[發(fā)明專利]一種基于AlN的壓電MEMS水聽器及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010557151.2
• 申請(qǐng)日: 2020-06-18
• 公開（公告）號(hào): CN111816755A
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張志東;薛晨陽;鄭永秋;崔丹鳳;張?jiān)鲂?/a>;王強(qiáng);趙龍;楊婷婷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中北大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L41/18
• 分類號(hào): H01L41/18;B81B7/02;H01L41/297;H01L41/33
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務(wù)所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;武建云

本發(fā)明公開了一種基于AlN的壓電MEMS水聽器及其制備方法，包括在SOI的器件硅層上的濺射的Mo/AlN/Mo作為下電極層、壓電層、上電極層以及器件表面的SiO₂保護(hù)層，在SOI背部進(jìn)行深硅刻蝕至SOI的埋氧層來釋放振動(dòng)薄膜。通過優(yōu)化AlN壓電薄膜的厚度和對(duì)上電極進(jìn)行圖形化以獲得最大的輸出。本發(fā)明壓電水聽器具有體積小、線性度好、靈敏度高、可批量制造的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及壓電水聽器領(lǐng)域，具體為一種以AlN為壓電材料的低頻、高靈敏度的MEMS壓電水聽器。

背景技術(shù)

隨著MEMS技術(shù)的快速發(fā)展，微型化、低功耗的傳感器受到越來越多人的關(guān)注。水聽器作為探測水下聲信號(hào)的設(shè)備也隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展迅速發(fā)展。其中壓電水聽器由于其獨(dú)特的性能優(yōu)勢逐漸成為水聽器的重要形式。壓電材料是一類具有壓電效應(yīng)的材料，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力與電荷之間的轉(zhuǎn)換。正壓電效應(yīng)是指壓電材料在機(jī)械應(yīng)力作用下產(chǎn)生電荷，逆壓電效應(yīng)是指壓電材料在受到電場作用時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力的物理效應(yīng)。超聲換能器發(fā)射聲波和接收聲波時(shí)分別利用的是壓電材料的逆壓電和正壓電效應(yīng)。

壓電水聽器的大部分研究工作都是基于鋯鈦酸鉛和氮化鋁兩種壓電材料。PZT作為最常用的壓電材料，壓電系數(shù)大，但損耗也嚴(yán)重，且難以制成微米級(jí)的薄膜，常用于大功率壓電換能器。氮化鋁具有電絕緣性和優(yōu)異的導(dǎo)熱性，對(duì)于需散熱的應(yīng)用而言，它是理想之選。此外，由于其熱膨脹系數(shù)接近硅，且具有優(yōu)異的等離子體抗性，可被用于制造半導(dǎo)體加工設(shè)備部件。A1N壓電系數(shù)相對(duì)較小，但介電系數(shù)也很小，且工藝能和COMS集成。此外由于PZT材料本身具有較高的聲阻抗（～35MRayl），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的聲阻抗（～430Rayl），大量的聲能在界面處被反射。

另外聚偏氟乙烯（PVDF），氧化鋅（ZnO）和石英也是常見的的壓電材料。PVDF是另一種工作在厚度模式的壓電材料，具有良好的聲阻抗匹配性能（～2MRayl）和低密度的特點(diǎn)，可制作成柔性壓電器件。主要應(yīng)用有心電圖傳感器，壓力傳感器和水聲超聲測量等。由于壓電應(yīng)變常數(shù)低，尺寸控制難度大，不適合用作超聲換能器。石英為單晶，具有高Q值和高溫度穩(wěn)定性，但介電常數(shù)低，壓電效應(yīng)弱，且壓電效應(yīng)受切型的限制，主要用作時(shí)鐘振蕩器。氧化鋅具有優(yōu)良的光電，壓電和介電特性，且高強(qiáng)度，抗輻射。由于氧化鋅為兩性氧化物，抗腐蝕能力不強(qiáng)，不適合一些惡劣環(huán)境檢測，多用于太陽能電池透明電極和紫外探測器等領(lǐng)域。

基于AlN壓電材料的上述獨(dú)特性能，將AlN壓電材料應(yīng)用于水聽器正在成為當(dāng)前的熱點(diǎn)方向。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是提供一種基于AlN的壓電MEMS水聽器及其制備方法，通過在SOI的器件硅層上濺射的Mo/AlN/Mo作為下電極層、壓電層、上電極層以及器件表面的SiO₂保護(hù)層，在SOI背部進(jìn)行深硅刻蝕至SOI的埋氧層來釋放振動(dòng)薄膜，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱聲信號(hào)的探測，具有較高的靈敏度和線性度。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于AlN的壓電MEMS水聽器，包括SOI基底，所述SOI基底的器件硅層上依次濺射沉積下電極層、AlN壓電層及上電極層，所述上電極層采用干法刻蝕形成圖形化后的上電極，之后采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積生長SiO₂保護(hù)層，之后刻蝕掉圖形化后的上電極上的SiO₂保護(hù)層，采用剝離的方法在上電極上濺射沉積上電極焊盤，之后刻蝕掉下電極焊盤對(duì)應(yīng)位置的SiO₂保護(hù)層及AlN壓電層后裸露出部分下電極，在裸露出的下電極上采用剝離的方法濺射沉積下電極焊盤；所述SOI基底的硅襯底背部深硅刻蝕空腔以釋放振動(dòng)薄膜；所述圖形化后的上電極大小應(yīng)位于空腔對(duì)應(yīng)的區(qū)域內(nèi)。

優(yōu)選的，所述SOI基底的器件硅層和下電極層之間濺射沉AlN種子層。