CN103335753A - 硅-玻璃基梁膜结构的超微压力传感器芯片及制造方法 - Google Patents

Abstract

硅-玻璃基梁膜结构的超微压力传感器芯片及制造方法，涉及一种超微压力传感器。提供一种高可靠性且适用于潮湿、酸碱、静电等恶劣环境下的具有自封装结构的硅-玻璃基梁膜结构的超微压力传感器芯片及制造方法。所述硅-玻璃基梁膜结构的超微压力传感器芯片为盒状结构，设有带空腔的基底和感压薄膜；所述感压薄膜设有凸起的梁结构，形成梁膜复合结构；所述感压薄膜的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，通过基底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。第一阶段：SOI晶圆片上的工艺制作；第二阶段：基底部分的制备；第三阶段：键合及后续工艺。

Description

硅-玻璃基梁膜结构的超微压力传感器芯片及制造方法

技术领域

本发明涉及一种超微压力传感器，尤其是涉及一种具有自封装结构的硅-玻璃基梁膜结构的超微压力传感器芯片及制造方法。

背景技术

微机电系统(MEMS)技术起源于硅传感器的发展，最初用于生产硅压阻式压力传器。当MEMS技术迅速崛起之后，大大促进了硅传感器技术进步，各类硅传感器获得了商业化的广泛应用。硅压力传感器是商业化的硅传感器的重要组成部分，在汽车工业、航天工业和医疗卫生、军事等各方面有着广泛应用。硅超微压压力传感器是硅压力传感器发展的一个重要分支，在空间探索、真空度测量等许多领域有着广泛的应用，譬如：火星气压的测量、半导体加工中的许多工艺步骤真空度的测量与控制等。然而，尽管压阻式压力传感器已经是一种很成熟的商业化产品，但传统的硅超微压压阻式压力传感器芯片中的压敏电阻易受到外界环境的污染和腐蚀，影响了硅超微压压阻式压力传感器的可靠性应用。

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,“Micromachinedpressure 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高可靠性且适用于潮湿、酸碱、静电等恶劣环境下的具有自封装结构的硅-玻璃基梁膜结构的超微压力传感器芯片及制造方法。

所述硅-玻璃基梁膜结构的超微压力传感器芯片为盒状结构，设有带空腔的基底和感压薄膜；所述感压薄膜设有凸起的梁结构，形成梁膜复合结构；所述感压薄膜的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，通过基底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。

所述基底的材料可为玻璃等。

所述空腔的形状可为矩形或圆形等。

所述凸起的梁结构的剖面可为哑铃状等。

所述感压薄膜可由绝缘体上硅晶圆片（简称SOI晶圆片）减薄而成，所述基底和SOI晶圆片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。

所述硅-玻璃基梁膜结构的超微压力传感器用于测量绝对压力。

所述硅-玻璃基梁膜结构的超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

a．清洗；氧化；

b．涂光刻胶、掩模、曝光、显影；

c．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；

d．浓硼扩散，形成连接导线；

e．使用湿法腐蚀去除SiO₂，重新氧化；

f．涂光刻胶、掩模、曝光、显影；溅射金属铝；

g．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；

h．使用离子注入工艺在感压薄膜上制作压敏电阻；

i．使用湿法腐蚀去除铝；

j．涂光刻胶、掩模、曝光、显影；

k．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；

l．溅射铝，剥离铝，在SOI晶圆片键合面形成铝电极；

m．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

a．涂光刻胶、掩模、曝光、显影；

b．湿法腐蚀或干法刻蚀，在基底上腐蚀出压力空腔；

c．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；

d．湿法在基底键合面腐蚀出形成镶嵌电极所用的凹槽；

e．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

a．通过键合工艺将SOI晶圆片和基底键合在一起；

b．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；

c．涂光刻胶、掩模、曝光、显影；

d．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；

e．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；

f．涂光刻胶、掩模、曝光、显影；

g．用光刻胶做掩膜，使用干法刻蚀，制作出感压薄膜上的梁结构；

h．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、具有自封装结构的超微压压阻式压力传感器芯片及制造方法。该超微压压阻式压力传感器芯片，是一个盒状结构，包括一个带空腔的基底和一个感压薄膜。所述感压薄膜为梁膜复合结构以实现微小压力测量的要求。所述梁膜复合结构感压薄膜的应力集中区设有组成惠斯登电桥的若干个压敏电阻。所述压敏电阻制作在梁膜复合结构的感压薄膜的下表面，通过键合密封于绝压腔内，将压敏电阻与外界环境隔绝，使压敏电阻不被外界酸碱环境、静电颗粒、粉尘等恶劣条件的影响，大大提高了芯片的可靠性。

附图说明

图1是具有自封装结构的超超微压压阻式压力传感器芯片的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3为图1的A-A剖视图。

图4为图1的B-B剖视图。

具体实施方式

如图1～4所示，本发明所述硅-玻璃基梁膜结构的超微压力传感器芯片实施例为盒状结构，所述芯片主体设有带空腔2的基底1和感压薄膜4；所述感压薄膜4设有突出的梁结构6，形成梁膜复合结构；所述梁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7；所述压敏电阻设置在感压薄膜的下表面，通过基底1与SOI晶圆片的键合将压敏电阻7密封于真空压力腔2中；所述惠斯登电桥通过键合界面预置电极10与外界实现电连接。

本发明所述硅-玻璃基梁膜结构的超微压力传感器芯片的制造方法主要包括三个部分，分别为键合前SOI晶圆片上的制造流程、基底上的制造流程，以及SOI晶圆片和基底键合后的制造流程。

SOI晶圆片主要有以下几步工艺：

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，制作连接导线8及在压敏电阻横向区域进行高掺杂。

第二，对SOI晶圆片片的器件层进行离子注入或者扩散，制作压敏电阻7(a)、7(b)、7(c)和7(d)。由于扩散后硅片表面会形成硼硅玻璃，如果去除硼硅玻璃，则会使扩散区域相对硅表面凹下；若不去除硼硅玻璃，则会使扩散区域相对周围硅平面凸起。为了保证键合后压力腔的密封性，将压力腔边界的连接导线设计成离子注射区域11。该区域比较宽，因此电阻比较小，其作用相当于是导线。

第三，在SOI晶圆片上高掺杂区域8溅射金属，并进行合金化退火，使SOI晶圆片上金属电极9与高掺杂区域8形成欧姆接触。

基底上的主要工艺是：

第一，腐蚀压力空腔。涂胶、曝光、显影，腐蚀出深度为5～200μm的压力腔。

第二，在基底上镶嵌金属电极10。在基底上腐蚀出镶嵌电极所需的凹槽，并用溅射或者蒸镀的方法沉积一层金属将凹槽填满。然后用腐蚀或者剥离工艺将多余的金属去除，得到一个相对比较平整的金属、基底平面。留在基底表面的金属即为镶嵌电路，它将与SOI晶圆片上金属电极9相连接。该镶嵌电极10将密封腔内的信号输出到外部电路。

键合及后续工艺：

第一，通过键合工艺将SOI晶圆片片和基底键合在一起。

第二，以SOI晶圆片中的掩埋氧化硅层为腐蚀自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感压薄膜4。

第三，开电极引线孔。在感压薄膜上采用先湿法腐蚀，再干法刻蚀的工艺刻蚀电极引线孔，以基底上的镶嵌电路为干法刻蚀停止层。

第四，在感压薄膜上制作出梁结构。涂胶、光刻、显影，用光刻胶做掩膜，使用干法刻蚀技术在感压薄膜上刻出凹槽5，从而可以在感压薄膜上形成梁结构6。

第五，使用划片机将阵列器件进行裂片，得到单个器件。

第六，使用铝丝压焊机拉出引线3，最后进行测试。

Claims (5)

1.硅-玻璃基梁膜结构的超微压力传感器芯片，其特征在于为盒状结构，设有带空腔的基底和感压薄膜；所述感压薄膜设有凸起的梁结构，形成梁膜复合结构；所述感压薄膜的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，通过基底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。

2.如权利要求1所述硅-玻璃基梁膜结构的超微压力传感器芯片，其特征在于所述基底的材料为玻璃。

3.如权利要求1所述硅-玻璃基梁膜结构的超微压力传感器芯片，其特征在于所述空腔的形状为矩形或圆形。

4.如权利要求1所述硅-玻璃基梁膜结构的超微压力传感器芯片，其特征在于所述凸起的梁结构的剖面为哑铃状。

5.如权利要求1所述硅-玻璃基梁膜结构的超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

a．清洗；氧化；

b．涂光刻胶、掩模、曝光、显影；

c．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；

d．浓硼扩散，形成连接导线；

e．使用湿法腐蚀去除SiO₂，重新氧化；

f．涂光刻胶、掩模、曝光、显影；溅射金属铝；

g．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；

h．使用离子注入工艺在感压薄膜上制作压敏电阻；

i．使用湿法腐蚀去除铝；

j．涂光刻胶、掩模、曝光、显影；

k．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；

l．溅射铝，剥离铝，在SOI晶圆片键合面形成铝电极；

m．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

a．涂光刻胶、掩模、曝光、显影；

b．湿法腐蚀或干法刻蚀，在基底上腐蚀出压力空腔；

c．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；

d．湿法在基底键合面腐蚀出形成镶嵌电极所用的凹槽；

e．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

a．通过键合工艺将SOI晶圆片和基底键合在一起；

b．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；

c．涂光刻胶、掩模、曝光、显影；

d．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；

e．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；

f．涂光刻胶、掩模、曝光、显影；

g．用光刻胶做掩膜，使用干法刻蚀，制作出感压薄膜上的梁结构；

h．裂片、拉引线、测试。

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