一种基于掺杂硅烯的MEMS压阻式压力传感器及其制造方法

摘要

本发明公开了一种基于掺杂硅烯的MEMS压阻式压力传感器及其制造方法。一种基于表面硅加工工艺，基底表面淀积形成绝缘层，绝缘层刻蚀形成空腔；在Ag上沉积硅烯，将其完整覆盖所述空腔；把Ag基底剥离掉，再在硅烯薄膜上进行抗氧化保护、掺杂；最后在薄膜的上方边缘沉积两个金属电极，电极分别焊有导线。另一种是采用传统的压阻式压力传感器方式，自下而上包括玻璃、基底、绝缘层、硅烯薄膜、抗氧化保护层、金属电极。本发明的优点是硅烯与传统的半导体工艺兼容性好，制造工艺简单，灵敏度更高，应用更广。

说明书

技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)的压力检测器件领域，具体涉及一种基于掺杂硅烯的MEMS压阻式压力传感器及其制造方法。

背景技术

随着可穿戴设备的兴起，纳米生化、纳米医疗等领域需要尺寸小灵敏度高的微纳压力传感器，如注射针型压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼球内压力的传感器。压力传感器的发展趋势是体积更小，从微米尺度到纳米尺度，灵敏度更高，可靠性更高，应用范围更广，以适应某些特殊场合如人体内部血压或者组织压力的测量。

现有的传统MEMS硅压力传感器，其基本工艺是在硅基底内自下而上刻蚀出空腔，空腔顶部硅层形成硅薄膜，其厚度为数十微米，空腔底部与玻璃进行键合而封闭，硅薄膜应力最大处边缘出掺杂形成四个压敏电阻，电阻上分别焊接有导线，组成惠斯通测量电桥，将压力物理量转变为电量。由于硅的物理性能有限，导致MEMS压力传感器尺寸较大，灵敏度有限，在医学、生物等纳米领域无法得到广泛应用。

在发现石墨烯后，其迅速成为纳米器件理想材料，石墨烯具有高的机械强度、优异的电输运性能和良好的耐化学环境能力，作为最薄材料，它可在各种表面稳定粘附，具有气密性，并随着表面变化而改变形状，能耐30％应变，已有研究发现，当石墨烯受到拉伸或压缩作用时，其电阻会发生明显变化，且在一定范围内变化呈良好线性关系，其高强度和耐大变形能力使其能承受高的过载。因此国际上也开始了石墨烯应用于压力传感器的研究，然而相关的基础理论还不成熟，取得的进展还不大，原因在于目前 压力传感器采用的本征石墨烯为零带隙材料，呈半导体或半金属性，其压阻性质受到石墨烯能带结构限制，而且与目前的硅基半导体工艺兼容性不是很好。

发明内容

本发明提供的基于掺杂硅烯的MEMS压阻式压力传感器，解决传统压力传感器相体积大，可靠性和灵敏度有限的问题以及石墨烯压力传感器的与目前硅基半导体工艺不兼容的问题。

为了解决所述问题，本发明提供了一种基于掺杂硅烯的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，包括：基底、绝缘层，所述基底表面淀积形成绝缘层，所述绝缘层刻蚀出空腔，所述绝缘层表面覆盖有硅烯薄膜，将所述空腔封闭；所述硅烯薄膜表面覆盖抗氧化保护层，所述硅烯薄膜在覆盖所述抗氧化保护层之后进行掺杂，所述抗氧化保护层边缘沉积有两个金属电极，所述两个金属电极分别连接导线。

进一步地，所述空腔深度与绝缘层厚度一致，所述空腔截面形状为矩形，所述硅烯薄膜和所述抗氧化保护层形状均为矩形并完全覆盖所述空腔，矩形长宽比大于或等于2。

进一步地，所述两个金属电极分别位于矩形的所述抗氧化保护层的两条长边的中点。

进一步地，所述空腔深度与绝缘层厚度一致，所述空腔截面形状为圆形，所述硅烯薄膜和所述抗氧化保护层形状均为圆形并完全覆盖所述空腔，所述两个金属电极分别位于圆形的所述抗氧化保护层的任意一条直径两端处。

进一步地，所述基底的材料为硅，所述绝缘层为SiO₂，所述抗氧化保护层为SiO₂。

本发明还提供了一种基于掺杂硅烯的MEMS压阻式压力传感器的制造方法，其特征在于，包括：

(1)将晶圆硅片清洗烘干后作为基底，在其表面淀积形成SiO₂绝缘层，然后将所述晶圆硅片切成方形小块；

(2)在所述SiO₂绝缘层刻蚀出空腔，所述空腔深度与所述SiO₂绝缘层厚度相等；

(3)对Ag片进行溅射清洗，然后退火形成一个尖，在超高真空和一定衬底温度下外延沉积硅烯，生成Ag-硅烯层；

(4)将所述Ag-硅烯层的硅烯面朝向所述空腔移至所述基底上，完整覆盖所述空腔，并退火保证所述Ag-硅烯层的硅烯和所述基底固定；

(5)用碘化钾溶液刻蚀剥离掉Ag-硅烯层的Ag并留下硅烯薄膜，在所述硅烯薄膜上淀积生成SiO₂层，作为抗氧化保护层，并对所述硅烯薄膜进行掺杂；

(6)在所述抗氧化保护层上方旋涂光刻胶，然后依次通过光刻、等离子体刻蚀使所述硅烯薄膜和所述抗氧化保护层形成矩形或圆形小块，并完全覆盖所述空腔；

(7)旋涂光刻胶，通过光刻在矩形的所述硅烯薄膜的两条长边中点处形成两个金属电极图案；或者通过光刻在圆形的所述硅烯薄膜的任意一条直径两端点处形成两个金属电极图案；

(8)在所述两个金属电极图案处沉积形成两个金属电极；

(9)清洗除去光刻胶和离子杂质；

(10)在所述两个金属电极上分别连接导线。

本发明还提供了一种基于掺杂硅烯的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，包括：玻璃、基底、绝缘层；所述基底表面沉积所述绝缘层，所述基底内刻蚀空腔，所述绝缘层上沉积硅烯薄膜，将所述空腔封闭；所述硅烯薄膜表面覆盖抗氧化保护层，所述硅烯薄膜在覆盖所述抗氧化保护层之后进行掺杂；所述抗氧化保护层边缘沉积有两个金属电极，所述两个金属电极分别连接导线；所述基底与所述玻璃键合。

进一步地，所述空腔深度与所述基底厚度一致，所述空腔截面形状为方形；

进一步地，所述基底材料为硅，所述绝缘层材料为β-Si₃N₄(0001)、SiC、BN、Al₂O₃或MgO，所述抗氧化保护层材料为SiO₂。

本发明还提供了一种基于掺杂硅烯的MEMS压阻式压力传感器的制造方法，其特征在于，包括：

(1)将晶圆硅片清洗烘干后作为基底，表面沉积一层绝缘层；

(2)对所述基底背向所述绝缘层的面进行光刻，然后刻蚀得到空腔；

(3)在所述绝缘层上沉积硅烯薄膜，并在所述硅烯薄膜上淀积生成SiO₂抗氧化保护层，接着对所述硅烯薄膜进行掺杂；

(4)在所述SiO₂抗氧化保护层上对应所述空腔的位置，通过光刻得到两个金属电极图案，在所述两个金属电极图案处沉积形成两个金属电极，两个金属电极分别焊有导线；

(5)将所述基底与玻璃键合。

通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，掺杂硅烯的MEMS压阻式压力传感器，其优点是利用硅烯能通过掺杂调控其压阻的性能，改善了压力传感器的结构，且与传统的半导体加工工艺兼容性好，因此制造工艺简单，灵敏度更高，应用更广。

附图说明

图1为本发明第一实施例的立体示意图；

图2为图1的立体分解示意图；

图3为图1的A-A剖视图；

图4为本发明第二实施例的立体示意图；

图5为图4的立体分解示意图；

图6为图4的B-B剖视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-基底硅层、2-绝缘层、3-空腔、4-硅烯薄膜、5-抗氧化保护层、6-金属电极、7-玻璃。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面通过例以及附图，对本发明进一步说明。

如图1～3所示，为本发明的第一实施例，包括基底1、绝缘层2；所述基底1的材料为硅，厚度为50～1000μm，本实施例优选300μm；所述基底1表面淀积形成绝缘层2，所述绝缘层2厚度为100～500nm，本实施例优选300nm；所述绝缘层2内刻蚀出空腔3，所述空腔3深度与所述绝缘层2厚度一致，所述空腔3截面形状为矩形，且长宽比等于6；所述绝缘层2表面覆盖硅烯薄膜4，将所述空腔3完全封闭；所述硅烯薄膜4上表面淀积形成SiO₂抗氧化保护层5，然后对所述硅烯薄膜4进行掺杂，所述抗氧化保护层5边缘沉积两个正方形金属电极6，两个金属电极6分别焊有导线；所述硅烯薄膜4形状为矩形，两个金属电极6分别位于矩形长边的中点处。

本发明的第一实施例的一种制造方法，包括以下步骤：

(1)将300μm厚的晶圆硅片清洗烘干后作为基底1，在其表面淀积形成厚度为300nm的SiO₂绝缘层2，然后将所述晶圆硅片切成12mm×12mm的方形小块；

(2)在绝缘层2进行反应耦合等离子体(ICP)刻蚀形成矩形空腔3，空腔3深度与绝缘层2厚度相等；

(3)对Ag片进行溅射清洗(清洗条件为600eV、Ar⁺离子、10^-2mT)，在400℃下退火形成一个尖P(1╳1)，在超高真空10^-9mT、衬底温度250℃ 下外延沉积硅烯，生成Ag-硅烯层；

(4)将Ag-硅烯层翻转使得硅烯面朝下，将硅烯面朝向所述空腔3转移至包含SiO₂的绝缘层2的所述基底1上，使其完整覆盖所述空腔3，并退火保证硅烯和所述基底1固定；

(5)用低浓度的碘化钾刻蚀剥离掉Ag(111)并留下硅烯薄膜4，在所述硅烯薄膜上用LPCVD淀积生成SiO₂层，作为抗氧化保护层5，并对所述硅烯薄膜4进行掺杂；

(6)在所述抗氧化保护层5上旋涂光刻胶，然后依次通过光刻、等离子体刻蚀掉不需要的硅烯，使剩下的所述硅烯薄膜和所述抗氧化保护层形成矩形小块，并完全覆盖所述空腔；

(7)旋涂光刻胶，通过光刻在矩形硅烯薄膜的两条长边中点处形成两个金属电极图案；

(8)利用溅射设备在所述金属电极图案处先后沉积20nm的Ti和200nm的Au，形成金属电极6，再将整个晶圆硅片置于丙酮中清洗除去光刻胶；

(9)然后用去离子水进行清洗，去除离子杂质；

(10)在两个金属电极上分别焊接导线。

如图4～6，为本发明的第二实施例，包括基底1、绝缘层2，基底1的材料为硅，厚度为50～1000μm；所述基底1上表面沉积形成绝缘层2，绝缘层2厚度为500～2000nm；基底2内刻蚀形成空腔3；所述绝缘层2表面覆盖硅烯薄膜4，所述硅烯薄膜4上淀积形成抗氧化保护层5，然后对所述硅烯薄膜4进行掺杂，所述抗氧化保护层5厚度为10～100nm；所述抗氧化保护层5上沉积两个正方形金属电极6，两个金属电极6分别焊有导线，所述基底1与玻璃7键合；所述空腔4深度与基底厚度相等，且形状为正方形。

第二实施例的制造方法，包括以下步骤：

(1)将300μm厚的晶圆硅(111)片清洗烘干后作为基底1，上表面沉积一层1μm厚的β-Si₃N₄(0001)作为绝缘层2；

(2)对晶圆硅(111)片下表面进行光刻，采用ICP刻蚀得到空腔3；

(3)在β-Si₃N₄(0001)表面进行MBE沉积硅烯薄膜4，并在所述硅烯薄膜4上用LPCVD淀积生成一层10nm厚的SiO₂抗氧化保护层5，接着对所述硅烯薄膜4进行掺杂；

(4)在所述SiO₂抗氧化保护层5表面对应所述空腔3的位置，通过光刻得到两个金属电极图案，在所述两个金属电极图案处先后沉积20nm的Ti和200nm的Au，形成两个金属电极6，两个金属电极6分别焊有导线；

(5)将晶圆硅(111)片与玻璃7键合。

在其他实施例中(未图示)，与第一实施例的主要区别在于，所述空腔3截面形状为矩形，且长宽比大于或等于2。

在其他实施例中(未图示)，与第一实施例的主要区别在于，步骤(6)中，在所述抗氧化保护层5上旋涂光刻胶，然后依次通过光刻、等离子体刻蚀掉不需要的硅烯，使剩下的所述硅烯薄膜4和所述抗氧化保护层5形成圆小块，并完全覆盖所述空腔；步骤(7)中，旋涂光刻胶，通过光刻在圆形小块硅烯薄膜4的任意一条直径两端点处形成两个金属电极图案。

在其他实施例中(未图示)，与第二实施例的主要区别在于，所述绝缘层的材料还可以是SiC、BN、Al₂O₃或MgO。

总体而言，硅烯是一种单原子层或多原子层的薄膜，其结构与石墨烯类似，但硅材料压阻系数比石墨要高；然而，硅烯具有混合的sp²-sp³的电子杂化结构，相对于石墨烯平坦的晶格结构，硅烯由于具有更大一些的原子半径而使其晶格结构发生轻微屈曲，使硅烯具有直接电子带隙和拓扑相过渡机制的性质；硅烯的屈曲结构使其在外垂直电场表现出能带间隙可调的性质，还可以诱导硅烯拓扑绝缘体过渡到能带绝缘体；硅烯很容易通过掺杂来调控硅烯的压阻性能，且硅烯与传统的硅压阻式压力传感器工艺兼容。相比石墨烯，硅烯在微纳压阻式压力传感器件中的应用具有更好的前景。

通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，优点是利用硅烯能通过掺杂调控其压阻的性能，改善了压力传感器的结构，且与传统的半导体加工工艺兼容性好，因此制造工艺简单，灵敏度更高，应用更广。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。