一种硅微压电式传感器芯片及其制备方法技术

本发明专利技术涉及的硅微压电传感器芯片，包括：ｎ型硅基片中心有上小下大的方锥形孔，基片正、反面分别淀积氮化硅基膜层和掩膜层，基膜层中心设制圆孔，直径大于等于或小于硅基片正面方孔的对角线，掩膜层中心有与硅基片反面方孔相同尺寸的方孔；基膜层上表面有氮化硅振动膜，振动膜上表面有下电极；下电极上表面有压电膜；和光刻腐蚀在压电膜上表面的低温氧化硅膜保护层；以及保护层上表面的上电极；压电膜、护层层和上电极的形状均为圆形；氮化硅氮化硅或多晶硅振动膜与压电膜形成圆形压电膜／氮化硅或多晶硅复合弯曲振动膜。优点在于：该圆形压电膜／氮化硅或多晶硅复合弯曲振动膜可减小振动膜应力的不均匀性，避免应力过大引起的振动膜破裂，提高成品率，并明显提高传感器灵敏度。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及硅微压电传感器领域，特别涉及一种硅微压电传感器芯片及其制备方法。
技术介绍
硅微压电传感器由硅芯片部分和外围电路部分组成，其中硅芯片部分由硅基片及其上的穿孔背板、支撑隔离墙、压电层/Si3N4或多晶硅复合弯曲振动膜、金属电极组成。现今一般硅微压电传感器的振动膜均为方形的，如“Silicon SubminiatureMicrophones with Organic Piezoelectric Layers”，Ralf Schellin等，以及“PiezoelectricCantilever Microphone and Microspeaker”，Seung S.Lee等文中所述的，由于已知的工艺中，在释放牺牲层时存在着腐蚀的各向异性，所以，只能产生方形孔的背板，比如低温的二氧化硅，从硅片背面的体刻蚀只能产生方形孔的背板，即复合压电振动膜支撑墙都是方形的。这样，在振动膜和硅基底呈方形的情况下，振动膜的应力较大，尤其是在尖角处的应力更大，产生应力集中，进而导致传感器的灵敏度下降乃至时效破裂。这样形成的方形膜自然降低了微传感器的灵敏度和成品率。为此就需要寻求克服这种缺陷的办法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于现有传感器制备工艺中由于振动膜在尖角处的应力集中，造成了传感器灵敏度较低以及振动膜破裂所引起的成品率降低，为了克服现有中的传感器芯片及制备工艺的存在的以上缺点，提出一种具有圆形压电层/Si3N4或多晶硅复合弯曲振动膜的硅微压电式传感器芯片及其制备方法。本专利技术的目的是这样实现的本专利技术提供的硅微压电传感器芯片，包括一n型硅基片1；该n型硅基片1正面和反面分别淀积一层氮化硅基膜层2和一层氮化硅掩膜层9，所述硅基片1中心有体刻蚀时形成的上小下大的方锥形孔，所述氮化硅基膜层2中心设有孔21，所述氮化硅掩膜层9中心有与n型硅基片1反面方孔相同尺寸的方孔91；所述氮化硅基膜层2上表面上有氮化硅或多晶硅振动膜4，以及依次制备在所述氮化硅振动膜4上表面上的下电极5；制备在下电极5上表面上的压电膜6；光刻腐蚀在压电膜6上表面上的低温氧化硅膜保护层7；和制备在所述低温氧化硅膜保护层7上表面上的上电极8；所述压电膜6、振动膜4、低温氧化硅膜保护层7和上电极8的形状均为圆形；所述的孔21为圆孔，具有圆形孔(21)的基膜厚度为0.2～2μm，其直径大于等于或小于n型硅基片1正面方孔的对角线；所述振动膜4与压电膜6形成圆形压电膜/氮化硅膜或多晶硅膜复合弯曲振动膜。所述的压电膜为氧化锌压电膜、锆钛酸铅压电膜、钙钛矿型压电膜、铁电材料压电膜或有机压电膜。所述的压电膜层6的厚度为0.2～2μm。所述的振动膜为氮化硅振动膜或多晶硅振动膜，厚度为0.2～3μm。本专利技术提供的硅微压电传感器芯片的制备方法，包括以下步骤1)清洗n型硅基片1先分别用酸性清洗液和碱性清洗液清洗n型硅基片1，之后再用去离子水冲洗干净；2)在n型硅基片1的正、反表面上，利用低压化学气相沉积设备分别淀积厚度为0.2～2μm的氮化硅基膜层2和厚度为0.2～2μm的氮化硅掩膜层9；3)制备易腐蚀牺牲层3在所述氮化硅基膜层2表面上涂正性光刻胶，光刻曝光，形成圆形牺牲层倒膜光刻图形；再利用高密度等离子刻蚀机光刻所述氮化硅膜2，所使用的腐蚀气体为六氟化硫，形成圆形牺牲层倒模；去除残余光刻胶；在氮化硅膜2及牺牲层倒模内制备厚度为0.2～2μm易腐蚀牺牲层；再在其上涂正性光刻胶，光刻曝光，形成牺牲层光刻图形；并用腐蚀液腐蚀，形成所需要的牺牲层图形3；去除残余光刻胶，完成易腐蚀牺牲层制备；4)使用低压化学气相沉积设备在易腐蚀牺牲层3及所述氮化硅膜2的表面上淀积厚度为0.2～3μm氮化硅或多晶硅振动膜4；5)制备下电极5 在氮化硅振动膜4上，利用真空蒸镀设备或磁控溅射设备制备0.01～0.1μm厚度的Cr或Ti层和0.05～0.5μm厚度的Au或Pt层，以形成下电极复合层；并利用正反刻技术形成下电极5；完成下电极5的制备；6)制备压电膜6在下电极5的表面上制备厚度为0.2～2μm压电膜；在压电膜的表面上涂正性光刻胶，光刻曝光，形成压电膜光刻图形；用腐蚀液腐蚀压电膜，形成所需图形的压电膜6，去除残余光刻胶，完成压电膜6制备；7)制备上电极8在压电膜6的表面上，利用等离子辅助化学气相沉淀装置淀积厚度为0.01～0.5μm压电膜保护层；在膜保护层表面上涂正性光刻胶，光刻曝光，形成保护层光刻图形；利用高宽度等离子刻蚀机进行光刻腐蚀，腐蚀气体为六氟化硫，形成保护层图形；去除残余光刻胶，完成压电膜6的低温氧化硅膜保护层7的制备；在低温氧化硅膜保护层7表面上涂光刻胶，光刻曝光，形成上电极反图形；再依次真空蒸镀或磁控溅射0.01～0.1μm厚度的Cr或Ti层和0.05～0.5μm厚度的Au或Pt层，以形成金属复合膜层；用丙酮去光刻胶，完成上电极8的制备；8)在硅基片1的反面的氮化硅掩膜层9的表面上涂正性光刻胶，利用双面曝光机进行双面曝光，在氮化硅掩膜层9上形成体刻蚀掩膜光刻图形，并利用高宽度等离子刻蚀机进行刻蚀在背面形成体刻蚀掩膜；去除残余光刻胶，完成体刻蚀掩膜制备；用体刻蚀夹具将硅基片1密封固定，放入35％KOH溶液进行体刻蚀，刻透硅基片，形成矩形背窗孔；并利用腐蚀液继续腐蚀牺牲层3，完成释放牺牲层，便制备出本专利技术的具有圆形压电膜/氮化硅或多晶硅复合弯曲振动膜的硅微压电式传感器芯片。所述的压电膜6为氧化锌压电膜、锆钛酸铅压电膜、钙钛矿型压电膜、铁电材料压电膜或有机压电膜。所述的压电膜层6的厚度为0.2～2μm。所述的易腐蚀牺牲层3为氧化锌牺牲层、磷硅玻璃牺牲层、多孔硅牺牲层、或氧化多孔硅牺牲层。本专利技术在n型硅基片的两面淀积氮化硅薄膜，通过对正面氮化硅的光刻、腐蚀形成牺牲层倒膜光刻图形，淀积牺牲层并在其上淀积氮化硅或多晶硅振动膜，然后在振动膜之上先后淀积金属金下电极、压电层以及金上电极；对硅基片背面的氮化硅进行光刻、刻蚀，形成体刻蚀所需的氮化硅掩膜。最后体刻蚀并释放牺牲层，完成传感器的制备。本专利技术的方法制备传感器具有圆形压电膜/氮化硅膜或多晶硅膜复合弯曲振动膜，构成本专利技术的硅微压电传感器，并且此传感器的实现工艺兼容性好、方便可行。本专利技术中首次采用易腐蚀的材料代替原来在微机电领域被广泛应用、较难腐蚀的二氧化硅材料来作为牺牲层材料。利用易腐蚀材料腐蚀速度快的特点，将圆形的牺牲薄膜很快去除从而形成圆形支撑的隔离层。另外较快的腐蚀速度还减小了以往氢氟酸释放二氧化硅牺牲层的同时对振动膜较强的腐蚀。从而减少了振动薄膜的腐蚀缺陷，这无疑将会明显提高传感器的灵敏度和成品率。本专利技术的优点在于在传感器的制备过程中采用了一种新的工艺方法，通过利用易腐蚀材料作为牺牲层，制备了圆形结构的复合压电弯曲振动膜，大大减小了振动膜的应力不均匀性，避免了由于应力过大而引起的振动膜的破裂，大大提高了成品率，并明显提高了传感器的灵敏度；另外，由于牺牲层的腐蚀速度较快，减小了以往氢氟酸释放牺牲层的同时对振动膜的腐蚀，减少了振动膜腐蚀缺陷。附图说明图1为本专利技术硅微压电传感器芯片的结构示意图；图2为牺牲层倒膜形成后的剖面图；图3为牺牲层形成后的剖面示意4是振动膜淀积后的剖面示意5是压电层形成后的剖面示意6是深度体刻蚀后的剖面示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅微压电传感器芯片，该硅微压电传感器芯片包括：一ｎ型硅基片（１）；该ｎ型硅基片（１）正面和反面分别淀积一层氮化硅基膜层（２）和一层氮化硅掩膜层（９），所述硅基片（１）中心有体刻蚀时形成的上小下大的方锥形孔，所述氮化硅基膜层（２） 中心设有孔（２１），所述氮化硅掩膜层（９）中心有与ｎ型硅基片（１）反面方孔相同尺寸的方孔（９１）；所述氮化硅基膜层（２）上表面上有氮化硅或多晶硅振动膜（４），以及依次制备在所述氮化硅或多晶硅振动膜（４）上表面上的下电极（５）；　 　制备在下电极（５）上表面上的压电膜（６）；光刻腐蚀在压电膜（６）上表面上的低温氧化硅膜保护层（７）；和制备在所述低温氧化硅膜保护层（７）上表面上的上电极（８）；所述振动膜（４）、压电膜（６）、低温氧化硅膜保护层（７ ）和上电极（８）的形状均为圆形；其特征在于，所述的孔（２１）为圆孔，其直径大于等于或小于ｎ型硅基片（１）正面方孔的对角线；所述氮化硅或多晶硅振动膜（４）与压电膜（６）形成圆形压电膜／氮化硅或多晶硅复合弯曲振动膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨楚威，黄歆，李俊红，汪承灏，解述，徐联，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]