一种MEMS压力传感器的制作方法

一种mems压力传感器
技术领域
1.本实用新型涉及半导体技术领域，特别涉及一种mems压力传感器。


背景技术：

2.mems器件是在微电子技术基础上发展起来的采用微加工工艺制作的微电子机械器件，已经广泛地用作传感器和执行器。例如，mems器件可以是压力传感器、加速度计、陀螺仪、硅电容麦克风。
3.传统的mems压力传感器通常为压阻式mems压力传感器及电容mems压力传感器，压阻式mems压力传感器及电容mems压力传感器在测量过程中通常会存在寄生的问题，对测量的灵敏度造成影响。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本实用新型的目的在于提供一种mems压力传感器，采用热电堆结构以及红外光源，代替了传统的压阻式mems压力传感器及电容mems压力传感器，从而减少了寄生，提高了灵敏度。
5.本实用新型第一方面提供一种mems压力传感器，包括：
6.衬底；
7.红外光源，位于所述衬底上；
8.热电堆结构，位于所述衬底上，其与所述红外光源相互分离；
9.键合层，位于所述介质层上，围绕所述红外光源和所述热电堆结构；反射层，位于所述键合层远离所述介质层的表面；以及
10.压力感应层，位于所述反射层远离所述键合层的表面，用于感受压力并且受力时带动所述反射层发生形变；
11.其中，所述键合层的内表面以及所述反射层与所述介质层相对的表面构成反射面，所述红外光源发的红外光经所述反射层反射至所述热电堆结构。
12.在一些实施例中，还包括介质层，所述介质层位于所述衬底的第一表面，所述热电堆结构埋设于所述介质层内部，所述红外光源位于所述介质层内，且暴露于所述介质层远离所述衬底的表面。
13.在一些实施例中，所述介质层包括层叠的第一介质层和第二介质层，所述第一介质层位于所述衬底的第一表面，所述第二介质层位于所述第一介质层的表面。
14.在一些实施例中，包括接触金属，所述接触金属从所述衬底的第二表面向着所述第二介质层的方向延伸，贯穿所述衬底和所述第一介质层，停止于所述第二介质层内部。
15.在一些实施例中，所述热电堆结构包括多个热电偶以及多个第一金属连接线，所述第一金属连接线将多个相互分离的热电偶首尾顺序连接，以使得多个所述热电偶串联，形成热电堆结构。
16.在一些实施例中，串联的热电偶的两端经由所述第一金属连接线连接至相应的接
触金属。
17.在一些实施例中，红外光源经由第二金属连接线连接至相应的接触金属。
18.在一些实施例中，包括焊盘，所述焊盘位于所述衬底的第二表面，所述焊盘与相应的接触金属电连接。
19.在一些实施例中，所述第一介质层为氧化硅层，所述第二介质层为氮化硅层。
20.在一些实施例中，所述热电堆结构包括多组，多组所述热电堆结构围绕所述红外光源。
21.在一些实施例中，所述衬底具有背腔，所述背腔贯穿所述衬底。
22.本实用新型提供的mems压力传感器集成了核心部件：压力感应层、反射层、红外光源以及红外热电堆结构，可应用于传统的气压检测或者更复杂的三维力学检测中，具有较高的测量精度，且响应时间较快。
23.进一步地，本实用新型实施例的核心部件仅包括压力感应层、反射层、红外光源以及红外热电堆结构等，结构简单，易于实施，且采用晶圆级封装，可实现传感器体积的小型化。
24.进一步地，本实用新型实施例中，将红外光源集成于器件内部，无需外置辅助光源。
25.进一步地，本实用新型实施例中，mems压力传感器的核心部件红外光源以及红外热电堆结构被集成于密封的腔体内，不易漏气，可靠性高。
26.进一步地，本实用新型实施例中，mems压力传感器通过生长氧化硅、多晶硅、氮化硅及金属工艺形成，其制备工艺与集成电路工艺相兼容，为实现mems压力传感器和处理电路的单片集成提供了可行性的基础，同时可以降低工艺的复杂程度，降低成本。
附图说明
27.通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
28.图1示出了本实用新型实施例的mems压力传感器的截面图；
29.图2示出了本实用新型实施例的mems压力传感器不包括反射层和压力感应层时的俯视结构示意图；
30.图3a至图16a示出了本实用新型实施例的mems压力传感器制备过程中各个阶段的截面图；
31.图3b至图16b示出了本实用新型实施例的mems压力传感器制备过程中各个阶段的俯视图。
具体实施方式
32.以下将参照附图更详细地描述本实用新型。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。
33.本实用新型可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
34.图1示出了本实用新型实施例的mems压力传感器的截面图，图2示出了本实用新型
实施例的mems压力传感器不包括反射层和压力感应层时的俯视结构示意图，其中，图2中虚线所显示的部分埋设于所述介质层内部；如图1和图2所示，所述mems压力传感器10包括衬底110、第一介质层120、第二介质层140、多组热电堆结构150、红外光源160、接触金属130、键合层170、反射层180以及压力感应层190。
35.所述第一介质层120位于所述衬底110的第一表面，所述第二介质层140位于所述第一介质层120远离所述衬底110的表面。所述衬底110上具有背腔101，所述背腔101贯穿所述衬底110，暴露出所述第一介质层120的表面。本实施例中，所述衬底110例如为n型单晶硅衬底，所述n型单晶硅衬底的晶向例如为(100)。所述第一介质层120例如为氧化硅层，所述第二介质层140例如为氮化硅层。
36.多组热电堆结构150埋设于所述第二介质层140内部。每组所述热电堆结构150包括多个热电偶151以及多个第一金属连接线152，所述第一金属连接线152将多个相互分离的热电偶151首尾顺序连接，以使得多个所述热电偶串联，形成热电堆结构150。其中，所述热电偶151的材料例如为多晶硅，所述第一金属连接线152的材料例如为金属铝。
37.所述红外光源160从所述第二介质层140远离所述衬底110的表面向着所述第二介质层140的内部延伸，停止于所述第二介质层140内部，即所述红外光源160暴露于所述第二介质层140远离所述衬底110的表面。所述红外光源160的材料为红外黑体材料(如钨、镍铬等)。
38.进一步地，多组所述热电堆结构150围绕所述红外光源160。在一个具体的实施例中，所述衬底110、所述第一介质层120以及所述第二介质层140均为矩形，所述红外光源160位于所述第二介质层140的中心区域；所述mems压力传感器10包括4组热电堆结构150，每组所述热电堆结构150位于所述第二介质层140的一个侧边处。
39.所述接触金属130从所述衬底110的第二表面(所述衬底110的第一表面和第二表面相对)向着所述第二介质层140的方向延伸，贯穿所述衬底110以及所述第一介质层120，停止于所述第二介质层140的内部。所述接触金属130用于实现所述热电堆结构150以及所述红外光源160与外界的导电连接。
40.具体地，所述接触金属130包括相互分离的第一接触金属131和第二接触金属132。每组所述热电堆结构150的热电偶151两端经由第一金属连接线152连接至所述第一接触金属131，经由所述第一接触金属131与外界电连接。所述红外光源160经由第二金属连接线161连接至所述第二接触金属132电连接，经由所述第二接触金属132与外界电连接。
41.进一步地，所述衬底110的第二表面暴露出来的接触金属130分别连接有焊盘130a。
42.所述键合层170位于所述第二介质层140的表面，所述反射层180位于所述键合层170远离所述第二介质层140的表面。所述键合层170内部中空，所述键合层170的内表面以及所述反射层180与所述第二介质层140相对的表面限定了空腔102，所述空腔102为所述红外光160发出的红外光提供了传播的空间。
43.进一步地，所述键合层170与所述反射层180的材料相同，例如均为金材料层，所述键合层170的内表面以及所述反射层180与所述第二介质层140相对的表面作为红外光源160的反射面，所述红外光源160发出的光经由反射面反射至热电堆结构150。
44.所述压力感应层190位于所述反射层180远离所述键合层的表面，用于感受外界的
压力。
45.本实用新型实施例的mems压力传感器集成了核心部件：压力感应层190、反射层180、红外光源160以及红外热电堆结构150，可应用于传统的气压检测或者更复杂的三维力学检测中，具体地，所述红外光源160发出的红外光照射至所述反射层180，经由所述反射层180的反射至所述红外热电堆结构150；在所述压力感应层190收到外力发生形变时，所述反射层180跟随所述压力感应层190一起发生形变，所述热电堆结构150接收的红外光的光程发生变化，进而可以通过测量红外热电堆结构150的输出电压的大小，进行感知气压或者三维矢量力学参数，相比于传统的压阻式压力传感器或者电容式压力传感器，本技术的压力传感器具有较高的测量精度，且响应时间较快。
46.进一步地，本实用新型实施例的核心部件仅包括压力感应层、反射层、红外光源以及红外热电堆结构等，结构简单，易于实施，且采用晶圆级封装，可实现传感器体积的小型化。
47.进一步地，本实用新型实施例中，将红外光源集成于器件内部，无需外置辅助光源。
48.进一步地，本实用新型实施例中，mems压力传感器的核心部件红外光源以及红外热电堆结构被集成于密封的腔体内，不易漏气，可靠性高。
49.进一步地，本实用新型实施例中，mems压力传感器的制备工艺与集成电路工艺相兼容，为实现mems压力传感器和处理电路的单片集成提供了可行性的基础，同时可以降低工艺的复杂程度，降低成本。
50.图3a至图16a示出了本实用新型实施例的mems压力传感器制备过程中各个阶段的截面图；图3b至图16b示出了本实用新型实施例的mems压力传感器制备过程中各个阶段的俯视图，其中图3a至图15a为图3b至图15b沿aa方向的截面图。以下将结合图3a至图15a以及图3b至图15b对本实用新型实施例的mems压力传感器制备过程进行说明。
51.如图3a和图3b所示，提供衬底110，并且在所述衬底110的第一表面上依次形成第一介质层120和第一层第二第一层第二介质层141。
52.本实施例中，所述衬底110例如为n型单晶硅衬底，所述n型单晶硅衬底的晶向例如为(100)。所述第一介质层120例如为氧化硅层，所述第一层第二第一层第二介质层141例如为氮化硅层。
53.如图4a和图4b所示，对所述第一层第二第一层第二介质层141、第一介质层120以及所述衬底110进行刻蚀，在所述第一层第二第一层第二介质层141、第一介质层120以及所述衬底110中形成第一接触孔110a。
54.该步骤中，例如在所述第一层第二第一层第二介质层141的表面形成光致抗蚀剂层，采用光刻工艺图形化光致抗蚀剂层以形成光致抗蚀剂掩模，以及经由光致抗蚀剂掩模刻蚀所述第一层第二第一层第二介质层141、第一介质层120以及所述衬底110，以形成所述第一接触孔110a。其中，所述第一接触孔110a贯穿所述第一层第二第一层第二介质层141、第一介质层120以及所述衬底110。
55.如图5a和图5b所示，在所述第一接触孔110a内填充导电材料，以形成接触金属130。
56.该步骤中，例如采用淀积工艺在所述第一接触孔110a内部填充导电材料，并且采
用抛光工艺对所述第一接触孔110a外部的导电材料进行抛光，使得所述导电材料只填充于所述第一接触孔110a内部，进而形成所述接触金属130。所述接触金属130暴露于所述衬底110的第二表面(所述衬底110的第一表面和第二表面相对)以及所述第一层第二介质层141的表面。其中，所述接触金属130包括相互分离的第一接触金属131和第二接触金属132。
57.如图6a和图6b所示，在所述第一层第二介质层141的表面形成热电偶151。
58.该步骤中，例如采用淀积工艺在所述第一层第二介质层141的表面以及所述接触金属131的表面形成多晶硅层，接着例如采用光刻工艺以及刻蚀工艺对所述多晶硅层进行图形化处理，形成热电偶151。其中，包括多个所述热电偶151，多个所述热电偶151之间相互分离，且每个所述热电偶151均不与所述第一层第二介质层141表面暴露出来的接触金属131接触。
59.如图7a和图7b所示，形成具有第二接触孔142a的第二层第二介质层142。
60.该步骤中，例如采用淀积工艺在所述第一层第二介质层141的表面形成第二层第二介质层142，所述第二层第二介质层142覆盖所述第一层第二介质层141的表面、所述接触金属131的表面以及所述热电偶151的表面以及侧壁。接着，例如采用光刻工艺对所述第二层第二介质层142进行图形化处理，以在所述第二层第二介质层142中形成第二接触孔142a。其中，所述第二接触孔142a贯穿所述第二层第二介质层142，暴露出所述接触金属130的表面以及多个所述热电偶151的部分表面。本实施例中，所述第二层第二介质层142例如为氮化硅层。
61.如图8a和图8b所示，形成第一金属连接线152以及第二金属连接线161。
62.该步骤中，例如采用淀积工艺在所述第二层第二介质层142的表面形成导电金属材料，其中，导电金属材料覆盖所述第二层第二介质层142的表面，并且填充所述第二接触孔142a，接着，例如采用光刻工艺以及刻蚀工艺对所述导电金属层进行图形化处理，形成第一金属连接线152以及第二金属连接线161。
63.所述第一金属连接线152将多个相互分离的热电偶151串联，并且将串联的热电偶151的两端分别连接至相应的第一接触金属131，所述第一金属连接线152和所述热电偶151构成热电堆结构150。本实施例中，包括四组热电堆结构150，所述衬底110为矩形，四组热电堆结构150分别排列于所述衬底110的四个侧边处，围绕后续形成的光源。所述第二金属连接线161用于将后续形成的光源连接至所述第二接触金属132。
64.如图9a和图9b所示，形成第三层第二介质层143。
65.该步骤中，在所述第二层第二介质层142的表面形成第三层第二介质层143，所述第三层第二介质层143覆盖所述第二层第二介质层142的表面、所述第一金属连接线152以及第二金属连接线161。其中，所述第三层第二介质层143例如为氮化硅层。其中，第一层第二介质层141、第二层第二介质层142以及第三层第二介质层143构成第二介质层140。
66.如图10a和图10b所示，在所述第三层第二介质层143中形成红外光源160。
67.该步骤中，在所述第三层第二介质层143中形成凹槽，所述凹槽从所述第三层第二介质层143的表面向所述衬底110的方向延伸。接着在所述凹槽中填充红外黑体材料(如钨、镍铬等)，并且对所述红外黑体材料进行图形化处理，形成位于所述凹槽内的红外光源160。其中，所述红外光源160与所述第二金属连接线161接触，经由所述第二金属连接线161连接至所述第二接触金属132。
68.如图11a和图11b所示，在所述第三层第二介质层143的表面形成第一键合层171以及在所述衬底110远离所述介质层120的表面形成焊盘130a。
69.该步骤中，例如采用淀积工艺在所述第三层第二介质层143的表面以及所述衬底110远离所述介质层120的表面形成金属材料层，接着例如采用光刻和刻蚀工艺对金属材料层进行图形化处理，以在所述第一介质层124的表面形成第一键合层171，以及在所述衬底110远离所述介质层20的表面形成多个相互分离的焊盘130a，其中，所述第一键合层171位于所述介质层140的边缘，围绕所述热电堆结构150和所述红外光源160；多个所述焊盘130a与衬底110表面暴露的所述接触金属130相应接触。本实施例中，所述焊盘130a与所述第一键合层171的材料例如金。
70.如图12a、图12b、图13a和图13b所示，提供压力感应层190，在所述压力感应层190的第一表面形成反射层180。该步骤中，例如采用淀积工艺在所述压力感应层190的表面形成所述反射层180，其中，所述反射层180例如金材料层。
71.如图14a和图14b所示，在所述反射层180的表面形成第二键合层172。
72.该步骤中，在所述反射层180的表面形成厚光刻胶层，并且对所述后光刻胶层进行光刻形成掩膜层，其中，所述掩膜层位于所述反射层180的中心区域，暴露出所述反射层180表面的四周边缘。接着，例如采用电镀工艺在所述反射层180的边缘形成第二键合层172。形成所述第二键合层172后通过剥离工艺去除所述掩膜层。所述第二键合层172位于所述反射层的边缘，与所述第一键合层171的位置相对应。
73.如图15a和图15b所示，将所述第一键合层和所述第二键合层在一起。其中，所述第一键合层171和所述第二键合层172在一起形成键合层170，同时，所述键合层170的内表面和所述反射层180与所述第二介质层140相对的表面限定了密封的空腔102，所述空腔102提供了所述红外光源160发射的红外光的传输空间。
74.如图16a和图16b所示，形成背腔101。
75.该步骤中，在所述衬底110的第一表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺图形化抗蚀剂层以形成抗蚀剂掩模，以及经由抗蚀剂掩模刻蚀所述衬底110，以形成所述背腔101，进而释放所述热电堆结构150。
76.本实用新型提供的mems压力传感器集成了核心部件：压力感应层、反射层、红外光源以及红外热电堆结构，可应用于传统的气压检测或者更复杂的三维力学检测中，具有较高的测量精度，且响应时间较快。
77.进一步地，本实用新型实施例的核心部件仅包括压力感应层、反射层、红外光源以及红外热电堆结构等，结构简单，易于实施，且采用晶圆级封装，可实现传感器体积的小型化。
78.进一步地，本实用新型实施例中，将红外光源集成于器件内部，无需外置辅助光源。
79.进一步地，本实用新型实施例中，mems压力传感器的核心部件红外光源以及红外热电堆结构被集成于密封的腔体内，不易漏气，可靠性高。
80.进一步地，本实用新型实施例中，mems压力传感器通过生长氧化硅、多晶硅、氮化硅及金属工艺形成，其制备工艺与集成电路工艺相兼容，为实现mems压力传感器和处理电路的单片集成提供了可行性的基础，同时可以降低工艺的复杂程度，降低成本。
81.依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。