CN102674240A - 一种微机械传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微机械传感器及其制作方法，采用湿法硅腐蚀技术在硅衬底中刻蚀出两倒梯形结构的深腔以及其所夹的正梯形结构的硅块，通过圆片键合技术实现敏感膜和硅块的物理连接，然后通过对硅衬底底部进行刻蚀使所述硅块底部悬空作为质量块，接着采用真空键合实现质量块的密封，最后在敏感膜上制备敏感结构和电极以完成制备。采用湿法硅腐蚀技术有利于降低微机械传感器的制造成本；由于敏感膜和梯形质量块长度较短的一边连接，减少了敏感膜和质量块的连接长度，有利于微机械传感器的尺寸的减小；由于硅块为梯形结构，和传统制作工艺相比，本发明提出的微机械传感器的质量块重量得到提高，有利于提高传感器的性能。

Description

一种微机械传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别是涉及一种微机械传感器及其制作方法。 

背景技术

和传统传感器相比，采用微机械电子系统（MEMS）技术制作的微型传感器具有更小的面积，更高的集成度。并且由于采用微机械加工工艺制作，基于MEMS技术的微型传感器也非常适合规模制造，具有极高的性价比。随着微机械加工技术的不断进步，MEMS传感器的性价比在不断提高，MEMS传感器的应用范围也在不断增加。其中硅基MEMS传感器由于借助了成熟的微电子工艺，其制作成本得到进一步降低，并易于实现传感器和电路的集成，其发展也最为迅速。硅基MEMS传感器已实现在消费电子、工业电子、医疗等各传感领域的大规模应用。 

硅腐蚀技术是硅基MEMS传感器的关键工艺技术。目前，常用的硅腐蚀技术可分为湿法硅腐蚀和干法硅腐蚀两大类。湿法硅腐蚀技术具有工艺成本低、工艺容易控制等优点；而干法硅腐蚀技术则具有无晶向选择性，工艺时间短等优点。由于受腐蚀晶向选择性的限制，采用湿法硅腐蚀技术制作的MEMS传感器一般具有较大的器件尺寸，器件尺寸无法进行进一步的减小，不利于提高传感器的集成度。此外，大的器件尺寸则降低了圆片上器件密度，从而不利于器件制作成本的进一步降低。由于不受晶向选择性的限制，采用干法硅腐蚀技术制作的MEMS传感器一般具有较小的器件尺寸，能够提高圆片上器件密度，采用干法硅腐蚀技术所刻蚀的硅衬底截面结构如图1所示。然而，干法硅腐蚀技术需要应用到等离子场进行硅刻蚀，其工艺成本较高，这就抵消了其高器件密度的优点，也不利于器件制作成本的降低。 

此外，由于现有硅基MEMS传感器结构制作受加工方法的限制，其器件性能无法得到有效提高。比如，采用湿法硅腐蚀技术制作的MEMS传感器结构，其悬浮质量块一般是倒梯形结构，悬浮质量块和敏感薄膜接触的长度要大于质量块底部的长度，这就减小了悬浮质量块的重量，降低了传感器的灵敏度。 

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微机械传感器及其制作方法，用于解决现有技术中微机械传感器制作成本高或集成度低、质量块重量较小导致传感器灵敏 度较低的问题。 

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微机械传感器的制作方法，至少包括以下步骤：1）提供第一硅衬底，制作光刻图形并采用湿法各向异性硅腐蚀技术从所述第一硅衬底上表面开始刻蚀，以在所述第一硅衬底中形成间隔且横截面为倒置梯形结构的两深腔结构以及所述两深腔结构之间的横截面为正置梯形结构的硅块结构；2）提供表面结合有敏感膜第二衬底，并将所述敏感膜与所述第一硅衬底的上表面进行键合；或提供表面结合有敏感膜且敏感膜表面结合有氧化层的第二衬底，并将所述氧化层与所述第一硅衬底的上表面进行键合；3）减薄所述第二衬底以露出所述敏感膜；4）于所述敏感膜上制备敏感结构及金属引线；刻蚀所述第一硅衬底的下表面直至露出所述深腔结构及硅块结构，并继续刻蚀所述硅块结构至一预设深度。 

在本发明的微机械传感器的制作方法中，所述敏感膜与硅块结构通过键合的方式进行粘结。 

在本发明的微机械传感器的制作方法中，所述正置梯形结构为上底位于下底上方的梯形结构，所述倒置梯形结构为上底位于下底下方的梯形结构。 

优选地，所述正置梯形结构为正置的等腰梯形结构。 

作为本发明的微机械传感器的制作方法的一个优选方案，所述步骤4）包括以下步骤：4-1）首先于所述敏感膜上制备敏感结构及金属引线；4-2）然后刻蚀所述第一硅衬底的下表面直至露出所述深腔结构及硅块结构，并继续刻蚀所述硅块结构至一预设深度。 

作为本发明的微机械传感器的制作方法的一个优选方案，所述步骤4）还包括：4-3）提供一支撑片，并将所述支撑片与所述第一硅衬底的下表面进行真空键合。 

作为本发明的微机械传感器的制作方法的一个优选方案，所述步骤4）还包括提供一支撑片，并将所述支撑片与所述第一硅衬底的下表面进行真空键合的步骤，具体地，所述步骤4）包括以下步骤：4-1）首先刻蚀所述第一硅衬底的下表面直至露出所述深腔结构及硅块结构，并继续刻蚀所述硅块结构至一预设深度；4-2）然后提供一支撑片，并将所述支撑片与所述第一硅衬底的下表面进行真空键合；4-3）最后于所述敏感膜上制备敏感结构及金属引线。 

作为本发明的微机械传感器的制作方法的一个优选方案，所述制作方法还包括将覆盖于所述深腔结构的敏感膜刻蚀成连接所述硅块结构及第一硅衬底的微梁结构的步骤。 

作为本发明的微机械传感器的制作方法的一个优选方案，所述步骤3）还包括对所述敏感膜进行抛光的步骤。 

作为本发明的微机械传感器的制作方法的一个优选方案，所述第二衬底为硅衬底或表面带有二氧化硅层的硅衬底，所述敏感膜为硅薄膜或压电薄膜。 

本发明还提供一种依据上述任意一中方案所述的微机械传感器的制作方法所制作的微机械传感器。 

如上所述，本发明的微机械传感器及其制作方法，具有以下有益效果：采用湿法硅腐蚀技术在硅衬底中刻蚀出两倒梯形结构的深腔以及其所夹的正梯形结构的硅块，通过圆片键合技术实现敏感膜和硅块的物理连接，然后通过对硅衬底底部进行刻蚀使所述硅块底部悬空作为质量块，接着采用真空键合实现质量块的密封，最后在敏感膜上制备敏感结构和电极以完成制备。采用湿法硅腐蚀技术有利于降低微机械传感器的制造成本；由于敏感膜和梯形质量块长度较短的一边连接，减少了敏感膜和质量块的连接长度，有利于微机械传感器的尺寸的减小；此外，由于硅块为梯形结构，和传统制作工艺相比，本发明提出的微机械传感器的质量块重量可以得到提高，有利于提高传感器的性能。 

附图说明

图1显示为现有技术中的采用干法硅腐蚀技术所的刻蚀硅衬底的结构示意图。 

图2a～图2b显示为本发明的微机械传感器的制作方法实施例1中步骤1）所呈现的结构示意图。 

图2c及2d显示为本发明的微机械传感器的制作方法实施例1中步骤2）所呈现的结构示意图。 

图2e显示为本发明的微机械传感器的制作方法实施例1中步骤3）所呈现的结构示意图。 

图2f～图2j显示为本发明的微机械传感器的制作方法实施例1中步骤4）所呈现的结构示意图。 

图3a~图3b显示为本发明的微机械传感器的制作方法实施例2完成后所呈现的截面及平面结构示意图。 

图4显示为本发明的微机械传感器的制作方法实施例3完成后所呈现的截面及平面结构示意图。 

图5a~图5c显示为本发明的微机械传感器的制作方法实施例4各步骤所呈现的结构示意图。 

图6显示为本发明的微机械传感器的制作方法实施例5完成后所呈现的结构示意图。 

元件标号说明 

101    第一硅衬底 

102    光刻图形 

103    深腔结构 

104    硅块结构 

105    敏感膜 

106    第二硅衬底 

111    二氧化硅层 

107    支撑片 

108    敏感结构 

109    金属引线 

210    微梁结构 

312    氧化层 

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。 

请参阅图2a至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。 

实施例1 

如图2a～2j所示，本发明提供一种微机械传感器的制作方法，至少包括以下步骤： 

如图2a~2b所示，首先进行步骤1），提供第一硅衬底101，制作光刻图形102并采用湿法各向异性硅腐蚀技术从所述第一硅衬底101上表面开始刻蚀，以在所述第一硅衬底101中形成间隔且具有倒置梯形结构的两深腔结构103以及所述两深腔结构103之间的具有正置梯形结构的硅块结构104。其中，所述正置梯形结构为上底位于下底上方的梯形结构，所述倒置梯形结构为上底位于下底下方的梯形结构。 

具体地，提供一双面抛光且具有特定晶向的第一硅衬底101，然后通过薄膜沉积、光刻和薄膜刻蚀等工艺制作出间隔的两腐蚀窗口图形，然后采用湿法各向异性硅腐蚀技术从所述第一硅衬底101上表面的腐蚀窗口处开始刻蚀，以在所述第一硅衬底101中形成间隔且具有 倒置梯形结构的两深腔结构103以及所述两深腔结构103之间的具有正置梯形结构的硅块结构104。在本实施例中，所述正置梯形结构为正置的等腰梯形结构。所述硅块结构104为四棱台结构或者梯形体结构，其横截面为正置的梯形。 

如图2c及2d所示，然后进行步骤2）提供表面结合有敏感膜105第二衬底，并将所述敏感膜105与所述第一硅衬底101的上表面进行键合。 

在本实施例中，所述第二衬底为硅衬底，所述敏感膜105为硅薄膜或压电薄膜，当然，在其它的实施例中，也可以提供一SOI衬底，包括第二硅衬底、二氧化硅层111及顶层硅，其中，所述SOI衬底的顶层硅作为所述敏感膜105，如图2d所示。然后采用硅硅直接键合技术将所述敏感膜105及所述第一硅衬底101的上表面进行键合，实现硅块结构104和敏感膜105结构的物理连接。 

如图2e所示，接着进行步骤3），减薄所述第二衬底以露出所述敏感膜105。 

具体地，采用研磨法减薄所述第二硅衬底106。当然，在其它的实施例中，也可以采用湿法腐蚀、磨削或电化学腐蚀等方法对所述第二硅衬底106进行减薄。在本实施例中，在对所述第二硅衬底106减薄后还包括对所述敏感膜105进行抛光的步骤，具体地，采用机械化学抛光法对所述第二硅衬底106进行抛处理。 

如图2f～2j所示，最后进行步骤4），包括： 

如图2f所示首先进行步骤4-1）刻蚀所述第一硅衬底101的下表面直至露出所述深腔结构103及硅块结构104，并继续刻蚀所述硅块结构104至一预设深度。 

在本实施例中，首先采用研磨或湿法腐蚀等工艺对所述第一硅衬底101的下表面进行减薄直至露出所述深腔结构103及硅块结构104，然后通过选择性腐蚀继续刻蚀所述硅块结构104至一预设深度，将硅块结构104和所述第一硅衬底101进行物理隔离，实现硅块结构104的释放，其中所述硅块结构与敏感膜通过键合的方式进行粘结，且所述硅块结构用作传感器的质量块。 

如图2g所示然后进行4-2），提供一支撑片107，并将所述支撑片107与所述第一硅衬底101的下表面进行真空键合。 

在本实施例中，所述支撑片107为硅片，当然，在其它的实施例中，所述支撑片107可以其它一切预期的材料。然后采用真空键合技术将所述支撑片107与所述第一硅衬底101的下表面进行真空键合。 

如图2h～2j所示最后进行4-3），于所述敏感膜105上制备敏感结构108及金属引线109。 

在本实施例中，采用半导体工艺中的离子注入、薄膜沉积、光刻、氧化扩散、薄膜刻蚀等工艺在敏感膜105上制作出敏感微结构，然后通过金属沉积、光刻和金属腐蚀等工艺实现 敏感微结构上电信号的读出，以完成所述微机械传感器的制作。 

具体地，所述敏感微结构制备方法包括：a）在敏感膜上通过光刻制作出敏感微结构图形，b）通过离子注入在图形区域掺杂注入，c）在敏感膜表面生长一层绝缘层，d）在微结构图形区域通过光刻和刻蚀制作出引线孔，e）沉积金属薄膜材料，并光刻形成金属引线，以完成所述微机械传感器的制作。 

请参阅图2i～2j，本发明还提供一种通过本实施例的微机械传感器的制作方法所制作的微机械传感器，其横截面结构如图2i所示，其平面结构如图2j所示。 

实施例2 

请参阅2a~3b，本实施例提供一种微机械传感器的制作方法，其基本步骤如实施例1，其中，在实施例1完成步骤4）后，将覆盖于所述深腔结构的敏感膜105刻蚀成连接所述硅块结构及第一硅衬101的微梁结构210的步骤，以增加传感器的灵敏度，其平面结构如图3b所示。 

请参阅图3a~3b，本发明还提供一种通过本实施例的微机械传感器的制作方法所制作的微机械传感器，其横截面结构如图3a所示，其平面结构如图3b所示。 

实施例3 

请参阅图2a～图2j及图4，本实施例提供一种微机械传感器的制作方法，其基本步骤如实施例1，其中，将所述步骤2）替换为：提供表面结合有敏感膜105且敏感膜105表面结合有氧化层312的第二衬底，并将所述氧化层312与所述第一硅衬底101的上表面进行键合，以实现敏感膜105和质量块结构的电学隔离。 

请参阅图4，本发明还提供一种通过本实施例的微机械传感器的制作方法所制作的微机械传感器，结构如图4所示。 

实施例4 

请参阅图2a～图2e及图5a～图5c，本实施例提供一种微机械传感器的制作方法，其步骤1）～步骤3）如实施例1，其中，所述步骤4）包括以下步骤： 

如图5a~5b所示，首先进行步骤4-1），于所述敏感膜105上制备敏感结构108及金属引线109。 

在本实施例中，采用半导体工艺中的离子注入、薄膜沉积、光刻、氧化扩散、薄膜刻蚀等工艺在敏感膜105上制作出敏感微结构，然后通过金属沉积、光刻和金属腐蚀等工艺实现 敏感微结构上电信号的读出。 

如图5c所示，然后进行步骤4-2），刻蚀所述第一硅衬底101的下表面直至露出所述深腔结构及硅块结构，并继续刻蚀所述硅块结构至一预设深度。 

在本实施例中，首先采用研磨或湿法腐蚀等工艺对所述第一硅衬底101的下表面进行减薄直至露出所述深腔结构及硅块结构，然后通过选择性腐蚀继续刻蚀所述硅块结构至一预设深度，将硅块结构和所述第一硅衬底101进行物理隔离，实现硅块结构的释放，作为传感器的质量块，以完成所述微机械传感器的制作。 

请参阅图5c，本发明还提供一种通过本实施例的微机械传感器的制作方法所制作的微机械传感器，结构如图5c所示。 

实施例5 

请参阅图2a～图2e、图5a～图5c及图6，本实施例提供一种微机械传感器的制作方法，其基本步骤如实施例4，其中，所述步骤4）还包括：4-3）提供一支撑片107，并将所述支撑片107与所述第一硅衬底101的下表面进行真空键合。 

在本实施例中，所述支撑片107为硅片，当然，在其它的实施例中，所述支撑片107可以其它一切预期的材料。然后采用真空键合技术将所述支撑片107与所述第一硅衬底101的下表面进行真空键合。 

请参阅图6，本发明还提供一种通过本实施例的微机械传感器的制作方法所制作的微机械传感器，结构如图6所示。 

综上所述，本发明的微机械传感器及其制作方法，采用湿法硅腐蚀技术在硅衬底中刻蚀出两倒梯形结构的深腔以及其所夹的正梯形结构的硅块，通过圆片键合技术实现敏感膜和硅块的物理连接，然后通过对硅衬底底部进行刻蚀使所述硅块底部悬空作为质量块，接着采用真空键合实现质量块的密封，最后在敏感膜上制备敏感结构和电极以完成制备。采用湿法硅腐蚀技术有利于降低微机械传感器的制造成本；由于敏感膜和梯形质量块长度较短的一边连接，减少了敏感膜和质量块的连接长度，有利于微机械传感器的尺寸的减小；此外，由于硅块为梯形结构，和传统制作工艺相比，本发明提出的微机械传感器的质量块重量可以得到提高，有利于提高传感器的性能。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。 

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等 效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。 

Claims (11)

1.一种微机械传感器的制作方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

1）提供第一硅衬底，制作光刻图形并采用湿法各向异性硅腐蚀技术从所述第一硅衬底上表面开始刻蚀，以在所述第一硅衬底中形成间隔且横截面为倒置梯形结构的两深腔结构以及所述两深腔结构之间的横截面为正置梯形结构的硅块结构；

2）提供表面结合有敏感膜第二衬底，并将所述敏感膜与所述第一硅衬底的上表面进行键合；或提供表面结合有敏感膜且敏感膜表面结合有氧化层的第二衬底，并将所述氧化层与所述第一硅衬底的上表面进行键合；

3）减薄所述第二衬底以露出所述敏感膜；

4）于所述敏感膜上制备敏感结构及金属引线；刻蚀所述第一硅衬底的下表面直至露出所述深腔结构及硅块结构，并继续刻蚀所述硅块结构至一预设深度。

2.根据权利要求1所述的微机械传感器的制作方法，其特征在于：所述敏感膜与硅块结构通过键合的方式进行粘结。

3.根据权利要求1所述的微机械传感器的制作方法，其特征在于：所述正置梯形结构为上底位于下底上方的梯形结构，所述倒置梯形结构为上底位于下底下方的梯形结构。

4.根据权利要求1所述的微机械传感器的制作方法，其特征在于：所述正置梯形结构为正置的等腰梯形结构。

5.根据权利要求1所述的微机械传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤4）包括以下步骤：

4-1）首先于所述敏感膜上制备敏感结构及金属引线；

4-2）然后刻蚀所述第一硅衬底的下表面直至露出所述深腔结构及硅块结构，并继续刻蚀所述硅块结构至一预设深度。

6.根据权利要求5所述的微机械传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤4）还包括：

4-3）提供一支撑片，并将所述支撑片与所述第一硅衬底的下表面进行真空键合。

7.根据权利要求1所述的微机械传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤4）还包括提供一支撑片，并将所述支撑片与所述第一硅衬底的下表面进行真空键合的步骤，具体地，所述步骤4）包括以下步骤：

4-1）首先刻蚀所述第一硅衬底的下表面直至露出所述深腔结构及硅块结构，并继续刻蚀所述硅块结构至一预设深度；

4-2）然后提供一支撑片，并将所述支撑片与所述第一硅衬底的下表面进行真空键合；

4-3）最后于所述敏感膜上制备敏感结构及金属引线。

8.根据权利要求1~7任意一项所述的微机械传感器的制作方法，其特征在于：所述制作方法还包括将覆盖于所述深腔结构的敏感膜刻蚀成连接所述硅块结构及第一硅衬底的微梁结构的步骤。

9.根据权利要求1~7任意一项所述的微机械传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤3）还包括对所述敏感膜进行抛光的步骤。

10.根据权利要求1~7任意一项所述的微机械传感器的制作方法，其特征在于：所述第二衬底为硅衬底或表面带有二氧化硅层的硅衬底，所述敏感膜为硅薄膜或压电薄膜。

11.一种依据权利要求1~10任意一项所述的微机械传感器的制作方法所制作的微机械传感器。

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