CN107209077B - 具有改进的凹部或者空腔结构的微型机械装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种传感器，其包括第一衬底和第二衬底。所述第一衬底包括第一侧和相对的第二侧，其中，所述第一侧具有凹部。所述凹部由一个或者多个侧壁和底壁限定。所述侧壁中的一个或者多个大体上垂直于所述底壁。感测膜片限定在所述第一衬底的所述第二侧与所述凹部的所述底壁之间。凸起从所述凹部的所述底壁延伸。所述第二衬底可以包括第一侧和相对的第二侧，其中，所述第一侧具有凹部。可以将所述第一衬底的所述第一侧固定到所述第二衬底的所述第一侧，从而使所述第一衬底中的所述凹部面向所述第二衬底中的所述凹部并且与所述第二衬底中的所述凹部流体连通。

Description

具有改进的凹部或者空腔结构的微型机械装置

技术领域

本公开大体上涉及微机电系统（MEMS），并且更具体地涉及具有改进的凹部或者空腔结构的微机电系统。

背景技术

微机电系统（MEMS）广泛用于各种应用，包括：例如，商业、汽车、航天、工业和医疗应用。微机电系统（MEMS）可以包括通过使用微制造技术而制造的微型机械和机电元件（即，装置和结构）。MEMS系统可以包括各种装置和/或系统，其包括微传感器和微致动器。

示例MEMS微传感器是压力传感器。该压力传感器通常是通过将凹部各向异性地蚀刻到硅衬底管芯的背面中，留下薄的柔性膜片而形成的。在操作时，将膜片的至少一个表面暴露于输入压力。膜片根据输入压力的大小偏转，并且该偏转引起压敏电阻器的电阻发生变化。压敏电阻器的电阻的变化反映为至少部分地由压敏电阻器形成的电阻电桥的输出电压信号的变化。在一些情况下，通过添加支撑凸起将膜片制造得更薄，这样做可以帮助提高平板膜片上的膜片的敏感度。

MEMS管芯的成本通常直接与管芯大小相关。具有凹部或者空腔的MEMS装置（诸如，压力传感器或者其它MEMS装置）的管芯大小通常由凹部或者空腔的结构决定。在帮助减小管芯大小的同时仍然实现良好的装置性能的具有改进的凹部或者空腔结构的MEMS装置将是可取的。

发明内容

本公开大体上涉及微机电系统（MEMS），并且更具体地涉及具有改进的凹部或者空腔结构的微机电系统。

示例MEMS装置是压力传感器。虽然压力传感器在本文中用于说明性目的，但是可以预期的是，根据需要本公开可应用于任何合适的MEMS装置。说明性压力传感器可以包括第一衬底（substrate）和第二衬底。第一衬底可以具有第一侧和相对的第二侧。第一侧可以具有凹部。该凹部可以由一个或者多个侧壁和底壁限定，其中，一个或者多个侧壁大体上垂直于底壁。感测膜片可以限定在第一衬底的第二侧与凹部的底壁之间。在一些情况下，凸起可以从凹部的底壁延伸到凹部中。凸起可以由侧壁限定，其中，凸起的侧壁可以大体上垂直于凹部的底壁。第二衬底可以包括第一侧和相对的第二侧。第一侧可以具有凹部。可以将第一衬底的第一侧固定到第二衬底的第一侧，从而使第一衬底中的凹部面向第二衬底中的凹部并且与第二衬底中的凹部流体连通，形成压力传感器装置。

在另一示例中，传感器可以包括传感器本体，该传感器本体具有第一侧和第二侧。密封的嵌入式空腔可以位于传感器本体的第一侧和第二侧之间，其中，感测膜片在密封的嵌入式空腔与传感器本体的第一侧之间。嵌入式空腔的范围可以由一个或者多个侧壁、靠近（towards）传感器本体的第一侧的顶壁、以及靠近传感器本体的第二侧的底壁限定。在一些情况下，凸起可以从感测膜片延伸并延伸到嵌入式空腔中，但并不一直延伸到嵌入式空腔的另一侧。凸起可以沿感测膜片侧向延伸并且可以在一个、两个、三个、四个、五个或者更多个离散位置与嵌入式空腔的侧壁中的一个或者多个侧壁相交。在一些情况下，凸起可以由侧壁限定，其中，凸起的侧壁大体上垂直于嵌入式空腔的顶壁。

形成传感器的示例方法可以包括：在绝缘体上硅（SOI）衬底的外延层中蚀刻出凹部。SOI晶片可以包括衬底层和外延层，其中，氧化层在衬底层与外延层之间。蚀刻的凹部可以限定出感测膜片和该感测膜片的凸起的范围。该方法可以进一步包括：将凹部蚀刻到第二衬底中并且将绝缘体上硅（SOI）衬底固定到第二衬底，从而使绝缘体上硅（SOI）衬底的外延层中的凹部面向第二衬底中的凹部并且与第二衬底中的凹部流体连通。该方法可以进一步包括：去除绝缘体上硅（SOI）衬底的衬底层。

提供前述发明内容以便于理解本公开独有的某些创新特征，并不旨在给出完全的说明。完整的理解本公开可以通过将整个说明书、权利要求书、附图以及摘要作为一个整体来获得。

附图说明

结合附图考虑各种说明性实施例的以下描述可更全面地理解本公开，在附图中：

图1是具有说明性凸起膜片设计的压力传感器的顶视图；

图2是沿图1所示的压力传感器的线2-2截取的剖视图；以及

图3A至图3F示出了形成压力传感器的说明性方法。

虽然本公开可修改为多种改型和替代形式，但是已经在附图中以示例的方式示出其特定细节，并且将进行详细描述。然而，应该理解，本发明并不使本公开的方面局限于所描述的特定说明性实施例。相反，本发明旨在涵盖落在本公开的精神和范围内的所有修改、等同物以及替换方案。

具体实施方式

应该参照附图阅读以下描述，其中，相同附图标记在整个几幅图中指示相同元件。说明书和不一定按比例绘制的附图描绘了说明性实施例并且不旨在限制本公开的范围。所描绘的说明性实施例旨在仅仅作为示例性的。

如本文所使用的，术语“流体”并不旨在受限于液体。确切地说，术语“流体”旨在包括处于流动中的任何材料，诸如，但不限于，液体和/或气体。

图1是具有说明性凸起膜片设计的压力传感器10的顶视图。图2图示了沿图1中的线2-2截取的压力传感器10的横截面。压力传感器10可以包括第一衬底20和第二衬底32。在一些实例中，第一衬底20可以是用绝缘体上硅（SOI）技术形成的分层式硅-绝缘体-硅衬底或者晶片，尽管这不是必需的。可以预期的是，根据需要可以使用其它衬底。第一衬底20可以包括面向第一衬底20的第一侧28的第一硅层22和面向第一衬底20的与第一侧28相对的第二侧30的第二硅层24。绝缘或者氧化层26可以设置在第一硅层22与第二硅层24之间。在一些实例中，绝缘层26可以由二氧化硅、氮化硅、蓝宝石、和/或任何其它合适的绝缘材料形成。虽然在图2中图示了第二硅层24，但是在一些情况下，可以使第二硅层24变薄或者去除第二硅层24，从而将氧化层25暴露于第二侧30。可替代地，并且，在一些实例中，不是一开始就提供了第二硅层24和氧化层26。

根据需要，第二衬底32可以是任何半导体晶片（例如，硅或者锗）或者其它衬底。可以预期的是，第一衬底20或者第二衬底32中的任何一个或者两个可以掺杂杂质以提供n型或者p型非本征半导体。例如，第一衬底20可以是n型衬底，而第二衬底32可以是p型衬底。相反的配置也是可以预期的，或者两个衬底可以掺杂相同的极性。在一些实例中，第一衬底20和/或第二衬底32可以包括外延层。

可以去除第一衬底20的部分（诸如，第一硅层22的部分），在空腔或者凹部40上留下薄的柔性膜片34。膜片34可以定位在凹部40的底壁42与第一衬底20的第二侧30之间。在一些情况下，压敏电阻器36可以定位在膜片34中或者上以测量膜片34的偏转/应力，从而形成压力传感器。在操作期间，将膜片34的至少一个表面暴露于输入压力。膜34然后可以根据膜34上的压力的大小偏转。膜34的偏转然后引起压敏电阻器36的电阻发生变化。压敏电阻器36的电阻的变化反映为至少部分地由压敏电阻器36形成的电阻电桥的输出电压信号的变化。输出电压提供施加在膜片34上的输入压力的度量。

凹部40可以包括底壁42和一个或者多个侧壁44。在本文中，使用术语“底部的”、“顶部的”和“侧的”作为指示各个部件的相对位置的相对术语。在一些实例中，凹部40可以具有大体上正方形的形状，该形状限定出侧壁44。然而，可以预期的是，凹部40可以是所需的任何形状。在一些实施例中，侧壁44的大部分的长度可以垂直于或者大体上垂直于凹部40的底壁42的大部分的长度。然而，这并不是必需的。在一些实例中，侧壁44中的一个或者多个侧壁44可以非正交角从底壁42延伸。凹部40的侧壁44可以限定出凹部44的侧向范围和深度D1。

虽然将凸起38图示为大体上方形或者有角的角落和边缘45，但是可以预期的是，角落和边缘45可以是圆形的或者弯曲的。在一些实例中，环绕膜片34和/或凸起38的周界的边缘也可以具有弯曲的或者圆形的边缘和角落47。圆形的边缘和角落45、47可以通过减少凸起38的锋利边缘来大幅增加膜片34的破裂压力（burst pressure）。标题为“PressureSensor Having a Bossed Diaphragm”的共同受让的美国专利申请14/543,074公开了这种结构，该申请以引用的方式并入本文。

说明性传感器10可以进一步包括从底壁42延伸到凹部40中的一个或者多个凸起38。例如，并且，如图1所示，一个或者多个凸起38可以侧向延伸跨越凹部40。当如此提供时，凹部40的侧壁44可以与一个或者多个凸起38的一个或者多个侧壁相交。在一些实例中，一个或者多个凸起38可以延伸跨越凹部40的整个侧向范围和深度D1，然而，在其它实例中，凸起38仅仅可以部分地延伸跨越凹部40的侧向范围和/或深度D1。

可以预期的是，一个或者多个凸起38可以以一定图案来形成。在一些情况下，可以选择图案以涵盖压力传感器的所需输入压力来实现所需的敏感度和线性度。在一些实例中，图案可以是相对简单的，诸如，“X”或者交叉形图案，诸如，图1所示的图案。在其它实例中，图案可以更复杂。具有交叉图案的凸起膜片可以提供比相同膜片面积的平板膜片高50%至100%的敏感度。换句话说，在提供相同水平的敏感度时，具有凸起膜片的装置可以比具有平板膜片的装置被制作得更小。在一些实施例中，凸起38可以在凹部40的一个或者多个侧壁44之间延伸。在一些情况下，凸起38可以在一个、两个、三个、四个、或者更多个离散位置处延伸到侧壁44。如图1所示，“X”形的突起38可以延伸到四个离散位置，并且可以具有位于膜片34的中心的中心46。四个凸起支腿46a、46b、46c、46d（统称为46）中的每一个凸起支腿可以在不同方向上从中心46延伸朝向凹部40的侧壁44。在一些情况下，可以使用凸起图案，其中，图案化的支腿中没有一个或者不是全部侧向延伸到侧壁44。

参照图2，第二衬底32可以具有第一侧48和与第一侧48大体上相对的第二侧50。凹部52可以形成在第二衬底32的第一侧48中。凹部52可以包括底壁54和一个或者多个侧壁56。在所示的示例中，凹部52可以具有大体上正方形的形状，该形状限定出四个侧壁56。然而，可以预期的是，凹部52可以具有任何所需的形状。在一些实例中，凹部52的形状可以具有外部轮廓或者周界，该外部轮廓或者周界与第一衬底20中的凹部40的外部轮廓或者周界相似。在一些实施例中，侧壁56可以垂直于或者大体上垂直于凹部52的底壁54。然而，这并不是必需的。如图2所示，侧壁56可以非正交角从底壁54延伸。虽然图2未明确示出，但是在一些情况下，第二衬底32可以包括从第二侧50延伸到凹部52中的端口。在其它情况下，凹部52不包括这种端口。可以将第一衬底20的第一侧28固定到第二衬底32的第一侧48上，从而使第一衬底28中的凹部40面向第二衬底32中的凹部52并且与第二衬底32中的凹部52流体连通。

图3A至图3F示出了形成压力传感器100的说明性方法。虽然关于单个装置或者传感器100描述了方法，但是可以预期的是，多个装置可以在单个晶片上被制造，随后被切割成或者分成单独的装置。而且，虽然关于压力传感器描述的该方法，但是可以预期的是，按照需要技术可以应用于任何其它合适的微机电系统（MEMS）装置。

具体参照图3A，可以提供第一衬底120。在一些情况下，第一衬底120可以是用绝缘体上硅（SOI）技术形成的分层式硅-绝缘体-硅衬底或者晶片。然而，可以预期的是，根据需要可以使用其它衬底。在所示的示例中，第一衬底120可以包括第一硅（或者衬底）层122和第二硅（或者衬底）层124，第一硅（或者衬底）层122与第一衬底120的第一或者顶部侧128相邻，第二硅（或者衬底）层124与第一衬底120的与第一侧128相对的第二或者底部侧130相邻。绝缘或者氧化层126可以设置在第一硅层122与第二硅层124之间。在一些实例中，绝缘层26可以由二氧化硅、氮化硅、蓝宝石、和/或任何其它合适的绝缘材料形成。在一些实例中，第一硅层122可以是外延层，但是这并不是必需的。

现在参照图3B，可以去除或者蚀刻第一衬底120的部分（诸如，第一硅层122的部分）以在衬底120的顶部侧128中限定出一个或者多个凹部140和一个或者多个凸起138。在一些实例中，凹部140可以是具有从凹部的底部向上延伸到凹部中的一个或者多个凸起138的一个凹部。在一些情况下，凸起138可以在凹部140的外周界或者外侧壁之间延伸并且接触凹部140的外周界或者外侧壁，如图1所示。然而，凸起138中的一些或者没有一个可以接触凹部或者多个凹部140的外侧壁。

可以预期的是，一个或者多个凸起138可以以一定图案来形成。可以选择图案以涵盖压力传感器的所需输入压力来实现所需的敏感度和线性度。在一些实例中，图案可以是相对简单的，诸如，图1所示的“X”或者交叉形图案。在其它实例中，图案可以更复杂。与一个或者多个凹部140相邻的区域可以形成膜片。

可以预期的是，可以使用深度反应离子蚀刻（DRIE）来创建凹部140和/或凸起138的图案。深度反应离子蚀刻（DRIE）可以提供垂直于底壁142的侧壁144。可以通过控制蚀刻工艺的持续时间，使用蚀刻停止部层并且/或者按照任何其它合适的方式来控制凹部140的深度。在一些实例中，凹部140的底壁142可以与氧化层126间隔开一段距离，然而，在其它情况下，凹部140的底壁142与氧化层126邻接。在一些情况下，氧化层126可以充当蚀刻工艺的蚀刻停止部（etch stop），从而使氧化层126形成凹部140的底壁142。

凹部140可以包括底壁142和一个或者多个侧壁144。凹部140可以是任何所需的形状。在一些实施例中，侧壁144可以垂直于或者大体上垂直于凹部140的底壁142。然而，这并不是必需的。可以预期的是，侧壁144可以非正交角从底壁142延伸。凹部140的侧壁144可以限定出凹部140的侧向范围。凸起138可以侧向延伸跨越凹部140。在一些实施例中，凸起138可以延伸跨越凹部140的整个侧向范围，然而，在其它实例中，凸起138仅仅可以延伸跨越凹部140的部分侧向范围。凹部的竖直或者大体上竖直的侧壁144可以在维持所需水平的敏感度的同时减小装置的大小。

现在参照图3C，可以提供第二衬底132。根据需要，第二衬底132可以是任何半导体晶片（例如，硅或者锗）或者其它衬底。第二衬底132可以包括第一侧148和与第一侧148大体上相对的第二侧150。凹部152可以形成在第二衬底132的第一侧148中。凹部152可以按照任何合适的方式（诸如，但不限于，DRIE蚀刻和/或KOH蚀刻）形成。第二衬底132中的凹部152可以包括底壁154和一个或者多个侧壁156。在所示的示例中，凹部152可以具有大体上正方形的形状，该形状限定出四个侧壁156。然而可以预期的是，凹部152可以是任何所需的形状。在一些实例中，凹部152的形状可以具有外轮廓或者周界，该外轮廓或者周界与第一衬底120中的凹部140的外轮廓或者周界相似，从而可以将凹部140、152对齐以形成空腔。在一些实施例中，凹部152的侧壁156可以垂直于或者大体上垂直于凹部152的底壁154。然而，这并不是必需的。在一些情况下，侧壁156可以非正交角从底壁154延伸，如图2所示。

如图3D所示，可以将第一衬底120的第一侧128接合至第二衬底132的第一侧148，从而将第一衬底120中的凹部140与第二衬底132中的凹部152对齐、或者对准、并且流体连通。复合装置120/132可以形成传感器本体，该传感器本体具有密封的嵌入式空腔140/152（参见图3D至图3E）或者有端口的嵌入式空腔140/162（参见图3F）。为了清楚起见，一些附图标记已经从图3D至图3F省略。

如图3E所示，可以使第二硅层124变薄或者将其完全移除以留下薄的柔性膜片134。可以按照受控方式来去除第二硅层124以得到具有所需的厚度的膜片134。在一些实例中，可以进一步处理氧化层126，或者，如果第二硅层124存在，则可以进一步处理该第二硅层124，诸如，通过蚀刻和/或者化学机械平坦化（CMP），以准备用于电气电路和/或部件的表面。电气部件158可以形成在氧化层126上，如图3F所示。在一些实例中，可以去除氧化层126，并且可以通过使用传统集成电路处理技术将电路元件（诸如，晶体管、二极管、电阻器、走线、和/或其它集成电路部件）形成在第一硅层122中和/或在第一硅层122上。可以将电路元件连接至传感器元件158，以在将输出信号提供至压力传感器的接合垫160之前提供相同水平的信号处理。信号处理可以对由传感器元件（例如，压敏电阻器36）产生的原始传感器信号进行滤波、放大、线性化、校准和/或另外的处理。

在使用期间，响应于被测介质的施加的压力，膜片134被施压并且/或者发生变形。该施压和/或变形可以由在感测膜片134上或者嵌入感测膜片134内的一个或者多个电气部件或者感测元件158（例如，压敏电阻器）检测到。可以经由一个或者多个接合垫160提供指示施加的压力的输出信号。在一些实例中，可以通过第二衬底132将端口162提供至空腔/凹部140、152以允许从装置100的背面感测介质，但是这并不是必需的。

因此，已经描述了本公开的多个说明性实施例，本领域的技术人员将容易了解，在其所附的权利要求的范围内，可以制造和使用其它实施例。已经在上述描述中陈述了本文所涵盖的本公开的多个优点。然而，将理解，在许多方面，本公开仅仅是说明性的。在不超过本公开的范围的情况下，在细节方面，特别是在部件的形状、大小和布置方面可以做出改变。当然，本公开的范围用表示所附权利要求的语言来限定。

Claims (8)

1.一种传感器，其包括：

第一衬底，所述第一衬底包括：

第一侧和相对的第二侧，所述第一侧具有凹部；

所述凹部由一个或者多个侧壁和底壁限定，其中，所述一个或者多个侧壁大体上垂直于所述底壁；

感测膜片，所述感测膜片限定在所述第一衬底的所述第二侧与所述凹部的所述底壁之间；

凸起，所述凸起从所述凹部的所述底壁延伸到所述凹部中，所述凸起由侧壁限定，其中，所述凸起的所述侧壁大体上垂直于所述凹部的所述底壁，其中，所述凸起延伸跨越所述凹部的整个深度，并且其中，所述第一衬底的所述凹部的所述一个或者多个侧壁限定出所述第一衬底的所述凹部的侧向范围，其中，所述凸起侧向延伸跨越所述第一衬底的所述凹部；

第二衬底，所述第二衬底包括：

第一侧和相对的第二侧；

所述第一侧具有凹部；

其中，将所述第一衬底的所述第一侧固定到所述第二衬底的所述第一侧，从而使所述第一衬底中的所述凹部面向所述第二衬底中的所述凹部并且与所述第二衬底中的所述凹部流体连通；

其中，所述感测膜片位于所述凸起上方，其中，氧化层位于所述感测膜片和所述凸起之间；

其中，所述凸起在三个或者更多个离散位置处延伸到所述第一衬底的所述凹部的所述侧壁。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述第二衬底中的所述凹部与所述第一衬底中的所述凹部对准。

3.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述第二衬底中的所述凹部由一个或者多个侧壁和底壁限定，并且其中，所述一个或者多个侧壁大体上垂直于所述第二衬底中的所述凹部的所述底壁。

4.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述凸起被图案化以包括“X”形状，其中，所述“X”形状的中心位于所述感测膜片的中心。

5.一种传感器，其包括：

传感器本体，所述传感器本体具有第一侧和第二侧；

密封的空腔，所述密封的空腔位于所述传感器本体的所述第一侧和所述第二侧之间，其中，感测膜片在所述密封的空腔与所述传感器本体的所述第一侧之间，所述空腔由所述第一侧中的凹部和所述第二侧中的凹部形成，所述空腔由一个或者多个侧壁、邻近所述传感器本体的所述第一侧的顶壁、以及邻近所述传感器本体的所述第二侧的底壁限定；以及

凸起，其中，所述感测膜片位于所述凸起上方，其中，氧化层位于所述感测膜片和所述凸起之间，并且所述凸起延伸跨越所述第一侧中的凹部的整个深度，并且其中，所述凸起在三个或者更多个离散位置处延伸到所述第一侧的所述凹部的所述侧壁。

6.根据权利要求5所述的传感器，其中，所述凸起沿所述感测膜片侧向延伸。

7.一种用于制造传感器的方法，其包括：

在绝缘体上硅衬底的第一层中蚀刻出凹部，其中，所述绝缘体上硅衬底包括所述第一层和第二层，所述凹部限定出感测膜片和所述感测膜片的凸起的范围，其中，所述感测膜片位于所述凸起上方，其中，氧化层位于所述感测膜片和所述凸起之间，并且所述凸起延伸跨越所述凹部的整个深度；

将凹部蚀刻到第二衬底中；

将所述绝缘体上硅衬底固定到所述第二衬底，从而使所述绝缘体上硅衬底的所述第一层中的所述凹部面向所述第二衬底中的所述凹部并且与所述第二衬底中的所述凹部流体连通；

去除所述第二层。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，去除所述第二层包括使用蚀刻来去除，其中，所述氧化层是所述蚀刻的蚀刻停止部。

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