專利名稱：用于微麥克風(fēng)和揚聲器的懸臂式振膜結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于微麥克風(fēng)和揚聲器的懸臂式振膜結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。
壓電材料具有力、電信號耦合特性，可用于力、電信號的相互轉(zhuǎn)換。其原理如圖1所示，在壓電薄膜的上下表面制作金屬電極，當(dāng)在z方向加電壓V后，根據(jù)壓電材料的力電耦合特性，壓電材料會在x方向產(chǎn)生應(yīng)變，由于壓電薄膜固定在襯底上，所以x方向上的應(yīng)變造成薄膜在z方向的擾曲，從而壓縮周圍空氣完成電聲信號的轉(zhuǎn)換。同理，在z方向加上力信號(如聲壓)后，薄膜也會在z方向擾曲，使x方向產(chǎn)生應(yīng)變，從而在壓電材料的上下表面產(chǎn)生電荷，完成從聲到電的轉(zhuǎn)化。利用這種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單的、高性能的、集麥克風(fēng)和揚聲器性能于一體的壓電型集成微麥克風(fēng)和揚聲器器件。
目前，傳統(tǒng)麥克風(fēng)普遍具有體積大、價格高的缺點，為了改善麥克風(fēng)的性能價格比并使麥克風(fēng)向小型化、高性能化的方向發(fā)展，人們較早就已利用MEMS技術(shù)在硅片上制作微型麥克風(fēng)。八十年代研究人員用ZnO壓電材料在硅片上制作出第一個壓電微麥克風(fēng)。此后，研究人員不斷地對微麥克風(fēng)的制作方法及性能進(jìn)行改進(jìn)。最近，美國Berkeley的研究人員提出了一種采用ZnO壓電材料的懸臂式振膜結(jié)構(gòu)，見圖2，基于這種結(jié)構(gòu)可以將微麥克風(fēng)和微揚聲器集成于同一芯片上，同時可以獲得較高的靈敏度和聲輸出。參閱文獻(xiàn)“壓電懸臂式微麥克風(fēng)和揚聲器”，《微電子機械系統(tǒng)》，(美國)，1996，5(4)238-242。
由于ZnO壓電材料的壓電系數(shù)d31較小，集成微麥克風(fēng)和揚聲器結(jié)構(gòu)的聲輸出和靈敏度等品質(zhì)還不夠理想。
本發(fā)明的目的是提出一種用于微麥克風(fēng)和揚聲器的懸臂式振膜結(jié)構(gòu)及其制備方法，這種結(jié)構(gòu)利用鋯鈦酸鉛(Pbx(ZryTi1-y)O3，以下簡稱PZT)鐵電體顯著高于ZnO的壓電系數(shù)，也就是其更優(yōu)異的力電耦合性能，使得具有更高靈敏度和聲輸出品質(zhì)的硅基集成微麥克風(fēng)和揚聲器的實現(xiàn)成為可能。
本發(fā)明提出的用于微麥克風(fēng)和揚聲器的懸臂式振膜結(jié)構(gòu)的制備方法，由以下各步驟組成(1)在單晶硅襯底上低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)一層氮化硅，LPCVD的條件為溫度830℃，壓強90Pa，反應(yīng)氣體為SiH4與NH3，其體積之比為8～5∶1，淀積時間隨氮化硅厚度而變化，氮化硅層厚度范圍為0.5～2μm。
(2)硅襯底背面腐蝕，形成背腔，腐蝕液為濃度50％的KOH溶液，反應(yīng)溫度50℃，腐蝕速率約為1μm/min。
(3)在氮化硅上淀積一層厚度為3000～5000的二氧化硅，反應(yīng)氣體為SiH4和O2，其體積之比為1∶2～3，淀積溫度500℃。
(4)射頻磁控濺射金屬Pt/Ti層，其中Pt層厚度范圍為500～1000 ，Ti層厚度范圍為50～100，濺射頻率13.56MHz，濺射溫度120℃，再光刻金屬Pt/Ti層形成底電極，其中光刻采用投影式曝光，金屬Pt/Ti層用感應(yīng)耦合等離子(ICP)方法刻蝕。
(5)用溶膠-凝膠(sol-gel)法在Pt/Ti層上制備PZT鐵電薄膜，PZT(Pbx(ZryTi1-y)O3)的組分中x＝0.9～1.1，y＝0.4～0.6，PZT鐵電薄膜的厚度為0.5-2μm，通過改變旋涂PZT溶膠的次數(shù)可以獲得相應(yīng)的厚度。每次旋涂之后得到的濕膜需經(jīng)過380℃和800℃的預(yù)熱處理去除有機溶劑，最后將PZT薄膜置于900℃的環(huán)境中退火處理30分鐘，得到PZT鐵電薄膜。
(6)在上述PZT鐵電薄膜上旋涂一層正膠，光刻后在其上射頻磁控濺射金屬Pt/Ti層，其中Pt層厚度范圍為500～1000，Ti層厚度范圍為50～100。濺射頻率13.56MHz，濺射溫度46℃，再在室溫下用丙酮浸泡10分鐘左右，有膠部分金屬Pt/Ti層發(fā)皺剝落，即可形成Pt/Ti頂電極。
(7)從正面的M點往下刻蝕各層薄膜，去除其中一側(cè)，保留的另一側(cè)形成懸臂振膜結(jié)構(gòu)，懸臂結(jié)構(gòu)的長寬為1000～2000μm。并去除PZT層的端部，使其與頂層電極的長度相等，并與底層電極成階梯狀。其中PZT薄膜采用反應(yīng)離子刻蝕，反應(yīng)氣體為SF6和CF4，其體積比為1∶1，氣體流量均為25毫升/分鐘，功率為300瓦。二氧化硅層用加入了氟化銨(NH4F)緩沖劑的HF溶液進(jìn)行濕法刻蝕，50℃條件下腐蝕速率約為2000/min。氮化硅層用濕法刻蝕，腐蝕劑為沸騰的H3PO4溶液，并采用回流蒸發(fā)器以防止操作時腐蝕液成分發(fā)生變化，氮化硅的腐蝕速率約為100/min。
本發(fā)明提出的用于微麥克風(fēng)和揚聲器的懸臂式振膜結(jié)構(gòu)，依次由硅襯底、氮化硅層、低溫淀積的二氧化硅層、底層Pt/Ti電極、PZT鐵電薄膜、頂層Pt/Ti電極相互排列而成。其中的氮化硅層、低溫淀積的二氧化硅層、底層Pt/Ti電極、PZT鐵電薄膜、頂層Pt/Ti電極排列而成的長度為1000～2000μm，從硅襯底上伸出，形成懸臂結(jié)構(gòu)。其中的底層Pt/Ti電極中，Pt層厚度為500～1000，Ti層厚度為50～100。其中的頂層Pt/Ti電極中，Pt層厚度范圍為500～1000，Ti層厚度范圍為50～100。
采用本發(fā)明制備的PZT鐵電懸臂式振膜結(jié)構(gòu)，集成微麥克風(fēng)和揚聲器，其靈敏度和聲輸出較之采用原有材料及結(jié)構(gòu)的微麥克風(fēng)和揚聲器有了明顯提高。


圖1為壓電懸臂振膜結(jié)構(gòu)的原理圖。
圖2為已有的基于ZnO壓電材料的懸臂式振膜結(jié)構(gòu)。
圖3為本發(fā)明的PZT懸臂式振膜結(jié)構(gòu)的制備過程示意圖。
圖4為本發(fā)明的PZT懸臂式振膜結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1-3中1為鋁電極，2為ZnO壓電薄膜，3為多晶硅電極，4為低溫淀積的二氧化硅層，5為氮化硅層，6為熱生長的二氧化硅層，7為硅襯底，8為頂層Pt/Ti電極，9為PZT鐵電薄膜，10為底層Pt/Ti電極，11是PZT鐵電薄膜的邊緣去除部分，12為底層電極的邊緣去除部分，13為刻蝕去除部分，14為去除側(cè)，15為背腔。
下面結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明的原理和實施例。
本發(fā)明依據(jù)的原理是鐵電材料同壓電材料一樣也具有壓電特性，而且鐵電材料的壓電常數(shù)遠(yuǎn)大于壓電材料。用鐵電材料PZT代替壓電材料ZnO，可以在外加相同電壓的情況下，獲得更大的擾曲位移，從而實現(xiàn)更高品質(zhì)的集成微麥克風(fēng)和揚聲器。
本發(fā)明提出的用于微麥克風(fēng)和揚聲器的懸臂式振膜結(jié)構(gòu)，依次由硅襯底7、氮化硅層5、低溫淀積的二氧化硅層4、底層Pt/Ti電極10、PZT鐵電薄膜9、頂層Pt/Ti電極8相互排列而成。其中的氮化硅層5、低溫淀積的二氧化硅層4、底層Pt/Ti電極10、PZT鐵電薄膜9、頂層Pt/Ti電極8排列而成的長度為1000～2000μm，從硅襯底7上伸出，形成懸臂結(jié)構(gòu)。
下面介紹是本發(fā)明的實施例。
實施例1制備各層分別為0.05/0.005/1/0.05/0.005/0.5/1μm厚的Pt/Ti/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si3N4的懸臂式振膜結(jié)構(gòu)，振膜長寬分別為1000μm。
(1)在單晶硅襯底上低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)一層1μm厚的氮化硅，LPCVD的條件為溫度830℃，壓強90Pa，反應(yīng)氣體SiH4與NH3體積之比為6∶1，淀積時間約為3小時；(2)50℃下用50％的KOH溶液從背面各向異性腐蝕硅襯底約5小時，制作背腔；(3)在正面化學(xué)氣相淀積5000的二氧化硅，反應(yīng)氣體為SiH4和O2，其體積之比為1∶2，淀積溫度500℃；(4)射頻磁控濺射500/50的金屬Pt/Ti層作底電極，負(fù)膠光刻，ICP刻蝕金屬Pt/Ti層形成底電極；(5)用sol-gel法八次旋涂制備1μm厚的PZT鐵電薄膜，鈦鋯酸鉛(Pby(Zrx，Ti1-x)O3)中的組分參數(shù)為x＝0.53，y＝1.06；(6)在PZT鐵電薄膜上旋涂一層正膠，光刻后在其上射頻磁控濺射厚度為500/50的金屬Pt/Ti層，濺射頻率13.56MHz，濺射溫度46℃，再在室溫下用丙酮浸泡10分鐘左右，有膠部分金屬Pt/Ti層發(fā)皺剝落，即可形成Pt/Ti頂電極；(7)從正面的M點往下刻蝕各層薄膜，去除其中一側(cè)，保留的另一側(cè)形成懸臂振膜結(jié)構(gòu)，懸臂結(jié)構(gòu)的長寬為1000μm，其中PZT薄膜采用反應(yīng)離子刻蝕，反應(yīng)氣體為SF6和CF4各50％，氣體流量均為25毫升/分鐘，功率為300瓦，刻蝕時間約需20分鐘，二氧化硅層用加入了氟化銨(NH4F)緩沖劑的HF溶液進(jìn)行濕法刻蝕，腐蝕溫度50℃，約需2.5分鐘。氮化硅層用濕法刻蝕，腐蝕劑為沸騰的H3PO4溶液，并采用回流蒸發(fā)器以防止操作時腐蝕液成分發(fā)生變化，刻蝕時間約為100分鐘。
經(jīng)模擬、測試得到此懸臂式微麥克風(fēng)的第一第二共振頻率以及在共振頻率處的輸出聲強級分別為2.33kHz，65 dB；14.6kHz，99dB。懸臂式微麥克風(fēng)的低頻靈敏度為0.8mV/μbar。相同尺寸的ZnO懸臂式微揚聲器的第一第二共振頻率以及在共振頻率處的輸出聲強級分別為2.75kHz，46 dB；17.2kHz，73dB。懸臂式微麥克風(fēng)的低頻靈敏度為0.7mV/μbar。
實施例2制備各層分別為0.08/0.008/1.5/0.08/0.008/0.4/1.8μm厚的Pt/Ti/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si3N4的懸臂式振膜結(jié)構(gòu)，振膜長寬分別為1500μm。
(1)在單晶硅襯底上低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)一層1.8μm厚的氮化硅，LPCVD的條件為溫度830℃，壓強90Pa，反應(yīng)氣體SiH4與NH3體積之比為5∶1，淀積時間約為5小時；(2)50℃下用50％的KOH溶液從背面各向異性腐蝕硅襯底約5小時，制作背腔；(3)在正面化學(xué)氣相淀積4000的二氧化硅，反應(yīng)氣體為SiH4和O2，其體積之比為1∶2.5，淀積溫度500℃；(4)射頻磁控濺射800/80的金屬Pt/Ti層作底電極，負(fù)膠光刻，ICP刻蝕金屬Pt/Ti層形成底電極；(5)用sol-gel法十次旋涂制備1.5μm厚的PZT鐵電薄膜，鈦鋯酸鉛(Pby(Zrx，Ti1-x)O3)中的組分參數(shù)為x＝0.45，y＝1；(6)在PZT鐵電薄膜上旋涂一層正膠，光刻后在其上射頻磁控濺射厚度為800/80的金屬Pt/Ti層，濺射頻率13.56MHz，濺射溫度46℃。再在室溫下用丙酮浸泡10分鐘左右，有膠部分金屬Pt/Ti層發(fā)皺剝落，即可形成Pt/Ti頂電極；(7)從正面的M點往下刻蝕各層薄膜，去除其中一側(cè)，保留的另一側(cè)形成懸臂振膜結(jié)構(gòu)，懸臂結(jié)構(gòu)的長寬為1500μm，其中PZT薄膜采用反應(yīng)離子刻蝕，反應(yīng)氣體為SF6和CF4各50％，氣體流量均為25毫升/分鐘，功率為300瓦，刻蝕時間約需30分鐘。二氧化硅層用加入了氟化銨(NH4F)緩沖劑的HF溶液進(jìn)行濕法刻蝕，腐蝕溫度50℃，約需2分鐘。氮化硅層用濕法刻蝕，腐蝕劑為沸騰的H3PO4溶液，并采用回流蒸發(fā)器以防止操作時腐蝕液成分發(fā)生變化，刻蝕時間約為180分鐘。
經(jīng)模擬、測試得到此懸臂式微麥克風(fēng)的第一第二共振頻率以及在共振頻率處的輸出聲強級分別為1.38kHz，64dB；8.6kHz，96dB。懸臂式微麥克風(fēng)的低頻靈敏度為1.3mV/μbar。相同尺寸的ZnO懸臂式微揚聲器的第一第二共振頻率以及在共振頻率處的輸出聲強級分別為1.62kHz，43 dB；10.17kHz，82dB。懸臂式微麥克風(fēng)的低頻靈敏度為1.1mV/μbar。
實施例3制備各層分別為0.1/0.01/0.5/0.1/0.01/0.3/0.5μm厚的Pt/Ti/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si3N4的懸臂式振膜結(jié)構(gòu)，振膜長寬分別為2000μm。
(1)在單晶硅襯底上低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)一層0.5μm厚的氮化硅，LPCVD的條件為溫度830℃，壓強90Pa，反應(yīng)氣體SiH4與NH3體積之比為8∶1，淀積時間約為1.5小時；(2)50℃下用50％的KOH溶液從背面各向異性腐蝕硅襯底約5小時，制作背腔；
(3)在正面化學(xué)氣相淀積3000的二氧化硅，反應(yīng)氣體為SiH4和O2，其體積之比為1∶3，淀積溫度500℃；(4)射頻磁控濺射1000/100的金屬Pt/Ti層作底電極，負(fù)膠光刻，ICP刻蝕金屬Pt/Ti層形成底電極；(5)用sol-gel法四次旋涂制備0.5μm厚的PZT鐵電薄膜，鈦鋯酸鉛(Pby(Zrx，Ti1-x)O3)中的組分參數(shù)為x＝0.58，y＝0.94；(6)在PZT鐵電薄膜上旋涂一層正膠，光刻后在其上射頻磁控濺射厚度為1000/100的金屬Pt/Ti層，濺射頻率13.56MHz，濺射溫度46℃。再在室溫下用丙酮浸泡10分鐘左右，有膠部分金屬Pt/Ti層發(fā)皺剝落，即可形成Pt/Ti頂電極；(7)從正面的M點往下刻蝕各層薄膜，去除其中一側(cè)，保留的另一側(cè)形成懸臂振膜結(jié)構(gòu)，懸臂結(jié)構(gòu)的長寬為2000μm，其中PZT薄膜采用反應(yīng)離子刻蝕，反應(yīng)氣體為SF6和CF4各50％，氣體流量均為25毫升/分鐘，功率為300瓦，刻蝕時間約需10分鐘。二氧化硅層用加入了氟化銨(NH4F)緩沖劑的HF溶液進(jìn)行濕法刻蝕，腐蝕溫度50℃，約需1.5分鐘。氮化硅層用濕法刻蝕，腐蝕劑為沸騰的H3PO4溶液，并采用回流蒸發(fā)器以防止操作時腐蝕液成分發(fā)生變化，刻蝕時間約為50分鐘。
經(jīng)模擬、測試得到此懸臂式微麥克風(fēng)的第一第二共振頻率以及在共振頻率處的輸出聲強級分別為1.0kHz，63dB；6.5kHz，102dB。懸臂式微麥克風(fēng)的低頻靈敏度為1.7mV/μbar。相同尺寸的ZnO懸臂式微揚聲器的第一第二共振頻率以及在共振頻率處的輸出聲強級分別為1.22kHz，42dB；7.65kHz，72dB。懸臂式微麥克風(fēng)的低頻靈敏度為1.5mV/μbar。
權(quán)利要求
1.一種用于微麥克風(fēng)和揚聲器的懸臂式振膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，該方法包括以下各步驟(1)在單晶硅襯底上低壓化學(xué)氣相淀積一層氮化硅，氣相淀積的條件為溫度830℃，壓強90Pa，反應(yīng)氣體為SiH4與NH3，其體積之比為8～5∶1，使氮化硅層厚度為0.5～2μm；(2)硅襯底背面腐蝕，形成背腔，腐蝕液為濃度50％的KOH溶液，反應(yīng)溫度50℃，腐蝕速率約為1μm/min；(3)在氮化硅上淀積一層厚度為3000～5000的二氧化硅，反應(yīng)氣體為SiH4和O2，兩種氣體的體積之比為1∶2～3，淀積溫度500℃；(4)射頻磁控濺射金屬Pt/Ti層，其中Pt層厚度為500～1000，Ti層厚度為50～100，濺射頻率13.56MHz，濺射溫度120℃，再光刻金屬Pt/Ti層，以形成底層電極，去除邊緣部分，使其與二氧化硅層成階梯狀；(5)用溶膠-凝膠法在Pt/Ti層上制備PZT鐵電薄膜，PZT(Pbx(ZryTi1-y)O3)的組分中x＝0.9～1.1，y＝0.4～0.6，每次旋涂之后得到的濕膜經(jīng)過380℃和800℃的預(yù)熱處理去除有機溶劑，最后將PZT薄膜置于900℃的環(huán)境中退火處理30分鐘，得到PZT鐵電薄膜的厚度為0.5-2μm；(6)在上述PZT鐵電薄膜上制備頂層電極首先旋涂一層正膠，根據(jù)頂層電極位置有選擇地進(jìn)行光刻，再在其上射頻磁控濺射金屬Pt/Ti層，濺射頻率13.56MHz，濺射溫度46℃，其中Pt層厚度范圍為500～1000，Ti層厚度范圍為50～100，再在室溫下用丙酮浸泡10分鐘，有膠部分金屬Pt/Ti層發(fā)皺剝落，即形成Pt/Ti頂層電極；(7)從正面的M點往下刻蝕各層薄膜，去除其中一側(cè)，保留的另一側(cè)形成懸臂振膜結(jié)構(gòu)，使懸臂結(jié)構(gòu)的長度為1000～2000μm，并去除PZT層的端部，使其與頂層電極的長度相等，并與底層電極成階梯狀，即為本發(fā)明的用于微麥克風(fēng)和揚聲器的懸臂式振膜結(jié)構(gòu)。
2.一種用于微麥克風(fēng)和揚聲器的懸臂式振膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)依次由硅襯底、氮化硅層、低溫淀積的二氧化硅層、底層Pt/Ti電極、PZT鐵電薄膜、頂層Pt/Ti電極相互排列而成，所述的氮化硅層、低溫淀積的二氧化硅層、底層Pt/Ti電極、PZT鐵電薄膜、頂層Pt/Ti電極排列而成的薄膜，從硅襯底上伸出，形成長度為1000～2000μm的懸臂結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中所述的底層Pt/Ti電極中，Pt層厚度為500～1000，Ti層厚度為50～100。
4.如權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中所述的頂層Pt/Ti電極中，Pt層厚度范圍為500～1000，Ti層厚度范圍為50～100。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于微麥克風(fēng)和揚聲器的懸臂式振膜結(jié)構(gòu)及其制備方法,首先在單晶硅襯底淀積一層氮化硅,硅襯底背面腐蝕,形成背腔,在氮化硅上淀積一層二氧化硅,射頻磁控濺射金屬Pt/Ti層,再光刻金屬Pt/Ti層,以形成底層電極;用溶膠－凝膠法在Pt/Ti層上制備PZT鐵電薄膜,在PZT鐵電薄膜上制備頂層電極,去除其中一側(cè),即為本發(fā)明的懸臂式振膜結(jié)構(gòu)。采用本發(fā)明制備的懸臂式振膜結(jié)構(gòu),集成微麥克風(fēng)和揚聲器,其靈敏度和聲輸出有了明顯提高。
文檔編號H04R7/00GK1265000SQ0010555
公開日2000年8月30日 申請日期2000年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月31日
發(fā)明者任天令, 張林濤, 李志堅, 劉理天 申請人:清華大學(xué)