[发明专利]力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构及其制备方法

说明书

本发明提供一种力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构及其制备方法，包括：单晶硅基片；压力参考腔体；位于压力参考腔体上的多晶硅力敏感薄膜、位于多晶硅力敏感薄膜上表面的单晶硅应力集中结构、位于单晶硅应力集中结构上表面的压敏电阻；过孔，穿过单晶硅基片的背面与压力参考腔体相通。本发明采用体硅下薄膜工艺制作，多晶硅力敏感薄膜被沉积在体硅加工后的单晶硅层下表面且薄膜厚度精确可控，单晶硅层与多晶硅力敏感薄膜之间夹着一层氧化硅层；通过干法自停止刻蚀单晶硅层形成单晶硅应力集中结构，最后去除氧化硅层暴露出多晶硅力敏感薄膜。本发明大大提高了高灵敏度压力传感器敏感薄膜结构加工的一致性和高成品率，适合大批量生产。

技术领域

本发明涉及硅微机械技术领域，特别是涉及一种力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构及其制备方法。

背景技术

随着硅基MEMS技术的发展，硅基MEMS压力传感器日趋成熟，凭借其高灵敏度、高精度、低功耗、体积小、成本低等优势，占领了压力传感器的大部分市场。综合考虑性能、成本等指标，现有技术下的硅基MEMS压力传感器已经可以满足手机、汽车电子等领域的市场需求。但是，对于中央空调系统等需要对超小压强变化进行准确测量，只有高性能超低量程(KPa级)的压力传感器才能做到对微小压力变化的实时监控，而现有技术或者不能做到性能足够高(高灵敏度，高线性度)，或者不能做到高一致性、高成品率和低成本大批量生产，因而在该类型差压传感器领域一直存在一个很大的市场缺口。

制造高性能的超低量程压力传感器一直是一个尚未完全解决的难题，其核心技术就是如何解决力敏薄膜厚度精确可控性、一致性和高成品率问题。工业界目前尚缺少低成本、可量产的产品来迎合中央空调控制系统和智能家居系统等对微差压传感器的市场需求。因需要极高的灵敏度，微差压传感器的力敏薄膜必须制造得足够大(直径1mm)且足够薄(厚度1～2μm)。这种大而薄的力敏薄膜的一致性和成品率在工业制造中很难于控制。在压力检测过程中，大而平的薄膜因其大挠度引进的机械非线性，会给检测结果带来难以补偿的非线性，[M.H.Bao,Micro Mechanical Transducers-Pressure Sensors,Accelerometers and Gyroscopes,Amsterdam:Elsevier,2000]。引进梁-膜-岛结构对力敏薄膜加固，可在一定程度上避免大挠度，同时外加压力引起的应力也会集中于梁-膜-岛结构上表面以保证传感器检测高灵敏度，[S.Hein,V.Schliehting,E.Obermeier,“Piezoresistive silicon sensor for very low pressure based on the concept ofstress concentration”,in Digest Tech.Papers Transducers‘93,Japan,1993,pp.628-631]。上海复旦大学鲍敏航教授发表了一种梁-膜-岛结构的敏感薄膜结构，可同时实现薄膜应力集中、高灵敏度以及低非线性度，[H.Yang,S.Shen,M.Bao,et al,“A pressuretransducer with a single-sided multilevel structure by maskless etchingtechnology”,Mechatronics,vol.8,1998,pp.585-593]。然而，这种结构存在如下难以克服的不足：(1)这种无刻蚀自停止机制的传统双面体硅微机械加工工艺制作力敏薄膜方式使得其很难保证力敏薄膜厚度的均匀性和厚度的可控性，从而导致传感器输出的非线性和灵敏度的不确定性。因此，很难保证产品性能的一致性和高成品率；(2)这种加工方式的差压传感器结构尺寸很大，工艺复杂，因此也不适合低成本、大批量生产。代表当今世界最高水平的Robert Bosch,STMicroelectronics以及TDK公司的单面工艺，只能制造基于平膜的高量程绝压传感器，主要适用于手机中的气压计[M.Boehringer,H.Artmann,K.Witt,“Poroussilicon in a semiconductor manufacturing environment”,JMicroelectromech.Syst.vol.21,2012,pp.1375-1381]。