CN103364120A - 银锡共晶真空键合金属应变式mems压力传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器技术领域，具体公开了一种银锡共晶真空键合金属应变式MEMS压力传感器及其制造方法，所述传感器包括压力检测片(1)、焊片(2)和封接片(3)，所述压力检测片(1)、焊片(2)和封接片(3)由上至下依次叠置，并在真空环境中进行共晶键合。本发明具有制造工艺简单、成本低、压力器件性能好的优点，具有良好的重复性，可批量生产。

Description

银锡共晶真空键合金属应变式MEMS压力传感器及其制造方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种MEMS(微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems)压力传感器及其制造方法，特别是基于银锡共晶真空键合技术的镍铬合金应变式MEMS压力传感器及其制造方法。

背景技术

现有的压阻式压力传感器主要采用单晶硅材料并通过离子注入的工艺制造而成，该制造工艺需要进行两次离子注入以形成低掺杂的应变检测电阻和高掺杂的引线，因此需要多次退火，增加了传感器的制作成本且工艺复杂。这种工艺制造的压力传感器中的压阻电阻同衬底之间采用PN结进行隔离，由于PN结存在一定的漏电流，因此这将使压力传感器的稳定性变差。并且，由于PN结漏电流受温度影响较大，因此无法在较宽的温度范围内使用。

现有压阻式压力传感器真空封装主要采用硅玻璃阳极键合技术，硅玻璃阳极键合温度为450℃，需要无污染接触面，湿法刻蚀留下的K、Na等金属离子会严重影响键合效果，因此这种技术存在对键合面要求苛刻的缺点，且成品率低下。并且，键合后应力大影响压力传感器的性能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是现有压阻式压力传感器应变检测成本高以及降低压阻式压力传感器真空键合工艺难度大的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种应变式MEMS压力传感器，包括压力检测片、焊片和封接片，所述压力检测片、焊片和封接片由上至下依次叠置，其中所述焊片将所述压力检测片和所述封接片进行共晶键合。

根据本发明的一个优选实施例，所述的压力检测片的下方包括一个第一键合种子层，所述封接片的上方包括一个第二键合种子层，所述第一键合种子层和第二键合种子层均与焊片在真空环境中进行共晶键合。

根据本发明的一个优选实施例，所述焊片由合金焊料构成，所述第一键合种子层和第二键合种子层由金属构成。

根据本发明的一个优选实施例，所述焊片由银锡、金锡、铜锡中的一种合金焊料构成，所述第一键合种子层和第二键合种子层由金铬叠加层构成。

根据本发明的一个优选实施例，所述压力检测片包括一个硅层，在该硅层的上表面以该硅层为中心由内向外叠置有一个上二氧化硅层和一个上氮化硅层，在该硅层的下表面以该硅层为中心由内向外叠置有一个下二氧化硅层和一个下氮化硅层。

根据本发明的一个优选实施例，在所述的压力检测片的上氮化硅层的上方，由下至上还设置有电阻层、外二氧化硅层和电极，所述电阻层包括应变电阻和温变电阻。

根据本发明的一个优选实施例，所述应变电阻由镍铬合金构成。

根据本发明的一个优选实施例，在所述的压力检测片的下部，开有一个向下开口的空腔，该空腔的深度穿透过所述下氮化硅层、下二氧化硅层，以及部分的硅层。

本发明还提供一种制造应变式MEMS压力传感器的方法，包括如下步骤：在一个由硅片构成的硅层的上表面以该硅层为中心由内向外叠置一个上二氧化硅层和一个上氮化硅层，在该硅层的下表面以该硅层为中心由内向外叠置有一个下二氧化硅层和一个下氮化硅层，得到应变式MEMS压力传感器的的压力检测层，对上述步骤形成的压片检测片的下二氧化硅层、下氧化硅层和硅层的下部进行开口，形成一个向下开口的空腔；还包括如下步骤：在所述压力检测片的下部，以及在一个封接片的上部，分别制作一个第一键合种子层和一个第二键合种子层；将所述压力检测片、焊片、封接片按照由上到下的顺序层叠在真空环境中进行共晶键合。

根据本发明的一个优选实施例，在形成第一键合种子层和一个第二键合种子层的步骤之前，还包括如下步骤：在所述压力检测片的上氮化硅层上形成应变电阻和温变电阻；接着，对所述压力检测片进行退火；在所述压力检测片的上表面形成外二氧化硅层，使得所述外二氧化硅层覆盖应变电阻和温变电阻；在压力检测片的上表面形成贯穿所述外二氧化硅层的，并且与所述应变电阻、温变电阻相连接的电极。

根据本发明的一个优选实施例，所述应变电阻由镍铬合金构成。

根据本发明的一个优选实施例，所述焊片由合金焊料构成，所述第一键合种子层和第二键合种子层由金属构成。

根据本发明的一个优选实施例，所述焊片由银锡、金锡、铜锡中的一种合金焊料构成，所述第一键合种子层和第二键合种子层由金铬叠加层构成。

(三)有益效果

本发明的应变式MEMS压力传感器采用普通硅片为压力敏感膜，利用镍铬合金检测应变，基于银锡共晶真空键合技术形成压力检测元件，因此具有制造工艺简单、成本低、压力器件性能好的优点，具有良好的重复性和可批量生产；

并且，本发明采用镍铬合金为应变电阻，降低了应变电阻制作成本，提高了压力检测稳定性，提高了不同温度下重复性，拓宽了压力检测温度范围；

此外，本发明采用银锡共晶真空键合技术，降低了压力传感器真空键合工艺难度，减小了压力传感器真空键合成本。

附图说明

图1是本发明的应变式MEMS压力传感器的实施例的立体示意图；

图2是本发明的应变式MEMS压力传感器的实施例的沿图1中的A-A’线的剖面示意图；

图3是本发明的制造应变式MEMS压力传感器的步骤一所到得的结构示意图；

图4是本发明的制造应变式MEMS压力传感器的步骤二所到得的结构示意图；

图5是本发明的制造应变式MEMS压力传感器的步骤三所到得的结构示意图；

图6是本发明的制造应变式MEMS压力传感器的步骤五所到得的结构示意图；

图7、图8是本发明的制造应变式MEMS压力传感器的步骤七所到得的结构示意图；

图9是本发明的制造应变式MEMS压力传感器的步骤八所到得的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

<压力传感器的结构>

图1和图2是本发明的应变式MEMS压力传感器的一个实施例的示意图。其中图1是立体示意图，图2是沿图1中的A-A’线的剖面图。如图1和图2所示，本发明的应变式MEMS压力传感器包括压力检测片1、焊片2和封接片3，所述压力检测片1、焊片2和封接片3由上至下依次叠置。

所述压力检测片1用于检测压力，其具有一个空腔111，所述封接片3用于真空封接所述压力检测片1的空腔111，所述焊片2位于所述压力检测片1和所述封接片3之间，用于将所述压力检测片1和所述封接片3进行共晶键合。

所述的压力检测片1由多个层组成。具体来说，其包括一个硅层101，在该硅层101的上表面和下表面，均以该硅层101为中心由内向外叠置一个二氧化硅层和一个氮化硅层。在此，将硅层101的上表面的氧化硅层和氮化硅层称为上二氧化硅层和上氮化硅层，在图中以标号102、103表示；将硅层101下表面的氧化硅层和氮化硅层称为下二氧化硅层和下氮化硅层，在图中以标号104、105表示。所述硅层可以为P型硅或N型硅，在本实施例中，其厚度为400微米，所述二氧化硅层和氮化硅层的厚度在本实施例中分别为500纳米和200纳米。需要说明的是，所述硅层、二氧化硅层和氮化硅层的厚度并不局限于上述数值，而是可以根据需要作适当的变化。

在所述的压力检测片1的上氮化硅层103的上方，由下至上还设置有电阻层、外二氧化硅层108和电极109，所述电阻层包括有应变电阻106和温变电阻107，应变电阻106位于空腔111顶部薄膜边缘中间400微米×400微米区域，温变电阻107位于非空腔区域，可以设置在任一侧边，所述电极109穿过外二氧化硅层108与所述应变电阻106、温变电阻107连接。

所述应变电阻106用于应变检测，数量4个，其位于压力检测片1的上氮化硅层103之上，与电极109相接触，其可以由镍铬合金材料构成，例如镍铬6J22，4个应变检测电阻组成一个全桥惠斯通电桥。

所述温变电阻107用于温度检测，其位于压力检测片1的上氮化硅层103之上，与电极109相接触，其可以由高纯镍材料构成。

所述外二氧化硅层108覆盖在应变电阻106和温变电阻107之上，并且开设有供电极109穿过的窗口。

所述电极109穿过二氧化硅层108，与应变电阻106、温变电阻107连接，其可由金或铂构成。

所述的压力检测片1的下氮化硅层105的下方还包括一个第一键合种子层110，其可以由金、铬等金属组成，在本实施例中为金铬叠加层构成。但是，在其实施例中，其也可以是金钛叠加层。该第一键合种子层110用于通过焊料与封接片3进行共晶键合。

在所述的压力检测片1的下部，开有一个向下开口的空腔111，该空腔111的深度穿透过所述下氮化硅层105、下二氧化硅层104，以及部分的硅层101。该空腔111用于形成真空空腔，与外界大气压力形成差压使空腔111顶部薄膜产生形变，所述空腔111位于所述压力检测片1的下部的中央位置，呈正方形或圆形状。在本发明的该实施例中，其为正方形，且长和宽分别约为2mm、2mm，深度350微米。

所述的封接片3包括一个封接片本体层302和一个第二键合种子层301，该封接片本体层302，由prex7740或硅材料构成；该第二键合种子层302与第一键合种子层110一样，可以由金、铬等金属组成，用于通过焊片2与压力检测片1进行共晶键合。

所述焊片2用于将所述压力检测片1和封接片3进行共晶键合，其可以由各种合金焊料构成，例如银锡、金锡、铜锡等合金焊料。

<压力传感器的制造方法>

以上描述了本发明的应变式MEMS压力传感器的一个具体实施例的结构，下而参照图3-9介绍该应变式MEMS压力传感器的制造步骤。

步骤一：在硅片的上表面和下表面，以硅片为中心由内而外依次形成二氧化硅层和氮化硅层，得到应变式MEMS压力传感器的的压力检测层1。

在形成所述二氧化硅层和氮化硅层之前，首先对所述硅片进行预处理以去除表面杂质，例如进行标准清洗。接着，在硅片的上下表面通过热氧化技术，在1050℃高温下制作二氧化硅层，然后，通过离子增强化学沉积技术在所得的二氧化硅层的表面制作氮化硅层。通过上述步骤，所得到的压力检测片1如图3所示，以硅层101为中心由内向外分别是一个二氧化硅层和一个氮化硅层。如前所述，硅层101的上表面的氧化硅层和氮化硅层为上二氧化硅层102和上氮化硅层103，硅层101下表面的氧化硅层和氮化硅层为下二氧化硅层104和下氮化硅层105。

步骤二：对上述步骤形成的压片检测片1的下二氧化硅层104、下氧化硅层105、硅层101的下部进行开口，形成一个向下开口的空腔111，如图4所示。

具体来说，可以通过刻蚀等工艺进行开口，本实施例中，首先对压力检测片1的下二氧化硅层4和氮化硅层5进行刻蚀开口，接着，对硅层101的下部进行深刻蚀开口，以最终形成空腔111。

所形成的空腔111…位于压力检测片1的下部的中央，呈正方型或圆形状，在本实施例中，其长和宽分别约为2mm、2mm，深度350微米。

步骤三：在所述压力检测片1的上氮化硅层105上形成应变电阻106和温变电阻107。

如图5所示，在本实施例中，在所述压力检测片1的上氮化硅层105上，通过溅射工艺将镍铬合金材料沉积在空腔111顶部薄膜边缘中间400微米×400微米区域，从而形成应变电阻106，其厚度为70nm。根据本发明，所述应变电阻106的材料其厚度也可以为在50-100nm范围内的任意值。

接着，在压力检测片1的上氮化硅层105上，通过溅射工艺将镍材料沉积在非空腔区域，可以在任一侧边，从而形成温变电阻107(图5中未示出)，其厚度为100nm。根据本发明，所述温变电阻的材料厚度也可以为在80-120nm范围内的任意值。

步骤四：对所述压力检测片1进行退火。

对所述压力检测片1进行退火的目的是消除应变电阻应力，提高应变电阻稳定性。在本实施例中，对压力检测片1进行复合退火，例如在氮气环境中进行300℃、10分钟的退火，然后进行150℃、24小时的退火。

步骤五：在所述压力检测片1的上表面形成外二氧化硅层108，使得所述外二氧化硅层108覆盖应变电阻106和温变电阻107。

如图6所示，在本实施例中，在压力检测片1的上表面通过PECVD工艺制作外二氧化硅层108，工艺温度控制在300℃，形成的外二氧化硅的厚度为100nm。但是根据本发明，外二氧化硅层108厚度也可以为在80-120nm范围内的任意值。

步骤六：在压力检测片1的上表面形成贯穿所述外二氧化硅层108的，并且与所述应变电阻106、温变电阻107相连接的电极109。

根据本发明的该实施例，首先在所述外二氧化硅层108中的应变电阻106和温变电阻107焊盘位置形成一个连接窗口，该连接窗口贯穿所述二氧化硅层108并到达所述应变电阻106和温变电阻107。该连接窗口可通过刻蚀等工艺形成。然后，通过射频溅射工艺在所述连接窗口中溅射金属材料以形成电极109。所述金属材料例如是金、铂等，优选为金，其厚度在150-200nm之间，在本实施例中为200nm。

步骤七：在所述压力检测片1的下氮化硅层5上，以及在一个封接片3的封接片本体层302上均制作一个键合种子层，分别为前述的第一键合种子层110和第二键合种子层301。

如图7所示，首先，在前面步骤制得的压力检测片1的下氮化硅层5上制作第一键合种子层110。

接着，如图8所示，在封接片3的封接片本体层302上制作第二键合种子层301。在本实施例中所述第二键合种子层301的材料为金铬叠加层，但是，该材料也可以是金钛叠加层。

步骤八：通过一个焊片2将所述压力检测片1和封接片3在真空环境下进行共晶键合，完成所述传感器的制作。

在该步骤进行之前，首先需对所述焊片2进行清洗，以清除表面有机和无机杂质。接着，如图9所示，将压力检测片1、焊片2、封接片3按照由上到下的顺序层叠在真空环境中进行共晶键合。在本实施例中，在一个共晶键合设备中进行共晶键合，先使该设备升温至230±10℃，保持该温度10分钟，然后自然冷却到室温，得到如图1、图2所示的结构。在所述共晶键合过程中，作为示例，银锡焊料构成的焊片2形成锡化银化合物达到共晶状态。

最后，对键合好的所述层叠结构进行划片、封装、电路调试和性能测试等，完成本发明的压力传感器的制作。

<压力传感器的工作原理>

以上描述了根据本发明的应变式MEMS压力传感器及其制造方法，下面对该传感器的工作原理进行说明。

本发明的应变式MEMS压力传感器的腔体111顶部的硅层101、上二氧化硅层102、上氮化硅层103和外二氧化硅层108构成的薄膜在受到压力的情况下产生形变，通过检测薄膜的弯曲量可以获得压力值；

本发明中采用镍铬合金作为应变电阻的材料，镍铬合金是一种良好的应变检测材料，受到形变作用后其电阻率发生变化，进而导致电阻发生变化。

本发明的传感器在工作时，腔体111顶部的薄膜上的应变电阻将受到正负两种应力的作用，四个应变电阻106组成惠斯通电桥后，在其中一对位于对角上的应变电阻106上施加电压V_i，位于另一对角上的一对应变电阻106产生输出电压V_o，该输出电压V_o可由下式计算：

$V_o=\frac{(R_1\&times;R_3-R_2\&times;R_4)}{(R_1+R_2)(R_3+R_4)}{V}_i$

输出电压V_o与压力成正比关系，根据该输出电压值，通过标定得到实测压力值。

压力传感器的输出容易受到温度的影响，通过温度电阻测量压力传感器片内温度，利用校准曲线对压力传感器输出进行校正，提高压力传感器的测量精度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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。

Claims (13)

1.一种应变式MEMS压力传感器，包括压力检测片(1)、焊片(2)和封接片(3)，所述压力检测片(1)、焊片(2)和封接片(3)由上至下依次叠置，其特征在于，所述焊片(2)将所述压力检测片(1)和所述封接片(3)在真空环境中进行共晶键合。

2.如权利要求1所述的应变式MEMS压力传感器，其特征在于，所述的压力检测片(1)的下方包括一个第一键合种子层(110)，所述封接片(3)的上方包括一个第二键合种子层(301)，所述第一键合种子层(110)和第二键合种子层(301)均与焊片(2)进行共晶键合。

3.如权利要求2所述的应变式MEMS压力传感器，其特征在于，所述焊片(2)由合金焊料构成，所述第一键合种子层(110)和第二键合种子层(301)由金属构成。

4.如权利要求3所述的应变式MEMS压力传感器，其特征在于，所述焊片(2)由银锡、金锡、铜锡中的一种合金焊料构成，所述第一键合种子层(110)和第二键合种子层(301)由金/铬叠加层构成。

5.如权利要求1-4中任一项所述的应变式MEMS压力传感器，其特征在于，所述压力检测片包括一个硅层(101)，在该硅层(101)的上表面以该硅层(101)为中心由内向外叠置有一个上二氧化硅层(102)和一个上氮化硅层(103)，在该硅层(101)的下表面以该硅层(101)为中心由内向外叠置有一个下二氧化硅层(104)和一个下氮化硅层(105)。

6.如权利要求5所述的应变式MEMS压力传感器，其特征在于，在所述的压力检测片(1)的上氮化硅层(103)的上方，由下至上还设置有电阻层、外二氧化硅层(108)和电极(109)，所述电阻层包括应变电阻(106)和温变电阻(107)。

7.如权利要求6所述的应变式MEMS压力传感器，其特征在于，所述应变电阻(106)由镍铬合金构成。

8.如权利要求5所述的应变式MEMS压力传感器，其特征在于，在所述的压力检测片(1)的下部，开有一个向下开口的空腔(111)，该空腔(111)的深度穿透过所述下氮化硅层(105)、下二氧化硅层(104)，以及部分的硅层(101)。

9.一种制造应变式MEMS压力传感器的方法，包括如下步骤：

在一个由硅片构成的硅层(101)的上表面以该硅层(101)为中心由内向外叠置一个上二氧化硅层(102)和一个上氮化硅层(103)，在该硅层(101)的下表面以该硅层(101)为中心由内向外叠置有一个下二氧化硅层(104)和一个下氮化硅层(105)，得到应变式MEMS压力传感器的的压力检测层(1)，

对上述步骤形成的压片检测片(1)的下二氧化硅层(104)、下氧化硅层(105)和硅层(101)的下部进行开口，形成一个向下开口的空腔(111)，其特征在于，还包括如下步骤：

在所述压力检测片(1)的下部，以及在一个封接片(3)的上部，分别制作一个第一键合种子层(110)和一个第二键合种子层(301)；

将所述压力检测片(1)、焊片(2)、封接片(3)按照由上到下的顺序层叠在真空环境中进行共晶键合。

10.如权利要求9所述的制造应变式MEMS压力传感器的方法，其特征在于，在形成第一键合种子层(110)和一个第二键合种子层(301)的步骤之前，还包括如下步骤：

在所述压力检测片(1)的上氮化硅层(105)上形成应变电阻(106)和温变电阻(107)；

接着，对所述压力检测片(1)进行退火；

在所述压力检测片(1)的上表面形成外二氧化硅层(108)，使得所述外二氧化硅层(108)覆盖应变电阻(106)和温变电阻(107)；

在压力检测片(1)的上表面形成贯穿所述外二氧化硅层(108)的，并且与所述应变电阻(106)、温变电阻(107)相连接的电极(109)。

11.如权利要求10所述的制造应变式MEMS压力传感器的方法，其特征在于，所述应变电阻(106)由镍铬合金构成。

12.如权利要求9至11的任一项所述的制造应变式MEMS压力传感器的方法，其特征在于，所述焊片(2)由合金焊料构成，所述第一键合种子层(110)和第二键合种子层(301)由金属构成。

13.如权利要求12所述的制造应变式MEMS压力传感器的方法，其特征在于，所述焊片(2)由银锡、金锡、铜锡中的一种合金焊料构成，所述第一键合种子层(110)和第二键合种子层(301)由金铬叠加层构成。

Images