專利名稱：用于超聲定位與測距的微聲學(xué)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。特別涉及一種用于超聲定位與測距的微聲學(xué)器件。
背景技術(shù)：
微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS-Micro Electro Mechanical System)是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的集微型機(jī)械、微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理、智能控制于一體的多學(xué)科交叉的新興學(xué)科，它將常規(guī)集成電路工藝和微機(jī)械加工獨(dú)有的特殊工藝相結(jié)合，范圍涉及微電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、力學(xué)、自動(dòng)控制學(xué)、材料科學(xué)等多種工程技術(shù)和學(xué)科。MEMS研究的主要內(nèi)容包括微型傳感器、微型執(zhí)行器和各類微系統(tǒng)，現(xiàn)在已成為世界各國投入大量資金研究的熱點(diǎn)。
由于其優(yōu)越的力電耦合性能，鈦鋯酸鉛(PZT)、氮化鋁(AlN)等作為體材料(陶瓷)就已經(jīng)廣泛應(yīng)用于傳感器、執(zhí)行器以及換能器等領(lǐng)域。有關(guān)其薄膜的研究也已有40余年的歷史，但由于受到制膜技術(shù)的限制，未能制備出合乎器件質(zhì)量要求的薄膜，因此最初的二十多年中，鐵電薄膜的應(yīng)用研究進(jìn)展不大，同樣在MEMS中的應(yīng)用亦因其集成工藝的困難而被大大的推遲。近年來，隨著薄膜制備工藝的進(jìn)步，基本掃清了制備高質(zhì)量鐵電薄膜的技術(shù)障礙，特別是能在較低的襯底溫度下淀積高質(zhì)量的外延或擇優(yōu)取向的薄膜，使鐵電薄膜工藝與半導(dǎo)體工藝技術(shù)的兼容成為可能。目前采用的鐵電薄膜制備的技術(shù)主要有四種1)濺射(sputtering)；2)脈沖激光沉積(PLD)；3)溶膠-凝膠(Sol-Gel)法；4)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)。
使用MEMS工藝制作的微傳感器不僅體積小、成本低、機(jī)械特性好，并且能夠與CMOS電路集成，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)，硅基微傳聲器就是近年來微傳感器領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。以微麥克風(fēng)為例，它可以應(yīng)用于蜂窩電話、無繩電話、助聽器、各種數(shù)字多媒體設(shè)備、聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)等等。將硅基微傳聲器的頻域擴(kuò)展到超聲頻段，便可實(shí)現(xiàn)超聲定位和測距系統(tǒng)的建構(gòu)。與傳統(tǒng)的聲學(xué)器件相比，MEMS微聲學(xué)器件具有體積小、成本低、可靠性高、并且可與信號(hào)處理電路相集成的特點(diǎn)，因而具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和極好的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是一種用于超聲定位與測距的微聲學(xué)器件。其特征在于其微聲學(xué)器件的可動(dòng)薄膜部分由含有鐵電薄膜的多層薄膜材料所構(gòu)成，所述鐵電微聲學(xué)器件包括鐵電微揚(yáng)聲器和微麥克風(fēng)，其結(jié)構(gòu)是在硅基上自下而上依次為硅杯襯底6、熱氧化的二氧化硅3、鈦層—下電極鉑層8、PZT(鋯鈦酸鉛)薄膜層/磁控濺射的AlN(氮化鋁)薄膜層5、上電極鉑層4、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積的二氧化硅層7、下1鋁電極和上鋁電極2。
所述的硅基的鐵電微聲學(xué)器件各層結(jié)構(gòu)的膜厚，硅杯襯底6厚度范圍為300～360微米，熱氧化的二氧化硅層3的厚度范圍是200～1000納米，磁控濺射的鈦層厚度范圍為20～30納米及下電極鉑層8厚度范圍為200～250納米，磁控濺射或溶膠-凝膠的PZT(鋯鈦酸鉛)鐵電薄膜層/磁控濺射的AlN(氮化鋁)薄膜層5厚度范圍為400～600納米，磁控濺射的上電極鉑層4厚度范圍為150～200納米，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積的二氧化硅層7的厚度范圍是300～400納米，磁控濺射的鋁電極1或2厚度范圍為1000～1500納米。
本實(shí)用新型的有益效果將應(yīng)用了微聲學(xué)器件的超聲定位和測距系統(tǒng)與現(xiàn)有的定位和測距系統(tǒng)相比，結(jié)合了MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))加工技術(shù)，微聲學(xué)器件工藝步驟簡單，能很好的提高產(chǎn)品的可靠性，極大地促進(jìn)了產(chǎn)品的微型化和集成化，并有利于大批量的生產(chǎn)，從而降低了成本，獲得高成品率。還將基于硅微加工技術(shù)的鐵電微聲學(xué)器件產(chǎn)生“超聲波信號(hào)—電信號(hào)”互換效應(yīng)應(yīng)用于定位和測距系統(tǒng)中，具有很高的可靠性和抗干擾性，不易受溫度、濕度等影響。


圖1為用于超聲定位與測距的微聲學(xué)器件的結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
圖1所示為用于超聲定位與測距的微聲學(xué)器件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中硅基的鐵電薄膜微聲學(xué)器件工作所依據(jù)的原理是由壓電效應(yīng)，鐵電薄膜由于接收超聲波而發(fā)生振動(dòng)，此振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)了微麥克風(fēng)的功能；反之，由逆壓電效應(yīng)，鐵電薄膜由輸入電信號(hào)的變化而發(fā)生振動(dòng)，發(fā)射出超聲波，從而實(shí)現(xiàn)了微揚(yáng)聲器的功能。本發(fā)明所涉及的微聲學(xué)器件，其結(jié)構(gòu)既可用作麥克風(fēng)，也可用作揚(yáng)聲器。
該器件的結(jié)構(gòu)是在硅基上自下而上依次為硅杯襯底6、熱氧化的二氧化硅3、鈦層—下電極鉑層8、PZT(鋯鈦酸鉛)薄膜層/磁控濺射的AlN(氮化鋁)薄膜層5、上電極鉑層4、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積的二氧化硅層7、下1鋁電極和上鋁電極2。
上述硅基的鐵電微聲學(xué)器件各層厚度的優(yōu)化膜厚為硅杯襯底6厚度范圍為300～360微米，熱氧化的二氧化硅層3的厚度范圍是200～1000納米，磁控濺射的鈦層厚度范圍為20～30納米及下電極鉑層8厚度范圍為200～250納米，磁控濺射或溶膠-凝膠的PZT(鋯鈦酸鉛)鐵電薄膜層/磁控濺射的AlN(氮化鋁)薄膜層5厚度范圍為400～600納米，磁控濺射的上電極鉑層4厚度范圍為150～200納米，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積的二氧化硅層7的厚度范圍是300～400納米，磁控濺射的鋁電極1或2厚度范圍為1000～1500納米。
下面介紹一個(gè)微聲學(xué)器件的實(shí)施例對本實(shí)用新型予以進(jìn)一步說明在硅襯底上制備復(fù)合結(jié)構(gòu)SiO2/Ti/Pt/PZT(或AlN)/Pt/SiO2/Al，各層厚度分別為1000/20/200/500/150/300/1200納米，其中的可動(dòng)振膜結(jié)構(gòu)為SiO2/Ti/Pt/PZT(或AlN)/Pt/SiO2，尺寸為1000微米×1000微米。具體制作過程如下(1)以直徑為3英寸，厚度為400±10微米、雙面拋光的P型硅片作為襯底(襯底電阻率為1-10Ω·cm)，用濃硫酸和雙氧水的混合液煮沸10分鐘，然后去離子水漂洗并烘干；將硅片放入氧化爐中，在950±1℃下，在硅片兩面熱生長200納米的二氧化硅層；(2)采用低壓化學(xué)氣相淀積方法，在硅片兩面形成厚度為200納米的氮化硅層；(3)采用反應(yīng)離子刻蝕的方法刻蝕背面氮化硅，形成背腔窗口；(4)把硅片置于氫氟酸-氟化銨緩沖溶液中，將二氧化硅去除；(5)在33％的KOH溶液中進(jìn)行體硅腐蝕，水浴溫度為80℃，制作背腔，反應(yīng)后的殘留硅層的厚度約為50微米；(6)用40％的氫氟酸(水浴加熱)腐蝕去除硅基上的二氧化硅和氮化硅，形成硅杯結(jié)構(gòu)；(7)在硅杯雙面熱氧化生長1000納米的二氧化硅層；(8)用緩沖氫氟酸漂掉背窗的熱氧，只剩正面的熱氧二氧化硅層1000納米；(9)濺射下電極先濺鈦20納米(利于鈦與二氧化硅基底的粘附)，再濺鉑200納米；(10)用“溶膠—凝膠”法制備PZT鐵電薄膜500納米；或用磁控濺射制備AlN薄膜500納米；(11)濺射上電極鉑150納米，并用粒子束刻蝕刻出上電極圖形；(12)采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法在正面淀積300納米二氧化硅；(13)分別用緩沖氫氟酸和鹽酸混合劑刻蝕二氧化硅和鐵電薄膜層，形成接觸孔；(14)磁控濺射制備鋁1200納米，并用磷酸濕法刻蝕出鋁電極圖形；(15)采用感應(yīng)耦合離子刻蝕的方法減薄背腔內(nèi)硅層至熱氧二氧化硅層自停止。
微聲學(xué)器件既可用作麥克風(fēng)，也可用作揚(yáng)聲器。搭建成用于超聲定位與超聲測距的微聲學(xué)系統(tǒng)，即用一個(gè)基于硅微加工技術(shù)的鐵電微揚(yáng)聲器作為超聲發(fā)射源，一個(gè)基于硅微加工技術(shù)的鐵電微麥克風(fēng)作為超聲接收器；并且微揚(yáng)聲器和微麥克風(fēng)之間的距離相對于被測量的距離來說可以忽略不計(jì)。作為超聲波發(fā)射器的微揚(yáng)聲器和作為超聲波接收器的微麥克風(fēng)的發(fā)射面和接收面都指向被測物體，接收到的信號(hào)通過信號(hào)處理和計(jì)算機(jī)計(jì)算后就可以判斷出被測物體的位置和距離。
權(quán)利要求1.一種用于超聲定位與測距的微聲學(xué)器件，其特征在于其微聲學(xué)器件的可動(dòng)薄膜部分由含有鐵電薄膜的多層薄膜材料所構(gòu)成，所述鐵電微聲學(xué)器件包括鐵電微揚(yáng)聲器和微麥克風(fēng)，其結(jié)構(gòu)是在硅基上自下而上依次為硅杯襯底(6)、熱氧化的二氧化硅(3)、鈦層—下電極鉑層(8)、PZT(鋯鈦酸鉛)薄膜層/磁控濺射的AlN(氮化鋁)薄膜層(5)、上電極鉑層(4)、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積的二氧化硅層(7)、下鋁電極(1)和上鋁電極(2)。
2.按照權(quán)利要求1所述用于超聲定位與測距的微聲學(xué)器件，其特征在于所述的硅基的鐵電微聲學(xué)器件各層結(jié)構(gòu)的膜厚，硅杯襯底(6)厚度范圍為300～360微米，熱氧化的二氧化硅層(3)的厚度范圍是200～1000納米，磁控濺射的鈦層厚度范圍為20～30納米及下電極鉑層(8)厚度范圍為200～250納米，磁控濺射或溶膠-凝膠的PZT(鋯鈦酸鉛)鐵電薄膜層/磁控濺射的AlN(氮化鋁)薄膜層(5)厚度范圍為400～600納米，磁控濺射的上電極鉑層(4)厚度范圍為150～200納米，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積的二氧化硅層(7)的厚度范圍是300～400納米，磁控濺射的鋁電極(1)或(2)厚度范圍為1000～1500納米。
專利摘要本實(shí)用新型公開了屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的一種用于超聲定位與測距的微聲學(xué)器件，由制作有鐵電薄膜等多層薄膜材料所構(gòu)成。自下而上依次為硅杯襯底、熱氧化的二氧化硅、鈦層－下電極鉑層、PZT薄膜層/AlN薄膜層、上電極鉑層、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積的二氧化硅層、和鋁電極。該器件既可作為麥克風(fēng)也可作為揚(yáng)聲器使用能實(shí)現(xiàn)“薄膜振動(dòng)－電信號(hào)”之間的有效互換。可實(shí)現(xiàn)超聲定位系統(tǒng)和超聲測距系統(tǒng)的搭建。具有很高的可靠性和抗干擾性，不易受溫度、濕度等影響。同時(shí)本發(fā)明將應(yīng)用于超聲定位和測距系統(tǒng)的微聲學(xué)器件，結(jié)合MEMS加工技術(shù)，能很好的提高產(chǎn)品的可靠性，極大地促進(jìn)了產(chǎn)品的微型化和集成化，并有利于大批量的生產(chǎn)，市場前景巨大。
文檔編號(hào)B81B3/00GK2712888SQ20042006661
公開日2005年7月27日 申請日期2004年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月8日
發(fā)明者任天令, 朱一平, 楊軼, 劉理天 申請人:清華大學(xué)