MEMS压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及传感器领域，特别是一种MEMS压力传感器及其制备方法。
背景技术
现有技术中，MEMS压力传感器通常采用平模结构作为感应压力的敏感膜，该MEMS压力传感器包括平膜、固支结构以及背腔。其中，这种MEMS压力传感器的制备方法为：先在半导体衬底如硅晶圆上利用IC工艺加工出检测电路惠斯通电桥;然后再从硅晶圆背面利用半导体微加工工艺的湿法腐蚀或干法刻蚀出背腔，形成平膜结构;最后根据需要键合或不键合其他衬底如玻璃衬底、硅衬底等，形成MEMS压力传感器。
大量程的MEMS压力传感器使用平膜结构时很容易实现优异的性能和稳定性。但是对于小量程或者超小量程的MEMS压力传感器来说，为达到合适的灵敏度，MEMS压力传感器通常需要使用较薄的平膜结构，例如几微米的平膜结构。这种平膜结构在承受压力后，中心变形往往很大，这不仅导致MEMS传感器具有较大的非线性，还会使得MEMS传感器正面承压和反面承压时的灵敏度不一致，即MEMS压力传感器的对称性差。同时，使用较薄的平模结构的MEMS传感器很容易受到外界应力的影响，对后续的封装、测试以及使用带来足多不便，严重的还会造成MEMS传感器寿命减少甚至失效。
因此，必须设计一种新的MEMS压力传感器及其制备方法。
发明内容
为解决上述问题之一，本发明提供了一种MEMS压力传感器，包括：
器件结构，包括相对设置的第一表面和第二表面，所述器件结构的第一表面上设置有岛梁膜及至少部分围设所述岛梁膜的固支结构;
支撑结构，靠近或贴近所述器件结构的第二表面，所述支撑结构远离第一表面的一侧向内凹陷形成背腔，所述支撑结构靠近背腔的一侧平滑延伸。
作为本发明的进一步改进，所述支撑结构与所述器件结构一体成型，所述岛梁膜的第二表面暴露于所述背腔内。
作为本发明的进一步改进，所述压力传感器还包括氧化层，所述氧化层夹设于所述器件结构的部分第二表面和支撑结构之间，所述背腔凹陷至与所述第二表面或氧化层相贴靠。
作为本发明的进一步改进，所述支撑结构设置有两个且沿所述器件结构的相对边沿设置，所述支撑结构靠近背腔的一侧垂直于器件结构设置;或者，两个所述支撑结构靠近背腔的一侧自靠近向远离器件结构的方向倾斜向外延伸。
作为本发明的进一步改进，所述岛梁膜包括膜上岛、自膜上岛分别延伸的连接梁，至少两个连接梁与所述固支结构相连接，所述膜上岛和连接梁在第一表面上相齐平;所述岛梁膜还包括连接在膜上岛、连接梁及固支结构之间的薄膜，所述薄膜自所述第一表面凹陷形成。
为解决上述问题之一，本发明提供了一种如上述所述的MEMS压力传感器的制备方法，所述方法包括：
于衬底晶圆的正面制备出检测电路惠斯通电桥;
于衬底晶圆的正面刻蚀形成凹槽;
于衬底晶圆的背面进行蚀刻形成背腔、支撑结构和岛梁膜;
键合或不键合支撑衬底形成MEMS压力传感器结构。
作为本发明的进一步改进，步骤“于衬底晶圆的正面刻蚀形成凹槽”可在“于衬底晶圆的正面制备出检测电路惠斯通电桥”之前完成，也可在步骤“于衬底晶圆的背面进行蚀刻形成背腔、支撑结构和岛梁膜”之后完成。
作为本发明的进一步改进，步骤“于衬底晶圆的正面制备出检测电路惠斯通电桥”之前包括：选择SOI衬底晶圆，所述SOI衬底晶圆设置有绝缘层;
步骤“于衬底晶圆的背面进行蚀刻形成背腔、支撑结构和岛梁膜”包括：于衬底晶圆的背面进行蚀刻至绝缘层停止，并去除或不去除裸露的绝缘层，形成背腔、支撑结构和岛梁膜。
作为本发明的进一步改进，步骤“于衬底晶圆的正面刻蚀形成凹槽”包括：于衬底晶圆的正面刻蚀形成四个不连通的凹槽。
作为本发明的进一步改进，步骤“于衬底晶圆的背面进行蚀刻形成背腔、支撑结构和岛梁膜”包括：于衬底晶圆的背面进行蚀刻以形成支撑结构、岛梁膜及截面呈梯形或矩形的背腔，所述岛梁膜暴露于背腔内。
与现有技术相比，所述器件结构的第一表面上设置有岛梁膜，岛梁膜结构使得器件结构中心的变形受到一定的限制，进而改善MEMS传感器的非线性和对称性;有效的克服了平模结构中器件灵敏度与非线性之间的矛盾，同时改善了器件的对称性。本发明所述的MEMS岛梁膜结构，有效的克服了平模结构易受外界应力的影响，具有优异的鲁棒性，对外界应力具有较强的抵抗性，方便后续的封装、测试以及使用。
附图说明
图1为本发明第一种实施方式中压力传感器的结构示意图;
图2为本发明第二种实施方式中压力传感器的结构示意图;
图3为图2中圆圈部分的放大结构示意图;
图4为本发明压力传感器的第一种实施方式的制备方法;
图5为本发明压力传感器的第二种实施方式的制备方法。
具体实施例
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1至5所示，本发明提供了一种MEMS压力传感器，包括：
器件结构10，包括相对设置的第一表面和第二表面，所示器件结构10的第一表面上设置有岛梁膜1及至少部分围设所述岛梁膜1的固支结构2;
支撑结构3，靠近或贴近所述器件结构10的第二表面，所述支撑结构3远离第一表面的一侧向内凹陷形成背腔4，所述支撑结构3靠近背腔4的一侧平滑延伸。
在本发明中，所述器件结构10的第一表面上设置有岛梁膜1，其中岛梁膜1在外界压力的作用下发生变形，实现压力的感测，其中薄膜13承担主要形变;连接梁12使得因变形而导致的应力更加集中，进而提高MEMS传感器的灵敏度;膜上岛11使得岛梁膜1中心的变形受到一定的限制，进而改善MEMS传感器的非线性和对称性;有效的克服了平模结构中器件灵敏度与非线性之间的矛盾，同时改善了器件的对称性。本发明所述的MEMS岛梁膜结构，通过设计和制备在厚度上差异化的薄膜13、连接梁12和膜上岛11，有效的克服了平模结构易受外界应力的影响，具有优异的鲁棒性，对外界应力具有较强的抵抗性，方便后续的封装、测试以及使用。
并且，所述支撑结构3靠近背腔4的一侧平滑延伸，即该MEMS压力传感器上仅形成背腔4，而不会形成其他凹陷结构，则结构更加简单。
并且，如图1所示，在本发明的第一种实施例中，所述支撑结构3与所述器件结构10一体成型，所述岛梁膜1的第二表面暴露于所述背腔4内。所示支撑结构3与所述器件结构10一体成型，则具体的，所述支撑结构3和固支结构2连接在一起，所述岛梁膜1和固支结构2也相互连接，且第二表面暴露在该背腔4内。
或者，如图2所示，在本发明的第二种实施例中，所述压力传感器还包括氧化层5，所述氧化层5夹设于所述器件结构10的部分第二表面和支撑结构3之间，所述背腔4凹陷至与所述第二表面或氧化层5相贴靠。在本具体实施方式中，所述压力传感器结构包括氧化层5，则该压力传感器在制备时一开始选用了SOI衬底晶圆。本发明中，可直接选用现成的SOI衬底晶圆对该压力传感器进行制备，而不需要另外再对SOI衬底晶圆进行制备。本发明中，如图2所示，所述背腔4凹陷至该第二表面，即所述岛梁膜1的第二表面上的氧化层5在制备过程中完全被剔除，并且，岛梁膜1的第二表面也暴露于所述背腔4内。当然，或者，若岛梁膜1的第二表面上的氧化层5未完全剔除，则也可以达到本发明的目的。
所述支撑结构3设置有两个且沿所述器件结构10的相对边沿设置，所述支撑结构3靠近背腔4的一侧垂直于器件结构10设置;或者，两个所述支撑结构3靠近背腔4的一侧自靠近向远离器件结构10的方向倾斜向外延伸。所述支撑结构3被蚀刻成在器件结构10的相对边沿对称设置，所述背腔4形成于两个所述支撑结构3之间。
并且，如图2所示，所述支撑结构3靠近背腔4的一侧垂直于器件结构10设置，则背腔4的截面呈矩形。或者，如图1所示，所述支撑结构3靠近背腔4的一侧自靠近向远离器件结构10的方向倾斜向外延伸，由于两个支撑结构3呈对称设置，因而两个支撑结构3靠近背腔4的一侧的倾斜角度相同，所述背腔4的横截面呈梯形。上述两种具体实施例中，所述支撑结构3靠近背腔4的一侧均平滑延伸。
另外，若如上述所述，本发明中的压力传感器内部设置有氧化层5，则所述支撑结构3实际上是与所述氧化层5相贴靠，则由于本发明中直接采用现成的SOI衬底晶圆进行压力传感器的制备，因而本发明中的支撑结构3靠近背腔4的一侧可沿平滑延伸，而不需要额外设置除背腔4以外的空腔结构。
如图3所示，所述岛梁膜1包括膜上岛11、自膜上岛11分别延伸的连接梁12，至少两个连接梁12与所述固支结构2相连接，所述膜上岛11和连接梁12在第一表面上相齐平;所述岛梁膜1还包括连接在膜上岛11、连接梁12及固支结构2之间的薄膜13，所述薄膜13自所述第一表面凹陷形成。
所述岛梁膜1的膜上岛11向外延伸有连接梁12，在本具体实施方式中，如图3所示，所述膜上岛11自俯视图看呈矩形，其整体呈长方体，所述连接梁12设置有四个，且分别自膜上岛11的四个边沿向外延伸形成。当然，所述膜上岛11也可为其他形状，如正方体、圆柱体或台体等，也均可以达到本发明的目的。
并且，至少两个连接梁12与所述固支结构2相连接，如图1和图2所示，本具体实施方式中，所述连接梁12自所述膜上岛11的均匀四个方向延伸，三个连接梁12正好与所述固支结构2相连接，一个连接梁12连接至所述岛梁膜1边缘。
另外，所述MEMS压力传感器上设置有惠斯通电桥6，所述惠斯通电桥6包括四个电阻，该四个电阻分别设置于四个连接梁12上。
本发明还提供了一种如上述所述的MEMS压力传感器的制备方法，所述方法包括：
于衬底晶圆的正面制备出检测电路惠斯通电桥6，具体的，利用半导体集成电路工艺制备该惠斯通电桥6;
于衬底晶圆的正面刻蚀形成凹槽14，具体的，可采用湿法腐蚀或干法刻蚀出所述凹槽14;
于衬底晶圆的背面进行蚀刻形成背腔4、支撑结构3和岛梁膜1，具体的，可采用半导体微加工工艺中的各向异性腐蚀工艺进行腐蚀;
键合或不键合支撑衬底形成MEMS压力传感器结构，具体的，衬底可为玻璃衬底、硅衬底等。
本发明中，可直接在衬底晶圆的正面刻蚀形成凹槽14，并由于衬底晶圆背面也进行蚀刻形成背腔4，从而使得衬底晶圆的正面形成岛梁膜1。并且，背腔4可直接蚀刻而成，而不需要另外再进行其他步骤的蚀刻。并且，选择的衬底晶圆可为N型或带有N型外延层的100硅晶圆。
进一步的，步骤“于衬底晶圆的正面刻蚀形成凹槽14”可在“于衬底晶圆的正面制备出检测电路惠斯通电桥6”之前完成，也可在步骤“于衬底晶圆的背面进行蚀刻形成背腔4、支撑结构3和岛梁膜1”之后完成。
步骤“于衬底晶圆的正面刻蚀形成凹槽14”是为了形成岛梁膜1结构，通过在衬底晶圆的正面刻蚀形成凹槽14，从而可以与形成的背腔4相配合，较薄的部分即形成薄膜13、较厚的部分则形成连接梁12和膜上岛11。因而，可以先进行衬底晶圆正面的凹槽14的蚀刻再进行背面的蚀刻，或者，也可以先进行衬底晶圆背面的蚀刻再进行正面凹槽14的蚀刻。又由于所述惠斯通电桥6设置于连接梁12上，因而可以预先规划好惠斯通电桥6的位置，先进行凹槽14的蚀刻、再进行惠斯通电桥6的制备;或者，也可以先进行惠斯通电桥6的制备，再进行凹槽14的蚀刻。
如图5所示，与上述第二种实施方式相对应的，若该衬底晶圆选择SOI衬底晶圆，则步骤“于衬底晶圆的正面制备出检测电路惠斯通电桥6”之前包括：选择SOI衬底晶圆，所述SOI衬底晶圆设置有绝缘层;
步骤“于衬底晶圆的背面进行蚀刻形成背腔4、支撑结构3和岛梁膜1”包括：于衬底晶圆的背面进行蚀刻至绝缘层停止，并去除或不去除裸露的绝缘层，形成背腔4、支撑结构3和岛梁膜1。在本具体实施方式中，在衬底晶圆的背面进行蚀刻时，裸露的绝缘层也进行去除，使得岛梁膜1的第二表面完全暴露在背腔4中。
因而，本发明中，由于直接采用了SOI衬底晶圆，该SOI衬底晶圆的绝缘层为N型或带有N型外延层的硅晶圆，因而不需要再对SOI衬底晶圆进行另外的制备，也无需为了SOI衬底晶圆再进行另外的蚀刻，而是可直接刻蚀形成平滑的支撑结构3及均匀的背腔4。相比采用普通的带有空腔结构的C-SOI晶圆，直接采用SOI衬底晶圆的工艺流程更加简单，可操作性高、灵活度高、开发周期短，并且SOI衬底晶圆也并非定制化产品，获取途径多，价格便宜。而C-SOI晶圆则属于定制化产品，通用性低，成本较高，制备的流程也复杂单一，不利于产业的扩大和进步。并且，C-SOI晶圆由于空腔的存在，加工的过程中存在破膜的风险。
与上述技术方案相对应的，步骤“于衬底晶圆的正面刻蚀形成凹槽14”包括：于衬底晶圆的正面刻蚀形成四个不连通的凹槽14。衬底晶圆的正面的凹槽14处由于较薄，因而形成薄膜13，凹槽14和凹槽14之间则形成膜上岛11及连接梁12。
进一步的，步骤“于衬底晶圆的背面进行蚀刻形成背腔4、支撑结构3和岛梁膜1”包括：于衬底晶圆的背面进行蚀刻以形成支撑结构3、岛梁膜1及截面呈梯形或矩形的背腔4，所述岛梁膜1暴露于背腔4内。
因此，综上所述，所述器件结构10的第一表面上设置有岛梁膜1，其中岛梁膜1在外界压力的作用下发生变形，实现压力的感测，其中薄膜13承担主要形变;连接梁12使得因变形而导致的应力更加集中，进而提高MEMS传感器的灵敏度;膜上岛11使得岛梁膜1中心的变形受到一定的限制，进而改善MEMS传感器的非线性和对称性;有效的克服了平模结构中器件灵敏度与非线性之间的矛盾，同时改善了器件的对称性。本发明所述的MEMS岛梁膜结构，通过设计和制备在厚度上差异化的薄膜13、连接梁12和膜上岛11，有效的克服了平模结构易受外界应力的影响，具有优异的鲁棒性，对外界应力具有较强的抵抗性，方便后续的封装、测试以及使用。
并且，在具体实施方式中，可直接采用现成的SOI衬底晶圆，而无需另外再采用带有空腔结构的C-SOI晶圆，因而不需要另外进行定制，工艺周期较短，更加便捷高效。并且，C-SOI晶圆在制备的过程中存在破膜的风险。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
