一种MEMS器件及其制备方法、电子装置与流程

本发明涉及半导体领域，具体地，本发明涉及一种mems器件及其制备方法、电子装置。

背景技术：

随着半导体技术的不断发展，在传感器(motionsensor)类产品的市场上，智能手机、集成cmos和微机电系统(mems)器件日益成为最主流、最先进的技术，并且随着技术的更新，这类传动传感器产品的发展方向是规模更小的尺寸，高质量的电学性能和更低的损耗。

其中，mems传感器广泛应用于汽车电子：如tpms、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器(tmap)、柴油机共轨压力传感器；消费电子：如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤，洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器，空调压力传感器，洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器；工业电子：如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等，电子音像领域：麦克风等设备。

在mems领域中，所述mems器件的工作原理是由振膜(membrane)的运动产生电容的变化，利用电容变化量进行运算和工作的，现有常用的mems麦克风包括振膜、背板及位于背板下方的背腔组成。通过振膜将声音信号转换成电信号。

需要对目前所述mems麦克风及其制备方法繁琐而且复杂，因此需要作进一步的改进。

技术实现要素：

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明提供了一种mems器件，所述mems器件包括：

基底；

振膜，位于所述基底的上方，所述振膜包括石墨烯层；

背板，位于所述振膜的上方；

空腔，位于所述振膜和所述背板之间。

可选地，所述石墨烯层中掺杂有au、ag、cu、ni、p、in和ga中的一种或多种。

可选地，所述基底中形成有背腔，露出部分所述振膜。

可选地，所述背板中形成有若干开口。

本发明还提供了一种mems器件的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

提供基底，在所述基底上形成有图案化的振膜，所述振膜包括石墨烯层；

在所述基底和所述振膜上形成具有开口的牺牲层，所述开口露出所述振膜；

在所述牺牲层上形成背板，以覆盖所述牺牲层和所述开口，并在所述振膜和所述背板之间形成空腔。

可选地，所述石墨烯层中掺杂有au、ag、cu、ni、p、in和ga中的一种或多种。

可选地，形成所述牺牲层的步骤包括：

在所述基底和所述振膜上形成牺牲层；

图案化所述牺牲层，以在所述牺牲层的中间部位形成开口，露出所述振膜。

可选地，形成所述背板的步骤包括：

将所述牺牲层与背板晶圆接合，以覆盖所述牺牲层和所述开口，并在所述振膜和所述背板之间形成空腔；

薄化所述背板晶圆，以减小所述背板晶圆的厚度；

在所述背板晶圆上形成钝化层，以覆盖所述背板晶圆；

图案化所述钝化层，以形成第一开口，露出部分所述背板晶圆；

图案化所述背板晶圆，以在所述背板晶圆中形成若干相互间隔的第二开口。

可选地，所述方法还进一步包括图案化所述基底的背面，以在所述基底中形成背腔，露出部分所述振膜。

本发明还提供了一种电子装置，所述电子装置包括上述的mems器件。

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种mems器件，所述器件包括基底；振膜，包括石墨烯层，位于所述半导体衬底上方；背板，位于所述振膜上方；空腔，位于所述振膜和所述背板之间。在本发明中所述振膜选用石墨烯，石墨烯由于其优异的物理、化学性能、电学性能和机械性能使得所述mems器件的性能得到进一步的提高。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，

图1为本发明中所述mems器件的制备工艺流程图；

图2a-2h为本发明中所述mems器件的制备过程示意图；

图3为本发明中移动电话手机的示例的外部视图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在... 之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种mems器件，所述器件包括

基底201；

振膜203，包括石墨烯层，位于所述半导体衬底上方；

背板205，位于所述振膜203上方；

空腔，位于所述振膜105和所述背板103之间。

其中，所述振膜203包括石墨烯，其中，所述石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；导热系数高5300w/m·k，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/v·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约1ω·m，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此选用石墨烯的mems器件的性能和稳定性得到进一步的提高。

石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克可以承受一 只一千克的猫。

可选地，所述石墨烯层中掺杂有au、ag、cu、ni、p、in和ga中的一种或多种。

可选地，所述石墨烯层可以包括一层或多层。

可选地，所述基底中形成有背腔，在所述背腔中露出所述振膜。

可选地，所述背板205中形成有若干开口。

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种mems器件，所述器件包括基底；振膜，包括石墨烯层，位于所述半导体衬底上方；背板，位于所述振膜上方；空腔，位于所述振膜和所述背板之间。在本发明中所述振膜选用石墨烯，石墨烯由于其优异的物理、化学性能、电学性能和机械性能使得所述mems器件的性能得到进一步的提高。

实施例一

所述mems器件包括：

基底201；

振膜203，包括石墨烯层，位于所述半导体衬底上方；

背板205，位于所述振膜203上方；

空腔，位于所述振膜105和所述背板103之间。

其中，所述基底201可以选用半导体衬底或者mems麦克风器件的衬底，例如所述基底201可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅(soi)、绝缘体上层叠硅(ssoi)、绝缘体上层叠锗化硅(s-sigeoi)、绝缘体上锗化硅(sigeoi)以及绝缘体上锗(geoi)等。

其中，所述振膜203包括石墨烯，其中，所述石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；导热系数高5300w/m·k，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/v·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约1ω·m，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此选用石墨烯的mems器件的性能和稳定性得到进一步的提高。

石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克可以承受一只一千克的猫。

可选地，所述石墨烯层中掺杂有au、ag、cu、ni、p、in和ga中的 一种或多种。

可选地，所述石墨烯层可以包括一层或多层。

示例性地，所述石墨烯层可以为多层石墨烯，所述石墨烯层的材料包括石墨烯和石墨的混合物。多层石墨烯指由3-10层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括abc堆垛，aba堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。在本实施中，多层石墨烯的层数可以达到10层。

可采用包括但不限于碳化硅外延生长法、有机合成法、化学气相沉积(cvd)或等离子增强化学气相沉积法(pecvd)等沉积方法形成。

所述牺牲层可以选用层间金属层或者氧化物层。

其中，所述背板205选用导电材料或者掺杂的半导体材料，可选地，在该实施例中选用掺杂的硅。

其中，所述掺杂离子并不局限于某一种，例如可以为b、p、n、as等，不再一一列举。

在该步骤中所述背板205通过共晶结合或者热键合的方法与所述牺牲层键合，以形成一体的结构。

在所述基底中形成有背腔，在底部露出所述振膜。

在本发明中所述背板为固定电极，所述振膜为动电极，所述背板和所述振膜之间的空腔为介电质，振膜受到压力之后，振膜(membrane)产生形变，如图2g所示，振膜的运动产生电容的变化，利用电容变化量进行运算和工作，通过振膜将声音信号转换成电信号。

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种mems器件，所述器件包括基底；振膜，包括石墨烯层，位于所述半导体衬底上方；背板，位于所述振膜上方；空腔，位于所述振膜和所述背板之间。在本发明中所述振膜选用石墨烯，石墨烯由于其优异的物理、化学性能、电学性能和机械性能使得所述mems器件的性能得到进一步的提高。

实施例二

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种mems器件的制备方法，下面结合附图2a-2h对所述方法作进一步的说明。

其中，图2a-2h为本发明中所述mems器件的制备过程示意图；图3为本发明中移动电话手机的示例的外部视图。

图1为本发明中所述mems器件的制备工艺流程图，具体包括以下步骤：

步骤s1：提供基底，在所述基底上形成有图案化的振膜，所述振膜包括石墨烯层；

步骤s2：在所述基底和所述振膜上形成具有开口的牺牲层，所述开口露出所述振膜；

步骤s3：在所述牺牲层上形成背板，以覆盖所述牺牲层和所述开口，并在所述振膜和所述背板之间形成空腔。

下面以附图1中的工艺流程图为基础，对所述方法展开进行详细说明。

执行步骤一，提供基底201，在所述基底上形成有图案化的振膜203，所述振膜203包括石墨烯层。

具体地，如图2a所示，所述基底201可以选用半导体衬底或者mems麦克风器件的衬底，例如所述基底201可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅(soi)、绝缘体上层叠硅(ssoi)、绝缘体上层叠锗化硅(s-sigeoi)、绝缘体上锗化硅(sigeoi)以及绝缘体上锗(geoi)等。

可选地，在所述基底201上还可以形成介电层202，例如所述介电层202可以选用氧化物。

其中，所述振膜203包括石墨烯，其中，所述石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；导热系数高5300w/m·k，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/v·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约1ω·m，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此选用石墨烯的mems器件的性能和稳定性得到进一步的提高。

石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克可以承受一只一千克的猫。

可选地，所述石墨烯层中掺杂有au、ag、cu、ni、p、in和ga中的一种或多种。

可选地，所述石墨烯层可以包括一层或多层。

示例性地，所述石墨烯层可以为多层石墨烯，所述石墨烯层的材料包括石墨烯和石墨的混合物。多层石墨烯指由3-10层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括abc堆垛，aba堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。在本实施中，多层石墨烯的层数可以达到10层。

可采用包括但不限于碳化硅外延生长法、有机合成法、化学气相沉积(cvd)或等离子增强化学气相沉积法(pecvd)等沉积方法形成。

其中化学气相沉积法的具体制备过程包括：将气态碳源通向反应室然后在反应室中的阴极基底表面上高温分解。其中，气态碳源可以选用甲烷(ch4)、乙烯(c2h4)及乙炔(c2h2)等。控制沉积温度范围在600～1200℃。其中，在沉积温度范围为900～1000℃时，石墨烯的层数可以达到10层。

在该实施例中选用甲烷(ch4)和氢气(h2)作为反应气体，流量比为甲烷(ch4)：氢气(h2)＝150:10，沉积温度为750℃，压力为50mtorr。

所述方法还进一步包括选用1mfecl3或0.1m(nh4)2s2o8蚀刻金属cu，并且选用丙酮去除pmma。

执行步骤二，图案化所述振膜203，形成具有所需平面图案的振膜。

具体地，如图2b所示，在该步骤中在该步骤中通过干法蚀刻振膜203，在本发明中可以根据所选材料的不同来选择蚀刻气体，例如在本发明中可以选择cf4、co2、o2、n2中的一种或者多种，所述蚀刻压力可以为20-300mtorr，优选为50-150mtorr，功率为200-600w。

执行步骤三，在所述基底201和所述振膜203上形成牺牲层204；图案化所述牺牲层，以在所述牺牲层的中间部位形成开口，露出所述振膜203。

具体地，如图2b所示，其中所述牺牲层204可以选用层间金属层或者氧化物层。

图案化所述牺牲层的步骤包括：在所述牺牲层上形成掩膜层，例如光刻胶层，然后对所述光刻胶层进行曝光显影，形成开口，然后以所述掩膜层为掩膜蚀刻所述牺牲层，以在所述牺牲层的中间部位形成开口，露出所述振膜203。

在该步骤中选用干法蚀刻，例如可以选用择cf4、co2、o2、n2中的一种或者多种。

执行步骤四，在所述牺牲层接合背板晶圆205，以覆盖所述牺牲层和所述开口。

具体地，如图2c所示，在该步骤中形成背板晶圆205，以在后续的步骤中形成固定电极。

因此所述背板晶圆205选用导电材料或者掺杂的半导体材料，可选地， 在该实施例中选用掺杂的硅。

其中，所述掺杂离子并不局限于某一种，例如可以为b、p、n、as等，不再一一列举。

在该步骤中所述背板晶圆205通过共晶结合或者热键合的方法与所述牺牲层键合，以形成一体的结构。

执行步骤五，打薄所述背板晶圆，以减小所述背板晶圆的厚度。

具体地，如图2d所示，在该步骤中对所述背板晶圆的正面进行研磨来打薄所述背板晶圆，得到如图2d所示的图案。

在该步骤中打薄的厚度并不局限于某一数值范围，所述打薄方法可以选用本领域常用的方法，并不据于某一种，在此不再赘述。

执行步骤六，在所述背板晶圆上形成钝化层，以覆盖所述背板晶圆。

具体地，如图2e所示，所述钝化层可以选用氧化物或者氮化物，或者两者的结合。在该实施例中所述钝化层选用依次沉积的氧化物206和氮化物207。

所述沉积可以选用现有技术中常用的沉积方法，例如可以是通过化学气相沉积(cvd)法、物理气相沉积(pvd)法或原子层沉积(ald)法等形成的。本发明中优选原子层沉积(ald)法。

执行步骤七，图案化所述钝化层，以形成第一开口，露出所述背板晶圆；图案化所述背板晶圆，以在所述背板晶圆中形成若干相互间隔的第二开口。

具体地，如图2f所示，图案化所述钝化层，以在所述绝缘层102和所述钝化层中形成有第一开口，露出所述背板晶圆。

其中，所述第一开口的形成方法包括首先在所述钝化层上形成图案化的掩膜层，例如光刻胶层，然后以所述掩膜层为掩膜蚀刻所述钝化层，以在所述钝化层中形成第一开口。

所述第一开口的尺寸较大，以在中心部位露出所述背板晶圆。

然后图案化所述背板晶圆，以在所述背板晶圆中形成若干相互间隔的第二开口，露出所述牺牲层中的开口。

具体地，在所述背板晶圆上形成图案化的掩膜层，例如光刻胶层，然后以所述掩膜层为掩膜蚀刻所述背板晶圆，以在所述背板晶圆形成若干相互间隔的第二开口，如图2g所示，形成背板，同时露出所述牺牲层中的开口。

在该步骤中可以在所述钝化层或者背板晶圆上形成蓝膜层，以对所述背板晶圆进行保护。

执行步骤八，图案化所述基底的背面，以在所述基底中形成背腔，在底部露出所述振膜。

具体地，如图2h所示，在该步骤中首先在所述钝化层或者背板晶圆上形成蓝膜层，以对所述背板晶圆进行保护。

然后反转所述器件，对所述基底的背面进行蚀刻，以在所述振膜的下方形成背腔，所述空腔内的空气则作为介电层，以形成mems麦克风电容器。

进一步，在所述基底上形成图案化的掩膜层，例如光刻胶层，然后以所述掩膜层为掩膜蚀刻所述基底的背面，以在所述基底中形成背腔，在底部露出所述振膜。

在该步骤中，选用氢氟酸hf或稀释氢氟酸dhf进行蚀刻，其中组成为hf:h2o＝1:2-1:10，所述蚀刻温度为20-25℃。

至此，完成了本发明实施例的mems器件的制备过程的介绍。在上述步骤之后，还可以包括其他相关步骤，此处不再赘述。并且，除了上述步骤之外，本实施例的制备方法还可以在上述各个步骤之中或不同的步骤之间包括其他步骤，这些步骤均可以通过现有技术中的各种工艺来实现，此处不再赘述。

实施例三

本发明还提供了一种电子装置，包括实施例一所述的mems器件，所述mems器件根据实施例二所述方法制备得到。

本实施例的电子装置，可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、上网本、游戏机、电视机、vcd、dvd、导航仪、数码相框、照相机、摄像机、录音笔、mp3、mp4、psp等任何电子产品或设备，也可为任何包括电路的中间产品。本发明实施例的电子装置，由于使用了上述的电路，因而具有更好的性能。

其中，图3示出移动电话手机的示例。移动电话手机300被设置有包括在外壳301中的显示部分302、操作按钮303、外部连接端口304、扬声器305、话筒306等。

其中所述移动电话手机包括实施例一所述的mems器件，所述mems 器件包括基底；振膜，包括石墨烯层，位于所述半导体衬底上方；背板，位于所述振膜上方；空腔，位于所述振膜和所述背板之间。在本发明中所述振膜选用石墨烯，石墨烯由于其优异的物理、化学性能、电学性能和机械性能使得所述mems器件的性能得到进一步的提高。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。