CN114955979B - 差分电容式纤毛水听器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种差分电容式纤毛水听器及其制造方法，属于水下声纳传感器制造技术领域。本发明差分电容式纤毛水听器结构包括纤毛体、连接梁、中心连接体、上电极、钝化层、介质层、下电极、基底层等；制备方法，使用COMS‑MEMS单片集成工艺，在COMS工艺的后端层设置器件的结构，电路信号处理电子层在器件结构下方集成，各金属层间通过金属钨塞连接。由COMS‑MEMS单片集成工艺制备的差分电容式纤毛水听器具有一致性好、集成化、频带宽、灵敏度高、易封装、可批量生产等优点。

Description

差分电容式纤毛水听器及其制造方法

技术领域

本发明涉及CMOS-MEMS集成的传感器制造技术领域，具体是一种差分电容式纤毛水听器及其制备方法。

背景技术

当前，声波是唯一能在水下进行远距离信息传输的载体，我们对海洋进行探索和研究主要采用水声技术。水听器通过核心功能元件接收声波信号，将其转化为电信号，再将电信号放大后进行传输。传统水听器通常体积较大、一致性较差、成本较高等缺点，而集成CMOS-MEMS技术制造的差分电容式纤毛水听器具有频带宽、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的水听器来满足现在行业的需求。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种基于CMOS-MEMS集成的水听器结构，具体是一种差分电容式纤毛水听器。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种差分电容式纤毛水听器，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、多晶硅层以及钝化层，n≥3；第n层介质层上刻蚀形成有一个空腔，空腔的顶部为第n层金属层、底部为第（n-1）层金属层，空腔顶部的第n层金属层形成上电极层，第n层金属层、多晶硅层以及钝化层部分形成有位于中心部位的中心连接体以及连接在中心连接体四周的四根连接梁，中心连接体上垂直固定有纤毛体，四根连接梁上分布设置有上电极；相邻的各层金属层之间通过钨塞互连，第n层金属层作为上电极层并在其上设置有电极焊点，第（n-1）层金属层作为下电极层，第（n-2）层金属层作为电子层。

作为优选的技术方案，基底层的材料为硅，介质层的材料为氧化硅，金属层的材料为铝，钝化层的材料为氮化硅，纤毛体的材料为硅、玻璃或树脂，纤毛体的形状为圆柱体或长方体，空腔的形状为长方体。

作为优选的技术方案，基底层采用硅晶圆，硅晶圆为轻掺杂的P型（100）硅片，典型的掺杂浓度N_A≈10¹⁵cm^-3。

作为优选的技术方案，电子层上设置有CMOS信号处理电路。

进一步的，本发明还提供了上述差分电容式纤毛水听器的制备方法，包括如下步骤：

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层介质层以及n层金属层的制作，各层金属层通过钨塞互连；其中，第n层金属层作为上电极层，多晶硅层作为制作中心连接体、连接梁及电极的主体层，第n层介质层作为制作空腔的主体层，第（n-2）层金属层作为电子层，第（n-1）层金属层作为下电极层，第n、（n-1）层金属层制备完后图形化；

步骤2：，在第n层金属层上淀积多晶硅层以及钝化层、多晶硅层及钝化层并图形化形成连接梁及中心连接体结构；

步骤3：在第n层介质层通过干法刻蚀形成空腔，使中心连接体和连接梁悬空；

步骤4：电气焊接，引出电极焊点，通过二次集成将纤毛粘附到中心质量块上，最后即得到所述的差分电容式纤毛水听器。

作为优选的技术方案，步骤1中，CMOS工艺包括0.18um工艺制程。

作为优选的技术方案，金属层的材质为铝，介质层是通过化学气相淀积的二氧化硅，钝化层是通过化学气相淀积的氮化硅。

作为优选的技术方案，介质层的二氧化硅为磷或硼掺杂二氧化硅。

作为优选的技术方案，步骤3中，干法刻蚀采用氢氟酸气体刻蚀。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1）本发明差分电容式纤毛水听器具有可靠性好、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）本发明差分电容式纤毛水听器的性能更加优异，允许更小的封装，并进一步的降低了封装和仪器成本，同时有较强的延展性和适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请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申请的某些实施例，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。

图1为本发明差分电容式纤毛水听器的整体结构俯视示意图（未封装）。

图2为本发明差分电容式纤毛水听器电极构成的惠斯通电桥原理图。

图3为本发明差分电容式纤毛水听器的整体结构侧视示意图（未封装）。

图4为本发明差分电容式纤毛水听器的制造剖面结构示意图（未封装）。

图中：1-基底层、2-多晶硅层、3-钝化层、4-空腔、5-中心连接体、6-连接梁、7-纤毛体、8-电极焊点、9-钨塞；

l1-第一层介质层、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；

c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8为上电极， C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8为下电极。

具体实施方式

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。

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。

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。

如图1至图4所示，一种差分电容式纤毛水听器，包括基底层1，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、第（n-1）层金属层m（n-1）、第n层介质层ln、第n层金属层mn、多晶硅层2以及钝化层3，n≥3；第n层介质层ln上刻蚀形成有一个空腔4，空腔4的顶部为第n层金属层mn、底部为第（n-1）层金属层m（n-1），空腔4顶部的第n层金属层mn、多晶硅层2以及钝化层3部分形成有位于中心部位的中心连接体5以及连接在中心连接体5四周的四根连接梁6，中心连接体5上垂直固定有纤毛体7，四根连接梁6上分布设置有上电极c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8；相邻的各层金属层之间通过钨塞9互连，第n层金属层mn作为电极并在其上设置有电极焊点8，第（n-1）层金属层m（n-1）作为下电极层，下电极层上设置有下电极C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8，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。

上述水听器结构中，基底层1的材料为硅，介质层的材料为氧化硅，金属层的材料为铝，钝化层3的材料为氮化硅，纤毛体7的材料为硅、玻璃或树脂，纤毛体7的形状为圆柱体或长方体，空腔4的形状为长方体；其中，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N_A≈10¹⁵cm^-3。

上述差分电容式纤毛水听器的制备方法，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9互连，具体包括如下步骤：

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层介质层以及n层金属层的制作，各层金属层通过钨塞9互连，第n层金属mn层制备完后图形化形成上电极c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8，第n-1层金属层m（n-1）制备完后图形化形成下电极C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8；其中，第n层金属层mn作为制作中心连接体5、连接梁6及电极的主体层，第n层介质层ln作为制作空腔4的主体层，第（n-2）层金属层作为电子层，第（n-1）层金属层m（n-1）作为下电极层；金属层的材质为铝，介质层是通过化学气相淀积的二氧化硅，该二氧化硅为磷或硼掺杂二氧化硅；

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N_A≈10¹⁵cm^-3；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、多晶硅层2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电极、电子层及下电极层。

步骤2：在第n层金属层mn上淀积多晶硅层2以及钝化层3、多晶硅层2及钝化层3并图形化形成连接梁6及中心连接体5结构；钝化层3是通过化学气相淀积的氮化硅。

步骤2：在第n层金属层mn上淀积多晶硅层2以及钝化层3，刻蚀第n层金属层mn、多晶硅层2及钝化层3并图形化形成连接梁6及中心连接体5结构；

步骤3：在第n层介质层ln通过干法刻蚀形成空腔4，使中心连接体5和连接梁6悬空；其中，干法刻蚀采用氢氟酸气体进行刻蚀，通过使用氢氟酸气体各向同性干法刻蚀第n层介质层ln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。

步骤5：电气焊接，引出电极焊点8，通过二次集成将纤毛体7粘附到中心连接体5上，得到差分电容式纤毛水听器；通过引线键合的方法将电极引出并将水听器连接到PCB上。

步骤6：使用透声帽将水听器封装，并注入硅油即可。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种差分电容式纤毛水听器，其特征在于：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、多晶硅层以及钝化层，n≥3；第n层介质层上刻蚀形成有一个空腔，空腔的顶部为第n层金属层、底部为第（n-1）层金属层，空腔顶部的第n层金属层、多晶硅层以及钝化层部分形成有位于中心部位的中心连接体以及连接在中心连接体四周的四根连接梁，中心连接体上垂直固定有纤毛体，每根连接梁上分布设置有两个相连的上电极；相邻的各层金属层之间通过钨塞互连，第n层金属层作为上电极层并在其上设置有电极焊点，第（n-1）层金属层作为下电极层，下电极层设置有相连的八个与上电极一一相对应的下电极，第（n-2）层金属层作为电子层。

2.根据权利要求1所述的差分电容式纤毛水听器，其特征在于：基底层的材料为硅，介质层的材料为氧化硅，金属层的材料为铝，钝化层的材料为氮化硅，纤毛体的材料为硅、玻璃或树脂，纤毛体的形状为圆柱体或长方体，纤毛通过二次集成粘附到中心连接体上，空腔的形状为长方体。

3.根据权利要求2所述的差分电容式纤毛水听器，其特征在于：基底层采用硅晶圆，硅晶圆为轻掺杂的P型（100）硅片，典型的掺杂浓度N_A≈10¹⁵cm^-3。

4.根据权利要求1-3任一所述的差分电容式纤毛水听器，其特征在于：电子层上设置有CMOS信号处理电路。

5.如权利要求1所述的差分电容式纤毛水听器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

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层介质层以及n层金属层的制作，各层金属层通过钨塞互连；其中，第n层金属层作为制作中心连接体、连接梁及电极的主体层，第n层介质层作为制作空腔的主体层，第（n-2）层金属层作为电子层，第（n-1）层金属层作为下电极层，第n、（n-1）层金属层制备完后图形化；

步骤2：在第n层金属层上淀积多晶硅层以及钝化层，多晶硅层及钝化层并图形化形成连接梁及中心连接体结构；

步骤3：在第n层介质层通过干法刻蚀形成空腔，使中心连接体和连接梁悬空；

步骤4：电气焊接，引出电极焊点，最后即得到所述的差分电容式纤毛水听器。

6.根据权利要求5所述的差分电容式纤毛水听器的制备方法，其特征在于：步骤1中，CMOS工艺包括0.18um工艺制程。

7.根据权利要求5所述的差分电容式纤毛水听器的制备方法，其特征在于：金属层的材质为铝，介质层是通过化学气相淀积的二氧化硅，钝化层是通过化学气相淀积的氮化硅。

8.根据权利要求7所述的差分电容式纤毛水听器的制备方法，其特征在于：介质层的二氧化硅为磷或硼掺杂二氧化硅。

9.根据权利要求5所述的差分电容式纤毛水听器的制备方法，其特征在于：步骤3中，干法刻蚀采用氢氟酸气体刻蚀。