专利名称：空腔结构和该结构的制备方法及压敏传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种MEMS压敏传感器的制作方法。本发明还涉及一种硅片中形成空腔的方法。
背景技术：
压力传感器是将压力转换为电信号的一种器件。通常，压力传感器本身是嵌有电阻的的微机械薄膜，压阻用来检测压力。硅薄膜有良好的机械性，微机械加工技术(MEMQ将硅薄膜和压阻应力计或应变计集成在一起。压阻应力计或应变计被简单地注入或扩散在薄膜上表面。将这些压阻放置在薄膜上合适的位置，并且用惠斯通电桥连接在一起，这样，这些压阻就能输出足够强的电信号。另外，薄膜也可以作为电容器的一个电极。薄膜的应力和挠度都取决于施加于其上的差压，也就是薄膜上表面的压力和薄膜下表面的压力。如果薄膜的下表面是某个真空腔的一部分，那么这就是绝对压力传感器。体微机械加工(bulk micromachining)和表面微机械加工 (surfacemicromachining)是制造薄膜的两种主要方法。在体微机械加工方法中，选择性的去除硅片上的体硅材料，直至留下一层单晶硅薄膜，主要使用腐蚀自停止技术来控制薄膜厚度。表面微机械是先将薄膜淀积在牺牲层上，然后再选择性湿法刻蚀牺牲层，最后形成薄膜。体微机械加工方法通过应用电化学腐蚀自停止技术，从硅片背面形成压力口，使用外延层形成微机械结构。因体微机械加工使用电化学腐蚀方法，对薄膜厚度控制较差，而其与CMOS工艺兼容性比较差。而表面微机械加工技术，通过牺牲层的淀积可以精确控制薄膜厚度，使用正面加工可以满足制造空腔和释放微机械结构，与传统硅表面加工CMOS工艺兼容性很好。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种MEMS系统中的空腔结构，该结构位于硅片表面。为解决上述技术问题，本发明的形成在硅片表面的空腔结构，包括空腔、多个支撑柱、上层薄膜以及保护层；空腔，刻蚀形成于硅片表面；支撑柱通孔，设置于空腔四周的硅片上；上层薄膜，由支撑柱支撑，位于空腔上方；保护层位于上层薄膜和硅片之上，将由空腔、支撑柱和上层薄膜构成的结构密封。本发明还提供一种制备空腔结构的方法，包括如下步骤1)刻蚀硅片形成空腔；2)在所述硅片表面淀积牺牲层，所述牺牲层填充所述空腔；3)平坦化处理所述牺牲层表面，且平坦化后所述硅片表面上的牺牲层为一预定厚度；
4)刻蚀所述牺牲层，至硅片表面下预定深度，形成支撑柱通孔，所述支撑柱通孔为两个以上设置在空腔四围牺牲层中的通孔；5)在所述牺牲层上淀积上层薄膜，淀积的同时填充所述支撑柱通孔；6)刻蚀所述上层薄膜，形成上层薄膜图案，所述刻蚀停止在所述牺牲层上；7)湿法腐蚀去除所述牺牲层；8)在所述硅片表面淀积保护层，以密封所述空腔。本发明还提供一种压敏传感器的制作方法，包括如下步骤1)刻蚀硅片形成空腔；2)在所述硅片上淀积形成牺牲层，所述牺牲层填充所述空腔；3)平坦化处理所述牺牲层表面，且平坦化后所述硅片表面上的牺牲层为一预定厚度；4)刻蚀所述牺牲层，至硅片表面下预定深度中，形成支撑柱通孔，所述支撑柱通孔为两个以上设置在空腔四围牺牲层中的通孔；5)在所述牺牲层上淀积压敏传感薄膜，淀积的同时填充所述支撑柱通孔；6)刻蚀所述压敏传感薄膜，形成压敏传感薄膜图案，所述刻蚀停止在所述牺牲层上；7)湿法腐蚀去除所述牺牲层；8)在所述硅片上淀积保护层，以密封所述空腔。本发明的压敏传感器件的制作方法，为在硅片的表面刻蚀出一个空腔(cavity) 作为传感薄膜的伸缩空间；在空腔形成之后向空腔填充牺牲层，其中的牺牲层淀积工艺会保持因空腔刻蚀形成的图形间的高低差( 印-height)；经平坦化处理之后在位于空腔的周围的牺牲层刻蚀一圈环绕空腔的通孔用来填充固定传感薄膜的支撑柱通孔；之后进行压敏传感薄膜支撑柱通孔填充和传感薄膜淀积，然后刻蚀出传感薄膜形状，再通过湿法刻蚀的方法把所有牺牲层刻蚀干净，最后淀积一层保护层把压敏传感器件密封。相比于体微机械加工方法，本方明的方法与传统硅表面加工CMOS工艺兼容性较好。
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明图1为本发明的制作方法流程示意图；图2为实施本发明的方法中淀积牺牲层后的截面结构示意图；图3为实施本发明的方法中平坦化牺牲层后的截面结构示意图；图4为实施本发明的方法中淀积压敏传感薄膜后的截面结构示意图；图5为实施本发明的方法中去除牺牲层后的截面结构示意图；图6为实施本发明的方法中淀积保护层后的截面结构示意图；图7为本发明的空腔结构中空腔和支撑柱通孔的平面示意图。
具体实施例方式本发明的微机电系统(MEMS)压敏传感器的制作方法(见图1)，一具体实施步骤为
1)先在硅片10表面刻蚀一空腔11。通常该空腔为具有一定深度的正方形或长方形。空腔的位置可先通过常规的光刻工艺定义出来。2)而后在硅片上淀积牺牲层13 (见图幻，该牺牲层材料完全填充上述空腔。牺牲层材料可为纯的二氧化硅，也可为掺硼二氧化硅、掺磷二氧化硅和掺氟二氧化硅中的任一种。牺牲层的淀积可通过PECVD (等离子体增强化学气相淀积法)、APCVD (常压化学气相淀积法)或LPCVD (低压化学气相淀积法)工艺进行。3)之后对所淀积的牺牲层13进行平坦化处理(见图3)。实际中主要采用CMP研磨工艺进行平坦化处理。平坦化后要求位于硅片表面之上的牺牲层保持一预定的厚度，该预定厚度可根据具体工艺设计优化，如一具体实例中该厚度可为100-30000埃。4)刻蚀牺牲层形成支撑柱通孔12。具体工艺为先用光刻工艺在牺牲层上定义出支撑柱通孔的位置；而后刻蚀所述牺牲层，至硅片以下一定深度(可为50至20000埃)，形成支撑柱通孔。支撑柱通孔12为多个设置在空腔11四周的牺牲层13内的通孔(见图7)， 其主要用途为牺牲层去除后支撑位于空腔上方的压敏传感薄膜。该支撑柱通孔的个数和该支撑柱通孔至硅片的深度应设计为能保证在牺牲层去除过程以及去除后能支撑位于空腔上方的压敏传感薄膜。5)在牺牲层上淀积压敏传感薄膜14，在淀积的同时填充上述的支撑柱通孔(见图 4)。在一具体实施例中压敏传感薄膜为多晶硅膜，可为纯多晶硅薄膜、掺磷多晶硅、掺硼多晶硅或掺氟多晶硅。压敏传感薄膜的厚度可为100-50000埃之间，具体数值可由工艺设计决定。压敏传感薄膜最好选用与牺牲层材料具有湿法刻蚀高选择比的材料，以保证在牺牲层去除过程中不受影响。填充后的支撑柱通孔，在去除牺牲层后为支撑柱 6)压敏传感薄膜刻蚀，形成压敏传感薄膜图形，刻蚀停止在下层的牺牲层之上。压敏传感薄膜的图形由光刻工艺定义，刻蚀停止在牺牲层上，即将不需要的压敏传感薄膜完全去除。7)湿法腐蚀去除牺牲层，形成由空腔11、多个支撑柱15和压敏传感薄膜14构成的压敏传感器件(见图5)。8)最后在硅片表面淀积保护层16，以密封上述压敏传感器件(见图6)。保护层材料可为氮化硅，氧化硅或氮氧化硅等，其用于将空腔、支撑柱和压敏传感薄膜构成的传感器件密封。本发明的空腔结构，形成在硅片表面，具有如图6所示的结构。该空腔结构包括刻蚀形成于硅片表面的空腔；设置于空腔四周的硅片上多个支撑柱；由所述支撑柱支撑，位于空腔上方的上层薄膜；以及保护层，位于上层薄膜和硅片之上，将由空腔、支撑柱和上层薄膜构成的结构密封。本发明的空腔结构的制作方法，适用于所有基于硅衬底的微机电系统中与压敏传感器具有类似空腔结构的器件。本发明的在硅片中形成空腔结构的方法，包括如下步骤1)刻蚀硅片形成空腔；2)在硅片表面形成牺牲层，牺牲层填充空腔；3)平坦化处理牺牲层表面，且平坦化后硅片表面上的牺牲层为一预定厚度；4)刻蚀牺牲层至硅片表面下预定深度，形成支撑柱通孔，支撑柱通孔为两个以上设置在空腔四围牺牲层内的通孔；
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5)在牺牲层上淀积上层薄膜，淀积的同时上层薄膜填充支撑柱通孔；6)刻蚀上层薄膜，形成上层薄膜图案，刻蚀停止在牺牲层上；7)湿法腐蚀去除牺牲层，形成由空腔、支撑柱和上层薄膜构成的结构；8)在硅片表面淀积保护层，使空腔密闭。
权利要求
1.一种形成在硅片表面的空腔结构，其特征在于所述空腔结构包括空腔、多个支撑柱、上层薄膜以及保护层； 所述空腔，刻蚀形成于硅片表面； 所述支撑柱，设置于所述空腔四周的硅片上； 所述上层薄膜，由所述支撑柱支撑，位于所述空腔上方；所述保护层位于所述上层薄膜和硅片之上，将由所述空腔、支撑柱通孔和上层薄膜形成的结构密封。
2.一种制备如权利要求1所述空腔结构的方法，其特征在于，包括如下步骤1)刻蚀硅片形成空腔；2)在所述硅片表面淀积牺牲层，所述牺牲层填充所述空腔；3)平坦化处理所述牺牲层表面，且平坦化后所述硅片表面上的牺牲层为一预定厚度；4)刻蚀所述牺牲层，至硅片表面下预定深度，形成支撑柱通孔，所述支撑柱通孔为两个以上设置在所述空腔四围牺牲层中的通孔；5)在所述牺牲层上淀积上层薄膜，淀积的同时填充所述支撑柱通孔形成支撑柱；6)刻蚀所述上层薄膜，形成上层薄膜图案，所述刻蚀停止在所述牺牲层上；7)湿法腐蚀去除所述牺牲层；8)在所述硅片上淀积保护层，把所述空腔密封。
3.一种压敏传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤1)刻蚀硅片形成空腔；2)在所述硅片上淀积形成牺牲层，所述牺牲层填充所述空腔；3)平坦化处理所述牺牲层表面，且平坦化后所述硅片表面上的牺牲层为一预定厚度；4)刻蚀所述牺牲层，至硅片表面下预定深度中，形成支撑柱通孔，所述支撑柱通孔为两个以上设置在空腔四围牺牲层中的通孔；5)在所述牺牲层上淀积压敏传感薄膜，淀积的同时填充所述支撑柱通孔；6)刻蚀所述压敏传感薄膜，形成压敏传感薄膜图案，所述刻蚀停止在所述牺牲层上；7)湿法腐蚀去除所述牺牲层；8)在所述硅片上淀积保护层，以密封所述空腔。
4.如权利要求3所述的制作方法，其特征在于所述牺牲层的材料为纯二氧化硅、掺硼二氧化硅、掺磷二氧化硅或掺氟二氧化硅；所述牺牲层的淀积工艺为PECVD、APCVD或 LPCVD。
5.如权利要求3所述的制作方法，其特征在于所述步骤三平坦化后牺牲层的厚度为 100 30000 埃。
6.如权利要求3所述的制作方法，其特征在于所述压敏传感薄膜为纯多晶硅薄膜、掺磷多晶硅、掺硼多晶硅或掺氟多晶硅。
全文摘要
本发明公开了一种压敏传感器的制作方法，包括如下步骤1)刻蚀硅片形成空腔；2)在所述硅片表面形成牺牲层；3)平坦化处理所述牺牲层表面；4)刻蚀所述牺牲层至硅片中，形成支撑柱通孔；5)在所述牺牲层上淀积压敏传感薄膜；6)刻蚀所述压敏传感薄膜，形成压敏传感薄膜图案；7)湿法腐蚀去除所述牺牲层；8)在所述硅片表面淀积保护层，以密封空腔。本发明的制作方法与传统硅表面加工CMOS工艺的兼容性较好。本发明还公开了一种硅片中形成密闭空腔的方法。
文档编号G01L9/04GK102259820SQ201010186550
公开日2011年11月30日 申请日期2010年5月27日 优先权日2010年5月27日
发明者方精训, 程晓华, 邓镭 申请人:上海华虹Nec电子有限公司