本發(fā)明屬于mems傳感器，特別涉及一種電容式換能器，具體是一種基于soi晶圓的mems電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、基于mems技術(shù)的電容式傳感器具有體積小、一致性高、高密度集成、成本低、易于批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，因此在各個領(lǐng)域的應(yīng)用潛力備受認(rèn)可。

2、基于晶圓鍵合拓展的制造方法有硅局部氧化工藝，陽極鍵合工藝等，與犧牲釋放工藝相比，可以更好地控制振膜厚度和空腔高度。但晶圓鍵合工藝的對晶圓的表面粗糙度和清潔度等問題非常敏感，因此可能有較低的良率。

3、所以，是否可以提出一種新型的電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其制造方法，從而避免傳統(tǒng)技術(shù)的難點(diǎn)，就顯得很有必要了。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題以及基于mems技術(shù)的電容式換能器在各個領(lǐng)域上的應(yīng)用潛力，而提供一種基于soi晶圓的mems電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其制備方法。

2、本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、本發(fā)明的一個目的是提供了一種基于soi晶圓的mems電容式傳感器結(jié)構(gòu)，其包括自上而下設(shè)置的上電極層、振膜層、電容空腔層、襯底層和下電極層；其中，電容空腔層上形成有若干個呈矩形陣列排布的電容空腔體，相鄰電容空腔體之間形成環(huán)狀支撐壁；振膜層上位于每個電容空腔體正上方的部分形成振膜體，圍繞每個振膜體開設(shè)有貫穿振膜層的環(huán)狀釋放通道；上電極層包括若干個上電極體，若干個上電極體分置在各自對應(yīng)的振膜體的頂部中心位置處，若干個上電極體之間通過金屬連線互連；下電極層包括下電極體，下電極體整體覆蓋設(shè)置在襯底層的底面上。

4、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，在振膜層的邊緣處設(shè)置焊點(diǎn)，若干個上電極體互連后的整體再與焊點(diǎn)連接。

5、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，電容空腔體、振膜體、上電極體均按6×6矩形陣列排布。

6、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，振膜層和襯底層的材料為硅，電容空腔層中的環(huán)狀支撐壁的材料為二氧化硅，上電極體、金屬連線、焊點(diǎn)及下電極體的材料為鉻和金。

7、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，上電極體、金屬連線、焊點(diǎn)及下電極體的厚度為330nm，振膜層的厚度為1.5um，電容空腔層中電容空腔體和環(huán)狀支撐壁的厚度為0.5um，襯底層的厚度為300um。

8、本發(fā)明的另一個目的是提供了上述基于soi晶圓的mems電容式傳感器結(jié)構(gòu)的制備方法，其包括如下步驟：

9、1）選用soi晶圓片作為備片，soi晶圓片自上而下依次為device層、oxide層和handle層；其中，上電極層、焊點(diǎn)在device層的上表面，device層作為振膜層所在層，oxide層作為電容空腔層所在層，handle層即為襯底層，下電極層在handle層的下表面。

10、2）通過mems擴(kuò)散工藝對device層和handle層分別進(jìn)行硼離子摻雜。

11、3）通過mems鍍膜工藝對device層的上表面和handle層的下表面分別進(jìn)行磁控濺射金屬鉻和金；其中，handle層下表面上的金屬層形成下電極體。

12、4）在device層上璇涂一層光刻膠，利用光刻技術(shù)將掩膜版圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，以光刻膠圖形做掩膜，采用濕法刻蝕技術(shù)對device層的無掩膜區(qū)域進(jìn)行刻蝕，最終在device層上形成呈矩形陣列排布的上電極體以及焊點(diǎn)。

13、5）在device層上璇涂一層光刻膠，利用光刻技術(shù)將掩膜版圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，以光刻膠圖形做掩膜，采用rie刻蝕技術(shù)對device層的無掩膜區(qū)域進(jìn)行刻蝕，最終在device層上圍繞每個上電極體形成環(huán)狀釋放通道。

14、6）通過device層上的環(huán)狀釋放通道采用hf干法刻蝕技術(shù)對oxide層進(jìn)行刻蝕，最終在oxide層上位于每個上電極體正下方的位置釋放形成電容空腔體，oxide層剩余部分形成環(huán)狀支撐壁；其中，device層上位于每個電容空腔體頂部的部分形成振膜體。

15、8）將經(jīng)過上述處理的soi晶圓片進(jìn)行劃片即可。

16、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟1）中，soi晶圓片采用四寸晶圓片，device層的厚度為1.5um、oxide層的厚度為0.5um、handle層的厚度為300um。

17、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟6）中，形成電容空腔體后，再進(jìn)行金屬鉻和金的高溫退火處理。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

19、1）本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)、結(jié)構(gòu)合理、制作簡單、使用方便，該傳感器結(jié)構(gòu)尺寸小，可高度集成，靈敏度也高。

20、2）本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)制造方法簡單，工藝流程少，成本低，可批量生產(chǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種基于soi晶圓的mems電容式傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于：包括自上而下設(shè)置的上電極層、振膜層、電容空腔層、襯底層和下電極層；其中，電容空腔層上形成有若干個呈矩形陣列排布的電容空腔體，相鄰電容空腔體之間形成環(huán)狀支撐壁；振膜層上位于每個電容空腔體正上方的部分形成振膜體，圍繞每個振膜體開設(shè)有貫穿振膜層的環(huán)狀釋放通道；上電極層包括若干個上電極體，若干個上電極體分置在各自對應(yīng)的振膜體的頂部中心位置處，若干個上電極體之間通過金屬連線互連；下電極層包括下電極體，下電極體整體覆蓋設(shè)置在襯底層的底面上。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于soi晶圓的mems電容式傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于：在振膜層的邊緣處設(shè)置焊點(diǎn)，若干個上電極體互連后的整體再與焊點(diǎn)連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于soi晶圓的mems電容式傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于：電容空腔體、振膜體、上電極體均按6×6矩形陣列排布。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于soi晶圓的mems電容式傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于：振膜層和襯底層的材料為硅，電容空腔層中的環(huán)狀支撐壁的材料為二氧化硅，上電極體、金屬連線、焊點(diǎn)及下電極體的材料為鉻和金。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于soi晶圓的mems電容式傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于：上電極體、金屬連線、焊點(diǎn)及下電極體的厚度為330nm，振膜層的厚度為1.5um，電容空腔層中電容空腔體和環(huán)狀支撐壁的厚度為0.5um，襯底層的厚度為300um。

6.如權(quán)利要求5所述的基于soi晶圓的mems電容式傳感器結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于soi晶圓的mems電容式傳感器結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于：步驟1）中，soi晶圓片采用四寸晶圓片，device層的厚度為1.5um、oxide層的厚度為0.5um、handle層的厚度為300um。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于soi晶圓的mems電容式傳感器結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于：步驟6）中，形成電容空腔體后，再進(jìn)行金屬鉻和金的高溫退火處理。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明為一種基于SOI晶圓的MEMS電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于MEMS傳感器技術(shù)領(lǐng)域。該結(jié)構(gòu)包括自上而下設(shè)置的上電極層、振膜層、電容空腔層、襯底層和下電極層；電容空腔層上形成有若干個呈矩形陣列排布的電容空腔體，相鄰電容空腔體之間形成環(huán)狀支撐壁，電容空腔體正上方形成振膜體，振膜體周圍開設(shè)有貫穿振膜層的環(huán)狀釋放通道；上電極層包括若干個位于振膜體頂部的上電極體；下電極層包括設(shè)置在襯底層底面上的下電極體。本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)制造方法簡單，工藝流程少，成本低，可批量生產(chǎn)。本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)尺寸小，集成度高，靈敏度高。

技術(shù)研發(fā)人員：王任鑫,李照東,張文棟,張國軍,何常德,賈利成,楊玉華,崔建功,秦麗
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中北大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6