CN118317681A - 一种基于三张光刻版解决电极短路问题的压电mems换能器制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三张光刻版解决电极短路问题的压电MEMS换能器制备方法，包括以下步骤：在硅晶圆的上表面由下至上依次制备下电极层、压电薄膜层和上电极层；在硅晶圆的下表面生长绝缘层；分别对硅晶圆上表面、下表面使用光刻板进行第一轮光刻，暴露出上电极和下电极；分别在硅晶圆上、下表面生长Au，镀在上电极表面和下电极表面；分别在硅晶圆上、下表面使用光刻板进行第二轮光刻，上表面刻蚀至压电薄膜层，下表面刻蚀至下电极层。本发明将上下电极分别设置于硅晶圆的上下表面，从根本上避免了器件短路的问题，极大的提高了成品率。同时本发明仅用3张光刻版，整个工艺流程简洁，降低了时间成本及工艺难度，提供了生产效率。
Description
技术领域
本专利属于半导体MEMS芯片制造领域，具体涉及一种基于三张光刻版解决电极短路问题的压电MEMS换能器制备方法。
背景技术
MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）是一种外壳尺寸在厘米甚至毫米级，内部结构尺寸在微米甚至纳米级的微型电子机械系统，具有体积小、重量轻、能耗低、高性能、易集成的突出优点，是当今世界各类智能传感器芯片不可替代的关键核心组成部分。压电MEMS芯片已广泛应用于现代医学检测领域的医疗成像PMUT（彩超头），军事领域的压电MEMS水声传感器（声呐），建筑健康监测领域的压电超声波应力传感器（声发射传感器）等。
现有压电MEMS换能器普遍存在以下突出问题：（1）上下电极短路。上下电极普遍设计在晶圆同侧，在MEMS微加工过程中，上下电极相距仅为微米级距离，并且还需要同向对外引线，在实际操作中无法规避短路的风险，废品率比较高；（2）工艺步骤复杂。现有技术往往是使用6张光刻版，光刻步骤越多，对微加工的精度要求就越高，步骤复杂，出错率就高，总废品中有四分之三的废品是由电极短路问题造成的。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种基于三张光刻版解决电极短路问题的压电MEMS换能器制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于三张光刻版解决电极短路问题的压电MEMS换能器制备方法，包括以下步骤：
（1）在硅晶圆上表面，由下至上依次制备下电极层、压电薄膜层和上电极层；
（2）在硅晶圆的下表面生长绝缘层；
（3）分别对硅晶圆上表面和下表面使用1张光刻板进行第一轮光刻，暴露出上电极和下电极；
（4）分别在硅晶圆的上表面和下表面生长Au，镀在上电极表面和下电极表面，将已经图形化的上电极和下电极分别由Au引出在硅晶圆的上表面和下表面；
（5）分别在硅晶圆的上表面和下表面使用1张光刻板进行第二轮光刻，上表面刻蚀至压电薄膜层，下表面刻蚀至下电极层。
进一步地，步骤（1）在硅晶圆上表面采用磁控溅射或蒸发生长制备压电薄膜层。
进一步地，步骤（2）中还包括在上电极层上表面生长绝缘层。
进一步地，步骤（3）中第一轮光刻的方法为：采用ICP工艺刻蚀硅晶圆上表面的绝缘层，暴露出上电极；然后采用Rapier工艺刻蚀硅晶圆的下表面，在对应上表面图形的位置形成背腔，暴露出下电极。
进一步地，步骤（4）中Au生长的方式为磁控溅射或蒸发生长。
进一步地，步骤（5）中，第二轮光刻的方法为：使用一张光刻板光刻版在硅晶圆的上表面进行光刻，氯离子刻蚀Au、氩离子IBE工艺刻蚀Pt，刻蚀至压电薄膜层，图形化后的上电极位于压电薄膜的中心区域，收集压电薄膜中心电荷；使用另一张光刻板光刻版在硅晶圆的下表面进行光刻，氯离子刻蚀Au，刻蚀至下电极层，刻蚀后的Au位于下电极的边缘，收集压电薄膜边缘的电荷。
有益效果
本发明将上下电极的引线方式分别设置于硅晶圆上下表面，从根本上避免了器件短路的问题，极大的提高了成品率。
本发明仅用3张光刻版进行光刻工艺，整个工艺流程简单高效，降低了时间成本和工艺难度，提高了生产效率和成品率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为压电薄膜层、上下电极层、绝缘层的示意图；
图2为第一轮光刻示意图；
图3为磁控溅射或蒸发生长Au的示意图；
图4为第二轮光刻示意图；
图5为全套工艺完成后的示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种基于三张光刻版解决电极短路问题的压电MEMS换能器制备方法，包括以下步骤：
（1）在硅晶圆上表面由下至上依次制备下电极层、压电薄膜层和上电极层；
（2）在硅晶圆的下表面生长绝缘层；
（3）分别对硅晶圆上表面和下表面使用1张光刻板进行第一轮光刻，暴露出上电极和下电极；
（4）分别在硅晶圆的上表面和下表面生长Au，镀在上电极表面和下电极表面；
（5）分别在硅晶圆的上表面和下表面使用1张光刻板进行第二轮光刻，上表面刻蚀至压电薄膜层，下表面刻蚀至下电极层。
在一些实施方式中，硅晶圆的厚度为150-350μm。
在一些实施方式中，步骤（1）在硅晶圆上表面采用磁控溅射或蒸发生长制备压电薄膜层。压电薄膜为AlN（氮化铝）、AlScN（铝钪氮）、BFO（铁酸铋）或KNN（铌酸钾钠）等，厚度为100-1000nm。上电极和下电极均可选择Ti或Pt等高导电率金属，层厚度为50-500nm。
在一些实施方式中，绝缘层为三氧化二铝或者二氧化硅，层厚度为50-500nm，步骤（2）中还包括在上电极层上表面生长绝缘层。生长绝缘层时，可以先做上表面，也可以先做下表面，也可以不做上电极层上表面上的绝缘层。
在一些实施方式中，步骤（3）中第一轮光刻，使用光刻版1，分别对硅片的上表面和下表面进行刻蚀，采用ICP工艺刻蚀硅晶圆上表面的绝缘层，暴露出上电极；然后采用Rapier工艺刻蚀硅晶圆的下表面，在对应上表面图形的位置形成背腔，暴露出下电极。Rapier工艺是深硅刻蚀工艺，进行硅的高深宽比刻蚀。
在一些实施方式中，步骤（4）中Au生长的方式为磁控溅射或蒸发生长，层厚度为50-500nm。
在一些实施方式中，步骤（5）中，第二轮光刻的方法为：使用光刻版2，在硅晶圆的上表面进行光刻，氯离子刻蚀Au、氩离子IBE工艺刻蚀Pt，刻蚀至压电薄膜层，用于后续使用中，收集压电薄膜中心电荷；使用光刻版3，在硅晶圆的下表面进行光刻，氯离子刻蚀Au，刻蚀至下电极层，用于后续使用中，收集压电薄膜边缘电荷。
薄膜和背腔的形状：一般为圆形，也可以为方形、多边形等。
以下结合附图1-图5通过具体实施例和对比例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
一种基于三张光刻版解决电极短路问题的压电MEMS换能器制备方法，包括以下步骤：
（1）工艺准备
1.设备准备：光刻机、磁控溅射机、匀胶机、涂胶显影机、激光打标机、RCA清洗机、氧化扩散炉、丹顿溅射台、引线键合机、四探针台、半导体分析仪等。
2.原材料准备：
6英寸硅晶圆，厚度为Si（350μm）；
3.检测设备：MX61显微镜、台阶仪、膜厚仪等。
（2）工艺步骤
一种基于三张光刻版解决电极短路问题的压电MEMS换能器制备方法，包括以下步骤：
1.在硅（厚度350μm）衬底上，由下至上依次制备下电极层（Ti/Pt厚度分别为100nm/400nm）、磁控溅射压电薄膜层（BFO厚度750nm）和上电极层（Ti/Pt厚度分别为100nm/400nm）；
2.采用通用的热氧化法或化学气相沉积法或物理气相沉积法，在硅晶圆的上表面和下表面分别生长绝缘层（Al2O3厚度100nm）；
3.使用光刻板1，分别对硅晶圆上表面和下表面进行第一轮光刻，采用ICP工艺刻蚀硅晶圆上表面的绝缘层，暴露出上电极，然后采用Rapier工艺刻蚀硅晶圆下表面的硅，在对应上表面图形的位置形成背腔，暴露出下电极；
4.分别在硅晶圆的上表面和下表面磁控溅射Au，使得Au在上电极和下电极完全生长，并在晶圆表面实现覆盖厚度50nm；
5.使用光刻版2，分别对硅晶圆的上表面和下表面进行第二轮光刻，在上表面进行氯离子刻蚀Au、氩离子IBE工艺刻蚀Pt，刻蚀至压电薄膜层，目的是后续使用中，上电极收集压电薄膜中心电荷；使用光刻版3，在下表面进行光刻，氯离子刻蚀Au，刻蚀至下电极层，目的是后续使用中，下电极收集压电薄膜边缘电荷。
图5中虚线示意为“划片道”，一个晶圆上会同步大规模制造出完全一致的MEMS芯片。
对比例1
与实施例1不同之处在于，上电极和下电极位于晶圆同侧，其他步骤相同。
将实施例和对比例1制备的过程中统计废品率，具体见表1。
表1为废品率统计表
采用四探针台与半导体分析仪联合使用，在显微镜下，操作两个探针分别与每个器件的上下电极处，观察半导体分析仪显示的电阻数值，如果≤1Ω即说明是短路（压电MEMS器件电阻至少≥1×103Ω），此器件即判断为废品且无法修补。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。
Claims (6)
1.一种基于三张光刻版解决电极短路问题的压电MEMS换能器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在硅晶圆上表面，由下至上依次制备下电极层、压电薄膜层和上电极层；
（2）在硅晶圆的下表面生长绝缘层；
（3）分别对硅晶圆上表面和下表面使用1张光刻板进行第一轮光刻，暴露出上电极和下电极；
（4）分别在硅晶圆的上表面和下表面生长Au，镀在上电极表面和下电极表面；
（5）分别在硅晶圆的上表面和下表面使用1张光刻板进行第二轮光刻，上表面刻蚀至压电薄膜层，下表面刻蚀至下电极层。
2.根据权利要求1所述的一种基于三张光刻版解决电极短路问题的压电MEMS换能器制备方法，其特征在于，步骤（1）在硅晶圆上表面采用磁控溅射或蒸发生长制备压电薄膜层。
3.根据权利要求1所述的一种基于三张光刻版解决电极短路问题的压电MEMS换能器制备方法，其特征在于，步骤（2）中还包括在上电极层的表面生长绝缘层。
4.根据权利要求1所述的一种基于三张光刻版解决电极短路问题的压电MEMS换能器制备方法，其特征在于，步骤（3）中第一轮光刻的方法为：采用ICP工艺刻蚀硅晶圆上表面的绝缘层，暴露出上电极；然后采用Rapier工艺刻蚀硅晶圆的下表面，在对应上表面图形的位置形成背腔，暴露出下电极。
5.根据权利要求1所述的一种基于三张光刻版解决电极短路问题的压电MEMS换能器制备方法，其特征在于，步骤（4）中Au生长的方式为磁控溅射或蒸发生长。
6.根据权利要求1所述的一种基于三张光刻版解决电极短路问题的压电MEMS换能器制备方法，其特征在于，步骤（5）中，第二轮光刻的方法为：使用光刻版在硅晶圆的上表面进行光刻，氯离子刻蚀Au、氩离子IBE工艺刻蚀Pt，刻蚀至压电薄膜层，图形化后的上电极收集压电薄膜中心电荷；使用光刻版在硅晶圆的下表面进行光刻，氯离子刻蚀Au，刻蚀至下电极层，刻蚀后的Au位于下电极的边缘，收集压电薄膜边缘的电荷。
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