一种基于石墨烯的MEMS声学传感器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于石墨烯的MEMS声学传感器及其制作方法，所述MEMS声学传感器从下到上依次包括传感器衬底、下电极、隔离层、金属图形、石墨烯薄膜、支撑层和上电极，所述传感器衬底中包含贯穿整个传感器衬底上下的空腔，所述下电极位于传感器衬底上方，所述下电极上方为隔离层，所述隔离层上方采用金属图形连接石墨烯薄膜，且在隔离层的边缘还包括金属互连层，所述金属图形位于所述石墨烯薄膜的两端内侧，所述石墨烯的两端作为引出端，所述石墨烯薄膜通过支撑层连接位于其上方的上电极，其中，石墨烯薄膜采用离子注入工艺形成。本发明专利技术提供的一种基于石墨烯的MEMS声学传感器采用石墨烯薄膜最为震动膜，提高了传感器的性能。

A MEMS acoustic sensor and manufacturing method thereof based on graphene

The invention discloses a MEMS acoustic sensor and its making method based on graphene, from bottom to top, the lower electrode comprises a sensor substrate, isolation layer, the metal pattern, graphene film, support layer and the upper electrode of the MEMS acoustic sensor, the sensor substrate contains the sensor substrate through the cavity under the and the lower electrode of the sensor substrate, the upper part of the lower electrode is the insulating layer, the insulating layer above the metal pattern connecting graphene film, and the edge of the isolation layer also includes a metal interconnection layer, inside the two ends of the metal pattern in the graphene films, both ends of the graphene as the terminal, the graphene film on the electrode connection, placed above the support layer by the injection process to form graphene films by ion. The invention provides a graphene based MEMS acoustic sensor, which uses graphene film as the most vibrating film to improve the performance of the sensor.

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯的MEMS声学传感器及其制作方法
本专利技术涉及传感器领域，具体涉及一种基于石墨烯的MEMS声学传感器及其制作方法。
技术介绍
声学传感器是把外界声场中的声信号转换成电信号的传感器，其在通讯、噪声控制、环境检测、音质评价、文化娱乐、超声检测、水下探测和生物医学工程及医学方面有广泛的应用。近年来，消费者电子器件正逐渐变得更小，并且随着技术进步正得到增加的性能和功能。这在消费者电子产品诸如移动电话、笔记本电脑中使用的技术中显而易见。比如，移动电话工业的要求正驱动部件以更高的功能性和减少的成本而变得更小。因此期望将电子电路的功能集成在一起并且将它们与传感器器件组合。这就促进了基于微机电系统(MEMS)的声学传感器的发展。石墨烯作为一种机械特性和电学特性优异的材料，其面积质量比高，石墨烯作为MEMS声学传感器的震动膜，比传统的硅膜、金属膜具有更好的结构一致性、更强的柔韧性，以石墨烯作为震动膜的声学传感器将会实现更高的灵敏度、分辨率，使声音的检测数据更加精准可靠，从而提高声学传感器的性能。但是传统的石墨烯生产工艺很难和现有的CMOS或MEMS工艺兼容，无法将石墨烯材料很好地引入声学传感器中。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于石墨烯的MEMS声学传感器及其制作方法，在制作过程中，将石墨烯的生产工艺和声学传感器其他部件分开制作，既能够使用现有高质量石墨烯薄膜的生产工艺，又能兼容MEMS工艺，从而将石墨烯薄膜引入声学传感器中作为震动膜，提高传感器的性能。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于石墨烯的MEMS声学传感器的制作方法，包括以下步骤：S01：在金属衬底上形成石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜上制备牺牲层Ⅰ，并在牺牲层Ⅰ中图形化沉积金属并平坦化，形成位于牺牲层Ⅰ中的金属图形Ⅰ；S02：在临时衬底Ⅰ上制备牺牲层Ⅱ，并在牺牲层Ⅱ中图形化沉积金属并平坦化，形成位于牺牲层Ⅱ中的金属图形Ⅱ和金属互连层，在牺牲层Ⅱ上方沉积隔离层，其中金属互连层贯穿牺牲层Ⅱ和隔离层，位于牺牲层Ⅱ和隔离层的边缘，在隔离层的上方制作下电极；S03：将临时衬底Ⅰ中的下电极和衬底键合，并去除临时衬底Ⅰ，此时，所述传感器衬底上方依次为下电极、隔离层和牺牲层Ⅱ；S04：将金属衬底上的牺牲层Ⅰ和传感器衬底上的牺牲层Ⅱ键合形成牺牲层A，其中，金属图形Ⅰ和金属图形Ⅱ对应形成金属图形，并去除石墨烯薄膜上的金属衬底；S05：在石墨烯薄膜上通过牺牲层和支撑层连接上电极；S06：刻蚀传感器衬底，形成带有空腔的传感器衬底；S07：刻蚀牺牲层A和牺牲层B、石墨烯薄膜和上电极，形成石墨烯薄膜位于上电极和下电极中间的MEMS声学传感器，其中，金属互连层作为下电极的引出端，石墨烯两端为引出端。进一步地，所述步骤S05中制备连接上电极的具体步骤为：S0501：在石墨烯薄膜上方沉积牺牲层B，并在牺牲层Ⅲ中填充支撑层；S0502：在牺牲层B上制作上电极。进一步地，所述步骤S05中制备连接上电极的具体步骤为：T0501：在石墨烯薄膜上沉积牺牲层Ⅲ，并在牺牲层Ⅲ中填充支撑层Ⅰ；T0502：在临时衬底Ⅲ上制作上电极，并在上电极上制作牺牲层Ⅳ，并在牺牲层Ⅳ中填充支撑层Ⅱ，T0503：将牺牲层Ⅲ和牺牲层Ⅳ键合起来形成牺牲层B，支撑层Ⅰ和支撑层Ⅱ对应形成支撑层，并去除临时衬底Ⅲ。进一步地，所述石墨烯薄膜采用高温化学气相沉积工艺或者离子注入工艺形成。进一步地，所述金属图形Ⅰ、金属图形Ⅱ为Al或Au。进一步地，所述上电极和下电极为硅和/或锗化硅。进一步地，所述金属衬底为铜衬底或镍衬底。进一步地，所述临时衬底Ⅰ为硅衬底或玻璃衬底。进一步地，所述衬底为硅衬底。本专利技术提供的一种基于石墨烯的MEMS声学传感器，所述MEMS声学传感器从下到上依次包括传感器衬底、下电极、隔离层、金属图形、石墨烯薄膜、支撑层和上电极，所述传感器衬底中包含贯穿整个传感器衬底上下的空腔，所述下电极位于传感器衬底上方，所述下电极上方为隔离层，所述隔离层上方采用金属图形连接石墨烯薄膜，且在隔离层的边缘还包括将下电极引出的金属互连层，所述金属图形位于所述石墨烯薄膜的两端内侧，所述石墨烯的两端作为引出端，所述石墨烯薄膜通过支撑层连接位于其上方的上电极。本专利技术的有益效果为：采用离子注入工艺或高温化学气相沉积工艺可以得到高质量的石墨烯薄膜，从而提高声学传感器的性能；将石墨烯薄膜的制作工艺和传感器的工艺分开制作，再将不同部件键合在一起，彼此之间的工艺及性能不会相互影响，保证最终MEMS声学传感器的优异性能。附图说明图1-图8为一种基于石墨烯的MEMS声学传感器的制作方法的剖面图。图中，11金属衬底，12临时衬底Ⅰ，13传感器衬底，2石墨烯薄膜，3牺牲层A，31牺牲层Ⅰ，32牺牲层Ⅱ，33牺牲层B，4金属图形，41金属图形Ⅰ，42金属图形Ⅱ，421金属互连层，5隔离层，6下电极，7支撑层，8上电极，9空腔。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步的详细说明。本专利技术提供的一种基于石墨烯的MEMS声学传感器的制作方法，包括以下步骤：S01：如图1所示，在金属衬底11上形成石墨烯薄膜2，在石墨烯薄膜2上制备牺牲层Ⅰ31，并在牺牲层Ⅰ31中图形化沉积金属并平坦化，形成位于牺牲层Ⅰ31中的金属图形Ⅰ41。其中，石墨烯薄膜的制作方法采用离子注入工艺形成，在金属材料的表面离子注入碳团簇离子，再经过高温退火，使得碳离子析出，形成石墨烯薄膜。同时，石墨烯薄膜的制作方法也可以采用高温化学沉积工艺，通过沉积碳原子形成石墨烯薄膜。其中，金属衬底可以选用金属铜或者金属镍等金属材料。牺牲层为氧化硅层，可以通过物理气相沉积法形成氧化硅层或者旋涂法形成氧化硅层，同时牺牲层Ⅰ也可以为聚酰亚胺薄膜。S02：如图2所示，在临时衬底Ⅰ12上制备牺牲层Ⅱ32，并在牺牲层Ⅱ32中图形化沉积金属并平坦化，形成位于牺牲层Ⅱ32中的金属图形Ⅱ42和金属互连层421，在牺牲层Ⅱ32上方沉积隔离层5，其中金属互连层421贯穿牺牲层Ⅱ32和隔离层5，位于牺牲层Ⅱ和隔离层的边缘，在隔离层5的上方制作下电极6。其中，临时衬底Ⅰ可以为硅衬底或者玻璃衬底，牺牲层Ⅱ与牺牲层Ⅰ的材质相同，并且金属图形Ⅰ和金属图形Ⅱ在垂直方向上相对应，方便后期键合在一起之后，共同形成金属图形，所以金属图形Ⅰ和金属图形Ⅱ均可选用铝、金等导电性能较好的金属。其中，位于牺牲层Ⅱ和隔离层的边缘并贯穿牺牲层Ⅱ和隔离层的金属互连层起到导电的作用，作为下电极的引出端。下电极可以是硅、锗化硅等导电材料。S03：如图3、图4所示，将临时衬底Ⅰ中的下电极6和传感器衬底13键合，并去除临时衬底Ⅰ12。此时，下电极位于衬底的上方，下电极往上依次为隔离层和牺牲层Ⅱ。传感器衬底应该选用硅衬底。S04：如图5所示，将金属衬底11上的牺牲层Ⅰ31和传感器衬底13上的牺牲层Ⅱ32键合形成牺牲层A3，其中，金属图形Ⅰ和金属图形Ⅱ对应形成金属图形4，并去除石墨烯薄膜上的金属衬底11。此时，传感器衬底上方依次为下电极、隔离层、牺牲层和石墨烯薄膜，其中，金属图形位于牺牲层中，连接隔离层和石墨烯薄膜，金属互连层位于隔离层和牺牲层Ⅱ中。因为牺牲层Ⅰ和牺牲层Ⅱ同为氧化硅层或者聚酰亚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨烯的MEMS声学传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：S01：在金属衬底上形成石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜上制备牺牲层Ⅰ，并在牺牲层Ⅰ中图形化沉积金属并平坦化，形成位于牺牲层Ⅰ中的金属图形Ⅰ；S02：在临时衬底Ⅰ上制备牺牲层Ⅱ，并在牺牲层Ⅱ中图形化沉积金属并平坦化，形成位于牺牲层Ⅱ中的金属图形Ⅱ和金属互连层，在牺牲层Ⅱ上方沉积隔离层，其中金属互连层贯穿牺牲层Ⅱ和隔离层，位于牺牲层Ⅱ和隔离层的边缘，在隔离层的上方制作下电极；S03：将临时衬底Ⅰ中的下电极和传感器衬底键合，并去除临时衬底Ⅰ，此时，所述传感器衬底上方依次为下电极、隔离层和牺牲层Ⅱ；S04：将金属衬底上的牺牲层Ⅰ和传感器衬底上的牺牲层Ⅱ键合形成牺牲层A，其中，金属图形Ⅰ和金属图形Ⅱ对应形成金属图形，并去除石墨烯薄膜上的金属衬底；S05：在石墨烯薄膜上通过牺牲层B和支撑层连接上电极；S06：刻蚀传感器衬底，形成带有空腔的传感器衬底；S07：刻蚀牺牲层A、牺牲层B、石墨烯薄膜和上电极，形成石墨烯薄膜位于上电极和下电极中间的MEMS声学传感器，其中，金属互连层作为下电极的引出端，石墨烯两端为引出端。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯的MEMS声学传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：S01：在金属衬底上形成石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜上制备牺牲层Ⅰ，并在牺牲层Ⅰ中图形化沉积金属并平坦化，形成位于牺牲层Ⅰ中的金属图形Ⅰ；S02：在临时衬底Ⅰ上制备牺牲层Ⅱ，并在牺牲层Ⅱ中图形化沉积金属并平坦化，形成位于牺牲层Ⅱ中的金属图形Ⅱ和金属互连层，在牺牲层Ⅱ上方沉积隔离层，其中金属互连层贯穿牺牲层Ⅱ和隔离层，位于牺牲层Ⅱ和隔离层的边缘，在隔离层的上方制作下电极；S03：将临时衬底Ⅰ中的下电极和传感器衬底键合，并去除临时衬底Ⅰ，此时，所述传感器衬底上方依次为下电极、隔离层和牺牲层Ⅱ；S04：将金属衬底上的牺牲层Ⅰ和传感器衬底上的牺牲层Ⅱ键合形成牺牲层A，其中，金属图形Ⅰ和金属图形Ⅱ对应形成金属图形，并去除石墨烯薄膜上的金属衬底；S05：在石墨烯薄膜上通过牺牲层B和支撑层连接上电极；S06：刻蚀传感器衬底，形成带有空腔的传感器衬底；S07：刻蚀牺牲层A、牺牲层B、石墨烯薄膜和上电极，形成石墨烯薄膜位于上电极和下电极中间的MEMS声学传感器，其中，金属互连层作为下电极的引出端，石墨烯两端为引出端。2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的MEMS声学传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤S05中制备连接上电极的具体步骤为：S0501：在石墨烯薄膜上方沉积牺牲层B，并在牺牲层Ⅲ中填充支撑层；S0502：在牺牲层B上制作上电极。3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的MEMS声学传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤S05中制备连接上电极的具体步骤为：T0501：在石墨烯薄膜上沉积牺牲层Ⅲ，并在牺牲层Ⅲ中填充支撑层...

【专利技术属性】
技术研发人员：康晓旭，
申请(专利权)人：上海集成电路研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31