本發(fā)明屬于硅微機(jī)械傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種新型的單晶硅壓力敏感膜片結(jié)構(gòu)及其制作方法，屬于硅微機(jī)械傳感器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著MEMS技術(shù)迅猛發(fā)展，基于MEMS微機(jī)械加工技術(shù)制作的硅基壓力傳感器以其尺寸小、高性能等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于航空航天、生化檢測(cè)、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域。尤其是近年來(lái)，伴隨著電子消費(fèi)類產(chǎn)品異軍突起，如：手機(jī)、汽車電子、可穿戴式產(chǎn)品等對(duì)MEMS壓力傳感器的巨大市場(chǎng)需求，壓力傳感器芯片市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨白熱化，這些促使了硅基壓力傳感器沿著更小型化、更低成本、更高性能方向發(fā)展。

作為硅基壓力傳感器的一個(gè)重要核心檢測(cè)單元，壓力敏感膜片力學(xué)性能的好壞直接決定了傳感器性能的優(yōu)劣。傳統(tǒng)壓力傳感器通常是通過(guò)單晶硅片背面各向異性濕法刻蝕方式來(lái)制作壓力傳感器敏感膜片，然后再通過(guò)硅-硅(或硅-玻璃)鍵合來(lái)形成壓力參考腔體，這種制作的單晶硅壓力敏感膜片雖然具有完美的力學(xué)性能，但是該種方式制作后壓力傳感器存在如下不足：(1)尺寸較大、工藝復(fù)雜且與IC制作工藝不能兼容，成本比較高；(2)由于單晶硅圓片自身厚度均勻性一般在±10μm左右，因此這種靠背面刻蝕方法所制備的單晶硅壓力敏感膜片厚度均勻性差；(3)鍵合結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致了殘余應(yīng)力以及鍵合材料之間熱不匹配導(dǎo)致傳感器熱學(xué)性能不穩(wěn)定。

為了解決這一問(wèn)題，Robert Bosch于2003年提出了一種新型的單晶硅壓力敏感膜片單硅片單面制備方法，這就是目前著名的SON(Silicon On Nothing)壓力傳感器工藝。這種工藝首先在壓力敏感膜片區(qū)域通過(guò)氫氟酸(HF)陽(yáng)極氧化制作多孔硅，然后進(jìn)行高溫退火形成真空腔體，再通過(guò)單晶硅外延形成單晶硅壓力敏感膜片。[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]。這種單晶硅壓力敏感膜片具有敏感膜片厚度均勻性好，制作后壓力傳感器尺寸小等優(yōu)勢(shì)，因此在市場(chǎng)上具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。但是這種單晶硅壓力敏感薄片具有以下幾點(diǎn)不足：(1)多孔硅高溫退火熔融后形成的單晶硅壓力敏感膜片邊緣形狀精確控制不是很好，膜片邊緣的圓角瑕疵會(huì)對(duì)壓力測(cè)量精度帶來(lái)一定的負(fù)面影響；(2)采用多孔硅之上外延的單晶硅，不僅成本較高而且其外延層的質(zhì)量總是不如原始的單晶硅膜片，因此這種缺陷會(huì)對(duì)傳 感器性能和成品率帶來(lái)不利影響；(3)這種多孔硅工藝只適合在其自己的車間內(nèi)生產(chǎn)，沒有IC半導(dǎo)體代加工廠可以運(yùn)行這樣的特殊工藝。

為了解決上述問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所王家疇等人提出了一種MIS(Microholes Interetch&Sealing)制備壓力傳感器工藝。該工藝與Robert Bosch提出的SON工藝一樣都是一種單硅片單面微機(jī)械加工工藝，但是后者制備工藝更為簡(jiǎn)單。MIS工藝首先在單晶硅片上刻蝕兩排微型釋放窗口，然后再通過(guò)微型釋放窗口在單晶硅片內(nèi)部腐蝕釋放單晶硅壓力敏感薄膜，最后利用LPCVD沉積多晶硅來(lái)填堵微型釋放窗口以形成完整的壓力敏感薄膜，[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工藝制備的單晶硅壓力敏感膜片雖然解決了上述單晶硅壓力敏感膜片結(jié)構(gòu)及其制作工藝所存在的不足，但是仍然存在以下幾點(diǎn)不足：(1)由于微型釋放窗口側(cè)壁的氧化硅鈍化層難以完全腐蝕干凈，因此殘留的氧化硅鈍化層殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)單晶硅敏感薄膜力學(xué)性能帶來(lái)不利影響；(2)微型釋放窗口填充材料在沉積過(guò)程中所引入的內(nèi)在殘余應(yīng)力也會(huì)直接作用在單晶硅壓力敏感膜片上，從而進(jìn)一步惡化敏感膜片的力學(xué)特性。

鑒于此，有必要設(shè)計(jì)一種新的方法與結(jié)構(gòu)以解決上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種單晶硅壓力敏感膜片結(jié)構(gòu)及其制作方法。用于解決現(xiàn)有技術(shù)中單晶硅壓力敏感膜片的力學(xué)不穩(wěn)定性、不可靠性并且噪聲抑制能力弱的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種單晶硅壓力敏感膜片結(jié)構(gòu)及其制作方法。所述制作方法至少包括以下步驟：

1)提供一單晶硅片；

2)在所述單晶硅片正面沉積鈍化層；根據(jù)預(yù)設(shè)的微型釋放孔圖形在所述鈍化層上刻蝕形成窗口；

3)利用Deep-RIE工藝自所述窗口刻蝕形成若干微型釋放孔；

4)繼續(xù)沉積保護(hù)層并覆蓋所述微型釋放孔內(nèi)壁；

5)利用RIE工藝刻蝕掉位于微型釋放孔底部的保護(hù)層，然后再利用Deep-RIE工藝沿著該微型釋放孔底部繼續(xù)刻蝕直至所需深度；

6)利用TMAH腐蝕溶液，從步驟5)之后獲得的微型釋放孔底部沿<211>和<110>晶向分別 腐蝕釋放單晶硅薄膜，然后再利用BOE溶液腐蝕掉微型釋放孔側(cè)壁殘余的保護(hù)層；

7)沉積多晶硅填堵縫合所述微型釋放孔，然后去除所述單晶硅薄膜上方的多晶硅；

8)在所述單晶硅薄膜正面利用Deep-RIE工藝刻蝕出位于單晶硅敏感薄膜上表面的梁-島結(jié)構(gòu)以及位于所述梁-島結(jié)構(gòu)兩側(cè)的至少一排微型柱；所述微型柱位于所述微型釋放孔上方。

本發(fā)明還提供一種單晶硅壓力敏感膜片結(jié)構(gòu)，所述單晶硅壓力敏感膜片結(jié)構(gòu)包括形成于單晶硅片上的單晶硅敏感膜；形成于所述單晶硅敏感膜上的梁-島結(jié)構(gòu)；所述梁-島結(jié)構(gòu)兩側(cè)的單晶硅敏感膜上設(shè)有至少一排微型釋放孔；所述微型釋放孔上方形成有微型柱。

本發(fā)明中的敏感膜片結(jié)構(gòu)包括單晶硅敏感薄膜、單晶硅梁-島結(jié)構(gòu)以及微型柱三個(gè)部分，其中微型柱位于微型釋放孔的正上方，由單晶硅環(huán)形柱和包裹在單晶硅環(huán)形柱內(nèi)部的填充后微型釋放孔實(shí)心柱組成。其中，微型柱(包括，夾在單晶硅環(huán)形柱與填充物實(shí)心柱之間的微型釋放孔側(cè)壁)大部分被豎直懸在敏感薄膜的上方，只有根部一小部分與單晶硅敏感薄膜相連，因此微型釋放孔側(cè)壁的殘留鈍化層及其填堵材料的殘余應(yīng)力都可直接通過(guò)懸浮的微型柱自身釋放掉，不會(huì)對(duì)單晶硅壓力敏感膜片力學(xué)性能帶來(lái)不利影響，從而大大提高了單晶硅壓力敏感膜片的力學(xué)穩(wěn)定性和可靠性，增強(qiáng)了單晶硅壓力敏感膜片的噪聲抑制能力。此外，本發(fā)明制備工藝非常簡(jiǎn)單，就是在釋放孔填堵后的單晶硅薄膜基礎(chǔ)上利用干法刻蝕一次性刻蝕出單晶硅敏感薄膜、單晶硅梁-島結(jié)構(gòu)以及微型柱。

附圖說(shuō)明

圖1顯示為本發(fā)明的一種單晶硅壓力敏感膜片結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2顯示為本發(fā)明的一種單晶硅壓力敏感膜片結(jié)構(gòu)的實(shí)物SEM掃描電鏡圖。

圖3顯示為本發(fā)明的一種單晶硅壓力敏感膜片結(jié)構(gòu)中的微型柱局部放大SEM掃描電鏡圖。

圖4a-4f顯示為本發(fā)明的一種新型的單晶硅壓力敏感膜片結(jié)構(gòu)的制作工藝流程圖，其中圖4a為干法刻蝕微型釋放孔示意圖；圖4b為釋放孔側(cè)壁沉積鈍化層示意圖；圖4c為刻蝕犧牲層示意圖；圖4d為腐蝕釋放單晶硅薄膜示意圖；圖4e為填堵微型釋放孔縫合單晶硅薄膜示意圖；圖4f為干法刻蝕出單晶硅敏感薄膜、單晶硅梁-島結(jié)構(gòu)以及微型柱示意圖。

元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明

1 單晶硅敏感薄膜

2 單晶硅梁-島結(jié)構(gòu)

3 微型柱

31 多晶硅實(shí)心柱

32 單晶硅環(huán)形柱

33 單晶硅薄膜微型釋放孔

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

請(qǐng)參閱附圖所示。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。

請(qǐng)參閱附圖1所示，本發(fā)明涉及一種新型的單晶硅壓力敏感膜片結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)包括：一塊單晶硅敏感薄膜1、一塊單晶硅梁-島結(jié)構(gòu)2以及微型柱3。所述微型柱位于單晶硅敏感薄膜微型釋放孔33的正上方，包括單晶硅環(huán)形柱32和低應(yīng)力多晶硅實(shí)心柱31兩部分，多晶硅實(shí)心柱被緊密包裹在單晶硅環(huán)形柱內(nèi)部；其中，多晶硅實(shí)心柱下半部分緊密嵌入在單晶硅敏感薄膜微型釋放孔內(nèi)部，微型柱上半部分完全脫離微型釋放孔直接豎直暴露在單晶硅敏感薄膜正上方。其工藝特征在于：所發(fā)明的新型單晶硅敏感膜片結(jié)構(gòu)是在單晶硅薄膜微型釋放孔縫合后的單晶硅薄膜上表面利用深度反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)(Deep-RIE)一次刻蝕出單晶硅敏感薄膜、梁-島結(jié)構(gòu)以及微型柱。

本發(fā)明中，位于單晶硅敏感膜片上表面單晶硅梁-島結(jié)構(gòu)兩側(cè)可以排列有兩排(或多排)微型柱。

本發(fā)明中，所述微型柱包括多晶硅實(shí)心柱(或，單晶硅環(huán)形柱和多晶硅實(shí)心柱，其中多晶硅實(shí)心柱被單晶硅環(huán)形柱所緊密包裹)，所述多晶硅實(shí)心柱下半部分嵌入在單晶硅敏感薄膜微型釋放孔內(nèi)部，所述多晶硅實(shí)心柱及其微型釋放孔側(cè)壁的上半部分完成暴露在單晶硅敏感薄膜正上方。

本發(fā)明中，一種新型的單晶硅壓力敏感膜片結(jié)構(gòu)的制作方法主要包括以下步驟：

a)一塊普通的N型(或P型)(111)單面(或雙面)拋光硅片。

b)在單晶硅片正面沉積低應(yīng)力TEOS鈍化層，利用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)設(shè)備刻蝕掉微型 釋放孔圖形上方所覆蓋的TEOS鈍化層，然后利用Deep-RIE定義微型釋放孔的深度。

c)微型釋放孔側(cè)壁沉積一層鈍化保護(hù)層。

d)利用RIE刻蝕掉位于微型釋放孔底部的鈍化保護(hù)層，然后再利用Deep-RIE沿著微型釋放孔繼續(xù)刻蝕底部裸露出來(lái)的單晶硅來(lái)定義腐蝕犧牲層的深度。

e)利用TMAH腐蝕溶液，從微型釋放孔底部沿<211>和<110>晶向分別腐蝕釋放單晶硅薄膜，然后再利用BOE溶液腐蝕掉微型釋放孔側(cè)壁殘余的鈍化保護(hù)層。

f)沉積多晶硅填堵縫合微型釋放孔，并去除薄膜上方多余的多晶硅。

g)在單晶硅薄膜正面利用Deep-RIE刻蝕出單晶硅敏感薄膜、梁-島結(jié)構(gòu)和微型柱。

本實(shí)施例中，所設(shè)計(jì)的單晶硅敏感膜片中兩排微型釋放孔分別沿<211>晶向排布，微型釋放孔的長(zhǎng)度和寬度均為4μm，單晶壓力硅敏感薄膜的長(zhǎng)度為460μm，寬度為485μm，厚度為3μm，其中單晶硅梁-島結(jié)構(gòu)的厚度為10μm(包括單晶硅敏感薄膜結(jié)構(gòu)厚度3μm)，單晶硅環(huán)形柱的厚度為7μm，多晶硅實(shí)心柱厚度為10μm。

本發(fā)明中，具體工藝實(shí)施步驟如下：

1.一塊普通N型(111)單面(或雙面)拋光硅片，厚度430μm，軸偏切0±0.1°。

2.在單晶硅片正面沉積低應(yīng)力TEOS鈍化層，利用RIE刻蝕出微型釋放孔圖形上方所覆蓋的TEOS鈍化層，然后利用Deep-RIE刻蝕出微型釋放孔，釋放孔深度為10μm，如圖4a所示。

3.微型釋放孔側(cè)壁沉積一層TEOS鈍化保護(hù)層，如圖4b所示。

4.利用RIE刻蝕掉位于微型釋放孔底部的鈍化保護(hù)層，然后利用Deep-RIE沿著微型釋放孔繼續(xù)刻蝕底部裸露出來(lái)的單晶硅，刻蝕深度為10μm，如圖4c所示。

5.利用溶度為25％TMAH腐蝕溶液，在80℃溫度條件下從微型釋放孔底部沿<211>和<110>晶向分別腐蝕釋放單晶硅薄膜，然后再利用BOE溶液腐蝕掉微型釋放孔側(cè)壁殘余的TEOS鈍化保護(hù)層，如圖4d所述。

6.沉積低應(yīng)力多晶硅填堵縫合微型釋放孔，并去除單晶硅薄膜上方多余的多晶硅，如圖4e所示。

7.在單晶硅薄膜正面利用Deep-RIE一次性刻蝕出單晶敏感薄膜、單晶硅梁-島結(jié)構(gòu)和微型柱，如圖4f所示。本實(shí)施例中，所述梁-島結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。所述梁-島結(jié)構(gòu)為采用梁結(jié)構(gòu)連接兩個(gè)島結(jié)構(gòu)，該梁結(jié)構(gòu)與島結(jié)構(gòu)位于同一平面內(nèi)。

本發(fā)明的目的在于解決以往單晶硅敏感膜片微型釋放孔側(cè)壁殘留的鈍化層及其微型釋放 孔的填堵材料內(nèi)應(yīng)力以及不同材料之間熱不匹配給單晶硅敏感膜片造成了力學(xué)不穩(wěn)定問(wèn)題，提供了一種新型的單晶硅壓力敏感膜片結(jié)構(gòu)及其制作方法，大大提高了單晶硅敏感膜片在不同溫度環(huán)境下的力學(xué)性能穩(wěn)定性和可靠性，增強(qiáng)了單晶硅敏感膜片的噪聲抑制能力，可廣泛應(yīng)用于高精度、高穩(wěn)定性MEMS壓力傳感器的研制，且制作工藝簡(jiǎn)單，適于大批量生產(chǎn)。

本發(fā)明主要是通過(guò)將填堵后的單晶硅薄膜微型釋放孔包括微型釋放孔側(cè)壁直接豎直懸在單晶硅敏感薄膜的正上方，僅保留很小一部分填堵材料緊密嵌入在微型釋放孔的內(nèi)部來(lái)實(shí)現(xiàn)單晶硅敏感薄膜的氣密性縫合。這就使得大部分裸露在單晶硅敏感薄膜上方的填充材料及其微型釋放孔側(cè)壁殘留的鈍化層完全脫離單晶硅敏感薄膜。由力學(xué)作用機(jī)理可知，裸露部分微型釋放孔填堵材料及其微型釋放孔側(cè)壁鈍化層的殘余應(yīng)力由于自身已經(jīng)脫離單晶硅敏感薄膜結(jié)構(gòu)而不會(huì)對(duì)單晶硅敏感薄膜產(chǎn)生任何不利影響。

具體地講，本發(fā)明所提供的一種新型的單晶硅壓力敏感膜片結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個(gè)部分：(1)單晶硅敏感薄膜；(2)單晶硅梁-島結(jié)構(gòu)；(3)微型柱。單晶硅梁-島結(jié)構(gòu)與單晶硅敏感薄膜均由同一單晶硅薄膜加工而成，且單晶硅梁-島結(jié)構(gòu)位于單晶硅敏感薄膜的上方。兩列微型柱分別位于單晶硅梁-島結(jié)構(gòu)兩側(cè)；微型柱由單晶硅環(huán)形柱和多晶硅(微型釋放孔填充材料)實(shí)心柱組成，單晶硅環(huán)形柱位于單晶硅敏感薄膜的上方，且單晶硅環(huán)形柱的內(nèi)環(huán)部分完全由多晶硅實(shí)心柱緊密填充，內(nèi)環(huán)邊緣(即，多晶硅實(shí)心柱的外輪廓)的大小正好等同于微型釋放孔的大小，其中多晶硅實(shí)心柱下半部分直接嵌入在微型釋放孔里面，且嵌入部分多晶硅實(shí)習(xí)柱的厚度等同于單晶硅敏感薄膜的厚度；多晶硅實(shí)心柱上半部分與單晶硅環(huán)形柱等高且均豎直懸在單晶硅敏感薄膜的正上方。

綜上所述，本發(fā)明創(chuàng)新性地通過(guò)將填充縫合后的微型釋放孔上半部分豎直懸浮在單晶硅敏感薄膜的正上方，同時(shí)結(jié)合單晶硅梁-島結(jié)構(gòu)提供了一種新型的單晶硅壓力敏感膜片結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)的微型釋放孔單晶硅敏感膜片結(jié)構(gòu)由于微型釋放孔及其填充縫合材料殘余應(yīng)力影響所導(dǎo)致了單晶硅敏感膜片力學(xué)性能不穩(wěn)定性難題，并將該發(fā)明技術(shù)應(yīng)用于壓力傳感器研制工作，大大增強(qiáng)了MEMS壓力傳感器對(duì)噪聲的抑制能力，提高了傳感器的輸出穩(wěn)定性和測(cè)量精度，且制作工藝簡(jiǎn)單、成本低、適合大批量生產(chǎn)要求。

綜上所述，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。

上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。