本發(fā)明涉及硅微機械傳感器技術領域，特別是涉及一種膜片結構及其制作方法。

背景技術：

隨著mems技術迅猛發(fā)展，基于mems微機械加工技術制作的硅基壓力傳感器以其尺寸小、高性能等優(yōu)勢被廣泛應用于航空航天、生化檢測、醫(yī)療儀器等領域。尤其是近年來，伴隨著電子消費類產品異軍突起，如：手機、汽車電子、可穿戴式產品等對mems壓力傳感器的巨大市場需求，壓力傳感器芯片市場競爭日趨白熱化，這些促使了硅基壓力傳感器沿著更小型化、更低成本、更高性能方向發(fā)展。

作為硅基壓力傳感器的一個重要核心檢測單元，壓力敏感膜片力學性能的好壞直接決定了傳感器性能的優(yōu)劣。傳統壓力傳感器通常是通過單晶硅片背面各向異性濕法刻蝕方式來制作壓力傳感器敏感膜片，然后再通過硅-硅(或硅-玻璃)鍵合來形成壓力參考腔體，這種制作的單晶硅壓力敏感膜片雖然具有完美的力學性能，但是該種方式制作后壓力傳感器存在如下不足：(1)尺寸較大、工藝復雜且與ic制作工藝不能兼容，成本比較高；(2)由于單晶硅圓片自身厚度均勻性一般在±10μm左右，因此這種靠背面刻蝕方法所制備的單晶硅壓力敏感膜片厚度均勻性差；(3)鍵合結構所導致了殘余應力以及鍵合材料之間熱不匹配導致傳感器熱學性能不穩(wěn)定。為了解決這一問題，中國科學院上海微系統所王家疇等人提出了一種mis(microholesinteretch&sealing)制備壓力傳感器工藝。該工藝是一種單硅片單面微機械加工工藝，制備工藝簡單。mis工藝首先在單晶硅片上刻蝕兩排微型釋放窗口，然后再通過微型釋放窗口在單晶硅片內部腐蝕釋放單晶硅壓力敏感膜，最后利用lpcvd沉積多晶硅來填堵微型釋放窗口以形成完整的壓力敏感膜，[j.c.wang,x.x.li.single-sidefabricatedpressuresensorsforic-foundrycompatible,high-yield,andlow-costvolumeproduction,ieeeelectrondeviceletters,vol.32,no.7,pp.979-981,july.2011]。在mis工藝制備的單晶硅壓力敏感膜的基礎上，王家疇等人又進一步發(fā)展出帶有應力集中效果的壓力敏感膜，這種膜片結構是在上述單晶硅壓力敏感膜上通過局部的刻蝕減薄，形成梁-膜-島結構，將應力集中在梁上，提高了膜片對壓力的靈敏度和輸出的線性度。然而上述mis工藝制備的單晶硅壓力敏感膜和帶有應力集中效果的壓力敏感膜仍然存在以下幾點不足：(1)釋放孔沿直線排列橫穿了整個膜片區(qū)域，影響膜片的機械性能，尤其是帶有應力集中效果的壓力敏感膜，釋放孔從減薄的區(qū)域經過，影響更為顯著；(2)兩排釋放孔將整個膜片分割成了三塊區(qū)域，壓敏電阻的布置、引線的排布以及梁-島結構的設計都受到制約，無法跨過釋放孔。(3)由于釋放孔布置在減薄的區(qū)域，因此刻蝕時需要對其進行保護，否則會破壞氣密性，導致失效，這就對光刻的對準精度提出了很高要求，增加了工藝難度，也降低了成品率。

技術實現要素：

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種膜片結構及其制作方法，用于解決現有技術中釋放孔排成一排橫穿整個膜片的排布方式，影響結構機械性能并妨礙結構設計的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種膜片結構，所述膜片結構至少包括懸空支撐在單晶硅片上的膜片和沿所述膜片外圍排列的釋放孔。

優(yōu)選地，所述釋放孔沿所述膜片外圍呈折線排列。

優(yōu)選地，所述膜片為六邊形，所述釋放孔至少分布在所述膜片兩條相鄰的邊以及各自的對邊上，所述釋放孔中填充有多晶硅材料。

優(yōu)選地，所述膜片包括下層多晶硅層和上層單晶硅層。

優(yōu)選地，所述膜片包括下層多晶硅層和上層氮化硅層。

優(yōu)選地，所述膜片包括下層多晶硅層、中間介質層和上層單晶硅層。

優(yōu)選地，沿所述膜片外圍排列的釋放孔的面積為3～30μm²。

本發(fā)明還提供一種膜片結構的制作方法，所述制作方法至少包括：

1)提供一單晶硅片，在所述單晶硅片表面淀積絕緣層，刻蝕所述絕緣層，形成窗口，并通過所述窗口刻蝕所述單晶硅片的外圍，形成釋放孔；

2)在所述釋放孔內壁及底部沉積鈍化層，刻蝕所述釋放孔底部的鈍化層，并沿著所述釋放孔底部繼續(xù)刻蝕至所需深度；

3)通過所述釋放孔，利用腐蝕液釋放單晶硅層，并去除所述鈍化層和所述絕緣層；

4)沉積多晶硅材料，將所述釋放孔封堵，同時在所述單晶硅片表面及腐蝕腔內壁形成多晶硅層；

5)刻蝕去除所述單晶硅片表面的多晶硅層，從而獲得膜片結構。

優(yōu)選地，在所述步驟3)和步驟4)之間還可以包括在所述腐蝕腔內壁、釋放孔內壁淀積介質層的步驟，最后由步驟4)獲得的膜片結構包括下層多晶硅層、中間介質層和上層單晶硅層。

本發(fā)明另提供一種膜片結構的制作方法，所述制作方法至少包括：

1)提供一單晶硅片，在所述單晶硅片表面形成氮化硅層，刻蝕所述氮化硅層的外圍，形成釋放孔；

2)沿著所述釋放孔繼續(xù)刻蝕所述單晶硅片至所需深度；

3)通過所述釋放孔，利用腐蝕液釋放氮化硅層；

4)沉積多晶硅材料，將所述釋放孔封堵，同時在所述氮化硅層表面及腐蝕腔內壁形成多晶硅層；

5)刻蝕去除所述單晶硅片表面的多晶硅層，從而獲得膜片結構。

本發(fā)明提供一種壓力敏感膜結構，所述壓力敏感膜結構至少包括懸空支撐在單晶硅片上方的膜片，所述膜片包括位于所述膜片外圍的外框和由所述外框包圍的薄膜及梁-島結構，所述外框中排列有釋放孔。

優(yōu)選地，所述外框為六邊形，所述釋放孔至少分布在所述外框兩條相鄰的邊以及各自的對邊上。

優(yōu)選地，所述釋放孔分布在所述外框兩條相鄰的邊以及各自的對邊上，所述薄膜位于所述梁-島結構的兩側，所述梁-島結構中的梁和島間隔排列且通過所述梁與所述外框中未分布有釋放孔的兩條邊相連。

優(yōu)選地，所述梁-島結構的島中制作有釋放孔。

本發(fā)明另提供一種上述壓力敏感膜結構的制作方法，所述制作方法至少包括：

1)提供一單晶硅片，在所述單晶硅片表面淀積絕緣層，刻蝕所述絕緣層，形成窗口，并通過所述窗口刻蝕所述單晶硅片的外圍，形成釋放孔；

2)在所述釋放孔內壁及底部沉積鈍化層，刻蝕所述釋放孔底部的鈍化層，并沿著所述釋放孔底部繼續(xù)刻蝕至所需深度；

3)通過所述釋放孔，利用腐蝕液釋放形成單晶硅層，并去除所述鈍化層和所述絕緣層；

4)沉積多晶硅材料，將所述釋放孔封堵，同時在所述單晶硅片表面及腐蝕腔內壁形成多晶硅層；

5)刻蝕去除所述單晶硅片表面的多晶硅層；

6)刻蝕所述單晶硅層，暴露出所述腐蝕腔頂部的所述多晶硅層，暴露出的所述多晶硅層形成所述薄膜，剩余未被刻蝕的部分形成所述梁-島結構以及外框。

優(yōu)選地，所述步驟1)中，除了刻蝕所述單晶硅片外圍形成釋放孔，還刻蝕所述單晶硅片的中間位置形成釋放孔，所述中間位置的釋放孔位于所述步驟6)中所述梁-島結構的島上。

優(yōu)選地，在所述步驟3)和步驟4)之間還可以包括在所述腐蝕腔內壁、釋放孔內壁以及所述單晶硅片的表面形成介質層的步驟。

如上所述，本發(fā)明的膜片結構及其制作方法，具有以下有益效果：

本發(fā)明創(chuàng)新性地將釋放膜片結構所需的釋放孔從排成一排橫穿整個膜片的排布方式改進為沿著膜片外圍邊緣排布，保證了膜片結構的完整性和對稱性，因此，具有更好的機械性能，同時無孔的六邊形膜片中部可以自由地設計各種結構，不需要受釋放孔的限制，具有更廣闊的應用空間?；谏鲜瞿てY構加工而來的帶有應力集中效果的壓力敏感膜結構，避免了在脆弱的薄膜區(qū)域布置釋放孔，在改善機械性能的同時也提高了可靠性。另外，在島上額外布置的釋放孔可以顯著縮短腐蝕時間，大幅提高成品率，同時不影響結構的機械性能。

附圖說明

圖1a～圖1g為本發(fā)明實施例一中膜片結構的制作方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明實施例一種膜片結構俯視圖。

圖3為本發(fā)明實施例一種膜片結構立體圖。

圖4為實施例二中膜片結構的剖視圖。

圖5a～5h為本發(fā)明實施例三中壓力敏感膜結構的制作方法的流程圖。

圖6為本發(fā)明實施例三中壓力敏感膜結構示意圖。

元件標號說明

1單晶硅片

2膜片

30、31釋放孔

4絕緣層

5鈍化層

6單晶硅層

7多晶硅層

8腐蝕腔

9介質層

10氮化硅

11薄膜

12島

13梁

14外框

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱附圖。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復雜。

實施例一

如圖1a～1g所示，本實施例提供一種膜片結構的制作方法，所述制作方法包括如下步驟：

首先執(zhí)行步驟1)，提供一單晶硅片，在所述單晶硅片表面淀積絕緣層，刻蝕所述絕緣層，形成窗口，并通過所述窗口刻蝕所述單晶硅片的外圍，形成釋放孔。

具體步驟可以為：如圖1a所示，提供一單晶硅片1，在其表面淀積一層teos絕緣層4，并通過rie工藝刻蝕出釋放孔的窗口，然后通過deep-rie工藝刻蝕單晶硅片1形成釋放孔30。本實施例采用p型雙拋(111)單晶硅片，厚度為450μm，軸偏切0±0.1°。所述teos絕緣層4的厚度為1μm，所述釋放孔窗口為直徑5μm的圓，所述釋放孔30深度為6μm。

然后執(zhí)行步驟2)，在所述釋放孔30內壁及底部沉積鈍化層5，刻蝕所述釋放孔30底部的鈍化層5，并沿著所述釋放孔30底部繼續(xù)刻蝕至所需深度。

如圖1b所示，在所述釋放孔的內壁及底部淀積一層teos鈍化層5，先通過rie工藝刻蝕釋放孔30底部的teos鈍化層，釋放孔30側壁上的teos鈍化層5得以保留，隨后通過deep-rie工藝刻蝕單晶硅片1，刻蝕深度定義了犧牲層的厚度(即后續(xù)形成的腐蝕腔的深度)。本實施例中所述犧牲層厚度為15μm。

接著執(zhí)行步驟3)，通過所述釋放孔30，利用腐蝕液釋放單晶硅層6，并去除所述絕緣層4和鈍化層5。

如圖1c所示，利用腐蝕液橫向選擇性自停止腐蝕釋放單晶硅片1，形成腐蝕腔8，腐蝕腔8頂部的單晶硅片即為膜片中的單晶硅層6。本實施例中所用腐蝕液為25％的tmah(四甲基氫氧化銨)腐蝕溶液，在80℃溫度條件下腐蝕釋放膜片結構。

釋放形成膜片的單晶硅層6之后，將teos絕緣層4和鈍化層5都去除，去除絕緣層4和鈍化層5后的結構如圖1d所示。本實施例中teos絕緣層4和鈍化層5通過boe(49％hf溶液與40％nh4f溶液按1:6體積比混合)溶液去除。

再執(zhí)行步驟4)，沉積多晶硅材料，將所述釋放孔30封堵，同時在所述單晶硅片1表面和腐蝕腔8內壁形成多晶硅層7，

最后執(zhí)行步驟5)，刻蝕去除所述單晶硅片表面的多晶硅層，從而獲得膜片結構。

需要說明的是，在沉積多晶硅材料之前，可以在所述腐蝕腔8內壁、釋放孔30內壁淀積一層介質層9，如熱氧形成的0.1μm厚的氧化硅。若淀積了介質層9，則后續(xù)獲得的膜片結構包括下層多晶硅層7、中間介質層9和上層單晶硅層6。若不進行介質層9的淀積，則直接沉積多晶硅材料，后續(xù)形成得膜片中只包含多晶硅層7和單晶硅層6。附圖1e中展示的是淀積了介質層9的結構。

如圖1f所示，淀積多晶硅材料將釋放孔30封堵。本實施例中，所述多晶硅層7的厚度為4μm。最后再將單晶硅層1表面的多晶硅層刻蝕去除，獲得如圖1g所示的膜片結構。

本實施例還提供一種膜片結構，由上述制備方法所制備形成，如圖1g、圖2以及圖3所示，其中，圖1g是沿圖3中虛線部分的剖視圖。所述膜片結構至少包括懸空支撐在單晶硅片1上的膜片2和沿所述膜片2外圍排列的釋放孔30。

與傳統的釋放孔排列方式相比，本實施例的釋放孔30僅僅排列在所述膜片2的外圍，沒有貫穿整個膜片區(qū)域，這樣可以保證膜片結構的完整性和對稱性，因此具有更好的機械性能，同時無孔的膜片中部可以自由地設計各種結構，不需要受釋放孔的限制，具有更廣闊的應用空間。

作為優(yōu)選地排列方式，如圖2和圖3所示，所述釋放孔30沿所述膜片2外圍呈折線排列。所述釋放孔30沿折線排列可使得釋放孔間距最大化，提高結構強度的同時降低加工難度。

作為示例，所述膜片2為六邊形，所述釋放孔30至少分布在所述膜片2兩條相鄰的邊以及各自的對邊上，所述釋放孔30中填充有多晶硅材料。圖2和圖3展示了所述釋放孔30分布在所述膜片2兩條相鄰的邊以及各自的對邊上的情況。

優(yōu)選地，沿所述膜片2外圍排列的釋放孔30的面積為3～30μm²。更優(yōu)地，沿所述膜片2外圍排列的釋放孔30的面積為10～30μm²。最優(yōu)地，沿所述膜片2外圍排列的釋放孔30的面積為10～20μm²。本實施例中，沿所述膜片2外圍排列的釋放孔30的面積為15μm²。

所述膜片2包括下層多晶硅層7和上層單晶硅層6。若在制作過程中淀積了介質層9，則所述膜片還包括中間介質層9，即下層多晶硅層7、中間介質層9和上層單晶硅層6。

作為優(yōu)選的方案，所述單晶硅層6的厚度范圍為2～20μm，所述介質層9的厚度范圍為0.05～0.5μm，所述下層多晶硅層7的厚度范圍為0.5～3μm。

實施例二

本實施例提供一種膜片結構及其制作方法，與實施例一的結構和方法類似。與實施例一的區(qū)別是，本實施例中，所述膜片2包括下層多晶硅層7和上層氮化硅層10，如圖4所示，因此，相應的制備方法有微小調整。制作步驟如下：

1)提供一單晶硅片，在所述單晶硅片表面形成氮化硅層，刻蝕所述氮化硅層的外圍，形成釋放孔；

2)沿著所述釋放孔繼續(xù)刻蝕所述單晶硅片至所需深度；

3)通過所述釋放孔，利用腐蝕液釋放氮化硅層；

4)沉積多晶硅材料，將所述釋放孔封堵，同時在所述氮化硅層表面和腐蝕腔內壁形成多晶硅層；

5)刻蝕去除所述氮化硅層表面的多晶硅層，從而獲得本實施例的膜片結構，如圖4所示。

實施例三

本實施例提供一種壓力敏感膜結構及其制作方法，是在實施例一所制備的膜片結構的基礎上，進一步做刻蝕減薄的操作，即在原來膜片結構的制作步驟的基礎上，增加了步驟6)。如圖5a～圖5h所示為本實施例壓力敏感膜結構的制作流程圖。

增加的步驟6)為：如圖5h所示，刻蝕所述單晶硅層6，暴露出所述腐蝕腔8頂部的所述多晶硅層7，暴露出的所述多晶硅層7形成所述薄膜11，剩余未被刻蝕的部分形成所述梁-島結構12、13以及外框14。

本實施例通過deep-rie工藝刻蝕單晶硅層6，最終只留下最下層的多晶硅層7作為薄膜11。

需要說明的是，若在所述步驟3)和步驟4)之間包括步驟：所述腐蝕腔8內壁、釋放孔30內壁以及所述單晶硅層6的表面形成介質層9，如氧化硅，則步驟5)中，除了刻蝕單晶硅層6，還需要刻蝕單晶硅層6上下表面的介質層9，即通過依次實施rie工藝、deep-rie工藝、rie工藝先后刻蝕介質層9、單晶硅層6、介質層9三層材料，最終只留下最下層的多晶硅層7作為薄膜11。

作為優(yōu)選的方案，所述步驟1)中，除了刻蝕所述單晶硅片1外圍形成釋放孔30，還刻蝕所述單晶硅片1的中間位置形成釋放孔31(如圖5a和圖6所示)，所述中間位置的釋放孔31位于所述步驟6)中所述梁-島結構的島12上。通過釋放孔31可以進一步縮短步驟3)中腐蝕時間，并且該處的釋放孔31不會影響整體結構的機械性能，提高成品率。

本實施例提供的壓力敏感膜結構，如圖5h和圖6所示，其中圖5h是沿圖6虛線處的剖視圖。所述壓力敏感膜至少包括懸空支撐在單晶硅片1上的膜片2，所述膜片2包括位于所述膜片2外圍的外框14和由所述外框14包圍的薄膜11及梁-島結構12、13，所述外框14中排列有釋放孔30。

由于釋放孔30位于外圍的外框14中，避免了在脆弱的中間薄膜區(qū)域布置釋放孔，改善機械性能，同時可靠性也提高。

作為優(yōu)選的方案，所述外框14為六邊形，所述釋放孔30至少分布在所述外框14兩條相鄰的邊以及各自的對邊上。如圖6展示了所述釋放孔30分布在所述外框14兩條相鄰的邊以及各自的對邊上的情況。

進一步地，所述薄膜11位于所述梁-島結構的兩側，所述梁-島結構中的梁13和島12間隔排列且通過所述梁13與所述外框14中未分布有釋放孔30的兩條邊相連。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。