CN114608727A - 电容式压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电容式压力传感器及其制备方法，属于传感器技术领域，包括第一电极和第二电极，第二电极为在第一电极上悬空后形成的膜层，第一电极与膜层之间隔开，形成双层硅结构的电容式压力传感器；本发明的电容式压力传感器的制备方法，在硅迁移后的悬空后形成的膜层上进行绝缘的处理，通过利用于PN结的绝缘性在单片硅片上形成第一电极、第二电极以及一个绝缘的腔体，构成特殊结构的两层硅作为压力传感器，简化了传统的电容式压力传感器的制备工艺。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，尤其涉及电容式压力传感器及其制备方法。
背景技术
电容式压力传感器(Capacitive Type Pressure Transducer)，采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。
传统电容式压力传感器在其制备过程中，需要花较长时间刻蚀出背面的腔体，以及较为复杂的正面薄膜电极的沉积工艺，制备工艺较为复杂。
发明内容
发明目的：本发明提供电容式压力传感器；本发明的另一目的在于提供电容式压力传感器的制备方法，降低工艺复杂程度。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明的电容式压力传感器，包括第一电极和第二电极，所述第二电极为在所述第一电极上悬空后形成的膜层，所述第一电极与所述膜层形成双层硅结构的电容式压力传感器。所述悬空后形成具体为，所述第二电极通过所述第一电极形成，所述第二电极与所述第一电极隔开。
在一些实施例中，所述第一电极和所述第二电极由单片硅片形成。
在一些实施例中，所述膜层为一层。
在一些实施例中，所述第一电极为掺杂后的硅片。
在一些实施例中，所述第一电极为重掺杂后的硅片。
在一些实施例中，在所述第一电极和所述膜层之间设置腔体，所述第一电极与所述膜层之间通过所述腔体隔开。
在一些实施例中，在所述膜层的外周设置环形结区，所述环形结区隔开所述膜层和所述第一电极，形成绝缘的环形结构。所述环形结区设置在所述腔体上方。
在一些实施例中，在所述第一电极上设置第一金属区，所述第一电极和所述第一金属区欧姆接触；在所述膜层上设置第二金属区，所述膜层和所述第二金属区欧姆接触。
在一些实施例中，所述第一金属区和所述第二金属区电绝缘。
在一些实施例中，所述金属区作为引线和pad(Passivation opening，钝化开口)。
在一些实施例中，电容式压力传感器的制备方法，包括：
提供第一电极；
在所述第一电极上悬空后形成膜层，作为第二电极；
所述第一电极和所述第二电极形成双层硅结构的电容式压力传感器。
在一些实施例中，所述提供第一电极，具体为：提供未掺杂的硅片，制作第一电极。
在一些实施例中，在所述第一电极上沉积第一金属区，所述第一电极和所述第一金属区欧姆接触；在所述膜层上沉积第二金属区，所述膜层和所述第二金属区欧姆接触；所述第一金属区和所述第二金属区电绝缘。
在一些实施例中，所述第一电极为掺杂后的硅片，所述第二电极为掺杂后的硅片形成的膜层。
在一些实施例中，在所述膜层的外周设置环形结区，所述环形结区将所述膜层与所述第一电极隔开。
在一些实施例中，在所述膜层的外周注入与所述掺杂相反的离子形成所述环形结区。
在一些实施例中，在所述第一电极上悬空后形成膜层，具体为：将所述第一电极退火，得到硅原子迁移后形成的膜层和位于所述膜层下方的腔体。
在一些实施例中，将所述第一电极退火，具体为：对所述掺杂后的硅片进行刻蚀形成槽体，得到刻蚀后的硅片，对所述刻蚀后的硅片进行退火。
在一些实施例中，所述槽体呈周期性阵列排布。
在一些实施例中，所述槽体的阵列为矩形。
在一些实施例中，所述槽体的刻蚀孔的孔径为微米级，间距为微米级，在微米级别的尺寸都可以实现。
在一些实施例中，所述槽体的刻蚀孔为孔径为0.7μm，间距为0.6μm的圆孔阵列；所述槽体的深度为4μm。
在一些实施例中，所述退火温度为1150℃，时间为10min。
发明原理：本发明的电容式压力传感器的制造方法，在硅迁移后的悬起薄膜上进行绝缘的处理，利用上下两层硅通过PN结绝缘隔开上形成电学的隔开，利用上下两层硅作为压力传感器，利用于PN结的绝缘性在单片硅片上形成上下两个电极以及一个绝缘的腔体，以此结果形成电容式压力传感器。
有益效果：与现有技术相比，本发明的电容式压力传感器，包括第一电极和第二电极，第二电极为在第一电极上悬空后形成的膜层，第一电极与膜层形成双层硅结构的电容式压力传感器。本发明的第一电极为掺杂后的硅片，第二电极为在掺杂后的硅片上悬空后形成的膜层，掺杂后的硅片与膜层之间隔开，构成双层硅结构的电容式压力传感器。本发明的电容式压力传感器的制备方法，包括提供第一电极；在第一电极上悬空后形成膜层，作为第二电极；第一电极和所述第二电极形成双层硅结构的电容式压力传感器。本发明通过在单片硅片上形成上下两个电极以及一个绝缘的腔体，构成特殊结构的两层硅作为压力传感器。进一步的，本发明通过在硅迁移后的悬空的膜层上进行绝缘的处理，利用第一电极、第二电极，通过利用于PN结的绝缘性形成电容式压力传感器，简化了传统的电容式压力传感器的制备工艺。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1为电容式压力传感器的结构示意图；
图2为掺杂后的硅片的结构示意图；
图3为在硅片上刻蚀出微细柱形槽阵列结构的切面图；
图4为微细柱形槽阵列结构的正面图；
图5为下方为腔体，上方为膜层的结构示意图；
图6为在膜层的外周注入与原有掺杂相反的离子形成的环形结区的结构示意图；
附图标记：100-硅片、101-环形结区、102-金属区、1021-第一金属区、1022-第二金属区、103-槽体、104-膜层、105-腔体、106-刻蚀孔和107-连接区。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
电容式压力传感器，包括第一电极和第二电极，第一电极为掺杂后的硅片100，第二电极为在掺杂后的硅片100上悬空后形成的膜层104，掺杂后的硅片100与膜层104形成电容式压力传感器。膜层104为一层。
其中，重掺杂的半导体中，掺杂物和半导体原子的浓度比约是千分之一，而轻掺杂则可能会到十亿分之一的比例。掺杂后的硅片100为重掺杂硅片。
在掺杂后的硅片100和膜层104之间设置腔体105，腔体105作为绝缘层，腔体105将掺杂后的硅片100和膜层104隔开形成双层硅结构的电容式压力传感器。
在膜层104的外周设置环形结区101，环形结区101隔开膜层104和掺杂后的硅片100，形成绝缘的环形结构。环形结区101设置在腔体105上方。掺杂后的硅片100和膜层104之间电绝缘。
在第一电极和第二电极上分别沉积金属区102，金属区102作为引线和pad。
在第一电极上沉积第一金属区1021，第一电极和第一金属区1021欧姆接触；在第二电极上沉积第二金属区1022，第二电极和第二金属区1022欧姆接触；第一金属区1021和第二金属区1022电绝缘。
电容式压力传感器的制备方法，包括：
提供第一电极；
在第一电极上悬空后形成膜层104，作为第二电极；
第一电极和第二电极形成双层硅结构的电容式压力传感器。
提供第一电极，具体为，提供未掺杂的硅片，制作第一电极。
第一电极为掺杂后的硅片100，第二电极为掺杂后的硅片100形成的膜层104。
在第一电极上悬空后形成膜层104，具体为：将第一电极退火，得到硅原子迁移后形成的膜层104和腔体105。
将第一电极退火，具体为，对第一电极进行深硅刻蚀，得到刻蚀后的硅片，对刻蚀后的硅片进行高温退火。在一些实施例中，在第一电极上经过DRIE深硅刻蚀工艺形成槽体103。在一些实施例中，采用掩模版进行光刻形成槽体103。
在膜层104的外周设置环形结区101，环形结区101将悬空的膜层104与第一电极隔开。
如图1所示，电容式压力传感器的结构，是基于硅原子迁移的微机电(Microelectromechanical System，MEMS)电容式压力传感器，包括掺杂后的硅片100和膜层104，其中，掺杂后的硅片100作为第一电极，硅原子迁移形成的膜层104作为第二电极。
在一些实施例中，腔体105作为绝缘层，在上述膜层104的外周设置环形结区101，环形结区101隔开第二电极(膜层104)和第一电极(掺杂后的硅片100)形成绝缘的环形结区101。
在一些实施例中，电容式压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
1)准备常规硅片(无掺杂要求)，如图2所示，进行掺杂得到硅片100，作为第一电极；
2)对掺杂后的硅片100进行图4的掩模光刻，在掺杂后的硅片100上刻蚀出如图3所示的槽体103的阵列，得到刻蚀后的硅片；
3)将刻蚀后的硅片去胶后放入高温退火炉中进行退火，得到悬空在第一电极上的膜层104；
4)在上述膜层104的外周设置环形结区101，将悬空膜层104与第一电极进行电绝缘；
5)在第一电极上沉积第一金属区1021，在膜层104上沉积第二金属区1022，第一金属区1021与第二金属区1022电绝缘。
在一些实施例中，步骤2)中，在掺杂后的硅片100上刻蚀，具体为通过DRIE(DeepReactive Ion Etching，深硅刻蚀)工艺，在硅片上刻蚀出如图3所示的槽体103的阵列。
在一些实施例中，槽体103的刻蚀孔106呈周期性阵列排布。
在一些实施例中，掺杂后的硅片100刻蚀后，掺杂后的硅片100所在的界面包括刻蚀孔106和刻蚀孔106之间的连接区107，连接区107是不刻蚀的区域。
在一些实施例中，刻蚀完毕后，槽体103的阵列为矩形。
在一些实施例中，槽体103的刻蚀孔106的孔径为微米级，间距为微米级，在微米级别的尺寸都可以实现。在一些实施例中，刻蚀孔106通过掩模版光刻实现。
在一些实施例中，槽体103的刻蚀孔106为孔径为0.7μm，间距为0.6μm的圆孔阵列。
在一些实施例中，刻蚀完毕后，刻蚀孔106最终延伸入硅片形成的槽体103，槽体103呈周期性阵列排布，槽体103的深度为4μm。
在一些实施例中，步骤3)中，退火温度为1150℃，时间10min，通过自发的硅原子的表面迁移，形成如图5所示的形貌，为一个悬空的薄膜，作为膜层104。
在一些实施例中，步骤5)中，通过施加于膜层104上的压力改变膜层104弯曲度，进而改变电容式压力传感器的电容。
电容式压力传感器的制造方法，在硅迁移后的悬空的膜层104上进行绝缘的处理，利用第一电极(掺杂后的硅片100)、第二电极(膜层104)，利用于PN结的绝缘性在单片硅片上形成上下两个电极以及一个绝缘的腔体105，构成特殊结构的两层硅作为压力传感器，以此结果形成电容式压力传感器。
用此种两层膜的结构制造的电容式压力传感器，有效的简化了制备压力传感器的工艺，对比于传统工艺能有效减小制备工艺的复杂度利用硅迁移工艺制备的膜和下方的空腔在1微米左右的大小对于电容式压力传感器有高的性能提升。
图2为对硅片进行扩散重掺，以用来作为第一电极和第二电极的安排。
图3为对硅片进行微细柱形槽阵列的刻蚀，利用光刻工艺，严格控制阵列的槽体103的刻蚀孔106的孔径大小和连接区107(不刻蚀区)。
通过高温热退火的工艺，硅原子在微细结构上会进行表面原子的迁移，形成如图5下方为腔体105，上方为膜层104的结构。在上述膜层104的外周设置环形结区101(在膜层104外周注入与原有掺杂相反的离子形成一个环形结区101)，如图6所示，环形结区101用来电绝缘膜层104和掺杂后的硅片100，以腔体105作为绝缘区，以通过硅原子迁移形成电容式压力传感器。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上对本发明实施例所提供的微机电电容式压力传感器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例的技术方案的范围。
Claims (16)
1.电容式压力传感器，其特征在于，包括第一电极和第二电极，所述第二电极为在所述第一电极上悬空后形成的膜层(104)。
2.根据权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述膜层(104)为一层。
3.根据权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述第一电极为掺杂后的硅片(100)。
4.根据权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，在所述第一电极和所述膜层(104)之间设置腔体(105)，所述第一电极与所述膜层(104)之间通过所述腔体(105)隔开。
5.根据权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，在所述膜层(104)的外周设置环形结区(101)。
6.根据权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，在所述第一电极上设置第一金属区(1021)，所述第一电极和所述第一金属区(1021)欧姆接触；在所述膜层(104)上设置第二金属区(1022)，所述膜层(104)和所述第二金属区(1022)欧姆接触。
7.根据权利要求6所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述第一金属区(1021)和所述第二金属区(1022)电绝缘。
8.电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：
提供第一电极；
在所述第一电极上悬空后形成膜层(104)，作为第二电极；
所述第一电极和所述第二电极形成双层硅结构的电容式压力传感器。
9.根据权利要求8所述的电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，在所述第一电极上沉积第一金属区(1021)，所述第一电极和所述第一金属区(1021)欧姆接触；在所述膜层(104)上沉积第二金属区(1022)，所述膜层(104)和所述第二金属区(1022)欧姆接触；所述第一金属区(1021)和所述第二金属区(1022)电绝缘。
10.根据权利要求8所述的电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述第一电极为掺杂后的硅片(100)，所述第二电极为掺杂后的硅片(100)形成的膜层(104)。
11.根据权利要求10所述的电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，在所述膜层(104)的外周设置环形结区(101)，所述环形结区(101)将所述膜层(104)与所述第一电极隔开。
12.根据权利要求11所述的电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，在所述膜层(104)的外周注入与所述掺杂相反的离子形成所述环形结区(101)。
13.根据权利要求10所述的电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，在所述第一电极上悬空后形成膜层(104)，具体为：将所述第一电极退火，得到硅原子迁移后形成的膜层(104)和位于所述膜层(104)下方的腔体(105)。
14.根据权利要求13所述的电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，将所述第一电极退火，具体为：对所述掺杂后的硅片(100)进行刻蚀形成槽体(103)，得到刻蚀后的硅片，对所述刻蚀后的硅片进行退火。
15.根据权利要求14所述的电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述槽体(103)呈周期性阵列排布。
16.根据权利要求14所述的电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述槽体(103)的阵列为矩形。
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