CN106969874B - 力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构及其制备方法
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***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***和智能家居***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]。
中国科学院上海微***与信息技术研究所王家畴最近开发了一种新的体硅工艺MIS(Microholes Interetch&Sealing)制造工艺，[J.C.Wang,Xinxin Li,“Package-friendly piezoresistive pressure sensors with on-chip integrated packaging-stress-suppressed suspension(PS3)technology”,J.Micromech.Microeng.Vol.23,2013045027]。这种单硅片单面工艺可以通过开小孔后各向异性湿法腐蚀在单晶硅薄膜下形成腔体。MIS工艺已经被广泛用来制造压力传感器、加速度传感器、微流量传感器、胎压检测***甚至生化传感器。较之传统硅基MEMS压力传感器，基于MIS工艺制造的压力传感器具有工艺简单、与IC制备工艺兼容、成本低廉等优势，已经有产品批量生产与Robert Bosch,STMicroelectronics以及TDK等大公司竞争市场。然而限于MIS工艺本身也难于制造足够薄的力敏薄膜(1～2μm)，主要原因如下：MIS工艺制作的力敏感薄膜为单晶硅薄膜，主要依靠KOH(或TMAH)腐蚀溶液通过微型释放孔在硅片内部横向腐蚀单晶硅来形成腔体和位于腔体上方的单晶硅力敏感薄膜，由于腔体的8个面均为(111)晶面，单晶硅力敏感薄膜的下表面(即，腔体的上表面)也是(111)晶面，因此其成型过程主要依靠KOH(或TMAH)碱性腐蚀溶液腐蚀(111)晶面和(110)晶面时两者之间腐蚀速率不同来实现了(其中，KOH腐蚀(111)晶面与(110)晶面之间的腐蚀速率比大概约为1:50左右；TMAH腐蚀(111)晶面与(110)晶面之间的腐蚀速率比大概约为1:40左右)。由于KOH(或TMAH)溶液在腐蚀过程中不仅腐蚀(110)晶面，同时也腐蚀(111)晶面，因此对于采用MIS工艺腐蚀出厚度只有2μm或更薄的单晶硅薄膜是根本没有办法做到了。因此，这种基于单纯的MIS工艺并不能解决超微差压传感器力敏薄膜厚度结构精确控制的制造问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于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，用于解决现有技术中高灵敏度压力传感器敏感薄膜厚度结构很难精确控制的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构，所述力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构至少包括：
一单晶硅基片；
一压力参考腔体，形成于所述单晶硅基片内部；
一压力敏感单元，包括位于所述压力参考腔体上的多晶硅力敏感薄膜、位于所述多晶硅力敏感薄膜上表面的单晶硅应力集中结构、以及位于所述单晶硅应力集中结构上表面的四个压敏电阻；
过孔，穿过所述单晶硅基片的背面与所述压力参考腔体相通。
优选地，所述单晶硅基片为(111)晶面的单晶硅基片。
优选地，还包括多个藉由引线连接对应各压敏电阻的焊盘。
优选地，所述多晶硅力敏感薄膜为六边形多晶硅薄膜，所述压力参考腔体为顺应所述多晶硅力敏感薄膜形状的六边形腔体。
更优选地，所述多晶硅力敏感薄膜的六个边均沿<110>晶向排布。
优选地，所述单晶硅应力集中结构包括位于中间层的单晶硅层，以及位于所述单晶硅层上、下表面的氧化硅层，上、下层的氧化硅层厚度相等。
更优选地，所述单晶硅应力集中结构沿<211>晶向排布。
优选地，所述单晶硅应力集中结构上的压敏电阻为四个注入式单晶硅压敏电阻，分别设置于所述单晶硅应力集中结构上表面的应力集中位置，四个压敏电阻相对于所述单晶硅应力集中结构的中心呈中心对称分布，连接成惠斯通全桥检测电路。
优选地，所述过孔为圆形结构，通过所述过孔的尺寸来控制所述多晶硅力敏感薄膜的厚度，尺寸越大所述多晶硅力敏感薄膜的厚度越厚。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构的制备方法，至少包括：
S1：提供一单晶硅基片，在所述单晶硅基片上形成第一氧化物层，在需要制作压敏电阻的区域去除所述第一氧化物层，将离子注入所述单晶硅基片以形成压敏电阻，在所述第一氧化物层上沉积第一钝化保护层，在所述第一钝化保护层、所述第一氧化物层及所述单晶硅基片上间隔地制作多个微型释放孔，确定出单晶硅应力集中结构的厚度；
S2：在所述第一钝化保护层表面、所述微型释放孔的侧壁及底部沉积第二钝化保护层，反应离子刻蚀掉所述微型释放孔底部的第二钝化保护层，再进行深反应离子刻蚀所述微型释放孔下方的单晶硅基片，确定出压力参考腔体的深度；
S3：湿法腐蚀出单晶硅应力集中结构所在的单晶硅层及位于所述单晶硅层下方的压力参考腔体，在所述压力参考腔体的各个表面上形成第二氧化物层；
S4：在所述单晶硅基片的背面采用深反应离子刻蚀过孔，刻蚀至所述压力参考腔体下表面的第二氧化物层后自动停止，然后去除所述过孔与所述压力参考腔体连接处的第二氧化物层；
S5：沉积多晶硅填充所述微型释放孔，直至所述压力参考腔体的各表面均覆盖一层多晶硅薄膜，所述多晶硅薄膜的厚度由所述微型释放孔与所述过孔结构尺寸大小精确控制，以多晶硅填满所述微型释放孔时间为基准时间，根据沉淀多晶硅薄膜的厚度不同在基准时间上增加相应量沉积时间；
S6：去除所述单晶硅基片上表面的多晶硅薄膜，制作引线孔引线及焊盘；
S7：图形化单晶硅应力集中结构，硅深反应离子刻蚀掉除所述单晶硅应力集中结构以外其余部分的单晶硅薄层至所述第二氧化物层自动停止，用反应离子刻蚀技术去除暴露出来的第二氧化物层，得到多晶硅层形成的多晶硅力敏感薄膜。
优选地，所述单晶硅基片为N型单抛或双抛(111)晶面的单晶硅基片。
优选地，所述微型释放孔是两列沿所述单晶硅基片的<211>晶向等间距制作且平行排布的多个方形微型释放孔。
优选地，所述微型释放孔的尺寸决定所述多晶硅层的沉积基准时间，所述微型释放孔的深度决定所述单晶硅应力集中结构的厚度。
更优选地，所述微型释放孔的尺寸为4～24μm2。
优选地，所述过孔为圆形结构，其半径为5～50μm。
如上所述，本发明的力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构及其制备方法，具有以下有益效果：
本发明采用独创的体硅下薄膜工艺(TUB,Thin-film Under Bulk)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，单晶硅层与多晶硅力敏感薄膜之间夹着一层氧化硅层；然后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，本发明工艺可以制备厚度薄于2μm下的多晶硅力敏感薄膜，大大提高了高灵敏度压力传感结构敏感薄膜结构加工的一致性和高成品率，适合大批量生产。
附图说明
图1显示为本发明的力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构三维结构示意图。
图2显示为本发明的力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构三维结构局部剖面示意图。
图3a-3i显示为本发明的力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构的制备方法的工艺流程图。
图4显示为本发明的力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构的输出曲线。
元件标号说明
1 力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构
11 单晶硅基片
12 压力参考腔体
13 压力敏感单元
131 多晶硅力敏感薄膜
132 单晶硅应力集中结构
1321 第一氧化硅层
1322 单晶硅层
1323 第二氧化硅层
133 压敏电阻
134 焊盘
14 过孔
21 第一钝化保护层
22 微型释放孔
23 第二钝化保护层
24 多晶硅薄膜
25 引线
S1～S7 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
为了解决传统差压传感器结构和制作工艺难题，特别是为了解决超微差压传感器中超薄且大尺寸力敏薄膜制作过程中的薄膜厚度精确可控性难题，本发明提出了一种新型的力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构及其独创的体硅下薄膜工艺(TUB,Thin-filmUnder Bulk)制备方法。本发明的体硅下薄膜工艺(TUB)在各步刻蚀中均巧妙引入了刻蚀自停止机制，使得刻蚀中的不可控因素对MEMS器件加工的影响可以忽略。特别是TUB工艺可以通过微型释放孔与圆形过孔来精确控制多晶硅力敏薄膜的厚度且可制备薄膜厚度最薄可小于1μm，与传统力敏薄膜制备工艺相比，这些优势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，提高了传感器的产品率，适于大批量生产要求。
如图1～图2所示，本发明提供一种力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构1，所述力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构1至少包括：一单晶硅基片11、一压力参考腔体12、一压力敏感单元13、两个过孔14。
具体地，如图1及图2所示，所述单晶硅基片11为(111)晶面的单晶硅基片。
具体地，如图1及图2所示，所述压力参考腔体12，形成于所述单晶硅基片11内部。所述压力参考腔体12为顺应所述多晶硅力敏感薄膜131形状的腔体，在本实施例中，为六边形结构，所述压力参考腔体12位于所述多晶硅力敏感薄膜131的下方，用于使所述多晶硅力敏感薄膜131悬空；所述压力参考腔体12四周各面均覆盖着一层厚度均匀的多晶硅薄膜，其中上层多晶硅薄膜即为所述多晶硅力敏感薄膜131，且各面的薄膜厚度与所述多晶硅力敏感薄膜131厚度相同；所述压力参考腔体12的深度可控，当所述力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构1的正面和背面间的压力差超过满量程时，合理的压力参考腔体深度设计能为多晶硅力敏感薄膜提供可靠的过载保护，所述压力参考腔体12的深度可根据实际应用环境做具体设定，在此不做具体设定。
具体地，如图1及图2所示，所述压力敏感单元13包括位于所述压力参考腔体12上的多晶硅力敏感薄膜131、位于所述多晶硅力敏感薄膜131上表面的单晶硅应力集中结构132、位于所述单晶硅应力集中结构132上表面的四个压敏电阻133，以及多个藉由引线连接对应各压敏电阻133的焊盘134。
更具体地，如图1及图2所示，在本实施例中，所述多晶硅力敏感薄膜131为六边形多晶硅薄膜，其六个边均沿<110>晶向排布，所述多晶硅力敏感薄膜131用于感知外部压力变化。在本实施例中，所述单晶硅应力集中结构132为“串”字形，沿<211>晶向排布，所述单晶硅应力集中结构132包括位于中间层的单晶硅层1322，以及位于所述单晶硅层上表面的第一氧化硅层1321、下表面的第二氧化硅层1323；其中，上、下层的氧化硅层厚度相等，因此残余应力的大小一致，既消除了氧化硅薄层残余应力对压力敏感单元13力学性能的不利影响，大大提高传感器的检测性能，同时所述单晶硅应力集中结构132下表面的氧化硅层又为后续干法刻蚀所述单晶硅应力集中结构132提供了刻蚀自停止用途，避免了所述多晶硅力敏感薄膜131被干法刻蚀所损伤。所述单晶硅应力集中结构132上的压敏电阻133为四个注入式单晶硅压敏电阻，分别位于所述单晶硅应力集中结构132上表面的应力集中位置上，即，所述单晶硅应力集中结构132的两端和中间两侧位置。其中，两端的两个压敏电阻在外部压力作用下受到拉应力阻值增大，中间两侧的两个压敏电阻受到压应力阻值减小，四个压敏电阻133相对于所述单晶硅应力集中结构132的中心呈中心对称分布，分别通过铝线互连成一个完整的惠斯顿全桥检测电路。
具体地，如图1及图2所示，所述过孔14穿过所述单晶硅基片11的背面与所述压力参考腔体12相通，通过所述过孔14可实现所述压力参考腔体12与不同大气压强连接。在本实施例中，所述过孔14为圆形结构，通过所述过孔14的尺寸来控制所述多晶硅力敏感薄膜131的厚度，尺寸越大所述多晶硅力敏感薄膜131的厚度越厚。
如图3a～图3i所示，本发明还提供一种力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构的制备方法，该体硅下薄膜工艺(TUB,Thin-film Under Bulk)制备方法至少包括以下步骤：
步骤S1：提供一单晶硅基片11，在所述单晶硅基片11上形成第一氧化物层，在需要制作压敏电阻133的区域去除所述第一氧化物层，将离子注入所述单晶硅基片11以形成压敏电阻133，在所述第一氧化物层上沉积第一钝化保护层21，在所述第一钝化保护层21、所第一氧化物层及所述单晶硅基片11上间隔地制作多个微型释放孔22，确定多晶硅沉积的基准时间及单晶硅应力集中结构的厚度。
具体地，如图3a所示，所述单晶硅基片11为N型单抛或双抛(111)晶面的单晶硅基片，在本实施例中，其尺寸为1.2mm×1.2mm×0.45mm。采用热氧化的方法在所述单晶硅基片11的表面形成氧化物层21，在本实施例中，所述第一氧化物层为第一氧化硅层1321，确定压敏电阻133的制作区域，通过刻蚀去除压敏电阻133区域的第一氧化硅层1321，通过硼离子注入在所述单晶硅基片11内形成所述压敏电阻133。在所述第一氧化硅层1321上通过LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，低压力化学气相沉积)TEOS(Tetraethylorthosilicate，四乙氧基硅烷)低温沉积第一钝化保护层21，在本实施例中，所述第一钝化保护层21为氧化硅层。通过反应离子刻蚀在所述第一钝化保护层21及所述第一氧化硅层1321上间隔地制作多个微型释放孔22，所述微型释放孔22是两列沿所述单晶硅基片11的<211>晶向等间距制作且平行排布的多个方形微型释放孔，所述微型释放孔22的尺寸确定了后续多晶硅沉积的基准时间，所述微型释放孔22的尺寸为4～24μm2，在本实施例中，所述微型释放孔22的尺寸为3μm×3μm。通过硅深反应离子刻蚀在所述单晶硅基片11上增加所述微型释放孔22的深度，所述微型释放孔22的深度即为后续单晶硅应力集中结构132的厚度。
步骤S2：在所述第一钝化保护层21表面、所述微型释放孔22的侧壁及底部沉积第二钝化保护层23，反应离子刻蚀掉所述微型释放孔22底部的第二钝化保护层23，再进行深反应离子刻蚀所述微型释放孔22下方的单晶硅基片11，确定出压力参考腔体12的深度。
具体地，如图3b所示，采用LPCVD TEOS低温沉积第二钝化保护层23，在本实施例中，所述第二钝化保护层23为氧化硅层。如图3c所示，采用反应离子刻蚀去除所述微型释放孔22底部的氧化硅，再采用深反应离子刻蚀所述微型释放孔22下方的单晶硅基片11，定义所述压力参考腔体12的深度，在本实施例中，所述压力参考腔体12的深度为20μm。
步骤S3：湿法腐蚀出单晶硅应力集中结构132所在的单晶硅层1322及位于所述单晶硅层1322下方的压力参考腔体12，在所述压力参考腔体12的各个表面上形成第二氧化物层。
具体地，如图3d所示，采用TMAH(四甲基氢氧化铵)腐蚀液各向异性腐蚀所述单晶硅基片11直至所述压力参考腔体12的八个(111)面全部暴露后停止，形成所述单晶硅应力集中结构132所在的单晶硅层1322及其位于所述单晶硅层1322下方的压力参考腔体12，并采用BOE腐蚀液去除残余的第一钝化保护层21及第二钝化保护层23。如图3e所示，采用热氧化工艺在所述压力参考腔体12内侧的八个面上形成第二氧化硅层1323。
步骤S4：在所述单晶硅基片11的背面采用深反应离子刻蚀过孔14，刻蚀至所述压力参考腔体12下表面的第二氧化物层后自动停止，然后去除所述过孔14与所述压力参考腔体12连接处的第二氧化物层。
具体地，如图3f所示，采用深反应离子刻蚀所述单晶硅基片11的背面，刻蚀至所述压力参考腔体12下表面的所述第二氧化层后自动停止，再采用反应离子刻蚀去除背面的第二氧化层，形成所述过孔14，所述过孔为圆形结构，其半径为5～50μm，在本实施例中，设定为10μm。
步骤S5：沉积多晶硅填充所述微型释放孔22，直至所述压力参考腔体12的各表面均覆盖一层多晶硅薄膜24，所述多晶硅薄膜24的厚度由所述微型释放孔22与所述过孔14的结构尺寸大小精确控制，以多晶硅填满所述微型释放孔时间为基准时间，根据沉淀多晶硅薄膜的厚度不同在基准时间上增加相应量沉积时间。
具体地，如图3g所示，沉积多晶硅填充所述微型释放孔22，以多晶硅填满所述微型释放孔22的时间为基准时间，根据沉淀多晶硅薄膜24的厚度不同在基准时间上增加相应量沉积时间，所述压力参考腔体12的各表面均覆盖一层多晶硅薄膜24。
步骤S6：如图3h所示，去除所述单晶硅基片11上表面的多晶硅薄膜24，制作引线孔、引线25及焊盘。
步骤S7：图形化单晶硅应力集中结构，硅深反应离子刻蚀掉除所述单晶硅应力集中结构132以外其余部分的单晶硅层至第二氧化物层自动停止，用反应离子刻蚀技术去除暴露出来的第二氧化物层，暴露出多晶硅层形成的多晶硅力敏感薄膜1321。
具体地，如图3i所示，采用硅深反应离子刻蚀掉除所述单晶硅应力集中结构132以外其余部分的单晶硅基片11，至第二氧化物层自动停止，再用反应离子刻蚀技术去除第二氧化物层，暴露出所述多晶硅力敏感薄膜131，所述多晶硅力敏感薄膜131为六边形结构，在本实施例中，将所述多晶硅力敏感薄膜131的厚度精确控制为2μm。
如图4所示，对本实施例中加工完成的力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构1进行综合性能测试，测试结果表明未经任何电信号放大，1000Pa量程内灵敏度为13.36mV/kPa，非线性度仅有0.31％FS，噪声小于0.01mV，可分辨1-2Pa的压力变化，满足中央空调***的应用要求。此外实施例所加工的差压传感结构中的多晶硅力敏感薄膜厚度均匀可控，一致性好、成品率高，这完全得益于本发明的差压传感结构和相应的TUB制造工艺。
如上所述，本发明的力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构及其制备方法，具有以下有益效果：
本发明采用独创的体硅下薄膜工艺(TUB,Thin-film Under Bulk)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，单晶硅层与多晶硅力敏感薄膜之间夹着一层氧化硅层；然后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。与传统通过微机械刻蚀或湿法腐蚀加工的单晶硅力敏感薄膜不同，由于在整个工艺过程中本发明的多晶硅力敏感薄膜均未受任何刻蚀损伤，其厚度完全由LPCVD沉积多晶硅薄膜决定且厚度均匀可控，因此本发明大大提高了高灵敏度压力传感结构敏感薄膜结构加工的一致性和高成品率，适合大批量生产。
综上所述，本发明提供一种力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构，包括：一单晶硅基片；一压力参考腔体，形成于所述单晶硅基片内部；一压力敏感单元，包括位于所述压力参考腔体上的多晶硅力敏感薄膜、位于所述多晶硅力敏感薄膜上表面的单晶硅应力集中结构、以及位于所述单晶硅应力集中结构上表面的四个压敏电阻；过孔，穿过所述单晶硅基片的背面与所述压力参考腔体相通。采用独创的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，单晶硅层与多晶硅力敏感薄膜之间夹着一层氧化硅层；然后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。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (14)

1.一种力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构，其特征在于，所述力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构至少包括：
一单晶硅基片；
一压力参考腔体，形成于所述单晶硅基片内部；
一压力敏感单元，包括位于所述压力参考腔体上的多晶硅力敏感薄膜、位于所述多晶硅力敏感薄膜上表面的单晶硅应力集中结构、以及位于所述单晶硅应力集中结构上表面的四个压敏电阻；所述单晶硅应力集中结构包括位于中间层的单晶硅层，以及位于所述单晶硅层上、下表面的氧化硅层，上、下层的氧化硅层厚度相等；
过孔，穿过所述单晶硅基片的背面与所述压力参考腔体相通，用于控制所述多晶硅力敏感薄膜的厚度，所述过孔的尺寸越大所述多晶硅力敏感薄膜的厚度越厚。
2.根据权利要求1所述的力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构，其特征在于：所述单晶硅基片为(111)晶面的单晶硅基片。
3.根据权利要求1所述的力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构，其特征在于：还包括多个藉由引线连接对应各压敏电阻的焊盘。
4.根据权利要求1所述的力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构，其特征在于：所述多晶硅力敏感薄膜为六边形多晶硅薄膜，所述压力参考腔体为顺应所述多晶硅力敏感薄膜形状的六边形腔体。
5.根据权利要求4所述的力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构，其特征在于：所述多晶硅力敏感薄膜的六个边均沿<110>晶向排布。
6.根据权利要求1所述的力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构，其特征在于：所述单晶硅应力集中结构沿<211>晶向排布。
7.根据权利要求1所述的力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构，其特征在于：所述单晶硅应力集中结构上的压敏电阻为四个注入式单晶硅压敏电阻，分别设置于所述单晶硅应力集中结构上表面的应力集中位置，四个压敏电阻相对于所述单晶硅应力集中结构的中心呈中心对称分布，连接成惠斯通全桥检测电路。
8.根据权利要求1所述的力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构，其特征在于：所述过孔为圆形结构。
9.一种如权利要求1～8任意一项所述的力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：提供一单晶硅基片，在所述单晶硅基片上形成第一氧化物层，在需要制作压敏电阻的区域去除所述第一氧化物层，将离子注入所述单晶硅基片以形成压敏电阻，在所述第一氧化物层上沉积第一钝化保护层，在所述第一钝化保护层、所述第一氧化物层及所述单晶硅基片上间隔地制作多个微型释放孔，确认出单晶硅应力集中结构的厚度；
S2：在所述第一钝化保护层表面、所述微型释放孔的侧壁及底部沉积第二钝化保护层，反应离子刻蚀掉所述微型释放孔底部的第二钝化保护层，再进行深反应离子刻蚀所述微型释放孔下方的单晶硅基片，确定出压力参考腔体的深度；
S3：湿法腐蚀出单晶硅应力集中结构所在的单晶硅层及位于所述单晶硅层下方的压力参考腔体，在所述压力参考腔体的各个表面上形成第二氧化物层；
S4：在所述单晶硅基片的背面采用深反应离子刻蚀过孔，刻蚀至所述压力参考腔体下表面的第二氧化物层后自动停止，然后去除所述过孔与所述压力参考腔体连接处的第二氧化物层；
S5：沉积多晶硅填充所述微型释放孔，直至所述压力参考腔体的各表面均覆盖一层多晶硅薄膜，所述多晶硅薄膜的厚度由所述微型释放孔与所述过孔结构尺寸大小精确控制，以多晶硅填满所述微型释放孔时间为基准时间，根据沉淀多晶硅薄膜的厚度不同在基准时间上增加相应量沉积时间；
S6：去除所述单晶硅基片上表面的多晶硅薄膜，制作引线孔引线及焊盘；
S7：图形化单晶硅应力集中结构，硅深反应离子刻蚀掉除所述单晶硅应力集中结构以外其余部分的单晶硅薄层至所述第二氧化物层自动停止，用反应离子刻蚀技术去除暴露出来的第二氧化物层，得到多晶硅层形成的多晶硅力敏感薄膜。
10.根据权利要求9所述的力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构的制备方法，其特征在于：所述单晶硅基片为N型单抛或双抛(111)晶面的单晶硅基片。
11.根据权利要求9所述的力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构的制备方法，其特征在于：所述微型释放孔是两列沿所述单晶硅基片的<211>晶向等间距制作且平行排布的多个方形微型释放孔。
12.根据权利要求9所述的力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构的制备方法，其特征在于：所述微型释放孔的尺寸决定所述多晶硅层的沉积基准时间，所述微型释放孔的深度决定所述单晶硅应力集中结构的厚度。
13.根据权利要求9所述的力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构的制备方法，其特征在于：所述微型释放孔的尺寸为4～24μm2。
14.根据权利要求9所述的力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构的制备方法，其特征在于：所述过孔为圆形结构，其半径为5～50μm。
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