基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器制造技术

本发明专利技术属于微电子器件领域，提出了一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，包括硅衬底，硅衬底上表面淀积绝缘层，绝缘层上表面沉积布拉格反射层，布拉格反射层上表面淀积有底电极，AlN压电薄膜设置在底电极和布拉格反射层上方，AlN压电薄膜上表面设置有与底电极形状相同、位置对应的顶电极，压电薄膜上表面还设置有淀积4个微压力敏感层，微压力敏感层对称设置在压电薄膜的边缘处，且与顶电极错位设置，微压力敏感层上键合微压力施加层。本发明专利技术具有高Q值和高工作频率的优点，同时还具有高分辨率、高灵敏度、低能耗、高牢固性、低成本的特点，可以广泛应用于微压力传感器领域。

【技术实现步骤摘要】
基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器
本专利技术涉及一种FBAR微压力传感器，具体涉及一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，属于微电子器件领域。
技术介绍
随着集成电路制作工艺的发展，薄膜体声波谐振器(FBAR)发展迅速。因为其品质因数高、谐振频率高、插入损耗低、检测精度高、与CMOS工艺兼容，相对体积小等优点。很好的满足了手持移动及穿戴设备的需求，因而其在移动通信领域中获得了广泛的商业应用。在此基础上，其应用于传感器领域的优越性正引起人们广泛的研究兴趣。压力是最基本的物理量之一，无论是在日常生活中，还是在工业领域内，微压力传感器都被广泛使用。力学传感器种类繁多，如压阻式微压力传感器，电容式微压力传感器，电感式微压力传感器及谐振式微压力传感器。FBAR微压力传感器属于谐振式微压力传感器，其工作在GHz频段，因而具有高灵敏度以及高分辨率。未来在民用和军用电子设备中有广泛的应用前景。根据FBAR中体声波传播模式的不同，可以将FBAR器件分为纵波模式(longitudinalmode)和剪切波模式(shearmode)。通常剪切波声速大约是纵波声速的一半，这使得时变信号在给定瞬时能够在更小尺寸的晶体基片上完全呈现。故在相同的谐振频率下，剪切波模式的FBAR的尺寸要比纵波模式的FBAR的尺寸小很多；且由于纵波在液相环境中传输时衰减较大，剪切波模式的FBAR在液相环境中的Q值要比纵波模式的FBAR高，因此剪切波模式的FBAR体积更小、更适用于液相环境或粘性介质中的传感应用。根据声波激励方式的不同，可以将剪切波模式FBAR器件分为厚度方向激励模式（TE，ThicknessExcited）和侧向场激励模式（LFE，LateralFieldExcited）。厚度方向剪切波模式FBAR的两个电极位于压电薄膜的两侧，电场方向为厚度方向，压电薄膜c轴取向与电场方向呈一定的夹角。相比于侧向场方向激励模式FBAR，厚度方向激励模式FBAR是电极-压电层-电极三明治结构，激发出来的体声波在电极与空气的交界面得到很好的反射，从而使体声波限制在FBAR的压电层中，即厚度方向激励剪切波模式的FBAR的能量损耗较小，未来在传感器领域内有着很广泛的应用前景。中国工程物理研究院电子工程研究所公布了一种膜片上FBAR结构的微压力传感器，公布号为CN104614099A，该专利技术的特征在于采用了膜片上FBAR结构，结构集成了力敏结构、检测元件和复合薄膜。FBAR作为一种电声谐振器，将感受到的应变转换为FBAR谐振频率f0的偏移来检测压力。该方案的缺点是：一、该微压力传感器采用的是背部刻蚀型的结构，该结构因采用MEMS的体硅工艺从硅片反面刻蚀去除大部分硅材料，势必影响器件的机械牢固度，虽然设置了低应力的支撑层，但大幅度降低了成品率；二、该微压力传感器采用的是纵波模式，纵波在液相环境或粘性介质中衰减较大，采用纵波模式局限了FBAR微压力传感器的应用领域和场合。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述现有技术的不足，提出了一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器。这种FBAR微压力传感器具有高Q值和高工作频率，同时还具有高分辨率、高灵敏度、低能耗、高牢固性、低成本的特点，并能够在封闭环境、液相环境或粘性介质中的环境中工作。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，包括硅衬底、绝缘层、布拉格反射层、底电极、AlN压电薄膜、顶电极、微压力敏感层及微压力施加层；所述绝缘层为淀积在硅衬底上表面的SiO2绝缘层，所述绝缘层上表面沉积布拉格反射层，所述布拉格反射层上表面淀积底电极，所述AlN压电薄膜设置在所述底电极和所述布拉格反射层的上表面，所述AlN压电薄膜上表面设置有与所述底电极形状相同，位置对应的顶电极，所述压电薄膜上表面还设置有淀积4个所述微压力敏感层，所述微压力敏感层对称设置在所述压电薄膜的边缘处，且与所述顶电极错位设置，所述微压力敏感层上键合所述微压力施加层，所述微压力敏感层用于作为微压力检测时的均匀受力结构，所述微压力施加层用于接收待测压力。本专利技术的微压力传感器采用固态装配型结构，不需要在结构上刻蚀空腔或者空气隙，可以很好地增强传感器的机械牢固度，并且单个传感器的尺寸更小，成本也更低。进一步，所述AlN压电薄膜的c轴倾斜角度为46.5°，在这一角度下，FBAR微压力传感器工作在厚度方向激励的剪切波模式下。进一步，所述布拉格反射层采用ta-C作为布拉格反射层的高声阻抗材料，采用AlN作为布拉格反射层的低声阻抗材料。ta-C为四面体非晶碳材料，该材料具有弹性模量大，体声波传播速度快等优点，作为高声阻抗材料是很好地选择。AlN为氮化铝材料，选择AlN作为低声阻抗材料可以同压电薄膜材料相同，简化了相应的工艺步骤，相比于采用其他材料，与压电薄膜之间的热膨胀系数差别小，是理想的低声阻抗材料选择。进一步，所述微压力敏感层和所述微压力施加层采用硅材料，所述上电极和下电极采用Mo材料。所述微压力施加层作为微压力检测时的均匀受力结构。可以避免微压力直接作用在器件表面所造成的结构受损。Mo作为电极材料的FBAR器件可以获得比其他电极材料更高的谐振频率和Q值。进一步，所述底电极和所述顶电极均包括2个电极，分别对称分布于所述AlN压电薄膜的上下表面，其中一个底电极和对应的顶电极形成激励电极，另一个底电极和对应的顶电极形成检测电极。进一步地，所述的一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器的制备工艺为：a.对硅衬底进行RCA清洗，去除硅衬底1上的污染颗粒；b.在硅衬底上使用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)淀积一层SiO2绝缘层；c.使用磁控溅射工艺在绝缘层沉积布拉格反射层；d.在已经形成好的结构上淀积底电极，并使用光刻工艺图形化底电极；e.使用磁控溅射生长一层AlN压电薄膜层；f.在AlN压电薄膜层上淀积顶电极，并使用光刻工艺图形化顶电极层；g.在AlN压电薄膜层上淀积微压力敏感层，并使用光刻工艺图形化微压力敏感层；h.在微压力敏感层上键合一层硅作为微压力施加层。采用固态装配型结构的优点是不需要在结构上刻蚀空腔或者空气隙，可以很好地增强传感器的机械牢固度，并且单个传感器的尺寸更小，成本也更低。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：本专利技术提出的一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，采用厚度方向激励的模式，不需要背部刻蚀空腔，机械牢固度高，成品率高；不需要形成空气隙，单个器件尺寸较小，不需要昂贵的MEMS工艺形成背部的空腔或者空气隙，成本较低。具有分辨率高、灵敏度高、功耗低等特点。能够在封闭环境、液体环境或粘性介质环境中工作。可以满足微压力传感器微型化、集成化的技术需求。附图说明图1为本专利技术的俯视图；图2为图1A-A方向的结构示意图；图3为本专利技术主要制作工艺步骤示意图；图4为本专利技术的压强-特征频率关系图；图5为本专利技术在不同压力条件下的频响曲线图。具体实施例为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，其特征在于，包括硅衬底（1）、绝缘层（2）、布拉格反射层（3）、底电极（4）、AlN压电薄膜（5）、顶电极（6）、微压力敏感层（7）及微压力施加层（8）；所述绝缘层（2）为淀积在硅衬底（1）上表面的SiO2绝缘层，所述绝缘层（2）上表面沉积布拉格反射层（3），所述布拉格反射层（3）上表面淀积底电极（4），所述AlN压电薄膜（5）设置在所述底电极（4）和所述布拉格反射层（3）的上表面，所述AlN压电薄膜（5）上表面设置有与所述底电极（4）形状相同，且位置对应的顶电极（6），所述压电薄膜（5）上表面还设置有淀积4个所述微压力敏感层（7），所述微压力敏感层（7）对称设置在所述压电薄膜（5）的边缘处，且与所述顶电极（6）错位设置，所述微压力敏感层（7）上键合所述微压力施加层（8），所述微压力敏感层（7）用于作为微压力检测时的均匀受力结构，所述微压力施加层（8）用于接收待测压力。

【技术特征摘要】
1.一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，其特征在于，包括硅衬底（1）、绝缘层（2）、布拉格反射层（3）、底电极（4）、AlN压电薄膜（5）、顶电极（6）、微压力敏感层（7）及微压力施加层（8）；所述绝缘层（2）为淀积在硅衬底（1）上表面的SiO2绝缘层，所述绝缘层（2）上表面沉积布拉格反射层（3），所述布拉格反射层（3）上表面淀积底电极（4），所述AlN压电薄膜（5）设置在所述底电极（4）和所述布拉格反射层（3）的上表面，所述AlN压电薄膜（5）上表面设置有与所述底电极（4）形状相同，且位置对应的顶电极（6），所述压电薄膜（5）上表面还设置有淀积4个所述微压力敏感层（7），所述微压力敏感层（7）对称设置在所述压电薄膜（5）的边缘处，且与所述顶电极（6）错位设置，所述微压力敏感层（7）上键合所述微压力施加层（8），所述微压力敏感层（7）用于作为微压力检测时的均匀受力结构，所述微压力施加层（8）用于接收待测压力。2.根据权利要求1所述的一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，其特征在于，所述AlN压电薄膜(5)的c轴方向与垂直方向的夹角为46.5°。3.根据权利要求1所述的一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，其特征在于，所述布拉格反射层(3)采用ta-C作为布拉格反射层的高声阻抗材料，采用AlN作为布...

【专利技术属性】
技术研发人员：马晓鑫，苏淑靖，耿子惠，熊继军，谭秋林，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西,14