CN101264859A - 压力传感器膜片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种制造压力传感器膜片的方法。在第一基底的第一表面蚀刻出一条或多条沟槽。所述沟槽被变成具有抗蚀刻性。然后在第一基底地相反的第二表面形成空腔,从而限定由框架支撑的膜片,所述膜片具有一个或多个用来加强隔膜的中空凸台。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器(pressure transducers)。
背景技术
微机电压力传感器典型情况下包括由框架支撑的膜片(即隔膜)。众所周知,在制造膜片时会包括称之为凸台(boss)的较薄和较厚区域。见此处以引用方式结合的美国专利No.6,140,143。较厚的凸台区域集中了由膜片挠曲而形成的应力。凸台在压力传感压敏电阻器或电容元件中可用于集中弯曲应力。通过制造紧邻的结构,还可以用凸台来生成感应电容或静电驱动间隙(electrostatic drive gap)。
典型情况下,凸台是实心结构,该结构通过将材料扩散到不同深度的基底上,然后对基底进行蚀刻而成。见以上引用的专利No.6,140,143。
现有技术的凸台具有相当大的质量,对于低压传感器而言,所述质量可产生定向敏感性。凸台的厚度也被材料能够注入基底的深度所限制。通常,较深的注入深度会伴随着增加的成本和增长的时间。并且,由于扩散在基底上同时垂直和横向地发生,因此会使得到的凸台结构宽度增加。
发明内容
本发明提供了一种制造压力变送膜片的新方法。所述方法可以形成质量较小的凸台。所得到的凸台优选为中空的。所述方法形成的凸台刚性较大。所得到的凸台可使用较低成本的处理技术制造。所述凸台与同等刚性的凸台相比质量更轻。所提供的压力传感器g敏感性(g-sensitivity)较小。可生成任意宽度和刚性的凸台。提供了按期望改变凸台结构的能力。
本发明始于一种制造压力传感器膜片的更好的方法。所述方法没有与扩散以及批量蚀刻(包括在基底上蚀刻一条沟槽从而限定质量更小但依然相对刚性的中空凸台)相关的限制。
但是,本发明在其它实施例中,不需达成所有的这些目的,而由此产生的权利要求也不应被限于能够达成这些目的的结构或方法。
本发明的特征是一种制造压力传感器膜片的方法。在第一基底的第一表面中形成一条或多条沟槽(例如通过蚀刻)。所述沟槽然后被变成具有抗蚀刻性。在第一基底的相反的第二表面中形成空腔(例如通过蚀刻),从而限定由框架支撑的膜片,所述膜片具有一个或多个用来加强隔膜的中空凸台。
干式蚀刻和湿式蚀刻均可用于形成沟槽。在一个示例中,所述一条或多条沟槽有成角度倾斜的侧壁。在另一个示例中,所述一条或多条沟槽具有平的底部。
通过给沟槽上涂料(doping)并对沟槽进行扩散处理(diffusing),或向沟槽添加抗蚀刻材料,而使得所述沟槽能够变成具有抗蚀刻性。并且,可以向沟槽添加材料。例如,在沟槽中可以生长多晶硅或外延硅层。
在一个示例中,第二基底被结合到第一基底的第一表面上。所述第二基底可熔合结合到第一基底的第一表面上。空腔可通过干式或湿式蚀刻技术形成。
在一个实施例中,压力传感器膜片是这样制成的:在第一基底的第一表面上蚀刻一条或多条沟槽,然后将所述沟槽和第一表面变成具有抗蚀刻性,并在第一基底的相反的第二表面中蚀刻出空腔,从而限定了由框架支撑的膜片,所述膜片具有一个或多个用来加强隔膜的中空凸台。
附图说明
通过下列对一个优选实施例及其附图的描述,本领域的技术人员将想到其它目的、特征和优势,其中:
图1是显示根据本发明的一个压力传感器膜片示例的顶视示意图;
图2是图1所示压力传感器膜片的示意性三维立体图;
图3是图2所示压力传感器膜片一部分的示意性剖视图,取了图2的一条长线3-3;
图4是一个示意性部分截面图,显示了根据本发明的压力传感器膜片的另一个示例的一部分;
图5是根据本发明的压力传感器膜片的又一示例的示意性横截面局部视图;
图6A-6G是描述根据本发明的一个实施例,与制作压力传感器膜片相关的主要步骤的高度示意性截面图。
图7A-7F是显示根据本发明的又一实施例,与制作压力传感器膜片相关的另一个方法的主要步骤的高度示意性截面图;且
图8是显示根据本发明一个完整的MEMS压力传感器示例的示意性三维剖视图。
具体实施方式
除了以下公开的优选实施例或实施例,本发明还包括其它以不同方式实行或实施的实施例。因此,应该理解本发明不限于应用在以下描述或附图示意中所阐述的构造和布置细节。如果此处仅描述了一个实施例,则由此而来的权利要求不限于该实施例。此外,除非有清楚而令人信服的证据表明某种排除,限制或放弃,否则由此而来的权利要求不应被以限制性的方式加以理解。
图1-2描述了根据本发明的压力传感器膜片(又称隔膜)10的示例。膜片10由框架12支撑,并包括中空凸台或台地14。可能还有跨过膜片10的另外的凸台。典型情况下有多个凸台,但为了显示清楚,附图中仅显示了一个凸台。在一个特定的示例中,膜片10具有2.4mm的边长,厚5微米。图3中凸台14有成角度倾斜的侧壁16a和16b,壁厚为5微米。不过,凸台14可以以不同的结构形成,如图4所示,其中凸台14’较小,而在图5中,凸台14”有一个平坦表面20和两个成角度倾斜的侧壁22a和22b。
不管任何构造,中空凸台的质量都小于实心凸台,但依然能够提供高刚性。结果是,在一个示例中,压力传感器的g敏感性较小。
如图6A-6G所示,图6A中的基底50(典型情况下是硅晶片),在图6B中位置52被掩蔽(masked),在图6C中蚀刻出沟槽54。干式蚀刻或湿式蚀刻均可以使用。沟槽54和基底50的表面63然后都被变成具有抗蚀刻性,典型情况下,它们是通过图6D中56所示的注入的磷而变得具有抗蚀刻性的。由注入的磷形成的连接和电化学蚀刻阻挡层一起就阻挡了对注入区域的蚀刻。参见通过引用而结合于本发明中的美国专利No.6,140,143。然后在图6E中晶片被翻转,并如图所示在位置58处被掩蔽。然后,晶片的这一表面被蚀刻,从而形成空腔60,由框架12支撑的隔膜10,以及中空凸台14。
在另一个示例中,图7A中的晶片70在位置72如图所示被掩蔽,在图7B中使用干式或湿式蚀刻技术蚀刻出沟槽74。沟槽74有如图所示的成角度倾斜的侧壁。然后通过给沟槽涂上涂料(例如用硼),或用n型扩散在沟槽上进行扩散处理,并使用以上所述的电化学蚀刻阻挡层,或向沟槽添加抗蚀刻材料如抗蚀刻介质或金属,来形成抗蚀刻的侧壁。如果要求增加所得到的凸台的侧壁厚度,则可在抗蚀刻层上生成多晶硅或外延硅层。在图7D中,晶片72(典型情况下也是硅晶片)然后通过熔合结合或通过使用本领域已知的中间层,结合到基底70上,其位置位于沟槽74之上。在图7E中,此结构然后被翻转,并进行掩蔽76。通过湿式或干式蚀刻,可形成带凸台14和框架12的隔膜10,以及空腔78。
在一个示例中,膜片是图8中MEMS压力传感器80的一个部件。此处在膜片10(n型)上还显示了两个凸台14,该膜片还包括扩散的压敏电阻器82。框架12是P型的,并位于具有孔86的硼硅酸玻璃支座84上。但是,本发明的这种方法不限于任何特别的压力传感器设计。
本发明的中空凸台技术允许在典型情况下用于压力传感器的隔膜片上制造出中空壳型特征,从而在否则即为柔性的隔膜上形成具有局部刚性的区域。中空凸台的壁典型情况下和隔膜本身尺寸相同,但是,中空波状结构可以使这些壁的刚性大大增加。通过形成(例如通过蚀刻)硅晶片的前面并在蚀刻沟槽的基础上生成蚀刻阻挡层,当所述晶片的后面被蚀刻并生成隔膜结构时,所述凸台不会被蚀刻。沟槽的蚀刻阻挡层可以是高掺杂的P+扩散层,低掺杂的n型扩散层(用于电化学蚀刻阻挡层),或诸如二氧化硅层的蚀刻阻挡层。在一些示例中,如图7D所示,在沟槽上再结合一层硅有助于进一步强化该结构。此技术还具有可重新造出平坦晶片表面以用于更进一步的晶片处理的优势。所述附加的硅层可通过中间层(如用于电化学结合的玻璃)或硅熔合结合(也即硅直接结合)进行结合。湿法蚀刻的优势在于可以在与晶片表面成约54.7°角的位置形成侧壁。通过这种方式,可生成最小宽度约为晶片厚度1.4倍的凸台。由于典型的传感器晶片的厚度为380μm,这样就可以生成532μm宽的凸台。干式蚀刻的优势在于可进行垂直侧壁蚀刻。还可能形成狭窄或任意凸台形状。得到的凸台可比实心凸台浅,或质量更小,并且和实心凸台具有同样的刚性。
结果是,就实现了不会受到因凸台质量而造成的方向性敏感性影响的低压传感器。凸台厚度不受与现有技术相关联的约30μm的扩散深度的限制。本发明的中空凸台所具有的刚性比用相同数量材料制成的具有相同表面形状和面积的实心凸台要高得多。如果需要的话,可以使用常规的低成本处理技术来生成狭窄的刚性凸台,而避免使用更昂贵的DRIE技术。在最终隔膜结构上形成空腔的背面蚀刻可以是任何能够形成框架结构并蚀刻成最终隔膜的技术,例如湿式蚀刻,但是也可在带有氧化物涂层的侧壁上使用DRIE蚀刻。典型情况下,与其他技术相比,本发明的技术可以生成尺寸更小的刚性凸台结构,且成本更低,而得到更轻且g敏感性更小的凸台结构。在一个示例中,凸台结构的壁厚为15μm,而底部为20μm宽到130μm宽。
虽然本发明的特定特征在一些附图中有显示而在其它附图中没有显示,但这只是为了方便,因为每个特征都可以和根据本发明的任何一个或其它所有特征组合。此处所用的用词“包括”,“组成”,“有”,以及“具有”应宽泛而全面地解释,而不限于任何物理的相互联系。此外,本发明所公开的任何实施例不应被当作唯一可能的实施例。那些本领域技术人员会想到的其它实施例也在所附权利要求范围内。例如,本发明的所述方法可证明有助于制造用于压力传感器之外其它装置的膜片。
此外,在本专利申请的诉讼过程中提出的对本专利的任何更改并不是对所提交的本申请中存在的任何权利要求要件的弃权:不能预期本领域技术人员能够写出在字面上包括所有本发明的可能等同特征的权利要求,许多等同特征在进行更改时可能无法预计,并超出哪些应被放弃(如果有的话)的合理解释,所述更改的合理的潜在意义可和许多等同特征之间仅存在些微的关系,并且/或者有许多其他原因而使得不能期望申请人对任何修改的权利要求要件的某些非实质性替代物进行描述。
Claims (13)
1.一种制造压力传感器膜片的方法,所述方法包括:
在第一基底的第一表面中蚀刻出一条或多条沟槽;
使所述沟槽变得具有抗蚀刻性;以及
在所述第一基底的相反的第二表面中蚀刻出空腔,从而限定由框架支撑的膜片,所述膜片具有一个或多个用来加强所述隔膜的中空凸台。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,对所述一条或多条沟槽进行的蚀刻包括干式蚀刻和湿式蚀刻。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述一条或多条沟槽具有成角度倾斜的侧壁。
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于,所述一条或多条沟槽具有平的底部。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,使所述沟槽变得具有抗蚀刻性的步骤包括,给所述沟槽上涂料并对所述沟槽进行扩散处理,或向所述沟槽添加抗蚀刻材料。
6.如权利要求1所述的方法,还包括向所述沟槽添加材料的步骤。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于,在所述沟槽中生长多晶硅或外延硅层。
8.如权利要求1所述的方法,其特征在于,第二基底结合在所述第一基底的第一表面上。
9.如权利要求8所述的方法,其特征在于,所述第二基底被熔合结合到所述第一基底的第一表面上。
10.如权利要求1所述的方法,其特征在于,对所述空腔进行的蚀刻包括干式蚀刻或湿式蚀刻。
11.一种制造压力传感器膜片的方法,所述方法包括:
在第一基底的第一表面中蚀刻出一条或多条沟槽;
使所述沟槽和所述第一表面变得具有抗蚀刻性;以及
在所述第一基底的相反的第二表面中蚀刻出空腔,从而限定由框架支撑的膜片,所述膜片具有一个或多个用来加强所述隔膜的中空凸台。
12.一种制造压力传感器膜片的方法,所述方法包括:
在第一基底的第一表面中蚀刻一条或多条沟槽;
使所述沟槽变得具有抗蚀刻性;
将第二基底结合到所述第一表面上,以及
在所述第一基底的相反的第二表面中蚀刻出空腔,从而限定由框架支撑的膜片,所述膜片具有一个或多个用来加强所述隔膜的中空凸台。
13.一种制造膜片的方法,所述方法包括:
在第一基底的第一表面中形成一条或多条沟槽;
使所述沟槽变得具有抗蚀刻性;以及
在所述第一基底的相反的第二表面中形成空腔,从而限定由框架支撑的膜片,所述膜片具有一个或多个用来加强所述隔膜的中空凸台。
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