L型连接梁声发射器件及其制备方法

l型连接梁声发射器件及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及cmos-mems集成的传感器制造技术领域，具体是一种l型连接梁声发射器件及其制备方法。


背景技术：

2.声发射是物体内部在裂纹扩展、塑性变形或相变过程中产生应力或应变局部再分布而快速释放能量生成的瞬时高频应力波（或称声波)，声波的频率从几赫到几十兆赫。利用这种发射出来的声波可进行材料研究、质量控制、结构完整性的判定及安全监视。近年来，声发射检验技术已引起一些国家的重视，他们先后对此进行了大量研究，取得了一定的成果。在军工产品生产和使用方面，也正在发挥声发射的长处来保证产品质量。集成cmos-mems技术制造的声发射器件具有检测频带宽、灵敏度高、小型化、集成化、一致性好以及批量化等优点。因此，我们急需研发一种全新结构及制备方法的基于cmos-mems的声发射器件来满足现在行业的需求。


技术实现要素：

3.本发明的目的是基于上述背景技术而提供一种l型连接梁声发射器件，其可应用于无损检测等技术领域。
4.本发明是通过如下技术方案实现的：一种l型连接梁声发射器件，包括基底层，基底层上由下而上依次设置有第一层介质层、第一层金属层、第二层介质层、第二层金属层、......、第（n-1）层介质层、第（n-1）层金属层、第n层介质层、第n层金属层，n≥3；相邻的各层金属层之间通过钨塞互连，第n层金属层上设置有钝化层，钝化层上设置有上电极焊点和下电极焊点；第n层介质层上刻蚀有一个矩形空腔；矩形空腔顶部的钝化层及第n层金属层部分形成一个矩形振膜及四根l型连接梁，矩形振膜位于中心处且其尺寸小于矩形空腔的横向尺寸，四根l型连接梁分布于矩形振膜上膜边的两端以及下膜边的两端；矩形振膜及l型连接梁中的第n层金属层作为上电极，矩形空腔底部的第（n-1）层金属层作为下电极，并且上电极与下电极通过钨塞互连；第一层金属层至第（n-2）层金属层作为电子层。
5.作为优选的技术方案，基底层采用硅晶圆，介质层采用氧化硅，金属层采用铝，钝化层采用氮化硅。
6.作为优选的技术方案，矩形振膜上均布开设有若干呈阵列排布的且与矩形空腔相通的矩形通孔。
7.作为优选的技术方案，电子层上设置有cmos信号处理电路。
8.作为优选的技术方案，硅晶圆为轻掺杂的p型（100）硅片，典型的掺杂浓度na≈10
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。
9.进一步的，本发明还提供了上述l型连接梁声发射器件的制备方法，包括如下步骤：
1）选用硅晶圆作为起始基底层，利用cmos工艺，在基底层上完成cmos有源区、n层介质层及n层金属层及钝化层的制作，各金属层通过钨塞互连；其中，第n层金属层作为制作上电极的层体，第n-1层金属层作为制作下电极的层体，第n层介质层作为刻蚀矩形空腔的牺牲层，钝化层及第n层金属层作为制作矩形振膜及l型连接梁的主体层，并且在钝化层及第n层金属层上形成有若干呈阵列排布的矩形通孔，若干矩形通孔均布在矩形空腔的矩形边界范围内，矩形通孔的底端伸至第n层介质层上；2）刻蚀钝化层及第n层金属层并图形化形成矩形振膜及l型连接梁部分；3）使用干法刻蚀，在第n层介质层刻蚀形成矩形空腔，使得矩形振膜及l型连接梁部分悬空；4）电气焊接，引出电极焊点，最后即得到所述的基于cmos-mems集成的声发射器件。
10.作为优选的技术方案，干法刻蚀采用氢氟酸气体进行刻蚀。
11.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：1）本发明声发射器件具有可靠性好、体积小、频带宽、灵敏度高、制造成本低、易于批量生产等特点；2）本发明制备方法能够极大地改善声发射的性能，允许更小的封装并达到更低的封装和仪器成本。
附图说明
12.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以据这些附图获得其他相关的附图。
13.图1为本发明声发射器件的整体结构俯视示意图（未封装）。
14.图2为图1中的a-a剖视图（未封装）。
15.图3为本发明声发射器件的剖面微观结构示意图（未封装）。
16.图中：1-基底层、2-钨塞、3-钝化层、4-上电极焊点、5-下电极焊点、6-空腔、7-矩形通孔、8-矩形下电极、9-矩形振膜、10-l型悬臂梁、11-第一边缘支撑、12-第二边缘支撑；l1-第一层介质层、l（n-1）-第（n-1）层介质层、ln-第n层介质层、m1-第一层金属层、m（n-1）-第（n-1）层金属层、mn-第n层金属层。
具体实施方式
17.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。集成本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
18.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为集成附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗
示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或数量或位置。
19.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
20.如图1至图3所示，一种l型连接梁声发射器件，包括基底层1，基底层1采用硅晶圆，硅晶圆为轻掺杂的p型（100）硅片，典型的掺杂浓度na≈10
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；基底层1上由下而上依次设置有第一层介质层l1、第一层金属层m1、第二层介质层、第二层金属层、......、第（n-1）层介质层l（n-1）、第（n-1）层金属层m（n-1）、第n层介质层ln、第n层金属层mn，其中n≥3，介质层采用氧化硅，金属层采用铝；相邻的各层金属层之间通过钨塞2互连，第n层金属层mn上设置有钝化层3，钝化层3采用氮化硅，钝化层3上设置有上电极焊点4和下电极焊点5；第n层介质层ln上刻蚀有一个矩形空腔6，矩形空腔6内为空气，矩形空腔6四周的第n层介质层ln形成第一边缘支撑11；矩形空腔6顶部的钝化层3及第n层金属层mn部分刻蚀形成矩形振膜9及四根l型连接梁10，矩形振膜9位于中心处且其尺寸小于矩形空腔6的横向尺寸，四根l型连接梁10分布于矩形振膜9上膜边的两端以及下膜边的两端，钝化层3及第n层金属层mn除去矩形振膜9及四根l型连接梁10的部分形成了用于支撑四根l型连接梁10的第二边缘支撑12；矩形振膜9上均布开设有若干呈阵列分布且与矩形空腔6相通的矩形通孔7，矩形通孔7内为空气；矩形振膜9及l型连接梁10中的第n层金属层mn作为上电极，位于矩形空腔6底部的第（n-1）层金属层m（n-1）作为下电极，下电极为矩形下电极8，矩形下电极8的尺寸与矩形振膜9的尺寸相同，矩形振膜9与矩形下电极8上下对齐设置；矩形空腔6顶部的上电极与底部的矩形下电极8通过钨塞2互连；第一层金属层m1至第（n-2）层金属层作为电子层，电子层上设置有cmos信号处理电路。
21.上述l型连接梁声发射器件的制备方法，使用coms工艺的后端（beol）层作为mems器件的结构层，coms电子层在mems器件层下方集成，各金属层间通过钨塞2互连，具体包括如下步骤：1）选用硅晶圆作为起始基底层1，利用cmos工艺，在基底层1上完成cmos有源区、n层介质层、n层金属层及钝化层3的制作，各金属层通过钨（w）塞互连；其中，第n层金属层mn作为上电极，第n-1层金属层m（n-1）作为下电极，第n层介质层ln作为刻蚀矩形空腔6的牺牲层，钝化层3及第n层金属层mn作为矩形振膜9及l型连接梁10的主体，并且在钝化层3及第n层金属层mn上形成有若干呈阵列排布的矩形通孔7，若干矩形通孔7均布在矩形空腔6的矩形边界范围内，矩形通孔7的底端伸至第n层介质层ln上。
22.该步骤中，基底层1几乎适用于任何表面平整的底片，例如硅片、玻璃片等，为了适配cmos工艺选择硅晶圆作为基底层1，硅晶圆采用轻掺杂的p型（100）硅片，典型的掺杂浓度na≈10
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；cmos工艺包括0.18um工艺制程以及特征线宽更小的先进工艺制程，利用cmos工艺的四个基本微制造技术：淀积、光刻、掺杂和刻蚀结合起来逐层完成cmos有源区、n层介质
层、n层金属层及钝化层3的制作；淀积介质层时可以使用等离子增强化学气相淀积（pecvd）来沉积氧化硅；通过溅射金属铝在每层介质层上形成金属层，在金属层上璇涂一层光刻胶，利用光刻技术将掩膜版图形转移到光刻胶上，以光刻胶图形做掩膜再通过湿法腐蚀工艺定义各金属层图形，实现不同金属层的功能；金属层常用来做电互联、电极材料、电阻等，在本发明中金属层用来做上、下电极及电子层。
23.2）刻蚀钝化层3及第n层金属层mn，并图形化形成矩形振膜9及l型连接梁10部分；3）使用干法刻蚀，在第n层介质层ln上刻蚀形成矩形空腔6，使得矩形振膜9及四根l型连接梁10部分悬空；其中，干法刻蚀采用氢氟酸气体进行刻蚀，使用氢氟酸气体各向同性干法刻蚀牺牲层中的氧化硅，氢氟酸气体对金属层的选择比较高，在干法刻蚀的过程中不会腐蚀金属层。
24.4）对结构整体进行空气封装，结构上的矩形空腔6形成空气密闭空腔；其中，空气封装通过淀积派瑞林形成空气密闭空腔；为了保证器件工作环境的密闭性，需要对器件进行空气密闭封装，可通过化学气相淀积（cvd）氧化物或氮化物来密闭通孔，具体可通过镀派瑞林的方式对器件进行密封处理。
25.本发明制备得到的声发射器件具有可靠性好、体积小、频带宽、灵敏度高、制造成本低、易于批量生产等特点，在制备小尺寸、大规模阵列超声探头上有优势，可以应用于医学、军事、工业、农业等众多领域。
26.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。