CN102183334A - 压力传感器和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于提供压力传感器衬底的方法包括：创建第一空腔，所述第一空腔在衬底内部在与衬底的主表面垂直的第一方向上延伸并且在衬底内部在与第一方向垂直的第二方向上延伸进入衬底的第一通气区域；创建第二空腔，所述第二空腔在衬底内部在第一方向上延伸，在第二方向上平行于第一空腔延伸，并且不延伸进入第一通气区域；以及将第一空腔开口于第一通气区域中。

Description

压力传感器和方法

技术领域

本发明涉及压力传感器和方法，具体地涉及压力传感器衬底以及用于提供压力传感器衬底的方法。

背景技术

压力传感器典型地用于测量液体或气体的压力并提供随介质压力变化的输出信号。传统的压力传感器包括用MEMS技术(微机电结构)制作的耦合到ASIC的独立压力传感器膜片(membrane)。那些膜片典型地水平创建于晶片的表面上，这意味着复杂的制作方法，原因在于需要多个过程步骤以便在半导体衬底的顶部创建自由膜片。一般而言，创建穿过膜片的通气体积是一项复杂的工作。

发明内容

根据这里描述的一些方面，创建在衬底内部竖直延伸的两个空腔。两个空腔也在衬底的主表面下面水平延伸，其中两个空腔至少部分地在预定方向上彼此平行地延伸。然而，仅仅第一空腔创建成使得其水平延伸进入衬底的通气区域。第一空腔然后向衬底的通气区域中的环境开口。因此，第一空腔的体积可以耦合到外部压力，而第二空腔提供参考压力。

根据进一步方面，提供一种压力传感器衬底，其包括第一和第二空腔，该两个空腔都在衬底内部竖直延伸。这两个空腔在衬底的主表面下也部分地在水平预定方向上平行地延伸，其中仅仅第一空腔水平延伸进入衬底的通气区域。第一空腔向通气区域中的环境开口。

附图说明

在这里结合以下附图描述各种说明性实施例，其中相同的附图标记指代对应的或类似的部件，并且其中：

图1示出了用于提供压力传感器衬底的说明性实施例；

图2示出了用于提供压力传感器衬底的进一步说明性实施例；

图3示出了压力传感器衬底的说明性实施例；

图4示出了用于制作压力传感器衬底的进一步说明性实施例；

图5示出了压力传感器衬底的进一步说明性实施例；以及

图6示出了用于制作压力传感器衬底的实施例的进一步说明性实施例。

具体实施方式

图1示出了用于提供压力传感器衬底4的方法的说明性实施例。在图1的实施例中，示出了单个压力传感器衬底。然而，在可替换的实施例中，在晶片的表面上可以一次制作多个压力传感器衬底。

第一空腔2可以创建于衬底4中。如从在图1的示例的左侧示出的衬底4的截面图中也显而易见的，空腔2在衬底内部竖直延伸，即在相对于主表面32垂直(或正交)的竖直方向8上延伸。该示意性截面图是沿着图1中示出的切割线6而创建的。空腔2创建于衬底4内部，即其特别地也在衬底4的主表面32的方向上被衬底材料所包围。在这方面，衬底4的主表面32要理解为在图1中衬底4的正向(face-on)视图中可见的表面。相比于竖直方向8，水平方向应理解为与竖直方向8基本垂直的任何方向，即基本平行于衬底4的主表面32的任何方向。

第一空腔2水平地延伸进入衬底的通气区域10。在图1的实施例中，通气区域10是矩形的。然而，不言而喻，通气区域10可以在衬底4的表面上具有任何其它期望的几何形状。

进一步，创建在衬底内部也竖直延伸的第二空腔12。第二空腔12也在预定方向14上与第一空腔2平行地延伸。然而，第二空腔12不延伸进入通气区域10。

第一空腔2开口于通气区域10中。因而，开口16可以在允许压力进入空腔2的通气区域10中执行。由于第二空腔12是封闭的，参考压力被维持在第二空腔12内部。第一空腔中的变更压力引起在两个空腔2和12之间由衬底形成的薄片(lamella)14的偏转。然后可以测量和估算薄片的偏转，以便导出第二空腔内的压力，即周围大气的压力。

即，感测第一和第二空腔之间的衬底的偏转允许导出经由第一空腔的开口延伸进入衬底的周围压力的度量。

所有先前描述的步骤都可以使用标准半导体处理技术(例如，CMOS)来实施。因此，空腔和其间的薄片可以制作在与估算薄片14偏转的电路相同的衬底中，使得可以制作紧凑的传感器。而且，可以避免因单独制作传感器和读出电路以及后续将两个部件封装成单个封装而引起的额外成本。

通过将空腔中的仅仅一个延伸进入通气区域10，相应空腔可以被开口而不对包括第二空腔12和可能读出电路的其余衬底区域做任何进一步处理。因此，可以避免由于第一空腔2的所需开口而对其余元件的可能伤害。因此可以使用任何合适的技术来执行开口，诸如刻蚀、机械措施(诸如钻孔、锯割或切割)、隐形切割(stealth dicing)或其它相关技术。开口可以从任何侧执行，即从主表面、从侧面或从与主表面相对的背面执行。

空腔可以通过首先在衬底内创建沟槽并且通过然后经过在衬底的顶部沉积氧化物层来封闭沟槽而创建。当第一空腔2延伸进入通气区域10时，可以避免在创建空腔时的深刻蚀以及从背面对处理的衬底4的后续薄化，这在试图从衬底4的背面对空腔之一进行开口时将是需要的。这将需要把衬底薄化到仅仅数十个微米，从而承受由于施加到衬底的额外机械应力而破坏传感器衬底4的风险。此外，可以避免额外成本和非标准CMOS过程的处理步骤，例如，从衬底4的背面进行的额外光刻。

根据进一步实施例，第一空腔可以通过完全移除通气区域10而被开口。为了达到这个目的，通气区域10可以以分割(singulation)边界20为界。衬底4沿着分割边界20被分割以便移除通气区域。这例如可以通过刻蚀、锯割、隐形切割或者任意其它化学或机械方法来获得。那些实施例可以具有潜在的优点：当在大晶片的表面上一次处理和创建多个压力传感器衬底4时完成晶片处理之后，对各压力传感器衬底4分割时，对第一空腔2自动开口。即，开口可以自动获得，而不必承受任何损坏压力传感器衬底的其余区域的风险。

虽然图1通过示例示出了特定实施例，其中第一空腔2在预定方向14上延伸超过分割边界20，该预定方向是第一和第二空腔2和12彼此平行延伸的方向，但是其它实施例可以包括在任何其它任意方向上延伸进入通气区域的空腔。例如，第一空腔可以在相对于预定方向14形成预定角度的进一步方向上延长，以便在该进一步方向上进入通气区域10。

图2示出了根据用于制作压力传感器衬底的方法的进一步实施例的说明性配置。

根据图2的实施例，制作压力传感器衬底，其包括彼此相邻的多个第一和第二空腔以便增加芯片或压力传感器衬底的敏感区域。因而，创建多个薄片14、第一空腔2和第二空腔12。

在图2的实施例中，第一空腔2创建为使得它们延伸超过分割边界20进入通气区域10，而在任一侧被第一空腔2包围的第二空腔12创建为使得它们不延伸超过分割边界20。

通过移除通气区域10的衬底(从晶片分割压力传感器衬底)，第一空腔2在衬底4的侧面开口。即，压力引导空腔在不需要诸如薄化或进一步刻蚀之类的进一步处理步骤的情况下被开口。

图3示出了可以由关于例如图1和2所介绍的方法创建的压力传感器衬底的说明性实施例。

在本示例中压力传感器衬底4以沿着图2中指示的切割线30的投影示出。它包括在衬底内部相对于主表面32竖直延伸的第一空腔2。压力传感器衬底4而且包括也在衬底内在竖直方向8上延伸的第二空腔12。在图3所示的示例中，空腔在主表面32的方向上被氧化物层包围。这是由于如下事实：根据一些实施例，通过首先在衬底内创建沟槽并且通过然后例如通过在衬底的顶部沉积氧化物层来封闭这些沟槽，创建空腔。

氧化物可以由诸如电介质之类的任何合适的材料代替。第一和第二空腔也在衬底内在预定方向14上水平延伸。不言而喻，衬底可以是诸如硅、锗或其它之类的任何合适的半导体衬底。第一空腔2和与它邻近的第二空腔12的竖直侧壁定义薄片14，该薄片14因第一空腔2和第二空腔12中的压力之间的压力差而变形或偏转。为了定义参考压力，可以是当从晶片分割压力传感器衬底4时仅仅对第一空腔2开口。薄片14的偏转可以被测量并且压力值可以从这个偏转测量中导出。根据一个特定示例，第二空腔12的两个竖直侧壁之间的电容14可以被导出作为包围第二空腔12a的两个薄片14的偏转的度量。

为此，接触焊盘42a和42b可以从衬底4的主表面32连接到薄片，以便能够测量两个薄片14a和14b之间的电容。不言而喻，图3中示出的接触焊盘42a和42b仅仅是示例，其将允许测量电容。在进一步实施例中，薄片14a和14b可以通过在处理半导体衬底的过程中创建的内部结构而连接到读出电路。

为了提供电容，可以接近空腔14的底部创建p/n边界，以便避免通过衬底的电流流动。为此，可以执行深p注入，接着是较低能量的n注入，如图3所示，反之亦然。换句话说，创建压力传感器衬底的过程可以包括创建对第一和第二空腔之间的衬底内部的偏转敏感的区域。这可以包括例如创建第二空腔12a的两个竖直侧壁之间的电容。根据进一步实施例，可以创建对薄片14的偏转敏感的其它元件，诸如压电电阻器、应力敏感晶体管等等。

虽然图2和图3的实施例示出了在水平方向上具有不同宽度的空腔，但是可以创建其中空腔2和12具有等同宽度的其它实施例。这是可行的，原因在于两个空腔2和12也可以创建为具有相同的竖直延伸，即在竖直方向8上具有相同的深度。通过将空腔中的一个延伸进入通气区域10以及将空腔12开口于通气区域中，这进而是可行的。具有相等宽度的空腔可以便于用图3中示出的氧化物层来封闭空腔。

图4示出了用于提供压力传感器衬底的方法的进一步说明性实施例，其适于产生差动压力传感器。

根据图4所示的方法，第一空腔不延伸超过分割边界30，而第二空腔12延伸超过分割边界30。相比于图3和4的实施例，第一空腔2具有比第二空腔12更小的宽度。然而，这只是示例。空腔的宽度也可以相等，或者第一空腔2可以比第二空腔12更宽。根据图4所示的实施例，当(例如通过在分割边界30切割或分割压力传感器衬底)将第一空腔2开口于通气区域中时，可以创建差动压力传感器。

根据更进一步实施例，其中一个实施例通过图5中的示例示出，可以容易地创建差动压力传感器，即比较两个不同储存器之间的压力的传感器。为此，也可以对在图2和3的实施例中被完全包围的第二空腔12开口。

这例如可以如图5所示的那样获得。第一空腔2经由通气区域10开口。而且，第二空腔12也可以例如从背面开口，如图5所示。因而，可以容易地实施差动压力传感器，其直接测量第一空腔2和第二空腔12内的压力差。可以如图3的实施例中先前示出的那样，即通过感测电容、电阻变化等等，来执行该感测。

根据进一步实施例，也可以通过将第二空腔12额外地延伸进入第二通气区域40并且通过然后将第二空腔12开口于第二通气区域40中，提供差动压力传感器衬底。即，两个空腔可以在衬底的不同侧开口，而不会对其余衬底造成任何损坏，使得可以容易地实施差动压力传感器。压力开口自动提供在衬底4的不同侧，使得如此创建的压力传感器衬底4的实施方式(即对压力传感器衬底施加压力)是简单的，原因在于仅仅一个分别必须连接到第一和第二空腔的几何分离的压力开口。

在图6所示的特定实施例中，第二空腔12在预定第二方向42上延伸进入第二通气区域40，穿过第二分割边界44。当第二空腔12开口于第二通气区域40中时，可以实施差动压力传感器，其包括从衬底的不同侧通气的空腔。当压力传感器衬底沿着分割边界30和44被分割时，在压力传感器衬底的侧表面执行空腔的通气。

在图6的实施例中，预定方向14和第二预定方向42彼此垂直。然而，这仅仅是任意可能几何形状的示例。例如，第一和第二预定方向14和42可以相对于彼此包围这样的角度，使得第二空腔也延伸进入第一通气区域10。根据进一步实施例，第二空腔12与预定方向14相反地延伸到压力传感器衬底的另一端，使得第一和第二空腔仅仅沿着一个共同方向彼此平行地延伸。根据这些实施例，将在压力传感器衬底的相对侧表面提供通气。

先前讨论的实施例可以潜在地允许差动压力传感器的高效实施方式。可以通过任何合适的技术，诸如通过切割、锯割、刻蚀或隐形切割，执行传感器的分割。在隐形切割中，激光破坏在衬底的预定深度中的晶体结构，使得衬底可以被分割(例如通过折断衬底)以便衬底的空腔可以可靠地开口和通气。

可替换地或额外地，也可以通过刻蚀沟槽来定义由分割过程创建的侧表面(边缘)。该沟槽的刻蚀也可以与形成空腔的沟槽的刻蚀同时执行，使得不需要额外处理步骤。

如先前指示的，这里描述的各种说明性实施例提供一种压力传感器衬底，其中空腔在有源芯片区域的侧表面通气，使得它们在分割各压力传感器衬底之后形成压力通道(允许压力进入衬底的空腔)。根据进一步实施例，可以是：仅仅第一空腔通过压力传感器衬底的侧表面通气，而第二空腔从压力传感器衬底的主表面或与主表面相对的背表面开口。

先前讨论的实施例可能潜在地提供创建压力传感器方面的灵活性，原因在于空腔的通气可以在压力传感器的有源区域外部的专用通气区域中执行。这可能潜在地允许在一个单个芯片上也实施读出电路的压力传感器的制作。而且，专用通气区域中的通气可以潜在地允许增加或甚至最大化在选择传感器的薄片和空腔的参数方面的灵活性。

特别地，其两者都可以通气且同时具有相同宽度和深度的第一和第二空腔是可行的。根据一些说明性实施例，空腔的宽度可以在例如5纳米到10微米的范围内，5纳米和10微米也包括在内。根据进一步说明性实施例，空腔的宽度可以在例如5纳米到150纳米的范围内，5纳米和150纳米也包括在内。根据进一步说明性实施例，空腔的宽度可以在例如50纳米到1微米的范围内，50纳米和1微米也包括在内。然而，这些范围仅仅是示例，并且可以提供其它的空腔宽度。

根据一些说明性实施例，薄片的宽度，即在第一和第二空腔的平行部分之间的衬底区域的宽度，可以在例如5纳米到10微米的范围内，5纳米和10微米也包括在内。根据进一步说明性实施例，薄片的宽度可以在例如5纳米到150纳米的范围内，5纳米和150纳米也包括在内。根据进一步说明性实施例，薄片的宽度可以在例如50纳米到1微米的范围内，50纳米和1微米也包括在内。然而，这些范围仅仅是示例，并且可以提供其它的薄片宽度。

Claims (26)

1.一种用于提供压力传感器衬底的方法，包括：

创建第一空腔，所述第一空腔在衬底内部在与衬底的主表面垂直的第一方向上延伸并且在衬底内部在与所述第一方向垂直的第二方向上延伸进入衬底的第一通气区域；

创建第二空腔，所述第二空腔在衬底内部在所述第一方向上延伸，在所述第二方向上平行于所述第一空腔延伸，并且不延伸进入所述第一通气区域；以及

将所述第一空腔开口于所述第一通气区域中。

2.根据权利要求1的方法，其中创建第一和第二空腔包括：

创建在所述第一方向上延伸进入所述衬底的第一沟槽；

创建在所述第一方向上延伸进入所述衬底的第二沟槽；以及

封闭所述第一沟槽和所述第二沟槽。

3.根据权利要求2的方法，其中封闭包括在衬底上沉积电介质。

4.根据权利要求1的方法，其中创建所述第一空腔使得所述第一空腔在所述第二方向上延伸超过分割边界，所述分割边界是第一通气区域的边界，以及

其中所述第二空腔在第二方向上不延伸超过所述分割边界。

5.根据权利要求4的方法，进一步包括在所述分割边界处执行衬底的分割。

6.根据权利要求5的方法，其中执行分割包括下列中的至少一个：在所述分割边界处的锯割、切割、磨边和隐形切割。

7.根据权利要求1的方法，其中第一和第二空腔创建为在所述第二方向上具有相同的宽度。

8.根据权利要求1的方法，其中第一和第二空腔创建为使得它们在所述第一方向上以相同的深度延伸。

9.根据权利要求1的方法，其中第一和第二空腔的平行部分创建为相对于彼此具有在5纳米到10微米的范围内的距离，5纳米和10微米也包括在内。

10.根据权利要求1的方法，其中第一和第二空腔创建为具有在5纳米到10微米的范围内的宽度，5纳米和10微米也包括在内。

11.根据权利要求1的方法，其中所述压力传感器衬底配置为使得平行于第一空腔延伸的第二空腔的部分的两个平行侧壁之间的电容响应于在第一和第二空腔之间且在衬底内部的偏转而变化。

12.根据权利要求1的方法，其中所述第二空腔创建为使得其而且延伸进入第二通气区域，其中所述第一空腔创建为使得其不延伸进入所述第二通气区域，所述方法进一步方括将第二空腔开口于所述第二通气区域中。

13.根据权利要求12的方法，进一步包括在第二分割边界处执行衬底的分割，所述第二分割边界是第二通气区域的边界。

14.一种压力传感器衬底，包括：

衬底的第一通气区域；

第一空腔，在衬底内部在与衬底的主表面垂直的第一方向上延伸，所述第一空腔也在衬底内部在与所述第一方向垂直的第二方向上延伸进入所述衬底的第一通气区域；以及

第二空腔，在衬底内部在第一方向上延伸，所述第二空腔也在第二方向上平行于第一空腔延伸，所述第二空腔不延伸进入第一通气区域，其中

所述第一空腔通过所述第一通气区域而向压力传感器衬底外部的周围环境开口。

15.根据权利要求14的压力传感器衬底，其中所述第一空腔在第二方向上延伸直到所述压力传感器衬底的侧表面，并且其中所述第二空腔在第二方向上不延伸到所述压力传感器衬底的侧表面。

16.根据权利要求14的压力传感器衬底，其中第一和第二空腔在第二方向上具有相同的宽度。

17.根据权利要求14的压力传感器衬底，其中第一和第二空腔在第一方向上以相同的深度延伸。

18.根据权利要求14的压力传感器衬底，其中在第一和第二空腔的第二方向上延伸的平行部分相对于彼此具有在5纳米到10微米的范围内的距离，5纳米和10微米也包括在内。

19.根据权利要求14的压力传感器衬底，其中第一和第二空腔每个在第二方向上具有在5纳米到10微米的范围内的宽度，5纳米和10微米也包括在内。

20.根据权利要求14的压力传感器衬底，其中所述压力传感器衬底配置为使得平行于第一空腔延伸的第二空腔的部分的两个平行侧壁之间的电容响应于在第一和第二空腔之间且在衬底内部的偏转而变化。

21.根据权利要求14的压力传感器衬底，其中所述第二空腔而且在第二方向上延伸进入第二通气区域，其中所述第一空腔不延伸进入所述第二通气区域，并且其中将所述第二空腔开口进入所述第二通气区域。

22.一种用于提供压力传感器衬底的方法，包括：

创建第一空腔，所述第一空腔在衬底内部在与衬底的主表面垂直的第一方向上延伸并且在衬底内部在与所述第一方向垂直的第二方向上延伸通过第一分割边界；

创建第二空腔，所述第二空腔在衬底内部在第一方向上延伸，在第二方向上平行于第一空腔延伸，并且不延伸通过所述第一分割边界；以及

在所述第一分割边界处执行衬底的分割。

23.根据权利要求22的方法，其中所述第二空腔在与所述第一方向垂直的第三方向上延伸通过第二分割边界，其中所述第一空腔不延伸通过所述第二分割边界，并且其中所述方法进一步包括在所述第二分割边界处执行压力传感器衬底的分割。

24.根据权利要求22的方法，进一步包括将所述第二空腔向与所述衬底的主表面相对的衬底的表面开口。

25.一种压力传感器衬底，包括：

第一空腔，所述第一空腔在衬底内部在与衬底的主表面垂直的第一方向上延伸，所述第一空腔也在衬底内部在与所述第一方向垂直的第二方向上延伸直到所述压力传感器衬底的侧表面；以及

第二空腔，所述第二空腔在衬底内部在第一方向上延伸，所述第二空腔也在所述第二方向上平行于所述第一空腔延伸，所述第二空腔在所述第二方向上不延伸直到所述压力衬底的侧表面。

26.根据权利要求25的压力传感器衬底，其中所述第二空腔在与所述第一方向垂直的第三方向上延伸直到所述压力传感器衬底的侧表面。

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