一种MEMS岛-梁-膜装置的制作方法

本实用新型涉及一种MEMS岛-梁-膜装置，属于传感器技术领域。

背景技术：

MEMS传感器，如MEMS压力传感器，通常采用平模结构作为感应压力的敏感膜。平模结构的传统制作工艺为半导体微加工中的各向异性湿法腐蚀，即利用半导体材料，如单晶硅的不同晶向在碱溶液中具有不同的腐蚀速率来形成膜结构。该工艺的缺点是效率低、一致性差、晶圆利用率低等。随着半导体微加工技术的进步，预埋空腔的绝缘衬底上硅(Cavity-SOI，简称C-SOI)越来越多地被用于MEMS传感器制作，并逐渐取代各向异性湿法腐蚀技术来制作感应压力的敏感膜。C-SOI工艺克服了传统湿法腐蚀工艺的缺点，制作的平模结构一致性好、晶圆利用率高、与IC工艺兼容、效率高、能够大规模批量化生产。

对于中高量程(10kpa以上)的MEMS压力传感器来说，使用平模结构时能够很容易达到优异的性能和稳定性；但对于低量程(1～10kpa)或者超低量程(小于1kpa)来说，为达到合适的灵敏度，通常需要使用较薄的平模结构，比如几微米。这种薄膜结构在承受压力后，变形往往很大，不仅使得传感器具有较大的非线性，而且传感器正反面的灵敏度和非线性不对称性，即对称性差，进而降低测量精度；同时，使用较薄的平模结构的MEMS传感器很容易受到外界应力的影响，对后续的封装、测试以及使用带来足多不便，严重的还会造成MEMS传感器寿命减少甚至失效。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于，提供一种MEMS岛-梁-膜装置，其具有能够有效的改善MEMS传感器的非线性和对称性、具有优异的鲁棒性，对外界应力具有较强的抵抗性，方便后续的封装、测试以及使用等优点。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案在于，一种MEMS岛-梁-膜装置，包括支撑结构、粘接层和器件层，所述支撑结构和器件层之间通过粘接层粘接在一起；所述支撑结构的中间位置设置有背腔和空腔；所述背腔贯穿支撑结构到空腔内，并与空腔相互连通；所述空腔从支撑结构的上表面向下延伸，不贯穿支撑结构；所述器件层上设置有一不贯穿的岛-梁-膜结构。

作为优选，所述岛-梁-膜结构包括薄膜、膜上岛、连接梁和固支结构；在所述器件层上刻蚀或腐蚀出若干个底部和四周均不贯通、且形状和深度均相同的凹槽，留出中间的膜上岛后形成薄膜以及连接梁，围绕在岛-梁-膜周边的部分形成固支结构。

上述结构为本实用新型MEMS岛-梁-膜装置的一种结构组成，作为优选，本实用新型还可以为另一种结构，即还包括一质量块，所述质量块通过粘接层粘接在器件层的底部中间位置，其与膜上岛一起组成岛-梁-膜结构的岛结构。

作为优选，所述背腔、空腔以及凹槽通过干法刻蚀或者各向异性湿法腐蚀的方式形成。

作为优选，所述质量块的形状为正方体、长方体、圆柱体或台体以及上述形体的不规则变形。

本实用新型还公开了一种MEMS岛-梁-膜装置的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备支撑结构基底上的空腔结构；

(2)制备器件层基底以及粘接层；

(3)器件层基底与支撑结构基底的粘接；

(4)器件层的形成；

(5)岛-梁-膜结构的形成；

(6)支撑结构的形成。

本实用新型的MEMS岛-梁-膜装置有两种不同的结构，针对每种结构的制备方法则有所不同，具体体现在：

一、用于制备第一种MEMS岛-梁-膜结构的步骤包括：

(a)支撑结构基底上空腔的制作：

先在支撑结构基底上旋转涂覆一层光刻胶，作为干法刻蚀的掩膜层；

然后烘烤、光刻、显影出空腔图形；干法刻蚀一定深度的支撑结构基底，将空腔图形转移到支撑结构基底上，形成空腔和支柱；

最后去除光刻胶；

(b)器件层基底以及粘结层的制作：

选择器件层基底，典型为n型(100)低电阻率硅晶圆；

然后以热氧化或CVD的方式生长一层粘结层氧化硅；

(c)器件层基底与支撑结构基底的粘结：

器件层基底与支撑结构基底通过半导体工艺中的晶圆键合技术粘结在一起；所述晶圆键合先将表面平整、光滑、洁净的两片晶圆接触，通过较弱的物理力粘结在一起；然后通过高温退火，如1100℃退火2个小时，形成较强的化学力粘结。

将空腔和支柱预埋于器件层基底和支撑结构基底之间，支柱通过粘结层粘附到器件层基底上；

(d)器件层的形成：

器件层基底减薄、抛光到预设厚度，形成由支柱支撑着的器件层；所述减薄方式为化学机械研磨(CMP)减薄和/或化学腐蚀减薄；

(e)岛-梁-膜结构的形成：

器件层通过半导体工艺中的干法刻蚀或湿法腐蚀的方法制作出若干一定深度和图形的凹槽，形成位于空腔和支柱上、包括含有薄膜、膜上岛以及若干连接梁的岛-梁-膜和围绕岛-梁-膜四周的固支结构；

(f)支撑结构的形成：

支撑结构基底上涂覆光刻胶，烘烤、光刻、显影背腔图形；

然后干法刻蚀支撑结构基底到空腔处，继续刻蚀掉支柱并停止在粘结层上，形成支撑结构；

最后去除光刻胶，保留或者用氢氟酸溶液或者蒸汽腐蚀掉暴露在空腔中的粘结层，形成MEMS岛-梁-膜装置。

作为优选，在上述的步骤(a)中支撑结构基底上空腔的制作采用半导体工艺中的各向异性湿法腐蚀，其流程为：

先在支撑结构基底以热氧化或CVD的方式生长一层氧化硅或氧化硅、氮化硅复合层，作为湿法腐蚀的掩膜层；

然后旋转涂覆光刻胶，烘烤、光刻、显影出空腔图形；湿法腐蚀或干法刻蚀氧化硅或氧化硅、氮化硅复合层，将空腔图形转移到氧化硅或氧化硅、氮化硅复合层上，去除光刻胶；

各向异性湿法腐蚀一定深度的支撑结构基底，将空腔图形转移到支撑结构基底上，形成空腔和支柱，最后湿法腐蚀掉掩膜层；

二、用于制备第一种MEMS岛-梁-膜结构，还可以采用如下的步骤：

(a)支撑结构基底上空腔的制作：

先在支撑结构基底上旋转涂覆一层光刻胶，作为干法刻蚀的掩膜层；

然后烘烤、光刻、显影出空腔图形；干法刻蚀一定深度的支撑结构基底，将空腔图形转移到支撑结构基底上，形成空腔；

最后去除光刻胶；

(b)器件层基底以及粘结层的制作：

选择器件层基底，典型为n型(100)低电阻率硅晶圆；

然后以热氧化或CVD的方式生长一层粘结层氧化硅；

(c)器件层基底与支撑结构基底的粘结：

器件层基底与支撑结构基底通过半导体工艺中的晶圆键合技术粘结在一起，将空腔预埋于器件层基底和支撑结构基底之间；所述晶圆键合先将表面平整、光滑、洁净的两片晶圆接触，通过较弱的物理力粘结在一起；然后通过高温退火，如1100℃退火2个小时，形成较强的化学力粘结。

(d)器件层的形成：

器件层基底减薄、抛光到预设厚度，形成位于空腔上的器件层；所述减薄方式为化学机械研磨(CMP)减薄和/或化学腐蚀减薄；

(e)岛-梁-膜结构的形成：

器件层通过半导体工艺中的干法刻蚀或湿法腐蚀的方法制作出若干一定深度和图形的凹槽，形成位于空腔上、包括含有薄膜、膜上岛以及若干连接梁的岛-梁-膜和围绕岛-梁-膜四周的固支结构；

(f)支撑结构的形成：

支撑结构基底上涂覆光刻胶，烘烤、光刻、显影背腔图形；

然后干法刻蚀支撑结构基底到空腔处，形成支撑结构；

最后去除光刻胶，保留或者用氢氟酸溶液或者蒸汽腐蚀掉暴露在空腔中的粘结层，形成MEMS岛-梁-膜装置。

作为优选，在上述制备步骤(a)中支撑结构基底上空腔的制作采用半导体工艺中的各向异性湿法腐蚀，其流程为：

先在支撑结构基底以热氧化或CVD的方式生长一层氧化硅或氧化硅、氮化硅复合层，作为湿法腐蚀的掩膜层；

然后旋转涂覆光刻胶，烘烤、光刻、显影出空腔图形；湿法腐蚀或干法刻蚀氧化硅或氧化硅、氮化硅复合层，将空腔图形转移到氧化硅或氧化硅、氮化硅复合层上，去除光刻胶；

各向异性湿法腐蚀一定深度的支撑结构基底，将空腔图形转移到支撑结构基底上，形成空腔，最后湿法腐蚀掉掩膜层；

三、用于制备第二种MEMS岛-梁-膜结构的步骤包括：

(a)支撑结构基底上空腔的制作：

先在支撑结构基底上旋转涂覆一层光刻胶，作为干法刻蚀的掩膜层；

然后烘烤、光刻、显影出空腔图形；干法刻蚀一定深度的支撑结构基底，将空腔图形转移到支撑结构基底上，形成空腔和支柱；

最后去除光刻胶；

(b)器件层基底以及粘结层的制作：

选择器件层基底，典型为n型(100)低电阻率硅晶圆；

然后以热氧化或CVD的方式生长一层粘结层氧化硅；

(c)器件层基底与支撑结构基底的粘结：

器件层基底与支撑结构基底通过半导体工艺中的晶圆键合技术粘结在一起，将空腔和支柱预埋于器件层基底和支撑结构基底之间，支柱通过粘结层粘附到器件层基底上；所述晶圆键合先将表面平整、光滑、洁净的两片晶圆接触，通过较弱的物理力粘结在一起；然后通过高温退火，如1100℃退火2个小时，形成较强的化学力粘结

(d)器件层的形成：

器件层基底减薄、抛光到预设厚度，形成由支柱支撑着的器件层；所述减薄方式为化学机械研磨(CMP)减薄和/或化学腐蚀减薄；

(e)岛-梁-膜结构的形成：

器件层通过半导体微加工工艺中的干法刻蚀或湿法腐蚀的方法制作出若干一定深度和图形的凹槽，形成位于空腔和支柱上、包括含有薄膜、膜上岛以及若干连接梁的岛-梁-膜和围绕岛-梁-膜四周的固支结构；

(f)支撑结构的形成：

支撑结构基底上涂覆光刻胶，烘烤、光刻、显影背腔图形；

然后干法刻蚀支撑结构基底到空腔处，形成支撑结构，并保留部分的固支结构后形成质量块；

最后去除光刻胶，保留或者用氢氟酸溶液或者蒸汽腐蚀掉暴露在空腔中的粘结层，形成包括质量块和位于其上的粘附层的MEMS岛-梁-膜装置；

作为优选，在上述步骤(a)中支撑结构基底上空腔的制作采用半导体工艺中的各向异性湿法腐蚀，其流程为：

先在支撑结构基底上以热氧化或CVD的方式生长一层氧化硅或氧化硅、氮化硅复合层，作为湿法腐蚀的掩膜层；

然后旋转涂覆光刻胶，烘烤、光刻、显影出空腔图形；

湿法腐蚀或干法刻蚀氧化硅或氧化硅、氮化硅复合层，将空腔图形转移到氧化硅或氧化硅、氮化硅复合层上，去除光刻胶；

各向异性湿法腐蚀一定深度的支撑结构基底，将空腔图形转移到支撑结构基底上，形成空腔和支柱，最后湿法腐蚀掉掩膜层。

本实用新型的有益效果：本实用新型的MEMS岛-梁-膜结构用于MEMS传感器的制备，其中膜结构在外界压力的作用下发生变形，实现压力的感测，其中薄膜承担主要形变；连接梁使得因变形而导致的应力更加集中，进而提高MEMS传感器的灵敏度；岛使得膜结构中心的变形受到一定的限制，进而改善MEMS传感器的非线性和对称性；有效的克服了平模结构中器件灵敏度与非线性之间的矛盾，同时改善了器件的对称性。本实用新型所述的MEMS岛-梁-膜结构，通过设计和制备在厚度上差异化的薄膜、梁和岛，有效的克服了平模结构易受外界应力的影响，具有优异的鲁棒性，对外界应力具有较强的抵抗性，方便后续的封装、测试以及使用。同时，本实用新型所述的MEMS岛-梁-膜结构的制备工艺使用成熟的传统IC SOI晶圆键合技术来形成C-SOI晶圆，简单易行，效率高，与传统IC兼容，能够到达降低成本和大规模批量化生产的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本实用新型第一种MEMS岛-梁-膜装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例一用于制备第一种MEMS岛-梁-膜装置的工艺流程图；

图3为本实用新型实施例二用于制备第一种MEMS岛-梁-膜装置的工艺流程图；

图4为本实用新型第二种MEMS岛-梁-膜装置的结构示意图；

图5为本实用新型实施例三用于制备第二种MEMS岛-梁-膜装置的工艺流程图；

图中，1.支撑结构，2.粘接层，3.器件层，4.背腔，5.空腔，6.薄膜，7.凹槽，8.膜上岛，9.连接梁，10.固支结构，11.岛-梁-膜，12.质量块，13.支柱。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合实施例对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，为本实用新型公开的第一种MEMS岛-梁-膜装置，包括支撑结构1、粘接层2和器件层3，所述支撑结构1和器件层3之间通过粘接层2粘接在一起；所述支撑结构1的中间位置设置有背腔4和空腔5，所述背腔4贯穿支撑结构1到空腔5内，并于空腔5相互连通；所述空腔5从支撑结构1的上表面向下延伸一定深度，不贯穿支撑结构1；所述器件层3上设置有一不贯穿的岛-梁-膜结构11。

所述岛-梁-膜结构包括薄膜6、膜上岛8、连接梁9和固支结构10；在所述器件层3上刻蚀或腐蚀出若干个底部和四周均不贯通、且形状和深度均相同的凹槽7，留出中间的膜上岛8后形成薄膜6以及连接梁9，围绕在岛-梁-膜11周边的部分形成固支结构10。

实施例一

如图2所示，用于制备第一种MEMS岛-梁-膜装置的步骤包括：

(a)支撑结构基底上空腔的制作：

先在支撑结构基底上旋转涂覆一层光刻胶，作为干法刻蚀的掩膜层；

然后烘烤、光刻、显影出空腔图形；干法刻蚀一定深度的支撑结构基底，将空腔图形转移到支撑结构基底上，形成空腔5和支柱13；

最后去除光刻胶；

(b)器件层基底以及粘结层的制作：

选择器件层基底，典型为n型(100)低电阻率硅晶圆；

然后以热氧化或CVD的方式生长一层粘结层氧化硅；

(c)器件层基底与支撑结构基底的粘结：

器件层基底与支撑结构基底通过半导体工艺中的晶圆键合技术粘结在一起；所述晶圆键合先将表面平整、光滑、洁净的两片晶圆接触，通过较弱的物理力粘结在一起；然后通过高温退火，如1100℃退火2个小时，形成较强的化学力粘结。

将空腔5和支柱13预埋于器件层基底和支撑结构基底之间，支柱13通过粘结层2粘附到器件层基底上；

(d)器件层的形成：

器件层基底减薄、抛光到预设厚度，形成由支柱13支撑着的器件层3；所述减薄方式为化学机械研磨(CMP)减薄和/或化学腐蚀减薄；

(e)岛-梁-膜结构的形成：

器件层3通过半导体工艺中的干法刻蚀或湿法腐蚀的方法制作出若干一定深度和图形的凹槽7，形成位于空腔5和支柱13上、包括含有薄膜6、膜上岛8以及若干连接梁9的岛-梁-膜11和围绕岛-梁-膜11四周的固支结构10；

(f)支撑结构的形成：

支撑结构基底上涂覆光刻胶，烘烤、光刻、显影背腔图形；

然后干法刻蚀支撑结构基底到空腔5处，继续刻蚀掉支柱并停止在粘结层上，形成支撑结构1；

最后去除光刻胶，保留或者用氢氟酸溶液或者蒸汽腐蚀掉暴露在空腔中的粘结层2，形成MEMS岛-梁-膜装置。

在上述的步骤(a)中支撑结构基底上空腔的制作还可以采用半导体工艺中的各向异性湿法腐蚀，其流程为：

先在支撑结构基底以热氧化或CVD的方式生长一层氧化硅或氧化硅、氮化硅复合层，作为湿法腐蚀的掩膜层；

然后旋转涂覆光刻胶，烘烤、光刻、显影出空腔图形；湿法腐蚀或干法刻蚀氧化硅或氧化硅、氮化硅复合层，将空腔图形转移到氧化硅或氧化硅、氮化硅复合层上，去除光刻胶；

各向异性湿法腐蚀一定深度的支撑结构基底，将空腔图形转移到支撑结构基底上，形成空腔5和支柱13，最后湿法腐蚀掉掩膜层。

实施例二

如图3所示，用于制备第一种MEMS岛-梁-膜结构，还可以采用如下的步骤：

(a)支撑结构基底上空腔的制作：

先在支撑结构基底上旋转涂覆一层光刻胶，作为干法刻蚀的掩膜层；

然后烘烤、光刻、显影出空腔图形；干法刻蚀一定深度的支撑结构基底，将空腔图形转移到支撑结构基底上，形成空腔5；

最后去除光刻胶；

(b)器件层基底以及粘结层的制作：

选择器件层基底，典型为n型(100)低电阻率硅晶圆；

然后以热氧化或CVD的方式生长一层粘结层氧化硅；

(c)器件层基底与支撑结构基底的粘结：

器件层基底与支撑结构基底通过半导体工艺中的晶圆键合技术粘结在一起，将空腔5预埋于器件层基底和支撑结构基底之间；所述晶圆键合先将表面平整、光滑、洁净的两片晶圆接触，通过较弱的物理力粘结在一起；然后通过高温退火，如1100℃退火2个小时，形成较强的化学力粘结。

(d)器件层的形成：

器件层基底减薄、抛光到预设厚度，形成位于空腔5上的器件层3；所述减薄方式为化学机械研磨(CMP)减薄和/或化学腐蚀减薄；

(e)岛-梁-膜结构的形成：

器件层通过半导体微加工工艺中的干法刻蚀或湿法腐蚀的方法制作出若干一定深度和图形的凹槽7，形成位于空腔5上、包括含有薄膜6、膜上岛8以及若干连接梁9的岛-梁-膜11和围绕岛-梁-膜11四周的固支结构10；

(f)支撑结构的形成：

支撑结构基底上涂覆光刻胶，烘烤、光刻、显影背腔图形；

然后干法刻蚀支撑结构基底到空腔5处，形成支撑结构1；

最后去除光刻胶，保留或者用氢氟酸溶液或者蒸汽腐蚀掉暴露在空腔5中的粘结层2，形成MEMS岛-梁-膜装置。

在上述制备步骤(a)中支撑结构基底上空腔5的制作还可以采用半导体工艺中的各向异性湿法腐蚀，其流程为：

先在支撑结构基底以热氧化或CVD的方式生长一层氧化硅或氧化硅、氮化硅复合层，作为湿法腐蚀的掩膜层；

然后旋转涂覆光刻胶，烘烤、光刻、显影出空腔图形；湿法腐蚀或干法刻蚀氧化硅，将空腔图形转移到氧化硅或氧化硅、氮化硅复合层上，去除光刻胶；

各向异性湿法腐蚀一定深度的支撑结构基底，将空腔图形转移到支撑结构基底上，形成空腔5，最后湿法腐蚀掉掩膜层。

如图4所示，为本实用新型公开的第二种MEMS岛-梁-膜装置，其还包括一质量块12，所述质量块12通过粘接层2粘接在器件层3的底部中间位置，其与膜上岛8一起组成岛-梁-膜11的岛结构。

所述背腔4、空腔5以及凹槽7通过干法刻蚀或者各向异性湿法腐蚀的方式形成。所述质量块12的形状为正方体、长方体、圆柱体或台体以及上述形体的不规则变形。

实施例三

用于制备第二种MEMS岛-梁-膜结构的步骤包括：

(a)支撑结构基底上空腔的制作：

先在支撑结构基底上旋转涂覆一层光刻胶，作为干法刻蚀的掩膜层；

然后烘烤、光刻、显影出空腔图形；干法刻蚀一定深度的支撑结构基底，将空腔图形转移到支撑结构基底上，形成空腔5和支柱13；

最后去除光刻胶；

(b)器件层基底以及粘结层的制作：

选择器件层基底，典型为n型(100)低电阻率硅晶圆；

然后以热氧化或CVD的方式生长一层粘结层2氧化硅；

(c)器件层基底与支撑结构基底的粘结：

器件层基底与支撑结构基底通过半导体工艺中的晶圆键合技术粘结在一起，将空腔5和支柱13预埋于器件层基底和支撑结构基底之间，支柱13通过粘结层2粘附到器件层基底上；所述晶圆键合先将表面平整、光滑、洁净的两片晶圆接触，通过较弱的物理力粘结在一起；然后通过高温退火，如1100℃退火2个小时，形成较强的化学力粘结

(d)器件层的形成：

器件层基底减薄、抛光到预设厚度，形成由支柱13支撑着的器件层3；所述减薄方式为化学机械研磨(CMP)减薄和/或化学腐蚀减薄；

(e)岛-梁-膜结构的形成：

器件层3通过半导体微加工工艺中的干法刻蚀或湿法腐蚀的方法制作出若干一定深度和图形的凹槽7，形成位于空腔5和支柱13上、包括含有薄膜6、膜上岛8以及若干连接梁9的岛-梁-膜11和围绕岛-梁-膜11四周的固支结构；

(f)支撑结构的形成：

支撑结构基底上涂覆光刻胶，烘烤、光刻、显影背腔图形；

然后干法刻蚀支撑结构基底到空腔5处，形成支撑结构1，并保留部分的支柱13后形成质量块12；

最后去除光刻胶，保留或者用氢氟酸溶液或者蒸汽腐蚀掉暴露在空腔5中的粘结层2，形成包括质量块12和位于其上的粘附层2的MEMS岛-梁-膜结构11；

作为优选，在上述步骤(a)中支撑结构基底上空腔的制作采用半导体工艺中的各向异性湿法腐蚀，其流程为：

先在支撑结构基底上以热氧化或CVD的方式生长一层氧化硅或氧化层、淡化层复合层，作为湿法腐蚀的掩膜层；

然后旋转涂覆光刻胶，烘烤、光刻、显影出空腔图形；

湿法腐蚀或干法刻蚀氧化硅或氧化层、淡化层复合层，将空腔图形转移到氧化硅或氧化层、淡化层复合层上，去除光刻胶；

各向异性湿法腐蚀一定深度的支撑结构基底，将空腔图形转移到支撑结构基底上，形成空腔和支柱，最后湿法腐蚀掉掩膜层。

本实用新型的MEMS岛-梁-膜结构用于MEMS传感器的制备，其中膜结构在外界压力的作用下发生变形，实现压力的感测，其中薄膜承担主要形变；梁使得因变形而导致的应力更加集中，进而提高MEMS传感器的灵敏度；岛使得膜结构中心的变形受到一定的限制，进而改善MEMS传感器的非线性和对称性；有效的克服了平模结构中器件灵敏度与非线性之间的矛盾，同时改善了器件的对称性。本实用新型所述的MEMS岛-梁-膜结构，通过设计和制备在厚度上差异化的薄膜、梁和岛，有效的克服了平模结构易受外界应力的影响，具有优异的鲁棒性，对外界应力具有较强的抵抗性，方便后续的封装、测试以及使用。同时，本实用新型所述的MEMS岛-梁-膜结构的制备工艺使用成熟的传统IC SOI晶圆键合技术来形成C-SOI晶圆，简单易行，效率高，与传统IC兼容，能够到达降低成本和大规模批量化生产的效果。

所描述的实施例只是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。