[發明專利]一種膜片結構及其制作方法

有效

• 申請號: 201710444180.6
• 申請日: 2017-06-13
• 公開（公告）號: CN107215844B
• 公開（公告）日: 2020-01-31
• 發明（設計）人: 倪藻;李昕欣;焦鼎
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: B81B3/00
• 分類號: B81B3/00;B81C1/00
• 代理公司: 31219 上海光華專利事務所(普通合伙)
• 代理人: 唐棉棉

本發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方的膜片和沿所述膜片外圍排列的釋放孔。本發明另提供一種基于上述膜片結構的壓力敏感膜結構，所述壓力敏感膜結構包括梁?島結構、外框、薄膜、沿外框排布的釋放孔和分布在島上的釋放孔。膜片結構的釋放孔沒有貫穿整個膜片區域，保證了膜片結構的完整性和對稱性，具有更好的機械性能，同時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。本發明所述的壓力敏感膜結構由上述膜片結構經局部刻蝕減薄加工而成，避免了在脆弱的薄膜區域布置釋放孔，在改善機械性能的同時提高可靠性。同時在島上的釋放孔可以顯著縮短腐蝕時間，大幅提高成品率。

技術領域

本發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、高性能等優勢被廣泛應用于航空航天、生化檢測、醫療儀器等領域。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-Side Fabricated Pressure Sensors for IC-Foundry Compatible,High-Yield,andLow-Cost Volume Production,IEEE Electron Device Letters,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。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發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。

優選地，所述釋放孔沿所述膜片外圍呈折線排列。