一种基于SiC膜片的耐高温MEMS器件及其制备方法

本发明涉及一种基于sic膜片的耐高温mems器件及其制备方法，属于先进制造。

背景技术：

1、传感器作为采集信息的一种有效手段发挥着重要作用。mems压力传感器作为探测的成熟手段，在汽车工业、航空航天、石油探测、生物医疗、消费电子等领域应用非常广泛。按照压力测量原理的不同，mems压力传感器包括电容式、光纤式和压阻式压力等类型。其中压阻式mems压力传感器是基于材料的压阻效应工作的，制备工艺简单、成本较低，因此应用也最为广泛。不过，普通的硅基压阻式压力传感器通常在硅衬底上进行反向掺杂形成pn结隔离区域，这种压力传感器一旦温度超过125℃，pn结的漏电电流急剧增大，导致传感器失效。而在航空航天等特种领域，发动机腔压是一个重要参数，对于判定发动机安全至关重要，但是发动机温度较高，传统传感器无法满足检测要求。

2、随着新材料的发展，出现了基于sic(碳化硅)的压力传感器，由于sic拥有比硅更高的禁带宽度，因此更适合在高温下工作。但是sic不仅成本较高，而且刻蚀和掺杂难度较大，尤其是对于较厚的sic晶圆，干法刻蚀时间长，刻蚀形貌不均匀，这些都给基于sic压力传感器的商业化应用带来了困难。

技术实现思路

1、针对上述基于sic压力传感器现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于sic膜片的耐高温mems器件及其制备方法，在硅晶圆上键合sic晶圆以制作耐高温mems器件，在此共同发明构思的基础上，本发明提供三种制作方法用于制作基于硅晶圆的耐高温mems器件。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

3、本发明公开的一种基于sic膜片的耐高温mems器件，包括由硅晶圆制作的基底腔、p型sic、n型sic、刻蚀掩膜层、压敏电阻、体型引线、绝缘层、引线和空腔。硅晶圆作为传感器压敏芯片的基底材料。sic晶圆和硅键合。采用p型sic作为传感器压敏芯片的膜片材料。n型sic位于最上层。使用低压热壁化学气相沉积系统在sic晶圆的si面外延生长n型外延层。在外延面旋涂光刻胶，图形化刻蚀掩膜层。干法刻蚀n型外延层，形成压敏电阻条、体型引线。在刻蚀后的外延面磁控溅射绝缘层。旋涂光刻胶，溅射并剥离形成金属引线。刻蚀硅晶圆制作的基底形成空腔。

4、作为优选，选用p型sic为p型4h-sic、n型sic为n型4h-sic。

5、绝缘层为sio2或si3n4。

6、本发明公开的一种基于sic膜片的耐高温mems器件制备方法一，包括如下步骤：

7、步骤一：选用硅晶圆作为传感器压敏芯片的基底材料，并采用rca标准工艺进行清洗；

8、步骤二：选用p型4h-sic晶圆作为传感器压敏芯片的膜片材料，并采用rca标准工艺进行清洗；

9、步骤三：在1000℃～1300℃温度下，将p型4h-sic晶圆和硅进行2～5小时的键合；

10、步骤四：键合完成后，采用研磨工艺减薄p型4h-sic晶圆，然后再用化学机械抛光方法平整化p型4h-sic晶圆；

11、步骤五：使用低压热壁化学气相沉积系统在p型4h-sic晶圆的si面外延生长n型4h-sic外延层；

12、步骤六：在n型4h-sic外延层上旋涂光刻胶，然后图形化刻蚀区域；

13、步骤七：干法刻蚀n型4h-sic外延层，形成压敏电阻条、体型引线；

14、步骤八：在刻蚀后的外延层上采用化学气相沉积的方法生长一层绝缘层，并刻蚀出窗口；

15、步骤九：旋涂光刻胶，光刻，采用溅射和剥离的方法制备金属引线；

16、步骤十：利用干法刻蚀工艺，刻蚀硅晶圆基底，并完全贯通硅晶圆基底以形成空腔。最后进行退火，完成耐高温mems器件芯片的制备。

17、本发明公开的一种基于sic膜片的耐高温mems器件制备方法二，与方法一相比，将外延生长压敏sic改为离子注入方式，将压敏膜片和压阻敏感单元进行一体化制作。本发明公开的一种基于sic膜片的耐高温mems器件制备方法二，包括如下步骤：

18、步骤一：选用硅晶圆作为传感器压敏芯片的基底材料，并采用rca标准工艺进行清洗；

19、步骤二：选用p型4h-sic晶圆作为传感器压敏芯片的膜片材料，并采用rca标准工艺进行清洗；

20、步骤三：在p型4h-sic晶圆的上下表面生长一层500～1000nm厚度的氧化硅；

21、步骤四：光刻并刻蚀正面氧化硅，在掺杂区域形成窗口；

22、步骤五：采用离子注入方式在p型4h-sic晶圆上掺杂磷元素，掺杂剂量约为1018/cm2～1019/cm2，形成n型4h-sic压阻区域；

23、步骤六：去除正面生长的氧化硅层，并重新生长一层氧化硅，在重掺杂区域刻蚀氧化硅，形成重掺杂区域的窗口；

24、步骤七：掺杂磷，掺杂剂量约为1019/cm2～1021/cm2，形成重掺杂区域；

25、步骤八：采用临时键合胶将掺杂后的p型4h-sic晶圆与玻璃片进行临时键合；

26、步骤九：采用研磨和抛光工艺将p型4h-sic晶圆减薄，减薄后的剩余厚度约20μm-50μm，厚度根据设计需求进行调整；

27、步骤十：解除玻璃与p型4h-sic晶圆之间的键合，在1000℃～1200℃温度下，将减薄后的p型4h-sic晶圆和硅晶圆基底键合2-5小时；

28、步骤十一：采用溅射和剥离工艺在p型4h-sic晶圆上制备出压阻传感器的引线和电极；

29、步骤十二：采用干法刻蚀工艺刻蚀硅晶圆基底，形成背腔。然后进行退火，以增强引线与重掺杂区域的欧姆接触，最终进行划片并完成耐高温mems芯片的制备。

30、本发明公开的一种基于sic膜片的耐高温mems器件制备方法三，与方法二区别在于：不采用临时键合胶，直接将掺杂后形成压敏电阻的p型4h-sic晶圆与硅晶圆进行键合，再p型4h-sic晶圆进行减薄，减薄至适当厚度，将将p型4h-sic晶圆与硅晶圆基底进行键合，同样解决了对p型4h-sic离子注入过程的高温问题。本发明公开的一种基于sic膜片的耐高温mems器件制备方法三，包括如下步骤：

31、步骤一：选用硅晶圆作为传感器压敏芯片的基底材料，并采用rca标准工艺进行清洗；

32、步骤二：选用p型4h-sic晶圆作为传感器压敏芯片的膜片材料，并采用rca标准工艺进行清洗；

33、步骤三：在p型4h-sic晶圆表面生长一层氧化硅；

34、步骤四：光刻并刻蚀氧化硅，图形化掺杂区域；

35、步骤五：采用离子注入方式对p型4h-sic晶圆掺杂磷，掺杂剂量约为1018/cm2～1019/cm2，形成n型4h-sic压阻区域；

36、步骤六：去除正面生长的氧化硅层，并重新生长一层氧化硅，在重掺杂区域刻蚀氧化硅，形成重掺杂区域的窗口；

37、步骤七：掺杂磷，掺杂剂量约为1019/cm2～1021/cm2，形成重掺杂区域；

38、步骤八：将p型4h-sic晶圆带有压阻结构的一面和硅晶圆片进行键合，以便降低后续研磨sic晶圆造成的裂片风险；

39、步骤九：采用研磨和抛光工艺将p型4h-sic晶圆减薄，减薄后的厚度约为20μm-50μm，厚度可根据所设计的器件量程确定；

40、步骤十：在1000～1300℃温度下，将薄p型4h-sic晶圆和硅晶圆基底键合2～5小时，；

41、步骤十一：采用干法或湿法工艺，去除覆盖在压敏电阻顶层上的硅晶圆；

42、步骤十二：采用溅射和剥离工艺在p型4h-sic晶圆上制备出压阻传感器的引线和电极；

43、步骤十三：采用干法刻蚀工艺刻蚀硅晶圆基底，形成背腔。然后进行退火，以增强引线与重掺杂区域的欧姆接触，最终进行划片并完成耐高温mems芯片的制备。

44、有益效果：

45、1、本发明公开的一种基于sic膜片的耐高温mems器件，基于sic晶圆制作耐高温mems器件，以硅晶圆制作mems器件的基底，以p型sic制作mems器件的膜片，以n型sic制作mems器件的压敏电阻，通过引入硅晶圆能够避免刻蚀sic，进而降低工艺加工难度，提高mems器件的良率，降低成本。

46、2、本发明公开的一种基于sic膜片的耐高温mems器件及制作方法，在此共同发明构思的基础上，提供三种制作方法用于制作基于sic的耐高温mems器件。三种方法均以硅晶圆作为传感器压敏芯片的基底材料，sic和硅键合，实现准sic的压力传感器制作。方法二在方法一的基础上，将外延生长压敏sic改为离子注入方式，将压敏膜片和压阻敏感单元进行一体化制作。方法三在方法二的基础上，采用先制作压敏电阻，再进行sic减薄，sic再与硅衬底进行键合，避免sic离子注入过程的高温问题。

47、3、本发明公开的一种基于sic膜片的耐高温mems器件及制作方法，通过研磨制备sic压敏膜片能够降低基于sic的高温mems器件的工艺难度和生产成本，能够较好的保留sic压敏电阻和压敏膜片，发挥sic的耐高温性能。