基于SOI晶圆的MEMS电容式传感器结构及其制备方法

本发明属于mems传感器，特别涉及一种电容式换能器，具体是一种基于soi晶圆的mems电容式传感器结构及其制备方法。

背景技术：

1、基于mems技术的电容式传感器具有体积小、一致性高、高密度集成、成本低、易于批量生产等特点，因此在各个领域的应用潜力备受认可。

2、基于晶圆键合拓展的制造方法有硅局部氧化工艺，阳极键合工艺等，与牺牲释放工艺相比，可以更好地控制振膜厚度和空腔高度。但晶圆键合工艺的对晶圆的表面粗糙度和清洁度等问题非常敏感，因此可能有较低的良率。

3、所以，是否可以提出一种新型的电容式传感器结构及其制造方法，从而避免传统技术的难点，就显得很有必要了。

技术实现思路

1、本发明的目的为了解决现有技术中存在的问题以及基于mems技术的电容式换能器在各个领域上的应用潜力，而提供一种基于soi晶圆的mems电容式传感器结构及其制备方法。

2、本发明是通过如下技术方案实现的：

3、本发明的一个目的是提供了一种基于soi晶圆的mems电容式传感器结构，其包括自上而下设置的上电极层、振膜层、电容空腔层、衬底层和下电极层；其中，电容空腔层上形成有若干个呈矩形阵列排布的电容空腔体，相邻电容空腔体之间形成环状支撑壁；振膜层上位于每个电容空腔体正上方的部分形成振膜体，围绕每个振膜体开设有贯穿振膜层的环状释放通道；上电极层包括若干个上电极体，若干个上电极体分置在各自对应的振膜体的顶部中心位置处，若干个上电极体之间通过金属连线互连；下电极层包括下电极体，下电极体整体覆盖设置在衬底层的底面上。

4、作为优选的技术方案，在振膜层的边缘处设置焊点，若干个上电极体互连后的整体再与焊点连接。

5、作为优选的技术方案，电容空腔体、振膜体、上电极体均按6×6矩形阵列排布。

6、作为优选的技术方案，振膜层和衬底层的材料为硅，电容空腔层中的环状支撑壁的材料为二氧化硅，上电极体、金属连线、焊点及下电极体的材料为铬和金。

7、作为优选的技术方案，上电极体、金属连线、焊点及下电极体的厚度为330nm，振膜层的厚度为1.5um，电容空腔层中电容空腔体和环状支撑壁的厚度为0.5um，衬底层的厚度为300um。

8、本发明的另一个目的是提供了上述基于soi晶圆的mems电容式传感器结构的制备方法，其包括如下步骤：

9、1）选用soi晶圆片作为备片，soi晶圆片自上而下依次为device层、oxide层和handle层；其中，上电极层、焊点在device层的上表面，device层作为振膜层所在层，oxide层作为电容空腔层所在层，handle层即为衬底层，下电极层在handle层的下表面。

10、2）通过mems扩散工艺对device层和handle层分别进行硼离子掺杂。

11、3）通过mems镀膜工艺对device层的上表面和handle层的下表面分别进行磁控溅射金属铬和金；其中，handle层下表面上的金属层形成下电极体。

12、4）在device层上璇涂一层光刻胶，利用光刻技术将掩膜版图形转移到光刻胶上，以光刻胶图形做掩膜，采用湿法刻蚀技术对device层的无掩膜区域进行刻蚀，最终在device层上形成呈矩形阵列排布的上电极体以及焊点。

13、5）在device层上璇涂一层光刻胶，利用光刻技术将掩膜版图形转移到光刻胶上，以光刻胶图形做掩膜，采用rie刻蚀技术对device层的无掩膜区域进行刻蚀，最终在device层上围绕每个上电极体形成环状释放通道。

14、6）通过device层上的环状释放通道采用hf干法刻蚀技术对oxide层进行刻蚀，最终在oxide层上位于每个上电极体正下方的位置释放形成电容空腔体，oxide层剩余部分形成环状支撑壁；其中，device层上位于每个电容空腔体顶部的部分形成振膜体。

15、8）将经过上述处理的soi晶圆片进行划片即可。

16、作为优选的技术方案，步骤1）中，soi晶圆片采用四寸晶圆片，device层的厚度为1.5um、oxide层的厚度为0.5um、handle层的厚度为300um。

17、作为优选的技术方案，步骤6）中，形成电容空腔体后，再进行金属铬和金的高温退火处理。

18、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

19、1）本发明传感器结构设计科学、结构合理、制作简单、使用方便，该传感器结构尺寸小，可高度集成，灵敏度也高。

20、2）本发明传感器结构制造方法简单，工艺流程少，成本低，可批量生产。

技术特征：

1.一种基于soi晶圆的mems电容式传感器结构，其特征在于：包括自上而下设置的上电极层、振膜层、电容空腔层、衬底层和下电极层；其中，电容空腔层上形成有若干个呈矩形阵列排布的电容空腔体，相邻电容空腔体之间形成环状支撑壁；振膜层上位于每个电容空腔体正上方的部分形成振膜体，围绕每个振膜体开设有贯穿振膜层的环状释放通道；上电极层包括若干个上电极体，若干个上电极体分置在各自对应的振膜体的顶部中心位置处，若干个上电极体之间通过金属连线互连；下电极层包括下电极体，下电极体整体覆盖设置在衬底层的底面上。

2.根据权利要求1所述的基于soi晶圆的mems电容式传感器结构，其特征在于：在振膜层的边缘处设置焊点，若干个上电极体互连后的整体再与焊点连接。

3.根据权利要求2所述的基于soi晶圆的mems电容式传感器结构，其特征在于：电容空腔体、振膜体、上电极体均按6×6矩形阵列排布。

4.根据权利要求3所述的基于soi晶圆的mems电容式传感器结构，其特征在于：振膜层和衬底层的材料为硅，电容空腔层中的环状支撑壁的材料为二氧化硅，上电极体、金属连线、焊点及下电极体的材料为铬和金。

5.根据权利要求4所述的基于soi晶圆的mems电容式传感器结构，其特征在于：上电极体、金属连线、焊点及下电极体的厚度为330nm，振膜层的厚度为1.5um，电容空腔层中电容空腔体和环状支撑壁的厚度为0.5um，衬底层的厚度为300um。

6.如权利要求5所述的基于soi晶圆的mems电容式传感器结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的基于soi晶圆的mems电容式传感器结构的制备方法，其特征在于：步骤1）中，soi晶圆片采用四寸晶圆片，device层的厚度为1.5um、oxide层的厚度为0.5um、handle层的厚度为300um。

8.根据权利要求6所述的基于soi晶圆的mems电容式传感器结构的制备方法，其特征在于：步骤6）中，形成电容空腔体后，再进行金属铬和金的高温退火处理。

技术总结本发明为一种基于SOI晶圆的MEMS电容式传感器结构及其制备方法，属于MEMS传感器技术领域。该结构包括自上而下设置的上电极层、振膜层、电容空腔层、衬底层和下电极层；电容空腔层上形成有若干个呈矩形阵列排布的电容空腔体，相邻电容空腔体之间形成环状支撑壁，电容空腔体正上方形成振膜体，振膜体周围开设有贯穿振膜层的环状释放通道；上电极层包括若干个位于振膜体顶部的上电极体；下电极层包括设置在衬底层底面上的下电极体。本发明传感器结构制造方法简单，工艺流程少，成本低，可批量生产。本发明传感器结构尺寸小，集成度高，灵敏度高。技术研发人员：王任鑫,李照东,张文栋,张国军,何常德,贾利成,杨玉华,崔建功,秦丽受保护的技术使用者：中北大学技术研发日：技术公布日：2025/1/6