專利名稱：基于鐵電pzt膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器及其制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及硅微壓電傳聲器領域，特別涉及一種基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的 硅微壓電傳聲器及其制備方法。
背景技術(shù)：
硅微傳聲器在民用和國防(如手機、視聽設備、機器人語言識別、噪聲與振動的 有源控制、戰(zhàn)場偵查網(wǎng)、安全偵聽等)領域具有廣闊的應用前景。微傳聲器主要包括 電容式和壓電式兩種，目前電容式硅微傳聲器己經(jīng)走向市場化，與電容式相比，壓電 式微傳聲器具有不需極化電壓、內(nèi)阻低、制備簡單等諸多優(yōu)點，具有重大的應用前景， 但目前它的靈敏度較低，達不到實用要求。
硅微壓電傳聲器通常是一種壓電膜彎曲振動的換能器，壓電膜的電極在其上下表 面，壓電微傳聲器利用壓電膜的橫向壓電常數(shù)&工作，ZnO膜和PZT膜是使用最多 的壓電膜材料，PZT膜的壓電系數(shù)比Zn0膜大一個數(shù)量級，但由于PZT膜的相對介 電常數(shù)較大，微傳聲器的電壓靈敏度不能得到提高，目前報道的壓電微傳聲器主要采 用ZnO膜作為壓電材料。與厚度極化的PZT膜利用橫向壓電常數(shù)dM工作不同，面內(nèi) 極化的PZT膜在彎曲振動中主要利用縱向壓電常數(shù)(133工作，壓電膜的電極為位于其 表面的一對叉指電極，由于PZT膜的壓電常數(shù)d33比^大一倍，因此利用面內(nèi)極化的 PZT膜工作，微執(zhí)行器可以提高驅(qū)動位移(力)，微傳感器可以提高靈敏度。通常基 于面內(nèi)極化的PZT膜工作的硅微器件叉指電極位于整個壓電膜表面，如Sensors and Actuators A ,119(2005)，p521-527,由Eunki Hong, S. V. Krishnaswamy， C. B. Freidhoff， S. Trolier-McKinstry 所著的 《Micromachined piezoelectric diaphragms actuated by ring shaped irrterdigitated transducer electrodes》 一文中所述的基于PZT膜面內(nèi)極化工作的微執(zhí)行器；以及Transducers & Eurosensors ， 07，The 14th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, pl29H294，由Yi-Ping Zhu， Tian-Ling Ren: Chao Wang, Zhe-Yao Wang, Li-Tian Liu， Zhi-Jian Li所著的《Novel in-plane polarized PZT film based ultrasonic micro-acoustic devices》 一文中所述的超 聲發(fā)射和接收微器件。壓電微傳聲器的電壓靈敏度與壓電膜應力及電極間距成正比， 因此，壓電膜的電極位于壓電膜(或振動膜)應力最大處可以提高靈敏度，在工藝允
5許的情況下增大電極間距也可提高壓電微傳聲器電壓靈敏度?；诿鎯?nèi)極化的PZT 膜工作的壓電微傳聲器，只需設計電極版圖，將電極設計在振動膜應力最大處，并提 高版圖的電極間距，即可提高壓電微傳聲器的靈敏度，在工藝上很容易實現(xiàn)。另外， 面內(nèi)極化的PZT膜不需沉積底電極，而厚度極化的PZT膜通常都生長在Pt/Ti底電極 上，作為壓電陶瓷材料，PZT膜的應力較大，易產(chǎn)生微泡和微裂紋，對底電極的生長 工藝要求較高，因此基于面內(nèi)極化的PZT膜工作的壓電微傳聲器可簡化工藝，顯著提 高器件的成品率。目前硅微壓電傳聲器振動膜的釋放多采用成本較低的濕法體硅微加 工工藝，由于硅的各向異性腐蝕，振動膜結(jié)構(gòu)一般為方形結(jié)構(gòu)，應力較大，特別是在 尖角處應力更大，導致傳聲器的靈敏度下降，甚至出現(xiàn)實效破裂，因此制作具有圓形 振動膜結(jié)構(gòu)的壓電微傳聲器可以提高壓電傳聲器的靈敏度，并可提高成品率和使用壽

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器，提高 目前壓電微傳聲器的靈敏度，為大批量制備性能可靠、成品率高的微傳聲器提供簡便 可行的工藝。
本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的
本發(fā)明提供的基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器，其由從上至下依 次放置的電極、面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層、氧化鋯過渡層、振動膜層、高溫二氧化硅 圓形倒模層、體硅刻蝕方杯和體硅刻蝕掩模層組成；
所述振動膜層為氮化硅膜層、低溫二氧化硅膜層或為由氮化硅膜和低溫二氧化硅 膜構(gòu)成的復合膜層；所述低溫二氧化硅膜中的低溫二氧化硅是采用等離子體增強化學 氣相沉積法制備的二氧化硅；
所述高溫二氧化硅圓形倒模層中心處設有中心圓孔，該高溫二氧化硅圓形倒模層 的高溫二氧化硅是采用熱氧化法制備的二氧化硅；
所述振動膜中心處的圓形工作區(qū)域直徑與所述高溫二氧化硅圓形倒模層中心處 的中心圓孔直徑相同；
所述體硅刻蝕掩模層中心處設有中心方孔；
所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層及電極構(gòu)成的電容位于所述振動膜的圓形工作區(qū) 域的中心或邊緣；所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層為圓形膜層或環(huán)形膜層，所述電極為 具有相同圓心的圓形叉指結(jié)構(gòu)的電極；
所述體硅刻蝕方杯下表面中心處設有與所述體硅刻蝕掩模層的中心方孔尺寸相 同的方形孔，體硅刻蝕方杯上表面中心處設有中心方形孔，該中心方形孔對角線長度 小于所述中心圓孔的直徑。所述電極厚度為150-300納米;所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層厚度為0. 5-2微米;所述氧化鋯過渡層厚度為300-500納米；所述振動膜層厚度為0.5-2微米；高溫二氧化硅圓形倒模層厚度為1-4微米。
所述振動膜圓形工作區(qū)域的半徑為300-3000微米。
所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層及電極構(gòu)成的電容位于所述振動膜的圓形工作區(qū)域中心時，該面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層為圓形，其半徑小于所述圓形工作區(qū)域平徑的70%。
所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層及電極構(gòu)成的電容位于所述振動膜5的圓形工作區(qū)域邊緣時，該面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層為圓環(huán)形，該圓環(huán)形環(huán)內(nèi)沿到所述振動膜的圓形工作區(qū)域外沿的距離小于所述圓形工作區(qū)域半徑的30%。
所述電極的圓形叉指電極的叉指對數(shù)為l-30對，電極寬度為5-100微米，電極間距為5-100微米。
本發(fā)明的基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器的制備方法，包括以下
步驟
1) 硅片熱氧化
在一硅片正面和背面分別熱氧化生長1-4微米正面高溫二氧化硅層和背面高溫
二氧化硅層；
2) 制備高溫二氧化硅圓形倒模層
分別在所述硅片的正面高溫二氧化硅層和背面高溫二氧化硅層上旋涂正性光刻膠，對所述正面高溫二氧化硅層進行正面光刻并采用緩沖氫氟酸溶液腐蝕正面高溫二氧化硅層，形成中心帶有中心圓孔的高溫二氧化硅圓形倒模層；所述高溫二氧化硅圓形倒模層上表面和所述背面高溫二氧化硅層上分別涂有光刻膠一和光刻膠二；
3) 制備圓形氧化鋅犧牲層
在所述光刻膠一和中心圓孔內(nèi)的硅片上濺射l-4微米氧化鋅犧牲層，去除光刻膠一和光刻膠二，剝離形成圓形氧化鋅犧牲層，所述圓形氧化鋅犧牲層位于所述中心圓孔內(nèi)，并與中心圓孔厚度相同；
4) 制備振動膜層
在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層和圓形氧化鋅犧牲層上生長厚度為0. 5-2微米的振動膜層；該振動膜層采用下述方法中的任一種制備
(a)采用低壓化學氣相沉積法在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層和圓形氧化鋅犧牲層上生長氮化硅胰，在硅片背面的高溫二氧化硅層上生長氮化硅膜，此時形成的振動膜層為氮化硅膜層；所述硅片背面為由高溫二氧化硅層和氮化硅膜構(gòu)成的復合膜掩模層；
7(b) 采用等離子體增強化學氣相沉積法在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層和圓形氧化鋅犧牲層上生長低溫二氧化硅膜，此時形成的振動膜層為低溫二氧化硅膜層，硅片背面為高溫二氧化硅層構(gòu)成的掩模層；
(c) 采用低壓化學氣相沉積法在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層和圓形氧化鋅犧牲層上生長氮化硅膜，再釆用等離子體增強化學氣相沉積法在該氮化硅膜上生長低溫二氧化硅膜；所述硅片背面的高溫二氧化硅層上生長氮化硅膜，此時形成的振動膜層為由氮化硅和低溫二氧化硅膜構(gòu)成的復合膜層，硅片背面為高溫二氧化硅層和氮化硅膜構(gòu)成的復合膜掩模層；
5) 制備體硅刻蝕掩模層
采用雙面光刻機雙面光刻所述掩模層或復合膜掩模層，當所述掩模層為高溫二氧化硅層和氮化硅膜構(gòu)成的復合膜時，氮化硅膜采用等離子刻蝕機進行刻蝕，高溫二氧化硅采用緩沖氫氟酸溶液進行腐蝕，當所述掩模層為高溫二氧化硅層時，采用緩沖氫氟酸溶液進行腐蝕，形成體硅刻蝕掩模層，所述體硅刻蝕掩模層中心處具有中心方孔；
6) 制備氧化鋯過渡層
采用溶膠-凝膠法在硅片正面的振動膜層上制備厚度為300-500納米的氧化鋯過渡層；
7) 制備鐵電PZT膜層
采用溶膠-凝膠法在所述氧化鋯過渡層上制備鐵電PZT膜層，所述鐵電PZT膜層的組分為Pb氛Ti卜y)03，其中x=l. 1， y=0. 52，所述鐵電PZT膜層厚度為0. 5-2微米，再采用濕法刻蝕方法對鐵電PZT膜層進行刻蝕，形成圓形或環(huán)形鐵電PZT膜層；該鐵電PZT膜層位于所述振動膜的圓形工作區(qū)域的中心或邊緣；
8) 制備電極
在硅片正面的鐵電PZT膜層上采用濺射、真空蒸鍍或離子鍍法沉積電極，所述電極為Al層、在金屬Cr層上生長金屬Au層構(gòu)成的An/Cr復合膜或為在金屬Ti層上生長金屬Pt層構(gòu)成的Pt/Ti復合膜，該電極厚度為150-300納米，采用正膠剝離或濕法腐蝕法形成電極，所述電極為具有相同圓心的圓形叉指結(jié)構(gòu)；
9) PZT膜極化
采用直流電源對鐵電PZT膜層進行極化，形成面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層，極化電場為10-30伏/微米；
10) 釋放振動膜圓形工作區(qū)域
采用體硅刻蝕夾具將硅片正面保護并固定，放入氫氧化鉀溶液中進行體硅刻蝕，形成體硅刻蝕方杯，在體硅刻蝕方杯與氧化鋅犧牲層交界處，繼續(xù)腐蝕氧化鋅犧牲層，最終釋放出振動膜的圓形工作區(qū)域，制得本發(fā)明的基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器。
8本發(fā)明的優(yōu)點在于-
(1) 本發(fā)明提供的壓電微傳聲器采用了面內(nèi)極化的PZT膜，利用PZT膜的更高的壓電常數(shù)d33;壓電膜的工作區(qū)域為圓形振動膜的中心或邊緣區(qū)域，利用了振動膜應力最大區(qū)域；通過版圖設計提高電極間距，遠大于傳統(tǒng)厚度極化工作模式中壓電微傳聲器的電極間距，上述方法可以大大提高壓電微傳聲器的靈敏度。
(2) 本發(fā)明采用圓形振動膜作為壓電微傳聲器的振動膜，有效地控制和降低了振動膜的應力，提高了器件的靈敏度、成品率；另外，本發(fā)明提供的壓電微傳聲器中，面內(nèi)極化的PZT膜的電極位于壓電膜的上表面，不需沉積PZT膜的底電極，簡化了微加工工藝。本發(fā)明提供的壓電微傳聲器制備方法工藝兼容性好，方便可行。


圖1為本發(fā)明的基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2-1—2-9為本發(fā)明的制作工藝流程圖2-l為熱氧化后的剖面圖2-2為高溫二氧化硅圓形倒模層形成后的剖面圖2-3為圓形氧化鋅犧牲層形成后的剖面圖2-4為振動膜層形成后的剖面圖2-5為體硅刻蝕掩模層形成后的剖面圖2-6為氧化鋯過渡層形成后的剖面圖2-7為PZT膜層位于振動膜圓形工作區(qū)域邊緣時PZT膜層形成后的剖面圖2-8為電極位于振動膜圓形工作區(qū)域邊緣時電極形成后的剖面圖2-9為PZT膜和電極位于振動膜圓形工作區(qū)域邊緣時硅微壓電傳聲器的剖面
圖3為電極位于振動膜圓形工作區(qū)域邊緣，叉指電極對數(shù)為1的俯視圖；圖4為電極位于振動膜圓形工作區(qū)域邊緣，叉指電極對數(shù)為2的俯視圖；圖5為PZT膜和電極位于振動膜圓形工作區(qū)域中心時硅微壓電傳聲器結(jié)構(gòu)剖面
圖6為電極位于振動膜圓形工作區(qū)域中心，叉指電極對數(shù)為1的俯視圖；圖7為電極位于振動膜圓形工作區(qū)域中心，叉指電極對數(shù)為3的俯視具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及實施例進一步描述本發(fā)明
圖1為本發(fā)明的基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器的結(jié)構(gòu)示意圖；由圖1可知，本發(fā)明的基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器的結(jié)構(gòu)如下
本發(fā)明的基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器，其由從上至下依次放置的電極8、面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層7、氧化鋯過渡層6、振動膜層5、高溫二氧化硅圓形倒模層2、體硅刻蝕方杯1和體硅刻蝕掩模層4組成；
所述振動膜層5為中心處設有圓形工作區(qū)域51的氮化硅膜層、低溫二氧化硅膜層或為由氮化硅膜和低溫二氧化硅膜構(gòu)成的復合膜層；所述低溫二氧化硅膜中的低溫二氧化硅為采用等離子體增強化學氣相沉積法制備的二氧化硅；
高溫二氧化硅圓形倒模層2中心處設有中心圓孔21，其中的高溫二氧化硅為采用熱氧化法制備的二氧化硅；
所述振動膜5的圓形工作區(qū)域51直徑與所述中心圓孔21直徑相同；
所述體硅刻蝕掩模層4中心處設有中心方孔41;
所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層7及電極8構(gòu)成的電容位于所述振動膜5的圓形工作區(qū)域51的中心或邊緣；所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層7為圓形膜層或環(huán)形膜層，電極8為具有相同圓心的圓形叉指結(jié)構(gòu)的電極；
所述體硅刻蝕方杯1下表面中心處設有與所述體硅刻蝕掩模層4的中心方孔41的圖形和尺寸相同的方形孔，體硅刻蝕方杯l上表面中心處設有中心方形孔，該中心方形孔對角線長度小于所述中心圓孔21的直徑。
所述電極8厚度為150-300納米；所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層7厚度為0. 5-2微米;所述氧化鋯過渡層6厚度為300-500納米；所述振動膜層5厚度為0. 5-2微米；高溫二氧化硅圓形倒模層2厚度為1-4微米。
所述振動膜5圓形工作區(qū)域51的半徑為300-3000微米。
所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層7及電極8構(gòu)成的電容位于所述振動膜5的圓形工作區(qū)域51中心時，該面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層7為圓形，其半徑小于所述圓形工作區(qū)域51半徑的70%。
所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層7及電極8構(gòu)成的電容位于所述振動膜5的圓形工作區(qū)域51邊緣時，該面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層7為圓環(huán)形，該圓環(huán)形環(huán)內(nèi)沿到所述振動膜5的圓形工作區(qū)域51外沿的距離小于所述圓形工作區(qū)域51半徑的30%。
所述電極8的圓形叉指電極的叉指對數(shù)為1-30對，電極寬度為5-100微米，電極間距為5-100微米。
實施例1，采用本發(fā)明方法制備一基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器，其步驟如下
1)硅片熱氧化
用酸性清洗液和堿性清洗液清洗硅片，之后用去離子水沖洗并烘千，將硅片放入
10氧化爐中，在硅片正面和背面分別熱氧化生長2微米正面高溫二氧化硅層22和背面高溫二氧化硅層23，如圖2-l所示；
2) 制備高溫二氧化硅圓形倒模層2
分別在所述正面高溫二氧化硅層22和背面高溫二氧化硅層23上旋涂正性光刻膠，硅片正面光刻并采用緩沖氫氟酸溶液腐蝕高溫二氧化硅層，形成中心處具有中心圓孔21的高溫二氧化硅圓形倒模層2，其半徑為500微米，高溫二氧化硅圓形倒模層2和背面高溫二氧化硅層23上分別涂有光刻膠一 24和光刻膠二 25，如圖2-2所示；
3) 制備圓形氧化鋅犧牲層3
在所述光刻膠一 24和中心圓孔21內(nèi)的硅片上濺射2微米氧化鋅犧牲層，去除光刻膠一 24和光刻膠二 25，剝離形成圓形氧化鋅犧牲層3，其位于所述中心圓孔21內(nèi)，并與中心圓孔21的形狀和厚度相同，如圖2-3所示；
4) 制備振動膜層5
采用等離子體增強化學氣相沉積法在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層2和圓形氧化鋅犧牲層3上生長正面生長1微米低溫二氧化硅膜，此時振動膜層5為低溫二氧化硅膜層，硅片背面為高溫二氧化硅層23構(gòu)成的掩模層42，如圖2-4所示；
5) 制備體硅刻蝕掩模層4
采用雙面光刻機雙面光刻所述掩模層42，采用緩沖氫氟酸溶液腐蝕高溫二氧化硅掩模層42，形成體硅刻蝕掩模層4，其中心有中心方孔41，如圖2-5所示；
6) 制備氧化鋯過渡層6
采用溶膠-凝膠法在硅片正面的振動膜層5上制備厚度為300納米的氧化鋯過渡層6，如圖2-6所示；
7) 制備PZT膜層7
采用溶膠-凝膠法在氧化鋯過渡層6上制備鐵電PZT膜層[Pbx(Zr/Ti卜y)03，其中x=l.l， y=0.52]，其厚度為l微米，采用濕法刻蝕所述鐵電PZT膜層，形成環(huán)形PZT膜層，如圖2-7所示；
8) 制備電極8
在硅片正面采用真空蒸鍍法沉積厚度為20納米的Cr，再采用真空蒸鍍法沉積厚度為120納米的Au，采用濕法腐蝕的方法形成圓形叉指結(jié)構(gòu)的電極8，如圖2-8所示；其叉指電極叉指對數(shù)為l對，電極寬度為10微米，電極間距為10微米，電極圖形如圖3所示；
9) PZT膜極化
采用直流電源在室溫下對鐵電PZT膜極化20分鐘，制成面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層7，其極化電壓為120伏，極化電場為12伏/微米；10)釋放振動膜圓形工作區(qū)域51
采用體硅刻蝕夾具將硅片正面保護并固定，放入氫氧化鉀溶液中進行體硅刻蝕，形成體硅刻蝕方杯1，在體硅刻蝕方杯1與氧化鋅犧牲層3交界處，繼續(xù)腐蝕氧化鋅犧牲層，最終釋放出振動膜圓形工作區(qū)域51，如圖2-9所示，便制作出本實施例的基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器。
實施例2，采用本發(fā)明方法制備一基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器，其步驟如下
1) 硅片熱氧化
用酸性淸洗液和堿性清洗液清洗硅片，之后用去離子水沖洗并烘干，將硅片放入氧化爐中，在硅片正面和背面分別熱氧化生長4微米正面高溫二氧化硅層22和背面高溫二氧化硅層23，如圖2-1所示；
2) 制備高溫二氧化硅圓形倒模層2
分別在所述正面高溫二氧化硅層22和背面高溫二氧化硅層23上旋涂正性光刻膠，硅片正面光刻并采用緩沖氫氟酸溶液腐蝕高溫二氧化硅層，形成中心處具有中心圓孔21的高溫二氧化硅圓形倒模層2，其半徑為1000微米，高溫二氧化硅圓形倒模層2和背面高溫二氧化硅層23上分別涂有光刻膠一 24和光刻膠二 25，如圖2-2所示；
3) 制備圓形氧化鋅犧牲層3
在所述光刻膠一 24和屮心圓孔21內(nèi)的硅片上濺射4微米氧化鋅犧牲層，去除光刻膠一 24和光刻膠二 25，剝離形成圓形氧化鋅犧牲層3，其位于所述中心圓孔21內(nèi)，并與中心圓孔21的形狀和厚度相同，如圖2-3所示；
4) 制備振動膜層5
采用低壓化學氣相沉積法在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層2和圓形氧化鋅犧牲層3上生長氮化硅膜0. 5微米，再采用等離子體增強化學氣相沉積法在該氮化硅膜上生長低溫二氧化硅膜0. 9微米；所述硅片背面高溫二氧化硅層23上生長氮化硅膜，此時振動膜層5為由氮化硅和低溫二氧化硅構(gòu)成的復合膜層，硅片背面為高溫二氧化硅層23和氮化硅膜構(gòu)成的復合膜掩模層42，如圖2-4所示；
5) 制備體硅刻蝕掩模層4
采用雙面光刻機雙面光刻所述掩模層42，采用等離子刻蝕機刻蝕氮化硅膜，采用緩沖氫氟酸溶液腐蝕高溫二氧化硅，形成體硅刻蝕掩模層4，其中心有方孔41，如圖2-5所示；
6) 制備氧化鋯過渡層6
采用溶膠-凝膠法在硅片正面的振動膜層5上制備厚度為400納米的氧化鋯過渡
12層6，如圖2-6所示；
7) 制備PZT膜層7
采用溶膠-凝膠法在氧化鋯過渡層6上制備鐵電PZT膜層[Pbx(ZryTi其中x二l.l， y=0.52]，其厚度為1.6微米，采用濕法刻蝕所述鐵電PZT膜層，形成環(huán)形PZT膜層，如圖2-7所示；
8) 制備電極8
在硅片正面采用真空蒸鍍法沉積厚度為20納米的Cr，再采用真空蒸鍍法沉積厚度為120納米的Au，采用濕法腐蝕的方法形成圓形叉指結(jié)構(gòu)的電極8，如圖2-8所示;其叉指電極叉指對數(shù)為2對，電極寬度為10微米，電極間距為20微米，電極圖形如圖4所示；
9) PZT膜極化
采用直流電源在室溫下對面內(nèi)極化的鐵電PZT膜極化20分鐘，制成面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層7，其極化電壓為240伏，極化電場為12伏/微米；
10) 釋放振動膜圓形工作區(qū)域51
采用體硅刻蝕夾具將硅片正面保護并固定，放入氫氧化鉀溶液中進行體硅刻蝕，形成體硅刻蝕方杯l，在體硅刻蝕方杯1與氧化鋅犧牲層3交界處，繼續(xù)腐蝕氧化鋅犧牲層，最終釋放出振動膜圓形工作區(qū)域51，如圖2-9所示，便制作出本實施例的基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器。
實施例3，采用本發(fā)明方法制備一基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器，其步驟如下
1) 硅片熱氧化
用酸性清洗液和堿性清洗液清洗硅片，之后用去離子水沖洗并烘千，將硅片放入氧化爐中，在硅片正面和背面分別熱氧化生長4微米m面高溫二氧化硅層22和背面高溫二氧化硅層23，如圖2-l所示；
2) 制備高溫二氧化硅圓形倒模層2
分別在所述正面高溫二氧化硅層22和背面高溫二氧化硅層23上旋涂正性光刻膠，硅片正面光刻并采用緩沖氫氟酸溶液腐蝕高溫二氧化硅層，形成中心處具有中心圓孔21的高溫二氧化硅圓形倒模層2，其半徑為1000微米，高溫二氧化硅圓形倒模層2和背面高溫二氧化硅層23上分別涂有光刻膠一 24和光刻膠二 25，如圖2-2所示；
3) 制備圓形氧化鋅犧牲層3
在所述光刻膠一 24和中心圓孔21內(nèi)的硅片上濺射4微米氧化鋅犧牲層，去除光刻膠一 24和光刻膠二 25，剝離形成圓形氧化鋅犧牲層3，其位于所述中心圓孔21內(nèi)，并與中心圓孔21的形狀和厚度相同，如圖2-3所示；
4) 制備振動膜層5
采用低壓化學氣相沉積法在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層2和圓形氧化鋅犧牲層3上生長氮化硅膜0. 5微米，再采用等離子體增強化學氣相沉積法在該氮化硅膜上生長低溫二氧化硅膜0. 9微米；所述硅片背面高溫二氧化硅層23上生長氮化硅膜，此時振動膜層5為由氮化硅和低溫二氧化硅構(gòu)成的復合膜層，硅片背面為高溫二氧化硅層23和氮化硅膜構(gòu)成的復合膜掩模層42，如圖2-4所示；
5) 制備體硅刻蝕掩模層4
采用雙面光刻機雙面光刻所述掩模層42，采用等離子刻蝕機刻蝕氮化硅膜，采用緩沖氫氟酸溶液腐蝕高溫二氧化硅，形成體硅刻蝕掩模層4，其中心有方孔41，如圖2-5所示；
6) 制備氧化鋯過渡層6
采用溶膠-凝膠法在硅片正面的振動膜層5上制備厚度為400納米的氧化鋯過渡層6，如圖2-6所示；
7) 制備PZT膜層7
采用溶膠-凝膠法在氧化鋯過渡層6上制備鐵電PZT膜層[Pb,(ZrJi卜y)03，其中x=l.l， y=0.52]，其厚度為1.6微米，采用濕法刻蝕所述鐵電PZT膜層，形成環(huán)形PZT膜層，如圖2-7所示；
8) 制備電極8
在硅片正面采用真空蒸鍍法沉積厚度為20納米的Cr，再采用真空蒸鍍法沉積厚度為120納米的Au，采用濕法腐蝕的方法形成圓形叉指結(jié)構(gòu)的電極8，如圖2-8所示；其叉指電極叉指對數(shù)為1對，電極寬度為IO微米，電極間距為30微米，電極圖形如圖3所示；
9) PZT膜極化
采用直流電源在室溫下對面內(nèi)極化的鐵電PZT膜極化20分鐘，制成面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層7，其極化電壓為330伏，極化電場為ll伏/微米；
10) 釋放振動膜圓形工作區(qū)域51
采用體硅刻蝕夾具將硅片正面保護并固定，放入氫氧化鉀溶液中進行體硅刻蝕，形成體硅刻蝕方杯1，在體硅刻蝕方杯1與氧化鋅犧牲層3交界處，繼續(xù)腐蝕氧化鋅犧牲層，最終釋放出振動膜圓形工作區(qū)域51，如圖2-9所示，便制作出本實施例的基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器。
實施例4，采用本發(fā)明方法制備一基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器，其步驟如下
141) 硅片熱氧化
用酸性清洗液和堿性清洗液清洗硅片，之后用去離子水沖洗并烘干，將硅片放入氧化爐中，在硅片正面和背面分別熱氧化生長2微米正面高溫二氧化硅層22和背面高溫二氧化硅層23，如圖2-1所示；
2) 制備高溫二氧化硅圓形倒模層2
分別在所述正面高溫二氧化硅層22和背面高溫—氧化硅層23上旋涂正性光刻膠，硅片正面光刻并采用緩沖氫氟酸溶液腐蝕高溫二氧化硅層，形成中心處具有中心圓孔21的高溫二氧化硅圓形倒模層2，其半徑為500微米，高溫二氧化硅圓形倒模層2和背面高溫二氧化硅層23上分別涂有光刻膠一 24和光刻膠二 25，如圖2-2所示；
3) 制備圓形氧化鋅犧牲層3
在所述光刻膠一 24和中心圓孔21內(nèi)的硅片上濺射2微米氧化鋅犧牲層，去除光刻膠一 24和光刻膠二 25，剝離形成圓形氧化鋅犧牲層3，其位于所述中心圓孔21內(nèi)，并與中心圓孔21的形狀和厚度相同，如圖2-3所示；
4) 制備振動膜層5
采用等離子體增強化學氣相沉積法在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層2和圓形氧化鋅犧牲層3上生長正面生長1微米低溫二氧化硅膜，此時振動膜層5為低溫二氧化硅膜層，硅片背面為高溫二氧化硅層23構(gòu)成的掩模層42，如圖2-4所示；
5) 制備體硅刻蝕掩模層4
采用雙面光刻機雙面光刻所述掩模層42，采用緩沖氫氟酸溶液腐蝕高溫二氧化硅掩模層42，形成體硅刻蝕掩模層4，其中心有方孔41，如圖2-5所示；
6) 制備氧化鋯過渡層6
采用溶膠-凝膠法在硅片正面的振動膜層5上制備厚度為300納米的氧化鋯過渡層6，如圖2-6所示；
7) 制備PZT膜層7
采用溶膠-凝膠法在氧化鋯過渡層6上制備鐵電PZT膜層[Pb.(Zr,Ti卜y)03，其中x=l. 1， y=0. 52]，其厚度為1微米，采用濕法刻蝕所述鐵電PZT膜層，形成圓形PZT膜層；
8) 制備電極8
在硅片正面采用真空蒸鍍法沉積厚度為20納米的Cr，再采用真空蒸鍍法沉積厚度為120納米的Au，采用濕法腐蝕的方法形成圓形叉指結(jié)構(gòu)的電極8;其叉指電極叉指對數(shù)為1對，電極寬度為10微米，電極間距為30微米，電極圖形如圖6所示；
9) PZT膜極化
采用直流電源在室溫下對面內(nèi)極化的鐵電PZT膜極化20分鐘，制成面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層7，其極化電壓為330伏，極化電場為11伏/微米；10)釋放振動膜圓形工作區(qū)域51
采用體硅刻蝕夾具將硅片正面保護并固定，放入氫氧化鉀溶液中進行體硅刻蝕，形成體硅刻蝕方杯1，在體硅刻蝕方杯1與氧化鋅犧牲層3交界處，繼續(xù)腐蝕氧化鋅犧牲層，最終釋放出振動膜圓形工作區(qū)域51，如圖5所示，便制作出本實施例的基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器。
實施例5，采用本發(fā)明方法制備一基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器，其步驟如下
1) 硅片熱氧化
用酸性清洗液和堿性清洗液清洗硅片，之后用去離子水沖洗并烘干，將硅片放入氧化爐中，在硅片正面和背面分別熱氧化生長2微米正面高溫二氧化硅層22和背面高溫二氧化硅層23,如圖2-l所示；
2) 制備高溫二氧化硅圓形倒模層2
分別在所述正面高溫二氧化硅層22和背面高溫二氧化硅層23上旋涂正性光刻膠，硅片正面光刻并采用緩沖氫氟酸溶液腐蝕高溫二氧化硅層，形成中心處具有中心圓孔21的高溫二氧化硅圓形倒模層2,其半徑為500微米，高溫二氧化硅圓形倒模層2和背面高溫二氧化硅層23上分別涂有光刻膠一 24和光刻膠二 25,如圖2-2所示；
3) 制備圓形氧化鋅犧牲層3
在所述光刻膠一 24和中心圓孔21內(nèi)的硅片上濺射2微米氧化鋅犧牲層，去除光刻膠一 24和光刻膠二 25，剝離形成圓形氧化鋅犧牲層3，其位于所述中心圓孔21內(nèi)，并與中心圓孔21的形狀和厚度相同，如圖2-3所示；
4) 制備振動膜層5
采用等離子體增強化學氣相沉積法在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層2和圓形氧化鋅犧牲層3上生長正面生長1微米低溫二氧化硅膜，此時振動膜層5為低溫二氧化硅膜層，硅片背面為高溫二氧化硅層23構(gòu)成的掩模層42，如圖2-4所示；
5) 制備體硅刻蝕掩模層4
采用雙面光刻機雙面光刻所述掩模層42，采用緩沖氫氟酸溶液腐蝕高溫二氧化硅掩模層42，形成體硅刻蝕掩模層4，其中心有方孔41，如圖2-5所示；
6) 制備氧化鋯過渡層6
采用溶膠-凝膠法在硅片正面的振動膜層5上制備厚度為300納米的氧化鋯過渡層6，如圖2-6所示；
7) 制備PZT膜層7
16采用溶膠-凝膠法在氧化鋯過渡層6上制備鐵電PZT膜層[PV(ZryTi卜y)03，其中 x=l.l， y=0.52]，其厚度為l微米，采用濕法刻蝕所述鐵電PZT膜層，形成圓形PZT 膜層；
8) 制備電極8
在硅片正面采用真空蒸鍍法沉積厚度為20納米的Cr，再采用真空蒸鍍法沉積厚 度為120納米的Au，采用濕法腐蝕的方法形成圓形叉指結(jié)構(gòu)的電極8;其叉指電極叉 指對數(shù)為3對，電極寬度為10微米，電極間距為5微米，電極圖形如圖7所示；
9) PZT膜極化
采用直流電源在室溫下對面內(nèi)極化的鐵電PZT膜極化20分鐘，制成面內(nèi)極化的 鐵電PZT膜層7，其極化電壓為70伏，極化電場為14伏/微米；
10) 釋放振動膜圓形工作區(qū)域51
采用體硅刻蝕夾具將硅片正面保護并固定，放入氫氧化鉀溶液中進行體硅刻蝕， 形成體硅刻蝕方杯l，在體硅刻蝕方杯1與氧化鋅犧牲層3交界處，繼續(xù)腐蝕氧化鋅 犧牲層，最終釋放出振動膜圓形工作區(qū)域51，如圖5所示，便制作出本實施例的基 于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器。
上述實施例中的壓電微傳聲器，振動膜釋放后為圓形，沒用應力集中現(xiàn)象，振動 膜釋放過程不會破裂，制作成品率高；工藝中不需生長PZT膜的底電極，氧化鋯過渡 層的存在降低了PZT膜與振動膜材料的應力失配，工藝簡單、兼容性好。壓電膜的工 作區(qū)域為傳聲器圓形振動膜的中心或邊緣區(qū)域，利用了傳聲器振動膜的應力最大區(qū) 域；PZT膜采用面內(nèi)極化，利用了PZT膜的更高的壓電常數(shù)(J33;面內(nèi)極化的PZT膜的 電極間距為10-30微米，遠大于傳統(tǒng)厚度極化工作模式中壓電微傳聲器的電極間距， 它的電極間距為壓電膜厚度， 一般小于2微米；上述方法可以大大提高壓電微傳聲器 的靈敏度。在相同的橫向尺寸前提下，本發(fā)明實施例三制備的壓電微傳聲器可以將傳 統(tǒng)的壓電微傳聲器的靈敏度提高20-40倍。
1權(quán)利要求
1、一種基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器，其特征在于，其由從上至下依次放置的電極、面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層、氧化鋯過渡層、振動膜層、高溫二氧化硅圓形倒模層、體硅刻蝕方杯和體硅刻蝕掩模層組成；所述振動膜層為氮化硅膜層、低溫二氧化硅膜層或為由氮化硅膜和低溫二氧化硅膜構(gòu)成的復合膜層；所述低溫二氧化硅膜中的低溫二氧化硅是采用等離子體增強化學氣相沉積法制備的二氧化硅；所述高溫二氧化硅圓形倒模層中心處設有中心圓孔，該高溫二氧化硅圓形倒模層的高溫二氧化硅是采用熱氧化法制備的二氧化硅；所述振動膜中心處的圓形工作區(qū)域直徑與所述高溫二氧化硅圓形倒模層中心處的中心圓孔直徑相同；所述體硅刻蝕掩模層中心處設有中心方孔；所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層及電極構(gòu)成的電容位于所述振動膜的圓形工作區(qū)域的中心或邊緣；所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層為圓形膜層或環(huán)形膜層，所述電極為具有相同圓心的圓形叉指結(jié)構(gòu)的電極；所述體硅刻蝕方杯下表面中心處設有與所述體硅刻蝕掩模層的中心方孔尺寸相同的方形孔，體硅刻蝕方杯上表面中心處設有中心方形孔，該中心方形孔對角線長度小于所述中心圓孔的直徑。
2、 按權(quán)利要求1所述的基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器，其特 征在于，所述電極厚度為150-300納米；所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層厚度為0.5-2 微米；所述氧化鋯過渡層厚度為300-500納米；所述振動膜層厚度為0.5-2微米；高 溫二氧化硅圓形倒模層厚度為1-4微米。
3、 按權(quán)利要求1所述的基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器，其特 征在于，所述振動膜圓形工作區(qū)域的半徑為300-3000微米。
4、 按權(quán)利要求1所述的基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器，其特 征在于，所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層及電極構(gòu)成的電容位于所述振動膜的圓形工作 區(qū)域中心時，該面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層為圓形，其半徑小于所述圓形工作區(qū)域半徑 的70%。
5、 按權(quán)利要求1所述的基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器，其特 征在于，所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層及電極構(gòu)成的電容位于所述振動膜的圓形工作 區(qū)域邊緣時，該面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層為圓環(huán)形，該圓環(huán)形環(huán)內(nèi)沿到所述振動膜的 圓形工作區(qū)域外沿的距離小于所述圓形工作區(qū)域半徑的30%。
6、 按權(quán)利要求1所述的基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器，其特 征在于，所述電極的圓形叉指電極的叉指對數(shù)為1-30對，電極寬度為5-100微米， 電極間距為5-100微米。
7、 一種權(quán)利要求1所述的基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器的制 備方法，包括以下步驟1) 硅片熱氧化在一硅片正面和背面分別熱氧化生長1-4微米正面高溫二氧化硅層和背面高溫 二氧化硅層；2) 制備高溫二氧化硅圓形倒模層分別在所述硅片的正面高溫二氧化硅層和背面高溫二氧化硅層上旋涂JT性光刻 膠，對所述正面高溫二氧化硅層進行正面光刻并采用緩沖氫氟酸溶液腐蝕正面高溫二 氧化硅層，形成中心帶有中心圓孔的高溫二氧化硅圓形倒模層；所述高溫二氧化硅圓形倒模層上表面和所述背面高溫二氧化硅層上分別涂有光刻膠一和光刻膠二；3) 制備圓形氧化鋅犧牲層在所述光刻膠一和中心圓孔內(nèi)的硅片上濺射1-4微米氧化鋅犧牲層，去除光刻膠 一和光刻膠二，剝離形成圓形氧化鋅犧牲層，所述圓形氧化鋅犧牲層位于所述中心圓 孔內(nèi)，并與中心圓孔厚度相同；4) 制備振動膜層在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層和圓形氧化鋅犧牲層上生長厚度為 0. 5-2微米的振動膜層；該振動膜層采用下述方法中的任一種制備(a) 采用低壓化學氣相沉積法在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層和圓形氧 化鋅犧牲層上生長氮化硅膜，在硅片背面的高溫二氧化硅層上生長氮化硅膜，此時形 成的振動膜層為氮化硅膜層；所述硅片背面為由高溫二氧化硅層和氮化硅膜構(gòu)成的復 合膜掩模層；(b) 采用等離子體增強化學氣相沉積法在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層 和圓形氧化鋅犧牲層上生長低溫二氧化硅膜，此時形成的振動膜層為低溫二氧化硅膜 層，硅片背面為高溫二氧化硅層構(gòu)成的掩模層；(c) 采用低壓化學氣相沉積法在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層和圓形氧 化鋅犧牲層上生長氮化硅膜，再采用等離子體增強化學氣相沉積法在該氮化硅膜上生 長低溫二氧化硅膜；所述硅片背面的高溫二氧化硅層上生長氮化硅膜，此時形成的振 動膜層為由氮化硅和低溫二氧化硅膜構(gòu)成的復合膜層，硅片背面為高溫二氧化硅層和 氮化硅膜構(gòu)成的復合膜掩模層；5) 制備體硅刻蝕掩模層采用雙面光刻機雙面光刻所述掩模層或復合膜掩模層，當所述掩模層為高溫二氧化硅層和氮化硅膜構(gòu)成的復合膜時，氮化硅膜釆用等離子刻蝕機進行刻蝕，高溫二氧 化硅采用緩沖氫氟酸溶液進行腐蝕，當所述掩模層為高溫二氧化硅層時，采用緩沖氫 氟酸溶液進行腐蝕，形成體硅刻蝕掩模層，所述體硅刻蝕掩模層中心處具有中心方孔;6) 制備氧化鋯過渡層采用溶膠-凝膠法在硅片正面的振動膜層上制備厚度為300-500納米的氧化鋯過 渡層；7) 制備鐵電PZT膜層采用溶膠-凝膠法在所述氧化鋯過渡層上制備鐵電PZT膜層，所述鐵電PZT膜層 的組分為Pbx(Zr/ri卜y)03，其中x=l. 1， y=0. 52，所述鐵電PZT膜層厚度為0. 5-2微米， 再采用濕法刻蝕方法對鐵電PZT膜層進行刻蝕，形成圓形或環(huán)形鐵電PZT膜層；該鐵 電PZT膜層位于所述振動膜的圓形工作區(qū)域的中心或邊緣；8) 制備電極在硅片正面的鐵電PZT膜層上采用濺射、真空蒸鍍或離子鍍法沉積電極，所述電 極為Al層、在金屬Cr層上生長金屬Au層構(gòu)成的An/Cr復合膜或為在金屬Ti層上生 長金屬Pt層構(gòu)成的Pt/Ti復合膜，該電極厚度為150-300納米，采用正膠剝離或濕 法腐蝕法形成電極，所述電極為具有相同圓心的圓形叉指結(jié)構(gòu)；9) PZT膜極化采用直流電源對鐵電PZT膜層進行極化，形成面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層，極化電 場為10-30伏/微米；10) 釋放振動膜圓形工作區(qū)域采用體硅刻蝕夾具將硅片正面保護并固定，放入氫氧化鉀溶液中進行體硅刻蝕， 形成體硅刻蝕方杯，在體硅刻蝕方杯與氧化鋅犧牲層交界處，繼續(xù)腐蝕氧化鋅犧牲層， 最終釋放出振動膜圓形工作區(qū)域，制得基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器o
全文摘要
基于鐵電PZT膜面內(nèi)極化工作的硅微壓電傳聲器及其制備方法屬于硅微壓電傳聲器技術(shù)領域，其特征在于硅微壓電傳聲器由從上到下依次放置的電極、面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層、氧化鋯過渡層、振動膜層、高溫二氧化硅圓形倒模層、體硅刻蝕方杯和體硅刻蝕掩模層組成。所述的微傳聲器的振動膜層的工作區(qū)域為圓形結(jié)構(gòu)，PZT膜及電極構(gòu)成的電容位于微傳聲器振動膜圓形工作區(qū)域的中心或邊緣，PZT膜的圖形為圓形或環(huán)形，電極圖形為具有相同圓心的圓形叉指結(jié)構(gòu)。采用本發(fā)明所述的面內(nèi)極化的PZT膜工作的硅微壓電傳聲器，不需沉積PZT膜的底電極，簡化了工藝，通過改變PZT膜和叉指電極在振動膜圓形工作區(qū)域上的位置、叉指電極間距大小可明顯提高壓電微傳聲器的靈敏度。
文檔編號H04R17/02GK101646115SQ200810227949
公開日2010年2月10日 申請日期2008年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月3日
發(fā)明者劉夢偉, 李俊紅, 汪承灝 申請人:中國科學院聲學研究所