CN102798403B - Mems薄膜电容式多参数传感器的集成制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS薄膜电容式多参数传感器的集成制造方法。在MEMS承载衬底上并列设有MEMS薄膜电容式压力、温度和湿度传感器。三种传感器的电极、牺牲层、敏感层、敏感膜以及保护层均采用互相匹配的结构与材料，从而能够通过集成的表面微加工技术制造而成。优点是：本发明所提出的多参数传感器的结构及集成制造方法减小了器件的体积，简化了工艺步骤，能够在一定程度上降低传感器产品的成本。另外，全电容的结构增加了其在基于电感耦合的无源无线传感系统中的应用潜力。
Description
技术领域
本发明涉及一种MEMS薄膜电容式多参数传感器结构及其集成制造方法，属于MEMS传感器制造领域。
背景技术
随着物联网技术的发展，需要大量的传感器对不同类型的数据进行采集，因此采用批量微纳制造技术进行MEMS传感器的生产在提升传感器性能一致性，降低传感系统能耗及传感器成本方面有着重要的意义。特别的，在生产生活中，一方面，人们通常同时关注被测环境中的多个参数（如：压力、温度、湿度、化学成分等），因此，需要使用不同的传感器分别对敏感参数进行采集，为了实现工艺的一致性、系统的小型化与成本的最小化，多种MEMS传感器需要被集成制造并且统一封装。例如，中科院电子学研究所的赵湛等人于2004年和2006年先后提出了基于体硅加工技术和薄膜加工技术的压力、温度、湿度三参数传感器，其中压力和湿度传感器采用了电容式的结构，温度传感器则采用了传统的薄膜温度计结构；2006年，西安交通大学的赵玉龙等人提出了一种集成了压力、温度、湿度和三轴加速度计的多参数传感器，其加速度计和压力传感器采用了体硅加工工艺，温度和湿度传感器则采用了薄膜制造方案；2009年，爱尔兰Tyndall国家微电子研究院的Mathieu Hautefeuille等人采用薄膜制造工艺和体硅工艺结合的方法，集成了温度、湿度、腐蚀度、化学气体和气流传感器，传感器的工作原理包含了电阻式和电容式两种。另一方面，在某些特殊环境中，传感器系统由于环境或空间的原因无法设置电源，而且参数的检测无法通过常规的有线连接进行，需要采用无线无源的方式进行检测数据的传输。无线无源的MEMS传感器系统通常基于两种原理，一是基于电感耦合的LC回路，检测其谐振频率相对于被测参数的改变；二是基于表面声波的原理。其中，前者通过环境参数改变MEMS电容结构中某些关键参数（如：基板间距、介质介电常数等）来改变电容值，进而改变回路的谐振频率，所以选用电容式传感器是进行测量的优选方案。2005年，密歇根大学的A. D. DeHennis和K. D. Wise将电容式的压力、温度和湿度传感器进行集成，用于无源无线的传感器系统，但三种传感器为分别制造，工艺繁琐，而且使用的是体硅加工技术，以及晶圆键合的方法，所制得的传感器产品体积较大；最近的2011年，飞思卡尔半导体公司的A. C. McNeil等人成功的将使用薄膜工艺制造的电容式压力与温度传感器进行集成，但其传感器制造也较繁琐。
分析上述研究背景可知，目前MEMS多参数传感器的制造已有较多的报道，其中不乏全电容式的结构以用于电感耦合的无线无源传感器系统，但总的来说，使用体硅加工工艺制造的产品体积较大，而且多种传感器未能实现集成化制造，繁琐的制造工艺也在一定程度上增加了最终产品的成本。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种MEMS薄膜电容式多参数传感器的结构及其集成制造方法，能够用来进行压力、温度和湿度这三种环境参数的检测，而且该传感器的结构采用了集成化的薄膜加工制造工艺，减小了器件的体积，简化了工艺步骤，另外，其全电容的结构增加了其在基于电感耦合的无源无线传感系统中的应用潜力。
按照本发明提供的技术方案，所述的MEMS薄膜电容式多参数传感器结构包括：MEMS器件的承载衬底、MEMS薄膜电容式压力传感器、MEMS薄膜电容式温度传感器、MEMS薄膜电容式湿度传感器；所述MEMS薄膜电容式压力传感器、MEMS薄膜电容式温度传感器和MEMS薄膜电容式湿度传感器并列设置于承载衬底之上。
所述的MEMS薄膜电容式压力传感器中设有上电极和下电极，上、下两个电极形成平行板电容结构；上电极和下电极之间为释放牺牲层之后产生的压力传感器的腔体；所述腔体由密封层进行薄膜密封，使腔体内的气压值维持恒定；所述下电极设置在腔体的底部的承载衬底上；上电极设置在腔体密封层的顶部的内侧，且上电极中设有用于腐蚀释放牺牲层的释放孔结构；上电极和下电极均与外界相连，在承载衬底上形成电学互连。
所述的MEMS薄膜电容式温度传感器中设有上电极和下电极，上、下两个电极形成平行板电容结构；所述下电极设置在承载衬底上；所述上电极设置在双材料悬臂结构的内侧，为内侧结构；双材料悬臂的外侧结构通过锚点与承载衬底接触；上电极和下电极之间为释放牺牲层之后产生的温度传感器电极间的间隙；所述电极间的间隙为开放式结构；上电极和下电极均与外界相连，在承载衬底上形成电学互连。
所述的MEMS薄膜电容式湿度传感器中设有上电极和下电极，上、下两个电极形成平行板电容结构；上电极和下电极之间为湿度敏感层；所述下电极设置在湿度敏感层的底部的承载衬底上；上电极设置在湿度敏感层的顶部，上电极外侧设有保护层结构；贯穿上电极和保护层结构设有使湿度敏感层与外部环境接触的湿度探测孔结构；上电极和下电极均与外界相连，在承载衬底上形成电学互连。
所述上电极和下电极为同种材料且具有相同的厚度，材料可以为钛、铬、金、铜、铝、钨、铂或其组合，厚度为20纳米至200纳米。
所述的MEMS薄膜电容式压力传感器和MEMS薄膜电容式温度传感器制作过程中的牺牲层与MEMS薄膜电容式湿度传感器中的湿度敏感层为同种材料且具有相同的厚度，材料可以为聚酰亚胺、苯并环丁烯、环氧树脂或聚甲基丙烯酸甲酯，厚度为100纳米至50微米。
所述的MEMS薄膜电容式压力传感器的密封层、MEMS薄膜电容式温度传感器的双材料悬臂的外侧结构与MEMS薄膜电容式湿度传感器的保护层为同种材料且具有相同的厚度，材料可以为多晶硅、氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝或其组合，厚度为2微米至15微米。
一种MEMS薄膜电容式多参数传感器的集成制造方法，其步骤如下：
(1) 在承载衬底（1）上使用物理气相沉积法沉积金属薄膜，使用紫外线光刻和腐蚀的方法对所述金属薄膜进行图形化，形成MEMS薄膜电容式传感器的下电极（5）和器件外部的电学互连（6）；
(2) 在步骤1形成的结构上使用旋涂的方法涂覆一层湿度敏感材料，使用紫外线光刻和腐蚀的方法对所述湿度敏感材料进行图形化，形成MEMS薄膜电容式压力传感器（2）和MEMS薄膜电容式温度传感器（3）的牺牲层（19）以及MEMS薄膜电容式湿度传感器（4）的湿度敏感层（10），所述牺牲层（19）与湿度敏感层（10）的部分边缘延伸至下电极（5）的边缘以外，以便在后续流程中实现上电极（7）和下电极（5）的电学隔离；
(3) 在步骤2形成的结构上使用物理气相沉积法沉积金属薄膜，使用紫外线光刻和腐蚀的方法对所述金薄膜进行图形化，形成MEMS薄膜电容式压力传感器（2）、MEMS薄膜电容式温度传感器（3）和MEMS薄膜电容式湿度传感器（4）的上电极（7）以及上电极（7）与器件外部连接的电学互连，其中MEMS薄膜电容式压力传感器（2）的上电极（7）中制作有用于释放牺牲层（19）的释放孔结构（11）；
(4) 在步骤3形成的结构上使用化学气相沉积或物理气相沉积的方法沉积绝缘薄膜，使用紫外线光刻和腐蚀的方法对所述绝缘薄膜进行图形化，形成：带有牺牲层释放孔（18）的MEMS薄膜电容式压力传感器（2）的密封层（20）、MEMS薄膜电容式温度传感器（3）双材料悬臂结构的外侧结构（15）及其与承载衬底（1）连接的锚点（14）、带有湿度探测孔结构（16）的MEMS薄膜电容式湿度传感器（4）的保护层（17）；
(5) 使用干法腐蚀或湿法腐蚀的方法，通过牺牲层释放孔（18）、上电极（7）中的释放孔结构（11）以及MEMS薄膜电容式温度传感器（3）电极间的间隙（9），对MEMS薄膜电容式压力传感器（2）和MEMS薄膜电容式温度传感器（3）中的牺牲层（19）进行腐蚀，从而释放MEMS结构；
(6) 使用化学气相沉积的方法，再次沉积绝缘层薄膜，通过紫外线光刻和腐蚀的方法对带有牺牲层释放孔（18）的密封层（20）进行密封，形成密闭的密封层（13）；
(7) 使用紫外线光刻图形化和腐蚀的方法，在MEMS薄膜电容式湿度传感器（4）的上电极（7）中制作出湿度探测孔结构（16）；最终完成MEMS薄膜电容式多参数传感器结构的集成制造。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1. 本发明提出的MEMS薄膜电容式多参数传感器的结构能够同时对压力、温度和湿度参数进行检测，电容式的结构使其能够应用于基于电感耦合的无线无源传感器系统中。
2. 本发明提出的MEMS薄膜电容式多参数传感器的结构采用集成的薄膜加工工艺进行制造，传感器产品体积较小，而且集成工艺相对简单，能够在一定程度上降低传感器产品的成本。
附图说明
图1至7为本发明具体实施工艺步骤剖视图，其中：
图1为承载衬底，并且设有MEMS电容式传感器的下电极与传感器外部电互连；
图2为牺牲层、湿度敏感层的制作；
图3为MEMS电容式传感器的上电极及其他电互连的制作；
图4为压力传感器密封层、温度传感器悬臂梁以及湿度传感器保护层的制作；
图5为牺牲层的腐蚀，释放压力传感器和温度传感器的薄膜敏感结构，形成腔体；
图6为压力传感器密封层的密闭；
图7为湿度传感器探测孔的打开，最终器件完成的结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图7所示，本实施例中采用了上述MEMS薄膜电容式多参数传感器的结构，包括：MEMS器件的承载衬底1、MEMS薄膜电容式压力传感器2、MEMS薄膜电容式温度传感器3、MEMS薄膜电容式湿度传感器4；上述三种传感器并列设置于承载衬底1之上。
如图7所示，所述的MEMS薄膜电容式压力传感器2中设有上电极7和下电极5，上、下两个电极形成平行板电容结构；上、下电极之间为释放牺牲层19之后产生的压力传感器2的腔体8；上述腔体8由密封层13进行薄膜密封，使腔体8内的气压值维持恒定；所述下电极5设置在上述腔体8的底部的承载衬底1上；所述上电极7设置在上述腔体密封层13的顶部的内侧且设有用于腐蚀释放牺牲层19的释放孔结构11；上电极7和下电极5均与外界相连，在承载衬底1上形成电学互连6。
所述的MEMS薄膜电容式温度传感器3中设有上电极7和下电极5，上、下两个电极形成平行板电容结构；所述下电极5设置在承载衬底1上；所述上电极7设置在双材料悬臂结构的内侧，为内侧结构；双材料悬臂的外侧结构15通过锚点14与承载衬底1接触；上、下电极之间为释放牺牲层19之后产生的温度传感器3电极间的间隙9；上述电极间的间隙9为开放式结构；上电极7和下电极5均与外界相连，在承载衬底1上形成电学互连6。
所述的MEMS薄膜电容式湿度传感器4中设有上电极7和下电极5，上、下两个电极形成平行板电容结构；上、下电极之间为湿度敏感层10；所述下电极5设置在上述湿度敏感层10的底部的承载衬底1上；上电极7设置在湿度敏感层10的顶部，上电极7外侧设有保护层结构17；贯穿上电极7和保护层结构17设有使湿度敏感层10与外部环境接触的湿度探测孔结构16；上电极7和下电极5均与外界相连，在承载衬底1上形成电学互连6。
所述的MEMS薄膜电容式压力、温度和湿度传感器的上电极7为30至200纳米金，下电极5与传感器外部电学互连6为5至20纳米铬及其上方的30至200纳米金；所述的MEMS薄膜电容式压力和温度传感器制作过程中的牺牲层19与MEMS薄膜电容式湿度传感器4中的湿度敏感层10为聚酰亚胺PI2727（也可以用苯并环丁烯、环氧树脂或聚甲基丙烯酸甲酯等材料），其厚度为100纳米至50微米；所述的MEMS薄膜电容式压力传感器2的密封层13、MEMS薄膜电容式温度传感器3的双材料悬臂的外侧结构15与MEMS薄膜电容式湿度传感器4的保护层17为氮化硅，其厚度为2至15微米。
如图1至图7所示，上述MEMS薄膜电容式多参数传感器的结构可以通过下述工艺步骤实现，具体地：
(1) 如图1所示，提供用来承载MEMS结构的承载衬底1，并且在所述承载衬底1上使用磁控溅射法依次沉积5至20纳米铬与30至200纳米金薄膜，使用紫外线光刻和腐蚀的方法对所述金薄膜进行图形化，形成MEMS薄膜电容式传感器的下电极5和器件外部的电学互连6；使用10.9%的硝酸铈铵溶液在21摄氏度条件下腐蚀铬（也可根据需求调节溶液浓度和温度以调节腐蚀速率），使用50%的碘化钾-碘（质量比为4:1）的水溶液在21摄氏度条件下腐蚀金（也可根据需求调节溶液浓度和温度以调节腐蚀速率）；
(2) 如图2所示，在上述结构上使用旋涂的方法涂覆一层湿度敏感材料聚酰亚胺PI2727(由HD Microsystems公司提供)，厚度为100纳米至50微米使用紫外线光刻和腐蚀的方法对所述聚酰亚胺材料进行图形化，形成MEMS薄膜电容式压力和温度传感器2、3的牺牲层19以及MEMS薄膜电容式湿度传感器4的湿度敏感层10，所述牺牲层19与湿度敏感层10的部分边缘延伸至传感器下电极5的边缘以外2至20微米，以便在后续流程中实现上、下电极7、5的电学隔离；使用功率为100瓦，体积流量为200标况毫升每分（sccm，即0摄氏度，1个标准大气压条件下每分钟的流体流量）的氧气等离子体在13.3帕的压力条件下对聚酰亚胺PI2727进行腐蚀（也可根据需求调节气体流量、功率、压力、温度等参数来调节腐蚀速率）；
(3) 如图3所示，在上述结构上使用磁控溅射法沉积20纳米至200纳米金薄膜，使用紫外线光刻和腐蚀的方法对所述金薄膜进行图形化，形成MEMS薄膜电容式传感器2、3、4的上电极7以及上电极7与器件外部连接的电学互连，其中MEMS薄膜电容式压力传感器2的上电极中制作有用于释放牺牲层19的释放孔结构11；使用50%的碘化钾-碘（质量比为4:1）的水溶液在21摄氏度条件下腐蚀金（也可根据需求调节溶液浓度和温度以调节腐蚀速率）；
(4) 如图4所示，在上述结构上使用磁控溅射法沉积5至20纳米铬，再使用等离子体化学气相沉积的方法沉积2至15微米氮化硅薄膜，使用紫外线光刻和腐蚀的方法对所述铬薄膜和氮化硅薄膜进行图形化，形成带有牺牲层释放孔18的MEMS薄膜电容式压力传感器2的密封层20、MEMS薄膜电容式温度传感器3双材料悬臂结构的外侧结构15及其与承载衬底1连接的锚点14、带有湿度探测孔结构16的MEMS薄膜电容式湿度传感器4的保护层17；使用10.9%的硝酸铈铵溶液在21摄氏度条件下腐蚀铬（也可根据需求调节溶液浓度和温度以调节腐蚀速率），使用功率为60瓦，体积流量分别为7.5和42.5标况毫升每分的三氟甲烷和氮气混合气体在5帕的压力条件下对氮化硅进行腐蚀（也可根据需求调节气体流量、功率、压力、温度等参数来调节腐蚀速率）；
(5) 如图5所示，使用功率为100瓦，体积流量为200标况毫升每分的氧气等离子体在13.3帕的压力条件下，通过MEMS薄膜电容式压力传感器2的密封层20中的牺牲层释放孔18、上电极7中的释放孔结构11以及MEMS薄膜电容式温度传感器3电极间的间隙9，对压力和温度传感器2、3中的牺牲层19进行腐蚀，从而释放MEMS结构（也可根据需求调节气体流量、功率、压力、温度等参数来调节腐蚀速率）；
(6) 如图6所示，使用等离子体增强型化学气相沉积的方法，在压力为30帕，温度为300摄氏度的反应腔体中，再次沉积2至15微米氮化硅薄膜（也可根据需求调节气体流量、功率、压力、温度等参数来调节沉积速率），通过紫外线光刻和腐蚀的方法对牺牲层释放孔18进行密封，形成密闭的压力传感器2的密封层13；使用功率为60瓦，体积流量分别为7.5和42.5标况毫升每分的三氟甲烷和氮气混合气体在5帕的压力条件下对氮化硅进行腐蚀（也可根据需求调节气体流量、功率、压力、温度等参数来调节腐蚀速率）；
(7) 如图7所示，使用紫外线光刻图形化和腐蚀的方法，在MEMS薄膜电容式湿度传感器4的上电极7结构中制作出湿度探测孔结构16；使用50%的碘化钾-碘的水溶液在21摄氏度条件下腐蚀上电极7的金材料（也可根据需求调节溶液浓度和温度以调节腐蚀速率）；从而完成MEMS薄膜电容式多参数传感器的结构的集成制造。
Claims (3)
1. 一种MEMS薄膜电容式多参数传感器的集成制造方法，其特征是，步骤如下：
(1) 在承载衬底（1）上使用物理气相沉积法沉积金属薄膜，使用紫外线光刻和腐蚀的方法对所述金属薄膜进行图形化，形成MEMS薄膜电容式传感器的下电极（5）和器件外部的电学互连（6）；
(2) 在步骤1形成的结构上使用旋涂的方法涂覆一层湿度敏感材料，使用紫外线光刻和腐蚀的方法对所述湿度敏感材料进行图形化，形成MEMS薄膜电容式压力传感器（2）和MEMS薄膜电容式温度传感器（3）的牺牲层（19）以及MEMS薄膜电容式湿度传感器（4）的湿度敏感层（10），所述牺牲层（19）与湿度敏感层（10）的部分边缘延伸至下电极（5）的边缘以外，以便在后续流程中实现上电极（7）和下电极（5）的电学隔离；
(3) 在步骤2形成的结构上使用物理气相沉积法沉积金属薄膜，使用紫外线光刻和腐蚀的方法对所述金薄膜进行图形化，形成MEMS薄膜电容式压力传感器（2）、MEMS薄膜电容式温度传感器（3）和MEMS薄膜电容式湿度传感器（4）的上电极（7）以及上电极（7）与器件外部连接的电学互连，其中MEMS薄膜电容式压力传感器（2）的上电极（7）中制作有用于释放牺牲层（19）的释放孔结构（11）；
(4) 在步骤3形成的结构上使用化学气相沉积或物理气相沉积的方法沉积绝缘薄膜，使用紫外线光刻和腐蚀的方法对所述绝缘薄膜进行图形化，形成：带有牺牲层释放孔（18）的MEMS薄膜电容式压力传感器（2）的密封层（20）、MEMS薄膜电容式温度传感器（3）双材料悬臂结构的外侧结构（15）及其与承载衬底（1）连接的锚点（14）、带有湿度探测孔结构（16）的MEMS薄膜电容式湿度传感器（4）的保护层（17）；
(5) 使用干法腐蚀或湿法腐蚀的方法，通过牺牲层释放孔（18）、上电极（7）中的释放孔结构（11）以及MEMS薄膜电容式温度传感器（3）电极间的间隙（9），对MEMS薄膜电容式压力传感器（2）和MEMS薄膜电容式温度传感器（3）中的牺牲层（19）进行腐蚀，从而释放MEMS结构；
(6) 使用化学气相沉积的方法，再次沉积绝缘层薄膜，通过紫外线光刻和腐蚀的方法对带有牺牲层释放孔（18）的密封层（20）进行密封，形成密闭的密封层（13）；
(7) 使用紫外线光刻图形化和腐蚀的方法，在MEMS薄膜电容式湿度传感器（4）的上电极（7）中制作出湿度探测孔结构（16）；最终完成MEMS薄膜电容式多参数传感器结构的集成制造。
2.如权利要求1所述MEMS薄膜电容式多参数传感器的集成制造方法，其特征是，所述的MEMS薄膜电容式压力传感器（2）和MEMS薄膜电容式温度传感器（3）制作过程中的牺牲层（19）与MEMS薄膜电容式湿度传感器（4）中的湿度敏感层（10）为同种材料且具有相同的厚度，材料为聚酰亚胺、苯并环丁烯、环氧树脂或聚甲基丙烯酸甲酯，厚度为100纳米至50微米。
3.如权利要求1所述MEMS薄膜电容式多参数传感器的集成制造方法，其特征是，所述的MEMS薄膜电容式压力传感器（2）的密封层（13）、MEMS薄膜电容式温度传感器（3）的双材料悬臂的外侧结构（15）与MEMS薄膜电容式湿度传感器（4）的保护层（17）为同种材料且具有相同的厚度，材料为多晶硅、氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝或其组合，厚度为2微米至15微米。
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