一种低成本高一致性MEMS压电换能器的制作方法与流程

本发明涉及超声换能器技术领域，具体涉及一种低成本高一致性MEMS压电换能器的制作方法。

背景技术：

超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。在超声系统中，实现声电转换的器件即为换能器(Ultrasonic Transducer,UT)，其性能好坏关系到系统性能，是系统中的关键性器件。

超声换能器的微型化在超声医疗成像及超声检测中，要求超声系统能够以更小的器件来获得更高的频率。在这种需求的影响下，超声系统开始向微型化、集成化、高频化发展。应用MEMS技术制备微型的超声器件逐渐受到人们的关注。相比于传统的压电陶瓷型换能器，MEMS硅微超声换能器(Micromachined Ultrasonic Transducer,MUT)主要有以下优势：1.可获得比传统器件更高的频率，在超声成像系统中，频率与分辨率密切相关，高频可以产生更高分辨率的图像，因而PMUT比传统的陶瓷压电换能器更易成像，2.相比于传统的加工方式，MEMS工艺精度高，传统的压电换能器采用切割的方式，其精度较低，利用MEMS技术，器件的尺寸可控制在微米量级，有利于保持器件的一致性，3.利用MEMS工艺制备的MUT更易阵列化，单元一致性较好，因而在超声相控阵及超声成像中优势明显，4.MUT与后续的IC工艺有更好的兼容性。

通常MEMS压电超声换能器的制作方法如图1所示，需要进行如下工艺步骤：1.准备合适的SOI晶圆；2.沉积下电极；3.光刻并刻蚀下电极图形；4.生长压电材料薄膜；5.光刻并刻蚀压电薄膜图形；6.沉积上电极；7.光刻并刻蚀上电极图形；8.沉积一层很薄的钝化层，保护压电器件表面；9.光刻并刻蚀钝化层，露出电极引线PAD；10.双面光刻硅晶圆；11.背面深刻蚀硅材料，释放空腔结构，形成MEMS压电超声换能器结构。这种MEMS压电超声换能器制作工艺，需要用到SOI晶圆、钝化层沉积以及深硅刻蚀，这些加工工艺的成本很高。例如，一片SOI晶圆的价格是普通硅片价格的10～20倍；钝化层沉积因其设备的昂贵，其加工成本也会较高；深硅刻蚀由于是长时间的单片刻蚀工艺，其加工成本会占到正片晶圆的1/3～1/4。如此，经过这些高成本工艺加工制造的MEMS压电超声换能器通常会变得非常昂贵，难以被市场所接受。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述缺陷，提供一种低成本高一致性MEMS压电换能器的制作方法，大幅度降低生产成本，提高晶圆加工的一致性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种低成本高一致性MEMS压电换能器的制作方法，包括以下步骤：

1)准备适合的普通硅片；

2)在普通硅片的上表面沉积下电极；

3)在下电极表面生长压电材料薄膜；

4)在压电材料薄膜表面沉积上电极；

5)光刻并刻蚀下电极图形；

6)采用PECVD法沉积钝化层，保护压电器件表面同时作为弹性层调制器件频率；

7)光刻并刻蚀钝化层，露出电极引线PAD；

8)双面光刻硅晶圆；

9)湿法腐蚀普通硅片，释放空腔结构，形成MEMS压电超声换能器结构。

本发明的有益效果是：采用上述方案，采用普通硅片，极大的降低了生产成本，采用传统的PECVD钝化层作为表面保护和弹性调制，既起到保护作用，又可作为弹性层调制器件频率，采用可以批量生产的、最低成本的湿法腐蚀技术释放MEMS超声换能器结构，最大限度降低了加工成本，而且，湿法腐蚀能够保证整片晶圆硅腐蚀的速率相同，极大的提高晶圆加工的一致性。

附图说明

通过下面结合附图的详细描述，本发明前述的和其他的目的、特征和优点将变得显而易见。

图1为本发明发工艺流程图。

其中：1为普通硅片，2为下电极沉积层，3为电薄膜沉积层，4为上电极沉积层，5为钝化层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1，一种低成本高一致性MEMS压电换能器的制作方法，包括以下步骤：

1)准备适合的普通硅片1；

2)在普通硅片1的上表面沉积下电极，在普通硅片表面形成下电极沉积层2；

3)在下电极沉积层2的表面生长压电材料薄膜，形成压电薄膜沉积层3；

4)在压电薄膜沉积层3的表面沉积上电极，形成上电极沉积层4；

5)采用光刻法进行下电极刻蚀，刻蚀出下电极图形；

6)采用PECVD法在上电极表面、刻蚀出的下电极图案处沉积钝化层5，作为压电器件表面保护层，同时作为弹性层调制器件频率，采用传统的PECVD钝化层作为表面保护和弹性调制，减低了生产难度，

7)采用光刻法，对钝化层进行刻蚀，露出电极引线PAD；

8)双面光刻硅晶圆；

9)采用湿法腐蚀工艺，对普通硅片进行腐蚀，腐蚀出普通硅片的空腔结构，形成MEMS压电超声换能器结构。

本加工方法，没有采用昂贵的SOI晶圆，采用普通硅片，极大的降低了生产成本，采用传统的PECVD钝化层作为表面保护和弹性调制，既起到保护作用，又可作为弹性层调制器件频率，并且，采用可以批量生产的、最低成本的湿法腐蚀技术释放MEMS超声换能器结构，最大限度降低了加工成本，此外，通过湿法腐蚀的方法制作MEMS结构，于深硅刻蚀导致整片晶圆各位置硅刻蚀速率不均匀相比，湿法腐蚀能够保证整片晶圆硅腐蚀的速率相同，在晶圆加工的一致性上也有提高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。