[发明专利]MEMS SOI晶圆和制备方法以及MEMS传感器和制备方法

说明书

本发明公开了一种MEMS SOI晶圆和制备方法以及MEMS传感器及其制备方法，该晶圆结构包括基底、介质层、器件层以及空腔：所述空腔位于基底中，空腔中形成有支撑结构，且支撑结构的深度与空腔的深度相同，所述介质层位于基底和器件层之间。其制备方法包括：基底的准备；基底上凹槽的制作；器件层晶圆的准备；器件层晶圆上介质层的制作；器件层晶圆与基底的粘结；MEMS SOI晶圆的形成。用本晶圆制备出的MEMS传感器具有一致性高、性能优异、稳定性好以及抗外接环境干扰性强的优点。

技术领域

本发明涉及一种MEMS SOI晶圆及制备方法以及应用该MEMS SOI晶圆和制备方法的MEMS传感器及其制备方法，属于MEMS传感器技术领域。

背景技术

MEMS膜结构对于MEMS传感器来说，尤其是MEMS压力传感器，具有举足轻重的地位。早期的MEMS膜结构通常采用半导体工艺传统的各向异性湿法腐蚀，即利用半导体材料，如单晶硅的不同晶向在碱溶液中具有不同的腐蚀速率来形成。该工艺的缺点是效率低、一致性差、晶圆利用率低等。随着半导体微加工技术的进步，预埋空腔的绝缘衬底上硅(Cavity-SOI，简称C-SOI)晶圆，越来越多地被用于MEMS传感器制作，并逐渐取代各向异性湿法腐蚀技术来制作MEMS膜结构。

现有的C-SOI晶圆及其结构如图1所示，其包括基底(1)、位于基底上的预埋空腔(4)、器件层(3)以及基底(1)与器件层(3)之间的介质层(2)；图2为该C-SOI晶圆上一个芯片单元的放大图及其剖面图，空腔(4)预埋于器件层(3)和介质层(2)之下，空腔(4) 上的器件层(3)即为MEMS膜结构，其厚度由器件层厚度决定，通过调整器件层的厚度来实现不同的膜厚度。

C-SOI晶圆采用传统IC SOI晶圆制作工艺，其流程为：先在基底(1)上制作出用于预埋空腔(4)的凹槽；然后与带有介质层(2)的器件层晶圆键合；最后器件层晶圆减薄、抛光形成C-SOI晶圆。C-SOI工艺克服了传统湿法腐蚀工艺的缺点，制作的MEMS膜结构一致性好、晶圆利用率高、与传统IC SOI工艺兼容、效率高、能够大规模批量化生产。对于较厚的MEMS膜结构来说，C-SOI工艺其表现十分优异；但对于较薄的MEMS膜结构(比如小于10um)来说，实在是相形见绌，主要原因是：第一，在减薄、抛光过程中，随着C-SOI厚度的减少，MEMS 膜结构在大气压的作用下，会发生弯曲变形，不仅会导致膜厚度的偏差，还会出现局部应力集聚在MEMS膜结构上，严重的直接导致膜结构破裂甚至碎片；第二，在后续制作工艺中，由于膜厚较薄和局部应力的问题，MEMS膜结构在经历工艺过程中的标准清洗和吹干时，高压水流和气流极易导致MEMS膜结构破裂甚至MEMS C-SOI晶圆的碎片；第三，由于局部应力的问题，较薄的MEMS膜结构制作出的MEMS器件长期稳定性差，极易受外界环境影响，给后续的封装、测试以及使用带来足多不便；第四，对于超薄膜结构(5um以下)，需要使用较为昂贵的SOI晶圆与普通硅晶圆键合，成本高，工艺复杂，实现难度大；第五，在C-SOI晶圆制备中，介质层生长在基底上或者同时生长在基底和器件层上，C-SOI晶圆的膜结构四周以及支撑结构的四周会凸起，影响SOI晶圆的粗糙度，严重时会造成晶圆无法使用。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种MEMS SOI晶圆及其制备方法以及应用该MEMS SOI晶圆及其制备方法的MEMS传感器及其制备方法，用本晶圆制备出的MEMS传感器具有一致性高、性能优异、稳定性好以及抗外接环境干扰性强的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于，一种MEMS SOI晶圆，该晶圆结构包括基底、介质层、器件层以及空腔：所述空腔位于基底中，空腔中形成有支撑结构，且支撑结构的深度与空腔的深度相同，所述介质层位于基底和器件层之间。

作为优选，所述介质层生长于器件层的晶圆上。

作为优选，所述支撑结构作为支撑器件或者作为提高器件性能的质量块。

一种MEMS SOI晶圆的制备方法包括以下步骤：