CN102976263B - 一种mems压阻式多轴力传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS压阻式多轴力传感器的制备方法。本发明采用倾斜角度注入的方法，在悬臂梁的垂直的侧面上加工压敏电阻，在垂直的侧面和水平的正面上形成一体的压敏电阻，从而能够同时测量垂直方向和水平方向的压力。本发明的方法制备的压力传感器，在系统体积比较小的情况下可以测量较精确的多方向的微作用力，提高了使用过程中传感器的测量信号的稳定性及测量的可靠性；是一种体积相对较小、灵敏度高的传感器，在汽车、电子、家电、机电等行业和军事领域有着极为广阔的应用前景。

Description

一种MEMS压阻式多轴力传感器的制备方法

技术领域

本发明属于半导体制造技术，具体涉及一种MEMS压阻式多轴力传感器的制备方法。

背景技术

对多轴力传感器的研究与开发始于20世纪80年代初，是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机械传感器。作为微型惯性组合测量系统的核心器件，多轴力传感器是能够同时测量相互正交的多个轴向外力的微型装置。MEMS多轴力传感器是应用了多种学科交叉融合并具有战略意义的微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）MEMS的前沿高技术，由于MEMS多轴力传感器具有微型化的优势，在汽车、电子、家电、机电等行业和军事领域有着极为广阔的应用前景，是未来的主导产业之一。

现有技术中的MEMS双轴或三轴力传感器从结构组成上可以分为两类：一类是在同一硅片上实现测量2个或3个轴向的加速度，最简单的做法是在同一硅片上制作2个或3个独立的敏感元结构，再配以相应的检测电路；另一类是将2只或3只单自由度的传感器正交放置，再封装在一起，这实际上仅仅是微型双轴或三轴力传感器的组合模块。这种多轴力传感器只是将单自由度的传感器简单地组合在一起，不仅体积大，而且精度低。虽然，也出现了采用一个敏感元结构实现对力矢量测量的多轴力传感器，然而这种传感器很难解决各个轴之间的交叉耦合。

因此，急需开发制备体积小且精度高的MEMS压阻式多轴力传感器的方法，以满足现有需求。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提供一种MEMS压阻式多轴力传感器的制备方法，本发明的制备方法工艺先进，能够制备出灵敏度高且体积相对较小的单片集成多轴MEMS力传感器。

本发明的目的在于提供一种MEMS压阻式多轴力传感器的制备方法。

本发明的方法制备的MEMS压阻式多轴力传感器包括：悬臂梁、衬底和压敏电阻；其中，悬臂梁的一端通过锚点键合在衬底上；压敏电阻采用倾斜角度注入的方式，在悬臂梁的侧面和正面上形成一体的压敏电阻。

本发明的MEMS压阻式多轴力传感器的制备方法，包括以下步骤：

第一步：提供绝缘衬底上的硅（Silicon-On-Insulator）SOI作为衬底，SOI由上层硅、中间层氧化硅和下层硅基底构成；

第二步：淀积绝缘层，对SOI进行多次光刻，采用离子注入的方式，在SOI的上层硅的正面将要形成压敏电阻的位置注入杂质离子，进行一次离子注入；

第三步：再次光刻，采用反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching）RIE或深度反应离子刻蚀（Deep Reactive Ion Etching）DRIE依次刻蚀绝缘层和上层硅等得到悬臂梁的结构，并做侧壁光滑处理；

第四步：采用倾斜角度注入的方式，与SOI的上层硅的侧面倾斜一定的角度，注入杂质离子，进行二次离子注入，形成压敏电阻；

第五步：淀积绝缘层，并通过光刻制备引线孔；

第六步：在上层硅的表面溅射金属，经刻蚀，制备压敏电阻的金属引线；

第七步：结构释放，腐蚀中间层氧化硅，得到悬空的悬臂梁。

其中，在第二步中，进一步包括离子注入形成欧姆接触区，欧姆接触区位于压敏电阻的两端与悬臂梁之间。压敏电阻为低浓度正掺杂，电阻值大，而分别位于压敏电阻的两端的欧姆接触区为高浓度正掺杂，电阻值小，从而在悬臂梁和压敏电阻之间形成欧姆接触。根据器件的具体结构，确定多次光刻的次数。

在第四步中，倾斜角度注入的倾斜角度在20°～45°之间。

第二步具体包括以下步骤：

1）淀积绝缘层；

2）对SOI的上层硅进行第一次光刻，旋涂光刻胶，显影压敏电阻，显影去胶；

3）对SOI的上层硅的正面对压敏电阻进行一次离子注入，之后干法去胶；

4）对SOI的上层硅进行第二次光刻，旋涂光刻胶，显影欧姆接触区，显影去胶；

5）采用离子注入工艺，在SOI的上层硅的正面对欧姆接触区进行离子注入，形成欧姆接触区，之后干法去胶；

6）对SOI的上层硅进行第三次光刻，旋涂光刻胶，形成凹槽，以备后面释放悬臂梁，显影去胶。

第三步具体包括以下步骤：

1）刻蚀绝缘层，之后干法去胶；

2）侧壁光滑处理，得到悬臂梁。

第四步具体包括以下步骤：

1）对SOI进行光刻，旋涂光刻胶，显影压敏电阻，显影去胶；

2）采用倾斜角度注入的方式，对压敏电阻进行二次离子注入，形成压敏电阻，之后干法去胶；

3）腐蚀绝缘层。

第五步具体包括以下步骤：

1）在SOI的上表面和下表面分别淀积绝缘层；

2）对SOI的上表面进行光刻，旋涂光刻胶，显影引线孔，引线孔位于欧姆接触区之上，显影去胶；

3）刻蚀绝缘层，形成引线孔，之后干法去胶。

第六步具体包括以下步骤：

1）淀积金属层；

2）对SOI进行光刻，旋涂光刻胶，显影制作引线，显影去胶；

3）采用湿法腐蚀金属层，形成互相绝缘的两个引线，之后干法去胶。

由于采用倾斜角度注入的方法，在悬臂梁的垂直的侧面上加工压敏电阻，在垂直的侧面和水平的正面上形成一体的压敏电阻，使得在施加一定微作用力时，悬臂梁通过垂直方向和水平方向的敏感弯曲，弯曲时电阻值的变化间接反映了来自于垂直方向和水平方向的微作用力情况，从而能够同时测量垂直方向和水平方向的压力。本发明的方法制备的压力传感器，在系统体积比较小的情况下可以测量较精确的多方向的微作用力，提高了使用过程中传感器的测量信号的稳定性及测量的可靠性。

本发明的优点：

本发明由于采用倾斜角度注入的方法，在微悬臂梁的垂直侧壁上加工压敏电阻，在垂直面和水平面上形成一体的压敏电阻，从而能够同时测量垂直方向和水平方向的压力。本发明的方法制备的压力传感器，在系统体积比较小的情况下可以测量较精确的多方向的微作用力，是一种体积相对较小、灵敏度高的传感器，在汽车、电子、家电、机电等行业和军事领域有着极为广阔的应用前景。

附图说明

图1~图18为表示本发明的MEMS压阻式多轴力传感器的制备方法的流程的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

第一步：提供SOI作为衬底，SOI由上层硅10、中间层氧化硅11和下层硅基底12构成，上层硅10为4”N型单晶硅（100）电阻率3Ω.cm，厚度10um，中间层氧化硅的厚度为0.5um，下层硅基底的厚度为400um，如图1所示；

第二步：淀积绝缘层，进行一次离子注入，具体包括以下步骤：

1）淀积SiO2作为绝缘层20，厚度如图2所示；

2）对SOI的上层硅10进行第一次光刻，旋涂光刻胶21，显影低浓度正掺杂的压敏电阻P-区，显影去胶，如图3所示；

3）对SOI的上层硅10的正面对P-区进行一次离子注入，注入离子为硼离子B+，注入离子的能量为50kev，浓度为2E15每立方厘米，如图4所示，之后干法去胶21；

4）对SOI的上层硅10进行第二次光刻，旋涂光刻胶22，显影高浓度正掺杂的欧姆接触区P+区，显影去胶，如图5所示；

5）采用离子注入工艺，在SOI的上层硅10的正面对P+区进行离子注入，注入离子为硼离子B+，能量为50kev，浓度为5E15每立方厘米，形成P+区，如图6所示，之后干法去胶22；

6）对SOI的上层硅10进行第三次光刻，旋涂光刻胶23，形成凹槽27，以备后面释放悬臂梁，显影去胶，如图7所示；

第三步：得到悬臂梁结构，具体包括以下步骤：

1）采用RIE技术刻蚀绝缘层20，采用DRIE技术刻蚀SOI的上层硅10及中间层氧化硅11，如图8所示，之后干法去胶23；

2）侧壁光滑处理，氢退火，退火温度1000℃，退火时间5min，压强为10mTortr，得到悬臂梁；

第四步：采用倾斜角度进行二次离子注入，形成压敏电阻，具体包括以下步骤：

1）对SOI进行光刻，旋涂光刻胶24，显影P-区，显影去胶，如图9所示；

2）采用倾斜角度注入的方式，倾斜角度为20°，对P-区进行二次离子注入，注入离子为硼离子B+，能量为50kev，浓度为2E15每立方厘米，形成压敏电阻，如图10所示，之后干法去胶24；

3）采用HF酸溶剂腐蚀绝缘层20，如图11所示；

第五步：制备引线孔，具体包括以下步骤：

1）推进氮气，温度1100℃，时间75mins，采用低压化学气相淀积LPCVD技术在SOI的上表面和下表面分别先形成SiO2层30，厚度为再形成Si3N4层31，厚度为作为绝缘层，如图12所示；

2）对SOI的上表面进行光刻，旋涂光刻胶25，显影引线孔，引线孔位于P+区之上，显影去胶，如图13所示；

3）采用RIE技术刻蚀绝缘层，包括Si3N4层31和SiO2层30，形成引线孔，如图14所示，之后干法去胶25；

第六步：制备金属引线，具体包括以下步骤：

1）采用物理气相沉积PVD技术在SOI上淀积金属铝Al层32，如图15所示；

2）对SOI进行光刻，旋涂光刻胶26，显影制作引线，显影去胶，如图16所示；

3）采用湿法腐蚀金属铝Al层32，形成互相绝缘的两个引线，如图17所示，之后干法去胶26；

第七步：采用KOH等湿法腐蚀下层硅基底12，从正面释放悬臂梁，即形成悬空的悬臂梁，完成多轴力传感器的制备，如图18所示。

在本实施例中，压敏电阻的两端与悬臂梁之间设置有欧姆接触区，压敏电阻为低浓度正掺杂的P-区，电阻值大，而分别位于P-区的两端的欧姆接触区为高浓度正掺杂的P+区，电阻值小，从而在悬臂梁和压敏电阻之间形成欧姆接触。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种MEMS压阻式多轴力传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

第一步：提供绝缘衬底上的硅SOI作为衬底，SOI由上层硅、中间层氧化硅和下层硅基底构成；

第二步：淀积绝缘层，对SOI的上层硅淀积的绝缘层的表面进行多次光刻，采用离子注入的方式，在SOI的上层硅的正面将要形成压敏电阻的位置注入杂质离子，进行一次离子注入；

第三步：再次光刻，采用反应离子刻蚀RIE或深度反应离子刻蚀DRIE依次刻蚀绝缘层和上层硅及中间层氧化硅，得到悬臂梁的结构，并做侧壁光滑处理；

第四步：采用倾斜角度注入的方式，与SOI的上层硅的侧面倾斜一定的角度，注入杂质离子，进行二次离子注入，形成压敏电阻；

第五步：淀积绝缘层，并通过光刻制备引线孔；

第六步：在上层硅的表面溅射金属，经刻蚀，制备压敏电阻的金属引线；

第七步：结构释放，腐蚀中间层氧化硅，得到悬空的悬臂梁。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在第二步中，进一步包括离子注入形成欧姆接触区，欧姆接触区位于压敏电阻的两端与悬臂梁之间。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在第四步中，倾斜角度注入的倾斜角度在20°～45°之间。

4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，第二步具体包括以下步骤：

1)淀积绝缘层；

2)对SOI的上层硅淀积的绝缘层的表面进行第一次光刻，旋涂光刻胶，显影低浓度正掺杂的压敏电阻，显影去胶；

3)对SOI的上层硅的正面对压敏电阻进行一次离子注入，之后干法去胶；

4)对SOI的上层硅淀积的绝缘层的表面进行第二次光刻，旋涂光刻胶，显影高浓度正掺杂的欧姆接触区，显影去胶；

5)采用离子注入工艺，在SOI的上层硅的正面对欧姆接触区进行离子注入，形成欧姆接触区，之后干法去胶。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，第三步具体包括以下步骤：

1)对SOI的上层硅淀积的绝缘层的表面进行第三次光刻，旋涂光刻胶，形成凹槽，以备后面释放悬臂梁，显影去胶；

2)依次刻蚀绝缘层、上层硅和中间氧化硅，之后干法去胶；

3)侧壁光滑处理，得到悬臂梁。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，第四步具体包括以下步骤：

1)对SOI的上层硅淀积的绝缘层的表面进行光刻，旋涂光刻胶，显影压敏电阻，显影去胶；

2)采用倾斜角度注入的方式，对压敏电阻进行二次离子注入，形成压敏电阻，之后干法去胶；

3)腐蚀绝缘层。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，第五步具体包括以下步骤：

1)在SOI的上表面和下表面分别淀积绝缘层；

2)对SOI的上层硅淀积的绝缘层的上表面进行光刻，旋涂光刻胶，显影引线孔，引线孔位于欧姆接触区之上，显影去胶；

3)刻蚀绝缘层，形成引线孔，之后干法去胶。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，第六步具体包括以下步骤：

1)淀积金属层；

2)对SOI淀积的金属层的表面进行光刻，旋涂光刻胶，显影制作引线，显影去胶；

3)采用湿法腐蚀金属层，形成互相绝缘的两个引线，之后干法去胶。