专利名称：压敏传感器的制备方法及在硅片上形成空腔结构的方法
技术领域：
本发明涉及一种压敏传感器的制备方法，特别涉及一种MEMS压敏传感器的制备方法。本发明还涉及一种在硅片上形成密闭空腔的方法。
背景技术：
压力传感器是将压力转换为电信号的一种器件。通常，压力传感器本身是嵌有电阻的的微机械薄膜，压阻用来检测压力。硅薄膜有良好的机械性，微机械加工技术(MEMQ将硅薄膜和压阻应力计或应变计集成在一起。压阻应力计或应变计被简单地注入或扩散在薄膜上表面。将这些压阻放置在薄膜上合适的位置，并且用惠斯通电桥连接在一起，这样，这些压阻就能输出足够强的电信号。另外，薄膜也可以作为电容器的一个电极。薄膜的应力和挠度都取决于施加于其上的差压，也就是薄膜上表面的压力和薄膜下表面的压力。如果薄膜的下表面是某个真空腔的一部分，那么这就是绝对压力传感器。体微机械加工(bulk micromachining)和表面微机械加工 (surfacemicromachining)是制造薄膜的两种主要方法。在体微机械加工方法中，选择性的去除硅片上的体硅材料，直至留下一层单晶硅薄膜，主要使用腐蚀自停止技术来控制薄膜厚度。表面微机械是先将薄膜淀积在牺牲层上，然后再选择性湿法刻蚀牺牲层，最后形成薄膜。体微机械加工方法通过应用电化学腐蚀自停止技术，从硅片背面形成压力口，使用外延层形成微机械结构。因体微机械加工使用电化学腐蚀方法，对薄膜厚度控制较差，而其与CMOS工艺兼容性比较差。而表面微机械加工技术，通过牺牲层的淀积可以精确控制薄膜厚度，使用正面加工可以满足制造空腔和释放微机械结构，与传统硅表面加工CMOS工艺兼容性很好。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种压敏传感器的制备方法，其为采用基于硅片的表面微机械加工技术来制备。为解决上述技术问题，本发明的压敏传感器的制备方法，包括如下步骤1)刻蚀硅片形成空腔；2)在所述硅片表面淀积形成牺牲层，所述牺牲层填充所述空腔；3)平坦化处理所述牺牲层表面，且平坦化后所述硅片表面上的牺牲层为一预定厚度；4)采用双大马士革工艺在所述牺牲层中制备出支撑柱通孔和传感薄膜填充槽，所述支撑柱通孔为两个以上设置在空腔四围牺牲层内的通孔；5)在所述牺牲层上淀积压敏传感薄膜，以填充所述支撑柱通孔和所述传感薄膜填充槽；
6)采用CMP工艺研磨所述压敏传感薄膜至所述牺牲层；7)湿法腐蚀去除所述牺牲层；8)在所述硅片表面淀积保护层，以密封所述空腔。本发明还提供了一种在硅片中形成密闭空腔的方法，包括如下步骤1)刻蚀硅片形成空腔；2)在硅片表面形成牺牲层，牺牲层填充空腔；3)平坦化处理所述牺牲层表面，且平坦化后硅片表面上的牺牲层为一预定厚度；4)采用双大马士革工艺在牺牲层上制备出支撑柱通孔和上层薄膜填充槽，所述支撑柱通孔为两个以上设置在空腔四围牺牲层内的通孔；5)在牺牲层上淀积上层薄膜，以填充支撑柱通孔和上层薄膜填充槽；6)采用CMP工艺研磨上层薄膜至所述牺牲层；7)湿法腐蚀去除牺牲层；8)在硅片表面淀积保护层，把空腔密封。本发明的微机电系统中压敏传感器制备方法，在硅片的表面刻蚀出一个空腔 (cavity)作为传感薄膜的伸缩空间；在空腔形成之后向空腔填充牺牲层，其中的牺牲层淀积工艺会保持因空腔刻蚀形成的图形间的高低差( 印-height)；采用双大马士革工艺制备支撑柱通孔和传感薄膜填充槽；接着在硅片上淀积压敏传感薄膜，而后进行CMP工艺研磨至牺牲层，再通过湿法刻蚀的方法把所有牺牲层刻蚀干净，最后淀积一层保护层把压敏传感器件密封。相比于体微机械加工方法，本方明的方法与传统硅表面加工CMOS工艺兼容性较好。同时本发明中采用双大马士革工艺来制备支撑柱通孔和传感薄膜填充槽，特别适用于不能用刻蚀工艺进行传感薄膜图案化的工艺流程中。
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明图1为本发明的制作方法流程示意图；图2为实施本发明的方法中淀积牺牲层后的截面结构示意图；图3为实施本发明的方法中CMP平坦化牺牲层后的截面结构示意图；图4为实施本发明的方法中形成支撑柱通孔和压敏传感薄膜填充槽后的截面结构示意图；图5为实施本发明的方法中淀积压敏传感薄膜后的截面结构示意图；图6为实施本发明的方法中CMP研磨压敏传感薄膜后的截面结构示意图；图7为实施本发明的方法中去除牺牲层后的截面结构示意图；图8为实施本发明的方法中淀积保护层后的截面结构示意图；图9为本发明的一实施例中支撑柱通孔的示意图。
具体实施例方式本发明的MEMS压敏传感器的制备方法(见图1)，一具体实施步骤为1)先在硅片10表面刻蚀一空腔。通常该空腔可为具有一定深度的正方形或长方形。空腔的位置可通过常规的光刻工艺先定义出来，而后进行刻蚀，刻蚀可采用常规的工艺。2)而后在硅片上淀积牺牲层13 (见图幻，该牺牲层材料完全填充上述空腔。牺牲层材料可为纯的二氧化硅，也可为掺硼二氧化硅、掺磷二氧化硅和掺氟二氧化硅中的任一种。牺牲层的淀积可通过PECVD (等离子体增强化学气相淀积法)、APCVD (常压化学气相淀积法)或LPCVD (低压化学气相淀积法)工艺进行。牺牲层的厚度(在硅片表面上的厚度) 可为100-50000埃之间。3)之后对所淀积的牺牲层进行平坦化处理(见图3)，主要采用CMP研磨工艺。平坦化后要求位于硅片表面之上的牺牲层保持一预定的厚度，该预定厚度可由具体工艺来选择，如一具体实例中该厚度可为100-30000埃。4)采用双大马士革工艺在牺牲层中制备出支撑柱通孔12和传感薄膜填充槽 141 (见图4)。双大马士革工艺为现有成熟的工艺，主要用于不能刻蚀的材料的图形化。在具体实施中，双大马士革工艺可分先通孔工艺和后通孔工艺。一个先通孔工艺的具体流程为先用光刻工艺定义出通孔的位置；而后刻蚀牺牲层至硅片表面下一预定深度，形成通孔；淀积抗反射材料以填充通孔；而后采用光刻工艺定义出传感薄膜填充槽；而后刻蚀牺牲层形成传感薄膜填充槽；最后去除剩余的抗反射材料，形成支撑柱通孔和传感薄膜填充槽。一个后通孔工艺的具体流程为先在牺牲层上淀积阻挡层(可为氮化硅)；光刻定义出支撑柱通孔的位置，之后刻蚀阻挡层至牺牲层，形成阻挡层开口 ；在阻挡层上淀积第二层牺牲层；采用光刻工艺定义出传感薄膜填充槽的位置，而后刻蚀第二层牺牲层，形成传感薄膜填充槽；在阻挡层的保护下，刻蚀牺牲层，形成支撑柱通孔。其中支撑柱通孔的刻蚀应停止在硅片表面下一定厚度(可为50至20000埃)。支撑柱通孔12为多个设置在空腔11 四周的牺牲层内的通孔，如图9所示，其主要用途为牺牲层去除后支撑空腔上的压敏传感薄膜。该支撑柱通孔的个数和该支撑柱通孔刻蚀至硅片的深度应设计为能保证在牺牲层去除过程以及牺牲层去除后能支撑住上面的压敏传感薄膜。5)在牺牲层13上淀积压敏传感薄膜14，以填充上述的支撑柱通孔12和传感薄膜填充槽141 (见图幻。在一具体实施例中压敏传感薄膜为多晶硅膜，可为纯多晶硅薄膜、掺磷多晶硅、掺硼多晶硅或掺氟多晶硅。压敏传感薄膜的厚度可为100-50000埃之间，具体数值可由工艺设计决定。压敏传感薄膜最好选用与牺牲层材料具有湿法刻蚀高选择比的材料，以保证在牺牲层去除过程中不受影响。6)采用CMP工艺研磨压敏传感薄膜14至牺牲层(见图6)，即将牺牲层上的压敏传感薄膜去除，形成压敏传感薄膜图形。7)湿法腐蚀去除牺牲层13，形成由空腔11、支撑柱15和压敏传感薄膜14构成的压敏传感器件(见图7)。如为后通孔工艺中，同时去除阻挡层。8)最后在硅片表面淀积保护层，以密封上述压敏传感器件。保护层材料可为氮化硅，氧化硅或氮氧化硅等。本发明的制作方法，适用于所有基于硅衬底的微机电系统中与压敏传感器具有类似结构的器件，特别是在硅片上制备密闭空腔的结构(包括空腔，支撑柱通孔和传感薄膜)，在硅片中形成具有一真空度的腔。本发明的在硅片中形成密闭空腔的方法，包括如下步骤
1)刻蚀硅片形成空腔；2)在硅片表面形成牺牲层，牺牲层填充空腔；3)平坦化处理牺牲层表面，且平坦化后硅片表面上的牺牲层为一预定厚度；4)采用双大马士革工艺在牺牲层上制造支撑柱通孔和上层薄膜填充槽，支撑柱通孔为两个以上设置在空腔四围牺牲层内的通孔；5)在牺牲层上淀积上层薄膜，以填充支撑柱通孔和上层薄膜填充槽；6)采用CMP工艺研磨上层薄膜至牺牲层；7)湿法腐蚀去除牺牲层；8)在硅片表面淀积保护层，使硅片中的空腔密闭。
权利要求
1.一种压敏传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤1)刻蚀硅片形成空腔；2)在所述硅片表面淀积形成牺牲层，所述牺牲层填充所述空腔；3)平坦化处理所述牺牲层表面，且平坦化后所述硅片表面上的牺牲层为一预定厚度；4)采用双大马士革工艺在所述牺牲层中制备出支撑柱通孔和传感薄膜填充槽，所述支撑柱通孔为两个以上设置在空腔四围牺牲层内的通孔；5)在所述牺牲层上淀积压敏传感薄膜，填充所述支撑柱通孔和所述传感薄膜填充槽；6)采用CMP工艺研磨所述压敏传感薄膜至所述牺牲层；7)湿法腐蚀去除所述牺牲层；8)在所述硅片表面淀积保护层，以密封所述空腔。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤四中的双大马士革工艺采用先通孔工艺，即先制备支撑柱通孔，后制备传感薄膜填充槽，所制备的支撑柱通孔深入硅片表面以下50至20000埃。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤四中的双大马士革工艺采用后通孔工艺，即先制备传感薄膜填充槽，后制备支撑柱通孔，所制备的支撑柱通孔深入硅片表面以下50至20000埃。
4.如权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于所述牺牲层的材料为纯二氧化硅、掺硼二氧化硅、掺磷二氧化硅或掺氟二氧化硅；所述牺牲层的淀积工艺为 PECVD、APCVD 或 LPCVD。
5.如权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于所述步骤三平坦化处理后，所述牺牲层的厚度为100 30000埃。
6.如权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于所述压敏传感薄膜为纯多晶硅薄膜、掺磷多晶硅薄膜、掺硼多晶硅薄膜或掺氟多晶硅薄膜。
7.—种在硅片中形成空腔结构的方法，其特征在于，包括如下步骤1)刻蚀硅片形成空腔；2)在所述硅片表面形成牺牲层，所述牺牲层填充所述空腔；3)平坦化处理所述牺牲层表面，且平坦化后所述硅片表面上的牺牲层为一预定厚度；4)采用双大马士革工艺在所述牺牲层中制造支撑柱通孔和上层薄膜填充槽，所述支撑柱通孔为两个以上设置在空腔四围牺牲层内的通孔；5)在所述牺牲层上淀积上层薄膜，以填充所述支撑柱通孔和所述上层薄膜填充槽；6)采用CMP工艺研磨所述上层薄膜至所述牺牲层；7)湿法腐蚀去除所述牺牲层；8)在所述硅片表面淀积保护层，把所述空腔密封。
全文摘要
本发明公开了一种压敏传感器的制作方法，包括如下步骤1)刻蚀硅片形成空腔；2)在所述硅片表面形成牺牲层；3)平坦化处理所述牺牲层表面；4)采用双大马士革工艺，在所述牺牲层上形成支撑柱通孔和传感薄膜填充槽；5)在所述牺牲层上淀积压敏传感薄膜；6)CMP研磨所述压敏传感薄膜至牺牲层；7)湿法腐蚀去除所述牺牲层；8)在所述硅片表面淀积保护层，以密封空腔。本发明的制作方法与传统硅表面加工CMOS工艺的兼容性较好。本发明还公开了一种硅片中形成密闭空腔的方法。
文档编号B81C1/00GK102259822SQ20101018654
公开日2011年11月30日 申请日期2010年5月27日 优先权日2010年5月27日
发明者方精训, 程晓华, 邓镭 申请人:上海华虹Nec电子有限公司