膜片上FBAR结构的微麦克风制造技术

本发明专利技术公开了膜片上FBAR结构的微麦克风，包括基底、检测元件和复合弹性支撑层，基底位于复合弹性支撑层下方，检测元件位于复合弹性支撑层的上方，复合弹性支撑层用于支撑检测元件；基底包括Si基座与空腔，Si基座外形为一长方体，Si基座的中间设置有喇叭状的通孔，通孔孔径较小端位于Si基座的上表面，Si基座上表面紧贴于复合弹性支撑层下表面，通孔与复合弹性支撑层之间形成为空腔；空腔顶面对应的复合弹性支撑层的部分为弹性膜片，弹性膜片用于形成振膜，空腔顶面和侧面形成声波反射界面；检测元件包括FBAR、引线、焊盘，FBAR通过引线与焊盘连接；本发明专利技术具有可制造性好、温度稳定性高、模态交叉耦合小和机械强度高的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子机械系统器件领域，具体设及一种膜片上FBAR(薄膜体声波谐 振器，filmbulkacoustic-waveresonators)结构的微麦克风，该结构的微麦克风具有刚 度高，交叉禪合小，灵敏度高及线性度好等特点。 技术背景 微麦克风是最重要的MEMS传感器之一，目前主要采用驻极体、电容、压电等检测 原理，表头输出微弱的模拟信号，容易受到环境温度、寄生电容等因素的影响，易于导致器 件可靠性、稳定性等方面的问题。薄膜体声波谐振器（FBAR，thin-filmbu化acousticwaveresonators)是一种 新型的微型电声谐振器，具有高灵敏度、高工作频率和低功耗等特点。WFBAR替代压电传 感器，结合复合弹性支撑层，可W构建一种新型的电声谐振式微麦克风，满足高灵敏度、稳 定性好的中高精度微麦克风的需求。微麦克风的工作原理是；当声波作用于振膜时，带动振 膜变形，使得集成在振膜的FBAR产生应变，导致FBAR谐振频率偏移；利用适当的射频电路 或矢量网络分析仪测量FBAR的谐振频率偏移，实现声波信号的读出或测量。 中国台湾新竹市清华大学公开了公开号为CN102264020A、公开日为2011年11月 30日的中国专利技术专利。该专利公开了一种微机电电容式麦克风，主要特点是振膜为一刚性 振膜，并设置于一弹性元件上，使得刚性振膜得W借弹性元件的弹性作用平行一背极板的 法向量方向位移，从而获得刚性振膜与背极板间的电容变化。该专利技术的灵敏度较低，且制作 工艺较为复杂。 中国江苏省华景传感科技（无锡）有限公司謬建民公开了公开号为 CN103067838A、公开日为2013年4月24日的中国专利技术专利。该专利公开了一种高灵敏度 压电式娃麦克风及制备方法，利用压电材料的机电换能性质将声波信号转化为电信号。但 压电材料易受外界温度的影响，导致产生测量误差。而本专利技术利用FBAR的电声谐振特性将 声波信号转化为FBAR的谐振频率偏移来实现声波信号的读出或测量，该在麦克风设计中 是一种全新的设计原理与方法，并且采用了具有Si化层温度补偿层的膜片，能够实现声波 信号测量或读出的高灵敏度要求，可望满足消费电子、汽车电子、航空航天、武器工程等领 域对高灵敏度、高稳定性、可制造性好的新型麦克风的应用需求。
技术实现思路
本专利技术提供了一种膜片上FBAR结构的微麦克风，该种结构的微麦克风除了具有 高灵敏度、低功耗、高可靠性、制造性好、高工作频率（f。在GHz量级），还能改善温度对FBAR 灵敏度的影响，增加了器件的机械强度，一阶模态频率与其他阶相隔较远，交叉禪合小，且 采用工艺较为简单的背腔刻蚀工艺即可形成弹性膜片；膜片上FBAR结构的微麦克风，可能 满足高灵敏度需求。 为实现上述目的，本专利技术采取W下技术方案：[000引膜片上FBAR结构的微麦克风，其特征在于：包括基底、检测元件和复合弹性支撑 层，基底位于复合弹性支撑层下方，检测元件位于复合弹性支撑层的上方，复合弹性支撑层 用于支撑检测元件；基底包括Si基座与空腔，Si基座外形为一长方体，Si基座的中间设置 有卿趴状的通孔，通孔孔径较小的一端位于Si基座的上表面，Si基座的上表面紧贴于复 合弹性支撑层的下表面，通孔与复合弹性支撑层之间形成为空腔；空腔顶面对应的复合弹 性支撑层的部分为弹性膜片，空腔侧面为通孔的内壁，空腔的底面为开放区域，所述弹性膜 片用于形成振膜，空腔的顶面和侧面形成声波反射界面；检测元件包括FBAR、引线、焊盘， FBAR通过引线与焊盘连接。 对于检测元件，进一步具体结构和连接关系为： 所述FBAR包括有压电振荡堆，压电振荡堆位于空腔上面对应的弹性膜片应力集 中部分；压电振荡堆由下到上依次包括底电极、压电层、顶电极，底电极紧贴设置于弹性膜 片上面，压电层底面的一部分紧贴底电极上面，压电层底面的另一部分向弹性膜片中屯、方 向包覆底电极侧面并延伸至弹性膜片上面，顶电极底面的一部分紧贴压电层的上面，顶电 极底面的另一部分向弹性膜片中屯、方向包覆压电层侧面并延伸至弹性膜片上面。其中， FBAR的压电振荡堆的数量> 1。 所述引线包括底电极引线与顶电极引线，焊盘包括底电极焊盘与顶电极焊盘， FBAR的底电极通过底电极引线与底电极焊盘连接，FBAR的顶电极通过顶电极引线与顶电 极焊盘连接。 所述检测元件通过S次沉积和图形化工艺形成，具体为；底电极、底电极引线、及 底电极焊盘在第一次金属层沉积和图形化时形成；压电堆在第二次压电材料沉积和图形 化时形成；顶电极、顶引线及顶电极焊盘在第=次金属层沉积和图形化时形成；底电极、顶 电极位于弹性膜片之上，由于弹性膜片是一个连续、完整的平面，底电极引线、顶电极引线 可W在弹性膜片上灵活布线，底电极焊盘、顶电极焊盘均设置于Si基座支撑的复合弹性支 撑层上面。 所述空腔是通过娃衬底背面刻蚀形成。 为了获得高性能的FBAR，需将声波限制在由底电极-压电层-顶电极组成的压电 振荡堆中。根据传输线理论，当负载为零或无穷大时，入射波将全反射，空气的声阻抗近似 等于零，可W作为良好的声波反射边界。而压电振荡堆中顶电极一般与空气接触，自然形成 了良好的声波反射界面，底电极因置于复合弹性支撑层上面所W需要人为地形成声波反射 界面，在本专利技术中即是空腔的顶面（弹性膜片）与空腔的侧面（通孔的内壁）形成声波反 射界面。 对于复合弹性支撑层，进一步的具体限定为： 所述复合弹性支撑层是X-Y平面内的正方形沿正Z轴方向拉伸的方形膜片，复合 弹性支撑层包括Si〇2层和SisNjl，SiO2层与Si基座连接，Si3N4层位于SiO2层上面，复合 弹性支撑层的拉伸高度即为Si〇2层与Si sNjl的厚度之和。 所述复合弹性支撑层的弹性膜片不仅作为振膜，也作为FBAR中的压电振荡堆的 支撑层。[001引所述复合弹性支撑层中的Si02层具有正温度系数，通过CVD工艺制备；FBAR的压 电层具有负温度系数；复合弹性支撑层的弹性膜片的Si02层与FBAR的压电层复合，进行温 度补偿，可提高FBAR的温度稳定性。 由FBAR串联谐振频率f；与压电层弹性系数C之间的关系式：fs=仰+ 2h 知，压电层的弹性系数C与串联谐振频率t成正比。现有的多数的压电层其内部原子间的 相互作用力一般都表现出负温度特性，即随着温度升高，原子间的相互作用力减弱，导致压 电层的弹性系数变小。而FBAR的谐振频率又与压电层的弹性系数成正比关系，因此，随着 温度的升高，FBAR的谐振频率减小。为降低该种温度-频率漂移特性的影响，必须对FBAR 进行温度补偿W提高其温度稳定性。由于Si〇2层的杨氏模量随温度的升高而增大，即其温 度系数为正值（约+85/°C)，因此，当正温度系数的Si〇2层在和负温度系数的压电层复合 时，会减小彼此的温度漂移，故采用Si化层作为弹性膜片中的下层结构。 所述Si〇2层作为娃衬底刻蚀时的自停止层；由于刻蚀剂刻蚀Si〇2的速度远小于刻 蚀Si的速度，可W确保娃衬底的刻蚀不会对Si〇2/Si3N4弹性膜片的厚度产生影响。 所述SisN4层与Si〇2层复合，可用于增强复合弹性支撑层的机械强度。同时，SisN4 层是绝缘材料，FBAR中的底电极可W直接瓣射在本文档来自技高网...

【技术保护点】
膜片上FBAR结构的微麦克风，其特征在于：包括基底、检测元件和复合弹性支撑层，基底位于复合弹性支撑层下方，检测元件位于复合弹性支撑层的上方，复合弹性支撑层用于支撑检测元件；基底包括Si基座与空腔，Si基座外形为一长方体，Si基座的中间设置有喇叭状的通孔，通孔孔径较小的一端位于Si基座的上表面，Si基座的上表面紧贴于复合弹性支撑层的下表面，通孔与复合弹性支撑层之间形成空腔；空腔顶面对应的复合弹性支撑层的部分为弹性膜片，空腔侧面为通孔的内壁，空腔的底面为开放区域，所述弹性膜片用于形成振膜，空腔的顶面和侧面形成声波反射界面；检测元件包括FBAR、引线、焊盘，FBAR通过引线与焊盘连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高杨，赵俊武，何婉婧，李君儒，黄振华，蔡洵，尹汐漾，赵坤丽，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院电子工程研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51