CN106477513A - 单晶硅压力敏感膜片结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单晶硅压力敏感膜片结构及其制作方法，所述的压力敏感膜片主要包括单晶硅敏感薄膜、单晶硅梁-岛和微型柱。其中，微型柱位于微型释放孔正上方且由一单晶硅环形柱包裹一多晶硅实心柱组成，多晶硅实心柱下半部分紧密嵌入在微型释放孔内部，上半部分竖直悬在单晶硅敏感薄膜上方。所述微型柱既满足了单晶硅敏感膜片微型释放孔的气密性缝合要求，又避免了微型释放孔侧壁残留钝化层内应力及热不匹配所导致的残余应力对单晶硅敏感膜片力学性能影响，提高了敏感膜片在不同温度环境下力学性能稳定性。本发明的敏感膜片可广泛应用于高精度、高稳定性MEMS力学传感器研发，且制作工艺简单，成本低，适于大批量生产要求。

Description

单晶硅压力敏感膜片结构及其制作方法

技术领域

本发明属于硅微机械传感器技术领域，涉及一种新型的单晶硅压力敏感膜片结构及其制作方法，属于硅微机械传感器技术领域。

背景技术

随着MEMS技术迅猛发展，基于MEMS微机械加工技术制作的硅基压力传感器以其尺寸小、高性能等优势被广泛应用于航空航天、生化检测、医疗仪器等领域。尤其是近年来，伴随着电子消费类产品异军突起，如：手机、汽车电子、可穿戴式产品等对MEMS压力传感器的巨大市场需求，压力传感器芯片市场竞争日趋白热化，这些促使了硅基压力传感器沿着更小型化、更低成本、更高性能方向发展。

作为硅基压力传感器的一个重要核心检测单元，压力敏感膜片力学性能的好坏直接决定了传感器性能的优劣。传统压力传感器通常是通过单晶硅片背面各向异性湿法刻蚀方式来制作压力传感器敏感膜片，然后再通过硅-硅(或硅-玻璃)键合来形成压力参考腔体，这种制作的单晶硅压力敏感膜片虽然具有完美的力学性能，但是该种方式制作后压力传感器存在如下不足：(1)尺寸较大、工艺复杂且与IC制作工艺不能兼容，成本比较高；(2)由于单晶硅圆片自身厚度均匀性一般在±10μm左右，因此这种靠背面刻蚀方法所制备的单晶硅压力敏感膜片厚度均匀性差；(3)键合结构所导致了残余应力以及键合材料之间热不匹配导致传感器热学性能不稳定。

为了解决这一问题，Robert Bosch于2003年提出了一种新型的单晶硅压力敏感膜片单硅片单面制备方法，这就是目前著名的SON(Silicon On Nothing)压力传感器工艺。这种工艺首先在压力敏感膜片区域通过氢氟酸(HF)阳极氧化制作多孔硅，然后进行高温退火形成真空腔体，再通过单晶硅外延形成单晶硅压力敏感膜片。[S.Armbruster,F.Schafer,G.Lammel,et al.A novel micromachining process for the fabrication of monocrystalline Si-membranes using porous silicon,Transducres2003,2003,pp.246-249]。这种单晶硅压力敏感膜片具有敏感膜片厚度均匀性好，制作后压力传感器尺寸小等优势，因此在市场上具有很强的市场竞争力。但是这种单晶硅压力敏感薄片具有以下几点不足：(1)多孔硅高温退火熔融后形成的单晶硅压力敏感膜片边缘形状精确控制不是很好，膜片边缘的圆角瑕疵会对压力测量精度带来一定的负面影响；(2)采用多孔硅之上外延的单晶硅，不仅成本较高而且其外延层的质量总是不如原始的单晶硅膜片，因此这种缺陷会对传 感器性能和成品率带来不利影响；(3)这种多孔硅工艺只适合在其自己的车间内生产，没有IC半导体代加工厂可以运行这样的特殊工艺。

为了解决上述问题，中国科学院上海微系统所王家畴等人提出了一种MIS(Microholes Interetch&Sealing)制备压力传感器工艺。该工艺与Robert Bosch提出的SON工艺一样都是一种单硅片单面微机械加工工艺，但是后者制备工艺更为简单。MIS工艺首先在单晶硅片上刻蚀两排微型释放窗口，然后再通过微型释放窗口在单晶硅片内部腐蚀释放单晶硅压力敏感薄膜，最后利用LPCVD沉积多晶硅来填堵微型释放窗口以形成完整的压力敏感薄膜，[J.C.Wang,X.X.Li.Single-Side Fabricated Pressure Sensors for IC-Foundry Compatible,High-Yield,and Low-Cost Volume Production,IEEE Electron Device Letters,vol.32,no.7,pp.979-981,July.2011]。MIS工艺制备的单晶硅压力敏感膜片虽然解决了上述单晶硅压力敏感膜片结构及其制作工艺所存在的不足，但是仍然存在以下几点不足：(1)由于微型释放窗口侧壁的氧化硅钝化层难以完全腐蚀干净，因此残留的氧化硅钝化层残余应力会对单晶硅敏感薄膜力学性能带来不利影响；(2)微型释放窗口填充材料在沉积过程中所引入的内在残余应力也会直接作用在单晶硅压力敏感膜片上，从而进一步恶化敏感膜片的力学特性。

鉴于此，有必要设计一种新的方法与结构以解决上述问题。

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单晶硅压力敏感膜片结构及其制作方法。用于解决现有技术中单晶硅压力敏感膜片的力学不稳定性、不可靠性并且噪声抑制能力弱的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单晶硅压力敏感膜片结构及其制作方法。所述制作方法至少包括以下步骤：

1)提供一单晶硅片；

2)在所述单晶硅片正面沉积钝化层；根据预设的微型释放孔图形在所述钝化层上刻蚀形成窗口；

3)利用Deep-RIE工艺自所述窗口刻蚀形成若干微型释放孔；

4)继续沉积保护层并覆盖所述微型释放孔内壁；

5)利用RIE工艺刻蚀掉位于微型释放孔底部的保护层，然后再利用Deep-RIE工艺沿着该微型释放孔底部继续刻蚀直至所需深度；

6)利用TMAH腐蚀溶液，从步骤5)之后获得的微型释放孔底部沿<211>和<110>晶向分别 腐蚀释放单晶硅薄膜，然后再利用BOE溶液腐蚀掉微型释放孔侧壁残余的保护层；

7)沉积多晶硅填堵缝合所述微型释放孔，然后去除所述单晶硅薄膜上方的多晶硅；

8)在所述单晶硅薄膜正面利用Deep-RIE工艺刻蚀出位于单晶硅敏感薄膜上表面的梁-岛结构以及位于所述梁-岛结构两侧的至少一排微型柱；所述微型柱位于所述微型释放孔上方。

本发明还提供一种单晶硅压力敏感膜片结构，所述单晶硅压力敏感膜片结构包括形成于单晶硅片上的单晶硅敏感膜；形成于所述单晶硅敏感膜上的梁-岛结构；所述梁-岛结构两侧的单晶硅敏感膜上设有至少一排微型释放孔；所述微型释放孔上方形成有微型柱。

本发明中的敏感膜片结构包括单晶硅敏感薄膜、单晶硅梁-岛结构以及微型柱三个部分，其中微型柱位于微型释放孔的正上方，由单晶硅环形柱和包裹在单晶硅环形柱内部的填充后微型释放孔实心柱组成。其中，微型柱(包括，夹在单晶硅环形柱与填充物实心柱之间的微型释放孔侧壁)大部分被竖直悬在敏感薄膜的上方，只有根部一小部分与单晶硅敏感薄膜相连，因此微型释放孔侧壁的残留钝化层及其填堵材料的残余应力都可直接通过悬浮的微型柱自身释放掉，不会对单晶硅压力敏感膜片力学性能带来不利影响，从而大大提高了单晶硅压力敏感膜片的力学稳定性和可靠性，增强了单晶硅压力敏感膜片的噪声抑制能力。此外，本发明制备工艺非常简单，就是在释放孔填堵后的单晶硅薄膜基础上利用干法刻蚀一次性刻蚀出单晶硅敏感薄膜、单晶硅梁-岛结构以及微型柱。

附图说明

图1显示为本发明的一种单晶硅压力敏感膜片结构的三维结构示意图。

图2显示为本发明的一种单晶硅压力敏感膜片结构的实物SEM扫描电镜图。

图3显示为本发明的一种单晶硅压力敏感膜片结构中的微型柱局部放大SEM扫描电镜图。

图4a-4f显示为本发明的一种新型的单晶硅压力敏感膜片结构的制作工艺流程图，其中图4a为干法刻蚀微型释放孔示意图；图4b为释放孔侧壁沉积钝化层示意图；图4c为刻蚀牺牲层示意图；图4d为腐蚀释放单晶硅薄膜示意图；图4e为填堵微型释放孔缝合单晶硅薄膜示意图；图4f为干法刻蚀出单晶硅敏感薄膜、单晶硅梁-岛结构以及微型柱示意图。

元件标号说明

1 单晶硅敏感薄膜

2 单晶硅梁-岛结构

3 微型柱

31 多晶硅实心柱

32 单晶硅环形柱

33 单晶硅薄膜微型释放孔

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。

请参阅附图所示。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。

请参阅附图1所示，本发明涉及一种新型的单晶硅压力敏感膜片结构，其结构包括：一块单晶硅敏感薄膜1、一块单晶硅梁-岛结构2以及微型柱3。所述微型柱位于单晶硅敏感薄膜微型释放孔33的正上方，包括单晶硅环形柱32和低应力多晶硅实心柱31两部分，多晶硅实心柱被紧密包裹在单晶硅环形柱内部；其中，多晶硅实心柱下半部分紧密嵌入在单晶硅敏感薄膜微型释放孔内部，微型柱上半部分完全脱离微型释放孔直接竖直暴露在单晶硅敏感薄膜正上方。其工艺特征在于：所发明的新型单晶硅敏感膜片结构是在单晶硅薄膜微型释放孔缝合后的单晶硅薄膜上表面利用深度反应离子刻蚀技术(Deep-RIE)一次刻蚀出单晶硅敏感薄膜、梁-岛结构以及微型柱。

本发明中，位于单晶硅敏感膜片上表面单晶硅梁-岛结构两侧可以排列有两排(或多排)微型柱。

本发明中，所述微型柱包括多晶硅实心柱(或，单晶硅环形柱和多晶硅实心柱，其中多晶硅实心柱被单晶硅环形柱所紧密包裹)，所述多晶硅实心柱下半部分嵌入在单晶硅敏感薄膜微型释放孔内部，所述多晶硅实心柱及其微型释放孔侧壁的上半部分完成暴露在单晶硅敏感薄膜正上方。

本发明中，一种新型的单晶硅压力敏感膜片结构的制作方法主要包括以下步骤：

a)一块普通的N型(或P型)(111)单面(或双面)抛光硅片。

b)在单晶硅片正面沉积低应力TEOS钝化层，利用反应离子刻蚀(RIE)设备刻蚀掉微型 释放孔图形上方所覆盖的TEOS钝化层，然后利用Deep-RIE定义微型释放孔的深度。

c)微型释放孔侧壁沉积一层钝化保护层。

d)利用RIE刻蚀掉位于微型释放孔底部的钝化保护层，然后再利用Deep-RIE沿着微型释放孔继续刻蚀底部裸露出来的单晶硅来定义腐蚀牺牲层的深度。

e)利用TMAH腐蚀溶液，从微型释放孔底部沿<211>和<110>晶向分别腐蚀释放单晶硅薄膜，然后再利用BOE溶液腐蚀掉微型释放孔侧壁残余的钝化保护层。

f)沉积多晶硅填堵缝合微型释放孔，并去除薄膜上方多余的多晶硅。

g)在单晶硅薄膜正面利用Deep-RIE刻蚀出单晶硅敏感薄膜、梁-岛结构和微型柱。

本实施例中，所设计的单晶硅敏感膜片中两排微型释放孔分别沿<211>晶向排布，微型释放孔的长度和宽度均为4μm，单晶压力硅敏感薄膜的长度为460μm，宽度为485μm，厚度为3μm，其中单晶硅梁-岛结构的厚度为10μm(包括单晶硅敏感薄膜结构厚度3μm)，单晶硅环形柱的厚度为7μm，多晶硅实心柱厚度为10μm。

本发明中，具体工艺实施步骤如下：

1.一块普通N型(111)单面(或双面)抛光硅片，厚度430μm，轴偏切0±0.1°。

2.在单晶硅片正面沉积低应力TEOS钝化层，利用RIE刻蚀出微型释放孔图形上方所覆盖的TEOS钝化层，然后利用Deep-RIE刻蚀出微型释放孔，释放孔深度为10μm，如图4a所示。

3.微型释放孔侧壁沉积一层TEOS钝化保护层，如图4b所示。

4.利用RIE刻蚀掉位于微型释放孔底部的钝化保护层，然后利用Deep-RIE沿着微型释放孔继续刻蚀底部裸露出来的单晶硅，刻蚀深度为10μm，如图4c所示。

5.利用溶度为25％TMAH腐蚀溶液，在80℃温度条件下从微型释放孔底部沿<211>和<110>晶向分别腐蚀释放单晶硅薄膜，然后再利用BOE溶液腐蚀掉微型释放孔侧壁残余的TEOS钝化保护层，如图4d所述。

6.沉积低应力多晶硅填堵缝合微型释放孔，并去除单晶硅薄膜上方多余的多晶硅，如图4e所示。

7.在单晶硅薄膜正面利用Deep-RIE一次性刻蚀出单晶敏感薄膜、单晶硅梁-岛结构和微型柱，如图4f所示。本实施例中，所述梁-岛结构为对称结构。所述梁-岛结构为采用梁结构连接两个岛结构，该梁结构与岛结构位于同一平面内。

本发明的目的在于解决以往单晶硅敏感膜片微型释放孔侧壁残留的钝化层及其微型释放 孔的填堵材料内应力以及不同材料之间热不匹配给单晶硅敏感膜片造成了力学不稳定问题，提供了一种新型的单晶硅压力敏感膜片结构及其制作方法，大大提高了单晶硅敏感膜片在不同温度环境下的力学性能稳定性和可靠性，增强了单晶硅敏感膜片的噪声抑制能力，可广泛应用于高精度、高稳定性MEMS压力传感器的研制，且制作工艺简单，适于大批量生产。

本发明主要是通过将填堵后的单晶硅薄膜微型释放孔包括微型释放孔侧壁直接竖直悬在单晶硅敏感薄膜的正上方，仅保留很小一部分填堵材料紧密嵌入在微型释放孔的内部来实现单晶硅敏感薄膜的气密性缝合。这就使得大部分裸露在单晶硅敏感薄膜上方的填充材料及其微型释放孔侧壁残留的钝化层完全脱离单晶硅敏感薄膜。由力学作用机理可知，裸露部分微型释放孔填堵材料及其微型释放孔侧壁钝化层的残余应力由于自身已经脱离单晶硅敏感薄膜结构而不会对单晶硅敏感薄膜产生任何不利影响。

具体地讲，本发明所提供的一种新型的单晶硅压力敏感膜片结构主要包括以下几个部分：(1)单晶硅敏感薄膜；(2)单晶硅梁-岛结构；(3)微型柱。单晶硅梁-岛结构与单晶硅敏感薄膜均由同一单晶硅薄膜加工而成，且单晶硅梁-岛结构位于单晶硅敏感薄膜的上方。两列微型柱分别位于单晶硅梁-岛结构两侧；微型柱由单晶硅环形柱和多晶硅(微型释放孔填充材料)实心柱组成，单晶硅环形柱位于单晶硅敏感薄膜的上方，且单晶硅环形柱的内环部分完全由多晶硅实心柱紧密填充，内环边缘(即，多晶硅实心柱的外轮廓)的大小正好等同于微型释放孔的大小，其中多晶硅实心柱下半部分直接嵌入在微型释放孔里面，且嵌入部分多晶硅实习柱的厚度等同于单晶硅敏感薄膜的厚度；多晶硅实心柱上半部分与单晶硅环形柱等高且均竖直悬在单晶硅敏感薄膜的正上方。

综上所述，本发明创新性地通过将填充缝合后的微型释放孔上半部分竖直悬浮在单晶硅敏感薄膜的正上方，同时结合单晶硅梁-岛结构提供了一种新型的单晶硅压力敏感膜片结构，解决了传统的微型释放孔单晶硅敏感膜片结构由于微型释放孔及其填充缝合材料残余应力影响所导致了单晶硅敏感膜片力学性能不稳定性难题，并将该发明技术应用于压力传感器研制工作，大大增强了MEMS压力传感器对噪声的抑制能力，提高了传感器的输出稳定性和测量精度，且制作工艺简单、成本低、适合大批量生产要求。

综上所述，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 (8)

1.一种单晶硅压力敏感膜片结构制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括以下步骤：

1)提供一单晶硅片；

2)在所述单晶硅片正面沉积钝化层；根据预设的微型释放孔图形在所述钝化层上刻蚀形成窗口；

3)利用Deep-RIE工艺自所述窗口刻蚀形成若干微型释放孔；

4)继续沉积保护层并覆盖所述微型释放孔内壁；

5)利用RIE工艺刻蚀掉位于微型释放孔底部的保护层，然后再利用Deep-RIE工艺沿着该微型释放孔底部继续刻蚀直至所需深度；

6)利用TMAH腐蚀溶液，从步骤5)之后获得的微型释放孔底部沿<211>和<110>晶向分别腐蚀释放单晶硅薄膜，然后再利用BOE溶液腐蚀掉微型释放孔侧壁残余的保护层；

7)沉积多晶硅填堵缝合所述微型释放孔，然后去除所述单晶硅薄膜上方的多晶硅；

8)在所述单晶硅薄膜正面利用Deep-RIE工艺刻蚀出位于单晶硅敏感薄膜上表面的梁-岛结构以及位于所述梁-岛结构两侧的至少一排微型柱；所述微型柱位于所述微型释放孔上方。

2.根据权利要求1所述的单晶硅压力敏感膜片结构制作方法，其特征在于，所述步骤1)中还包括将所述单晶硅片单面或双面抛光的步骤。

3.根据权利要求1所述的单晶硅压力敏感膜片结构制作方法，其特征在于，所述步骤8)中形成了位于所述单晶硅敏感膜上表面的梁-岛结构两侧的两排或两排以上的微型柱。

4.一种单晶硅压力敏感膜片结构，其特征在于：所述单晶硅压力敏感膜片结构包括

形成于单晶硅片上的单晶硅敏感膜；

形成于所述单晶硅敏感膜上的梁-岛结构；

所述梁-岛结构两侧的单晶硅敏感膜上设有至少一排微型释放孔；

所述微型释放孔上方形成有微型柱。

5.根据权利要求4所述的单晶硅压力敏感膜片结构，其特征在于，所述微型柱包括多晶硅实心柱以及包裹所述多晶硅实心柱的单晶硅环形柱。

6.根据权利要求4所述的单晶硅压力敏感膜片结构，其特征在于，所述微型柱为多晶硅实心柱。

7.根据权利要求4所述的单晶硅压力敏感膜片结构，其特征在于，所述梁-岛结构为对称结构。

8.根据权利要求7所述的单晶硅压力敏感膜片结构，其特征在于，所述梁-岛结构为采用梁结构连接两个岛结构，该梁结构与岛结构位于同一平面内。