一种高灵敏度MEMS压差传感器件及其制备方法

本发明涉及微电子器件和压力传感领域，具体涉及一种高灵敏度mems压差传感器件及其制备方法。

背景技术：

1、微机械系统(micromechanical system,mems)是一种使用半导体材料制造的技术，在一般的硅衬底上集成了机械组件、传感器、执行器和电子元件，特征尺寸从几毫米到微米级。压阻式压力传感器是目前报道最多、发展最快的mems器件之一。目前已有多种二维材料应用于mems压阻或柔性压阻器件，但是存在灵敏度低、稳定性差、较难制备等问题，这其中很大的一个原因是温度影响。由于一个mems器件制备流程普遍比较长，在器件制备的某个流程中温度越高，所能兼容的整个制备步骤就越有限，包括电极的沉积，材料的封装等等。二硒化钯(pdse2)作为一种新型二维过渡贵金属硫族化合物，在晶体学上具有低对称性，在应力条件作用下带隙更容易发生变化，使得导电率变化更明显，具有应变敏感特性，且在较低温度下即可通过将钯膜完成硒化反应制备，具有显著的半导体工艺兼容优势，在mems压差传感器领域具有极高的应用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高灵敏度mems压差传感器件及其制备方法，通过在双面氮化硅(sinx)的硅基片上光刻与湿法刻蚀得到sinx自支撑薄膜，在sinx自支撑薄膜上沉积多晶pdse2薄膜与金属电极，将金属电极连接外部测试系统可以测试pdse2薄膜在应力作用下弯曲形变后的压阻效应和压力灵敏度等参数。成品率高，可重复性强，具有高灵敏度，高稳定性的优点。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种高灵敏度mems压差传感器件，包括从上到下设置的金属电极、pdse2多晶薄膜、悬浮结构的sinx自支撑膜、硅基片和带有刻蚀窗口的sinx薄膜，其中悬浮结构的sinx自支撑膜上沉积有pdse2多晶薄膜与金属电极，pdse2多晶薄膜用封装材料进行封装，硅基片位于悬浮结构的sinx自支撑膜与带有刻蚀窗口的sinx薄膜之间。

3、在本发明的较佳实施方式中，所述氮化硅薄膜刻蚀窗口的尺寸为0.3mm×0.3mm～2mm×2mm。

4、在本发明的另一较佳实施方式中，所述硅基片的厚度为180～220μm。

5、在本发明的较佳实施方式中，所述金属电极材料为金薄膜、铬/金复合薄膜、铟/金复合薄膜、铂薄膜或钯薄膜，其厚度为40～100纳米，金属电极的尺寸为0.4mm×0.4mm～1.5mm×1.5mm。

6、在本发明的另一较佳实施方式中，pdse2多晶薄膜形状为类“u”型，内径为50～400微米，厚度为5～15纳米。

7、本发明提供一种高灵敏度mems压差传感器件及其制备方法，包括如下步骤：

8、步骤1：在氮化硅薄膜上采用光刻得到设计的刻蚀图案，利用反应离子刻蚀法将图案部分的氮化硅膜刻蚀干净，得到带有刻蚀窗口的氮化硅薄膜，并使图案区域氮化硅膜下的硅基片暴露；

9、步骤2：将带有刻蚀窗口的氮化硅薄膜的双面镀氮化硅的硅基片放入强碱性溶液，在恒温下湿法刻蚀硅基片，直到刻蚀出悬浮结构的氮化硅自支撑膜；

10、步骤3：在悬浮结构的氮化硅自支撑膜的一面采用光刻得到设计的器件图案；在显影器件图案的一面沉积钯薄膜，将沉积的钯薄膜进行硒化，得到二硒化钯多晶薄膜；

11、步骤4：在悬浮结构的氮化硅自支撑膜的一面采用光刻的方式得到设计的电极图案，并在电极图案的一面沉积金属电极。

12、步骤5：将二硒化钯多晶薄膜利用封装材料进行封装。

13、在本发明的较佳实施方式中，所述步骤1中带有刻蚀窗口的氮化硅薄膜的制备方法如下：

14、步骤1-1：将双面镀有氮化硅薄膜的硅基片使用丙酮、无水乙醇和去离子水分别超声清洗5min，并用氮气吹干；

15、步骤1-2：采用光刻的方式得到刻蚀窗口图案；

16、步骤1-3：将后的基片放入rie真空腔体内，将光刻胶作为掩膜，使用四氟化碳(cf4)、氧气(o2)、和氩气(ar)对显影后图形区域的氮化硅进行反应离子刻蚀，cf4、o2和ar流量通过质量流量计(mfc)控制体积比为1：1：2，刻蚀功率密度为0.06w/cm2～0.12w/cm2，刻蚀时间200～400s，得到带有刻蚀窗口的氮化硅薄膜。

17、在本发明的另一较佳实施方式中，所述步骤2中悬浮结构的氮化硅自支撑膜的制备方法如下：

18、步骤2-1：将带有刻蚀窗口的氮化硅薄膜的基片，放入去胶液中浸泡5min，去除残余的光刻胶后，将基片取出，使用去离子水将基片冲洗干净，再用氮气吹干；

19、步骤2-2：将吹干后的基片放入强碱溶液中，使用恒温油浴搅拌台，以80℃恒定温度刻蚀2.5小时，得到悬浮结构的氮化硅自支撑膜。

20、在本发明的较佳实施方式中，所述强碱溶液为氢氧化钾(koh)，其质量分数为40wt％。

21、在本发明的较佳实施方式中，所述步骤3中钯膜的制备方法如下：

22、步骤3-1：将带有悬浮结构的氮化硅自支撑膜的硅基片依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗5min，并用氮气吹干；

23、步骤3-2：采用光刻得到钯膜的器件图案；

24、步骤3-3：将曝光器件图案后的基片，放入磁控溅射镀膜系统的腔体中，将真空度抽至2×104pa以下，然后通入高纯氩气将气压调整至3.5pa；

25、步骤3-4：使用射频源使氩气启辉并轰击靶材。预溅射5min后，通过射频功率溅射沉积8～15nm钯薄膜，沉积完毕后取出基片，将基片放入去胶液中，待光刻胶去除干净后，将基片用去离子水冲洗干净，并用氮气吹干。

26、在本发明的另一较佳实施方式中，所述步骤4中二硒化钯多晶薄膜的制备方法如下：

27、步骤4-1：将磁控镀钯后的基片放置在pecvd管式炉的石英管中并调整至中心高温区域，把高纯度足量的硒(se)粉(99.99％)放置在石英舟中并将石英舟放置于上游；

28、步骤4-2：利用机械泵对石英管内抽真空，使石英管内气压低于5pa，接着通入高纯氩气排出管内剩余气体，调整气压到10pa；

29、步骤4-3：设定管式炉的升温参数，在15min时长下从室温升温至250℃并保温30min；

30、步骤4-4：待管式炉自然降温恢复至室温，通入氮气至石英管内使管内恢复至标准大气压后，取出基片，得到二硒化钯多晶薄膜。

31、在本发明的较佳实施方式中，所述步骤5中金属电极的制备方法如下：

32、步骤5-1：将显影出电极图案的基片放入热蒸发镀膜机真空腔体中，将腔体内抽真空至气压达到1×105pa以下；

33、步骤5-2：依次蒸镀5nm～8nmcr、40nm～80nmau；

34、步骤5-3：将蒸镀有金属电极的基片，放入去胶液中，待去除光刻胶后，依次用无水乙醇、去离子水冲洗，最后用氮气吹干。

35、本发明提供的压差传感器利用了二硒化钯多晶薄膜优异的柔性、变形敏感特性以及电学特性，在应力的作用下形变弯曲产生的压阻效应，将沉积在二硒化钯上的金属电极连接外部测试系统可以测试二硒化钯薄膜在应力作用下弯曲形变后的压阻效应和压力灵敏度等参数，可以实现对气压的监测效果，该传感器在发声、微麦克风和呼吸等领域有良好的发展潜力。

36、以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。