專(zhuān)利名稱(chēng)：空腔結(jié)構(gòu)和該結(jié)構(gòu)的制備方法及壓敏傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種MEMS壓敏傳感器的制作方法。本發(fā)明還涉及一種硅片中形成空腔的方法。
背景技術(shù)：
壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種器件。通常，壓力傳感器本身是嵌有電阻的的微機(jī)械薄膜，壓阻用來(lái)檢測(cè)壓力。硅薄膜有良好的機(jī)械性，微機(jī)械加工技術(shù)(MEMQ將硅薄膜和壓阻應(yīng)力計(jì)或應(yīng)變計(jì)集成在一起。壓阻應(yīng)力計(jì)或應(yīng)變計(jì)被簡(jiǎn)單地注入或擴(kuò)散在薄膜上表面。將這些壓阻放置在薄膜上合適的位置，并且用惠斯通電橋連接在一起，這樣，這些壓阻就能輸出足夠強(qiáng)的電信號(hào)。另外，薄膜也可以作為電容器的一個(gè)電極。薄膜的應(yīng)力和撓度都取決于施加于其上的差壓，也就是薄膜上表面的壓力和薄膜下表面的壓力。如果薄膜的下表面是某個(gè)真空腔的一部分，那么這就是絕對(duì)壓力傳感器。體微機(jī)械加工(bulk micromachining)和表面微機(jī)械加工 (surfacemicromachining)是制造薄膜的兩種主要方法。在體微機(jī)械加工方法中，選擇性的去除硅片上的體硅材料，直至留下一層單晶硅薄膜，主要使用腐蝕自停止技術(shù)來(lái)控制薄膜厚度。表面微機(jī)械是先將薄膜淀積在犧牲層上，然后再選擇性濕法刻蝕犧牲層，最后形成薄膜。體微機(jī)械加工方法通過(guò)應(yīng)用電化學(xué)腐蝕自停止技術(shù)，從硅片背面形成壓力口，使用外延層形成微機(jī)械結(jié)構(gòu)。因體微機(jī)械加工使用電化學(xué)腐蝕方法，對(duì)薄膜厚度控制較差，而其與CMOS工藝兼容性比較差。而表面微機(jī)械加工技術(shù)，通過(guò)犧牲層的淀積可以精確控制薄膜厚度，使用正面加工可以滿(mǎn)足制造空腔和釋放微機(jī)械結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)硅表面加工CMOS工藝兼容性很好。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種MEMS系統(tǒng)中的空腔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)位于硅片表面。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的形成在硅片表面的空腔結(jié)構(gòu)，包括空腔、多個(gè)支撐柱、上層薄膜以及保護(hù)層；空腔，刻蝕形成于硅片表面；支撐柱通孔，設(shè)置于空腔四周的硅片上；上層薄膜，由支撐柱支撐，位于空腔上方；保護(hù)層位于上層薄膜和硅片之上，將由空腔、支撐柱和上層薄膜構(gòu)成的結(jié)構(gòu)密封。本發(fā)明還提供一種制備空腔結(jié)構(gòu)的方法，包括如下步驟1)刻蝕硅片形成空腔；2)在所述硅片表面淀積犧牲層，所述犧牲層填充所述空腔；3)平坦化處理所述犧牲層表面，且平坦化后所述硅片表面上的犧牲層為一預(yù)定厚度；
4)刻蝕所述犧牲層，至硅片表面下預(yù)定深度，形成支撐柱通孔，所述支撐柱通孔為兩個(gè)以上設(shè)置在空腔四圍犧牲層中的通孔；5)在所述犧牲層上淀積上層薄膜，淀積的同時(shí)填充所述支撐柱通孔；6)刻蝕所述上層薄膜，形成上層薄膜圖案，所述刻蝕停止在所述犧牲層上；7)濕法腐蝕去除所述犧牲層；8)在所述硅片表面淀積保護(hù)層，以密封所述空腔。本發(fā)明還提供一種壓敏傳感器的制作方法，包括如下步驟1)刻蝕硅片形成空腔；2)在所述硅片上淀積形成犧牲層，所述犧牲層填充所述空腔；3)平坦化處理所述犧牲層表面，且平坦化后所述硅片表面上的犧牲層為一預(yù)定厚度；4)刻蝕所述犧牲層，至硅片表面下預(yù)定深度中，形成支撐柱通孔，所述支撐柱通孔為兩個(gè)以上設(shè)置在空腔四圍犧牲層中的通孔；5)在所述犧牲層上淀積壓敏傳感薄膜，淀積的同時(shí)填充所述支撐柱通孔；6)刻蝕所述壓敏傳感薄膜，形成壓敏傳感薄膜圖案，所述刻蝕停止在所述犧牲層上；7)濕法腐蝕去除所述犧牲層；8)在所述硅片上淀積保護(hù)層，以密封所述空腔。本發(fā)明的壓敏傳感器件的制作方法，為在硅片的表面刻蝕出一個(gè)空腔(cavity) 作為傳感薄膜的伸縮空間；在空腔形成之后向空腔填充犧牲層，其中的犧牲層淀積工藝會(huì)保持因空腔刻蝕形成的圖形間的高低差( 印-height)；經(jīng)平坦化處理之后在位于空腔的周?chē)臓奚鼘涌涛g一圈環(huán)繞空腔的通孔用來(lái)填充固定傳感薄膜的支撐柱通孔；之后進(jìn)行壓敏傳感薄膜支撐柱通孔填充和傳感薄膜淀積，然后刻蝕出傳感薄膜形狀，再通過(guò)濕法刻蝕的方法把所有犧牲層刻蝕干凈，最后淀積一層保護(hù)層把壓敏傳感器件密封。相比于體微機(jī)械加工方法，本方明的方法與傳統(tǒng)硅表面加工CMOS工藝兼容性較好。


下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明圖1為本發(fā)明的制作方法流程示意圖；圖2為實(shí)施本發(fā)明的方法中淀積犧牲層后的截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為實(shí)施本發(fā)明的方法中平坦化犧牲層后的截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為實(shí)施本發(fā)明的方法中淀積壓敏傳感薄膜后的截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為實(shí)施本發(fā)明的方法中去除犧牲層后的截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為實(shí)施本發(fā)明的方法中淀積保護(hù)層后的截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明的空腔結(jié)構(gòu)中空腔和支撐柱通孔的平面示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)壓敏傳感器的制作方法(見(jiàn)圖1)，一具體實(shí)施步驟為
1)先在硅片10表面刻蝕一空腔11。通常該空腔為具有一定深度的正方形或長(zhǎng)方形。空腔的位置可先通過(guò)常規(guī)的光刻工藝定義出來(lái)。2)而后在硅片上淀積犧牲層13 (見(jiàn)圖幻，該犧牲層材料完全填充上述空腔。犧牲層材料可為純的二氧化硅，也可為摻硼二氧化硅、摻磷二氧化硅和摻氟二氧化硅中的任一種。犧牲層的淀積可通過(guò)PECVD (等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法)、APCVD (常壓化學(xué)氣相淀積法)或LPCVD (低壓化學(xué)氣相淀積法)工藝進(jìn)行。3)之后對(duì)所淀積的犧牲層13進(jìn)行平坦化處理(見(jiàn)圖3)。實(shí)際中主要采用CMP研磨工藝進(jìn)行平坦化處理。平坦化后要求位于硅片表面之上的犧牲層保持一預(yù)定的厚度，該預(yù)定厚度可根據(jù)具體工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化，如一具體實(shí)例中該厚度可為100-30000埃。4)刻蝕犧牲層形成支撐柱通孔12。具體工藝為先用光刻工藝在犧牲層上定義出支撐柱通孔的位置；而后刻蝕所述犧牲層，至硅片以下一定深度(可為50至20000埃)，形成支撐柱通孔。支撐柱通孔12為多個(gè)設(shè)置在空腔11四周的犧牲層13內(nèi)的通孔(見(jiàn)圖7)， 其主要用途為犧牲層去除后支撐位于空腔上方的壓敏傳感薄膜。該支撐柱通孔的個(gè)數(shù)和該支撐柱通孔至硅片的深度應(yīng)設(shè)計(jì)為能保證在犧牲層去除過(guò)程以及去除后能支撐位于空腔上方的壓敏傳感薄膜。5)在犧牲層上淀積壓敏傳感薄膜14，在淀積的同時(shí)填充上述的支撐柱通孔(見(jiàn)圖 4)。在一具體實(shí)施例中壓敏傳感薄膜為多晶硅膜，可為純多晶硅薄膜、摻磷多晶硅、摻硼多晶硅或摻氟多晶硅。壓敏傳感薄膜的厚度可為100-50000埃之間，具體數(shù)值可由工藝設(shè)計(jì)決定。壓敏傳感薄膜最好選用與犧牲層材料具有濕法刻蝕高選擇比的材料，以保證在犧牲層去除過(guò)程中不受影響。填充后的支撐柱通孔，在去除犧牲層后為支撐柱 6)壓敏傳感薄膜刻蝕，形成壓敏傳感薄膜圖形，刻蝕停止在下層的犧牲層之上。壓敏傳感薄膜的圖形由光刻工藝定義，刻蝕停止在犧牲層上，即將不需要的壓敏傳感薄膜完全去除。7)濕法腐蝕去除犧牲層，形成由空腔11、多個(gè)支撐柱15和壓敏傳感薄膜14構(gòu)成的壓敏傳感器件(見(jiàn)圖5)。8)最后在硅片表面淀積保護(hù)層16，以密封上述壓敏傳感器件(見(jiàn)圖6)。保護(hù)層材料可為氮化硅，氧化硅或氮氧化硅等，其用于將空腔、支撐柱和壓敏傳感薄膜構(gòu)成的傳感器件密封。本發(fā)明的空腔結(jié)構(gòu)，形成在硅片表面，具有如圖6所示的結(jié)構(gòu)。該空腔結(jié)構(gòu)包括刻蝕形成于硅片表面的空腔；設(shè)置于空腔四周的硅片上多個(gè)支撐柱；由所述支撐柱支撐，位于空腔上方的上層薄膜；以及保護(hù)層，位于上層薄膜和硅片之上，將由空腔、支撐柱和上層薄膜構(gòu)成的結(jié)構(gòu)密封。本發(fā)明的空腔結(jié)構(gòu)的制作方法，適用于所有基于硅襯底的微機(jī)電系統(tǒng)中與壓敏傳感器具有類(lèi)似空腔結(jié)構(gòu)的器件。本發(fā)明的在硅片中形成空腔結(jié)構(gòu)的方法，包括如下步驟1)刻蝕硅片形成空腔；2)在硅片表面形成犧牲層，犧牲層填充空腔；3)平坦化處理犧牲層表面，且平坦化后硅片表面上的犧牲層為一預(yù)定厚度；4)刻蝕犧牲層至硅片表面下預(yù)定深度，形成支撐柱通孔，支撐柱通孔為兩個(gè)以上設(shè)置在空腔四圍犧牲層內(nèi)的通孔；
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5)在犧牲層上淀積上層薄膜，淀積的同時(shí)上層薄膜填充支撐柱通孔；6)刻蝕上層薄膜，形成上層薄膜圖案，刻蝕停止在犧牲層上；7)濕法腐蝕去除犧牲層，形成由空腔、支撐柱和上層薄膜構(gòu)成的結(jié)構(gòu)；8)在硅片表面淀積保護(hù)層，使空腔密閉。
權(quán)利要求
1.一種形成在硅片表面的空腔結(jié)構(gòu)，其特征在于所述空腔結(jié)構(gòu)包括空腔、多個(gè)支撐柱、上層薄膜以及保護(hù)層； 所述空腔，刻蝕形成于硅片表面； 所述支撐柱，設(shè)置于所述空腔四周的硅片上； 所述上層薄膜，由所述支撐柱支撐，位于所述空腔上方；所述保護(hù)層位于所述上層薄膜和硅片之上，將由所述空腔、支撐柱通孔和上層薄膜形成的結(jié)構(gòu)密封。
2.一種制備如權(quán)利要求1所述空腔結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包括如下步驟1)刻蝕硅片形成空腔；2)在所述硅片表面淀積犧牲層，所述犧牲層填充所述空腔；3)平坦化處理所述犧牲層表面，且平坦化后所述硅片表面上的犧牲層為一預(yù)定厚度；4)刻蝕所述犧牲層，至硅片表面下預(yù)定深度，形成支撐柱通孔，所述支撐柱通孔為兩個(gè)以上設(shè)置在所述空腔四圍犧牲層中的通孔；5)在所述犧牲層上淀積上層薄膜，淀積的同時(shí)填充所述支撐柱通孔形成支撐柱；6)刻蝕所述上層薄膜，形成上層薄膜圖案，所述刻蝕停止在所述犧牲層上；7)濕法腐蝕去除所述犧牲層；8)在所述硅片上淀積保護(hù)層，把所述空腔密封。
3.一種壓敏傳感器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟1)刻蝕硅片形成空腔；2)在所述硅片上淀積形成犧牲層，所述犧牲層填充所述空腔；3)平坦化處理所述犧牲層表面，且平坦化后所述硅片表面上的犧牲層為一預(yù)定厚度；4)刻蝕所述犧牲層，至硅片表面下預(yù)定深度中，形成支撐柱通孔，所述支撐柱通孔為兩個(gè)以上設(shè)置在空腔四圍犧牲層中的通孔；5)在所述犧牲層上淀積壓敏傳感薄膜，淀積的同時(shí)填充所述支撐柱通孔；6)刻蝕所述壓敏傳感薄膜，形成壓敏傳感薄膜圖案，所述刻蝕停止在所述犧牲層上；7)濕法腐蝕去除所述犧牲層；8)在所述硅片上淀積保護(hù)層，以密封所述空腔。
4.如權(quán)利要求3所述的制作方法，其特征在于所述犧牲層的材料為純二氧化硅、摻硼二氧化硅、摻磷二氧化硅或摻氟二氧化硅；所述犧牲層的淀積工藝為PECVD、APCVD或 LPCVD。
5.如權(quán)利要求3所述的制作方法，其特征在于所述步驟三平坦化后犧牲層的厚度為 100 30000 埃。
6.如權(quán)利要求3所述的制作方法，其特征在于所述壓敏傳感薄膜為純多晶硅薄膜、摻磷多晶硅、摻硼多晶硅或摻氟多晶硅。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種壓敏傳感器的制作方法，包括如下步驟1)刻蝕硅片形成空腔；2)在所述硅片表面形成犧牲層；3)平坦化處理所述犧牲層表面；4)刻蝕所述犧牲層至硅片中，形成支撐柱通孔；5)在所述犧牲層上淀積壓敏傳感薄膜；6)刻蝕所述壓敏傳感薄膜，形成壓敏傳感薄膜圖案；7)濕法腐蝕去除所述犧牲層；8)在所述硅片表面淀積保護(hù)層，以密封空腔。本發(fā)明的制作方法與傳統(tǒng)硅表面加工CMOS工藝的兼容性較好。本發(fā)明還公開(kāi)了一種硅片中形成密閉空腔的方法。
文檔編號(hào)G01L9/04GK102259820SQ201010186550
公開(kāi)日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月27日
發(fā)明者方精訓(xùn), 程曉華, 鄧鐳 申請(qǐng)人:上海華虹Nec電子有限公司