多层压电薄膜悬臂梁传感器及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种多层压电薄膜悬臂梁传感器及制备方法，采用牺牲层释放工艺，从正面释放牺牲层，来形成压电微悬臂梁结构，充分利用普遍采用的CMOS工艺完成，工艺简单可控，提高了压电悬臂梁传感器制造工艺与硅集成电路工艺的兼容性，避免了体硅衬底用湿法刻蚀从背面释放悬臂梁工艺中的污染问题。并且，采用多层压电薄膜和柔性支撑层，增大了传感器的灵敏度或执行器的变形幅度，提高了悬臂梁对外部激励的响应和信号输出。另外，采用柔性支撑层，简化了传感器结构和加工工艺，采用此结构的压电微传感器可以应用在任意尺寸，任意形状表面的物体上，扩展了微传感器的应用范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体
，具体涉及一种多层压电薄膜悬臂梁传感器及其制备方法。
技术介绍
压电原理是实现微传感器的另一种新途径。通过压电效应，力、加速度等待感知量可以直接在压电薄膜上输出电压，而逆压电效应使微传感器可以通过施加外电压驱动微结构产生位移，从而同时具备执行器功能。资料表明，利用压电薄膜材料制成的微传感器/执行器与现有的硅基材料微传感器/执行器相比具有无可比拟的优势，是微传感器研究发展的新领域。基于压电效应的传感器是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。目前，国际上多个研究机构都已经开展了对压电薄膜微传感器技术的研究，在压电薄膜微器件的原理、结构、性能等的理论分析方面已经取得了一定的成果，但是真正可以在实际中应用的压电微器件却很少，其关键问题:一是压电薄膜的微细加工技术和压电薄膜与硅集成电路工艺的兼容性问题尚未得到很好的解决；二是大部分的压电传感器采用体硅工艺，微结构的释放采用硅衬底背面腐蚀工艺，工艺复杂难控制，与目前普遍采用的集成电路工艺不兼容，而且易发生微结构与衬底粘连的问题，导致成品率降低。三是大部分的压电微传感器为便于设计加工和生产，多采用的是单压电薄膜的结构，限制了传感器的灵敏度或执行器的变形幅度，降低了悬臂梁对外部激励的响应以及信号的输出。四是已应用的压电微器件大多采用多晶硅、压电陶瓷等刚性支撑结构，对小信号激励的响应不敏感，灵敏度低；同时带刚性支撑结构的微器件无法在任意尺寸，任意形状表面的物体上应用。这些问题也是发展铁电不挥发存储器、室温型热释电红外探测器等新型器件亟待解决的关键技术。
技术实现思路
为了克服以上问题，本专利技术旨在提供一种多层压电薄膜悬臂梁传感器及其制备方法。为了达到上述目的，本专利技术提供了多层压电薄膜悬臂梁传感器，位于半导体衬底上，其包括:在半导体衬底中的空腔；位于部分所述半导体衬底表面和部分所述空腔上的柔性支撑层；位于所述柔性支撑层上的堆叠结构，所述堆叠结构包括:下电极和上电极；在所述下电极和所述上电极之间具有多个压电薄膜层，且相邻的压电薄膜层之间具有中间电极；覆盖于所述上电极上表面、所述堆叠结构的侧壁、以及部分所述半导体衬底表面的阻挡层；所述阻挡层具有释放孔，所述释放孔与所述空腔相连通。优选地，所述半导体衬底为N型或P型双面抛光的硅片。优选地，所述柔性支撑层的材料为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、或聚对苯二甲酸乙二脂。为了达到上述目的，本专利技术还提供了一种上述的多层压电薄膜悬臂梁传感器的制备方法，其包括:步骤01:提供一半导体衬底；步骤02:在所述半导体衬底中形成沟槽，并且在沟槽中形成牺牲层；步骤03:在所述牺牲层顶部和所述沟槽外部的所述半导体衬底表面形成柔性支撑层；步骤04:在所述柔性支撑层上形成下电极层，并且去除位于部分所述牺牲层上和部分所述半导体衬底表面的所述下电极层部分，以形成下电极；步骤05:在完成所述步骤04的半导体衬底上形成第一压电薄膜层，并且去除所述下电极上表面以外的所述第一压电薄膜层部分；步骤06:在完成所述步骤05的半导体衬底上形成中间电极层，并且去除所述第一压电薄膜层上表面以外的所述中间电极层部分，以形成中间电极；步骤07:在完成所述步骤06的半导体衬底上形成第二压电薄膜层，并且去除所述中间电极上表面以外的所述第二压电薄膜层部分；步骤08:将所述步骤06和所述步骤07重复K次之后，继续执行所述步骤09，其中，K为非负整数；步骤09:在完成所述步骤08的半导体衬底上形成上电极层，并且去除所述第二压电薄膜层上方以外的所述上电极层部分，以形成上电极；步骤10:刻蚀未被所述下电极覆盖的所述柔性支撑层部分，以暴露出部分所述牺牲层表面；步骤11:在完成所述步骤10的半导体衬底上形成阻挡层，并且刻蚀暴露的部分所述牺牲层表面上的所述阻挡层部分，以在所述阻挡层中形成释放孔；步骤12:采用释放工艺通过所述释放孔将所述牺牲层全部释放掉，从而在所述半导体衬底中形成空腔。优选地，所述步骤02具体包括:步骤021:经光刻和刻蚀工艺在所述半导体衬底中形成所述沟槽；步骤022:采用SACVD工艺在完成所述步骤021的半导体衬底上沉积所述牺牲层，并进行平坦化回流；步骤023:采用干法刻蚀工艺对所述牺牲层进行回刻，去除位于所述半导体衬底表面的所述牺牲层部分，从而使所述牺牲层的顶部和所述半导体衬底顶部齐平。优选地，所述步骤04具体包括:步骤041:采用光刻胶直接剥离工艺，在完成所述步骤03的半导体衬底上涂覆光刻胶，去除所述下电极区域上的光刻胶，保留所述下电极以外区域的光刻胶；步骤042:在完成所述步骤041的半导体衬底上沉积下电极层；步骤043:将整个所述半导体衬底浸入丙酮溶液中，将所述保留的光刻胶及其上的下电极层去除，从而在所述柔性支撑层上形成所述下电极。优选地，所述步骤05具体包括:步骤051:在完成所述步骤04的半导体衬底上形成第一压电薄膜材料；步骤052:在所述第一压电薄膜材料上涂覆一层光刻胶，经光刻在所述光刻胶中形成第一压电薄膜材料图案；步骤053:采用干法刻蚀工艺图形化所述第一压电薄膜材料，从而形成第一压电薄膜层；所述步骤07具体包括:步骤071:在完成所述步骤06的半导体衬底上形成第二压电薄膜材料；步骤072:在所述第二压电薄膜材料上涂覆一层光刻胶，经光刻在该光刻胶中形成第二压电薄膜材料图案；步骤073:采用干法刻蚀工艺图形化所述第二压电薄膜材料，从而形成第二压电薄膜层。优选地，所述步骤053中的干法刻蚀工艺采用含SF6、Cl2、Ar和02的气体；所述步骤073中的干法刻蚀工艺采用含SF6、Cl2、Ar和02的气体。优选地，所述步骤09中，采用各向异性刻蚀工艺来刻蚀所述柔性支撑层。优选地，所述步骤11中，采用各向同性湿法刻蚀技术来进行所述释放工艺。本专利技术的多层压电薄膜悬臂梁传感器及其制备方法，采用牺牲层释放工艺，从正面释放牺牲层，来形成压电微悬臂梁结构，充分利用普遍采用的CMOS工艺完成，工艺简单可控，提高了压电悬臂梁传感器制造工艺与硅集成电路工艺的兼容性，避免了体硅衬底用湿法刻蚀从背面释放悬臂梁工艺中的污染问题。并且，采用双层压电薄膜和柔性支撑层，增大了传感器的灵敏度或执行器的变形幅度，提高了悬臂梁对外部激励的响应和信号输出。另外，采用柔性支撑层，简化了传感器结构和加工工艺，采用此结构的压电微传感器可以应用在任意尺寸，任意形状表面的物体上，扩展了微传感器的应用范围。【附图说明】图1为本专利技术的一个较佳实施例的双层压电薄膜悬臂梁传感器的结构示意图图2为本专利技术的一个较佳实施例的双层压电薄膜悬臂梁传感器的制备方法的流程示意图图3?24为本专利技术的一个较佳实施例的双层压电薄膜悬臂梁传感器的制备方法的各制备步骤示意图【具体实施方式】为使本专利技术的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本专利技术的内容作进当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层压电薄膜悬臂梁传感器，位于半导体衬底上，其特征在于，包括：在半导体衬底中的空腔；位于部分所述半导体衬底表面和部分所述空腔上的柔性支撑层；位于所述柔性支撑层上的堆叠结构，所述堆叠结构包括：下电极和上电极；在所述下电极和所述上电极之间具有多个压电薄膜层，且相邻的压电薄膜层之间具有中间电极；覆盖于所述上电极上表面、所述堆叠结构的侧壁、以及部分所述半导体衬底表面的阻挡层；所述阻挡层具有释放孔，所述释放孔与所述空腔相连通。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨冰，周伟，肖慧敏，陈力山，张莉玮，
申请(专利权)人：上海集成电路研发中心有限公司，成都微光集电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31