磁调谐压电微机械超声换能器及其制作方法

技术领域

本发明是关于半导体器件技术领域，特别是关于一种磁调谐压电微机械超声换能器及其制作方法。

背景技术

当今世界，全球制造业正步入数字化、智能化时代，智能制造已成为许多国家制造业发展的重中之重。传感器是发展智能制造的基础和核心，和电子芯片一样，它们广泛应用于机械设备制造、科学仪器仪表、医疗卫生、通信电子等领域，近些年来，国内MEMS(微机械)传感器行业发展迅速，我国自主生产的传感器已完全可以满足低端市场需求。然而，在高端市场上，国外企业垄断的现象还很突出，若我国不加大传感器件的自主创新力度，我国智能制造的长远发展将无从谈起。

空间位置感知的传感器主要用于空间三维信息感知及识别，是智能制造领域中的一种重要传感器，超声换能器是一种常见的空间位置感知传感器，具备响应速度快、易于安装以及非侵入式检测等特点，在生物医疗、消费电子、工业、航空航天等领域都有广泛应用，因而受到了极为广泛的关注。

超声换能器(Ultrasonic Tranducer，UT)是一种能实现声信号与电信号相互转换的传感器元件，既可以用来向介质中发射超声波，也可以用来接收介质中的超声波。UT向介质中发射超声波，即UT工作在发射模式时，电势能通过压电材料的逆压电效应或者通过静电力方式致使UT振动而向介质中发射超声波；UT接收介质中的超声波，即UT工作在接收模式时，介质中的超声波作用在UT表面致使其振动，通过压电材料的正压电效应或者上下极板间电容的变化转换成电势能。

基于MEMS微纳加工技术制备的超声换能器(UT)称为微机械超声换能器(Micromachined Ultrasonic Tranducer,MUT)，按照工作原理不同可分为两种，电容式微机械超声换能器(Capacitive Micromachined Ultrasonic Tranducer,简称CMUT)与压电式微机械超声换能器(Pizeoelectric Micromachined Ultrasonic Tranducer,简称PMUT)。

CMUT由两块具有一定间距的上下薄板构成，自身导电的上薄板或者其上面生长的电极材料构成CMUT的上极板，基底生长的底电极构成CMUT的下极板，其工作时需要在上下电极之间施加很高的直流偏置电压。对施加了直流偏置电压的CMUT上下电极再接入交流电，就可以使CMUT下极板在交变的静电力下发生振动，从而向外发射超声波，即CMUT工作在发射模式；施加了直流偏置电压的上极板接收到外界的超声波后，造成上极板的振动，从而引起两极板间电容的变化，此时CMUT处于接收模式。CMUT具有机电耦合效率高的优点。

PMUT是通过压电材料的正逆压电效应来实现声信号与电信号之间的相互转换，无需直流偏置电压。发射模式时，电信号通过压电材料的逆压电效应致使换能器振动，从而转换成声信号；接收模式时，声信号作用于压电材料，通过正压电效应转换成电信号。PMUT具有较小的寄生电容、较小的短沟道效应、微小型尺寸、高密度单元集成、适用于低电压低功耗电路等优势，在消费级电子产品中，显示出强大的潜力。

但是，现有技术中的PMUT器件，其对于工作环境具有高度的依赖，且其谐振频率是固定的。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁调谐压电微机械超声换能器及其制作方法，其能够利用磁致伸缩效应来调谐PMUT的工作特性，同时使其具备磁传感性能。

为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种磁调谐压电微机械超声换能器，包括依次层叠设置的下电极、压电层以及上电极，其中，所述上电极和/或所述下电极为具有磁致伸缩效应的压磁层。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述压磁层包括交替堆叠设置的至少两种不同的薄膜层，其中一种薄膜层为磁致伸缩薄膜层，且，所述压磁层的最上层和/或最下层为所述磁致伸缩薄膜层。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述磁致伸缩薄膜层包括FeGa薄膜层或FeGaB薄膜层。

在本发明的一个或多个实施方式中，其余薄膜层包括缓冲层、软磁薄膜层。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述缓冲层包括SiO

在本发明的一个或多个实施方式中，所述压电层的压电材料包括二元系压电单晶或多晶薄膜AlN、ZnO；三元系或多元系压电多晶薄膜AlScN、AlErN、BaSrTiO

在本发明的一个或多个实施方式中，所述磁调谐压电微机械超声换能器还包括衬底，所述衬底上形成有空腔，所述衬底包括覆盖所述空腔的支撑层，所述下电极形成于所述支撑层上。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述支撑层上形成有镂空结构，所述镂空结构在所述支撑层上界定形成一支撑部以及至少一个位于所述支撑部外周的悬梁部，所述下电极形成于所述支撑部上。

本发明还提供了一种磁调谐压电微机械超声换能器的制作方法，包括：提供衬底；在衬底的一侧依次形成下电极、压电层以及压磁层；在衬底形成有下电极的一侧刻蚀形成镂空结构；在衬底另一侧刻蚀形成与下电极对应的空腔，所述空腔连通所述镂空结构。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述的在衬底形成有下电极的一侧刻蚀形成镂空结构，包括：在所述衬底形成有下电极的一侧于下电极外周刻蚀形成镂空结构，所述镂空结构在所述衬底上界定形成一支撑部以及至少一个位于支撑部外周的悬梁部，所述下电极位于所述支撑部上。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述的在衬底的一侧依次形成下电极、压电层以及压磁层，包括：在衬底上沉积下电极，通过RIE刻蚀出下电极图形；在下电极图形上沉积压电层并通过RIE刻蚀压电层图形；在压电层图形上沉积压磁层，通过IBE刻蚀压磁层图形。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述的在衬底形成有下电极的一侧刻蚀形成镂空结构，包括：采用ICP深硅刻蚀或NLD刻蚀衬底表层，刻蚀出悬梁部的形状。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述的在衬底另一侧刻蚀形成与下电极对应的空腔，所述空腔连通所述镂空结构，包括：通过ICP深硅刻蚀工艺释放衬底另一侧的空腔，此时，空腔未与镂空结构连通；继续利用BOE或HF湿法腐蚀、或采用AOE干法刻蚀空腔内的剩余衬底，完全释放支撑部以及悬梁部。

与现有技术相比，本发明实施方式的磁调谐压电微机械超声换能器，对现有的PMUT的上电极进行压磁层的替换，通过在PMUT中引入磁电复合材料体系来使PMUT获得能通过磁场调谐其性能的能力，同时赋予PMUT磁场传感器的特性，即利用磁电耦合效应，通过外加不同强度的磁场，使得PMUT的工作频率在一定范围内进行调整。由于磁电耦合效应的引入，使得PMUT器件获得了感知外加磁场的能力。当存在外部磁场时，外部磁场的强度也可以通过PMUT器件谐振频率的偏移来反应。

本发明实施方式的磁调谐压电微机械超声换能器，通过悬梁部的设置，能够有效减小边界对上电极、压电层以及压磁层的约束，从而使得在相同的外加电压驱动下，压电层具有更大的位移自由度，能有效提高PMUT发射和接受超声波的灵敏度。

本发明实施方式的磁调谐压电微机械超声换能器，压磁层采用性能不同的薄膜层交替堆叠形成的复合薄膜层，使得压磁层具有良好的软磁性能、大的磁致伸缩、大的压磁系数以及降低磁滞损耗和涡流损耗，进一步提升器件的灵敏度。

附图说明

图1是本发明一实施方式的磁调谐压电微机械超声换能器的立体结构示意图；

图2是本发明一实施方式的磁调谐压电微机械超声换能器的俯视图；

图3是本发明一实施方式的磁调谐压电微机械超声换能器的剖视图；

图4是本发明一实施方式的磁调谐压电微机械超声换能器中压磁层的结构示意图。

图5是本发明一实施方式的磁调谐压电微机械超声换能器的制作方法的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1至图3所示，本发明一实施方式提供了一种磁调谐压电微机械超声换能器，包括衬底10、下电极20、压电层30以及压磁层40。其中，衬底10上形成有空腔11，衬底10包括覆盖空腔11的支撑层121；下电极20、压电层30以及压磁层40依次层叠设置于支撑层121上。

在一示例性实施例中，衬底10可以为SOI硅片，SOI硅片是一种具有特殊结构的硅衬底，其结构为由位于最上层的顶层硅，即上述提及的支撑层121、位于中间层的埋氧层氧化硅122和位于最下层的底层基底硅123组成的层状复合结构，其中，支撑层121(顶层硅)与埋氧层氧化硅122的厚度均为um级别。衬底10上的空腔11在衬底10的厚度方向贯穿了埋氧层氧化硅122和底层基底硅123设置。在衬底10上形成空腔11时，可通过ICP深硅刻蚀工艺由底层基底硅123开始刻蚀，直至埋氧层氧化硅122，再利用BOE(或HF)湿法腐蚀埋氧层氧化硅122，或者采用AOE进行干法刻蚀亦可。衬底10的顶层硅则可作为支撑层121，用于承载下电极20、压电层30以及压磁层40。

在支撑层121(顶层硅)上通过ICP深硅刻蚀或NLD刻蚀镂空结构13，镂空结构13贯穿支撑层121(顶层硅)且连通空腔11。镂空结构13在支撑层121上界定形成一支撑部1211以及至少一个位于支撑部1211外周的悬梁部1212，下电极20、压电层30以及压磁层40均形成于支撑部1211上且部分延伸至悬梁部1212上。

在一示例性实施例中，下电极20的材料可以为钼、铂、铝。压电层30的材料可以为二元系压电单晶或多晶薄膜AlN、ZnO；三元系或多元系压电多晶薄膜AlScN、AlErN、BaSrTiO

在本实施例中，参考图4所示，压磁层40包括交替堆叠设置的至少两种不同的薄膜层，其中一种薄膜层为磁致伸缩薄膜层41，且，压磁层40的最上层和/或最下层为磁致伸缩薄膜层41，其余薄膜层42可以包括缓冲层、软磁薄膜层或声学匹配层。其中，磁致伸缩薄膜层41包括FeGa薄膜层或FeGaB薄膜层。缓冲层包括SiO

在一优选实施例中，压磁层40的最上层和最下层均为磁致伸缩薄膜层41。此设计使得，压磁层40在取代上电极和/或下电极的同时，充当下电极的压磁层40的最上层与充当上电极的压磁层40的最下层能与压电层30充分耦合形成磁电异质结。同时，这种设计使得磁致伸缩薄膜层41成为了整个磁电复合材料层的最外层，利用磁致伸缩薄膜层41优良导体的性质，使得电场在上电极和下电极之间的整个磁电复合材料体系中均匀分布，减少压电层30不同震动模态之间的串扰。

磁致伸缩性能最为突出的磁性薄膜包括FeGa薄膜和FeGaB薄膜两种，FeGa薄膜具有大的磁致伸缩性能和较为良好的软磁性能，但是其高磁致伸缩的大自旋晶格耦合也导致了高磁滞和大吉尔伯特阻尼系数，使得单一FeGa薄膜很难实现高磁弹性耦合；FeGaB薄膜虽然具有优异的软磁性能和大的压磁系数，但是掺杂了B元素之后降低了饱和磁致伸缩和磁化性能。本发明通过采用FeGa薄膜或者FeGaB薄膜结合其他性能薄膜构成堆叠设置的多层复合薄膜，使得磁性薄膜具有良好的软磁性能、大的磁致伸缩、大的压磁系数以及降低磁滞损耗和涡流损耗。

在一示例性实施例中，压磁层40包括交替堆叠设置的两种不同的薄膜层，其中一种薄膜层为磁致伸缩薄膜层41，另一种薄膜层为缓冲层。磁致伸缩薄膜层41为一定厚度的FeGa薄膜或者FeGaB薄膜，磁致伸缩薄膜层41的厚度约为45nm；缓冲层为一定厚度的SiO

在另一示例性实施例中，压磁层40同样包括交替堆叠设置的两种不同的薄膜层，其中一种薄膜层为磁致伸缩薄膜层41，另一种薄膜层为软磁薄膜层。磁致伸缩薄膜层41为一定厚度的FeGa薄膜或者FeGaB薄膜，磁致伸缩薄膜层41的厚度约为45nm；软磁薄膜层为一定厚度的NiFe薄膜，例如[FeGa/NiFe]

在又一示例性实施例中，压磁层40包括交替堆叠设置的三种不同的薄膜层，其中一种薄膜层为磁致伸缩薄膜层41，另外两种薄膜层为软磁薄膜层和缓冲层。磁致伸缩薄膜层41为一定厚度的FeGa薄膜，磁致伸缩薄膜层41的厚度约为40nm；软磁薄膜层为一定厚度的NiFe薄膜，软磁薄膜层的厚度约为5nm，NiFe薄膜的加入可以进一步提高FeGa薄膜的压磁系数，使得复合薄膜同时具有NiFe的高磁导率和低矫顽力以及FeGa的高饱和磁致伸缩和饱和磁化强度，磁滞损耗和涡流损耗也会得到很大程度的降低，缓冲层为一定厚度的SiO

在上述实施例中，若采用的磁致伸缩薄膜层的材料是FeGa，则在磁控溅射生长第一层FeGa薄膜时，可以预先生长一定厚度的缓冲层Ta、黏附层Ti、种子层Cu或者是预先生长一定厚度的缓冲层与种子层，或者黏附层和种子层，例如Ta+Cu、Ti+Cu，然后再继续沉积磁致伸缩薄膜层，从而使得FeGa具有更好的(110)择优取向，薄膜的表面平整度以及结晶度也会有所改善。

参考图5所示，本发明还提供了一种磁调谐压电微机械超声换能器的制作方法，包括如下步骤：

S1，提供衬底；

S2，在衬底的一侧依次形成下电极、压电层以及压磁层；

S3，在衬底形成有下电极的一侧刻蚀形成镂空结构；

S4，在衬底另一侧刻蚀形成与下电极对应的空腔，所述空腔连通所述镂空结构。其中，镂空结构位于下电极外周围，且在衬底上界定形成一支撑部以及至少一个位于支撑部外周的悬梁部，下电极位于支撑部上。

在一具体实施例中，首先，清洗SOI衬底，SOI衬底包括顶层硅，中间埋氧层氧化硅和底层基底硅；在SOI衬底的顶层硅表面沉积下电极Mo，通过RIE刻蚀出下电极图形；在下电极图形上沉积压电层AlScN，并通过RIE刻蚀压电层图形；在压电层图形上沉积压磁层，例如{[FeGaB(45nm)/Al

与现有技术相比，本发明实施方式的磁调谐压电微机械超声换能器，对现有的PMUT的上电极进行压磁层的替换，通过在PMUT中引入磁电复合材料体系来使PMUT获得能通过磁场调谐其性能的能力，同时赋予PMUT磁场传感器的特性，即利用磁电耦合效应，通过外加不同强度的磁场，使得PMUT的工作频率在一定范围内进行调整。由于磁电耦合效应的引入，使得PMUT器件获得了感知外加磁场的能力。当存在外部磁场时，外部磁场的强度也可以通过PMUT器件谐振频率的偏移来反应。

PMUT的谐振频率可以表示为：

r是PMUT半径，D是刚度，p和t分别代表结构中不同材料的厚度和密度。刚度通常用弹性模量E来衡量。因此，随着磁场施加到PMUT器件上，由于磁致伸缩薄膜的杨氏模量随磁场的变化(ΔE效应)，机械谐振频率会发生漂移，从而使得PMUT器件具有磁可调性。反之，当将初始状态的未加调谐磁场的PMUT器件置于一定强度的磁场中时，同样的由于ΔE效应，磁致伸缩薄膜的杨氏模量产生变换并最终反应在PMUT谐振频率的偏移上。

本发明实施方式的磁调谐压电微机械超声换能器，通过悬梁部的设置，能够有效减小边界对上电极、压电层以及压磁层的约束，从而使得在相同的外加电压驱动下，压电层具有更大的位移自由度，能有效提高PMUT发射和接受超声波的灵敏度。

本发明实施方式的磁调谐压电微机械超声换能器，压磁层采用性能不同的薄膜层交替堆叠形成的复合薄膜层，使得压磁层具有良好的软磁性能、大的磁致伸缩、大的压磁系数以及降低磁滞损耗和涡流损耗，进一步提升器件的灵敏度。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。