CN103278270A - 岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器芯片及制造方法 - Google Patents

Abstract

岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器芯片及制造方法，涉及微压力传感器。提供一种不仅可靠性较高，而且适用于潮湿、酸碱、静电等恶劣环境下的岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器芯片及制造方法。所述岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器芯片设有感压薄膜和带空腔的底座；感压薄膜为正面岛膜复合结构，在岛膜复合结构的应力最大的集中区设有4个压敏电阻，4个压敏电阻通过金属电极构成惠斯登电桥，采用硅-玻璃阳极键合工艺将惠斯登电桥密封于密闭绝压腔内，所述惠斯登电桥通过金属引线将界面预置电极与外部测试设备连接，构成一个完整的压力敏感和测量系统。SOI晶圆片上的工艺制作；基底部分的制备；键合及后续工艺。

Description

岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器芯片及制造方法

技术领域

本发明涉及微压力传感器，尤其是涉及一种岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器芯片及制造方法。

背景技术

在传感器的各应用领域中，温度、流量、压力、位置是最常见的测试参数。

在各类传感器中，因压力传感器可广泛用于压力、高度，以及液体的流量、流速、液位、压强的测量与控制，它已成为传感器技术最成熟、性能比稳定的一类传感器。据日本电气计测器工业协会对过程传感器(温度、流量、压力、位置、密度等)的生产和销售进行的统计，压力类传感器占整个过程传感器的三分之一强，而且其比例还在继续加大，以此为基础的压力类测量及变送仪表也在过程控制系统中占有很高的比例。

目前，压力传感器广泛应用于国防工业、汽车工业、石油工业、航空航天、医疗器械以及电子消费品等领域。

在传统的平膜结构硅压阻式压力传感器中，用于微压测量时，需要减薄硅膜的厚度以提高其灵敏度，这在工艺上有难度。而且对于相同尺寸的膜片，厚度太小使器件信号输出的非线性变差，器件的测量精度降低，因此用平模结构设计微压力传感器是不理想的。

在传统硅超微压压阻式压力传感器中，基本都把压敏电阻排布在感压薄膜外表面直接与外界环境接触。器件在工作过程中，由于外界环境酸碱物质、静电颗粒、粉尘等对压敏电阻的影响，而导致器件可靠性降低。为了提高器件在恶劣环境下的可靠性，目前商业化普遍采用的是压力变送的封装技术，将压力传感器芯片封装于充满硅油的密闭结构中，外加压力从不锈钢膜片通过硅油传递到压力传感器芯片上（W.P.Eaton,J.H.Smith,“Micromachined pressure sensors:review and recent developments”,Smart Mater.Struct.Vol.6pp.530-539,1997）。但是，硅油化学稳定和耐温性能不够好，硅油长期在高温下工作会发生变化，如果新分解的化学成分里面有小颗粒的导电物质，这种物质可能会穿过芯片的钝化层破坏芯片或者介入扩散电阻条中间，形成短路或污染，造成传感器高温输出信号不稳定，这些问题的存在将影响传感器的长期可靠性。此外，在一些气压传感器中，例如汽车轮胎压力传感器，为了保护薄膜上面的压敏电阻，在封装时用硅胶包裹压力传感芯片，以隔绝测试气体的影响。这种方案不仅增加了制造成本，而且温度的变化会引起硅胶的膨胀或收缩，进而影响压力传感器的输出特性和稳定性。

综上所述，进行具有自封装结构的超微压压阻式压力传感器的研究，实现相关技术攻关，对整个压力传感器技术领域的进步和相关产业的发展具有积极的推动作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种不仅可靠性较高，而且适用于潮湿、酸碱、静电等恶劣环境下的岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器芯片及制造方法。

本发明所述岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器芯片设有感压薄膜和带空腔的底座；所述感压薄膜为正面岛膜复合结构，在岛膜复合结构的应力最大的集中区设有4个压敏电阻，所述4个压敏电阻通过金属电极构成惠斯登电桥，采用硅-玻璃阳极键合工艺将惠斯登电桥密封于密闭绝压腔内，所述惠斯登电桥通过金属引线将界面预置电极与外部测试设备连接，构成一个完整的压力敏感和测量系统。

所述感压薄膜为正面凸起的岛状结构和薄的膜状结构复合而成。

所述感压薄膜可由绝缘体上硅晶圆片（简称SOI晶圆片）器件层制备并经减薄工艺制成。

所述带空腔的底座的材料可为玻璃等。

所述空腔的形状可为矩形、方形或圆形等。

所述SOI晶圆片和带空腔的底座键合在一起，且二者键合表面都有界面预置电极，把界面预置电极对应焊盘位置上方的硅层打开制备出电极引线孔，通过压焊金属引线技术，得到一个完整的压力传感器芯片。

所述岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器可用于测量绝对压力。

所述岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器芯片的制造方法，包括以下步骤：

第一阶段：SOI晶圆片上的工艺制作

1）.清洗；氧化；

2）.涂光刻胶、掩模、曝光、显影；

3）.湿法腐蚀SiO₂，腐蚀完毕后留下的SiO₂图形作为接下来重掺杂所用的掩模；

4）.浓硼扩散，形成连接导线；

5）.使用湿法腐蚀去除SiO₂，重新氧化；

6）.涂光刻胶、掩模、曝光、显影；溅射金属铝；

7）.使用剥离工艺，剥离完毕后留下来的铝作为接下来离子注入制作压敏电阻的掩膜；

8）.使用离子注入工艺在感压薄膜上制作压敏电阻；

9）.使用湿法腐蚀去除铝；

10）.涂光刻胶、掩模、曝光、显影；

11）.湿法腐蚀SiO₂，腐蚀完毕后留下的SiO₂和光刻胶图形作为接下来制作与重掺杂区域形成欧姆接触的铝电极所用的掩模；

12）.溅射铝，剥离铝，在SOI晶圆片键合面形成铝电极；

13）.退火，使浓硼重掺杂的硅与Al电极之间形成有效的欧姆接触；

第二阶段：基底部分的制备

1）.涂光刻胶、掩模、曝光、显影；

2）.湿法腐蚀或干法刻蚀，在基底上腐蚀出压力空腔；

3）.涂光刻胶、掩模、曝光、显影；显影后留下的光刻胶图形作为接下来刻蚀基底所用的掩模；

4）.湿法在基底键合面腐蚀出形成镶嵌电极所用的凹槽；

5）.溅射金属铝来填补电极凹槽，剥离铝，在基底键合面的内表面形成铝电极；

第三阶段：键合及后续工艺

1）.通过键合工艺将SOI晶圆片和基底键合在一起；

2）.以SOI晶圆片的掩埋氧化硅层为腐蚀自停止层，使用湿法腐蚀对SOI晶圆片进行减薄，留下与基底键合在一起的器件层作为感压薄膜；

3）.涂光刻胶、掩模、曝光、显影；

4）.湿法腐蚀SiO₂，腐蚀完毕后留下的SiO₂图形作为接下来刻蚀Si所用的掩模；

5）.在感压薄膜上采用先湿法腐蚀，再干法刻蚀的工艺使镶嵌在基底上的电极暴露出来，以基底上的镶嵌电极为干法刻蚀停止层；

6）.涂光刻胶、掩模、曝光、显影；

7）.用光刻胶做掩膜，使用干法刻蚀，制作出感压薄膜上的岛结构；

8）.裂片、拉引线、测试。

本发明提供了一种基于微电子机械系统（MEMS）技术并利用硅-玻璃结构制备的、具有正面岛膜结构和自封装结构的微压压阻式压力传感器芯片及制造方法。该微压压阻式压力传感器芯片，是一个盒状腔体结构，由一个带空腔的底座、一个感压薄膜和电极结构组成。所述感压薄膜正面为岛膜复合结构以实现微小压力测量的要求。本传感器芯片将四个压敏电阻排布在岛膜复合结构的应力最大的集中区，并通过金属电极构成惠斯登电桥，采用硅-玻璃阳极键合工艺将惠斯登电桥密封于绝压腔内，使惠斯登电桥不受外界酸碱环境、静电颗粒、粉尘等恶劣条件的影响，保证了器件的密封性，提高了器件的寿命。

本发明采用的设计方案制作出具有正面岛膜自封装结构的硅-玻璃基微压力传感器芯片，将岛状结构引进平模结构中形成岛膜复合结构，在感压薄膜应力集中区的下表面设有连接成惠斯登电桥的4个压敏电阻，通过将带有空腔的底座与感压薄膜的键合，将压敏电阻密封于真空压力腔中；所述惠斯登电桥通过键合界面预置电极与外界实现电连接。该器件的设计结构保证了敏感单元与外界恶劣环境的隔离，极大地提高了器件使用的可靠性。

附图说明

图1是本发明所述岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器芯片的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1的A-A剖视图。

图4是图1的B-B剖视图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1～4，本发明所述岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器芯片实施例设有感压薄膜4和带空腔2的底座1；所述感压薄膜4为正面岛膜复合结构，在岛膜复合结构的应力最大的集中区设有4个压敏电阻6，所述4个压敏电阻6通过金属电极构成惠斯登电桥，采用硅-玻璃阳极键合工艺将惠斯登电桥密封于密闭绝压腔内，所述惠斯登电桥通过金属引线将界面预置电极与外部测试设备连接，构成一个完整的压力敏感和测量系统。

所述感压薄膜4设有凸起的岛结构7形成岛膜复合结构；所述岛膜复合结构应力集中区设有连接成惠斯登电桥的若干个压敏电阻6；通过底座1与SOI晶圆片的键合将压敏电阻6密封于真空压力空腔2中；所述惠斯登电桥通过键合界面镶嵌电路10与外界实现电连接。

所述感压薄膜4可由绝缘体上硅晶圆片（简称SOI晶圆片）器件层制备并经减薄工艺制成。所述带空腔的底座1的材料为玻璃等。所述空腔的形状可为矩形、方形或圆形等。

所述SOI晶圆片和带空腔的底座键合在一起，且二者键合表面都有界面预置电极，把界面预置电极对应焊盘位置上方的硅层打开制备出电极引线孔，通过压焊金属引线技术，得到一个完整的压力传感器芯片。

所述岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器可用于测量绝对压力。

本正面岛膜具有自封装结构的硅压阻式微压力传感器芯片通过SOI晶圆片和玻璃晶圆底座1键合而成，实现该芯片的制作工艺主要分为三个部分。它们分别为键合前SOI晶圆片和玻璃晶圆底座上的工艺流程，以及SOI晶圆片和玻璃晶圆底座1键合后的工艺流程。

SOI晶圆片加工主要有以下三步工艺：

第一，对SOI晶圆片的器件层进行P型高掺杂，浓度要求在10¹⁹cm^-3以上，在压敏电阻横向区域高掺杂并制作连接导线8。

第二，对SOI晶圆片的器件层进行离子注入，注射离子注入剂量Φ=（4～8）×10¹⁴/cm²，注射能量为80～200KeV，制作压敏电阻6（a）、6（b）、6（c）和6（d）。为了与外界形成搭接，将压力腔边界的连接导线特意设计了注射区域11。该区域比较宽，因此方块电阻比较小，其作用相当于是导线。

第三，在SOI晶圆片高掺杂区域8上溅射金属，并进行合金化退火，使金属电极9与高掺杂区域8形成欧姆接触。SOI晶圆片上的工艺制作完后的效果如图4所示。

玻璃底座上的主要工艺是：腐蚀压力空腔2。首先在玻璃晶圆底座上光刻，然后溅射或蒸镀一层金属铬，再溅射或蒸镀一层金属金，最后通过剥离lift-off工艺剥离多余的金属。配置腐蚀液，以上述金属为掩膜层腐蚀玻璃晶圆底座1得到5～200μm深的压力空腔2。

在玻璃晶圆底座上镶嵌金属电路10。去除玻璃晶圆表面上的金属掩膜层，然后光刻，在玻璃晶圆底座上腐蚀凹槽，并用溅射或者蒸镀的方法沉积一层金属将凹槽填满。然后用lift-off工艺将多余的金属去除，得到一个相对比较平整的金属、玻璃平面。留在玻璃晶圆底座1表面的金属即为镶嵌电路10，它将与SOI晶圆片上的金属电极9、导线8以及压敏电阻6（a）、6（b）、6（c）和6（d）等构成完整的惠斯登电桥。该镶嵌电路10连接密封腔内外，给惠斯登电桥提供激励电压，同时还将惠斯登电桥在外载荷下的输出信号传送到外部解调电路。

键合及后续工艺：通过键合工艺将SOI晶圆片和玻璃晶圆底座键合在一起。

然后，以SOI晶圆片的掩埋氧化层BOX层为停止层通过湿法或者干法刻蚀工艺刻蚀SOI晶圆片的衬底层，留下SOI晶圆片的器件层作为压力传感器的敏感薄膜4。

在SOI晶圆片的器件层上采用先湿法腐蚀腐蚀掉BOX层，再以基底的镶嵌电路10为干法刻蚀停止层干法刻蚀引线孔并引线3。

在感压薄膜上制作出岛结构。通过光刻工艺并用光刻胶做掩膜，利用干法刻蚀技术在感压平膜上刻蚀出凹槽5，从而可以在感压平膜上形成岛结构7。

刻蚀完成后，将阵列器件放入划片机中进行裂片，得到单个器件。最后通过铝丝压焊机拉出引线3与基底上的镶嵌电路10连接。这样就保证密闭腔内的惠斯登电桥信号能有效传输至外部解调电路，最终，完整的正面岛膜具有自封装结构的硅压阻式微压力传感器芯片制作完成。

Claims (7)

1.岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器芯片，其特征在于设有感压薄膜和带空腔的底座；所述感压薄膜为正面岛膜复合结构，在岛膜复合结构的应力最大的集中区设有4个压敏电阻，所述4个压敏电阻通过金属电极构成惠斯登电桥，采用硅-玻璃阳极键合工艺将惠斯登电桥密封于密闭绝压腔内，所述惠斯登电桥通过金属引线将界面预置电极与外部测试设备连接，构成一个完整的压力敏感和测量系统。

2.如权利要求1所述岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器芯片，其特征在于所述感压薄膜为正面凸起的岛状结构和薄的膜状结构复合而成。

3.如权利要求1所述岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器芯片，其特征在于所述感压薄膜由SOI晶圆片器件层制备并经减薄工艺制成。

4.如权利要求1所述岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器芯片，其特征在于所述带空腔的底座的材料为玻璃。

5.如权利要求1所述岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器芯片，其特征在于所述空腔的形状为矩形、方形或圆形。

6.如权利要求3所述岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器芯片，其特征在于所述SOI晶圆片和带空腔的底座键合在一起，且二者键合表面都有界面预置电极，把界面预置电极对应焊盘位置上方的硅层打开制备出电极引线孔，通过压焊金属引线技术，得到一个完整的压力传感器芯片。

7.如权利要求1所述岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器芯片的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

第一阶段：SOI晶圆片上的工艺制作

1）.清洗；氧化；

2）.涂光刻胶、掩模、曝光、显影；

3）.湿法腐蚀SiO₂，腐蚀完毕后留下的SiO₂图形作为接下来重掺杂所用的掩模；

4）.浓硼扩散，形成连接导线；

5）.使用湿法腐蚀去除SiO₂，重新氧化；

6）.涂光刻胶、掩模、曝光、显影；溅射金属铝；

7）.使用剥离工艺，剥离完毕后留下来的铝作为接下来离子注入制作压敏电阻的掩膜；

8）.使用离子注入工艺在感压薄膜上制作压敏电阻；

9）.使用湿法腐蚀去除铝；

10）.涂光刻胶、掩模、曝光、显影；

11）.湿法腐蚀SiO₂，腐蚀完毕后留下的SiO₂和光刻胶图形作为接下来制作与重掺杂区域形成欧姆接触的铝电极所用的掩模；

12）.溅射铝，剥离铝，在SOI晶圆片键合面形成铝电极；

13）.退火，使浓硼重掺杂的硅与Al电极之间形成有效的欧姆接触；

第二阶段：基底部分的制备

1）.涂光刻胶、掩模、曝光、显影；

2）.湿法腐蚀或干法刻蚀，在基底上腐蚀出压力空腔；

3）.涂光刻胶、掩模、曝光、显影；显影后留下的光刻胶图形作为接下来刻蚀基底所用的掩模；

4）.湿法在基底键合面腐蚀出形成镶嵌电极所用的凹槽；

5）.溅射金属铝来填补电极凹槽，剥离铝，在基底键合面的内表面形成铝电极；

第三阶段：键合及后续工艺

1）.通过键合工艺将SOI晶圆片和基底键合在一起；

2）.以SOI晶圆片的掩埋氧化硅层为腐蚀自停止层，使用湿法腐蚀对SOI晶圆片进行减薄，留下与基底键合在一起的器件层作为感压薄膜；

3）.涂光刻胶、掩模、曝光、显影；

4）.湿法腐蚀SiO₂，腐蚀完毕后留下的SiO₂图形作为接下来刻蚀Si所用的掩模；

5）.在感压薄膜上采用先湿法腐蚀，再干法刻蚀的工艺使镶嵌在基底上的电极暴露出来，以基底上的镶嵌电极为干法刻蚀停止层；

6）.涂光刻胶、掩模、曝光、显影；

7）.用光刻胶做掩膜，使用干法刻蚀，制作出感压薄膜上的岛结构；

8）.裂片、拉引线、测试。

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