1.本发明涉及电子信息技术领域，具体涉及一种体硅内空腔结构及其制备方法。
背景技术：
2.硅内空腔是包括压力传感器、流速传感器、声学传感器、超声换能传感器等在内mems传感器中的核心功能结构。以mems绝对压力传感器为例，常见的绝对压力传感器具有压阻式、电容式、共振式测量方式，三种测量方式均需体硅内密闭真空腔的上方悬浮一定厚度的硅薄膜，从而实现对不同范围压力的测量。
3.现有制备硅内空腔结构通常是采用背面湿法刻蚀、减薄的工艺方法制备出带有一定厚度硅薄膜的空腔结构，之后采用硅-玻璃阳极键合、硅-硅直接键合等方式对空腔进行真空密封。由于以上过程需要在硅片的两面进行工艺且相应结构需双面对准，加上整体真空腔的密封需要晶元级的键合过程，因此整体的制备良率较低，制备成本较高，此外硅薄膜厚度的均匀性也是工艺过程中需要解决的难题。
技术实现要素：
4.为了克服现有技术中的不足，本发明的主要目的在于提供一种体硅内空腔结构及其制备方法，该制备方法简单、高效，成本低，而且通过第一多孔层和第二多孔层的设计可以有效控制空腔的大小以及硅薄膜厚度的均匀性。
5.为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种体硅内空腔结构的制备方法。
6.该体硅内空腔结构的制备方法包括以下步骤：
7.提供硅衬底；
8.在所述硅衬底的上表面刻蚀形成间隔分布的多个第一孔隙，以生成第一多孔层；
9.刻蚀位于所述第一多孔层下方的所述硅衬底，形成间隔分布的多个第二孔隙，生成第二多孔层；其中，所述第一孔隙的孔径大于所述第二孔隙的孔径，所述第一孔隙连通所述第二孔隙；
10.腐蚀去除所述第二多孔层，以形成连通所述第一孔隙的空腔；
11.覆盖所述硅衬底的上表面以及所述第一多孔层的上表面形成薄膜层。
12.进一步的，所述第一孔隙为具有微米孔径的孔隙，所述第二孔隙为具有纳米孔径的孔隙。
13.进一步的，采用电化学刻蚀工艺形成所述第一孔隙以及所述第二孔隙；
14.优选的，形成所述第一孔隙的刻蚀电流为10～100ma/cm2；
15.优选的，形成所述第二孔隙的刻蚀电流为10～100ma/cm2。
16.进一步的，形成所述第一孔隙的刻蚀溶液为氢氟酸水溶液；或者为含有表面活性剂的氢氟酸水溶液；或者为含有机溶剂的氢氟酸溶液；
17.优选的，所述氢氟酸水溶液中氢氟酸的质量分数为5～10％；
18.优选的，所述表面活性剂包括但不限于十六烷基三甲基氯化铵；
19.优选的，所述表面活性剂的加入量为10-3
mol/l；
20.优选的，所述有机溶剂包括但不限于无水乙醇、n,n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜；
21.所述氢氟酸溶液与所述有机溶剂的体积比优选为(1：3)～(1：9)。
22.进一步的，形成所述第二孔隙的刻蚀溶液为氢氟酸与无水乙醇的混合溶液；
23.优选的，所述氢氟酸与所述无水乙醇的体积比为3：2。
24.进一步的，去除所述第二多孔层采用的腐蚀溶液为四甲基氢氧化铵溶液、去离子水和无水乙醇的混合溶液；
25.优选的，所述四甲基氢氧化铵溶液、所述去离子水与所述无水乙醇的体积为1：5：1。
26.进一步的，采用化学气相沉积法形成所述薄膜层；或者采用外延工艺在所述第一多孔层外侧生长形成所述薄膜层；
27.优选的，所述薄膜层的材料为多晶硅、单晶硅；
28.优选的，所述薄膜层的厚度≥1/2第一孔隙的孔径。
29.进一步的，还包括在形成所述第一多孔层之前，在所述硅衬底的上表面形成掩膜层，以及在所述掩膜层上形成刻蚀窗口。
30.进一步的，所述掩膜层的材料包括但不限于氮化硅、多晶硅/氧化硅复合材料、金、钨、碳化硅。
31.为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种体硅内空腔结构。
32.采用上述的制备方法制得的体硅内空腔结构，包括硅衬底，所述硅衬底的内部具有空腔，所述硅衬底的上表面开设有间隔分布的多个第一孔隙，所述多个第一孔隙位于所述空腔的上方且与所述空腔相连通；所述硅衬底的上表面上覆盖有薄膜层，并且所述薄膜层封闭所述多个第一孔隙的上端口。
33.本发明中的制备方法解决了常规制备方法所存在的良率较低、制备成本高、硅薄膜厚度难以控制且均匀性差的问题，而且简单、高效。
附图说明
34.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
35.图1为本发明提供的实施例中体硅内空腔结构的制备流程图；
36.图2～图6为本发明提供的实施例中体硅内空腔结构形成的过程示意图。
37.图中：
38.100、硅衬底；200、掩膜层；300、第一多孔层；400、第二多孔层；500、薄膜层；
39.1、刻蚀窗口；2、空腔。
具体实施方式
40.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实
施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
41.本发明提供了一种基于电化学刻蚀方法的工艺流程以制备硅内空腔结构。
42.本发明提供的制备方法只需在硅片的单面进行加工，即可实现空腔上方薄膜厚度的精确控制，实现硅内空腔的形成与薄膜结构的释放。同时该发明所提方法使用的刻蚀溶液与传统cmos工艺具有很好的兼容性，可用于制造ic与mems兼容的集成器件。
43.根据本发明的具体实施方式，提供了一种体硅内空腔结构的制备方法。
44.图1示出了体硅内空腔结构的制备流程图。
45.图2～图6示出了体硅内空腔结构的制备过程示意图。
46.提供如图2所示的硅衬底100。
47.在本发明的实施例中，可以选用中度掺杂的p型，《100》晶向的硅片作为衬底。
48.继续参考图2，对硅衬底100进行预处理，在硅衬底100的上表面沉积一层电化学刻蚀掩膜，形成掩膜层200。
49.继续参考图2，采用光刻与刻蚀工艺将硅衬底100的上表面的掩膜层200图形化，在掩膜层200上形成刻蚀窗口1，以暴露出需要制备空腔2的部分。
50.在本发明的实施例中，掩膜层200的材料包括但不限于氮化硅、多晶硅/氧化硅复合材料、金/钨、碳化硅等。
51.如图3所示，在硅衬底100的上表面刻蚀形成间隔分布的多个第一孔隙，以生成第一多孔层300。
52.作为本发明的实施方式，对硅衬底100的上表面进行电化学刻蚀工艺，首先制备出具有微米孔径的多个第一孔隙，形成第一多孔层300。
53.其中，刻蚀电流设定为10～100ma/cm2范围内。
54.作为本发明的一种实施方式，刻蚀电流设定为10ma/cm2。
55.在本发明中，第一多孔层300的厚度，即纵向深度可以根据刻蚀时间的长短来控制，如控制第一多孔层300的深度为5μm或10μm等，不作具体限定。
56.在本发明的一种实施例中，刻蚀溶液为氢氟酸水溶液。
57.在本发明的另一种实施例中，刻蚀溶液为含有表面活性剂的氢氟酸水溶液。在氢氟酸水溶液中加入一定比例(如10-3
mol/l)的表面活性剂，提升刻蚀的均匀性。
58.在本发明的另一种实施例中，刻蚀溶液为含有机溶剂的氢氟酸溶液，也可以理解为有机溶剂与氢氟酸溶液的混合溶液。
59.在本发明的实施例中，有机溶剂包括但不限于无水乙醇、dmf(n,n-二甲基甲酰胺)、dmso(二甲基亚砜)。
60.在本发明的实施例中，氢氟酸溶液与有机溶剂的体积比的范围为(1：3)～(1：9)之间。
61.在本发明的实施例中，氢氟酸水溶液中氢氟酸的质量分数为5～10％范围内。
62.在本发明的实施例中，表面活性剂包括但不限于十六烷基三甲基氯化铵(ctac)。
63.在本发明的实施例中，表面活性剂的加入量为10-3
mol/l。
64.如图4所示，刻蚀位于第一多孔层300下方的硅衬底100，形成间隔分布的多个第二孔隙，生成第二多孔层400。
65.作为本发明的实施方式，切换刻蚀溶液继续对硅衬底100进行电化学刻蚀工艺，在第一多孔层300下方刻蚀形成具有纳米孔径的多个第二孔隙，形成第二多孔层400。
66.其中，刻蚀电流设定为10～100ma/cm2范围内。
67.作为本发明的一种实施方式，刻蚀电流设定为100ma/cm2。
68.作为本发明的一种实施例，刻蚀溶液为氢氟酸与无水乙醇的混合溶液。
69.在本发明的实施例中，氢氟酸与无水乙醇体积比为3：2。
70.在本发明中，第二多孔层400的厚度，即纵向深度也可以根据刻蚀时间的长短来精确控制，不作具体限定。
71.值得一提的是，本发明中在刻蚀形成第二多孔层400时，采用了特定配比的刻蚀溶液，氢氟酸占比提高，并且由于反应受外加刻蚀电流的驱动作用，腐蚀反应在第一多孔层300与体硅的交界面形成，生成了纳米尺度的第二多孔层400，而在已经形成的第一多孔层300结构中，基本没有刻蚀电流通过，该刻蚀过程对第一多孔层300的影响可以忽略不计，可有效控制而不会对整体结构造成实质影响。
72.如图5所示，腐蚀去除第二多孔层400，以形成连通第一孔隙的空腔2。
73.作为本发明的实施方式，将上一步骤获得的样品浸泡在cmos工艺兼容的腐蚀溶液中，将第二多孔层400去除。
74.值得一提的是，本发明中在去除第二多孔层400时，采用了特定配比的腐蚀溶液，第二多孔层400由于较小孔径和较高孔隙率而被完成腐蚀去除，腐蚀溶液对第一多孔层300的影响可以忽略不计，可有效控制而不会对整体结构造成实质影响。
75.而且，在将第二多孔层400去除的同时还会一并将掩膜层200去除。
76.在本发明的实施例中，腐蚀溶液为四甲基氢氧化铵(tmah)溶液、去离子水和无水乙醇的混合溶液。
77.其中，在腐蚀溶液中加入一定比例的无水乙醇可以加快第二多孔层400的去除。
78.在本发明的实施例中，tmah溶液、去离子水、无水乙醇的体积为1：5：1。
79.作为本发明的一种具体实施方式，四甲基氢氧化铵溶液、去离子水与无水乙醇的体积为1：5：1。
80.需要说明的是，在本发明中，第二多孔层400作为牺牲层，因此可通过控制所生成第二多孔层400的厚度来决定的硅内空腔2的大小，如可以控制空腔2的纵向深度为10μm或20μm等。
81.如图6所示，覆盖硅衬底100的上表面以及第一多孔层300的上表面形成薄膜层500，以将第一多孔层300的上端口封闭，形成整体的硅内空腔。
82.在本发明的实施例中，薄膜层500的材料可以为多晶硅、单晶硅。
83.作为本发明的一种实施方式，采用化学气相沉积法形成薄膜层500。其中，化学气相沉积法可以为低压化学气相沉积(lpcvd)法。
84.作为本发明的另一种实施方式，采用外延工艺在第一多孔层300外侧生长形成薄膜层500。
85.在本发明中，由于第一多孔层300为单晶形式的硅，因此可选用外延工艺，在第一多孔层300外侧生长一层单晶硅。
86.值得一提的是，薄膜层500的厚度≥1/2第一孔隙的孔径，以更好的对第一多孔层
300的上端口形成密封。
87.根据本发明的具体实施方式，还提供了一种体硅内空腔结构。
88.本发明中的体硅内空腔结构采用上述的制备方法制得。
89.如图6所示，该体硅内空腔结构包括硅衬底100，硅衬底100的内部具有空腔2，硅衬底100的上表面开设有间隔分布的多个第一孔隙，多个第一孔隙位于空腔的上方且与空腔2相连通；硅衬底100的上表面上覆盖有薄膜层500，并且薄膜层500封闭多个第一孔隙的上端口，从而形成整体的硅内空腔结构。
90.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列部件不必限于清楚地列出的那些部件，而是可包括没有清楚地列出的或对于部件固有的其它部件。
91.在本发明中，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或者组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
92.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或者位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或者连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
93.另外，本发明中涉及的“第一”、“第二”等的描述，该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
94.另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
95.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。