一种mems半导体芯片及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及半导体芯片技术领域，具体涉及一种mems半导体芯片及其制备方法。
背景技术：
2.mems半导体芯片作为一种重要的环境参数获取手段，在气流感知与控制、工业有害气体监测、物联网等领域具有较高的应用价值。当前针对气体的检测主要通过气体传感器实现，常用的气体传感器按照工作原理和自身结构可分为电化学型、金属氧化物型、接触燃烧型、半导体型和mems气体传感器等。
3.mems半导体由于体积小、成本低、结构简单，近些年来受到了广泛的关注。但现有mems半导体的敏感结构受环境应力的影响较大，性能较低，且长期使用中稳定性，尤其是对温度的适应性，尤其是稳定性中一个最重要的指标较差，在微弱气体感知方面存在技术难题。
技术实现要素：
4.（一）发明目的本发明的目的是提供一种能提高气体流量监测的稳定性、敏感度；降低监测难度的mems半导体芯片及其制备方法。
5.（二）技术方案为解决上述问题，本发明的提供了一种mems半导体芯片，包括：从下往上依次设置有第一材料层101、支撑层106和第二材料层104；所述第一材料层101的顶面设置有设有第一槽102、第一金属电极和一对通孔103，所述一对通孔103对称设置于所述第一材料层101，贯通所述第一材料层101的底面和所述第一槽102的底面，所述第一金属电极设置于所述第一槽102开口处的外周边；所述第二材料层104的底面设置有第二金属电极，所述第二金属电极与所述第一金属电极键合；所述支撑层106的底面设置有一对感测元件108和加热元件107，所述一对感测元件108对称设置于所述加热元件107的两边，所述第二金属电极分别与所述一对感测元件108和加热元件107电连接；所述第一槽102开口处围合所述一对感测元件108和加热元件107。
6.本发明的另一方面，优选地，所述第一材料层101和支撑层106之间设置有钝化层109，所述钝化层109不覆盖第二金属电极111、一对感测元件108和加热元件107。
7.本发明的另一方面，优选地，所述第二材料层104的顶面设置有第二槽105，所述第二槽105水平方向的横截面的面积为s1，一对感测元件108和加热元件107所形成的连续结构的水平方向的横截面的面积为s2，所述第一槽102水平方向的横截面的面积为s3，所述s1、s2和s3满足以下公式：s2≤s1≤s3。
8.本发明的另一方面，优选地，所述第一槽102的垂直方向尺寸为d1，所述第一槽102水平方向横截面的最小直线长度为d2，所述d1、d2满足以下公式：d1≤d2≤4d
1；
30um≤d1≤300um。
9.本发明的另一方面，优选地，所述通孔103的水平方向横截面的面积为s4，所述第一槽102水平方向的横截面的面积为s3，所述s3和s4满足以下公式：4s4≤s3≤10s4。
10.本发明的另一方面，优选地，所述支撑层106的材料为sio2、sin
x
、aln、al2o3中的至少一种，所述支撑层106垂直方向的尺寸大于等于0.5um，小于等于5um。
11.本发明的另一方面，优选地，所述第一材料层101和第二材料层104的材料为硅片，所述硅片型号为n型或p型，所述硅片阻值为500-5000欧姆
·
厘米。
12.本发明的另一方面，优选地，一种制备如上所述的mems半导体芯片的方法，所述方法包括：制备设置有第一金属电极的第一材料层101和设置有第二金属电极的第二材料层104；制作包括支撑层106结构的第二掩膜板；在所述第二材料层104的底面旋涂光刻胶，将所述第二掩膜板放置于涂有光刻胶的第二材料层104上，进行曝光；所述涂有光刻胶的第二材料层104经过曝光显影后，取下掩膜板，采用电沉积工艺在显影后的第二材料层104上沉积金属；采用剥离工艺去除显影后的第二材料层104上未经曝光的光刻胶，获得设置有第二金属电极和支撑层106的第二材料层104；制作包括一对感测元件108和加热元件107结构的第三掩膜板；在支撑层106的底面旋涂光刻胶，将所述第三掩膜板放置于涂有光刻胶的支撑层106上，进行曝光；所述涂有光刻胶的支撑层106经过曝光显影后，取下第三掩膜板，采用电沉积工艺在显影后的支撑层106上沉积金属；采用剥离工艺去除显影后的支撑层106上未经曝光的光刻胶，获得设置有一对感测元件108和加热元件107的支撑层106；通过激光划片工艺，在所述第一材料层101上表面划片，获得设置有第一槽102和一对通孔103的第一材料层101；通过激光划片工艺，在所述第二材料层104上表面划片，获得设置有第二槽105的第二材料层104；将所述第二材料层104与第一材料层101键合，获得mems半导体芯片。
13.本发明的另一方面，优选地，所述制备设置有第一金属电极的第一材料层101和设置有第二金属电极的第二材料层104的方法包括：制作包括第一金属电极结构的第一掩膜板；在第一材料层101顶面旋涂光刻胶，将所述第一掩膜板放置于涂有光刻胶的第一材料层101上，进行曝光；
所述涂有光刻胶的第一材料层101经过曝光显影后，取下掩膜板，采用金属溅射工艺在显影后的第一材料层101上表面溅射金属；采用剥离工艺去除显影后的第一材料层101上未经曝光的光刻胶，获得设置有第一金属电极的第一材料层101；重复上述步骤，获得设置有第二金属电极的第二材料层104；本发明的另一方面，优选地，在所述支撑层106和第二材料层的底面电沉积钝化层109；制作第二金属电极、一对感测元件108和加热元件107结构的第四掩膜板；将所述钝化层109表面旋涂光刻胶，将所述第四掩膜板放置于涂有光刻胶的钝化层109上，进行曝光，其中，将第四掩膜板的第二金属电极、一对感测元件108和加热元件107结构与支撑层106和第二材料层的底面的第二金属电极、一对感测元件108和加热元件107结构对齐；所述涂有光刻胶的钝化层109经过曝光显影后，取下第四掩膜板；采用icp刻蚀工艺在显影后的钝化层109上表面制作第二金属电极、一对感测元件108和加热元件107结构；获得设有钝化层109的mems半导体芯片。
14.（三）有益效果本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：本发明通过在第一材料层上通孔与第一槽，气体进入一侧的通孔进入第一槽，在气压的作用下依次经过一侧感测元件、加热元件和另一侧的感测元件，再从另一侧的通孔排出，实现了气体流通通道的微纳加工，提高通道的精度，进而提高测试精度和敏感度；通过键合技术将第一材料层和第二材料层键合在一起，提高了感测元件、加热元件的保护能力，提高耐用性。
附图说明
15.图1是本发明一个实施例的整体结构正视图；图2是本发明一个实施例的整体结构俯视图；图3是本发明一个实施例的第二材料层和支撑层仰视图；图4是本发明一个实施例的第一材料层俯视图；附图标记：101：第一材料层；102：第一槽；103：通孔；104：第二材料层；105：第二槽；106：支撑层；107：加热元件；108：感测元件；109：钝化层；110：第一金属电极；111第二金属电极。
具体实施方式
16.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
17.在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制
的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
18.显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
20.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
21.以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
22.实施例一一种mems半导体芯片，图1示出了本发明一个实施例的整体结构正视图，如图1所示，包括：从下往上依次设置有第一材料层101、支撑层106和第二材料层104；此处从下往上指将mems半导体芯片放置在水平面上后在整体结构正视图中，垂直于水平面的方向上，由靠近放置的水平面到远离放置的水平面，此处不限制第一材料层101和第二材料层104的具体材料，也不限制两者是否是同一种材料，也不限制两者的具体结构是否相同，可选的，本实施例中，所述第一材料层101和第二材料层104的材料为硅片，所述硅片为n型或p型，所述硅片晶向为110或111，所述硅片阻值为500-5000欧姆
·
厘米；图4示出了本发明一个实施例的第一材料层的俯视图，如图4所示，所述第一材料层101的顶面设置有设有第一槽102、第一金属电极和一对通孔103，所述一对通孔103对称设置于所述第一材料层101，贯通所述第一材料层101的底面和所述第一槽102的底面，所述第一金属电极设置于所述第一槽102开口处的外周边；此处不限制第一槽102的具体结构，可选的，可以为矩形、圆形等规则形状，也可以为不规则形状，可选的，本实施中，第一槽102的形状为矩形，此处也不限制通孔103的具体形状，可选的，本实施例中，通孔103的形状为圆形；所述第二材料层104的底面设置有第二金属电极，所述第二金属电极与所述第一金属电极键合；所述支撑层106的底面设置有一对感测元件108和加热元件107，所述一对感测元件108对称设置于所述加热元件107的两边，所述第二金属电极分别与所述一对感测元件108和加热元件107电连接；此处不限制一对感测元件108和加热元件107具体位置，可选的，本实施例中，图2示出了本发明一个实施例的整体结构俯视图，图3示出了本发明一个实施例的第二材料层和支撑层仰视图，如图2和图3所示，感测元件108和加热元件107设置在相对的侧边，且一对感测元件108和加热元件107与第二金属电极电相连；所述第一槽102开口处围合所述一对感测元件108和加热元件107，此处围合是所述一对感测元件108和加热元件107的位置对着第一槽102开口处，这样气流从一侧的通孔进入后，依次通过一侧的感测元件、加热元件、另一个的感测元件和另一个的通孔，通过一
对感测元件感测气体加热前后加热后的变化，来进行气体流量监测，方法简单，实现了气体流通通道的微纳加工，提高通道的精度，进而提高测试精度和敏感度；通过键合技术将第一材料层和第二材料层键合在一起，提高了感测元件、加热元件的保护能力，提高耐用性。
23.本发明的一个实施例中，进一步，所述第一材料层101和支撑层106之间设置有钝化层109，所述钝化层109不覆盖第二金属电极111、一对感测元件108和加热元件107，此处不限制钝化层的具体材料和厚度，可选的，本实施例中，钝化层的材料可以是sio2、sin
x
等介质；钝化层可以有效的延长使用寿命。
24.本发明的一个实施例中，进一步，所述第二材料层104的顶面设置有第二槽105，第二槽的设置可以有效的减轻整体的重量，达到轻量化的目的，此处第二槽也可以是通孔，所述第二槽105水平方向的横截面的面积为s1，一对感测元件108和加热元件107所形成的连续结构的水平方向的横截面的面积为s2，所述第一槽102水平方向的横截面的面积为s3，所述s1、s2和s3满足以下公式：s2≤s1≤s3。
25.可选的，本实施例中，第一槽为矩形时，长为：300-30000微米；宽为30-1000微米；深度为30um-300微米，本实施例既能达到减轻重量的目的，还能不减少整体的使用寿命。
26.本发明的一个实施例中，进一步，所述第一槽102的垂直方向尺寸为d1，所述第一槽102水平方向横截面的最小直线长度为d2，所述d1、d2满足以下公式：d1≤d2≤4d
1；
30um≤d1≤300um。
27.本发明的一个实施例中，进一步，所述通孔103的水平方向横截面的面积为s4，所述第一槽102水平方向的横截面的面积为s3，所述s3和s4满足以下公式：4s4≤s3≤10s4。
28.可选的，本实施例中，通孔103横截面可以是矩形或者圆形，矩形时其边长30-3000微米，圆形时直径范围：30-3000微米。可以给气流足够的空间通过，也可以给气流提供足够的变化空间，提高监测精度，若空间太小或太大都能影响监测精度。
29.本发明的一个实施例中，进一步，所述支撑层106的材料为sio2、sin
x
、aln、al2o3中的至少一种，所述支撑层106垂直方向的尺寸大于等于0.5um，小于等于5um，进一步的，本实施例中，支撑层106垂直方向的尺寸1-3um，既能支撑起感测元件和加热元件，也重量较轻。
30.本发明的一个实施例中，进一步，所述第一材料层101和第二材料层104的材料为硅片，所述硅片的型号为n型或p型，所述硅片晶向为110或111，所述硅片阻值为500-5000欧姆
·
厘米。进一步，加热元件与感测元件都是电阻器件，都采用铂、镍、或者两种金属合金。
31.实施例二一种制备如上所述的mems半导体芯片的方法，所述方法包括：制备设置有第一金属电极的第一材料层101和设置有第二金属电极的第二材料层104；包括：制作包括第一金属电极结构的第一掩膜板；在第一材料层101顶面旋涂光刻胶，将所述第一掩膜板放置于涂有光刻胶的第一材料层101上，进行曝光；此处不限制光刻胶的种类，可以是正性光刻胶也可以是负性光刻胶；
所述涂有光刻胶的第一材料层101经过曝光显影后，取下第一掩膜板，采用金属溅射工艺在显影后的第一材料层101上表面溅射金属；采用剥离工艺去除显影后的第一材料层101上未经曝光的光刻胶，获得设置有第一金属电极的第一材料层101；重复上述步骤，获得设置有第二金属电极的第二材料层104；制作包括支撑层106结构的第二掩膜板；在所述第二材料层104的底面旋涂光刻胶，将所述第二掩膜板放置于涂有光刻胶的第二材料层104上，进行曝光；所述涂有光刻胶的第二材料层104经过曝光显影后，取下掩膜板，采用电沉积工艺在显影后的第二材料层104上沉积金属；采用剥离工艺去除显影后的第二材料层104上未经曝光的光刻胶，获得设置有第二金属电极和支撑层106的第二材料层104；制作包括一对感测元件108和加热元件107结构的第三掩膜板；在支撑层106的底面旋涂光刻胶，将所述第三掩膜板放置于涂有光刻胶的支撑层106上，进行曝光；所述涂有光刻胶的支撑层106经过曝光显影后，取下第三掩膜板，采用电沉积工艺在显影后的支撑层106上沉积金属；采用剥离工艺去除显影后的支撑层106上未经曝光的光刻胶，获得设置有一对感测元件108和加热元件107的支撑层106；通过激光划片工艺，在所述第一材料层101上表面划片，获得设置有第一槽102和一对通孔103的第一材料层101；通过激光划片工艺，在所述第二材料层104上表面划片，获得设置有第二槽105的第二材料层104；将所述第二材料层104与第一材料层101键合，获得mems半导体芯片。
32.本发明的一个实施例，进一步，在所述支撑层106和第二材料层的底面电沉积钝化层109；制作第二金属电极、一对感测元件108和加热元件107结构的第四掩膜板；将所述钝化层109表面旋涂光刻胶，将所述第四掩膜板放置于涂有光刻胶的钝化层109上，进行曝光，其中，将第四掩膜板的第二金属电极、一对感测元件108和加热元件107结构与支撑层106和第二材料层的底面的第二金属电极、一对感测元件108和加热元件107结构对齐；所述涂有光刻胶的钝化层109经过曝光显影后，取下第四掩膜板；采用icp刻蚀工艺在显影后的钝化层109上表面制作第二金属电极、一对感测元件108和加热元件107结构；获得设有钝化层109的mems半导体芯片。
33.本实施例制备方法简单，并且感测元件加热元件等的精度较高，能提高测量精度和稳定性。
34.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
35.在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过现有技术中的各种手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。
36.以上参照本发明的实施例对本发明予以了说明。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替换和修改，这些替换和修改都应落在本发明的范围之内。
37.尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但是应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的实施方式做出各种改变、替换和变更。
38.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。