膜片上fbar結(jié)構(gòu)的微麥克風的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微電子機械系統(tǒng)器件領(lǐng)域，具體設(shè)及一種膜片上FBAR(薄膜體聲波諧 振器，filmbulkacoustic-waveresonators)結(jié)構(gòu)的微麥克風，該結(jié)構(gòu)的微麥克風具有剛 度高，交叉禪合小，靈敏度高及線性度好等特點。 技術(shù)背景
[0002] 微麥克風是最重要的MEMS傳感器之一，目前主要采用駐極體、電容、壓電等檢測 原理，表頭輸出微弱的模擬信號，容易受到環(huán)境溫度、寄生電容等因素的影響，易于導致器 件可靠性、穩(wěn)定性等方面的問題。
[0003]薄膜體聲波諧振器（FBAR，thin-filmbu化acousticwaveresonators)是一種 新型的微型電聲諧振器，具有高靈敏度、高工作頻率和低功耗等特點。WFBAR替代壓電傳 感器，結(jié)合復合彈性支撐層，可W構(gòu)建一種新型的電聲諧振式微麥克風，滿足高靈敏度、穩(wěn) 定性好的中高精度微麥克風的需求。微麥克風的工作原理是；當聲波作用于振膜時，帶動振 膜變形，使得集成在振膜的FBAR產(chǎn)生應(yīng)變，導致FBAR諧振頻率偏移；利用適當?shù)纳漕l電路 或矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量FBAR的諧振頻率偏移，實現(xiàn)聲波信號的讀出或測量。
[0004] 中國臺灣新竹市清華大學公開了公開號為CN102264020A、公開日為2011年11月 30日的中國發(fā)明專利。該專利公開了一種微機電電容式麥克風，主要特點是振膜為一剛性 振膜，并設(shè)置于一彈性元件上，使得剛性振膜得W借彈性元件的彈性作用平行一背極板的 法向量方向位移，從而獲得剛性振膜與背極板間的電容變化。該發(fā)明的靈敏度較低，且制作 工藝較為復雜。
[0005] 中國江蘇省華景傳感科技（無錫）有限公司謬建民公開了公開號為 CN103067838A、公開日為2013年4月24日的中國發(fā)明專利。該專利公開了一種高靈敏度 壓電式娃麥克風及制備方法，利用壓電材料的機電換能性質(zhì)將聲波信號轉(zhuǎn)化為電信號。但 壓電材料易受外界溫度的影響，導致產(chǎn)生測量誤差。而本發(fā)明利用FBAR的電聲諧振特性將 聲波信號轉(zhuǎn)化為FBAR的諧振頻率偏移來實現(xiàn)聲波信號的讀出或測量，該在麥克風設(shè)計中 是一種全新的設(shè)計原理與方法，并且采用了具有Si化層溫度補償層的膜片，能夠?qū)崿F(xiàn)聲波 信號測量或讀出的高靈敏度要求，可望滿足消費電子、汽車電子、航空航天、武器工程等領(lǐng) 域?qū)Ω哽`敏度、高穩(wěn)定性、可制造性好的新型麥克風的應(yīng)用需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種膜片上FBAR結(jié)構(gòu)的微麥克風，該種結(jié)構(gòu)的微麥克風除了具有 高靈敏度、低功耗、高可靠性、制造性好、高工作頻率（f。在GHz量級），還能改善溫度對FBAR 靈敏度的影響，增加了器件的機械強度，一階模態(tài)頻率與其他階相隔較遠，交叉禪合小，且 采用工藝較為簡單的背腔刻蝕工藝即可形成彈性膜片；膜片上FBAR結(jié)構(gòu)的微麥克風，可能 滿足高靈敏度需求。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取W下技術(shù)方案：
[000引膜片上FBAR結(jié)構(gòu)的微麥克風，其特征在于：包括基底、檢測元件和復合彈性支撐 層，基底位于復合彈性支撐層下方，檢測元件位于復合彈性支撐層的上方，復合彈性支撐層 用于支撐檢測元件；基底包括Si基座與空腔，Si基座外形為一長方體，Si基座的中間設(shè)置 有卿趴狀的通孔，通孔孔徑較小的一端位于Si基座的上表面，Si基座的上表面緊貼于復 合彈性支撐層的下表面，通孔與復合彈性支撐層之間形成為空腔；空腔頂面對應(yīng)的復合彈 性支撐層的部分為彈性膜片，空腔側(cè)面為通孔的內(nèi)壁，空腔的底面為開放區(qū)域，所述彈性膜 片用于形成振膜，空腔的頂面和側(cè)面形成聲波反射界面；檢測元件包括FBAR、引線、焊盤， FBAR通過引線與焊盤連接。
[0009] 對于檢測元件，進一步具體結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系為：
[0010] 所述FBAR包括有壓電振蕩堆，壓電振蕩堆位于空腔上面對應(yīng)的彈性膜片應(yīng)力集 中部分；壓電振蕩堆由下到上依次包括底電極、壓電層、頂電極，底電極緊貼設(shè)置于彈性膜 片上面，壓電層底面的一部分緊貼底電極上面，壓電層底面的另一部分向彈性膜片中屯、方 向包覆底電極側(cè)面并延伸至彈性膜片上面，頂電極底面的一部分緊貼壓電層的上面，頂電 極底面的另一部分向彈性膜片中屯、方向包覆壓電層側(cè)面并延伸至彈性膜片上面。其中， FBAR的壓電振蕩堆的數(shù)量> 1。
[0011] 所述引線包括底電極引線與頂電極引線，焊盤包括底電極焊盤與頂電極焊盤， FBAR的底電極通過底電極引線與底電極焊盤連接，F(xiàn)BAR的頂電極通過頂電極引線與頂電 極焊盤連接。
[0012] 所述檢測元件通過S次沉積和圖形化工藝形成，具體為；底電極、底電極引線、及 底電極焊盤在第一次金屬層沉積和圖形化時形成；壓電堆在第二次壓電材料沉積和圖形 化時形成；頂電極、頂引線及頂電極焊盤在第=次金屬層沉積和圖形化時形成；底電極、頂 電極位于彈性膜片之上，由于彈性膜片是一個連續(xù)、完整的平面，底電極引線、頂電極引線 可W在彈性膜片上靈活布線，底電極焊盤、頂電極焊盤均設(shè)置于Si基座支撐的復合彈性支 撐層上面。
[0013] 所述空腔是通過娃襯底背面刻蝕形成。
[0014] 為了獲得高性能的FBAR，需將聲波限制在由底電極-壓電層-頂電極組成的壓電 振蕩堆中。根據(jù)傳輸線理論，當負載為零或無窮大時，入射波將全反射，空氣的聲阻抗近似 等于零，可W作為良好的聲波反射邊界。而壓電振蕩堆中頂電極一般與空氣接觸，自然形成 了良好的聲波反射界面，底電極因置于復合彈性支撐層上面所W需要人為地形成聲波反射 界面，在本發(fā)明中即是空腔的頂面（彈性膜片）與空腔的側(cè)面（通孔的內(nèi)壁）形成聲波反 射界面。
[0015] 對于復合彈性支撐層，進一步的具體限定為：
[0016] 所述復合彈性支撐層是X-Y平面內(nèi)的正方形沿正Z軸方向拉伸的方形膜片，復合 彈性支撐層包括Si〇2層和SisNjl，SiO2層與Si基座連接，Si3N4層位于SiO2層上面，復合 彈性支撐層的拉伸高度即為Si〇2層與Si sNjl的厚度之和。
[0017] 所述復合彈性支撐層的彈性膜片不僅作為振膜，也作為FBAR中的壓電振蕩堆的 支撐層。
[001引所述復合彈性支撐層中的Si02層具有正溫度系數(shù)，通過CVD工藝制備；FBAR的壓 電層具有負溫度系數(shù)；復合彈性支撐層的彈性膜片的Si02層與FBAR的壓電層復合，進行溫 度補償，可提高FBAR的溫度穩(wěn)定性。
[0019] 由FBAR串聯(lián)諧振頻率f；與壓電層彈性系數(shù)C之間的關(guān)系式：fs=仰+ 2h 知，壓電層的彈性系數(shù)C與串聯(lián)諧振頻率t成正比?，F(xiàn)有的多數(shù)的壓電層其內(nèi)部原子間的 相互作用力一般都表現(xiàn)出負溫度特性，即隨著溫度升高，原子間的相互作用力減弱，導致壓 電層的彈性系數(shù)變小。而FBAR的諧振頻率又與壓電層的彈性系數(shù)成正比關(guān)系，因此，隨著 溫度的升高，F(xiàn)BAR的諧振頻率減小。為降低該種溫度-頻率漂移特性的影響，必須對FBAR 進行溫度補償W提高其溫度穩(wěn)定性。由于Si〇2層的楊氏模量隨溫度的升高而增大，即其溫 度系數(shù)為正值（約+85/°C)，因此，當正溫度系數(shù)的Si〇2層在和負溫度系數(shù)的壓電層復合 時，會減小彼此的溫度漂移，故采用Si化層作為彈性膜片中的下層結(jié)構(gòu)。
[0020] 所述Si〇2層作為娃襯底刻蝕時的自停止層；由于刻蝕劑刻蝕Si〇2的速度遠小于刻 蝕Si的速度，可W確保娃襯底的刻蝕不會對Si〇2/Si3N4彈性膜片的厚度產(chǎn)生影響。
[0021] 所述SisN4層與Si〇2層復合，可用于增強復合彈性支撐層的機械強度。同時，SisN4 層是絕緣材料，F(xiàn)BAR中的底電極可W直接瓣射在SisNjl之上。
[0022] 由于Si對FBAR的諧振頻率影響很大，會使FBAR產(chǎn)生多個諧振模式，不利于聲波 信號的檢測，故不能使用Si作為彈性膜片。SisNjl具有高致密性、高介電常數(shù)、高絕緣強 度等優(yōu)良的物理性能及抗疲勞強度高、抗折斷能力強等優(yōu)良的機械性能；且較薄的SisNjl 不會對FBAR的諧振頻率產(chǎn)生影響。為了提高器件的機械強度，故采用SisN4層作為彈性膜 片的上層結(jié)構(gòu)。
[0023] 本發(fā)明的有益效果如下；
[0024] 本發(fā)明在實現(xiàn)微麥克風高靈敏度、高可靠性與高工作頻率的同時，還能改善F