CN1283129C - 基于夹固振膜结构的微声学器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
基于夹固振膜结构的微声学器件及其制作方法，涉及一种微声学器件的结构设计。该器件由硅衬底和设置在其上的复合膜构成，所述的复合膜由底层向上依次为硅层、热氧层、氮化硅层、低温淀积的二氧化硅层、金属钛粘附层、金属铂下电极层、锆钛酸铅铁电薄膜层、金属铂上电极层、等离子化学气相淀积的二氧化硅层、金属铝引线层，该复合膜的四周与硅衬底固结在一起。本发明由于采用了四周夹固的振膜结构，并通过优化设计膜层的尺寸，因而有效克服了微声学器件悬臂振膜结构存在的缺陷，具有结构坚固、性能可靠、成品率高的突出性特点。测试表明，其声学灵敏度在10mV/Pa量级，能够满足移动电话、助听器和其他数字通讯系统音频应用的需要。
Description
技术领域
本发明涉及一种微声学器件及其制作方法，尤其涉及一种用于微麦克风和和扬声器的四周夹固振膜结构的微声学器件的结构设计及其制作方法。
背景技术
近年来，MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)技术得到飞速发展。目前，已经进入市场的MEMS产品包括各种压力传感器和用于汽车气囊控制的加速度计等。在微电子机械系统的应用领域，微声学器件的研制和开发日益成为人们关注的焦点之一。以微麦克风为例，它可以应用于蜂窝电话、无绳电话、助听器、各种数字多媒体设备、声学监测系统等等。与传统的声学器件相比，MEMS微声学器件具有体积小、成本低、可靠性高、并且可与信号处理电路相集成的特点，因而具有广阔的应用领域和极好的应用前景。
压电材料具备力电耦合特性，能够实现力信号和电信号的相互转换。利用压电材料，借助微机械的加工工艺，采用与标准CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)工艺相兼容的制作流程，可以实现结构简单、高性能、集微麦克风和扬声器功能于一体的压电声学器件。中国发明专利申请(申请号：00105555.0)提出了一种用于微麦克风和扬声器的悬臂式振膜结构及其制备方法，本发明是在硅衬底上制作出一层复合薄膜，并采用悬臂式振膜结构，其灵敏度和声输出与现有技术相比有都有较大的提高。但其制作工艺相对复杂，释放悬臂的过程对微机械加工设备的要求较高；另外，该器件采用与传统的IC工艺相兼容的表面硅微加工方法和体硅微机械加工方法，通过在衬底上生长、淀积、刻蚀等工艺条件制备复合薄膜，薄膜中不可避免的会产生残余应力，在通常情况下，热生长的氧化硅会表现为约300MPa的压应力，采用溶胶—凝胶法制备的锆钛酸铅铁电薄膜极化后一般表现为约180MPa的张应力，采用低应力低压化学气相淀积法淀积的氮化硅表现为约200MPa的张应力，溅射形成的金属铂电极表现为约800MPa的张应力，与之相比其他各层的内应力可以忽略。这些残余应力会在微结构形成过程中产生积累，对器件的力学特性造成很大的影响，甚至在结构释放后会令器件的功能失效。由于存在应力刚化(Stress Stiffening)效应，即平面内应力和横向刚度的耦合效应，还将极大的影响微结构的机械灵敏度。在薄膜残余应力的影响下，悬臂振膜结构初始扰度过大，会降低器件的灵敏度，甚至造成器件结构自身的破坏，导致流片的成品率不高。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于夹固振膜结构的微声学器件，这种基于夹固振膜结构的微声学器件可有效克服悬臂振膜结构的缺陷，它是利用四周夹固的压电薄膜实现电声信号之间的转换，并充分考虑复合膜之间的应力补偿，使其具有结构坚固、性能可靠、成品率高且适应大批量生产的要求。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种基于夹固振膜结构的微声学器件，由硅衬底和设置在其上的复合膜构成，其特征在于所述的复合膜的四周由底层向上依次为硅层、热氧化的二氧化硅层、低压化学气相淀积的氮化硅层、低温淀积的二氧化硅层、金属钛粘附层、金属铂下电极层、锆钛酸铅(PZT)铁电薄膜层、金属铂上电极层、等离子增强化学气相淀积的二氧化硅层、金属铝引线层，该复合膜的四周通过底层的硅层与硅衬底固结在一起。
本发明所述的基于夹固振膜结构的微声学器件，其特征在于：所述复合膜的硅层的厚度范围是2～20微米，热氧化的二氧化硅层的厚度范围是800～1000纳米，低压化学气相淀积的氮化硅层的厚度范围是150～200纳米，低温淀积的二氧化硅层的厚度范围是100～150纳米，金属钛粘附层的厚度范围是20～30纳米，金属铂下电极层的厚度范围是150～200纳米，锆钛酸铅铁电薄膜层的厚度范围是400～1000纳米，金属铂上电极层的厚度范围是150～200纳米，等离子增强化学气相淀积的二氧化硅层的厚度范围是200～300纳米，金属铝引线层的厚度范围是400～1000纳米。
本发明所述的微声学器件的优化结构为：长为500～3000微米，宽为500～3000微米；锆钛酸铅铁薄膜层的厚度为500纳米，热氧化的二氧化硅层的厚度为1000微米，低压化学气相淀积的氮化硅层的厚度为200纳米，金属铂下电极层的厚度为200纳米。
一种制备基于夹固振膜结构的微声学器件的方法，该方法按如下步骤进行：
(a)首先在硅衬底上热生长800～1000纳米的二氧化硅层；
(b)采用低压化学气相淀积法在二氧化硅层上淀积150～200纳米的氮化硅层，背面光刻形成背腔窗口；
(c)采用氢氧化钾溶液腐蚀背腔，复合膜保留50～80微米的硅层；
(d)在正面氮化硅层上低温淀积100～150纳米的二氧化硅层；
(e)在正面溅射20～30纳米的金属钛和150～200纳米的金属铂，采用正胶剥离或者反应离子刻蚀或离子束刻蚀的方法形成下电极图形；
(f)采用溶胶—凝胶法在正面制备锆钛酸铅铁电薄膜[Pbx(ZryTil-y)O3，组分为x＝1.1，y＝0.52]，铁电薄膜厚度为400～1000纳米，采用反应离子刻蚀或者离子束刻蚀或者湿法刻蚀的方法形成铁电薄膜的图形；
(g)在正面溅射150～200纳米的金属铂，采用正胶剥离或者反应离子刻蚀或者离子束刻蚀的方法形成上电极图形；
(h)采用等离子增强化学气相淀积法在正面形成200～300纳米二氧化硅层，采用反应离子刻蚀或者湿法腐蚀的方法形成上下电极与铝引线的接触孔；
(i)在正面溅射400～1000纳米的金属铝，采用正胶剥离或者湿法腐蚀的方法形成铝引线；
(j)采用四甲基氢氧化铵溶液或者感应耦合离子刻蚀的方法，减薄硅层至2～20微米。
本发明与现有悬臂结构相比，具有以下优点及突出性效果：本发明由于采用了四周夹固的振膜结构，同时充分考虑了复合膜内的内应力，因而有效克服了微声学器件悬臂振膜结构存在的缺陷，具有结构坚固、性能可靠、成品率高的突出性特点。测试表明，基于夹固振膜结构的微声学器件，其声学灵敏度在10mV/Pa量级，频带范围为20Hz～15KHz，能够满足移动电话、助听器和其他数字通讯系统音频应用的需要。同时，基于夹固振膜结构的微声学器件的制作成品率可达60％以上，封装后其电学和机械性能稳定，不易受温度、潮气等影响，因而为大批量生产奠定了基础。
附图说明
图1为悬臂式振膜结构的声学器件剖面图。
图2为本发明制作的基于夹固振膜结构的微声学器件结构示意图。
图3为图1的俯视图。
图4(a)～(j)为本发明的制作工艺流程图。
(a)为备片、清洗，热氧后的剖面图。
(b)为淀积氮化硅并刻蚀出背腔窗口后的剖面图。
(c)为背腔腐蚀后的剖面图。
(d)为低温生长二氧化硅后的剖面图。
(e)为形成下电极后的剖面图。
(f)为形成锆钛酸铅铁电薄膜后的剖面图。
(g)为形成上电极后的剖面图。
(h)为形成接触孔后的剖面图。
(i)为形成铝引线后的剖面图。
(j)为减薄硅层后的剖面图。
图中：
11-金属铂上电极；12-锆钛酸铅铁电薄膜；13-金属钛—铂下电极；14-低温生长的二氧化硅；15-氮化硅；16-硅衬底；17-刻蚀去除部分；18-背腔；
21-金属铂上电极；22-锆钛酸铅铁电薄膜；23-金属钛粘附层和金属铂下电极；24-低温生长的二氧化硅；25-为低压化学气相淀积的氮化硅；26-硅衬底；28-背腔；29-等离子增强化学气相淀积的二氧化硅层；210-金属铝引线；211-热氧化生长的二氧化硅层；212-硅层。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体结构及优选方式。
本发明所述的基于夹固振膜结构的微声学器件，由硅衬底26和设置在其上的复合膜构成，所述的复合膜由底层向上依次为硅层212、热氧化的二氧化硅层211、低压化学气相淀积的氮化硅层25、低温淀积的二氧化硅层24、金属钛粘附层和金属铂下电极层23、锆钛酸铅铁电薄膜层22、金属铂上电极层21、等离子增强化学气相淀积的二氧化硅层29、金属铝引线层210，即为Al/SiO2/Pt/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si3N4/SiO2/Si复合膜结构，该复合膜的四周通过底层的硅层212与硅衬底26固结在一起。
为了减小复合膜制作时所产生的残余压力积累对器件性能的影响，本发明采用具有不同初始应力的材料组成的复合膜结构，使锆钛酸铅铁电薄膜、氮化硅薄膜和金属铂下电极的张应力为热生长的二氧化硅的压应力所补偿，从而减小复合膜的初始形变，提高其机械灵敏度。理论上讲，当组成复合膜的各层膜满足条件：①每层膜材料内应力均匀；②复合结构无弯曲时，等效的复合膜应力σc、等效的膜厚度tc和各层膜的应力σi、各层膜的厚度ti(i＝1，2，...)的关系为：
σctc＝σ1t1+σ2t2+σ3t3... (1)
tc＝t2+t2+t3... (2)
由公式(1)可知合理设置各层薄膜厚度可使复合膜应力σc为零。由此可设计出复合应力σc≈0的Al/SiO2/Pt/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si3N4/SiO2/Si复合膜结构。经过模拟实验研究，所述复合膜的硅层的厚度范围为2～20微米，热氧化的二氧化硅层的厚度范围为800～1000纳米，低压化学气相淀积的氮化硅层的厚度范围为150～200纳米，低温淀积的二氧化硅层的厚度范围为100～150纳米，金属钛粘附层的厚度范围为20～30纳米，金属铂下电极层的厚度范围为150～200纳米，锆钛酸铅铁电薄膜层的厚度范围为400～1000纳米，金属铂上电极层的厚度范围为150～200纳米，等离子增强化学气相淀积的二氧化硅层的厚度范围为200～300纳米，金属铝引线层的厚度范围为400～1000纳米。优化结构尺寸为：所述复合膜的平面尺寸范围长为500～3000微米，宽为500～3000微米；锆钛酸铅铁薄膜层的厚度为500纳米，热氧化的二氧化硅层的厚度为1000微米，低压化学气相淀积的氮化硅层的厚度为200纳米，金属铂下电极层的厚度为200纳米。
本发明的具体步骤如下：
(a)取双面抛光的硅片，用浓硫酸和双氧水的混合液煮沸后，用去离子水漂洗并烘干；将硅片放入氧化炉中，在硅片两面热生成800～1000纳米的二氧化硅层；
(b)采用低压化学气相淀积方法在二氧化硅层上淀积150～200纳米的氮化硅层，背面光刻形成背腔窗口，再把硅片置于氢氟酸-氟化铵缓冲溶液中，将二氧化硅去除；
(c)腐蚀背腔：在氢氧化钾溶液中进行体硅腐蚀，反应后残留的硅层的厚度为50～80微米，用以增强硅片在后续工艺中的机械强度；
(d)在正面氮化硅层上低温淀积100～150纳米的二氧化硅；
(e)在正面溅射20～30纳米的金属钛和150～200纳米的金属铂，采用正胶剥离或者反应离子刻蚀或者离子束刻蚀的方法形成下电极图形；
(f)采用溶胶—凝胶法在正面制备锆钛酸铅铁电薄膜[Pbx(ZryTil-y)O3，组分为x＝1.1，y＝0.52]，铁电薄膜厚度为400～1000纳米，采用反应离子刻蚀或者离子束刻蚀或者湿法刻蚀形成铁电薄膜的图形；
(g)在正面溅射150～200纳米的金属铂，采用正胶剥离或者反应离子刻蚀或者离子束刻蚀的方法形成上电极图形；
(h)采用等离子增强化学气相淀积法在正面形成200～300纳米二氧化硅，采用反应离子刻蚀或者湿法腐蚀的方法形成铝引线与上下电极的接触孔；
(i)在正面溅射400～1000纳米的金属铝，采用正胶剥离或者湿法腐蚀的方法形成铝引线；
(j)用氢氟酸-氟化铵缓冲溶液去除背面低温生长的二氧化硅，采用四甲基氢氧化铵溶液或者感应耦合离子刻蚀的方法，减薄硅层至2～20微米。
实施例1：
制备复合膜Al/SiO2/Pt/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si3N4/SiO2/Si各层厚度分别为800/300/150/1000/200/20/100/200/900/10纳米的夹固振膜结构，振膜尺寸为2500微米×2500微米。
(a)以直径为3英寸，厚度为400±10微米、双面抛光的P型硅片作为衬底(衬底电阻率为1-10Ω·cm)，用浓硫酸和双氧水的混合液煮沸10分钟，然后去离子水漂洗并烘干；将硅片放入氧化炉中，在1050±1℃下，在硅片两面热生长900纳米的二氧化硅层；
(b)采用低压化学气相淀积方法，在硅片两面形成厚度为200纳米的氮化硅层，采用反应离子刻蚀的方法刻蚀背面氮化硅，形成背腔窗口，再把硅片置于氢氟酸-氟化铵缓冲溶液中，将二氧化硅去除；
(c)在33％的KOH溶液中进行体硅腐蚀，水浴温度为80℃，反应后的残留硅层的厚度约为50微米；
(d)在正面氮化硅层上低温淀积100纳米的二氧化硅层；
(e)在正面溅射20纳米的金属钛和200纳米的金属铂，正胶剥离形成下电极图形；
(f)用溶胶—凝胶法制备1000纳米厚度的锆钛酸铅铁电薄膜，其中，Pbx(ZryTi1-y)O3的组分为x＝1.1，y＝0.52，采用反应离子刻蚀的方法形成铁电薄膜的图形；
(g)在正面溅射150纳米的金属铂，采用正胶剥离的方法形成上电极图形；
(h)采用等离子增强化学气相淀积法在正面形成300纳米二氧化硅，采用反应离子刻蚀形成铝引线与上下电极的接触孔；
(i)在正面溅射800纳米的金属铝，用磷酸腐蚀形成铝引线；
(j)用氢氟酸-氟化铵缓冲溶液去除背面低温生长的二氧化硅，再将硅片置于四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液中，在85℃水浴中加热，减薄背腔内硅层厚度至约10微米，其中，四甲基氢氧化铵溶液的配制方法(wt％)：TMAH为5％、硅粉为1.6％、过硫酸铵为0.6％。
经模拟测试表明，其电压灵敏度为9.3mV/Pa，频带范围为20Hz～15KHz。
实施例2：
制备复合膜Al/SiO2/Pt/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si3N4/SiO2/Si各层厚度分别为400/200/150/400/150/20/100/200/800/2纳米的夹固振膜结构，振膜尺寸为500微米×500微米。
(a)以直径为3英寸，厚度为400±10微米、双面抛光的P型硅片作为衬底(衬底电阻率为1-10Ω·cm)，用浓硫酸和双氧水的混合液煮沸10分钟，然后用去离子水漂洗并烘干；将硅片放入氧化炉中，在1050±1℃下，在硅片两面热生长800纳米的二氧化硅层；
(b)采用低压化学气相淀积方法，在硅片两面形成厚度为200纳米的氮化硅层，采用反应离子刻蚀的方法刻蚀背面氮化硅，形成背腔窗口，再把硅片置于氢氟酸-氟化铵缓冲溶液中，将二氧化硅去除；
(c)在33％的KOH溶液中进行体硅腐蚀，水浴温度为90℃，反应后的残留硅层的厚度约为50微米；
(d)在正面氮化硅层上低温淀积100纳米的二氧化硅层；
(e)在正面溅射20纳米的金属钛和150纳米的金属铂，采用离子束刻蚀的方法形成下电极图形；
(f)用溶胶—凝胶法制备400纳米厚度的锆钛酸铅铁电薄膜，其中，Pbx(ZryTi1-y)O3的组分为x＝1.1，y＝0.52，采用反应离子刻蚀的方法形成铁电薄膜的图形；
(g)在正面溅射150纳米的金属铂，采用离子束刻蚀的方法形成上电极图形；
(h)采用等离子增强化学气相淀积法在正面形成200纳米二氧化硅，采用反应离子刻蚀形成铝引线与上下电极的接触孔；
(i)在正面溅射400纳米的金属铝，采用正胶剥离的方法形成铝引线；
(j)用氢氟酸-氟化铵缓冲溶液去除背面低温生长的二氧化硅，再将硅片置于四甲基氢氧化铵溶液(TMAH)中，在90℃水浴中加热，减薄背腔内硅层厚度至约2微米，其中，四甲基氢氧化铵溶液的配制方法(wt％)：TMAH为5％、硅粉为1.6％、过硫酸铵为0.6％。
经模拟测试表明，其电压灵敏度为0.3mV/Pa，频带范围为20Hz～15KHz。
实施例3：
制备复合膜Al/SiO2/Pt/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si3N4/SiO2/Si各层厚度分别为1000/300/200/800/200/30/150/150/1000/20纳米的夹固振膜结构，振膜尺寸为3000微米×3000微米。
(a)以直径为3英寸，厚度为400±10微米、双面抛光的N型硅片作为衬底(衬底电阻率为1-10Ω·cm)，用浓硫酸和双氧水的混合液煮沸10分钟，然后用去离子水漂洗并烘干；将硅片放入氧化炉中，在1050℃±1下，在硅片两面热生长1000纳米的二氧化硅层；
(b)采用低压化学气相淀积方法，在硅片两面形成厚度为150纳米的氮化硅层，采用反应离子刻蚀的方法刻蚀背面氮化硅，形成背腔窗口，再把硅片置于氢氟酸-氟化铵缓冲溶液中，将二氧化硅去除；
(c)在33％的KOH溶液中进行体硅腐蚀，水浴温度为60℃，反应后的残留硅层的厚度约为80微米；
(d)在正面氮化硅层上低温淀积150纳米的二氧化硅层；
(e)在正面溅射30纳米的金属钛和200纳米的金属铂，采用反应离子刻蚀的方法形成下电极图形；
(f)用溶胶—凝胶法六次旋涂制备800纳米厚度的锆钛酸铅铁电薄膜，其中，Pbx(ZryTi1-y)O3的组分为x＝1.1，y＝0.52，采用反应离子刻蚀的方法形成铁电薄膜的图形；
(g)在正面溅射200纳米的金属铂，采用反应离子刻蚀的方法形成上电极图形；
(h)采用等离子增强化学气相淀积法在正面形成300纳米二氧化硅，采用湿法腐蚀的方法形成铝引线与上下电极的接触孔；
(i)在正面溅射1000纳米的金属铝，磷酸腐蚀形成铝引线；
(j)用氢氟酸-氟化铵缓冲溶液去除背面低温生长的二氧化硅，采用感应耦合离子刻蚀的方法减薄背腔内硅层厚度至约20微米。
经模拟测试表明，其电压灵敏度为15.8mV/Pa，频带范围为20Hz～15KHz。
Claims (3)
1.一种基于夹固振膜结构的微声学器件，由硅衬底和设置在其上的复合膜构成，其特征在于：所述的复合膜由底层向上依次为硅层、热氧化的二氧化硅层、低压化学气相淀积的氮化硅层、低温淀积的二氧化硅层、金属钛粘附层、金属铂下电极层、锆钛酸铅铁电薄膜层、金属铂上电极层、等离子增强化学气相淀积的二氧化硅层、金属铝引线层，该复合膜的四周通过底层的硅层与硅衬底固结在一起；所述复合膜硅层的厚度范围为2～20微米，热氧化的二氧化硅层的厚度范围为800～1000纳米，低压化学气相淀积的氮化硅层的厚度范围为150～200纳米，低温淀积的二氧化硅层的厚度范围为100～150纳米，金属钛粘附层的厚度范围为20～30纳米，金属铂下电极层的厚度范围为150～200纳米，锆钛酸铅铁电薄膜层的厚度范围为400～1000纳米，金属铂上电极层的厚度范围为150～200纳米，等离子增强化学气相淀积的二氧化硅层的厚度范围为200～300纳米，金属铝引线层的厚度范围为400～1000纳米。
2.按照权利要求1所述的基于夹固振膜结构的微声学器件，其特征在于所述的微声学器件的平面尺寸范围为：长500～3000微米，宽500～3000微米；所述的锆钛酸铅铁薄膜层的厚度为500纳米，热氧化的二氧化硅层的厚度为1000纳米，低压化学气相淀积的氮化硅厚度层的为200纳米，金属铂下电极层的厚度为200纳米。
3.一种如权利要求1所述微声学器件的制作方法，该方法按如下步骤进行：
(a)首先在硅衬底上热氧化生成800～1000纳米的二氧化硅层；
(b)采用低压化学气相淀积法在二氧化硅层上淀积150～200纳米的氮化硅层，背面光刻形成背腔窗口；再把硅片置于氢氟酸-氟化铵缓冲溶液中，将二氧化硅去除；
(c)采用氢氧化钾溶液腐蚀背腔，保留50～80微米的硅层；
(d)在正面氮化硅层上低温淀积100～150纳米的二氧化硅层；
(e)在正面溅射20～30纳米的金属钛和150～200纳米的金属铂，采用正胶剥离或者反应离子刻蚀或离子束刻蚀的方法形成下电极图形；
(f)采用溶胶-凝胶法在正面制备锆钛酸铅铁电薄膜[Pbx(ZryTi1-y)O3，组分为x＝1.1，y＝0.52]，铁电薄膜的厚度为400～1000纳米，采用反应离子刻蚀或者离子束刻蚀或者湿法刻蚀的方法形成铁电薄膜的图形；
(g)在正面溅射150～200纳米的金属铂，采用正胶剥离或者反应离子刻蚀或者离子束刻蚀的方法形成上电极图形；
(h)采用等离子增强化学气相淀积法在正面形成200～300纳米的二氧化硅层，采用反应离子刻蚀或者湿法腐蚀的方法形成铝引线与上下电极的接触孔；
(i)在正面溅射400～1000纳米的金属铝，采用正胶剥离或者湿法腐蚀的方法形成铝引线；
(j)用氢氟酸-氟化铵缓冲溶液去除背面低温生长的二氧化硅，采用四甲基氢氧化铵溶液或者感应耦合离子刻蚀的方法，减薄硅层至2～20微米。
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