm，有效增大动态振幅，解决了现有技术中PMUT器件振幅不高(500nm-1μm)的问题。
以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但双压电薄膜结构包括但不限于本示例中所述的1μmSc0.2AlN0.8+0.2μmSc0.096AlN0.904，同时，应力优化器件性能的方法包括但不局限于本示例中所述的应力为-30MPa和性能为机电耦合系数。
Claims (10)
1.一种双压电薄膜压电超声换能器，包括自下而上依次层叠的衬底、种子层、底部电极层、顶部电极层、绝缘层和引线层，其特征在于，所述衬底自下而上包括底硅层、埋氧层和结构硅层，该衬底的中心开设有空腔，该空腔由所述底硅层截止到埋氧层，并在所述结构硅层呈圆弧状；在所述底部电极层和顶部电极层之间自下而上设有第一压电层和第二压电层，所述第一压电层可确保第二压电层生长的高c轴取向，从而使在相同激励电压下，双层压电层具备更高动态振幅。
2.根据权利要求1所述的双压电薄膜压电超声换能器，其特征在于，所述第一压电层和第二压电层的材料相同，且直径为空腔直径60％～80％的圆形。
3.根据权利要求2所述的双压电薄膜压电超声换能器，其特征在于，所述第一压电层和第二压电层的材料选用1μmSc0.2AlN0.8+0.2μmSc0.096AlN0.904，其中所述第一压电层的厚度比所述所述第二压电层的厚度厚。
4.根据权利要求3所述的双压电薄膜压电超声换能器，其特征在于，通过在工艺过程中调节薄膜应力优化机电耦合系数，包括沉积薄膜将所用气流比设置为1：5；沉积双压电层时温度设置在300℃，沉积上下电极时温度设在200℃；沉积前将晶圆先放在450℃环境下90s左右预处理。
5.根据权利要求1所述的双压电薄膜压电超声换能器，其特征在于，所述种子层的材料为掺钪氮化铝(Sc0.096AlN0.904)，且与所述第一压电层的材料一致。
6.根据权利要求1所述的双压电薄膜压电超声换能器，其特征在于，所述底部电极层的材料为钼(Mo)，形状为圆形，且直径小于所述空腔的直径。
7.根据权利要求1所述的双压电薄膜压电超声换能器，其特征在于，所述顶部电极层的材料为钼(Mo)，且覆盖于所述第二压电层上。
8.根据权利要求1所述的双压电薄膜压电超声换能器，其特征在于，所述绝缘层的材料为二氧化硅，且覆盖于整个单元表面，该绝缘层的中心与两侧均开设有用于引线连接的孔，且中心孔的直径稍小于所述顶部电极层的直径，两侧孔的位置正对所述底部电极层相对于压电层多余的边缘部分。
9.根据权利要求1所述的双压电薄膜压电超声换能器，其特征在于，所述引线层的材质为Al/Cu，且引线层其中一部分沉积并接触底部电极层引出，另一部分沉积并接触顶部电极层引出。
10.一种权利要求1-9任一所述双压电薄膜压电超声换能器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.提供衬底，并在该衬料的表面依次沉积种子层、底部电极层、第一压电层、第二压电层和顶部电极层；
S2.在S1得到的产品的表面依次对所述顶部电极层、第二压电层和第一压电层进行刻蚀以图形化；
S3.在S2得到的产品的表面沉积二氧化硅作为绝缘层，并刻蚀出电极通孔；
S4.在S3得到的产品的表面沉积Al/Cu作为引线层，并刻蚀以图形化，便于与所述顶部电极和底部电极的直接接触；
S5.在S4得到的产品的表面刻蚀除去二氧化硅绝缘层
S6、针对S5得到的产品表面沉积一定厚度的二氧化硅作为绝缘层(7)，用以保护引线层(8)；
S7、针对S6得到的产品对引线上方的二氧化硅部分刻蚀露出可以外接电极的电极孔在引线表面刻蚀出用于连接外部电源的电极孔；
S8、针对S7得到的产品背部刻蚀，并刻蚀掉顶部电极上表面的绝缘层二氧化硅(7)，释放振动薄膜以使薄膜发生高度为h的初始变形。
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