面向定位与测距应用的微超声器件制作工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种面向定位与测距应用的微超声器件的制作工艺。该微超声器件工艺结合了ＭＥＭＳ（微电子机械系统）加工技术，工艺步骤简单，能很好的提高产品的可靠性，极大地促进了产品的微型化和集成化，并有利于大批量的生产，从而降低了成本，获得高成品率。由于这种基于硅微加工技术的压电微超声器件具备“超声波信号－电信号”互换效应，所以其既可作为超声接收器件又可作为超声发射器件，若将其应用于定位和测距系统中，具有很高的可靠性和抗干扰性，不易受温度、湿度等影响，市场前景巨大。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体器件制作工艺领域，特别涉及一种面向定位与测距应用的微超声器件的制作工艺。
技术介绍
微电子机械系统(MEMS——Micro Electro Mechanical System)是在微电子技术基础上发展起来的集微型机械、微传感器、微执行器、信号处理、智能控制于一体的多学科交叉的新兴学科，它将常规集成电路工艺和微机械加工独有的特殊工艺相结合，范围涉及微电子学、机械学、力学、自动控制学、材料科学等多种工程技术和学科。MEMS研究的主要内容包括微型传感器、微型执行器和各类微系统，现在已成为世界各国投入大量资金研究的热点。超声波作为一种信息载体，已在海洋探查与开发、无损评价与检测、医学诊断以及微电子学等领域发挥着不可取代的作用。将超声传感技术运用到测距系统当中去，根据超声波的渡越时间，可精确测量出所求距离；如果有多个超声传感器组成超声定位系统，通过测量物体到每一个超声接收器之间的准确距离，从而便可以获得物体在某个参照坐标系内非常精确的坐标位置。使用MEMS工艺制作的微换能器不仅体积小、成本低、机械特性好，并且能够与CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)电路集成，形成复杂的微系统，硅基微声学器件就是近年来微换能器领域研究的一个热点。压电材料具备良好的力电耦合性能，能够实现力信号和电信号的相互转换。由于其优越的力电耦合性能，锆钛酸铅(PZT)、氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)等压电薄膜已经广泛应用于微传感器、微执行器以及其它的微换能器领域。利用压电材料，借助MEMS加工工艺，采用与标准CMOS工艺相兼容的制作流程，可以实现结构简单、性能优越、集发射与接收功能于一体的微超声器件。与传统的超声换能器件相比，MEMS微超声器件具有体积小、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。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种面向定位与测距应用的微超声器件的制作工艺。所述的微超声器件是一种夹固振膜结构的微声学器件，它利用四周夹固的压电薄膜实现电声信号之间的转换，其可动薄膜部分由含有铁电薄膜的多层薄膜材料所构成，由于正压电效应和逆压电效应，所述的微超声器件既可作为超声接收器件又可作为超声发射器件。该微超声器件的结构自下而上依次为硅衬底1、热氧化的二氧化硅2、钛层-下电极铂层3、PZT(锆钛酸铅)铁电薄膜层4、上电极铂层5、等离子增强化学气相淀积的二氧化硅层6、下铝电极7和上铝电极8。该微超声器件的背面还有背腔9。所述的硅基的微超声器件各层结构的膜厚范围如下硅衬底1厚度范围为300～800微米，热氧化的二氧化硅层2的厚度范围是200～1000纳米，磁控溅射的金属钛粘附层厚度范围为20～30纳米及下电极铂层3厚度范围为200～250纳米，磁控溅射或溶胶-凝胶的PZT(锆钛酸铅)铁电薄膜层4厚度范围为200～1000纳米，磁控溅射的上电极铂层5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7的厚度范围是200～400纳米，磁控溅射的下铝电极7和上铝电极8厚度范围为400～1500纳米。基于上述结构的微超声器件既可作为超声接收器件使用，又可作为超声发射器件使用。将该微超声器件运用到测距系统当中去，根据超声波的渡越时间，可精确测量出所求距离；如果有多个超声传感器组成超声定位系统，通过测量物体到每一个超声接收器之间的准确距离，从而便可以获得物体在某个参照坐标系内非常精确的坐标位置。本专利技术提出一种面向定位与测距应用的微超声器件的制作工艺，该工艺按如下步骤进行(a)以双面抛光的硅片作为硅衬底，在1050℃下，在硅衬底两面热氧化生成150～250纳米的二氧化硅层；采用低压化学气相淀积方法，在740～780℃下，在硅衬底两面形成厚度为150～250纳米的氮化硅层；(b)背面光刻形成背腔窗口；采用反应离子刻蚀(功率为100W)的方法去除光刻胶，形成体硅腐蚀所需的背腔窗口；(c)在浓度为33wt％、温度为80℃的氢氧化钾溶液里进行体硅腐蚀，形成背腔，反应后保留30～80微米的硅层；(d)用浓度为40wt％的氢氟酸，水浴加热至80～95℃，腐蚀去除硅衬底上的二氧化硅和氮化硅，形成硅杯结构；(e)在1050℃下，在硅杯两面同时热氧化生长200～1000纳米的二氧化硅层；(f)在硅片正面磁控溅射下电极先用1200～1600W的直流功率溅射钛20～30纳米(利于铂与二氧化硅基底的粘附)，再用400～450W的交流功率溅射铂200～250纳米；(g)用磁控溅射或“溶胶-凝胶”法制备PZT(锆钛酸铅)铁电薄膜200～1000纳米；(h)用400～450W的交流功率溅射上电极铂150～200纳米，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；(i)采用等离子增强化学气相淀积法，温度为300℃，功率为250W，在正面形成200～400纳米二氧化硅层；(j)光刻形成接触孔窗口；分别用缓冲氢氟酸和盐酸混合剂湿法腐蚀或者采用反应离子刻蚀干法刻蚀二氧化硅和铁电薄膜层，形成上下电极接触孔；(k)在3.75KW的直流功率下，磁控溅射制备铝400～1500纳米，采用正胶剥离或者磷酸湿法刻蚀形成上下铝电极；(l)用缓冲氢氟酸漂掉背面的热氧层；(m)采用感应耦合离子刻蚀的方法，在300～500W的功率下，减薄背腔内硅层至热氧二氧化硅层自停止。本专利技术的有益效果提出一种面向定位与测距应用的微超声器件的制作工艺，结合了MEMS(微电子机械系统)加工技术，该微超声器件工艺步骤简单，能很好的提高产品的可靠性，极大地促进了产品的微型化和集成化，并有利于大批量的生产，从而降低了成本，获得高成品率。将这种基于硅微加工技术的微超声器件产生“超声波信号-电信号”互换效应应用于定位和测距系统中，具有很高的可靠性和抗干扰性，不易受温度、湿度等影响。附图说明图1为本专利技术中的面向定位与测距应用的微超声器件的结构剖面图。图2为图1的俯视图。图3(a)～(m)为本专利技术的制作工艺流程图。(a)为备片、清洗、热氧、淀积氮化硅后的剖面图。(b)为刻蚀出背腔窗口后的剖面图。(c)为背腔体硅腐蚀后的剖面图。(d)为去除二氧化硅和氮化硅，形成硅杯结构后的剖面图。(e)为硅杯热氧化后的剖面图。(f)为制备下电极后的剖面图。(j)为制备锆钛酸铅铁电薄膜后的剖面图。(h)为形成上电极后的剖面图。(i)为等离子增强化学气相淀积二氧化硅后的剖面图。(z)为形成接触孔后的剖面图。(k)为形成上下铝电极后的剖面图。(l)为去除背面热氧层后的剖面图。(m)为减薄硅层后的剖面图。具体实施例方式下面结合附图进一步说明本专利技术中的面向定位与测距应用的微超声器件的制作工艺。图1、图2所示为本专利技术中的微超声器件的结构剖面图。图中的四周夹固式的铁电薄膜微超声器件工作所依据的原理是由压电效应，铁电薄膜由于接收超声波而发生振动，此振动转化为电信号输出，从而实现了接收功能；反之，由逆压电效应，铁电薄膜由输入电信号的变化而发生振动，发射出超声波，从而实现了发射功能。本专利技术所涉及的微超声器件，既可作为超声接收器件又可作为超声发射器件。该微超声器件的结构自下而上依次为硅衬底1、热氧化的二氧化硅2、钛层-下电极铂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向定位与测距应用的微超声器件的制作工艺，该工艺按如下步骤进行：（ａ）以双面抛光的硅片作为硅衬底，在１０５０℃下，在硅衬底两面热氧化生成１５０～２５０纳米的二氧化硅层；采用低压化学气相淀积方法，在７４０～７８０℃下，在硅衬底两面 形成厚度为１５０～２５０纳米的氮化硅层；（ｂ）背面光刻形成背腔窗口；采用反应离子刻蚀的方法去除光刻胶，形成体硅腐蚀所需的背腔窗口；（ｃ）在浓度为３３ｗｔ％、温度为８０℃的氢氧化钾溶液里进行体硅腐蚀，形成背腔，反应后保留３０～ ８０微米的硅层；（ｄ）用浓度为４０ｗｔ％的氢氟酸，水浴加热至８０～９５℃，腐蚀去除硅衬底上的二氧化硅和氮化硅，形成硅杯结构；（ｅ）在１０５０℃下，在硅杯两面同时热氧化生长２００～１０００纳米的二氧化硅层；（ｆ）在硅片 正面磁控溅射钛层－下电极铂层：先用１２００～１６００Ｗ的直流功率溅射钛２０～３０纳米，再用４００～４５０Ｗ的交流功率溅射铂２００～２５０纳米；（ｇ）用磁控溅射或“溶胶－凝胶”法制备锆钛酸铅ＰＺＴ铁电薄膜２００～１０００纳米； （ｈ）用４００～４５０Ｗ的交流功率溅射铂层１５０～２００纳米，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铂层；（ｉ）采用等离子增强化学气相淀积法，温度为３００℃，功率为２５０Ｗ，在正面形成２００～４００纳米二氧化硅层 ；（ｊ）先光刻形成接触孔窗口；然后分别用缓冲氢氟酸和浓盐酸的等量混合液湿法腐蚀或者采用反应离子刻蚀干法刻蚀二氧化硅和铁电薄膜层，形成上下电极接触孔；（ｋ）在３．７５ＫＷ的直流功率下，磁控溅射制备铝４００～１５００纳米，采用正 胶剥离或者磷酸湿法刻蚀形成上下铝电极；（ｌ）用缓冲氢氟酸漂掉背面的热氧硅层；（ｍ）采用感应耦合离子刻蚀的方法，在３００～５００Ｗ的功率下，减薄背腔内硅层至硅衬底上热氧化二氧化硅层时停止。...

【技术特征摘要】
1.一种面向定位与测距应用的微超声器件的制作工艺，该工艺按如下步骤进行(a)以双面抛光的硅片作为硅衬底，在1050℃下，在硅衬底两面热氧化生成150～250纳米的二氧化硅层；采用低压化学气相淀积方法，在740～780℃下，在硅衬底两面形成厚度为150～250纳米的氮化硅层；(b)背面光刻形成背腔窗口；采用反应离子刻蚀的方法去除光刻胶，形成体硅腐蚀所需的背腔窗口；(c)在浓度为33wt％、温度为80℃的氢氧化钾溶液里进行体硅腐蚀，形成背腔，反应后保留30～80微米的硅层；(d)用浓度为40wt％的氢氟酸，水浴加热至80～95℃，腐蚀去除硅衬底上的二氧化硅和氮化硅，形成硅杯结构；(e)在1050℃下，在硅杯两面同时热氧化生长200～1000纳米的二氧化硅层；(f)在硅片正面磁控溅射钛层-下电极铂层先用1200～1600W的直流功率溅射钛20～30纳米，再用400...

【专利技术属性】
技术研发人员：任天令，朱一平，杨轶，刘理天，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]