CN107215844B - 一种膜片结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种膜片结构，所述膜片结构至少包括悬空支撑在单晶硅片上方的膜片和沿所述膜片外围排列的释放孔。本发明另提供一种基于上述膜片结构的压力敏感膜结构，所述压力敏感膜结构包括梁‑岛结构、外框、薄膜、沿外框排布的释放孔和分布在岛上的释放孔。膜片结构的释放孔没有贯穿整个膜片区域，保证了膜片结构的完整性和对称性，具有更好的机械性能，同时膜片中部可以自由地设计各种结构，不需要受释放孔的限制，具有更广阔的应用空间。本发明所述的压力敏感膜结构由上述膜片结构经局部刻蚀减薄加工而成，避免了在脆弱的薄膜区域布置释放孔，在改善机械性能的同时提高可靠性。同时在岛上的释放孔可以显著缩短腐蚀时间，大幅提高成品率。

Description

一种膜片结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及硅微机械传感器技术领域，特别是涉及一种膜片结构及其制作方法。

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，中国科学院上海微系统所王家畴等人提出了一种MIS(MicroholesInteretch&Sealing)制备压力传感器工艺。该工艺是一种单硅片单面微机械加工工艺，制备工艺简单。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膜，[J.C.Wang,X.X.Li.Single-Side Fabricated Pressure Sensors for IC-Foundry Compatible,High-Yield,andLow-Cost Volume Production,IEEE Electron Device Letters,vol.32,no.7,pp.979-981,July.2011]。在MIS工艺制备的单晶硅压力敏感膜的基础上，王家畴等人又进一步发展出带有应力集中效果的压力敏感膜，这种膜片结构是在上述单晶硅压力敏感膜上通过局部的刻蚀减薄，形成梁-膜-岛结构，将应力集中在梁上，提高了膜片对压力的灵敏度和输出的线性度。然而上述MIS工艺制备的单晶硅压力敏感膜和带有应力集中效果的压力敏感膜仍然存在以下几点不足：(1)释放孔沿直线排列横穿了整个膜片区域，影响膜片的机械性能，尤其是带有应力集中效果的压力敏感膜，释放孔从减薄的区域经过，影响更为显著；(2)两排释放孔将整个膜片分割成了三块区域，压敏电阻的布置、引线的排布以及梁-岛结构的设计都受到制约，无法跨过释放孔。(3)由于释放孔布置在减薄的区域，因此刻蚀时需要对其进行保护，否则会破坏气密性，导致失效，这就对光刻的对准精度提出了很高要求，增加了工艺难度，也降低了成品率。

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膜片结构及其制作方法，用于解决现有技术中释放孔排成一排横穿整个膜片的排布方式，影响结构机械性能并妨碍结构设计的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种膜片结构，所述膜片结构至少包括悬空支撑在单晶硅片上的膜片和沿所述膜片外围排列的释放孔。

优选地，所述释放孔沿所述膜片外围呈折线排列。

优选地，所述膜片为六边形，所述释放孔至少分布在所述膜片两条相邻的边以及各自的对边上，所述释放孔中填充有多晶硅材料。

优选地，所述膜片包括下层多晶硅层和上层单晶硅层。

优选地，所述膜片包括下层多晶硅层和上层氮化硅层。

优选地，所述膜片包括下层多晶硅层、中间介质层和上层单晶硅层。

优选地，沿所述膜片外围排列的释放孔的面积为3～30μm²。

本发明还提供一种膜片结构的制作方法，所述制作方法至少包括：

1)提供一单晶硅片，在所述单晶硅片表面淀积绝缘层，刻蚀所述绝缘层，形成窗口，并通过所述窗口刻蚀所述单晶硅片的外围，形成释放孔；

2)在所述释放孔内壁及底部沉积钝化层，刻蚀所述释放孔底部的钝化层，并沿着所述释放孔底部继续刻蚀至所需深度；

3)通过所述释放孔，利用腐蚀液释放单晶硅层，并去除所述钝化层和所述绝缘层；

4)沉积多晶硅材料，将所述释放孔封堵，同时在所述单晶硅片表面及腐蚀腔内壁形成多晶硅层；

5)刻蚀去除所述单晶硅片表面的多晶硅层，从而获得膜片结构。

优选地，在所述步骤3)和步骤4)之间还可以包括在所述腐蚀腔内壁、释放孔内壁淀积介质层的步骤，最后由步骤4)获得的膜片结构包括下层多晶硅层、中间介质层和上层单晶硅层。

本发明另提供一种膜片结构的制作方法，所述制作方法至少包括：

1)提供一单晶硅片，在所述单晶硅片表面形成氮化硅层，刻蚀所述氮化硅层的外围，形成释放孔；

2)沿着所述释放孔继续刻蚀所述单晶硅片至所需深度；

3)通过所述释放孔，利用腐蚀液释放氮化硅层；

4)沉积多晶硅材料，将所述释放孔封堵，同时在所述氮化硅层表面及腐蚀腔内壁形成多晶硅层；

5)刻蚀去除所述单晶硅片表面的多晶硅层，从而获得膜片结构。

本发明提供一种压力敏感膜结构，所述压力敏感膜结构至少包括悬空支撑在单晶硅片上方的膜片，所述膜片包括位于所述膜片外围的外框和由所述外框包围的薄膜及梁-岛结构，所述外框中排列有释放孔。

优选地，所述外框为六边形，所述释放孔至少分布在所述外框两条相邻的边以及各自的对边上。

优选地，所述释放孔分布在所述外框两条相邻的边以及各自的对边上，所述薄膜位于所述梁-岛结构的两侧，所述梁-岛结构中的梁和岛间隔排列且通过所述梁与所述外框中未分布有释放孔的两条边相连。

优选地，所述梁-岛结构的岛中制作有释放孔。

本发明另提供一种上述压力敏感膜结构的制作方法，所述制作方法至少包括：

1)提供一单晶硅片，在所述单晶硅片表面淀积绝缘层，刻蚀所述绝缘层，形成窗口，并通过所述窗口刻蚀所述单晶硅片的外围，形成释放孔；

2)在所述释放孔内壁及底部沉积钝化层，刻蚀所述释放孔底部的钝化层，并沿着所述释放孔底部继续刻蚀至所需深度；

3)通过所述释放孔，利用腐蚀液释放形成单晶硅层，并去除所述钝化层和所述绝缘层；

4)沉积多晶硅材料，将所述释放孔封堵，同时在所述单晶硅片表面及腐蚀腔内壁形成多晶硅层；

5)刻蚀去除所述单晶硅片表面的多晶硅层；

6)刻蚀所述单晶硅层，暴露出所述腐蚀腔顶部的所述多晶硅层，暴露出的所述多晶硅层形成所述薄膜，剩余未被刻蚀的部分形成所述梁-岛结构以及外框。

优选地，所述步骤1)中，除了刻蚀所述单晶硅片外围形成释放孔，还刻蚀所述单晶硅片的中间位置形成释放孔，所述中间位置的释放孔位于所述步骤6)中所述梁-岛结构的岛上。

优选地，在所述步骤3)和步骤4)之间还可以包括在所述腐蚀腔内壁、释放孔内壁以及所述单晶硅片的表面形成介质层的步骤。

如上所述，本发明的膜片结构及其制作方法，具有以下有益效果：

本发明创新性地将释放膜片结构所需的释放孔从排成一排横穿整个膜片的排布方式改进为沿着膜片外围边缘排布，保证了膜片结构的完整性和对称性，因此，具有更好的机械性能，同时无孔的六边形膜片中部可以自由地设计各种结构，不需要受释放孔的限制，具有更广阔的应用空间。基于上述膜片结构加工而来的带有应力集中效果的压力敏感膜结构，避免了在脆弱的薄膜区域布置释放孔，在改善机械性能的同时也提高了可靠性。另外，在岛上额外布置的释放孔可以显著缩短腐蚀时间，大幅提高成品率，同时不影响结构的机械性能。

附图说明

图1a～图1g为本发明实施例一中膜片结构的制作方法的流程图。

图2为本发明实施例一种膜片结构俯视图。

图3为本发明实施例一种膜片结构立体图。

图4为实施例二中膜片结构的剖视图。

图5a～5h为本发明实施例三中压力敏感膜结构的制作方法的流程图。

图6为本发明实施例三中压力敏感膜结构示意图。

元件标号说明

1 单晶硅片

2 膜片

30、31 释放孔

4 绝缘层

5 钝化层

6 单晶硅层

7 多晶硅层

8 腐蚀腔

9 介质层

10 氮化硅

11 薄膜

12 岛

13 梁

14 外框

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。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。

实施例一

如图1a～1g所示，本实施例提供一种膜片结构的制作方法，所述制作方法包括如下步骤：

首先执行步骤1)，提供一单晶硅片，在所述单晶硅片表面淀积绝缘层，刻蚀所述绝缘层，形成窗口，并通过所述窗口刻蚀所述单晶硅片的外围，形成释放孔。

具体步骤可以为：如图1a所示，提供一单晶硅片1，在其表面淀积一层TEOS绝缘层4，并通过RIE工艺刻蚀出释放孔的窗口，然后通过Deep-RIE工艺刻蚀单晶硅片1形成释放孔30。本实施例采用P型双抛(111)单晶硅片，厚度为450μm，轴偏切0±0.1°。所述TEOS绝缘层4的厚度为1μm，所述释放孔窗口为直径5μm的圆，所述释放孔30深度为6μm。

然后执行步骤2)，在所述释放孔30内壁及底部沉积钝化层5，刻蚀所述释放孔30底部的钝化层5，并沿着所述释放孔30底部继续刻蚀至所需深度。

如图1b所示，在所述释放孔的内壁及底部淀积一层TEOS钝化层5，先通过RIE工艺刻蚀释放孔30底部的TEOS钝化层，释放孔30侧壁上的TEOS钝化层5得以保留，随后通过Deep-RIE工艺刻蚀单晶硅片1，刻蚀深度定义了牺牲层的厚度(即后续形成的腐蚀腔的深度)。本实施例中所述牺牲层厚度为15μm。

接着执行步骤3)，通过所述释放孔30，利用腐蚀液释放单晶硅层6，并去除所述绝缘层4和钝化层5。

如图1c所示，利用腐蚀液横向选择性自停止腐蚀释放单晶硅片1，形成腐蚀腔8，腐蚀腔8顶部的单晶硅片即为膜片中的单晶硅层6。本实施例中所用腐蚀液为25％的TMAH(四甲基氢氧化铵)腐蚀溶液，在80℃温度条件下腐蚀释放膜片结构。

释放形成膜片的单晶硅层6之后，将TEOS绝缘层4和钝化层5都去除，去除绝缘层4和钝化层5后的结构如图1d所示。本实施例中TEOS绝缘层4和钝化层5通过BOE(49％HF溶液与40％NH₄F溶液按1:6体积比混合)溶液去除。

再执行步骤4)，沉积多晶硅材料，将所述释放孔30封堵，同时在所述单晶硅片1表面和腐蚀腔8内壁形成多晶硅层7，

最后执行步骤5)，刻蚀去除所述单晶硅片表面的多晶硅层，从而获得膜片结构。

需要说明的是，在沉积多晶硅材料之前，可以在所述腐蚀腔8内壁、释放孔30内壁淀积一层介质层9，如热氧形成的0.1μm厚的氧化硅。若淀积了介质层9，则后续获得的膜片结构包括下层多晶硅层7、中间介质层9和上层单晶硅层6。若不进行介质层9的淀积，则直接沉积多晶硅材料，后续形成得膜片中只包含多晶硅层7和单晶硅层6。附图1e中展示的是淀积了介质层9的结构。

如图1f所示，淀积多晶硅材料将释放孔30封堵。本实施例中，所述多晶硅层7的厚度为4μm。最后再将单晶硅层1表面的多晶硅层刻蚀去除，获得如图1g所示的膜片结构。

本实施例还提供一种膜片结构，由上述制备方法所制备形成，如图1g、图2以及图3所示，其中，图1g是沿图3中虚线部分的剖视图。所述膜片结构至少包括悬空支撑在单晶硅片1上的膜片2和沿所述膜片2外围排列的释放孔30。

与传统的释放孔排列方式相比，本实施例的释放孔30仅仅排列在所述膜片2的外围，没有贯穿整个膜片区域，这样可以保证膜片结构的完整性和对称性，因此具有更好的机械性能，同时无孔的膜片中部可以自由地设计各种结构，不需要受释放孔的限制，具有更广阔的应用空间。

作为优选地排列方式，如图2和图3所示，所述释放孔30沿所述膜片2外围呈折线排列。所述释放孔30沿折线排列可使得释放孔间距最大化，提高结构强度的同时降低加工难度。

作为示例，所述膜片2为六边形，所述释放孔30至少分布在所述膜片2两条相邻的边以及各自的对边上，所述释放孔30中填充有多晶硅材料。图2和图3展示了所述释放孔30分布在所述膜片2两条相邻的边以及各自的对边上的情况。

优选地，沿所述膜片2外围排列的释放孔30的面积为3～30μm²。更优地，沿所述膜片2外围排列的释放孔30的面积为10～30μm²。最优地，沿所述膜片2外围排列的释放孔30的面积为10～20μm²。本实施例中，沿所述膜片2外围排列的释放孔30的面积为15μm²。

所述膜片2包括下层多晶硅层7和上层单晶硅层6。若在制作过程中淀积了介质层9，则所述膜片还包括中间介质层9，即下层多晶硅层7、中间介质层9和上层单晶硅层6。

作为优选的方案，所述单晶硅层6的厚度范围为2～20μm，所述介质层9的厚度范围为0.05～0.5μm，所述下层多晶硅层7的厚度范围为0.5～3μm。

实施例二

本实施例提供一种膜片结构及其制作方法，与实施例一的结构和方法类似。与实施例一的区别是，本实施例中，所述膜片2包括下层多晶硅层7和上层氮化硅层10，如图4所示，因此，相应的制备方法有微小调整。制作步骤如下：

1)提供一单晶硅片，在所述单晶硅片表面形成氮化硅层，刻蚀所述氮化硅层的外围，形成释放孔；

2)沿着所述释放孔继续刻蚀所述单晶硅片至所需深度；

3)通过所述释放孔，利用腐蚀液释放氮化硅层；

4)沉积多晶硅材料，将所述释放孔封堵，同时在所述氮化硅层表面和腐蚀腔内壁形成多晶硅层；

5)刻蚀去除所述氮化硅层表面的多晶硅层，从而获得本实施例的膜片结构，如图4所示。

实施例三

本实施例提供一种压力敏感膜结构及其制作方法，是在实施例一所制备的膜片结构的基础上，进一步做刻蚀减薄的操作，即在原来膜片结构的制作步骤的基础上，增加了步骤6)。如图5a～图5h所示为本实施例压力敏感膜结构的制作流程图。

增加的步骤6)为：如图5h所示，刻蚀所述单晶硅层6，暴露出所述腐蚀腔8顶部的所述多晶硅层7，暴露出的所述多晶硅层7形成所述薄膜11，剩余未被刻蚀的部分形成所述梁-岛结构12、13以及外框14。

本实施例通过Deep-RIE工艺刻蚀单晶硅层6，最终只留下最下层的多晶硅层7作为薄膜11。

需要说明的是，若在所述步骤3)和步骤4)之间包括步骤：所述腐蚀腔8内壁、释放孔30内壁以及所述单晶硅层6的表面形成介质层9，如氧化硅，则步骤5)中，除了刻蚀单晶硅层6，还需要刻蚀单晶硅层6上下表面的介质层9，即通过依次实施RIE工艺、Deep-RIE工艺、RIE工艺先后刻蚀介质层9、单晶硅层6、介质层9三层材料，最终只留下最下层的多晶硅层7作为薄膜11。

作为优选的方案，所述步骤1)中，除了刻蚀所述单晶硅片1外围形成释放孔30，还刻蚀所述单晶硅片1的中间位置形成释放孔31(如图5a和图6所示)，所述中间位置的释放孔31位于所述步骤6)中所述梁-岛结构的岛12上。通过释放孔31可以进一步缩短步骤3)中腐蚀时间，并且该处的释放孔31不会影响整体结构的机械性能，提高成品率。

本实施例提供的压力敏感膜结构，如图5h和图6所示，其中图5h是沿图6虚线处的剖视图。所述压力敏感膜至少包括悬空支撑在单晶硅片1上的膜片2，所述膜片2包括位于所述膜片2外围的外框14和由所述外框14包围的薄膜11及梁-岛结构12、13，所述外框14中排列有释放孔30。

由于释放孔30位于外围的外框14中，避免了在脆弱的中间薄膜区域布置释放孔，改善机械性能，同时可靠性也提高。

作为优选的方案，所述外框14为六边形，所述释放孔30至少分布在所述外框14两条相邻的边以及各自的对边上。如图6展示了所述释放孔30分布在所述外框14两条相邻的边以及各自的对边上的情况。

进一步地，所述薄膜11位于所述梁-岛结构的两侧，所述梁-岛结构中的梁13和岛12间隔排列且通过所述梁13与所述外框14中未分布有释放孔30的两条边相连。

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 (3)

1.一种压力敏感膜结构，其特征在于，所述压力敏感膜结构至少包括悬空支撑在(111)单晶硅片上的膜片，所述膜片包括位于所述膜片外围的外框和由所述外框包围的薄膜及梁-岛结构，所述外框中排列有释放孔，其中，所述外框为六边形，所述释放孔至少分布在所述外框两条相邻的边以及各自的对边上；所述薄膜位于所述梁-岛结构的两侧，所述梁-岛结构中的梁和岛间隔排列且通过所述梁与所述外框中未分布有释放孔的两条边相连，且所述梁-岛结构的岛中制作有所述释放孔。

2.一种如权利要求1所述的压力敏感膜结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括：

1)提供一(111)单晶硅片，在所述单晶硅片表面淀积绝缘层，刻蚀所述绝缘层，形成窗口，并通过所述窗口刻蚀所述单晶硅片的外围及所述单晶硅片的中间位置，形成释放孔，其中，所述中间位置的释放孔位于后续步骤6)中的梁-岛结构的岛上；

2)在所述释放孔内壁及底部沉积钝化层，刻蚀所述释放孔底部的钝化层，并沿着所述释放孔底部继续刻蚀至所需深度；

3)通过所述释放孔，利用腐蚀液释放形成单晶硅层，并去除所述钝化层和所述绝缘层；

4)沉积多晶硅材料，将所述释放孔封堵，同时在所述单晶硅片表面及腐蚀腔内壁形成多晶硅层；

5)刻蚀去除所述单晶硅片表面的多晶硅层；

6)刻蚀所述单晶硅层，暴露出所述腐蚀腔顶部的所述多晶硅层，暴露出的所述多晶硅层形成所述薄膜，剩余未被刻蚀的部分形成所述梁-岛结构以及外框；

其中，所述外框为六边形，所述释放孔至少分布在所述外框两条相邻的边以及各自的对边上。

3.根据权利要求2所述的压力敏感膜结构的制作方法，其特征在于：在所述步骤3)和步骤4)之间还包括在所述腐蚀腔内壁、释放孔内壁以及所述单晶硅片的表面形成介质层的步骤。

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