CN220556746U - Mems结构，mems压电麦克风 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种MEMS结构，MEMS压电麦克风。该MEMS结构包括：衬底，包括：外围的衬底外环体；形成于衬底外环体内侧的衬底背腔；振动支撑层，形成于衬底外环体和衬底背腔上；下电极层、压电层、上电极层，依次形成于振动支撑层上；振动支撑层、下电极层、压电层、上电极层，四者位于衬底背腔上方的部分呈朝向远离衬底方向的弧形凸起形状。本实用新型具有预制上凸或者下凹形状的复合振动层在水平面内具有一定的伸缩变形能力，可以有效释放结构整体的残余应力。
Description
技术领域
本实用新型涉及新型电声元件制造和微电子器件等技术领域，尤其涉及一种MEMS结构及其制备方法，MEMS压电麦克风。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)麦克风是一种利用微机械加工技术制作出来的新型电声元件，其具有体积小、频响特性好、噪声低等特点。随着智能电子设备的小巧化、轻薄化发展，MEMS麦克风被越来越广泛地运用到这些设备上。
MEMS麦克风主要包括电容式和压电式两种。MEMS压电麦克风是利用微电子机械系统技术和压电薄膜技术制备的传声器，由于采用半导体平面工艺和体硅加工等技术，所以其尺寸小、体积小、一致性好。同时相对于电容麦克风还有不需要偏置电压、工作温度范围大、防尘、防水等优点，但其灵敏度比较低，制约着MEMS压电麦克风的发展。残余应力是制约着MEMS压电麦克风灵敏度提高的一个主要因素，在圆形压电MEMS结构中尤为显著。
实用新型内容
(一)要解决的技术问题
为了至少部分解决上述技术问题中的其中之一，本实用新型特提供了一种MEMS结构，MEMS压电麦克风。
(二)技术方案
本实用新型第一个方面中，提供了一种MEMS结构，包括：衬底，包括：外围的衬底外环体；形成于衬底外环体内侧的衬底背腔；振动支撑层，形成于衬底外环体和衬底背腔上；下电极层、压电层、上电极层，依次形成于振动支撑层上；其中，振动支撑层、下电极层、压电层、上电极层，四者位于衬底背腔上方的部分呈朝向远离衬底方向的弧形凸起形状。
在本实用新型的一些实施例中，上电极层、压电层、下电极层的水平面投影在衬底背腔水平面投影的内侧，且连续延伸。
本实用新型第二个方面中，提供了一种MEMS结构，包括：衬底，包括：外围的衬底外环体；形成于衬底外环体内侧的衬底背腔；下电极层、下压电层、中电极层、上压电层、上电极层，依次形成于衬底上；其中，下电极层、下压电层、中电极层、上压电层、上电极层，五者位于衬底背腔上方的部分呈朝向远离衬底方向的弧形凸起形状。
在本实用新型的一些实施例中，上电极层、下电极层的水平面投影在衬底背腔水平面投影的内侧，且连续延伸。
在本实用新型的一些实施例中，弧形凸起形状的曲率半径R满足0.1cm≤R≤10cm。
在本实用新型的一些实施例中，弧形凸起形状的曲率半径R满足1cm≤R≤3cm。
在本实用新型的一些实施例中，弧形凸起形状的高度介于0.1μm～20μm之间。
在本实用新型的一些实施例中，弧形凸起形状的高度介于4μm～13μm之间。
在本实用新型的一些实施例中，衬底背腔水平面投影的半径介于0.1mm-3mm。
在本实用新型的一些实施例中，压电层、上压电层、下压电层的厚度介于0.1μm-10μm之间，其材料选自于以下一种或多种：氮化铝、掺钪氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅。
在本实用新型的一些实施例中，上电极层、中电极层、下电极层的厚度介于20nm-200nm之间，其材料选自于以下一种或多种：钼、金、铝、铬。
在本实用新型的一些实施例中，振动支撑层的厚度介于0.1μm-10μm之间，其材料选自于以下一种或多种：氮化硅、单晶硅、氮化铝、掺钪氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅。
本实用新型第三个方面中，提供了一种MEMS压电麦克风，包括：如上的MEMS结构。
(三)有益效果
从上述技术方案可知，本实用新型相对于现有技术至少具有以下有益效果之一：
(1)具有预制上凸或者下凹形状的复合振动层在水平面内具有一定的伸缩变形能力，可以有效释放结构整体的残余应力。
(2)首先在衬底正面形成热氧层弧形凸起，而后在该热氧层弧形凸起上沉积得到具有弧形凸起形状的复合振动层。如此的制备方法，通过干法刻蚀工艺控制热氧层弧形凸起的幅度和精度，工艺简单方便，精度高，并且后续沉积的复合振动层跟随该热氧层弧形凸起而呈现弧形凸起形状，更加地平缓自然，应力释放更为有效。
(3)热氧层弧形凸起的曲率半径决定了复合振动层的弧形凸起形状，曲率半径过小，弧形凸起太过突兀，会对复合振动层本身的强度产生不利影响，曲率半径过大，残余应力释放达不到预期效果，模拟实验证明，在曲率半径R满足：0.1cm≤R≤10cm时，能够在复合振动层强度和应力释放之间达到较好的平衡，而在1cm≤R≤3cm效果更佳。
(4)利用氧化硅层来制作热氧层弧形凸起，一方面制作工艺较为成熟，另一方面通过干法刻蚀进行图形化也更为方便。
(5)压电层半径小于振动支撑层半径，有利于释放振动复合层弯曲刚度来增大振动位移，同时可以有效避免电极当中的正负电荷中和来提高灵敏度。
(5)既可以应用于单压电层的MEMS结构当中，还可以应用于双晶片的MEMS结构当中，还不排除应用于其他类型的MEMS结构当中。此外，不仅可以应用于麦克风当中，还可以应用于其他MEMS器件中来释放残余应力，应用范围十分广泛。
附图说明
图1、图2分别为本实用新型第一实施例MEMS结构的立体图和剖面图。
图3A～图3E为图1、图2所示MEMS结构制备方法中各步骤完成之后的结构剖面图。
图4为本实施例MEME结构与现有技术MEMS结构的灵敏度对比。
图5为本实用新型第二实施例MEMS结构的剖面图。
具体实施方式
本实用新型的构思在于，令复合振动层具有预制弧形凸起形状，可以使圆形复合功能薄膜在面内有一定伸缩变形的能力，可以有效释放残余应力，明显提升了残余应力影响下MEMS压电麦克风的灵敏度。进一步地，通过热氧化形成氧化硅层、刻蚀作为底层模板，降低形成预制弧形凸起形状的复杂性，提升工艺精度和可靠性。
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文结合具体实施方式，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
根据本实用新型的第一、二方面，提供了一种MEMS结构及其制备方法。图1、图2分别为本实用新型第一实施例MEMS结构的立体图和剖面图。如图1和图2所示，本实施例MEMS结构包括：
衬底10，包括：外围的衬底外环体11；形成于衬底外环体内侧的衬底背腔12；
复合振动层21，形成于衬底上；
其中，复合振动层位于衬底背腔上方的部分呈朝向远离衬底方向的弧形凸起形状，弧形凸起的曲率半径R满足：0.1cm≤R≤10cm。
本实施例中，具有预制上凸或者下凹形状的复合振动层在水平面内具有一定的伸缩变形能力，可以有效释放结构整体的残余应力。
以下分别对本实施例MEMS结构的各个组成部分进行详细描述。
本实施例中，衬底10为硅衬底。衬底背腔12水平面投影的半径介于0.1mm-3mm，其是在形成复合振动层之后通过在衬底背面深硅刻蚀形成的。
请参照图2，复合振动层21进一步包括：振动支撑层21a、下电极层21b、压电层21c、上电极层21d，依次形成于振动支撑层上，并且，四者位于衬底背腔上方的部分呈朝向远离衬底方向的弧形凸起形状。
本实施例中，上电极层、压电层、下电极层的水平面投影在衬底背腔水平面投影的内侧，即压电层半径小于振动支撑层半径。这有利于释放振动复合层弯曲刚度来增大振动位移，同时可以有效避免电极当中的正负电荷中和来提高灵敏度。
此外，上电极层、压电层、下电极层连续平缓延伸。相比于呈现周期性凸起结构的复合振动层，本实施例整个复合振动层具有相同的曲率半径，缓解应力更为平缓，同时避免了曲率突变对于复合振动层强度的不利影响。
现有技术中，具有在局部区域引入波纹结构来改造MEMS结构的技术方案，但其只能通过局部区域变形来释放残余应力，释放残余应力的程度有限。本实用新型整个复合振动层具有相同的预制曲率，整个结构都能通过变形来释放残余应力，残余应力释放得更彻底。
本实施例中，根据残余应力分布来确定曲率半径的优选范围。曲率半径过小，弧形凸起太过突兀，会对复合振动层本身的强度产生不利影响，曲率半径过大，残余应力释放达不到预期效果，模拟实验证明，在曲率半径R满足：0.1cm≤R≤10cm时，能够在复合振动层强度和应力释放之间达到较好的平衡，而在1cm≤R≤3cm效果更佳。
本实施例中，支撑层为0.4μm厚的氮化硅(Si3N4)，压电层为0.5μm厚的氮化铝(AlN)，上下电极层为0.1μm厚的钼(Mo)，压电层以及上下电极半径460μm，衬底背腔12的半径为500μm，整个复合振动层的曲率半径为2cm。
但本实用新型并不以上述材料和参数为限。在本实用新型其他实施例中，支撑层和压电层的优选厚度范围为0.1μm-10μm，压电层材料可以是氮化铝(AlN)、掺钪氮化铝(ScxAl1-xN)、氧化锌(ZnO)、压电陶瓷(PZT)等。支撑层材料可以是氮化硅(Si3N4)、单晶硅(Si)或者和压电层一样的压电材料。电极层的优选厚度范围为20nm-200nm，其材料可以是钼(Mo)、金(Au)、铝(Al)、铬(Cr)等.
以下介绍图1、图2所示MEMS结构的制备方法。图3A～图3E为图1、图2所示MEMS结构制备方法中各步骤完成之后的结构剖面图。该制备方法包括：
步骤A，在衬底正面形成热氧层弧形凸起，其中，该热氧层弧形凸起的曲率半径与预设的复合振动层的弧形凸起形状的曲率半径一致；
本实施例中，衬底10可以为硅衬底、SOI衬底、SiO2/Si上的多晶硅。
本实用新型中，热氧层弧形凸起的曲率半径R满足：0.1cm≤R≤10cm。优选地，热氧层弧形凸起的曲率半径R满足1cm≤R≤3cm。
本实施例中，热氧层为氧化硅层，采用微加工工艺来制备热氧层凸起，该步骤A进一步包括：
子步骤A1，通过热氧化工艺在衬底正面形成氧化硅层，如图3A所示。
其中，氧化硅层的厚度介于0.1μm～20μm之间；优选地，氧化硅层的高度介于4μm～13μm之间。
子步骤A2，在衬底正面图形化氧化硅层，形成氧化硅层弧形凸起，如图3B所示。
其中，弧形凸起形状的曲率半径R满足0.1cm≤R≤10cm。优选地，氧化硅层弧形凸起的曲率半径满足：1cm≤R≤3cm。
本实施例中，采用干法刻蚀图形化氧化硅层。当然，本领域技术人员应当理解，也可以采用其他方法来图形化氧化硅层，例如湿法刻蚀。
本实施例中，采用先进行热氧化工艺形成氧化硅层，而后图形化的方法来制备热氧层弧形凸起。但本实用新型并不以此为限，在本实用新型其他实施例中，还可以采用3D打印等其他方法来制备热氧层弧形凸起，同样在本实用新型的保护范围之内。
步骤B，在包含热氧层弧形凸起的衬底上形成具有弧形凸起形状的复合振动层；
本实施例中，采用微加工工艺来制备复合振动层，该步骤B进一步包括：
子步骤B1a，在包含热氧层凸起的衬底上依次沉积振动支撑层、下电极层、压电层、上电极层，如图3C所示；
由于下方具有热氧层弧形凸起，因此在其上沉积的振动支撑层、下电极层、压电层、上电极层自然地形成了弧形凸起形状。
子步骤B1b，图形化上电极层、压电层、下电极层，其中，图形化后的上电极层、压电层、下电极层的水平面投影在衬底背腔水平面投影的内侧，且连续延伸，如图3D所示。
本领域技术人员应当理解，首先在衬底正面形成热氧层弧形凸起，而后在该热氧层弧形凸起上沉积得到具有弧形凸起形状的复合振动层。如此的制备方法，通过干法刻蚀工艺控制热氧层弧形凸起的幅度和精度，工艺简单方便，精度高，并且后续沉积的复合振动层跟随该热氧层弧形凸起而呈现弧形凸起形状，更加地平缓自然，应力释放更为有效。
步骤C，在衬底背面进行深硅刻蚀并释放热氧层，形成衬底背腔，令具有弧形凸起形状的复合振动层悬空，如图3E所示。
需要说明的是，本实用新型是各层薄膜沉积的时候，就图形化做成上凸或者下凹的预制形状，目的是深硅刻蚀之后通过这种预制形状的拉伸或压缩变形来释放结构中的残余应力来提升灵敏度。不同于通过控制残余应力正负来使原本平整的各层薄膜凸起或凹下的方案，通过本实用新型制备方法制备的MEMS结构内部材质更加均匀，结构强度更加稳定，得到的器件灵敏度也更好。
图4为本实施例MEME结构与现有技术MEMS结构的灵敏度对比。其中，左图为现有技术MEMS结构在残余应力影响下的灵敏度分布图。复合振动层的曲率半径无限大，即复合振动层呈完全平整的状态。右图为本实施例MEMS结构在残余应力影响下的灵敏度分布图。复合振动层的曲率半径为2cm。在两图中，压电层和电极层具有相同的残余应力，范围为-100MPa-100MPa，振动层残余应力范围为0-300MPa。请参照左图，复合振动膜曲率半径无限大的MEMS结构，只有在少数应力状态下灵敏度大于-80dB。请参照右图，而复合振动膜具有2cm曲率半径的MEMS结构在绝大多数应力状态下灵敏度都大于-80dB，非常明显地降低了残余应力对结构性能的影响。
本领域技术人员应当理解，以上实施例为单层压电层的MEMS结构，但本实用新型同样可以应用于双晶片MEMS结构。图5为本实用新型第二实施例MEMS结构的剖面图。如图5所示，本实施例MEMS结构包括：
衬底10，包括：外围的衬底外环体11；形成于衬底外环体内侧的衬底背腔12；
复合振动层22，包括；下电极层22a、下压电层22b、中电极层22c、上压电层22d、上电极层22e，依次形成于衬底上；
其中，下电极层、下压电层、中电极层、上压电层、上电极层，五者位于衬底背腔上方的部分呈朝向远离衬底方向的弧形凸起形状。
本实施例与图1、图2所示实施例的不同之处还在于，并没有振动支撑层，而是由下压电层22b、上压电层22d起到支撑作用。此时，下电极层22a、上电极层22e的水平面投影在衬底背腔水平面投影的内侧，且连续延伸。
对于上述结构上的不同，本实施例的制备方法与图3A～图3E类似，不同之处在于步骤B。在本实施例中，步骤B包括：
子步骤B2a，在包含热氧层凸起的衬底上沉积下电极层；
子步骤B2b，图形化下电极层，仅保留热氧层上的下电极层；
子步骤B2c，在包含下电极层、热氧层凸起的衬底上依次沉积下压电层、中电极层、上压电层、上电极层；
子步骤B2d，图形化上电极层；
步骤C在衬底背面进行深硅刻蚀并释放热氧层，形成衬底背腔。从而包含下电极层22a、下压电层22b、中电极层22c、上压电层22d、上电极层22e的复合振动层悬空，如图5所示。
需要说明的是，以上提供的MEMS结构可以应用于任何实际场景，用于释放复合振动层的残余应力以提供特性性能。该实际场景可以但不限用于麦克风、超声换能器、压力传感器或其他执行器，其中，以在MEMS压电麦克风中的应用最为典型。下文也将以MEMS压电麦克风为例进行介绍。
根据本实用新型的第三个方面，提供了一种包括MEMS结构的MEMS压电麦克风，该MEMS结构可以是MEMS结构第一实施例或MEMS结构第二实施例。
在MEMS压电麦克风第一实施例中，采用MEMS结构第一实施例。此时，复合振动层包括：依次形成于衬底上的振动支撑层、下电极层、压电层、上电极层。MEMS压电麦克风中，复合振动层感应声波产生振动；压电层将应变转换成电信号，通过上电极层和下电极层向外界输出。
在MEMS压电麦克风第二实施例中，采用MEMS结构第二实施例。此时，复合振动层包括：依次形成于衬底上的下电极层、下压电层、中电极层、上压电层、上电极层。MEMS压电麦克风中，复合振动层感应声波产生振动；下压电层和上压电层将应变转换成电信号，通过上电极层、中电极层和下电极层向外界输出。
至此，本实用新型的各个实施例介绍完毕。依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型有了清楚的认识。
本领域技术人员应当理解，本实用新型权利要求书和说明书中，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件。
需要说明的是，除非明确指明为相反之意，本实用新型的说明书及权利要求中的数值参数可以是近似值，能够根据通过本实用新型的内容改变。具体而言，所有记载于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化。
需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本实用新型的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。并且，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本实用新型实施例的内容。
对于某些实现方式，如果其并非本实用新型的关键内容，且为所属技术领域中普通技术人员所熟知，则基于篇幅所限，在说明书附图或正文中并未对其进行详细说明，此时可参照相关现有技术进行理解。并且，提供如上实施例的目的仅是使得本实用新型满足法律要求，而本实用新型可以用许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单的更改或替换。
类似的，应当理解，为了精简本实用新型，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图，或者对其的描述中。然而，并不应将该实用新型的方法解释成反映如下意图：所要求保护的本实用新型需要比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，各个实用新型方面在于少于前面单个实施例的所有特征。并且，实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。
以上各个具体实施例，对本实用新型的目的、技术手段和有益效果进行了详细说明，应理解的是，详细说明的目的在于本领域技术人员能够更清楚地理解本实用新型，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种MEMS结构，其特征在于，包括：
衬底，包括：外围的衬底外环体；形成于所述衬底外环体内侧的衬底背腔；
振动支撑层，形成于所述衬底外环体和衬底背腔上；
下电极层、压电层、上电极层，依次形成于所述振动支撑层上；
其中，所述振动支撑层、下电极层、压电层、上电极层，四者位于衬底背腔上方的部分呈朝向远离衬底方向的弧形凸起形状。
2.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述上电极层、压电层、下电极层的水平面投影在衬底背腔水平面投影的内侧，且连续延伸。
3.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述弧形凸起形状的曲率半径R满足0.1cm≤R≤10cm。
4.根据权利要求3所述的MEMS结构，其特征在于，所述弧形凸起形状的高度介于0.1μm～20μm之间。
5.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，
所述衬底背腔水平面投影的半径介于0.1mm-3mm；
所述压电层的厚度介于0.1μm-10μm之间，其材料选自于以下一种：氮化铝、掺钪氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅；
所述上电极层、下电极层的厚度介于20nm-200nm之间，其材料选自于以下一种：钼、金、铝、铬；
所述振动支撑层的厚度介于0.1μm-10μm之间，其材料选自于以下一种：氮化硅、单晶硅、氮化铝、掺钪氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅。
6.一种MEMS结构，其特征在于，包括：
衬底，包括：外围的衬底外环体；形成于所述衬底外环体内侧的衬底背腔；
下电极层、下压电层、中电极层、上压电层、上电极层，依次形成于所述衬底上；
其中，所述下电极层、下压电层、中电极层、上压电层、上电极层，五者位于衬底背腔上方的部分呈朝向远离衬底方向的弧形凸起形状。
7.根据权利要求6所述的MEMS结构，其特征在于，所述上电极层、下电极层的水平面投影在衬底背腔水平面投影的内侧，且连续延伸。
8.根据权利要求6所述的MEMS结构，其特征在于，所述弧形凸起形状的曲率半径R满足0.1cm≤R≤10cm。
9.根据权利要求8所述的MEMS结构，其特征在于，所述弧形凸起形状的曲率半径R满足1cm≤R≤3cm。
10.根据权利要求6所述的MEMS结构，其特征在于，所述弧形凸起形状的高度介于0.1μm～20μm之间。
11.根据权利要求10所述的MEMS结构，其特征在于，所述弧形凸起形状的高度介于4μm～13μm之间。
12.根据权利要求6所述的MEMS结构，其特征在于，
所述衬底背腔水平面投影的半径介于0.1mm-3mm；
所述上压电层、下压电层的厚度介于0.1μm-10μm之间，其材料选自于以下一种：氮化铝、掺钪氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅；
所述上电极层、中电极层、下电极层的厚度介于20nm-200nm之间，其材料选自于以下一种：钼、金、铝、铬。
13.一种MEMS压电麦克风，其特征在于，包括：如权利要求1至5中任一项所述的MEMS结构或权利要求6至12中任一项所述的MEMS结构。
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