空腔結構和該結構的製備方法及壓敏傳感器的製作方法
2023-06-07 20:26:36
專利名稱：空腔結構和該結構的製備方法及壓敏傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種MEMS壓敏傳感器的製作方法。本發明還涉及一種矽片中形成空腔的方法。
背景技術：
壓力傳感器是將壓力轉換為電信號的一種器件。通常，壓力傳感器本身是嵌有電阻的的微機械薄膜，壓阻用來檢測壓力。矽薄膜有良好的機械性，微機械加工技術(MEMQ將矽薄膜和壓阻應力計或應變計集成在一起。壓阻應力計或應變計被簡單地注入或擴散在薄膜上表面。將這些壓阻放置在薄膜上合適的位置，並且用惠斯通電橋連接在一起，這樣，這些壓阻就能輸出足夠強的電信號。另外，薄膜也可以作為電容器的一個電極。薄膜的應力和撓度都取決於施加於其上的差壓，也就是薄膜上表面的壓力和薄膜下表面的壓力。如果薄膜的下表面是某個真空腔的一部分，那麼這就是絕對壓力傳感器。體微機械加工(bulk micromachining)和表面微機械加工 (surfacemicromachining)是製造薄膜的兩種主要方法。在體微機械加工方法中，選擇性的去除矽片上的體矽材料，直至留下一層單晶矽薄膜，主要使用腐蝕自停止技術來控制薄膜厚度。表面微機械是先將薄膜澱積在犧牲層上，然後再選擇性溼法刻蝕犧牲層，最後形成薄膜。體微機械加工方法通過應用電化學腐蝕自停止技術，從矽片背面形成壓力口，使用外延層形成微機械結構。因體微機械加工使用電化學腐蝕方法，對薄膜厚度控制較差，而其與CMOS工藝兼容性比較差。而表面微機械加工技術，通過犧牲層的澱積可以精確控制薄膜厚度，使用正面加工可以滿足製造空腔和釋放微機械結構，與傳統矽表面加工CMOS工藝兼容性很好。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種MEMS系統中的空腔結構，該結構位於矽片表面。為解決上述技術問題，本發明的形成在矽片表面的空腔結構，包括空腔、多個支撐柱、上層薄膜以及保護層；空腔，刻蝕形成於矽片表面；支撐柱通孔，設置於空腔四周的矽片上；上層薄膜，由支撐柱支撐，位於空腔上方；保護層位於上層薄膜和矽片之上，將由空腔、支撐柱和上層薄膜構成的結構密封。本發明還提供一種製備空腔結構的方法，包括如下步驟1)刻蝕矽片形成空腔；2)在所述矽片表面澱積犧牲層，所述犧牲層填充所述空腔；3)平坦化處理所述犧牲層表面，且平坦化後所述矽片表面上的犧牲層為一預定厚度；
4)刻蝕所述犧牲層，至矽片表面下預定深度，形成支撐柱通孔，所述支撐柱通孔為兩個以上設置在空腔四圍犧牲層中的通孔；5)在所述犧牲層上澱積上層薄膜，澱積的同時填充所述支撐柱通孔；6)刻蝕所述上層薄膜，形成上層薄膜圖案，所述刻蝕停止在所述犧牲層上；7)溼法腐蝕去除所述犧牲層；8)在所述矽片表面澱積保護層，以密封所述空腔。本發明還提供一種壓敏傳感器的製作方法，包括如下步驟1)刻蝕矽片形成空腔；2)在所述矽片上澱積形成犧牲層，所述犧牲層填充所述空腔；3)平坦化處理所述犧牲層表面，且平坦化後所述矽片表面上的犧牲層為一預定厚度；4)刻蝕所述犧牲層，至矽片表面下預定深度中，形成支撐柱通孔，所述支撐柱通孔為兩個以上設置在空腔四圍犧牲層中的通孔；5)在所述犧牲層上澱積壓敏傳感薄膜，澱積的同時填充所述支撐柱通孔；6)刻蝕所述壓敏傳感薄膜，形成壓敏傳感薄膜圖案，所述刻蝕停止在所述犧牲層上；7)溼法腐蝕去除所述犧牲層；8)在所述矽片上澱積保護層，以密封所述空腔。本發明的壓敏傳感器件的製作方法，為在矽片的表面刻蝕出一個空腔(cavity) 作為傳感薄膜的伸縮空間；在空腔形成之後向空腔填充犧牲層，其中的犧牲層澱積工藝會保持因空腔刻蝕形成的圖形間的高低差( 印-height)；經平坦化處理之後在位於空腔的周圍的犧牲層刻蝕一圈環繞空腔的通孔用來填充固定傳感薄膜的支撐柱通孔；之後進行壓敏傳感薄膜支撐柱通孔填充和傳感薄膜澱積，然後刻蝕出傳感薄膜形狀，再通過溼法刻蝕的方法把所有犧牲層刻蝕乾淨，最後澱積一層保護層把壓敏傳感器件密封。相比於體微機械加工方法，本方明的方法與傳統矽表面加工CMOS工藝兼容性較好。
下面結合附圖與具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明圖1為本發明的製作方法流程示意圖；圖2為實施本發明的方法中澱積犧牲層後的截面結構示意圖；圖3為實施本發明的方法中平坦化犧牲層後的截面結構示意圖；圖4為實施本發明的方法中澱積壓敏傳感薄膜後的截面結構示意圖；圖5為實施本發明的方法中去除犧牲層後的截面結構示意圖；圖6為實施本發明的方法中澱積保護層後的截面結構示意圖；圖7為本發明的空腔結構中空腔和支撐柱通孔的平面示意圖。
具體實施例方式本發明的微機電系統(MEMS)壓敏傳感器的製作方法(見圖1)，一具體實施步驟為
1)先在矽片10表面刻蝕一空腔11。通常該空腔為具有一定深度的正方形或長方形。空腔的位置可先通過常規的光刻工藝定義出來。2)而後在矽片上澱積犧牲層13 (見圖幻，該犧牲層材料完全填充上述空腔。犧牲層材料可為純的二氧化矽，也可為摻硼二氧化矽、摻磷二氧化矽和摻氟二氧化矽中的任一種。犧牲層的澱積可通過PECVD (等離子體增強化學氣相澱積法)、APCVD (常壓化學氣相澱積法)或LPCVD (低壓化學氣相澱積法)工藝進行。3)之後對所澱積的犧牲層13進行平坦化處理(見圖3)。實際中主要採用CMP研磨工藝進行平坦化處理。平坦化後要求位於矽片表面之上的犧牲層保持一預定的厚度，該預定厚度可根據具體工藝設計優化，如一具體實例中該厚度可為100-30000埃。4)刻蝕犧牲層形成支撐柱通孔12。具體工藝為先用光刻工藝在犧牲層上定義出支撐柱通孔的位置；而後刻蝕所述犧牲層，至矽片以下一定深度(可為50至20000埃)，形成支撐柱通孔。支撐柱通孔12為多個設置在空腔11四周的犧牲層13內的通孔(見圖7)， 其主要用途為犧牲層去除後支撐位於空腔上方的壓敏傳感薄膜。該支撐柱通孔的個數和該支撐柱通孔至矽片的深度應設計為能保證在犧牲層去除過程以及去除後能支撐位於空腔上方的壓敏傳感薄膜。5)在犧牲層上澱積壓敏傳感薄膜14，在澱積的同時填充上述的支撐柱通孔(見圖 4)。在一具體實施例中壓敏傳感薄膜為多晶矽膜，可為純多晶矽薄膜、摻磷多晶矽、摻硼多晶矽或摻氟多晶矽。壓敏傳感薄膜的厚度可為100-50000埃之間，具體數值可由工藝設計決定。壓敏傳感薄膜最好選用與犧牲層材料具有溼法刻蝕高選擇比的材料，以保證在犧牲層去除過程中不受影響。填充後的支撐柱通孔，在去除犧牲層後為支撐柱 6)壓敏傳感薄膜刻蝕，形成壓敏傳感薄膜圖形，刻蝕停止在下層的犧牲層之上。壓敏傳感薄膜的圖形由光刻工藝定義，刻蝕停止在犧牲層上，即將不需要的壓敏傳感薄膜完全去除。7)溼法腐蝕去除犧牲層，形成由空腔11、多個支撐柱15和壓敏傳感薄膜14構成的壓敏傳感器件(見圖5)。8)最後在矽片表面澱積保護層16，以密封上述壓敏傳感器件(見圖6)。保護層材料可為氮化矽，氧化矽或氮氧化矽等，其用於將空腔、支撐柱和壓敏傳感薄膜構成的傳感器件密封。本發明的空腔結構，形成在矽片表面，具有如圖6所示的結構。該空腔結構包括刻蝕形成於矽片表面的空腔；設置於空腔四周的矽片上多個支撐柱；由所述支撐柱支撐，位於空腔上方的上層薄膜；以及保護層，位於上層薄膜和矽片之上，將由空腔、支撐柱和上層薄膜構成的結構密封。本發明的空腔結構的製作方法，適用於所有基於矽襯底的微機電系統中與壓敏傳感器具有類似空腔結構的器件。本發明的在矽片中形成空腔結構的方法，包括如下步驟1)刻蝕矽片形成空腔；2)在矽片表面形成犧牲層，犧牲層填充空腔；3)平坦化處理犧牲層表面，且平坦化後矽片表面上的犧牲層為一預定厚度；4)刻蝕犧牲層至矽片表面下預定深度，形成支撐柱通孔，支撐柱通孔為兩個以上設置在空腔四圍犧牲層內的通孔；
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5)在犧牲層上澱積上層薄膜，澱積的同時上層薄膜填充支撐柱通孔；6)刻蝕上層薄膜，形成上層薄膜圖案，刻蝕停止在犧牲層上；7)溼法腐蝕去除犧牲層，形成由空腔、支撐柱和上層薄膜構成的結構；8)在矽片表面澱積保護層，使空腔密閉。
權利要求
1.一種形成在矽片表面的空腔結構，其特徵在於所述空腔結構包括空腔、多個支撐柱、上層薄膜以及保護層； 所述空腔，刻蝕形成於矽片表面； 所述支撐柱，設置於所述空腔四周的矽片上； 所述上層薄膜，由所述支撐柱支撐，位於所述空腔上方；所述保護層位於所述上層薄膜和矽片之上，將由所述空腔、支撐柱通孔和上層薄膜形成的結構密封。
2.一種製備如權利要求1所述空腔結構的方法，其特徵在於，包括如下步驟1)刻蝕矽片形成空腔；2)在所述矽片表面澱積犧牲層，所述犧牲層填充所述空腔；3)平坦化處理所述犧牲層表面，且平坦化後所述矽片表面上的犧牲層為一預定厚度；4)刻蝕所述犧牲層，至矽片表面下預定深度，形成支撐柱通孔，所述支撐柱通孔為兩個以上設置在所述空腔四圍犧牲層中的通孔；5)在所述犧牲層上澱積上層薄膜，澱積的同時填充所述支撐柱通孔形成支撐柱；6)刻蝕所述上層薄膜，形成上層薄膜圖案，所述刻蝕停止在所述犧牲層上；7)溼法腐蝕去除所述犧牲層；8)在所述矽片上澱積保護層，把所述空腔密封。
3.一種壓敏傳感器的製作方法，其特徵在於，包括如下步驟1)刻蝕矽片形成空腔；2)在所述矽片上澱積形成犧牲層，所述犧牲層填充所述空腔；3)平坦化處理所述犧牲層表面，且平坦化後所述矽片表面上的犧牲層為一預定厚度；4)刻蝕所述犧牲層，至矽片表面下預定深度中，形成支撐柱通孔，所述支撐柱通孔為兩個以上設置在空腔四圍犧牲層中的通孔；5)在所述犧牲層上澱積壓敏傳感薄膜，澱積的同時填充所述支撐柱通孔；6)刻蝕所述壓敏傳感薄膜，形成壓敏傳感薄膜圖案，所述刻蝕停止在所述犧牲層上；7)溼法腐蝕去除所述犧牲層；8)在所述矽片上澱積保護層，以密封所述空腔。
4.如權利要求3所述的製作方法，其特徵在於所述犧牲層的材料為純二氧化矽、摻硼二氧化矽、摻磷二氧化矽或摻氟二氧化矽；所述犧牲層的澱積工藝為PECVD、APCVD或 LPCVD。
5.如權利要求3所述的製作方法，其特徵在於所述步驟三平坦化後犧牲層的厚度為 100 30000 埃。
6.如權利要求3所述的製作方法，其特徵在於所述壓敏傳感薄膜為純多晶矽薄膜、摻磷多晶矽、摻硼多晶矽或摻氟多晶矽。
全文摘要
本發明公開了一種壓敏傳感器的製作方法，包括如下步驟1)刻蝕矽片形成空腔；2)在所述矽片表面形成犧牲層；3)平坦化處理所述犧牲層表面；4)刻蝕所述犧牲層至矽片中，形成支撐柱通孔；5)在所述犧牲層上澱積壓敏傳感薄膜；6)刻蝕所述壓敏傳感薄膜，形成壓敏傳感薄膜圖案；7)溼法腐蝕去除所述犧牲層；8)在所述矽片表面澱積保護層，以密封空腔。本發明的製作方法與傳統矽表面加工CMOS工藝的兼容性較好。本發明還公開了一種矽片中形成密閉空腔的方法。
文檔編號G01L9/04GK102259820SQ201010186550
公開日2011年11月30日 申請日期2010年5月27日 優先權日2010年5月27日
發明者方精訓, 程曉華, 鄧鐳 申請人:上海華虹Nec電子有限公司