CN113979405B

CN113979405B - Mems真空计及其制备方法

Info

Publication number: CN113979405B
Application number: CN202111625074.0A
Authority: CN
Inventors: 王广猛; 史晓晶; 柳俊文
Original assignee: Nanjing Yuangan Microelectronic Co ltd
Current assignee: Nanjing Yuangan Microelectronic Co ltd
Priority date: 2021-12-29
Filing date: 2021-12-29
Publication date: 2022-03-11
Anticipated expiration: 2041-12-29
Also published as: CN113979405A

Abstract

本发明提供一种MEMS真空计及其制备方法，该方法包括：提供第一衬底和第二衬底；在第一衬底的第一表面形成欧姆接触层；在第一衬底的第一表面形成键合层；在第二衬底的第一表面形成第一电极层和悬浮电阻层；将第一衬底的第一表面的键合层与第二衬底的第一表面进行阳极键合，形成位于第一衬底、键合层与第一电极层之间的第一腔体，位于第一衬底、键合层和悬浮电阻层之间的第二腔体；对第二衬底的第二表面进行腐蚀至第一电极层和悬浮电阻层时停止；在第一电极层和欧姆接触层上形成引线层，在悬浮电阻层上形成第二电极层。该方法有效提升了MEMS真空计的量程，该真空计具有尺寸小、精度高、一致性好、易批量制造及成本低的优点。

Description

MEMS真空计及其制备方法

技术领域

本发明属于真空测量技术领域，具体涉及一种MEMS真空计及其制备方法。

背景技术

气压计在高真空环境中的分支为真空计，微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）的出现使得真空计小型化，MEMS皮拉尼真空计利用高真空度下电阻加热体的散热速率和周围气体压强的相关性来测量。MEMS电容薄膜真空计利用外界压强作用下，薄膜发生形变，从而引起薄膜与固定电极组成的敏感电容器的电容发生变化，通过测量电容以及校准来测量真空系统压强。基于MEMS技术的皮拉尼真空计与电容薄膜真空计因体积小、功耗低、易于其他半导体器件集成加工而广泛应用于真空测量领域，且效果显著。

现有的MEMS皮拉尼真空计，在真空压力较低时，电阻加热体通过衬底的散热所占比重增加，真空计精度下降，因此限制了测量的真空度下限值。而现有的MEMS电容薄膜真空计由于体积小，真空计需要用大宽厚比感压薄膜和极小电极间距来保证足够高的灵敏度与足够大的电容量，因此限制了测量的真空度上限值。

针对上述问题，有必要提出一种设计合理且可以有效解决上述问题的MEMS真空计及其制备方法。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种MEMS真空计及其制备方法。

本发明的一方面提供一种MEMS真空计的制备方法，所述方法包括：

分别提供第一衬底和第二衬底；

在所述第一衬底的第一表面形成欧姆接触层；

在所述第一衬底的第一表面形成键合层；

在所述第二衬底的第一表面形成第一电极层和悬浮电阻层；

将所述第一衬底的第一表面的所述键合层与所述第二衬底的第一表面进行阳极键合，形成位于所述第一衬底、所述键合层与所述第一电极层之间的第一腔体，以及位于所述第一衬底、所述键合层和所述悬浮电阻层之间的第二腔体；

对所述第二衬底的第二表面进行腐蚀至所述第一电极层和所述悬浮电阻层时停止；

在所述第一电极层和所述欧姆接触层上形成引线层，在所述悬浮电阻层上形成第二电极层。

可选的，所述在所述第二衬底的第一表面形成第一电极层和悬浮电阻层，包括：

图形化所述第二衬底的第一表面，形成第一槽体和第二槽体；

在所述第一槽体和所述第二槽体中分别形成浓硼层，所述第一槽体内的所述浓硼层形成所述第一电极层；

图形化所述第二槽体内的所述浓硼层，形成所述悬浮电阻层。

可选的，所述在所述第一衬底的第一表面形成欧姆接触层，包括：

图形化所述第一衬底的第一表面，在所述第一衬底的第一表面的中央区域形成第三槽体；

在所述第三槽体内注入浓硼，形成所述欧姆接触层。

可选的，所述在所述第一衬底的第一表面形成键合层之后，所述方法还包括：

在所述第一衬底的第一表面形成吸气剂层，所述吸气剂层位于所述第一腔体内。

可选的，所述分别在所述第一电极层和所述欧姆接触层上形成引线层，在所述悬浮电阻层上形成第二电极层，包括：

分别在所述第一电极层、所述欧姆接触层和所述悬浮电阻层上形成金属层；

图形化所述金属层，分别在所述第一电极层和所述欧姆接触层上形成引线层以及在所述悬浮电阻层上形成所述第二电极层。

本发明的另一方面提供一种MEMS真空计，包括衬底、键合层、欧姆接触层、第一电极层、悬浮电阻层、引线层和第二电极层；

所述第一电极层和所述悬浮电阻层通过所述键合层与所述衬底键合连接，以在所述第一电极层、所述键合层和所述衬底之间形成第一腔体，以及在所述悬浮电阻层、所述键合层和所述衬底之间形成第二腔体；

所述欧姆接触层设置在所述衬底上，所述欧姆接触层位于所述第一腔体和所述第二腔体之间；

所述引线层设置在所述第一电极层和所述欧姆接触层背离所述衬底的一侧；

所述第二电极层设置在所述悬浮电阻层背离所述衬底的一侧。

可选的，所述悬浮电阻层包括固定电阻部和悬浮电阻部，所述固定电阻部夹设在所述键合层与所述第二电极层之间，所述悬浮电阻部悬设在所述第二腔体上方。

可选的，所述悬浮电阻部的长度大于其投影长度。

可选的，还包括吸气剂层，所述吸气剂层设置在所述衬底的表面，且位于所述第一腔体内。

可选的，所述第二腔体的高度大于所述第一腔体的高度。

本发明的MEMS真空计的制备方法，将第一衬底的第一表面的键合层与第二衬底的第一表面进行阳极键合，形成第一腔体和第二腔体，对第二衬底的第二表面进行腐蚀至第一电极层和悬浮电阻层时停止，形成第一电极层和悬浮电阻层，相当于集成了接触式MEMS电容薄膜真空计与皮拉尼真空计，在保证两种真空计灵敏度的前提下，有效拓宽了MEMS真空计的量程。

本发明实施例的MEMS真空计的制备方法，将第一衬底的第一表面的键合层与第二衬底的第一表面进行阳极键合，采用阳极键合的方式，密封性好。对第二衬底的第二表面进行腐蚀至第一电极层和悬浮电阻层时停止，通过一次构图工艺形成第一电极层和悬浮电阻层，工艺简单。在第一电极层和欧姆接触层上形成引线层，在悬浮电阻层上形成第二电极层，电极的引出均在第一腔体外和第二腔体外，使腔体真空度维持长久，有效提高了MEMS真空计的可靠性。

本发明采用MEMS技术制备，MEMS真空计具有尺寸小、精度高、一致性好、易于批量制造以及成本低的优点。

附图说明

图1为本发明一实施例的一种MEMS真空计制备方法的流程示意图；

图2本发明另一实施例的MEMS真空计的俯视示意图；

图3为本发明另一实施例MEMS真空计沿图2中A-A′方向的剖面图示意图；

图4~图11为本发明另一实施例MEMS真空计的制备工艺示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明的一方面提供一种MEMS真空计的制备方法S100，该封装方法S100包括：

S110、分别提供第一衬底和第二衬底。

具体地，如图3所示，在本实施例中，选用200μm~1000μm厚的低阻硅片作为第一衬底110，进一步优选的，采用300μm厚的低阻硅片作为第一衬底110。如图7所示，在本实施例中，选用200μm~1000μm 厚的单晶硅作为第二衬底120，进一步优选的，采用300μm厚的N型硅片（100）作为第二衬底120。对于第一衬底110和第二衬底120的材质和厚度本实施例不做具体限定，可以根据需求进行选择。

S120、在所述第一衬底的第一表面形成欧姆接触层。

首先，图形化所述第一衬底的第一表面，在所述第一衬底的第一表面的中央区域形成第三槽体。

具体地，如图4所示，采用光刻工艺图形化第一衬底110的第一表面，在第一衬底110的第一表面的中央区域形成第三槽体（图中未标出）。

其次，在所述第三槽体内注入浓硼，形成所述欧姆接触层。

具体地，如图4所示，在第三槽体中注入浓硼层，形成欧姆接触层130。也就是说，欧姆接触层130由第一衬底110浓硼掺杂而形成。欧姆接触层130用于实现引线层和第一衬底110之间的欧姆接触。在本实施例中，第一衬底110相当于固定电极，也就是说，欧姆接触层130用于实现引线层和固定电极之间的欧姆接触。

S130、在所述第一衬底的第一表面形成键合层。

具体地，如图5所示，在本实施例中，通过等离子体增强化学气相沉积工艺（PECVD,Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）在第一衬底110的第一表面制备5μm厚的硼硅玻璃，再通过感应耦合等离子体刻蚀工艺（ICP, Inductively Coupled Plasma）刻蚀出键合层140。

需要说明的是，沉积键合层140的工艺、键合层140材料的选择以及其厚度的选择，本实施例不做具体限定，可以根据需要进行选择。

示例性的，所述在所述第一衬底的第一表面形成键合层之后，所述方法还包括：

具体地，如图6所示，通过磁控溅射工艺在第一衬底110的第一表面制备一层厚度范围为50nm~200nm的厚的非蒸散型吸气剂薄膜，形成吸气剂层150，在本实施例中，吸气剂层150采用TiZrV薄膜，厚度为200nm。吸气剂层150用于解决第一衬底110与第二衬底120键合时第一腔体180的放气问题。

S140、在所述第二衬底的第一表面形成第一电极层和悬浮电阻层。

示例性的，所述在所述第二衬底的第一表面形成第一电极层和悬浮电阻层，包括：

首先，图形化所述第二衬底的第一表面，形成第一槽体和第二槽体。

具体地，如图7所示，本实施例中，通过反应离子刻蚀工艺（RIE, Reactive IonEtching）在第二衬底120的第一表面刻蚀出第一槽体（图中未标出）和第二槽体（图中未标出）。

其次，在所述第一槽体和所述第二槽体中分别形成浓硼层，所述第一槽体内的所述浓硼层形成所述第一电极层。

具体地，如图7所示，在第一槽体和第二槽体内注入浓硼形成浓硼层，第一槽体内的浓硼层形成第一电极层160，也就是说，第一电极层160由第二衬底120浓硼掺杂而形成。第一电极层160的厚度范围为1μm~20μm，在本实施例中，进一步优选的，第一电极层160的厚度为5μm。

最后，图形化所述第二槽体内的所述浓硼层，形成所述悬浮电阻层。

如图8所示，通过反应离子刻蚀工艺（RIE, Reactive Ion Etching）对第二槽体内的浓硼层进行刻蚀，形成悬浮电阻层170，也就是说说，悬浮电阻层170由第二衬底120浓硼掺杂而形成。悬浮电阻层170的厚度范围为1μm~20μm，在本实施例中，进一步优选的，悬浮电阻层170的厚度为5μm。

如图2和图10 所示，悬浮电阻层170包括固定电阻部171和悬浮电阻部172，固定电阻部171夹设在键合层140与第二电极层210之间，悬浮电阻部172悬设在第二腔体190上方。如图1和11所示，悬浮电阻层170的悬浮电阻部172的长度大于其投影长度。在本实施例中，悬浮电阻部172呈多个“S”形，这样可以增加悬浮电阻部172的长度，一方面增加了MEMS真空计100的灵敏度，另一方面进一步增大悬浮电阻层170通过周围空气的热传导散热在总散热中的所占比重，以提高测量精度。需要说明的是，悬浮电阻部172页可以呈其他的形状，本实施例不做具体限定。

S150、将所述第一衬底的第一表面的所述键合层与所述第二衬底的第一表面进行阳极键合，形成位于所述第一衬底、所述键合层与所述第一电极层之间的第一腔体，以及位于所述第一衬底、所述键合层和所述悬浮电阻层之间的第二腔体。

具体地，如图9所示，将第一衬底110的第一表面的键合层130与第二衬底120的第一表面进行阳极键合，形成位于第一衬底110、键合层140与第一电极层160之间的第一腔体180，以及位于第一衬底110、键合层140与悬浮电阻层170之间的第二腔体190。其中，如图1和图9所示，键合层140分别位于第一腔体180和第二腔体190沿宽度方向的两侧。采用阳极键合的形式将第一衬底110的第一表面的键合层140与第二衬底120的第一表面紧密贴合，使MEMS真空计的密封性好。

第一腔体180的厚度范围为1μm~20μm，第二腔体190的厚度范围为2μm~20μm。其中，第一腔体180和第二腔体190设置在欧姆接触层130的两侧，且第一腔体180和第二腔体190均为真空腔体。在本实施例中，第二腔体190的高度要大于第一腔体180的高度，使得悬浮电阻层170与键合层140的接触面积尽可能小，从而减小悬浮电阻层170通过键合层140向第一衬底110的散热，提高MEMS真空计100的测量精度。

S160、对所述第二衬底的第二表面进行腐蚀至所述第一电极层和所述悬浮电阻层时停止。

具体地，如图10所示，采用腐蚀自停止工艺，对第二衬底120的第二表面进行腐蚀，腐蚀自动停止在浓硼层，也就是说，腐蚀至第一电极层160和悬浮电阻层170时停止。本步骤中，主要是采用腐蚀自停止工艺去除第二衬底120，只剩下第一电极层160和悬浮电阻层170。也可以采用其他的工艺去除第二衬底120，本实施例不做具体限定。

S170、在所述第一电极层和所述欧姆接触层上形成引线层，在所述悬浮电阻层上形成第二电极层。

示例性的，所述分别在所述第一电极层和所述欧姆接触层上形成引线层，在所述悬浮电阻层上形成第二电极层，包括：

首先，分别在所述第一电极层、所述欧姆接触层和所述悬浮电阻层上形成金属层。

具体地，如图11所示，通过磁控溅射工艺在第一电极层160、欧姆接触层130和悬浮电阻层170形成金属层，金属层的材料可以是Al、Ti、Au、Cu、Pt 的至少一种，厚度为100nm~500nm。在本实施例中，在第一电极层160、欧姆接触层130上的金属层的材料采用Cr，在悬浮电阻层170上的金属层的材料采用金属Au。

其次，图形化所述金属层，分别在所述第一电极层和所述欧姆接触层上形成引线层以及在所述悬浮电阻层上形成所述第二电极层。

具体地，如图11所示，通过光刻工艺图形化金属层，在第一电极层160和欧姆接触层130上形成引线层200，以及在悬浮电阻层170上形成第二电极层210，其中，在第一电极层160上形成第一子引线层211，在欧姆接触层130上形成第二子引线层212。如图11所示，第二电极层210形成在悬浮电阻层170的两侧，也是就是，形成在悬浮电阻层170的固定电阻部上。引线层200用于第一电极层160和固定电极（第一衬底110）的引出，电极引出均在真空腔体之外，腔体真空度维持长久，有效提高了MEMS真空计的可靠性。

在本实施例中，引线层200的厚度为200nm，材料为金属Cr，第二电极层210的厚度为180nm，材料为金属Au。对于引线层200的材料和厚度本实施例不做具体限定，对于第二电极层210的材料和厚度本实施例不做具体限定。

本发明的MEMS真空计的工作原理如下：

如图11所示，在本实施例中，第一衬底110、欧姆接触层130、键合层140、吸气剂层150、第一电极层160、第一腔体180与引线层200相当于构成了接触式MEMS电容薄膜真空计，其中第一电极层160作为感压薄膜电极，第一衬底110作为固定电极，感压薄膜电极在两侧压差下发生形变，与固定电极之间的间隙产生变化，从而引起电容改变，通过电路测量电容变化量即可检测压力大小。

如图11所示，第一衬底110、第二腔体190、悬浮电阻层170、与第二电极层210相当于构成了皮拉尼真空计。在第二电极层210上施加电压，悬浮电阻层170产生热量，该热量通过周围气体分子的热传导进行散失，周围气体压力改变，悬浮电阻层170的散热速率随之改变，从而引起悬浮电阻层170的阻值改变，通过电路测量电阻变化量即可获得压力大小。

在真空压力较低时，接触式MEMS电容薄膜真空计工作，将微小压力转化为电容变化量。在真空压力较高时，感压薄膜电极接触第一衬底110的第一表面，保护感压薄膜电极在较大压力下不被破坏，敏感电容器停止工作，皮拉尼真空计开始工作，将压力转化为电阻变化量。从而在保证真空计灵敏度和可靠性的前提下，扩大MEMS真空计的动态测量范围。

本发明实施例的MEMS真空计的制备方法采用MEMS技术制备，真空计具有尺寸小、精度高、一致性好、易于批量制造以及成本低的优点。

如图11所示，本发明的另一方面提供一种MEMS真空计100，包括衬底、欧姆接触层130、键合层140、第一电极层160、悬浮电阻层170、引线层200和第二电极层210。其中，衬底也就是第一衬底110。

第一电极层160和悬浮电阻层170通过键合层140与第一衬底110键合连接，以在第一电极层160、键合层140和第一衬底110之间形成第一腔体180，以及在悬浮电阻层170、键合层140和第一衬底110之间形成第二腔体190，其中，第一腔体180和第二腔体190均为真空腔体。也就是说，第一腔体180设置在第一衬底110的上表面，键合层140设置在第一腔体180沿其宽度方向的两侧；第二腔体190设置在第一衬底110的上表面，键合层140设置在第二腔体190沿其宽度方向的两侧。

在本实施例中，键合层140的材料为玻璃，优选为硼硅玻璃，键合层140的厚度与第一腔体180的厚度相同，进一步优选的，键合层140的厚度为5μm。

在本实施例中，选用200μm~1000μm厚的低阻硅片作为第一衬底110，进一步优选的，采用300μm厚的低阻硅片作为第一衬底110。对于第一衬底110的材质和厚度本实施例不做具体限定，可以根据需求进行选择。

在本实施例中，第一电极层160和悬浮电阻层170通过键合层140与第一衬底110阳极键合连接，采用阳极键合的形式将第一衬底的第一表面的键合层140与第二衬底120的第一表面紧密贴合，使MEMS真空计的密封性好。

在本实施例中，第一腔体180的厚度范围为1μm~20μm，第二腔体190的厚度范围为2μm~20μm。在本实施例中，如图11所示，第二腔体190的高度要大于第一腔体180的高度。这样，使得悬浮电阻层170与键合层140的接触面积尽可能小，从而减小悬浮电阻层170通过键合层140向第一衬底110的散热，提高MEMS真空计100的测量精度。

欧姆接触层130设置在第一衬底110上，欧姆接触层130位于第一腔体180和第二腔体190之间。在本实施例中，欧姆接触层由第一衬底110浓硼掺杂而成，用于实现引线层200与固定电极（第一衬底110）之间的欧姆接触。进一步优选的，欧姆接触层130嵌设在第一衬底110的中央区域内，欧姆接触层130的表面与第一衬底110的表面齐平。

引线层200设置在第一电极层160和欧姆接触层130背离第一衬底110的一侧。进一步地，设置在第一电极层160上的引线层为第一子引线层211，设置在欧姆接触层130上的引线层为第二子引线层212。第一子引线层211和第二子引线层212的材料为金属，优选为 Al、Ti、Au、Cu、Pt 的至少一种，厚度为100 nm~500nm。在本实施例中，第一子引线层211和第二子引线层212的厚度为200nm，材料为金属Cr。第一子引线层211和第二子引线层212用于第一电极层160与固定电极（第一衬底110）的引出。引线层200均设置在第一腔体180和第二腔体190的外侧，也就是说，电极引出均在真空腔体之外，腔体真空度维持长久，有效提高了MEMS真空计的可靠性。

第二电极层210设置在悬浮电阻层170背离第一衬底110的一侧。进一步地，第二电极层210设置在悬浮电阻层170的两侧，第二电极层210的材料为金属，优选为 Al、Ti、Au、Cu、Pt 的至少一种，厚度为100nm~500nm。在本实施例中，第二电极层210的厚度为180nm，材料为金属Au。

示例性的，如图2和图10 所示，悬浮电阻层170包括固定电阻部171和悬浮电阻部172，固定电阻部171夹设在键合层140与第二电极层210之间，悬浮电阻部172悬设在第二腔体190上方。

示例性的，如图1和11所示，悬浮电阻层170的悬浮电阻部172的长度大于其投影长度。在本实施例中，悬浮电阻部172呈多个“S”形，这样可以增加悬浮电阻部172的长度，一方面增加了MEMS真空计100的灵敏度，另一方面进一步增大悬浮电阻层170通过周围空气的热传导散热在总散热中的所占比重，以提高测量精度。需要说明的是，悬浮电阻部172页可以呈其他的形状，本实施例不做具体限定。

示例性的，如图11所示，MEMS真空计100还包括吸气剂层150，吸气剂层150设置在第一衬底110的表面，且位于第一腔体180内。进一步地，吸气剂层150的厚度范围为50nm~200nm，材料为非蒸散型吸气剂薄膜。在本实施例中，吸气剂层150采用TiZrV薄膜，厚度为200nm。吸气剂层150用于解决第一衬底110与第二衬底120键合连接时第一腔体180的放气问题。

本发明的MEMS真空计的工作原理如下：

在真空压力较低时，接触式MEMS电容薄膜真空计工作，将微小压力转化为电容变化量。在真空压力较高时，感压薄膜电极接触第一衬底的第一表面，保护感压薄膜电极在较大压力下不被破坏，敏感电容器停止工作，皮拉尼真空计开始工作，将压力转化为电阻变化量。从而在保证真空计灵敏度和可靠性的前提下，扩大MEMS真空计的动态测量范围。

本发明实施例的MEMS真空计具有尺寸小、精度高、一致性好、易于批量制造以及成本低的优点。第一电极层和悬浮电阻层通过键合层与衬底键合连接，以在第一电极层、键合层和衬底之间形成第一腔体，以及在悬浮电阻层、键合层和衬底之间形成第二腔体，在保证MEMS真空计灵敏度的前提下，有效拓展了MEMS真空计的量程。

Claims

1.一种MEMS真空计的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

分别提供第一衬底和第二衬底；

在所述第一衬底的第一表面形成欧姆接触层；

在所述第一衬底的第一表面形成键合层；

在所述第二衬底的第一表面形成第一电极层和悬浮电阻层；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述第二衬底的第一表面形成第一电极层和悬浮电阻层，包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在所述第一衬底的第一表面形成欧姆接触层，包括：

在所述第三槽体内注入浓硼，形成所述欧姆接触层。

4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述在所述第一衬底的第一表面形成键合层之后，所述方法还包括：

5.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述分别在所述第一电极层和所述欧姆接触层上形成引线层，在所述悬浮电阻层上形成第二电极层，包括：

6.一种MEMS真空计，其特征在于，包括衬底、键合层、欧姆接触层、第一电极层、悬浮电阻层、引线层和第二电极层；

所述第一电极层和所述悬浮电阻层通过所述键合层与所述衬底键合连接，以在所述第一电极层与所述衬底之间形成第一腔体，以及在所述悬浮电阻层和所述衬底之间形成第二腔体；

7.根据权利要求6所述的MEMS真空计，其特征在于，所述悬浮电阻层包括固定电阻部和悬浮电阻部，所述固定电阻部夹设在所述键合层与所述第二电极层之间，所述悬浮电阻部悬设在所述第二腔体上方。

8.根据权利要求7所述的MEMS真空计，其特征在于，所述悬浮电阻部的长度大于其投影长度。

9.根据权利要求6至8任一项所述的MEMS真空计，其特征在于，还包括吸气剂层，所述吸气剂层设置在所述衬底的表面，且位于所述第一腔体内。

10.根据权利要求6至8任一项所述的MEMS真空计，其特征在于，所述第二腔体的高度大于所述第一腔体的高度。