CN103364584A - 一种含有硅通孔压阻式加速度传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含有硅通孔压阻式加速度传感器及其制造方法，属于微机械电子技术领域。本发明的压阻式加速度传感器包括含有硅通孔阵列的质量块，含硅通孔的硅基边框，多个弹性梁，压敏电阻及半导体底板；所述质量块位于加速度传感器中央并具有平整规则的顶面与底面；所述质量块中硅通孔分为填充通孔和非填充通孔；所述硅集边框上的硅通孔位于边框对角处，经由金属导线与压敏电阻相连；所述弹性梁一端与质量块顶部边缘连接，另一端与硅基边框内缘连接；所述压敏电阻位于弹性梁端部；所述质量块，硅基边框，弹性梁均固定在半导体底板上。本发明还公开了含有硅通孔压阻式加速度传感器的制造方法。本发明可用于现代工业生产、科学研究及日常生活中的多个应用领域。

Description

一种含有硅通孔压阻式加速度传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及压阻式加速度传感器，具体涉及一种含有硅通孔压阻式加速度传感器及其制造方法，属于微机械电子技术领域。

背景技术

加速度传感器作为测量物体运动状态的一种重要的传感器，被广泛应用于医疗、体育、制造业、军事、航空航天等领域。硅微型加速度传感器的种类日益繁多，各种应用于不同场合下的硅微型加速度计层出不穷，对硅微型加速度计的研究也越来越受到人们的重视。加速度传感器主要分为压阻式、电容式、应变式、液浮摆式、挠性摆式、振弦式、压电式等类型。其中压阻式加速度传感器是最早开发的硅微型加速度传感器，也是当前使用较多的一种产品，压阻式加速度传感器具有体积小，频率范围宽，测量加速度的范围也宽，直接输出电压信号，不需要复杂的电路接口，大批量生产时价格低廉，可重复生产性好，可直接测量连续的加速度和稳态加速度的优点。

典型的压阻式加速度传感器，如国家知识产权局2008年2月6日公开的名称为压阻式高g值加速度计，专利申请号为200710139293.1的发明专利所示，其弹性元件一般采用硅梁外加质量块，质量块由悬臂梁支撑，并在悬臂梁上制作电阻，连接成测量电桥，在惯性力作用下质量块上下运动，悬臂梁上电阻的阻值随应力的作用发生变化，引起测量电桥输出电压变化，以此实现对加速度的测量。弹性元件的结构形式及尺寸决定传感器的灵敏度、频响、量程等。当质量块较大时，能够在较小的加速度作用下，使得悬臂梁上的应力较大，提高传感器的输出灵敏度。在大加速度下，较大的质量块可能会使悬臂梁上的应力超过屈服应力，变形过大，致使悬臂梁断裂，由此，在传感器几何尺寸一定的情况下，需要通过对传感器的静态特性、动态特性以及测量范围的分析，来实现传感器结构的优化设计。

当压阻式加速度传感器采用硅梁外加质量块工作方式时，由于质量块质心与梁的中性面位于不同平面，抗冲击能力较差，尤其当结构承受横向加速度时，结构会因受到较大的扭矩发生扭转，造成结构损坏；与此同时，敏感元件工作时，敏感质量块相对衬底作纵向往复运动，由于距离改变引起挤压作用，造成气体的横向流动，因而产生的气体阻尼会显著影响着振动系统的动态性能，使加速度计处于阻尼振荡、自由振荡等状态，当阻尼较大时还会产生较大的噪声，降低传感器的品质因数。尤其对于微机械结构，由于空气阻尼存在比率减缩效应，即随着机械尺寸的减小，结构谐振频率和阻尼比等将按比率增大，因此空气阻尼对微机械结构的运动具有重要的影响。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，在加速度传感器中设计硅通孔，提供了一种改进的压阻式加速度传感器。

和现有技术相同，本发明公开的电容式压力传感器也包括：

质量块，

硅基边框，

多个弹性梁，

压敏电阻，和

半导体底板；

所述质量块由弹性梁支撑，并在悬臂梁上制作电阻，连接成测量电桥；

所述硅集边框与半导体底板通过键合等方式形成机械连接，

和现有技术不同之处在于，所述质量块含有多个不与质量块梯形斜面部分相接且对称分布的填充通孔与非填充通孔，所述填充通孔排列成环形且由金属与高分子聚合物分别填充，所述非填充通孔位于填充通孔环形内并与填充通孔下部分水平相接，所述填充与非填充通孔上部分均与质量块靠近半导体基板的底面垂直相接，下部分均与质量块远离半导体基板的顶面垂直相接。

优选的，所述硅基边框含有位于边框对角处的硅通孔，且该通孔经由金属导线与压敏电阻相连。

优选的，所述弹性梁一端与质量块顶部边缘连接，另一端与硅基边框内缘连接，且弹性梁的厚度小于质量块的厚度。

优选的，所述压敏电阻位于弹性梁端部。

优选的，所述硅基边框固定在半导体底板上。

本发明还公开了一种一种含有硅通孔压阻式加速度传感器的制造方法，其包括下列步骤：

a)通过下列步骤制造膜片：

1)硅片双面氧化；

2)光刻，压敏电阻制作；

3)去除氧化层；

4)双面LPCVD氧化层、钝化层；

5)光刻，去除质量块底部周围的氧化层与钝化层，用腐蚀液腐蚀出质量块；

6)去除硅基边框与质量块底部的氧化层和钝化层，用腐蚀液减薄质量块；

7)采用DRIE工艺从减薄的质量块底部刻蚀须要填充的硅通孔，首先刻蚀出垂直侧壁，形成通孔的上部分，继续刻蚀，当刻蚀穿通硅层接触到氧化层时，刻蚀离子由于氧化层的反射而产生footing效应，形成带斜率的侧壁，从而制作出通孔的下部分；

8)电镀填充上一步得到的硅通孔，对硅通孔进行第一次填充，第一次填充高度应根据所设计传感器灵敏度与高过载能力综合决定，然后使用高分子聚合物将硅通孔填满，该高分子聚合物提供硅与硅之间、硅与金属之间的粘合、固定作用；

9)去除质量块顶部的氧化层与钝化层，将硅通孔下部分暴露出来，采用DRIE工艺刻蚀环形硅通孔阵列区域，经填充后的通孔底部充当掩膜，在环形通孔区域中间刻蚀出垂直过孔；

10)采用DRIE工艺从硅基边框底部在边框对角处刻蚀硅通孔，然后进行金属填充；

11)光刻，通孔上表面处的氧化层与钝化层，制作金属连线将硅通孔与压敏电阻连接；

12)ICP刻蚀，形成弹性梁；

13)在硅基边框底部溅射粘附层和金属层，在半导体底板上制作金属凸点

14)硅基边框与半导体底板金属键合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)由于在制作环形硅通孔时利用了footing效应，通孔靠近质量块顶部体积较大，经电镀填充后，质量块的质心上移，与弹性梁中性面距离缩小，所以具有更好的抗横向加速度能力；

2)电镀填充硅通孔时，可灵活的控制金属填充高度来兼顾传感器灵敏度与抗过载能力要求，当传感器对灵敏度要求较高时，可以增加金属填充高度从而使质量块重量增大，提高传感器灵敏度，当传感器对抗过载能力要求较高时，可以减小金属填充高度从而使质量块重量减小，提高传感器抗过载能力；

3)未经填充的垂直过孔可以充当通气孔洞，当质量块运动时，气体可通过该孔洞，有效的减小了气体阻尼，有助于调整阻尼到合适值；

4)巧妙地利用了经电镀填充后的硅通孔做掩膜，刻蚀出垂直过孔，减少了工艺步骤，在环形通孔中央得到尽量大孔径的通气孔洞；

5)可将信号处理电路集成在半导体底板上，压敏电阻构成的电桥输入输出信号通过硅基边框中的垂直过孔传输，有效的减小了信号在传输过程中的损耗，减小了芯片的有效面积，提高了传感器的测量精度。

附图说明

图1是本发明一种结构示意图，其中：

图1(a)是传感器敏感结构的平面图，图1(b)是图1(a)沿AA方向的剖面图；

图2是制作图1结构的流程图；

图3是本发明又一种结构示意图，其中：

图3(a)是传感器敏感结构的平面图，图3(b)是图1(a)沿BB方向的剖面图；

图4是本发明又一种结构示意图；

图5是本发明又一种结构示意图；

其中：

1-硅基边框；2-弹性梁；3-压敏电阻；4-填充通孔；5-非填充通孔；6-互连铝线；7-钝化层；8-氧化层；9-质量块；10-半导体底板；11-圆形互连通孔；12-粘附层与金属层；13-金属凸点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1

参考图1，本发明中，质量块中的硅通孔横截面为正六边形，硅通孔上部分长度为75μm，半径为7μm，硅通孔下部分长度为25μm，开口半径为12μm，硅通孔阵列由6个下部分相接的硅通孔组成，且位于质量块中央。

其工艺步骤如图2所示，包括：

1、n型<100>双面抛光硅片准备，如图2(a)所示；

2、利用LPCVD的方法在硅片双面生长薄氧化层，如图2(b)所示；

3、光刻，制作压敏电阻3，利用RIE刻蚀掉硅片上二氧化硅，如图2(c)所示；

4、双面LPCVD二氧化硅8、氮化硅7，如图2(d)所示；

5、光刻，先后利用RIE与BHF溶液去除质量块底部周围的二氧化硅与氮化硅，用KOH溶液在裸露的硅片表面腐蚀，从而制作成质量块9，如图2(e)所示；

6、先后利用RIE与BHF溶液去除硅基边框与质量块底部的二氧化硅和氮化硅，如图2(f)所示，用KOH溶液减薄质量块9，如图2(g)所示；

7、采用DRIE工艺从减薄的质量块9底部刻蚀须要填充的硅通孔4，首先刻蚀出垂直侧壁，形成通孔的上部分，继续刻蚀，当刻蚀穿通硅层接触到氧化层时，刻蚀离子由于氧化层的反射而产生footing效应，形成带斜率的侧壁，从而制作出通孔的下部分，如图2(h)所示；

8、在上述通孔的底部与内侧壁生长绝缘层、溅射复合阻挡种子层、在加入添加剂的电镀溶液中进行电镀，如图2(i)所示，通孔整体填充高度应根据所设计传感器灵敏度与高过载能力综合决定；

9、淀积高分子聚合物直至将硅通孔填满，如图2(j)；

10、去除质量块9顶部的二氧化硅和氮化硅，将硅通孔4下部分暴露出来，采用DRIE工艺刻蚀环形硅通孔阵列区域，经填充后的通孔4底部充当掩膜，在环形通孔区域中间刻蚀出垂直过孔5，如图2(k)所示；

11、采用DRIE工艺从硅基边框底部在边框对角处刻蚀硅通孔，在通孔的底部与内侧壁生长绝缘层、溅射复合阻挡种子层、在加入添加剂的电镀溶液中进行电镀；

12、光刻，先后利用RIE与BHF溶液去除通孔上表面处的氧化层与钝化层，溅射金属铝，光刻出金属连线将硅通孔与压敏电阻连接；

13、ICP刻蚀，形成弹性梁；

14、在硅基边框底部溅射粘附层和金属层，在半导体底板上制作金属凸点；

15、硅基边框与半导体底板金属键合。

实施例2

参考图3，与实例1类似，硅通孔横截面为正六边形，硅通孔上部分长度为75μm，半径为3μm，硅通孔下部分长度为25μm，开口半径为5μm，质量块包含4个相同的硅通孔阵列，且都位于1/4质量块中央。

实施例3

参考图4，其结构与实施例1类似，硅通孔阵列由8个下部分相接的方形硅通孔组成，且位于质量块中央。

实施例4

参考图5，其结构与实施例2类似，质量块包含4个相同的硅通孔阵列，且都位于1/4质量块中央。

实施例2-4中的工艺流程与实例1中的工艺流程类似，所不同的是将实例1中工艺流程第7步中DRIE工艺使用的光刻版图形加以改变，其他步骤一样，在此不再赘述。

以上通过详细实例描述了本发明，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims (8)

1.一种含有硅通孔压阻式加速度传感器，其包括含有硅通孔阵列的质量块，含硅通孔的硅基边框，多个弹性梁，压敏电阻及半导体底板；所述质量块，硅基边框，弹性梁均固定在半导体底板上，质量块位于加速度传感器中央并具有平整规则的顶面与底面，

其特征在于，

所述质量块中设有多个对称分布的填充通孔与非填充通孔，所述填充通孔与非填充通孔均与质量块梯形斜面部分不相接。

2.如权利要求书1所述的含有硅通孔压阻式加速度传感器，其特征在于，所述填充通孔排列为环形，通孔上部分与质量块靠近半导体基板的底面垂直相接且相互之间保持预设的间距，通孔下部分与质量块远离半导体基板的顶面垂直相接且相互之间水平连接。

3.如权利要求书1-2所述的含有硅通孔压阻式加速度传感器，其特征在于，所述填充通孔由金属与高分子聚合物分别填充。

4.如权利要求书1-3所述的含有硅通孔压阻式加速度传感器，其特征在于，所述填充通孔的径向截面呈正六边形或正方形。

5.如权利要求书1所述的含有硅通孔压阻式加速度传感器，其特征在于，所述非填充通孔位于填充通孔环形内并与填充通孔下部分水平相接。

6.如权利要求书1、5所述的含有硅通孔压阻式加速度传感器，其特征在于，所述非填充通孔上部分与质量块靠近半导体基板的底面垂直相接，通孔下部分与质量块远离半导体基板的顶面垂直相接。

7.如权利要求书1所述的含有硅通孔压阻式加速度传感器，其特征在于所述硅基边框含有位于边框对角处的硅通孔，且该通孔经由金属导线与压敏电阻相连。

8.一种含有硅通孔压阻式加速度传感器的制造方法，其包括下列步骤：

1)硅片双面氧化；

2)光刻，压敏电阻制作；

3)去除氧化层；

4)双面LPCVD氧化层、钝化层；

5)光刻，去除质量块底部周围的氧化层与钝化层，用腐蚀液加工出质量块；

6)去除硅基边框与质量块底部的氧化层和钝化层，用腐蚀液减薄质量块；

7)采用DRIE工艺从减薄的质量块底部刻蚀须要填充的硅通孔，首先刻蚀出相对垂直的侧壁，形成通孔的上部分，继续刻蚀，当刻蚀穿通硅层接触到氧化层时，形成带斜率的侧壁，从而制作出通孔的下部分；

8)电镀填充上一步得到的硅通孔，对硅通孔进行第一次填充，第一次填充高度应根据所设计传感器灵敏度与高过载能力综合决定，然后使用高分子聚合物将硅通孔填满；

9)去除质量块顶部的氧化层与钝化层，将硅通孔下部分暴露出来，采用DRIE工艺刻蚀环形硅通孔阵列区域，经填充后的通孔底部充当掩膜，在环形通孔区域中间刻蚀出垂直过孔；

10)采用DRIE工艺从硅基边框底部在边框对角处刻蚀硅通孔，然后进行金属填充；

11)光刻，通孔上表面处的氧化层与钝化层，制作金属连线将硅通孔与压敏电阻连接；

12)ICP刻蚀，形成弹性梁；

13)在硅基边框底部溅射粘附层和金属层，在半导体底板上制作金属凸点；

14)硅基边框与半导体底板金属键合。

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