专利名称：面向定位与测距应用的微超声器件制作工艺的制作方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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。
发明内容
本发明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。
本发明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。
本发明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。
图1为本发明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)为本发明的制作工艺流程图。
(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发明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所示为本发明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。本发明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-下电极铂层3、可振动的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厚度为300～800微米，热氧化的二氧化硅层2的厚度是200～1000纳米，磁控溅射的金属钛粘附层厚度为20～30纳米及下电极铂层3厚度为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厚度为200～1000纳米，磁控溅射的上电极铂层5厚度为150～200纳米，等离子增强化学气相淀积的二氧化硅层7的厚度是200～400纳米，磁控溅射的下铝电极7和上铝电极8厚度为400～1500纳米。
下面介绍一个具体的面向定位与测距应用的微超声器件的制作工艺，结合图3所示实施例对本发明予以进一步说明在硅衬底1上制备复合结构SiO2/Ti/Pt/PZT/Pt/SiO2/Al，各层薄膜的厚度分别为1000/20/200/500/150/300/1000纳米，其中可振动的铁电薄膜层结构为SiO2/Ti/Pt/PZT/Pt/SiO2，薄膜横向尺寸为1000微米×1000微米。具体制作工艺过程如下(a)以直径为3英寸，厚度为400±10微米、双面抛光的P型硅片作为硅衬底1(衬底电阻率为1-10Ω·cm)，用浓硫酸和双氧水的等量混合液煮沸10分钟，然后去离子水漂洗并烘干；将硅片放入氧化炉中，在1050℃下，在硅衬底两面热氧化生成200纳米的二氧化硅层101；采用低压化学气相淀积方法，在740～780℃下，在硅片两面形成厚度为200纳米的氮化硅层102；(b)采用反应离子刻蚀的方法(功率为100W)刻蚀，去除光刻胶，由此背面形成体硅腐蚀所需的背腔窗口103；(c)在浓度为33wt％、温度为80℃的氢氧化钾溶液里进行体硅腐蚀，水浴温度为80℃，形成背腔9，反应后的残留硅层的厚度约为50微米；
(d)用40％的氢氟酸(水浴加热至90℃)腐蚀去除硅衬底1上背腔窗口103内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1000纳米的二氧化硅层2；(f)在硅片正面磁控溅射钛层-下电极铂层3先用1600W的直流功率溅射钛20纳米(利于铂与二氧化硅基底的粘附)，再用450W的交流功率溅射铂200纳米；(g)用磁控溅射或“溶胶-凝胶”法制备500纳米PZT(锆钛酸铅)铁电薄膜4；(h)用400W的交流功率溅射铂层150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5；(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300纳米二氧化硅层6；(j)先光刻形成接触孔窗口；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701；(k)在3.75KW的直流功率下，磁控溅射制备铝1000纳米，采用正胶剥离或者磷酸湿法刻蚀形成下铝电极7和上铝电极8；(l)用缓冲氢氟酸漂掉背面的热氧化硅层101；(m)采用感应耦合离子刻蚀的方法，在400W的功率下，减薄背腔内硅层至硅衬底1上热氧二氧化硅层时停止。
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。
权利要求
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400～450W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。
全文摘要
本发明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。
文档编号G01S7/521GK1731595SQ20051009379
公开日2006年2月8日 申请日期2005年8月31日 优先权日2005年8月31日
发明者任天令, 朱一平, 杨轶, 刘理天 申请人:清华大学