于媛媛,王浩然,张代化*,谢会开

(1.天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津 300072;2.佛罗里达大学电气与计算机工程系,美国 32611)

近几年,微扬声器在个人通信系统PCSs(Personal Communication System)中得到越来越广泛的关注,比如耳机、智能手机、可穿戴设备及物联网IoT(Internet of Things)等方面。据市场分析公司Yole Développement预测,2021年时全球微扬声器市场值可达～151.6亿美元,具有很大的市场应用前景。根据个人通信系统的发展需求,微扬声器趋于厚度薄、重量轻、功耗低和输出声压高等方向发展。目前来说,应用在个人通信系统上的微扬声器类型主要是电动式(electrodynamic-type),电动式微扬声器带有电镀线圈和永久磁铁,基于电动原理实现电声转换。其尺寸较大,直径一般需要大于10 mm,厚度高于2 mm才能满足输出性能的要求[1-2],难以实现微型化。为了满足个人通信系统的发展需求,得到体积更小、功耗更低的器件,基于微机电系统MEMS(Microelectromechanical Systems)制造技术的电容式和压电式微扬声器提供了可选择的解决方案[3-6]。此外,MEMS制造技术的可批量生产满足了微扬声器生产成本低和量产的需求。

MEMS电容式微扬声器基于静电效应实现电声转换,其机电耦合系数一般高于压电式微扬声器,相对更受欢迎。但电容式微扬声器一般需要很高的直流偏置电压和极小的器件内部空气间隙(一般为亚微米级)来满足性能要求,存在功耗高、制造工艺复杂等不足[7-8]。MEMS压电式微扬声器基于压电薄膜材料的压电效应实现声压输出,与电容式相比,其制造加工简单,不需要外界极化电压且具有响应动态范围广等优点[9-11]。但是,MEMS压电式微扬声器的输出声压相对较小,这主要是由于器件薄膜内部存在残余拉应力造成的。

为了解决压电微扬声器输出声压小的问题,本文基于有限元分析方法和理论分析研究了器件薄膜残余应力对器件性能(谐振频率和输出声压等参数)的影响。采用带有高残余压应力的氮化铝薄膜分别作为微扬声器的压电层和支撑层来增大器件振膜振幅和输出声压,同时利用合适的工艺手段控制器件多层薄膜残余应力来制备出具有特殊形状且可以正常工作的高性能氮化铝压电微扬声器,进一步增大器件的输出声压,并对器件的输出性能进行测试。在开放空间里,可以测得该压电微扬声器在距离10 mm处,20 Vpp驱动电压下的最大输出声压级约为75 dB,满足人耳感知需求。该微扬声器具有尺寸小、厚度薄、重量轻、输出声压高及可批量生产等优势,表明该压电微扬声器在耳机、智能手机、可穿戴设备和物联网等方面都存在潜在的应用前景。

图1 MEMS压电微扬声器的横截面示意图

1 MEMS压电微扬声器的设计与加工

1.1 微扬声器的设计

图1显示了MEMS压电微扬声器的横截面示意图。整个器件振膜是由支撑层、下电极层、压电层和上电极层共4层组成。本文采用氮化铝AlN(Aluminum Nitride)薄膜材料作为压电层和支撑层,采用金属钼Mo(Molybdenum)材料作为上/下电极层。当在上电极层与下电极层之间施加电场驱动时,由于逆压电效应,压电层基于横向压电系数e31产生横向应力,压电层发生一定的伸长或者缩短,由于压电层受与其接合在一起的较厚支撑层及边界的约束,使得压电层带动支撑层一起产生向上/向下弯曲,从而使得整个振膜产生纵向振动,向周围环境发射声压波。采用氮化铝薄膜作为压电层是由于其可以在低温下沉积(<400 ℃),可与CMOS半导体工艺相兼容,易集成化,且目前已经被广泛应用到基于薄膜体声波谐振器的商用射频滤波器[12-13]。

MEMS压电微扬声器主要有以下几个重要特性参数:谐振频率(resonant frequency)、输出声压级SPL(Sound Pressure Level)、带宽(bandwidth)、尺寸和功耗等。本文主要讨论了微扬声器的前两个主要性能参数及器件薄膜材料残余应力对它们的影响。

①为了满足人耳感知的声波频率需求,微扬声器的工作频率范围一般设为0.2 kHz～20 kHz,输出声压级需要满足60 dB以上[14]。设定该微扬声器的谐振频率为10 kHz。MEMS压电微扬声器的谐振频率公式如下:

(1)

(2)

式中:E(z)和ν(z)分别代表距离器件悬膜中性层距离z处薄膜材料的杨氏模量和泊松比。

②压电微扬声器的输出声压级大小一般与器件多层薄膜的层叠厚度比(一般指压电层和支撑层厚度之比)有关。从理论上来讲,为了使得微扬声器具有更高的输出声压,压电层与支撑层之间存在最优厚度比,可以使得器件多层薄膜的中性面(neutral plane,即应力中心面,stress center plane)位于合适位置,一般位于压电层之外[16-17]。如果中性面位于压电层之内,会导致中性面上下两部分压电层各自产生的横向应力部分抵消,从而减小了纵向振动,降低振膜振动幅值,最终导致器件输出声压降低。反之,如果中性层位于支撑层内,过于远离压电层,使得支撑层(被动层)厚度远大于压电层厚度,表示一半以上的器件薄膜处于被动状态,从而造成器件绝大部分的机电转换能量消耗在薄膜弯曲形变上,减小了振膜纵向振幅,进而降低了微扬声器的输出声压。器件多层薄膜的中性层位置如下式所示[18]:

(3)

(4)

式中:Ei和zi分别表示第i层薄膜的杨氏模量和距离参考轴(振膜最后一层边界)的距离,hj表示第j层薄膜厚度,N表示器件多层薄膜层数(N=4)。

采用有限元物理仿真软件COMSOL Multiphysics仿真了不同压电层/支撑层厚度组合下该AlN压电微扬声器的输出声压,仿真结果如图2所示,并根据输出声压大小确定了该压电微扬声器振膜的最优层叠厚度。

图2 不同压电层厚度下,支撑层厚度对输出声压的影响

从图2仿真结果可以看出,对于一定厚度的AlN压电层,随着AlN支撑层厚度的增加,输出声压开始增大,在达到一个最大值后又开始缓慢减小。且压电层厚度越薄,支撑层厚度对输出声压的影响越明显。此外,从仿真结果还可以看出,对于0.1 μm～0.9 μm厚度范围的支撑层,AlN压电层厚度越薄,该微扬声器的输出声压越大。考虑到器件实际制备工艺,AlN薄膜作为压电层厚度一般需要大于0.3 μm。否则,沉积的AlN薄膜材料在c-轴晶向方面质量很差,造成压电系数低,进而导致器件机电耦合系数小。综上所述,确定了AlN压电层厚度为0.4 μm。根据图2 仿真结果同时考虑器件多层薄膜中性轴位置(式(3)),该微扬声器的AlN支撑层厚度最优可为0.4 μm～0.6 μm。考虑到薄膜沉积工艺,确定了该微扬声器的AlN支撑层厚度为0.4 μm。最终该压电微扬声器多层薄膜的层叠厚度确定为 0.05 μm Mo/0.4 μm AlN/0.1 μm Mo/0.4 μm AlN(自上电极层到支撑层)。在器件各层薄膜材料和厚度确定后,利用压电微扬声器谐振频率计算公式(1)及COMSOL有限元仿真确定了该器件振膜直径为1.35 mm,使得该微扬声器的谐振频率满足设定要求。

为了验证该压电微扬声器的工作性能,采用有限元软件COMSOL仿真了在空气环境下该尺寸参数的微扬声器在距离10 mm处,1 Vpp驱动电压下的输出声压级,仿真结果如图3所示,此时该微扬声器的品质因数Q约为100左右。声压级与声压之间的转换关系公式如式(4)所示:

(5)

式中:P为微扬声器的输出声压,Pref是参考声压,Pref=20 μPa。

图3 该压电微扬声器在距离1 cm处1 Vpp驱动电压下的输出声压级仿真结果

从图3仿真结果可以看出,该微扬声器在距离10 mm处,1 Vpp驱动电压下的输出声压级在一定频率范围内(5 kHz～20 kHz)高于40 dB。通过增大驱动电压可以使得该微扬声器的输出声压高于60 dB(如采用10 Vpp驱动电压),从而满足人耳可感知的声压级范围。

③由于该压电微扬声器的振膜直径与厚度比值很大,所以器件薄膜内部残余应力对器件性能(如谐振频率和输出声压级等)存在很大影响。器件谐振频率受残余应力的影响公式如下[19]:

(6)

式中:σi和ti分别表示器件第i层薄膜材料的残余应力和厚度。S表示器件薄膜周长的单位长度应力。从式(6)可以看出,器件薄膜内部的残余拉应力(正值)会引起微扬声器谐振频率的升高,残余压应力(负值)则会造成器件谐振频率的下降。对于带有残余应力的压电器件薄膜,存在临界失效应力点。当薄膜带有的残余压应力值高于临界失效应力点时,器件薄膜就会发生buckling(屈曲),引起微扬声器的失效。采用有限元软件COMSOL仿真了薄膜残余应力对该微扬声器谐振频率的影响。仿真结果如图4所示,图4(a)和图4(b)分别显示了残余拉应力和压应力影响器件谐振频率的仿真结果。从仿真结果可以看出残余拉应力会导致器件谐振频率的升高,而残余压应力则会降低器件谐振频率,但过高的残余压应力(>1 MPa)则会导致器件振膜产生buckling(屈曲),造成微扬声器工作失效。

图4 残余拉应力和压应力对器件谐振频率影响的仿真结果

根据文献报道[19-21]和理论分析研究了残余应力在微扬声器的输出声压方面的影响,残余拉应力会增大器件薄膜的刚度系数,引起器件振膜振幅减小,从而导致输出声压较低。相反,薄膜残余压应力则会提高器件振膜振幅,增强输出声压,并且会相应的增大器件输出带宽。但是器件薄膜如果存在过高的压应力则会引起器件振膜发生buckling(屈曲)效应,如图4(b)所示,造成微扬声器的工作失效。

为了使得该压电微扬声器得到更高的输出声压级且使得器件可以正常工作,在器件制备工艺过程中,一方面采用带有高残余压应力的AlN薄膜分别作为器件的压电层和支撑层,利用薄膜内部的高压应力来增大微扬声器的输出声压,并引起器件振膜非工作区域的褶皱。另一方面采用合适的工艺手段参数控制上下电极层Mo内部残余应力,使其带有合适的拉应力与AlN薄膜内部的残余压应力相结合来控制该压电微扬声器工作区域的整体应力,保证工作区域的平坦,从而使得该微扬声器可以正常工作。与传统的商用电动式微扬声器结构类似,该微扬声器工作区域(电极覆盖区域)保持平坦,非工作区域具有一定的褶皱,可以使得器件振膜获得较大的振幅。当平坦工作区域(上/下电极层)施加电压驱动时,该微扬声器基于逆压电效应产生形变,非工作区域由于薄膜褶皱的存在产生一个更大的纵向弯曲。此外,该微扬声器的结构具有很好的可重复性,可实现批量生产。

1.2 氮化铝压电微扬声器加工

图5显示了该氮化铝压电微扬声器的工艺流程示意图。整套制备工艺流程共采用5层掩膜版。具体制备工艺步骤如下,首先,在双面抛光厚度为380 μm的4寸硅基底上双面热氧生长1 μm厚的二氧化硅SiO2(silicon dioxide)薄膜(图5(a))。然后,溅射沉积一层厚度0.4 μm的AlN薄膜作为器件的支撑层,同时作为种子层,为后续沉积在其上面的下电极层金属Mo和压电层AlN薄膜提供高质量的c-轴晶向。沉积厚度0.1 μm的金属Mo作为下电极并采用干法刻蚀工艺完成图形化(图5(b))。随后,溅射沉积厚度0.4 μm的AlN薄膜作为器件压电层和厚度0.05 μm的金属Mo作为上电极层,并结合干/湿法刻蚀工艺来完成对金属Mo的图形化,定义顶部电极和连接电极的形状(图5(c))。再然后采用电子束蒸发的工艺手段沉积厚度0.02 μm铬(Cr)/0.5 μm金(Au),结合剥离工艺(lift-off)得到连接电极(图5(d)),其中金属铬作粘附层。最后,采用双面对准加工工艺同时结合反应离子刻蚀工艺(Reactive Ion Etching,RIE)刻蚀背面SiO2从而得到背刻蚀窗口图形,再利用深反应离子刻蚀工艺手段(Deep RIE,DRIE)[22]释放背后部分硅(图5(e)),采用氢氟酸(HF)溶液腐蚀SiO2至AlN支撑层(图5(f)),得到器件背面空气腔,形成该微扬声器的悬膜。

图5 AlN压电微扬声器的制作工艺流程图

值得注意的是下电极层Mo图形化时(图5(b)),被刻蚀后的下电极层Mo薄膜边缘倾斜角度应该≤45°,使得后续沉积的压电层AlN薄膜可以完全覆盖下电极Mo,从而实现下电极层Mo与压电层AlN两层很好的粘合在一起。如果下电极层Mo倾斜角度较高则会引起后面压电层AlN薄膜沉积时发生断裂进而导致器件输出性能降低甚至工作失效。虽然下电极层Mo厚度相对较薄(仅为0.1 μm),但远大于原子级别,在其后续的薄膜溅射过程中仍会产生较大影响。图6(a)显示了该微扬声器多层薄膜AlN/Mo/AlN的扫描电子显微镜SEM(Scanning Electron Microscope)横截面。图6(b)和图6(c)显示了刻蚀后下电极层Mo边缘的SEM侧面倾斜形貌和俯视图,可以看出下电极层Mo薄膜刻蚀后的边缘倾斜角度约45°,保证了器件性能。

图6 SEM图

2 结果与讨论

2.1 器件表征

该氮化铝压电微扬声器的光学显微镜图像和扫描电子显微镜(SEM)图像如图7(a)和7(b)所示。从图中可以看出由于氮化铝薄膜的残余压应力引起了微扬声器非工作区域的褶皱。由于电极层金属Mo薄膜带有适当的拉应力可以与氮化铝薄膜的压应力相抵消,从而保持了该压电微扬声器工作区域的平坦,可以使得微扬声器的正常工作。

图7 显微镜图

在器件工艺加工过程中,通过调整薄膜材料沉积时的条件参数来控制材料的残余应力。一般采用Stoney’s公式,通过分别测试每层薄膜沉积前和沉积后的整片晶圆的曲率来计算各层薄膜的残余应力[15]。

(7)

式中:Es,ts,vs,和Rs分别是薄膜沉积前的杨氏模量、厚度、泊松比和曲率半径,ts和Rf是薄膜的厚度和曲率半径。

器件悬膜整体应力计算公式为

(8)

式中:σt和tt表示整体薄膜的应力和厚度,σi和ti分别是各层的残余应力和厚度,n表示器件薄膜层数。测得沉积的AlN薄膜带有很大的残余压应力,残余应力大约为-100 MPa。

图8显示了采用光学轮廓仪(GT-1,布鲁克科技有限公司)测得该压电微扬声器的表面轮廓。从图中可以看到器件振膜有一个初始静态形变,这是由于沉积的氮化铝薄膜作为器件压电层和支撑层带有高残余压应力导致器件振膜产生了初始静态形变。

图8 光学轮廓仪(GT-1,Bruker Corp.)所得器件轮廓

采用声压级测试仪(Radio Shack cat no. 33-2050)在开放空间内对该压电微扬声器的输出声压级SPL(Sound Pressure Level)进行测试。测试装置如图9插图所示,该微扬声器通过引线键合固定在芯片插座(socket)的连接电极上。采用信号发生器产生频率范围为0.5到20 kHz的正弦驱动信号,驱动信号幅值分别为10 Vpp和20 Vpp,测试距离为10 mm。输出声压级测试结果如图9所示,测得周围环境的噪声基底为56 dB。从测试结果可以看出输出声压级随着驱动电压幅值的增大而增大,测得该微扬声器最大输出声压级约为75 dB,此时器件振动频率约为13 kHz,驱动幅值为20 Vpp。与参考文献[20]中压电微扬声器相比,该微扬声器尺寸更小(振膜直径小3倍左右),且输出声压级更高,这是由于采用高残余压应力AlN薄膜的缘故,高残余压应力会增大微扬声器的输出声压。与现有商用电动式微扬声器相比来说,该压电微扬声器具有尺寸小,厚度薄,功耗低等优势,但输出声压级仍相对较小,在后续工作中,可以通过采用器件阵列化和集成化来进一步提高该压电微扬声器的输出声压级。

图9 采用声压级测试仪测得10 mm处该压电微扬声器的输出声压级;插图为器件测试装置图

3 结论

本文基于MEMS加工工艺制备了高性能的氮化铝压电微扬声器,采用带有高残余压应力的AlN薄膜分别作为该微扬声器的压电层和支撑层来增大器件输出声压和输出带宽,同时利用合适的工艺制备手段控制器件振膜的整体应力,采用带有合适残余拉应力的金属Mo电极层结合带有残余压应力的AlN薄膜得到带有平坦工作区域和褶皱非工作区域的微扬声器结构,从而进一步增大该微扬声器振膜的纵向振幅和输出声压级,此压电微扬声器的结构具有可重复性,可实现批量生产,降低了生产成本。该AlN压电微扬声器的振膜直径仅为1.35 mm,单个芯片尺寸仅为1.8 mm×1.8 mm,芯片厚度只有0.5 mm,具有体积小、厚度薄、可集成化等优点。在开放空间内,测得该氮化铝微扬声器在测量距离10 mm处,20 Vpp驱动电压下的输出声压级(SPL)可达75 dB,满足人耳感知要求。但与现在商用电动式微扬声器相比,其输出声压级仍相对较小,在后续工作中可以通过采用器件阵列化和集成化进一步提高输出声压级,并采用带孔基板(backplate)来增大该压电微扬声器的输出带宽。测试结果表明该压电微扬声器在耳机、可穿戴设备和物联网(IoT)上具有潜在的应用价值。