一種MEMS器件及其制備方法、電子裝置與流程

本發明涉及半導體領域，具體地，本發明涉及一種mems器件及其制備方法、電子裝置。

背景技術：

隨著半導體技術的不斷發展，在傳感器(motionsensor)類產品的市場上，智能手機、集成cmos和微機電系統(mems)器件日益成為最主流、最先進的技術，并且隨著技術的更新，這類傳動傳感器產品的發展方向是規模更小的尺寸，高質量的電學性能和更低的損耗。

其中，mems傳感器廣泛應用于汽車電子：如tpms、發動機機油壓力傳感器、汽車剎車系統空氣壓力傳感器、汽車發動機進氣歧管壓力傳感器(tmap)、柴油機共軌壓力傳感器；消費電子：如胎壓計、血壓計、櫥用秤、健康秤，洗衣機、洗碗機、電冰箱、微波爐、烤箱、吸塵器用壓力傳感器，空調壓力傳感器，洗衣機、飲水機、洗碗機、太陽能熱水器用液位控制壓力傳感器；工業電子：如數字壓力表、數字流量表、工業配料稱重等，電子音像領域：麥克風等設備。

在mems領域中，所述mems器件的工作原理是由振膜(membrane)的運動產生電容的變化，利用電容變化量進行運算和工作的，現有常用的mems麥克風包括振膜、背板及位于背板下方的背腔組成。通過振膜將聲音信號轉換成電信號。

需要對目前所述mems麥克風及其制備方法繁瑣而且復雜，因此需要作進一步的改進。

技術實現要素：

在發明內容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式部分中進一步詳細說明。本發明的發明內容部分并不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特征和必要技術特征，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護范圍。

本發明提供了一種mems器件，所述mems器件包括：

基底；

振膜，位于所述基底的上方，所述振膜包括石墨烯層；

背板，位于所述振膜的上方；

空腔，位于所述振膜和所述背板之間。

可選地，所述石墨烯層中摻雜有au、ag、cu、ni、p、in和ga中的一種或多種。

可選地，所述基底中形成有背腔，露出部分所述振膜。

可選地，所述背板中形成有若干開口。

本發明還提供了一種mems器件的制備方法，其特征在于，所述方法包括：

提供基底，在所述基底上形成有圖案化的振膜，所述振膜包括石墨烯層；

在所述基底和所述振膜上形成具有開口的犧牲層，所述開口露出所述振膜；

在所述犧牲層上形成背板，以覆蓋所述犧牲層和所述開口，并在所述振膜和所述背板之間形成空腔。

可選地，所述石墨烯層中摻雜有au、ag、cu、ni、p、in和ga中的一種或多種。

可選地，形成所述犧牲層的步驟包括：

在所述基底和所述振膜上形成犧牲層；

圖案化所述犧牲層，以在所述犧牲層的中間部位形成開口，露出所述振膜。

可選地，形成所述背板的步驟包括：

將所述犧牲層與背板晶圓接合，以覆蓋所述犧牲層和所述開口，并在所述振膜和所述背板之間形成空腔；

薄化所述背板晶圓，以減小所述背板晶圓的厚度；

在所述背板晶圓上形成鈍化層，以覆蓋所述背板晶圓；

圖案化所述鈍化層，以形成第一開口，露出部分所述背板晶圓；

圖案化所述背板晶圓，以在所述背板晶圓中形成若干相互間隔的第二開口。

可選地，所述方法還進一步包括圖案化所述基底的背面，以在所述基底中形成背腔，露出部分所述振膜。

本發明還提供了一種電子裝置，所述電子裝置包括上述的mems器件。

本發明為了解決現有技術中存在的問題，提供了一種mems器件，所述器件包括基底；振膜，包括石墨烯層，位于所述半導體襯底上方；背板，位于所述振膜上方；空腔，位于所述振膜和所述背板之間。在本發明中所述振膜選用石墨烯，石墨烯由于其優異的物理、化學性能、電學性能和機械性能使得所述mems器件的性能得到進一步的提高。

附圖說明

本發明的下列附圖在此作為本發明的一部分用于理解本發明。附圖中示出了本發明的實施例及其描述，用來解釋本發明的裝置及原理。在附圖中，

圖1為本發明中所述mems器件的制備工藝流程圖；

圖2a-2h為本發明中所述mems器件的制備過程示意圖；

圖3為本發明中移動電話手機的示例的外部視圖。

具體實施方式

在下文的描述中，給出了大量具體的細節以便提供對本發明更為徹底的理解。然而，對于本領域技術人員而言顯而易見的是，本發明可以無需一個或多個這些細節而得以實施。在其他的例子中，為了避免與本發明發生混淆，對于本領域公知的一些技術特征未進行描述。

應當理解的是，本發明能夠以不同形式實施，而不應當解釋為局限于這里提出的實施例。相反地，提供這些實施例將使公開徹底和完全，并且將本發明的范圍完全地傳遞給本領域技術人員。在附圖中，為了清楚，層和區的尺寸以及相對尺寸可能被夸大。自始至終相同附圖標記表示相同的元件。

應當明白，當元件或層被稱為“在...上”、“與...相鄰”、“連接到”或“耦合到”其它元件或層時，其可以直接地在其它元件或層上、與之相鄰、連接或耦合到其它元件或層，或者可以存在居間的元件或層。相反，當元件被稱為“直接在...上”、“與...直接相鄰”、“直接連接到”或“直接耦合到”其它元件或層時，則不存在居間的元件或層。應當明白，盡管可使用術語第一、第二、第三等描述各種元件、部件、區、層和/或部分，這些元件、部件、區、層和/或部分不應當被這些術語限制。這些術語僅僅用來區分一個元件、部件、區、層或部分與另一個元件、部件、區、層或部分。因此，在不脫離本發明教導之下，下面討論的第一元件、部件、區、層或部分可表示為第二元件、部件、區、層或部分。

空間關系術語例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在... 之上”、“上面的”等，在這里可為了方便描述而被使用從而描述圖中所示的一個元件或特征與其它元件或特征的關系。應當明白，除了圖中所示的取向以外，空間關系術語意圖還包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附圖中的器件翻轉，然后，描述為“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征將取向為在其它元件或特征“上”。因此，示例性術語“在...下面”和“在...下”可包括上和下兩個取向。器件可以另外地取向(旋轉90度或其它取向)并且在此使用的空間描述語相應地被解釋。

在此使用的術語的目的僅在于描述具體實施例并且不作為本發明的限制。在此使用時，單數形式的“一”、“一個”和“所述/該”也意圖包括復數形式，除非上下文清楚指出另外的方式。還應明白術語“組成”和/或“包括”，當在該說明書中使用時，確定所述特征、整數、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個或更多其它的特征、整數、步驟、操作、元件、部件和/或組的存在或添加。在此使用時，術語“和/或”包括相關所列項目的任何及所有組合。

為了徹底理解本發明，將在下列的描述中提出詳細的步驟以及詳細的結構，以便闡釋本發明的技術方案。本發明的較佳實施例詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外，本發明還可以具有其他實施方式。

本發明為了解決現有技術中存在的問題，提供了一種mems器件，所述器件包括

基底201；

振膜203，包括石墨烯層，位于所述半導體襯底上方；

背板205，位于所述振膜203上方；

空腔，位于所述振膜105和所述背板103之間。

其中，所述振膜203包括石墨烯，其中，所述石墨烯是已知的世上最薄、最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；導熱系數高5300w/m·k，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000cm2/v·s，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約1ω·m，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。因其電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此選用石墨烯的mems器件的性能和穩定性得到進一步的提高。

石墨烯既是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20％。如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克可以承受一 只一千克的貓。

可選地，所述石墨烯層中摻雜有au、ag、cu、ni、p、in和ga中的一種或多種。

可選地，所述石墨烯層可以包括一層或多層。

可選地，所述基底中形成有背腔，在所述背腔中露出所述振膜。

可選地，所述背板205中形成有若干開口。

本發明為了解決現有技術中存在的問題，提供了一種mems器件，所述器件包括基底；振膜，包括石墨烯層，位于所述半導體襯底上方；背板，位于所述振膜上方；空腔，位于所述振膜和所述背板之間。在本發明中所述振膜選用石墨烯，石墨烯由于其優異的物理、化學性能、電學性能和機械性能使得所述mems器件的性能得到進一步的提高。

實施例一

所述mems器件包括：

基底201；

振膜203，包括石墨烯層，位于所述半導體襯底上方；

背板205，位于所述振膜203上方；

空腔，位于所述振膜105和所述背板103之間。

其中，所述基底201可以選用半導體襯底或者mems麥克風器件的襯底，例如所述基底201可以是以下所提到的材料中的至少一種：硅、絕緣體上硅(soi)、絕緣體上層疊硅(ssoi)、絕緣體上層疊鍺化硅(s-sigeoi)、絕緣體上鍺化硅(sigeoi)以及絕緣體上鍺(geoi)等。

其中，所述振膜203包括石墨烯，其中，所述石墨烯是已知的世上最薄、最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；導熱系數高5300w/m·k，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000cm2/v·s，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約1ω·m，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。因其電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此選用石墨烯的mems器件的性能和穩定性得到進一步的提高。

石墨烯既是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20％。如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克可以承受一只一千克的貓。

可選地，所述石墨烯層中摻雜有au、ag、cu、ni、p、in和ga中的 一種或多種。

可選地，所述石墨烯層可以包括一層或多層。

示例性地，所述石墨烯層可以為多層石墨烯，所述石墨烯層的材料包括石墨烯和石墨的混合物。多層石墨烯指由3-10層以苯環結構(即六角形蜂巢結構)周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式(包括abc堆垛，aba堆垛等)堆垛構成的一種二維碳材料。在本實施中，多層石墨烯的層數可以達到10層。

可采用包括但不限于碳化硅外延生長法、有機合成法、化學氣相沉積(cvd)或等離子增強化學氣相沉積法(pecvd)等沉積方法形成。

所述犧牲層可以選用層間金屬層或者氧化物層。

其中，所述背板205選用導電材料或者摻雜的半導體材料，可選地，在該實施例中選用摻雜的硅。

其中，所述摻雜離子并不局限于某一種，例如可以為b、p、n、as等，不再一一列舉。

在該步驟中所述背板205通過共晶結合或者熱鍵合的方法與所述犧牲層鍵合，以形成一體的結構。

在所述基底中形成有背腔，在底部露出所述振膜。

在本發明中所述背板為固定電極，所述振膜為動電極，所述背板和所述振膜之間的空腔為介電質，振膜受到壓力之后，振膜(membrane)產生形變，如圖2g所示，振膜的運動產生電容的變化，利用電容變化量進行運算和工作，通過振膜將聲音信號轉換成電信號。

本發明為了解決現有技術中存在的問題，提供了一種mems器件，所述器件包括基底；振膜，包括石墨烯層，位于所述半導體襯底上方；背板，位于所述振膜上方；空腔，位于所述振膜和所述背板之間。在本發明中所述振膜選用石墨烯，石墨烯由于其優異的物理、化學性能、電學性能和機械性能使得所述mems器件的性能得到進一步的提高。

實施例二

本發明為了解決現有技術中存在的問題，提供了一種mems器件的制備方法，下面結合附圖2a-2h對所述方法作進一步的說明。

其中，圖2a-2h為本發明中所述mems器件的制備過程示意圖；圖3為本發明中移動電話手機的示例的外部視圖。

圖1為本發明中所述mems器件的制備工藝流程圖，具體包括以下步驟：

步驟s1：提供基底，在所述基底上形成有圖案化的振膜，所述振膜包括石墨烯層；

步驟s2：在所述基底和所述振膜上形成具有開口的犧牲層，所述開口露出所述振膜；

步驟s3：在所述犧牲層上形成背板，以覆蓋所述犧牲層和所述開口，并在所述振膜和所述背板之間形成空腔。

下面以附圖1中的工藝流程圖為基礎，對所述方法展開進行詳細說明。

執行步驟一，提供基底201，在所述基底上形成有圖案化的振膜203，所述振膜203包括石墨烯層。

具體地，如圖2a所示，所述基底201可以選用半導體襯底或者mems麥克風器件的襯底，例如所述基底201可以是以下所提到的材料中的至少一種：硅、絕緣體上硅(soi)、絕緣體上層疊硅(ssoi)、絕緣體上層疊鍺化硅(s-sigeoi)、絕緣體上鍺化硅(sigeoi)以及絕緣體上鍺(geoi)等。

可選地，在所述基底201上還可以形成介電層202，例如所述介電層202可以選用氧化物。

其中，所述振膜203包括石墨烯，其中，所述石墨烯是已知的世上最薄、最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；導熱系數高5300w/m·k，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000cm2/v·s，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約1ω·m，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。因其電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此選用石墨烯的mems器件的性能和穩定性得到進一步的提高。

石墨烯既是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20％。如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克可以承受一只一千克的貓。

可選地，所述石墨烯層中摻雜有au、ag、cu、ni、p、in和ga中的一種或多種。

可選地，所述石墨烯層可以包括一層或多層。

示例性地，所述石墨烯層可以為多層石墨烯，所述石墨烯層的材料包括石墨烯和石墨的混合物。多層石墨烯指由3-10層以苯環結構(即六角形蜂巢結構)周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式(包括abc堆垛，aba堆垛等)堆垛構成的一種二維碳材料。在本實施中，多層石墨烯的層數可以達到10層。

可采用包括但不限于碳化硅外延生長法、有機合成法、化學氣相沉積(cvd)或等離子增強化學氣相沉積法(pecvd)等沉積方法形成。

其中化學氣相沉積法的具體制備過程包括：將氣態碳源通向反應室然后在反應室中的陰極基底表面上高溫分解。其中，氣態碳源可以選用甲烷(ch4)、乙烯(c2h4)及乙炔(c2h2)等。控制沉積溫度范圍在600～1200℃。其中，在沉積溫度范圍為900～1000℃時，石墨烯的層數可以達到10層。

在該實施例中選用甲烷(ch4)和氫氣(h2)作為反應氣體，流量比為甲烷(ch4)：氫氣(h2)＝150:10，沉積溫度為750℃，壓力為50mtorr。

所述方法還進一步包括選用1mfecl3或0.1m(nh4)2s2o8蝕刻金屬cu，并且選用丙酮去除pmma。

執行步驟二，圖案化所述振膜203，形成具有所需平面圖案的振膜。

具體地，如圖2b所示，在該步驟中在該步驟中通過干法蝕刻振膜203，在本發明中可以根據所選材料的不同來選擇蝕刻氣體，例如在本發明中可以選擇cf4、co2、o2、n2中的一種或者多種，所述蝕刻壓力可以為20-300mtorr，優選為50-150mtorr，功率為200-600w。

執行步驟三，在所述基底201和所述振膜203上形成犧牲層204；圖案化所述犧牲層，以在所述犧牲層的中間部位形成開口，露出所述振膜203。

具體地，如圖2b所示，其中所述犧牲層204可以選用層間金屬層或者氧化物層。

圖案化所述犧牲層的步驟包括：在所述犧牲層上形成掩膜層，例如光刻膠層，然后對所述光刻膠層進行曝光顯影，形成開口，然后以所述掩膜層為掩膜蝕刻所述犧牲層，以在所述犧牲層的中間部位形成開口，露出所述振膜203。

在該步驟中選用干法蝕刻，例如可以選用擇cf4、co2、o2、n2中的一種或者多種。

執行步驟四，在所述犧牲層接合背板晶圓205，以覆蓋所述犧牲層和所述開口。

具體地，如圖2c所示，在該步驟中形成背板晶圓205，以在后續的步驟中形成固定電極。

因此所述背板晶圓205選用導電材料或者摻雜的半導體材料，可選地， 在該實施例中選用摻雜的硅。

其中，所述摻雜離子并不局限于某一種，例如可以為b、p、n、as等，不再一一列舉。

在該步驟中所述背板晶圓205通過共晶結合或者熱鍵合的方法與所述犧牲層鍵合，以形成一體的結構。

執行步驟五，打薄所述背板晶圓，以減小所述背板晶圓的厚度。

具體地，如圖2d所示，在該步驟中對所述背板晶圓的正面進行研磨來打薄所述背板晶圓，得到如圖2d所示的圖案。

在該步驟中打薄的厚度并不局限于某一數值范圍，所述打薄方法可以選用本領域常用的方法，并不據于某一種，在此不再贅述。

執行步驟六，在所述背板晶圓上形成鈍化層，以覆蓋所述背板晶圓。

具體地，如圖2e所示，所述鈍化層可以選用氧化物或者氮化物，或者兩者的結合。在該實施例中所述鈍化層選用依次沉積的氧化物206和氮化物207。

所述沉積可以選用現有技術中常用的沉積方法，例如可以是通過化學氣相沉積(cvd)法、物理氣相沉積(pvd)法或原子層沉積(ald)法等形成的。本發明中優選原子層沉積(ald)法。

執行步驟七，圖案化所述鈍化層，以形成第一開口，露出所述背板晶圓；圖案化所述背板晶圓，以在所述背板晶圓中形成若干相互間隔的第二開口。

具體地，如圖2f所示，圖案化所述鈍化層，以在所述絕緣層102和所述鈍化層中形成有第一開口，露出所述背板晶圓。

其中，所述第一開口的形成方法包括首先在所述鈍化層上形成圖案化的掩膜層，例如光刻膠層，然后以所述掩膜層為掩膜蝕刻所述鈍化層，以在所述鈍化層中形成第一開口。

所述第一開口的尺寸較大，以在中心部位露出所述背板晶圓。

然后圖案化所述背板晶圓，以在所述背板晶圓中形成若干相互間隔的第二開口，露出所述犧牲層中的開口。

具體地，在所述背板晶圓上形成圖案化的掩膜層，例如光刻膠層，然后以所述掩膜層為掩膜蝕刻所述背板晶圓，以在所述背板晶圓形成若干相互間隔的第二開口，如圖2g所示，形成背板，同時露出所述犧牲層中的開口。

在該步驟中可以在所述鈍化層或者背板晶圓上形成藍膜層，以對所述背板晶圓進行保護。

執行步驟八，圖案化所述基底的背面，以在所述基底中形成背腔，在底部露出所述振膜。

具體地，如圖2h所示，在該步驟中首先在所述鈍化層或者背板晶圓上形成藍膜層，以對所述背板晶圓進行保護。

然后反轉所述器件，對所述基底的背面進行蝕刻，以在所述振膜的下方形成背腔，所述空腔內的空氣則作為介電層，以形成mems麥克風電容器。

進一步，在所述基底上形成圖案化的掩膜層，例如光刻膠層，然后以所述掩膜層為掩膜蝕刻所述基底的背面，以在所述基底中形成背腔，在底部露出所述振膜。

在該步驟中，選用氫氟酸hf或稀釋氫氟酸dhf進行蝕刻，其中組成為hf:h2o＝1:2-1:10，所述蝕刻溫度為20-25℃。

至此，完成了本發明實施例的mems器件的制備過程的介紹。在上述步驟之后，還可以包括其他相關步驟，此處不再贅述。并且，除了上述步驟之外，本實施例的制備方法還可以在上述各個步驟之中或不同的步驟之間包括其他步驟，這些步驟均可以通過現有技術中的各種工藝來實現，此處不再贅述。

實施例三

本發明還提供了一種電子裝置，包括實施例一所述的mems器件，所述mems器件根據實施例二所述方法制備得到。

本實施例的電子裝置，可以是手機、平板電腦、筆記本電腦、上網本、游戲機、電視機、vcd、dvd、導航儀、數碼相框、照相機、攝像機、錄音筆、mp3、mp4、psp等任何電子產品或設備，也可為任何包括電路的中間產品。本發明實施例的電子裝置，由于使用了上述的電路，因而具有更好的性能。

其中，圖3示出移動電話手機的示例。移動電話手機300被設置有包括在外殼301中的顯示部分302、操作按鈕303、外部連接端口304、揚聲器305、話筒306等。

其中所述移動電話手機包括實施例一所述的mems器件，所述mems 器件包括基底；振膜，包括石墨烯層，位于所述半導體襯底上方；背板，位于所述振膜上方；空腔，位于所述振膜和所述背板之間。在本發明中所述振膜選用石墨烯，石墨烯由于其優異的物理、化學性能、電學性能和機械性能使得所述mems器件的性能得到進一步的提高。

本發明已經通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用于舉例和說明的目的，而非意在將本發明限制于所描述的實施例范圍內。此外本領域技術人員可以理解的是，本發明并不局限于上述實施例，根據本發明的教導還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發明所要求保護的范圍以內。本發明的保護范圍由附屬的權利要求書及其等效范圍所界定。