一种含有双极性压电结构的PMUT器件及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种含有双极性压电结构的PMUT器件及其制备方法，所述制备方法至少包括：1)提供具有空腔的衬底，在所述衬底表面形成底电极层；2)在所述底电极层表面形成压电层，所述压电层包括依次形成于所述底电极层表面的第一极性压电层和第二极性压电层；3)于所述第二极性压电层表面依次沉积钝化层和顶电极层，并图形化所述顶电极层；4)制备所述底电极层和所述顶电极层的电极引出结构。利用本发明专利技术的制备方法所获得的PMUT器件中，其压电层为单层双极性膜，具有无过渡区的特点，可以最大化有效工作区域，另外，单层双极性膜的制备工艺简单，开孔数量少，布线面积小，因此，可以使得PMUT的阵列密度大幅提高。得PMUT的阵列密度大幅提高。得PMUT的阵列密度大幅提高。

【技术实现步骤摘要】
一种含有双极性压电结构的PMUT器件及其制备方法


[0001]本专利技术属于PMUT器件
，特别是涉及一种含有双极性压电结构的PMUT器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]压电式微机械超声换能器(Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer，PMUT)是在传统的压电块体型超声换能器基础上发展起来的，传统块体型通常采用d33厚度振动模式，谐振频率主要依赖于压电材料厚度，而PMUT是MEMS工艺下，通常依靠压电材料与电极材料等构成的振动薄膜进行d31模式的机械振动，由此产生并传播机械弹性波，谐振频率与薄膜的尺寸、厚度等都有关系，目前PMUT结构由于振动薄膜通常采用单层压电层结构，其振动位移小，机电转换效率低，在应用上受到一定的限制。因此提高单位电激励下的压电振动薄膜的最大振动位移具有重要意义。
[0003]为了提高振动位移，通常采用双压电层的振膜结构，相比于单压电层，相当于增加了一个振动驱动源。双压电层想要达到振动幅度累加的效果，须在两层压电层上施加相反的电场，且整个振动薄膜结构的中性层位置须控制在两层压电层之间，以防驱动效果的相互抵消。施加反向电场时需要在两压电层之间以及其他两个面铺设电极，形成五层叠加的“三明治”结构，这样会带来很多工艺问题，比如增加引线孔数量，增加了布线面积，工艺要求也相应上升。
[0004]因此，需要对双层驱动形式进行改进，而加工单层的但极性相反的薄膜理论上可以达到这种效果，这种自带相反极性的薄膜可以在只铺设上下两个电极的情况下，产生振动弯矩加倍的效果。但是，目前制备单层双极性压电薄膜所采取的工艺方法难以抑制薄膜极性过渡区的产生，从而使得压电薄膜的内出现非理想的工作区，降低了双极性膜的有效工作体积。
[0005]因此，开发一种新的含有双极性压电结构的PMUT器件及其制备方法，有利于快速推进PMUT发展，加快超声检测领域的技术革新。

技术实现思路

[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种含有双极性压电结构的PMUT器件及其制备方法，用于解决现有技术中工艺复杂、效率不足的问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种含有双极性压电结构的PMUT器件的制备方法，所述制备方法至少包括：
[0008]1)提供具有空腔的衬底，在所述衬底表面形成底电极层；
[0009]2)在所述底电极层表面形成压电层，所述压电层包括依次形成于所述底电极层表面的第一极性压电层和第二极性压电层；
[0010]3)于所述第二极性压电层表面依次沉积钝化层和顶电极层，并图形化所述顶电极层；
[0011]4)制备所述底电极层和所述顶电极层的电极引出结构。
[0012]优选地，所述步骤1)中，具有空腔的衬底的制备方法包括键合法、牺牲层法及DIRE中的一种。
[0013]优选地，所述步骤1)中，形成所述底电极层之前还包括在所述衬底表面形成过渡层的步骤，所述过渡层的材料包括压电材料或者氧化硅中的一种或两种的组合。
[0014]优选地，所述第一极性压电层和第二极性压电层的极性相反，所述第一极性压电层的取向向上，则所述第二极性压电层的极性取向向下；所述第一极性压电层的取向向下，则所述第二极性压电层的极性取向向上。
[0015]优选地，所述第一极性压电层的材料包括AlN、PZT、石英、PVDF、ZnO中的一种，所述第二极性压电层的材料包括AlN、PZT、石英、PVDF、ZnO中的一种。
[0016]优选地，所述步骤2)中，在制备所述第一极性压电层之后和制备所述第二极性压电层之前还包括在所述第一极性压电层表面形成图形化的绝缘层或者绝缘层和中间电极层的叠层的步骤。
[0017]优选地，所述步骤4)中还包括制备所述中间电极层的电极引出结构的步骤。
[0018]优选地，所述步骤2)中，通过键合法、外延法或者溅射法将所述第二极性压电层形成于所述第一极性压电层表面。
[0019]本专利技术还提供一种含有双极性压电结构的PMUT器件，所述器件至少包括：
[0020]具有空腔的衬底；
[0021]底电极层，形成于所述衬底表面；
[0022]压电层，形成于所述底电极层表面，所述压电层包括依次形成于所述底电极层表面的第一极性压电层和第二极性压电层；
[0023]钝化层和顶电极层，依次形成于所述第二极性压电层表面；
[0024]电极引出结构，分别引出所述底电极层和所述顶电极层。
[0025]优选地，所述衬底中具有封闭空腔，所述封闭空腔上方的衬底作为支撑层，所述支撑层的厚度不大于10um。
[0026]优选地，所述器件还包括过渡层，所述过渡层形成于所述底电极层和所述衬底之间，所述过渡层的厚度不大于30nm，所述过渡层的材料包括压电材料或者氧化硅中的一种或两种的组合。
[0027]优选地，所述底电极层的材料包括Pt、Mo、W、Al及Ti中的一种或多种的组合，厚度介于150nm～300nm之间，所述顶电极层的材料包括Pt、Mo、W、Al及Ti中的一种或多种的组合，厚度介于150nm～300nm之间。
[0028]优选地，所述第一极性压电层和第二极性压电层的极性相反，所述第一极性压电层的取向向上，则所述第二极性压电层的极性取向向下；所述第一极性压电层的取向向下，则所述第二极性压电层的极性取向向上。
[0029]优选地，所述第一极性压电层的厚度介于0.5um～4um之间，第二极性压电层的厚度介于0.5um～4um之间。
[0030]优选地，所述器件还包括图形化的绝缘层或者绝缘层和中间电极层的叠层，所述绝缘层或者绝缘层和中间电极层的叠层形成于所述第一极性压电层和所述第二极性压电层之间，所述绝缘层的厚度不大于30nm，所述中间电极层的厚度介于30nm～100nm之间。
[0031]优选地，所述器件还包括所述中间电极层的电极引出结构。
[0032]如上所述，本专利技术的一种含有双极性压电结构的PMUT器件及其制备方法，所述制备方法至少包括：1)提供具有空腔的衬底，在所述衬底表面形成底电极层；2)在所述底电极层表面形成压电层，所述压电层包括依次形成于所述底电极层表面的第一极性压电层和第二极性压电层；3)于所述第二极性压电层表面依次沉积钝化层和顶电极层，并图形化所述顶电极层；4)制备所述底电极层和所述顶电极层的电极引出结构。利用本专利技术的制备方法所获得的PMUT器件中，其压电层为单层双极性膜，具有无过渡区的特点，最大化有效工作区域，另外单层双极性膜的制备工艺简单，开孔数量少，布线面积小，因此，PMUT的阵列密度得以提高。
附图说明
[0033]图1～图5b为本专利技术含有双极性压电结构的PMUT器件的制备方法各个步骤呈现的结构示意图。其中，图5a和图5b为本专利技术含有双极性压电结构的PMUT器件的结构示意图。
[0034]元件标号说明
[0035]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含有双极性压电结构的PMUT器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：1)提供具有空腔的衬底，在所述衬底表面形成底电极层；2)在所述底电极层表面形成压电层，所述压电层包括依次形成于所述底电极层表面的第一极性压电层和第二极性压电层；3)于所述第二极性压电层表面依次沉积钝化层和顶电极层，并图形化所述顶电极层；4)制备所述底电极层和所述顶电极层的电极引出结构。2.根据权利要求1所述的含有双极性压电结构的PMUT器件的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，具有空腔的衬底的制备方法包括键合法、牺牲层法及DIRE中的一种。3.根据权利要求1所述的含有双极性压电结构的PMUT器件的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，形成所述底电极层之前还包括在所述衬底表面形成过渡层的步骤，所述过渡层的材料包括压电材料或者氧化硅中的一种或两种的组合。4.根据权利要求1所述的含有双极性压电结构的PMUT器件的制备方法，其特征在于：所述第一极性压电层和第二极性压电层的极性相反，所述第一极性压电层的取向向上，则所述第二极性压电层的极性取向向下；所述第一极性压电层的取向向下，则所述第二极性压电层的极性取向向上。5.根据权利要求1所述的含有双极性压电结构的PMUT器件的制备方法，其特征在于：所述第一极性压电层的材料包括AlN、PZT、石英、PVDF、ZnO中的一种，所述第二极性压电层的材料包括AlN、PZT、石英、PVDF、ZnO中的一种。6.根据权利要求1所述的含有双极性压电结构的PMUT器件的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，在制备所述第一极性压电层之后和制备所述第二极性压电层之前还包括在所述第一极性压电层表面形成图形化的绝缘层或者绝缘层和中间电极层的叠层的步骤。7.根据权利要求6所述的含有双极性压电结构的PMUT器件的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中还包括制备所述中间电极层的电极引出结构的步骤。8.根据权利要求1或6所述的含有双极性压电结构的PMUT器件的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，通过键合法、外延法或者溅射法将所述第二极性压电层形成于所述第一极性压电层表面。9.一种含有双极性压电结构的PMUT器件...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾欣，母志强，刘强，周虹阳，俞文杰，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：