单晶硅压力敏感膜片结构及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种单晶硅压力敏感膜片结构及其制作方法，所述的压力敏感膜片主要包括单晶硅敏感薄膜、单晶硅梁-岛和微型柱。其中，微型柱位于微型释放孔正上方且由一单晶硅环形柱包裹一多晶硅实心柱组成，多晶硅实心柱下半部分紧密嵌入在微型释放孔内部，上半部分竖直悬在单晶硅敏感薄膜上方。所述微型柱既满足了单晶硅敏感膜片微型释放孔的气密性缝合要求，又避免了微型释放孔侧壁残留钝化层内应力及热不匹配所导致的残余应力对单晶硅敏感膜片力学性能影响，提高了敏感膜片在不同温度环境下力学性能稳定性。本发明专利技术的敏感膜片可广泛应用于高精度、高稳定性MEMS力学传感器研发，且制作工艺简单，成本低，适于大批量生产要求。

Monocrystalline silicon pressure sensitive diaphragm structure and manufacturing method thereof

The invention provides a monocrystalline silicon pressure sensitive diaphragm structure and a manufacturing method thereof, wherein the pressure sensitive diaphragm mainly comprises a monocrystalline silicon sensitive film, a monocrystalline silicon beam island and a micro column. The micro column in the micro hole is released above and a silicon annular column wrapped with a solid column composed of polysilicon, polysilicon solid column part embedded inside the micro hole tight release, the upper part of the vertical suspended over the silicon sensitive thin film. The micro column can meet the air tightness of suture silicon sensitive diaphragm micro hole release requirements, but also to avoid the release of micro hole sidewall passivation layer residual stress and thermal mismatch caused by the effect of stress on mechanical properties of monocrystalline silicon sensitive diaphragm, improve the mechanical properties of diaphragm in stability under different temperature environment. The sensitive diaphragm of the invention can be widely applied to the research and development of the MEMS mechanical sensor with high accuracy and high stability, and has the advantages of simple manufacturing process, low cost and suitability for mass production.

【技术实现步骤摘要】
单晶硅压力敏感膜片结构及其制作方法
本专利技术属于硅微机械传感器
，涉及一种新型的单晶硅压力敏感膜片结构及其制作方法，属于硅微机械传感器

技术介绍
随着MEMS技术迅猛发展，基于MEMS微机械加工技术制作的硅基压力传感器以其尺寸小、高性能等优势被广泛应用于航空航天、生化检测、医疗仪器等领域。尤其是近年来，伴随着电子消费类产品异军突起，如：手机、汽车电子、可穿戴式产品等对MEMS压力传感器的巨大市场需求，压力传感器芯片市场竞争日趋白热化，这些促使了硅基压力传感器沿着更小型化、更低成本、更高性能方向发展。作为硅基压力传感器的一个重要核心检测单元，压力敏感膜片力学性能的好坏直接决定了传感器性能的优劣。传统压力传感器通常是通过单晶硅片背面各向异性湿法刻蚀方式来制作压力传感器敏感膜片，然后再通过硅-硅(或硅-玻璃)键合来形成压力参考腔体，这种制作的单晶硅压力敏感膜片虽然具有完美的力学性能，但是该种方式制作后压力传感器存在如下不足：(1)尺寸较大、工艺复杂且与IC制作工艺不能兼容，成本比较高；(2)由于单晶硅圆片自身厚度均匀性一般在±10μm左右，因此这种靠背面刻蚀方法所制备的单晶硅压力敏感膜片厚度均匀性差；(3)键合结构所导致了残余应力以及键合材料之间热不匹配导致传感器热学性能不稳定。为了解决这一问题，RobertBosch于2003年提出了一种新型的单晶硅压力敏感膜片单硅片单面制备方法，这就是目前著名的SON(SiliconOnNothing)压力传感器工艺。这种工艺首先在压力敏感膜片区域通过氢氟酸(HF)阳极氧化制作多孔硅，然后进行高温退火形成真空腔体，再通过单晶硅外延形成单晶硅压力敏感膜片。[S.Armbruster,F.Schafer,G.Lammel,etal.AnovelmicromachiningprocessforthefabricationofmonocrystallineSi-membranesusingporoussilicon,Transducres2003,2003,pp.246-249]。这种单晶硅压力敏感膜片具有敏感膜片厚度均匀性好，制作后压力传感器尺寸小等优势，因此在市场上具有很强的市场竞争力。但是这种单晶硅压力敏感薄片具有以下几点不足：(1)多孔硅高温退火熔融后形成的单晶硅压力敏感膜片边缘形状精确控制不是很好，膜片边缘的圆角瑕疵会对压力测量精度带来一定的负面影响；(2)采用多孔硅之上外延的单晶硅，不仅成本较高而且其外延层的质量总是不如原始的单晶硅膜片，因此这种缺陷会对传感器性能和成品率带来不利影响；(3)这种多孔硅工艺只适合在其自己的车间内生产，没有IC半导体代加工厂可以运行这样的特殊工艺。为了解决上述问题，中国科学院上海微系统所王家畴等人提出了一种MIS(MicroholesInteretch&Sealing)制备压力传感器工艺。该工艺与RobertBosch提出的SON工艺一样都是一种单硅片单面微机械加工工艺，但是后者制备工艺更为简单。MIS工艺首先在单晶硅片上刻蚀两排微型释放窗口，然后再通过微型释放窗口在单晶硅片内部腐蚀释放单晶硅压力敏感薄膜，最后利用LPCVD沉积多晶硅来填堵微型释放窗口以形成完整的压力敏感薄膜，[J.C.Wang,X.X.Li.Single-SideFabricatedPressureSensorsforIC-FoundryCompatible,High-Yield,andLow-CostVolumeProduction,IEEEElectronDeviceLetters,vol.32,no.7,pp.979-981,July.2011]。MIS工艺制备的单晶硅压力敏感膜片虽然解决了上述单晶硅压力敏感膜片结构及其制作工艺所存在的不足，但是仍然存在以下几点不足：(1)由于微型释放窗口侧壁的氧化硅钝化层难以完全腐蚀干净，因此残留的氧化硅钝化层残余应力会对单晶硅敏感薄膜力学性能带来不利影响；(2)微型释放窗口填充材料在沉积过程中所引入的内在残余应力也会直接作用在单晶硅压力敏感膜片上，从而进一步恶化敏感膜片的力学特性。鉴于此，有必要设计一种新的方法与结构以解决上述问题。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种单晶硅压力敏感膜片结构及其制作方法。用于解决现有技术中单晶硅压力敏感膜片的力学不稳定性、不可靠性并且噪声抑制能力弱的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种单晶硅压力敏感膜片结构及其制作方法。所述制作方法至少包括以下步骤：1)提供一单晶硅片；2)在所述单晶硅片正面沉积钝化层；根据预设的微型释放孔图形在所述钝化层上刻蚀形成窗口；3)利用Deep-RIE工艺自所述窗口刻蚀形成若干微型释放孔；4)继续沉积保护层并覆盖所述微型释放孔内壁；5)利用RIE工艺刻蚀掉位于微型释放孔底部的保护层，然后再利用Deep-RIE工艺沿着该微型释放孔底部继续刻蚀直至所需深度；6)利用TMAH腐蚀溶液，从步骤5)之后获得的微型释放孔底部沿<211>和<110>晶向分别腐蚀释放单晶硅薄膜，然后再利用BOE溶液腐蚀掉微型释放孔侧壁残余的保护层；7)沉积多晶硅填堵缝合所述微型释放孔，然后去除所述单晶硅薄膜上方的多晶硅；8)在所述单晶硅薄膜正面利用Deep-RIE工艺刻蚀出位于单晶硅敏感薄膜上表面的梁-岛结构以及位于所述梁-岛结构两侧的至少一排微型柱；所述微型柱位于所述微型释放孔上方。本专利技术还提供一种单晶硅压力敏感膜片结构，所述单晶硅压力敏感膜片结构包括形成于单晶硅片上的单晶硅敏感膜；形成于所述单晶硅敏感膜上的梁-岛结构；所述梁-岛结构两侧的单晶硅敏感膜上设有至少一排微型释放孔；所述微型释放孔上方形成有微型柱。本专利技术中的敏感膜片结构包括单晶硅敏感薄膜、单晶硅梁-岛结构以及微型柱三个部分，其中微型柱位于微型释放孔的正上方，由单晶硅环形柱和包裹在单晶硅环形柱内部的填充后微型释放孔实心柱组成。其中，微型柱(包括，夹在单晶硅环形柱与填充物实心柱之间的微型释放孔侧壁)大部分被竖直悬在敏感薄膜的上方，只有根部一小部分与单晶硅敏感薄膜相连，因此微型释放孔侧壁的残留钝化层及其填堵材料的残余应力都可直接通过悬浮的微型柱自身释放掉，不会对单晶硅压力敏感膜片力学性能带来不利影响，从而大大提高了单晶硅压力敏感膜片的力学稳定性和可靠性，增强了单晶硅压力敏感膜片的噪声抑制能力。此外，本专利技术制备工艺非常简单，就是在释放孔填堵后的单晶硅薄膜基础上利用干法刻蚀一次性刻蚀出单晶硅敏感薄膜、单晶硅梁-岛结构以及微型柱。附图说明图1显示为本专利技术的一种单晶硅压力敏感膜片结构的三维结构示意图。图2显示为本专利技术的一种单晶硅压力敏感膜片结构的实物SEM扫描电镜图。图3显示为本专利技术的一种单晶硅压力敏感膜片结构中的微型柱局部放大SEM扫描电镜图。图4a-4f显示为本专利技术的一种新型的单晶硅压力敏感膜片结构的制作工艺流程图，其中图4a为干法刻蚀微型释放孔示意图；图4b为释放孔侧壁沉积钝化层示意图；图4c为刻蚀牺牲层示意图；图4d为腐蚀释放单晶硅薄膜示意图；图4e为填堵微型释放孔缝合单晶硅薄膜示意图；图4f为干法刻蚀出单晶硅敏感薄膜、单晶硅梁-岛结构以及微本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单晶硅压力敏感膜片结构制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括以下步骤：1)提供一单晶硅片；2)在所述单晶硅片正面沉积钝化层；根据预设的微型释放孔图形在所述钝化层上刻蚀形成窗口；3)利用Deep‑RIE工艺自所述窗口刻蚀形成若干微型释放孔；4)继续沉积保护层并覆盖所述微型释放孔内壁；5)利用RIE工艺刻蚀掉位于微型释放孔底部的保护层，然后再利用Deep‑RIE工艺沿着该微型释放孔底部继续刻蚀直至所需深度；6)利用TMAH腐蚀溶液，从步骤5)之后获得的微型释放孔底部沿<211>和<110>晶向分别腐蚀释放单晶硅薄膜，然后再利用BOE溶液腐蚀掉微型释放孔侧壁残余的保护层；7)沉积多晶硅填堵缝合所述微型释放孔，然后去除所述单晶硅薄膜上方的多晶硅；8)在所述单晶硅薄膜正面利用Deep‑RIE工艺刻蚀出位于单晶硅敏感薄膜上表面的梁‑岛结构以及位于所述梁‑岛结构两侧的至少一排微型柱；所述微型柱位于所述微型释放孔上方。

【技术特征摘要】
1.一种单晶硅压力敏感膜片结构制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括以下步骤：1)提供一单晶硅片；2)在所述单晶硅片正面沉积钝化层；根据预设的微型释放孔图形在所述钝化层上刻蚀形成窗口；3)利用Deep-RIE工艺自所述窗口刻蚀形成若干微型释放孔；4)继续沉积保护层并覆盖所述微型释放孔内壁；5)利用RIE工艺刻蚀掉位于微型释放孔底部的保护层，然后再利用Deep-RIE工艺沿着该微型释放孔底部继续刻蚀直至所需深度；6)利用TMAH腐蚀溶液，从步骤5)之后获得的微型释放孔底部沿<211>和<110>晶向分别腐蚀释放单晶硅薄膜，然后再利用BOE溶液腐蚀掉微型释放孔侧壁残余的保护层；7)沉积多晶硅填堵缝合所述微型释放孔，然后去除所述单晶硅薄膜上方的多晶硅；8)在所述单晶硅薄膜正面利用Deep-RIE工艺刻蚀出位于单晶硅敏感薄膜上表面的梁-岛结构以及位于所述梁-岛结构两侧的至少一排微型柱；所述微型柱位于所述微型释放孔上方。2.根据权利要求1所述的单晶硅压力敏感膜片结构制...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昕欣，王家畴，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31