膜片上fbar結(jié)構(gòu)的陣列式伽馬輻照劑量計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)器件領(lǐng)域，具體涉及一種膜片上FBAR(薄膜體聲波諧 振器，film bulk acoustic-wave resonators)的陣列式伽馬福照劑量計(jì)，該陣列式伽馬 輻照劑量計(jì)具有尺寸小、靈敏度高、可檢測(cè)輻照劑量分布、溫度穩(wěn)定性好和可制造性好等優(yōu) 點(diǎn)。 技術(shù)背景
[0002] 電離輻照傳感有大量的應(yīng)用，在大型高能物理實(shí)驗(yàn)中，高劑量輻照測(cè)試是理解硅 基電子器件退化的重要手段。在核材料探測(cè)和安保應(yīng)用中，由于輻照源可能被部分遮蔽，需 要低劑量的傳感器。在天文學(xué)領(lǐng)域，需要測(cè)量高能輻照的通量和方向。在治療癌癥的放射 性療法中，需要確定輻照入射的精確位置和大小。目前，已有多種傳感器用于輻照的探測(cè)。
[0003] 薄膜體聲波諧振器（FBAR，thin-fiIm bulk acoustic wave resonators)是一種 新型的微型電聲諧振器，具有高靈敏度、高工作頻率和低功耗等特點(diǎn)。以FBAR替代傳統(tǒng)的 伽馬輻照檢測(cè)元件并呈陣列式分布，可以構(gòu)建一種新型的高頻諧振式伽馬輻照劑量計(jì)，滿 足陣列式、高靈敏度、微小型化伽馬輻照劑量檢測(cè)的需求。其工作原理是：輻照使FBAR的平 板電容（Q 1)增加，從而減小了 FBAR的諧振頻率；利用適當(dāng)?shù)纳漕l電路或矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè) 量FBAR的諧振頻率偏移，現(xiàn)實(shí)福照劑量的測(cè)量；呈陣列式分布的FBAR可以實(shí)現(xiàn)福照劑量分 布的檢測(cè)。
[0004] 由美國(guó)國(guó)家航空航天局資助研宄的一種基于FBAR的輻照傳感器，該研宄提出了 兩種結(jié)構(gòu)：一種是輻照敏感層置于壓電層與底電極之間，輻照敏感層采用LPCVD工藝沉積； 另一種是輻照敏感層置于壓電層與頂電極之間，輻照敏感層采用PECVD工藝沉積，其特征 在于采用通孔型FBAR作為檢測(cè)元件。該方案的缺點(diǎn)是：一、FBAR不具有溫度補(bǔ)償層，溫度 對(duì)FBAR諧振頻率的影響較大；二、由于只有單個(gè)檢測(cè)元件，故無(wú)法檢測(cè)輻照劑量的分布。
[0005] 拉多斯技術(shù)公司公開(kāi)了公開(kāi)號(hào)為CNl 138901，公開(kāi)日是1996年12月25日的芬蘭 發(fā)明專利文獻(xiàn)，該文獻(xiàn)涉及一種利用帶浮動(dòng)?xùn)臡OSFET晶體管的劑量計(jì)測(cè)量離子輻射的方 法。該方案的主要缺點(diǎn)是：用于無(wú)線通信時(shí)需要一個(gè)大電感，因此限制了這種器件的小型化 潛力。
[0006] 北京放射醫(yī)學(xué)研宄所公開(kāi)了公開(kāi)號(hào)為CN2369254,公開(kāi)日是2000年3月15日的中 國(guó)發(fā)明專利文獻(xiàn)，該文獻(xiàn)涉及一種熱釋光個(gè)人劑量計(jì)，為了確定輻照后承受的劑量，需要給 熱釋光劑量計(jì)加熱并采用光譜儀測(cè)量發(fā)射光強(qiáng)。該方案的缺點(diǎn)是：需要有效的后處理才能 準(zhǔn)確確定輻照吸收的劑量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明為了解決上述技術(shù)缺陷，提供了一種膜片上FBAR結(jié)構(gòu)的陣列式伽馬輻照 劑量計(jì)計(jì)，該種結(jié)構(gòu)的陣列式伽馬輻照劑量計(jì)計(jì)除了具有高靈敏度（頻率偏移/電離劑量 在lOOOkHz/krad量級(jí)）、低功耗（FBAR具有低功耗的有點(diǎn)）、制造性好（與CMOS工藝兼容 易于單片集成，不需要使用大電感）、高工作頻率（諧振頻率在GHz量級(jí)），還能改善溫度對(duì) FBAR靈敏度的影響，增加了器件的機(jī)械強(qiáng)度；膜片上FBAR結(jié)構(gòu)的陣列式伽馬輻照劑量計(jì)， 可望滿足陣列式、高靈敏度、微小型化伽馬輻照劑量檢測(cè)的需求。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：
[0009] 膜片上FBAR結(jié)構(gòu)的陣列式伽馬輻照劑量計(jì)，其特征在于：包括檢測(cè)元件、復(fù)合薄 膜和Si基座，檢測(cè)元件位于復(fù)合薄膜上面，復(fù)合薄膜用于支撐檢測(cè)元件，Si基座位于復(fù)合 薄膜下面；檢測(cè)元件包括有若干呈矩形陣列式分布于復(fù)合薄膜上面的FBAR，F(xiàn)BAR由下到上 依次包括底電極、壓電層和頂電極，輻照敏感層設(shè)置于壓電層與底電極之間或者設(shè)置于壓 電層與頂電極之間，底電極緊貼于復(fù)合薄膜上表面；Si基座設(shè)置有若干空腔，空腔與輻照 敏感層在縱向上的位置一一對(duì)應(yīng)，空腔用于形成體聲波反射界面。
[0010] 所述FBAR的數(shù)量為NXM，N、M均為正整數(shù)。
[0011] 所述FBAR形狀可以為任意多邊形。
[0012] 所述空腔上面對(duì)應(yīng)的復(fù)合薄膜區(qū)域?yàn)閺?fù)合薄膜懸空區(qū)域。
[0013] 所述檢測(cè)元件的FBAR通過(guò)引線與焊盤(pán)連接。
[0014] 所述引線包括底電極引線與頂電極引線，焊盤(pán)包括底電極焊盤(pán)與頂電極焊盤(pán)， FBAR的底電極通過(guò)底電極引線與底電極焊盤(pán)連接，F(xiàn)BAR的頂電極通過(guò)頂電極引線與頂電 極焊盤(pán)連接。
[0015] 對(duì)于FBAR、焊盤(pán)和引線的連接結(jié)構(gòu)，可包括以下連接方式：
[0016] 第一種連接方式：每列FBAR的底電極均通過(guò)同一條底電極引線與同一個(gè)底電極 焊盤(pán)連接，每行FBAR的頂電極都通過(guò)同一條頂電極引線與同一個(gè)頂電極焊盤(pán)連接；或者， 每行FBAR的底電極都通過(guò)同一條底電極引線與同一個(gè)底電極焊盤(pán)連接，每列FBAR的頂電 極都通過(guò)同一條頂電極引線與同一個(gè)頂電極焊盤(pán)連接。
[0017] 基于第一種連接方式：
[0018] 如果輻照敏感層置于壓電層與底電極之間，壓電層底面的一部分緊貼輻照敏感層 上表面，壓電層底面的另一部分向兩側(cè)包覆輻照敏感層側(cè)面和底電極側(cè)面并延伸至復(fù)合薄 膜懸空區(qū)域上表面，頂電極底面的一部分緊貼壓電層的上表面，頂電極底面的另一部分向 兩側(cè)包覆壓電層側(cè)面并延伸至復(fù)合薄膜懸空區(qū)域上表面；
[0019] 如果輻照敏感層置于壓電層與頂電極之間，壓電層底面的一部分緊貼底電極上表 面，壓電層底面的另一部分向兩側(cè)包覆底電極側(cè)面并延伸至復(fù)合薄膜懸空區(qū)域上表面，頂 電極底面的一部分緊貼輻照敏感層的上表面，頂電極底面的另一部分向兩側(cè)包覆輻照敏感 層側(cè)面和壓電層側(cè)面并延伸至復(fù)合薄膜懸空區(qū)域上表面。
[0020] 第二種連接方式：每列FBAR的底電極都通過(guò)各自的底電極引線連接到同一條底 電極總線上，每行FBAR的頂電極都通過(guò)各自的頂電極引線連接到同一條頂電極總線上；或 者，每行FBAR的底電極都通過(guò)各自的底電極引線連接到同一條底電極總線上，每列FBAR的 頂電極都通過(guò)各自的頂電極引線連接到同一條頂電極總線上；每條底電極總線連接一個(gè)底 電極焊盤(pán)，每條頂電極總線連接一個(gè)頂電極焊盤(pán)。
[0021] 基于第二種連接方式：
[0022] 如果輻照敏感層置于壓電層與底電極之間，壓電層底面的一部分緊貼輻照敏感層 上表面，壓電層底面的另一部分向一側(cè)包覆輻照敏感層側(cè)面和底電極側(cè)面并延伸至復(fù)合薄 膜懸空區(qū)域上表面，頂電極底面的一部分緊貼壓電層的上表面，頂電極底面的另一部分向 兩側(cè)包覆壓電層側(cè)面并延伸至復(fù)合薄膜懸空區(qū)域上表面；
[0023] 如果輻照敏感層置于壓電層與頂電極之間，壓電層底面的一部分緊貼底電極上表 面，壓電層底面的另一部分向一側(cè)包覆底電極側(cè)面并延伸至復(fù)合薄膜懸空區(qū)域上表面，頂 電極底面的一部分緊貼輻照敏感層的上表面，頂電極底面的另一部分向兩側(cè)包覆輻照敏感 層側(cè)面和壓電層側(cè)面并延伸至復(fù)合薄膜懸空區(qū)域上表面。
[0024] 第二種連接方式中在頂電極總線與底電極總線交叉處，底電極總線上覆蓋著壓 電層，頂電極總線從該壓電層的上表面通過(guò)，由于該壓電層具有絕緣性能從而實(shí)現(xiàn)了頂電 極總線與底電極總線的絕緣，該壓電層與FBAR中的壓電層是具有相同厚度的同種材料，因 此可以通過(guò)同一次沉積和圖形化工藝形成。
[0025] 所述底電極、底電極引線及底電極焊盤(pán)均是具有相同厚度的同種導(dǎo)體材料，因此 可以通過(guò)同一次沉積和圖形化工藝形成；頂電極、頂引線及頂電極焊盤(pán)均是具有相同厚度 的同種導(dǎo)體材料，因此可以通過(guò)同一次沉積和圖形化工藝形成。由于復(fù)合薄膜懸空區(qū)域是 復(fù)合薄膜的一部分，復(fù)合薄膜懸空區(qū)域是一個(gè)連續(xù)、完整的平面，底電極引線和頂電極引線 可以在復(fù)合薄膜區(qū)域上表面靈活布線，底電極焊盤(pán)和頂電極焊盤(pán)均設(shè)置于Si基座對(duì)應(yīng)支 撐的復(fù)合薄膜上表面。
[0026] 對(duì)于輻照敏感層，進(jìn)一步地限定為：
[0027] 所述輻照敏感層可使用Si3N4或SiO 2材料，并使用PECVD或LPCVD工藝層沉積。
[0028] 對(duì)于空腔，進(jìn)一步地限定為：
[0029] 所述空腔是在硅襯底背面圖形化形成刻蝕窗口后通過(guò)深反應(yīng)離子刻蝕形成的。Si 基座與復(fù)合薄膜包圍的空間構(gòu)成空腔，空腔內(nèi)填充空氣?？涨慌c復(fù)合薄膜的界面用于形成 FBAR的體聲波反射界面。
[0030] 為了獲得高性能的FBAR，需將聲波限制在由底電極-壓電層-頂電極組成的FBAR 中。根據(jù)傳輸線理論，當(dāng)負(fù)載為零或無(wú)窮大時(shí)，入射波將全反射，空氣的聲阻抗近似等于零， 可以作為良好的體聲波反射邊界。而FBAR中頂電極一般與空氣接觸，自然形成了良好的體 聲波反射界面，底電極因置于復(fù)合薄膜上面所以需要人為地形成體聲波反射界面，在本發(fā) 明中空腔-SiO 2層即為體聲波反射界面。
[0031] 對(duì)于復(fù)合薄膜，進(jìn)一步地限定為：
[0032] 所述復(fù)合薄膜是方形膜片，復(fù)合薄膜包括SiO2層和Si 3N4層，SiO 2層與Si基座連 接，S