CN104833996A - 膜片上fbar结构的阵列式伽马辐照剂量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计，其特征在于：包括检测元件、复合薄膜和Si基座，检测元件位于复合薄膜上面，复合薄膜用于支撑检测元件，Si基座位于复合薄膜下面；检测元件包括有若干呈矩形阵列式分布于复合薄膜上面的FBAR，FBAR由下到上依次包括底电极、压电层和顶电极，辐照敏感层设置于压电层与底电极之间或者设置于压电层与顶电极之间，底电极紧贴于复合薄膜上表面；Si基座设置有若干空腔，空腔与辐照敏感层在纵向上的位置一一对应，空腔用于形成体声波反射界面，空腔上面对应的复合薄膜区域为复合薄膜悬空区域；本发明具有尺寸小、灵敏度高、可检测辐照剂量分布、温度稳定性好和可制造性好等优点。

Description

膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计

技术领域

本发明属于微电子机械***器件领域，具体涉及一种膜片上FBAR(薄膜体声波谐振器，film bulk acoustic-wave resonators)的阵列式伽马辐照剂量计，该阵列式伽马辐照剂量计具有尺寸小、灵敏度高、可检测辐照剂量分布、温度稳定性好和可制造性好等优点。

技术背景

电离辐照传感有大量的应用，在大型高能物理实验中，高剂量辐照测试是理解硅基电子器件退化的重要手段。在核材料探测和安保应用中，由于辐照源可能被部分遮蔽，需要低剂量的传感器。在天文学领域，需要测量高能辐照的通量和方向。在治疗癌症的放射性疗法中，需要确定辐照入射的精确位置和大小。目前，已有多种传感器用于辐照的探测。

薄膜体声波谐振器(FBAR，thin-film bulk acoustic wave resonators)是一种新型的微型电声谐振器，具有高灵敏度、高工作频率和低功耗等特点。以FBAR替代传统的伽马辐照检测元件并呈阵列式分布，可以构建一种新型的高频谐振式伽马辐照剂量计，满足阵列式、高灵敏度、微小型化伽马辐照剂量检测的需求。其工作原理是：辐照使FBAR的平板电容(C₀)增加，从而减小了FBAR的谐振频率；利用适当的射频电路或矢量网络分析仪测量FBAR的谐振频率偏移，现实辐照剂量的测量；呈阵列式分布的FBAR可以实现辐照剂量分布的检测。

由美国国家航空航天局资助研究的一种基于FBAR的辐照传感器，该研究提出了两种结构：一种是辐照敏感层置于压电层与底电极之间，辐照敏感层采用LPCVD工艺沉积；另一种是辐照敏感层置于压电层与顶电极之间，辐照敏感层采用PECVD工艺沉积，其特征在于采用通孔型FBAR作为检测元件。该方案的缺点是：一、FBAR不具有温度补偿层，温度对FBAR谐振频率的影响较大；二、由于只有单个检测元件，故无法检测辐照剂量的分布。

拉多斯技术公司公开了公开号为CN1138901，公开日是1996年12月25日的芬兰发明专利文献，该文献涉及一种利用带浮动栅MOSFET晶体管的剂量计测量离子辐射的方法。该方案的主要缺点是：用于无线通信时需要一个大电感，因此限制了这种器件的小型化潜力。

北京放射医学研究所公开了公开号为CN2369254，公开日是2000年3月15日的中国发明专利文献，该文献涉及一种热释光个人剂量计，为了确定辐照后承受的剂量，需要给热释光剂量计加热并采用光谱仪测量发射光强。该方案的缺点是：需要有效的后处理才能准确确定辐照吸收的剂量。

发明内容

本发明为了解决上述技术缺陷，提供了一种膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计计，该种结构的阵列式伽马辐照剂量计计除了具有高灵敏度(频率偏移/电离剂量在1000kHz/krad量级)、低功耗(FBAR具有低功耗的有点)、制造性好(与CMOS工艺兼容易于单片集成，不需要使用大电感)、高工作频率(谐振频率在GHz量级)，还能改善温度对FBAR灵敏度的影响，增加了器件的机械强度；膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计，可望满足阵列式、高灵敏度、微小型化伽马辐照剂量检测的需求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计，其特征在于：包括检测元件、复合薄膜和Si基座，检测元件位于复合薄膜上面，复合薄膜用于支撑检测元件，Si基座位于复合薄膜下面；检测元件包括有若干呈矩形阵列式分布于复合薄膜上面的FBAR，FBAR由下到上依次包括底电极、压电层和顶电极，辐照敏感层设置于压电层与底电极之间或者设置于压电层与顶电极之间，底电极紧贴于复合薄膜上表面；Si基座设置有若干空腔，空腔与辐照敏感层在纵向上的位置一一对应，空腔用于形成体声波反射界面。

所述FBAR的数量为N×M，N、M均为正整数。

所述FBAR形状可以为任意多边形。

所述空腔上面对应的复合薄膜区域为复合薄膜悬空区域。

所述检测元件的FBAR通过引线与焊盘连接。

所述引线包括底电极引线与顶电极引线，焊盘包括底电极焊盘与顶电极焊盘，FBAR的底电极通过底电极引线与底电极焊盘连接，FBAR的顶电极通过顶电极引线与顶电极焊盘连接。

对于FBAR、焊盘和引线的连接结构，可包括以下连接方式：

第一种连接方式：每列FBAR的底电极均通过同一条底电极引线与同一个 底电极焊盘连接，每行FBAR的顶电极都通过同一条顶电极引线与同一个顶电极焊盘连接；或者，每行FBAR的底电极都通过同一条底电极引线与同一个底电极焊盘连接，每列FBAR的顶电极都通过同一条顶电极引线与同一个顶电极焊盘连接。

基于第一种连接方式：

如果辐照敏感层置于压电层与底电极之间，压电层底面的一部分紧贴辐照敏感层上表面，压电层底面的另一部分向两侧包覆辐照敏感层侧面和底电极侧面并延伸至复合薄膜悬空区域上表面，顶电极底面的一部分紧贴压电层的上表面，顶电极底面的另一部分向两侧包覆压电层侧面并延伸至复合薄膜悬空区域上表面；

如果辐照敏感层置于压电层与顶电极之间，压电层底面的一部分紧贴底电极上表面，压电层底面的另一部分向两侧包覆底电极侧面并延伸至复合薄膜悬空区域上表面，顶电极底面的一部分紧贴辐照敏感层的上表面，顶电极底面的另一部分向两侧包覆辐照敏感层侧面和压电层侧面并延伸至复合薄膜悬空区域上表面。

第二种连接方式：每列FBAR的底电极都通过各自的底电极引线连接到同一条底电极总线上，每行FBAR的顶电极都通过各自的顶电极引线连接到同一条顶电极总线上；或者，每行FBAR的底电极都通过各自的底电极引线连接到同一条底电极总线上，每列FBAR的顶电极都通过各自的顶电极引线连接到同一条顶电极总线上；每条底电极总线连接一个底电极焊盘，每条顶电极总线连接一个顶电极焊盘。

基于第二种连接方式：

如果辐照敏感层置于压电层与底电极之间，压电层底面的一部分紧贴辐照敏感层上表面，压电层底面的另一部分向一侧包覆辐照敏感层侧面和底电极侧面并延伸至复合薄膜悬空区域上表面，顶电极底面的一部分紧贴压电层的上表面，顶电极底面的另一部分向两侧包覆压电层侧面并延伸至复合薄膜悬空区域上表面；

如果辐照敏感层置于压电层与顶电极之间，压电层底面的一部分紧贴底电极上表面，压电层底面的另一部分向一侧包覆底电极侧面并延伸至复合薄膜悬空区域上表面，顶电极底面的一部分紧贴辐照敏感层的上表面，顶电极底面的另一部分向两侧包覆辐照敏感层侧面和压电层侧面并延伸至复合薄膜悬空区域上表面。

第二种连接方式中在顶电极总线与底电极总线交叉处，底电极总线上覆盖着 压电层，顶电极总线从该压电层的上表面通过，由于该压电层具有绝缘性能从而实现了顶电极总线与底电极总线的绝缘，该压电层与FBAR中的压电层是具有相同厚度的同种材料，因此可以通过同一次沉积和图形化工艺形成。

所述底电极、底电极引线及底电极焊盘均是具有相同厚度的同种导体材料，因此可以通过同一次沉积和图形化工艺形成；顶电极、顶引线及顶电极焊盘均是具有相同厚度的同种导体材料，因此可以通过同一次沉积和图形化工艺形成。由于复合薄膜悬空区域是复合薄膜的一部分，复合薄膜悬空区域是一个连续、完整的平面，底电极引线和顶电极引线可以在复合薄膜区域上表面灵活布线，底电极焊盘和顶电极焊盘均设置于Si基座对应支撑的复合薄膜上表面。

对于辐照敏感层，进一步地限定为：

所述辐照敏感层可使用Si₃N₄或SiO₂材料，并使用PECVD或LPCVD工艺层沉积。

对于空腔，进一步地限定为：

所述空腔是在硅衬底背面图形化形成刻蚀窗口后通过深反应离子刻蚀形成的。Si基座与复合薄膜包围的空间构成空腔，空腔内填充空气。空腔与复合薄膜的界面用于形成FBAR的体声波反射界面。

为了获得高性能的FBAR，需将声波限制在由底电极-压电层-顶电极组成的FBAR中。根据传输线理论，当负载为零或无穷大时，入射波将全反射，空气的声阻抗近似等于零，可以作为良好的体声波反射边界。而FBAR中顶电极一般与空气接触，自然形成了良好的体声波反射界面，底电极因置于复合薄膜上面所以需要人为地形成体声波反射界面，在本发明中空腔-SiO₂层即为体声波反射界面。

对于复合薄膜，进一步地限定为：

所述复合薄膜是方形膜片，复合薄膜包括SiO₂层和Si₃N₄层，SiO₂层与Si基座连接，Si₃N₄层位于SiO₂层上面，复合薄膜的厚度即为SiO₂层与Si₃N₄层的厚度之和。

所述复合薄膜作为FBAR的支撑层。 

所述复合薄膜中的SiO₂层具有正温度系数，通过CVD工艺制备；FBAR的压电层具有负温度系数；复合薄膜悬空区域的SiO₂层与FBAR的压电层复合， 进行温度补偿，可提高FBAR的温度稳定性。

由FBAR串联谐振频率f_s与压电层弹性系数c之间的关系式： 知，压电层的弹性系数c与串联谐振频率f_s成正比。现有的多数的压电层其内部原子间的相互作用力一般都表现出负温度特性，即随着温度升高，原子间的相互作用力减弱，导致压电层的弹性系数变小。而FBAR的谐振频率又与压电层的弹性系数成正比关系，因此，随着温度的升高，FBAR的谐振频率减小。为降低这种温度-频率漂移特性的影响，必须对FBAR进行温度补偿以提高其温度稳定性。由于SiO₂层的杨氏模量随温度的升高而增大，即其温度系数为正值(约+85/℃)，因此，当正温度系数的SiO₂层在和负温度系数的压电层复合时，会减小彼此的温度漂移，故采用SiO₂层作为复合薄膜中的下层结构。

所述SiO₂层作为硅衬底背面刻蚀时的自停止层；由于刻蚀剂刻蚀SiO₂的速度远小于刻蚀Si的速度，可以确保硅衬底的刻蚀不会对SiO₂/Si₃N₄弹性膜片的厚度产生影响。

所述Si₃N₄层与SiO₂层复合，可用于增强复合薄膜的机械强度。同时，Si₃N₄层是绝缘材料，FBAR中的底电极可以直接溅射在Si₃N₄层之上。

由于Si对FBAR的谐振频率影响很大，会使FBAR产生多个谐振模式，不利于辐照信号的检测，故不能使用Si层作为复合薄膜的上层结构。Si₃N₄层具有高致密性、高介电常数和高绝缘强度等优良的物理性能及抗疲劳强度高、抗折断能力强等优良的机械性能；且较薄的Si₃N₄层不会对FBAR的谐振频率产生影响。为了提高器件的机械强度，故采用Si₃N₄层作为复合薄膜的上层结构。

本发明的有益效果如下：

本发明在实现阵列式伽马辐照剂量计高灵敏度与高工作频率的同时，还能改善FBAR的温度稳定性，采用工艺较为简单的背腔刻蚀工艺形成复合薄膜，器件机械强度大，布线方便；膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计，可望满足阵列式、高灵敏度、微小型化伽马辐照剂量检测的需求。

附图说明

图1-2分别为本发明FBAR为不同形状的第一种连接方式的俯视结构示意图；

图3为图1的A-A’横截面示意图；

图4-11为图3所示结构的主要制作工艺步骤示意图；

图12-13分别为本发明FBAR为不同形状的第二种连接方式的俯视结构示意图；

图14为图12的B-B’横截面示意图；

图15-22为所示结构的主要制作工艺步骤示意图；

其中，附图标记为：1检测元件，2底电极焊盘，3顶电极焊盘，4底电极引线，5顶电极引线，6复合薄膜，7复合薄膜悬空区域，8Si基座，9空腔，10Si₂O层，11Si₃N₄层，12底电极，13压电层，14辐照敏感层，15顶电极，16底电极总线，17顶电极总线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明：

膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计，包括检测元件1、复合薄膜6和Si基座8，检测元件1于复合薄膜6上面，复合薄膜6用于支撑检测元件1，Si基座8位于复合薄膜6下面；检测元件1包括有若干呈矩形阵列式分布于复合薄膜6上面的FBAR，FBAR由下到上依次包括底电极12、压电层13和顶电极15，辐照敏感层14设置于压电层13与底电极12之间或者设置于压电层13与顶电极15之间，底电极12紧贴于复合薄膜6上表面；Si基座8设置有若干空腔9，空腔9与辐照敏感层14在纵向上的位置一一对应，空腔9用于形成体声波反射界面。

所述FBAR的数量为N×M，N、M均为正整数，FBAR形状可以为任意正多边形，可以是如图1、12所示的正方形，也可以是图2、13所示的正五边形等；检测元件1的FBAR的数量为N×M并呈矩形阵列式分布，N、M为正整数。

所述检测元件1的FBAR通过引线与焊盘连接。

所述引线包括底电极引线4与顶电极引线5，焊盘包括底电极焊盘2与顶电极焊盘3，FBAR的底电极12通过底电极引线4与底电极焊盘2连接，FBAR的顶电极15通过顶电极引线5与顶电极焊盘3连接。

对于FBAR、焊盘和引线的连接结构，可包括以下连接方式：

如图1-11所示，第一种连接方式：

每列FBAR的底电极12均通过同一条底电极引线4与同一个底电极焊盘2连接，每行FBAR的顶电极15都通过同一条顶电极引线5与同一个顶电极焊盘 3连接；或者，每行FBAR的底电极12都通过同一条底电极引线4与同一个底电极焊盘2连接，每列FBAR的顶电极15都通过同一条顶电极引线5与同一个顶电极焊盘3连接。

基于第一种连接方式：

如果辐照敏感层14置于压电层13与底电极12之间，压电层13底面的一部分紧贴辐照敏感层14上表面，压电层13底面的另一部分向两侧包覆辐照敏感层14侧面和底电极12侧面并延伸至复合薄膜悬空区域7上表面，顶电极15底面的一部分紧贴压电层13的上表面，顶电极15底面的另一部分向两侧包覆压电层13侧面并延伸至复合薄膜悬空区域7上表面；

如果辐照敏感层14置于压电层13与顶电极15之间，压电层13底面的一部分紧贴底电极12上表面，压电层13底面的另一部分向两侧包覆底电极12侧面并延伸至复合薄膜悬空区域7上表面，顶电极15底面的一部分紧贴辐照敏感层14的上表面，顶电极15底面的另一部分向两侧包覆辐照敏感层14侧面和压电层13侧面并延伸至复合薄膜悬空区域7上表面。

如图12-22所示，第二种连接方式：

每列FBAR的底电极12都通过各自的底电极引线4连接到同一条底电极总线16上，每行FBAR的顶电极15都通过各自的顶电极引线5连接到同一条顶电极总线17上；或者，每行FBAR的底电极12都通过各自的底电极引线4连接到同一条底电极总线16上，每列FBAR的顶电极15都通过各自的顶电极引线5连接到同一条顶电极总线17上；每条底电极总线16连接一个底电极焊盘2，每条顶电极总线17连接一个顶电极焊盘3。

基于第二种连接方式：

如果辐照敏感层14置于压电层13与底电极12之间，压电层13底面的一部分紧贴辐照敏感层14上表面，压电层13底面的另一部分向一侧包覆辐照敏感层14侧面和底电极12侧面并延伸至复合薄膜悬空区域7上表面，顶电极15底面的一部分紧贴压电层13的上表面，顶电极15底面的另一部分向两侧包覆压电层13侧面并延伸至复合薄膜悬空区域7上表面；

如果辐照敏感层14置于压电层13与顶电极15之间，压电层13底面的一部分紧贴底电极12上表面，压电层13底面的另一部分向一侧包覆底电极12侧面 并延伸至复合薄膜悬空区域7上表面，顶电极15底面的一部分紧贴辐照敏感层14的上表面，顶电极15底面的另一部分向两侧包覆辐照敏感层14侧面和压电层13侧面并延伸至复合薄膜悬空区域7上表面。

第二种连接方式中在顶电极总线17与底电极总线16交叉处，底电极总线16上覆盖着压电层13，顶电极总线17从该压电层13的上表面通过，由于该压电层13具有绝缘性能从而实现了顶电极总线17与底电极总线16的绝缘，该压电层13与FBAR中的压电层13是具有相同厚度的同种材料，因此可以通过同一次沉积和图形化工艺形成。

所述底电极12、底电极引线4及底电极焊盘2均是具有相同厚度的同种导体材料，因此可以通过同一次沉积和图形化工艺形成；顶电极15、顶引线及顶电极焊盘3均是具有相同厚度的同种导体材料，因此可以通过同一次沉积和图形化工艺形成。由于复合薄膜悬空区域7是复合薄膜6的一部分，复合薄膜悬空区域7是一个连续、完整的平面，底电极引线4和顶电极引线5可以在复合薄膜区域上表面灵活布线，底电极焊盘2和顶电极焊盘3均设置于Si基座8对应支撑的复合薄膜6上表面。

对于辐照敏感层14，进一步地限定为：

所述辐照敏感层14可使用Si₃N₄或SiO₂材料，并使用PECVD或LPCVD工艺层沉积。辐照敏感层14可置于压电层13与底电极12之间，也可置于压电层13与顶电极15之间。

对于空腔9，进一步地限定为：

图7为本发明其中一个单元的背视结构示意图，所述空腔9是在硅衬底背面图形化形成刻蚀窗口后通过深反应离子刻蚀形成的。Si基座8与复合薄膜6包围的空间构成空腔9，空腔9内填充空气。

所述空腔9与复合薄膜6的界面用于形成FBAR的体声波反射界面。

对于复合薄膜6，进一步地限定为：

所述复合薄膜6是方形膜片，复合薄膜6包括SiO₂层10和Si₃N4层11，SiO₂层10与Si基座8连接，Si₃N₄层11位于SiO₂层10上面，复合薄膜6的厚度即为SiO₂层10与Si₃N₄层11的厚度之和。

所述复合薄膜6作为FBAR的支撑层。 

所述复合薄膜6中的SiO₂层10具有正温度系数，通过CVD工艺制备；FBAR的压电层13具有负温度系数；复合薄膜悬空区域7的SiO₂层10与FBAR的压电层13复合，进行温度补偿，可提高FBAR的温度稳定性。

伽马辐照入射到辐照敏感层14和压电层13上，产生电子-空穴对(EHPs,electron-hole pairs)，引发电离损伤。电子-空穴对的密度与转移的能量成正比。电子-空穴对产生后，小部分电子和空穴很快就会复合。由于电子具有更高的迁移率，会比空穴复合得更快，导致多余的空穴迁移到辐照敏感层14的深孔陷阱中或辐照敏感层14/压电层13界面处。空穴的输运采用电介质中表面缺陷点之间的电荷“跳跃”(charge“hopping”)表征。此处，捕获的电荷得以积累，改变了压电层13或辐照敏感层14的表面电势，使得平板电容(C₀)增大，从而减小了FBAR的谐振频率。

可以建立固体材料中的辐照效应的模型。一个电离光子从靶材料中单位体积每剂量产生的EHPs的数量(也即“增殖常数，generation constant”)g₀，由下式给出：

$g_0\left[\frac{\#\mathrm{ehp}}{{\mathrm{cm}}^3\·\mathrm{rad}}\right]=100\left[\frac{\mathrm{erg}}{g}\right]\left[\frac{1}{\mathrm{rad}}\right]\·\frac{1}{1.6\×{10}^{-12}}\left[\frac{\mathrm{eV}}{\mathrm{erg}}\right]\·\frac{1}{E_p}\left[\frac{\#\mathrm{ehp}}{\mathrm{eV}}\right]\·\mathrm{\ρ}\left[\frac{g}{{\mathrm{cm}}^3}\right]---\left(1\right)$

式中，E_p是电离所需的平均自由能(约为能带隙的2倍)，ρ是靶材料的密度。在任何给定的时间内，逃脱复合过程的小部分空穴可以用一维(x方向)的空穴连续性方程表示：

$\frac{\∂p}{\∂t}=\frac{{\∂f}_{p,x}}{\∂x}+G_p-R_p---\left(2\right)$

式中，p是空穴的浓度(cm^-3)，f_p,x是空穴的通量，G_p是空穴的产生速率(cm^-3s^-1)，R_p是延迟的空穴复合速率(cm^-3s^-1)。如果假设该器件处于稳态且延迟复合速率可以忽略，式(2)改写为：

$\frac{{\∂f}_{p,x}}{\∂x}=G_p---\left(3\right)$

式中，辐照诱导的空穴产生速率由下式给出：

$G_p=\stackrel{\·}{D}{g}_0{f}_y\left(\right|E_x\left|\right)---\left(4\right)$

式中，是辐照剂量率，g₀是式(1)给出的增殖常数，f_y是与器件中局部电场有关的电荷产额，可以近似表示为：

$f_y\left(\stackrel{\→}{E}\right)~\left(\frac{\left|\stackrel{\→}{E}\right|}{|\stackrel{\→}{E}+E_0|}\right)---\left(5\right)$

式中，E₀是阈值电场常数。联立式(3)并使用边界条件，可以在两个不同的电场方向求解空穴的通量：

|f_p,x(x)|＝G_p·x E_x＞0

                             (6) 

|f_p,x(x)|＝G_p·(t_p-x) E_x＜0

式中，t_d是电介质的厚度。最后，半导体-电介质界面附近的空穴捕获速率可以表示为：

$\frac{d_{n_{\mathrm{ot}}}\left(x\right)}{\mathrm{dt}}=(n_t\left(x\right)-n_{\mathrm{ot}}\left(x\right))\·{\mathrm{\σ}}_p\·\left|f_{p,x}\left(x\right)\right|-R_{n_{\mathrm{ot}}}---\left(7\right)$

式中，n_ot和n_t分别是捕获空穴的密度和捕获点的密度，σ_p是空穴俘获截面(cm²)。复合因子表示来自***的捕获空穴的去除率。由于最后一次辐照五小时之后的再次表征发现与先前的测量没有偏差，因此假设复合因子可以忽略不计。

本发明第一种连接方式的主要制作工艺步骤示意图，包括如图4-11八个主要工艺步骤。图4为初始的硅衬底；在图5中，通过干-湿-干氧化在硅衬底上表面形成一层SiO₂层10；在图6中，通过LPCVD在SiO₂层10上表面形成一层Si₃N₄层11，SiO₂层10与Si₃N₄层11构成了复合薄膜6；在图7中，通过磁控溅射和超声剥离在Si₃N₄层11上表面形成Pt底电极12、底电极引线4、底电极焊盘2；在图8中，通过反应磁控溅射和TMAH溶液腐蚀在底电极12上表面形成AlN压电层13；在图9中，通过PECVD沉积和RIE刻蚀在AlN压电层13上表面形成Si₃N₄辐照敏感层14；在图10中，通过磁控溅射和湿法腐蚀在Si₃N₄辐照敏感层14的上表面形成Al顶电极15、顶电极引线5和顶电极焊盘3；在图11中，通过深反应离子刻蚀对硅衬底的背面进行局部刻蚀，形成空腔9。

本发明第二种连接方式的主要制作工艺步骤示意图，包括如图15-22八个主要工艺步骤。图15为初始的硅衬底；在图16中，通过干-湿-干氧化在硅衬底上表面形成一层SiO₂层10；在图17中，通过LPCVD在SiO₂层10上表面形成一层Si₃N₄层11，SiO₂层10与Si₃N₄层11构成了复合薄膜6；在图18中，通过磁 控溅射和超声剥离在Si₃N₄层11上表面形成Pt底电极12、底电极引线4、底电极总线16、底电极焊盘2；在图19中，通过反应磁控溅射和TMAH溶液腐蚀在底电极12上表面形成AlN压电层13，并在底电极总线16与顶电极总线17交叉处也形成AlN压电层13；在图20中，通过PECVD沉积和RIE刻蚀在AlN压电层13上表面形成辐照敏感层14；在图21中，通过磁控溅射和湿法腐蚀在Si₃N₄辐照敏感层14的上表面形成Al顶电极15、顶电极引线5、顶电极总线17和顶电极焊盘3；在图22中，通过深反应离子刻蚀对硅衬底的背面进行局部刻蚀，形成空腔9。

Claims (15)

1.膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计，其特征在于：包括检测元件、复合薄膜和Si基座，检测元件位于复合薄膜上面，复合薄膜用于支撑检测元件，Si基座位于复合薄膜下面；检测元件包括有若干呈矩形阵列式分布于复合薄膜上面的FBAR，FBAR由下到上依次包括底电极、压电层和顶电极，辐照敏感层设置于压电层与底电极之间或者设置于压电层与顶电极之间，底电极紧贴于复合薄膜上表面；Si基座设置有若干空腔，空腔与辐照敏感层在纵向上的位置一一对应，空腔用于形成体声波反射界面，空腔上面对应的复合薄膜区域为复合薄膜悬空区域；所述FBAR的数量为N×M，N、M均为正整数。

2.根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计，其特征在于：所述检测元件的FBAR通过引线与焊盘连接；所述引线包括底电极引线与顶电极引线，焊盘包括底电极焊盘与顶电极焊盘，FBAR的底电极通过底电极引线与底电极焊盘连接，FBAR的顶电极通过顶电极引线与顶电极焊盘连接。

3.根据权利要求2所述的膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计，其特征在于：FBAR、焊盘和引线的连接方式为：每列FBAR的底电极均通过同一条底电极引线与同一个底电极焊盘连接，每行FBAR的顶电极都通过同一条顶电极引线与同一个顶电极焊盘连接；或者，每行FBAR的底电极都通过同一条底电极引线与同一个底电极焊盘连接，每列FBAR的顶电极都通过同一条顶电极引线与同一个顶电极焊盘连接。

4.根据权利要求3所述的膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计，其特征在于：当辐照敏感层置于压电层与底电极之间时，压电层底面的一部分紧贴辐照敏感层上表面，压电层底面的另一部分向两侧包覆辐照敏感层侧面和底电极侧面并延伸至复合薄膜悬空区域上表面，顶电极底面的一部分紧贴压电层的上表面，顶电极底面的另一部分向两侧包覆压电层侧面并延伸至复合薄膜悬空区域上表面。

5.根据权利要求3所述的膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计，其特征在于：当辐照敏感层置于压电层与顶电极之间时，压电层底面的一部分紧贴底电极上表面，压电层底面的另一部分向两侧包覆底电极侧面并延伸至复合薄膜悬空区域上表面，顶电极底面的一部分紧贴辐照敏感层的上表面，顶电极底面的另一部分向两侧包覆辐照敏感层侧面和压电层侧面并延伸至复合薄膜悬空区域上表面。

6.根据权利要求2所述的膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计，其特征在于：FBAR、焊盘和引线的连接方式为：每列FBAR的底电极都通过各自的底电极引线连接到同一条底电极总线上，每行FBAR的顶电极都通过各自的顶电极引线连接到同一条顶电极总线上；或者，每行FBAR的底电极都通过各自的底电极引线连接到同一条底电极总线上，每列FBAR的顶电极都通过各自的顶电极引线连接到同一条顶电极总线上；每条底电极总线连接一个底电极焊盘，每条顶电极总线连接一个顶电极焊盘。

7.根据权利要求6所述的膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计，其特征在于：如果辐照敏感层置于压电层与底电极之间，压电层底面的一部分紧贴辐照敏感层上表面，压电层底面的另一部分向一侧包覆辐照敏感层侧面和底电极侧面并延伸至复合薄膜悬空区域上表面，顶电极底面的一部分紧贴压电层的上表面，顶电极底面的另一部分向两侧包覆压电层侧面并延伸至复合薄膜悬空区域上表面。

8.根据权利要求6所述的膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计，其特征在于：如果辐照敏感层置于压电层与顶电极之间，压电层底面的一部分紧贴底电极上表面，压电层底面的另一部分向一侧包覆底电极侧面并延伸至复合薄膜悬空区域上表面，顶电极底面的一部分紧贴辐照敏感层的上表面，顶电极底面的另一部分向两侧包覆辐照敏感层侧面和压电层侧面并延伸至复合薄膜悬空区域上表面。

9.根据权利要求6所述的膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计，其特征在于：在顶电极总线与底电极总线交叉处，底电极总线上覆盖着压电层，顶电极总线从压电层的上表面通过；压电层与FBAR中的压电层是具有相同厚度的同种材料，通过同一次沉积和图形化工艺形成。

10.根据权利要求2所述的膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计，其特征在于：所述底电极、底电极引线及底电极焊盘均是具有相同厚度的同种导体材料，通过同一次沉积和图形化工艺形成；顶电极、顶引线及顶电极焊盘均是具有相同厚度的同种导体材料，通过同一次沉积和图形化工艺形成；所述底电极引线和顶电极引线在复合薄膜区域上表面灵活布线，底电极焊盘和顶电极焊盘均设置于Si基座对应支撑的复合薄膜上表面。

11.根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计，其特征在于：所述辐照敏感层采用Si₃N₄或SiO₂材料，并使用PECVD或LPCVD工艺层沉积。

12.根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计，其特征在于：所述空腔是在硅衬底背面图形化形成刻蚀窗口后通过深反应离子刻蚀形成的。

13.根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计，其特征在于：所述复合薄膜是方形膜片，复合薄膜包括SiO₂层和Si₃N₄层，SiO₂层与Si基座连接，Si₃N₄层位于SiO₂层上面，复合薄膜的厚度即为SiO₂层与Si₃N₄层的厚度之和。

14.根据权利要求12所述的膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计，其特征在于：所述复合薄膜中的SiO₂层具有正温度系数，通过CVD工艺制备；所述FBAR的压电层具有负温度系数；复合薄膜的SiO₂层与FBAR的压电层复合，进行温度补偿，用于提高FBAR的温度稳定性。

15.根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计，其特征在于：所述SiO₂层作为硅衬底背面刻蚀时的自停止层。