CN103557967B - 一种硅微谐振式压力传感器芯体及制作方法 - Google Patents

一种硅微谐振式压力传感器芯体及制作方法 Download PDF

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Abstract

一种硅微谐振式压力传感器芯体及制作方法，属于传感器领域，本发明为了避免使用硅-硅直接键合、硅片减薄等复杂技术，避免谐振子制作过程中引入较大的残余应力问题。本发明包括下层基片和上层基片，键合为一个整体；下层基片上设置谐振梁、压力敏感膜片、下层激励电极、压敏电阻和下层引线焊盘；谐振梁的上表面设置下层激励电极和压敏电阻，压力敏感膜片设置在谐振腔的底部；上层基片上设置有振动槽和上层激励电极；上层基片的下表面设置有振动槽，在振动槽的槽底表面覆有上层激励电极；上层基片下表面的凹槽与谐振梁所在谐振腔形成密闭空间，下层激励电极与上层激励电极的位置相对设置；下层基片选用SOI硅片；上层基片选用玻璃片。

Description

一种硅微谐振式压力传感器芯体及制作方法
技术领域
本发明涉及一种硅微谐振式压力传感器芯体及其制作方法，属于传感器领域。
背景技术
硅微谐振式压力传感器常采用的工作方式有静电激励/压阻检测、电热激励/压阻检测、电磁激励/电磁检测、静电激励/电容检测。相对于其它工作方式，静电激励/压阻检测具有建立速度快、检测方式抗干扰能力强、激励发热量小、功耗低、易于小型化的优点。但现有的硅微谐振式传感器制作方法中，有些较难采用这种工作方式，有些即使能够使用，也存在自身的缺点。
例如GE公司的Greenwood等人利用浓硼自停止技术的各向异性腐蚀制作了谐振式传感器，由于硅表面硼浓度过高，已超出了压阻效应的有效范围，因此器件不适用于压阻检测。而且浓硼扩散引入很高的内应力，对器件的长期稳定性会有影响；日本槽河株式会社的IKEDA等人提出了利用外延生长和牺牲层技术制作内置于真空腔中的谐振梁技术，这种技术同样需要浓硼掺杂，因此谐振梁上无法制作压敏电阻，并且由于牺牲层厚度的限制，谐振子的谐振范围受到一定的限制；斯伦贝格美国航空分公司制作了静电激励/压阻检测方式的谐振式压力传感器，但需要使用硅硅键合和硅片减薄技术。这种技术对硅片平整度要求极高，并且原始硅片厚度的不均匀性和减薄工艺本身的不均匀性会降低器件性能的一致性。中科院电子所提出了一种基于氮化硅的谐振式压力传感器，但是其谐振子结构采用10μm的氮化硅梁，残余应力较大。
发明内容
本发明目的是为了避免使用硅-硅直接键合、硅片减薄等复杂技术，避免谐振子制作过程中引入较大的残余应力问题。提供了一种硅微谐振式压力传感器芯体及其制作方法。
本发明所述一种硅微谐振式压力传感器芯体，采用静电激励/压阻检测为工作方式，它包括下层基片和上层基片，下层基片和上层基片键合为一个整体；
下层基片上设置有谐振梁、压力敏感膜片、下层激励电极、压敏电阻和下层引线焊盘；谐振梁的上表面设置有下层激励电极和压敏电阻，下层激励电极和压敏电阻的引线均通过下层引线焊盘引出；压力敏感膜片设置在谐振梁所在谐振腔的底部；
上层基片上设置有振动槽和上层激励电极；上层基片的下表面设置有振动槽，在振动槽的槽底表面覆有上层激励电极；
下层引线焊盘暴露接触外界；
上层基片下表面的凹槽与谐振梁所在谐振腔形成密闭空间，下层激励电极与上层激励电极的位置相对设置；
下层基片选用SOI硅片；上层基片选用玻璃片。
制作所述一种硅微谐振式压力传感器芯体的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、制作下层基片，具体过程为：
步骤一一、选用SOI硅片作为待处理下层基片，SOI硅片设置有中间氧化层，该中间氧化层将SOI硅片分成上下两部分，
对待处理下层基片进行热氧化处理，在待处理下层基片的上下面表面形成二氧化硅层，获取热氧化下层基片；
步骤一二、通过光刻腐蚀工艺对二氧化硅图形化，然后在上面制作压敏电阻及其浓硼引线、下层激励电极及其浓硼引线；压敏电阻和下层激励电极并列设置；
步骤一三、重新在下层基片的上表面生长一层二氧化硅层；
步骤一四、在压敏电阻和下层激励电极所在区域制作谐振梁，
通过光刻腐蚀工艺对二氧化硅图形化，然后用ICP刻蚀硅至中间氧化层，刻蚀区域间隔的宽度为谐振梁的宽度，在谐振梁两侧对称形成两个深槽；
步骤一五、利用LPCVD沉积氮化硅或二氧化硅作为钝化层对两个深槽的表面和下层基片的上下表面进行覆盖；
步骤一六、利用RIE工艺刻蚀掉深槽底部的钝化层，
步骤一七、利用ICP工艺继续对深槽底部刻蚀一定深度；
步骤一八、利用TMAH溶液对下层基片进行腐蚀，直到谐振梁底部的硅全部被腐掉，释放出谐振梁，两个深槽连通后形成谐振腔；
步骤一九、去掉下层基片上表面的钝化层和二氧化硅层，然后，在下层基片上表面的边缘制作金属膜，对所述金属膜光刻腐蚀后形成下层引线焊盘，用于连接步骤一二中的浓硼引线；
步骤一十、下层基片下表面腐蚀出一个深槽，位置在谐振腔下方，该深槽与谐振腔之间薄片硅作为压力敏感膜片；
步骤二、制作上层基片，具体过程为：
步骤二一、采用玻璃片作为待处理上层基片；
步骤二二、在所述待处理上层基片的下表面制作一个潜槽作为振动槽，并在振动槽的槽底表面制作上层激励电极；
步骤三、将步骤一制作的下层基片和步骤二制作的上层基片进行键合，实现密封；
下层激励电极与上层激励电极的位置相对设置；
步骤四、利用刻蚀工艺，对上层基片进行刻蚀，露出下层引线焊盘完成静电激励/压阻检测硅微谐振式压力传感器的制作。
本发明的优点：本发明所提供的硅微谐振式压力传感器采用静电激励/压阻检测为工作方式。可使器件具有长期稳定性好，响应速度快，检测信号抗干扰能力强，不需外加磁场等优点。传感器芯体采用SOI硅片制作，所得到的谐振梁是单晶硅材料，这使得器件具有很高的压阻效应和稳定性。谐振梁厚度由SOI硅片上层硅层决定，这使得谐振厚度将具有很高的一致性。谐振梁与体硅材料利用二氧化硅层实现了电绝缘，提高了器件的可靠性。
附图说明
图1是待处理下层基片结构示意图；
图2是热氧化下层基片结构示意图；
图3是注入硼离子后的下层基片结构示意图；
图4是图3的俯视图；
图5是重新生成二氧化硅层的下层基片结构示意图；
图6是刻蚀谐振梁的下层硅处结构示意图；
图7是图6的俯视图；
图8是覆盖钝化层的下层基片结构示意图；
图9是继续往深处腐蚀深槽的下层基片结构示意图；
图10是连通两个深槽，将谐振梁悬空后的下层基片结构示意图；
图11是去掉上表面的二氧化硅层，并制作下层引线焊盘的下层基片结构示意图；
图12是图11的俯视图；
图13是上层基片制作出压力敏感膜片后的结构示意图；
图14是图13的仰视图；
图15是上层基片刻出振动槽后的结构示意图；
图16是图15的仰视图；
图17是制作出上层激励电极的上层基片结构示意图；
图18是上、下层基片键合在一起的结构示意图；
图19是本发明所述一种静电激励/压阻检测硅微谐振式压力传感器的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图19说明本实施方式，本实施方式所述一种硅微谐振式压力传感器芯体，采用静电激励/压阻检测为工作方式，它包括下层基片1和上层基片2，下层基片1和上层基片2键合为一个整体；
下层基片1上设置有谐振梁1-1、压力敏感膜片1-2、下层激励电极1-3、压敏电阻1-4和下层引线焊盘1-5；谐振梁1-1的上表面设置有下层激励电极1-3和压敏电阻1-4，下层激励电极1-3和压敏电阻1-4的引线均通过下层引线焊盘1-5引出；压力敏感膜片1-2设置在谐振梁1-1所在谐振腔的底部；
上层基片2上设置有振动槽2-1和上层激励电极2-2；上层基片2的下表面设置有振动槽2-1，在振动槽2-1的槽底表面覆有上层激励电极2-2；
下层引线焊盘1-5暴露接触外界；
上层基片2下表面的凹槽与谐振梁1-1所在谐振腔形成密闭空间，下层激励电极1-3与上层激励电极2-2的位置相对设置；
下层基片1选用SOI硅片；上层基片2选用玻璃片。
SOI硅片上的谐振梁1-1是单晶硅材料，且采用单面加工方法制作。
谐振梁1-1与体硅材料之间使用二氧化硅层进行隔离，实现了谐振梁1-1与体硅材料的电绝缘。
谐振梁1-1上下两端没有覆盖二氧化硅或氮化硅等介质层，实现了谐振梁1-1上下两面的应力匹配。
本实施方式所述传感器采用静电激励/压阻检测为工作方式。传感器避免使用硅-硅直接键合、硅片减薄等较为复杂的技术，制作方法简单。传感器的谐振梁是在SOI上层硅层制作，是单晶硅材料，器件将具有较高的压阻效应。谐振梁厚度由SOI硅片上层硅层决定，谐振频率将具有很高的一致性。
“静电激励/压阻检测”硅微谐振式压力传感器的工作原理是，基于单晶硅材料进行微结构谐振压力传感器设计，压力敏感膜片1-2因外加压力变化而发生应变，并将应力传到谐振梁1-1，处于真空中悬浮状态的谐振梁1-1上的应力发生变化，谐振频率也随之改变，这样通过测量谐振频率反映出压力的变化量。工作状态时，为了使得悬浮状态的谐振梁1-1呈振动状态，悬浮状态的谐振梁1-1和所处真空腔室的一个表面涂覆金属层所成极板作为电容两个电极，可以实现静电激励，谐振梁1-1起振，振动中梁端压敏电阻1-4可以测出由于振动带来应力的阻值变化，阻值变化的频率即是与外加压力相对应的输出量，在一定范围内，谐振梁1-1固有频率的改变与纵向应力以及外加压力三者之间有很好的线性关系。因此，通过检测谐振梁1-1的固有频率，就可达到压力检测的目的。
工作过程是，当待测压力为零，压力敏感膜片1-2上下压力一致时，压力敏感膜片1-2不受力，没有变形，谐振梁1-1受到的纵向应力为零，其固有频率为原始固有频率；当待测压力不为零时，压力敏感膜片1-2上下表面因存在压力差将发生变形，谐振梁1-1也会感受到纵向应力的作用，相应的谐振梁1-1的固有频率将发生变化。
具体实施方式二：下面结合图1至图19说明本实施方式，制作实施方式一所述一种硅微谐振式压力传感器芯体的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、制作下层基片，具体过程为：
步骤一一、选用SOI硅片作为待处理下层基片，SOI硅片设置有中间氧化层，该中间氧化层将SOI硅片分成上下两部分，
对待处理下层基片进行热氧化处理，在待处理下层基片的上下面表面形成二氧化硅层，获取热氧化下层基片；
步骤一二、通过光刻腐蚀工艺对二氧化硅图形化，然后在上面制作压敏电阻及其浓硼引线、下层激励电极及其浓硼引线；压敏电阻和下层激励电极并列设置；
步骤一三、重新在下层基片的上表面生长一层二氧化硅层；
步骤一四、在压敏电阻和下层激励电极所在区域制作谐振梁，
通过光刻腐蚀工艺对二氧化硅图形化，然后用ICP刻蚀硅至中间氧化层，刻蚀区域间隔的宽度为谐振梁的宽度，在谐振梁两侧对称形成两个深槽；
步骤一五、利用LPCVD沉积氮化硅或二氧化硅作为钝化层对两个深槽的表面和下层基片的上下表面进行覆盖；LPCVD的中文含义为：低压化学气象沉积；
步骤一六、利用RIE工艺刻蚀掉深槽底部的钝化层，由于RIE工艺具有向下的取向性，谐振梁侧壁的氮化硅得以保留；RIE的中文含义为：反应离子刻蚀；
步骤一七、利用ICP工艺继续对深槽底部刻蚀一定深度；ICP的中文含义为感应耦合等离子体刻蚀；
步骤一八、利用TMAH溶液对下层基片进行腐蚀，直到谐振梁底部的硅全部被腐掉，释放出谐振梁，两个深槽连通后形成谐振腔；TMAH的中文含义为四甲基氢氧化氨；
步骤一九、去掉下层基片上表面的钝化层和二氧化硅层，然后，在下层基片上表面的边缘制作金属膜，对所述金属膜光刻腐蚀后形成下层引线焊盘，用于连接步骤一二中的浓硼引线；
步骤一十、下层基片下表面腐蚀出一个深槽，位置在谐振腔下方，该深槽与谐振腔之间薄片硅作为压力敏感膜片；
步骤二、制作上层基片，具体过程为：
步骤二一、采用玻璃片作为待处理上层基片；
步骤二二、在所述待处理上层基片的下表面制作一个潜槽作为振动槽，并在振动槽的槽底表面制作上层激励电极；对上层基片进行打孔，制作引线孔；
步骤三、将步骤一制作的下层基片和步骤二制作的上层基片进行键合，实现密封；
下层激励电极与上层激励的位置相对设置；
步骤四、刻蚀工艺，对上层基片进行刻蚀，露出下层引线焊盘完成静电激励/压阻检测硅微谐振式压力传感器的制作。
本实施方式所述方法采用的是硅微加工技术，在单晶硅晶圆材料上制作出真空密封的腔室、压力敏感膜片1-2、谐振梁1-1、压敏电阻1-4、静电激励电容电极(下层激励电极1-3和上层激励电极2-2)及其浓硼引线、下层引线焊盘等结构。本实施方式工艺可以大幅度随设计要求调整谐振梁1-1上下真空腔的高度。
由谐振梁1-1所在的下层基片1、上层激励电极2-2所在的上层基片2两部分构成，二者之间通过键合成一个整体。其中上电极是玻璃片，它上面布置有供谐振梁1-1向上振动的振动槽2-1、静电激励电容的一个电极(上层激励电极2-2)等；谐振梁1-1所在的下层基片是SOI硅片，它上面制作有压敏电阻1-4、压力弹性膜片1-2、谐振梁1-1、静电激励电容另一个电极(下层激励电极1-3)、引线等；通过封装，谐振梁1-1、上层基片和下层基片的压力弹性膜片1-2上表面被密封于真空环境下，而压力弹性膜片1-2的下表面则暴露于待测压力中；由于静电激励电容的极板、金属布线分别在两层基片的接触面上，因此，本实施方式中采用将电极焊盘处贯穿性地刻蚀掉对应的另一基片上硅层，露出下层引线焊盘1-5。
本实施方式给出一个量程为130kPa的谐振式压力传感器的实施例，说明其结构设计和制作方法。
所设计的谐振梁厚度为6微米，长和宽分别为600微米和40微米。谐振梁的固有频率为110kHz左右。压力敏感膜片厚100微米，长和宽都为1200微米。上层基片的振动槽深度为5微米，长和宽分别为870和710微米。下层基片的谐振梁两侧的刻蚀区域长和宽分别为600微米和200微米。当有130kPa的压强作用于传感器时，谐振梁频率增加约15kHz。
(1)选用SOI硅片为下层基片，如图1所示。其中SOI硅片的上层硅层厚6微米，电阻率为3～10Ω·cm。中间氧化层厚3000埃。对下层基片进行热氧化，如图2所示；
(2)去掉上表面氧化层，采用硼离子注入方法在下层硅片上制作压敏电阻和浓硼导线，如图3和图4所示，注入剂量分别为6E14/cm2、8E15/cm2，注入能量是40kev。然后进行退火处理；再生长出一层二氧化硅层，如图5所示；
(3)用氢氟酸缓冲液腐蚀出长600微米、宽40微米的两个窗口，两个窗口间距40微米。定义出谐振梁图形。然后用ICP刻蚀上层硅至中间氧化层，最后用氢氟酸缓冲液腐蚀掉窗口区域的中间氧化层，如图6和图7所示；
(4)LPCVD方法生长厚度1500埃的氮化硅，以覆盖谐振梁侧壁，用于后续湿法腐蚀的钝化层，如图8所示；
(5)利用RIE工艺刻蚀器件表面的氮化硅，由于RIE工艺具有向下的取向性，谐振梁侧壁的氮化硅得以保留，如图9所示；
(7)继续用ICP工艺刻蚀10微米深的硅；如图9所示；
(8)利用60℃、浓度为40％的氢氧化钾溶液对硅片进行腐蚀，直到谐振梁底部的硅全部被腐掉，释放出谐振梁。整个腐蚀时间约60分钟，如图10所示；
(9)用氢氟酸缓冲液去除器件表面的氧化层；
(10)溅射1.2微米厚的铝，光刻腐蚀后制作出金属焊盘，如图11和图12所示；
(11)腐蚀下层基片下表面的硅，制作压力敏感薄膜。腐蚀的窗口是870微米长、710微米。压力敏感薄膜的厚度是100微米，如图13和图14所示；
(12)在上层基片上制作出5微米的潜槽作为振动槽，如图15和图16所示；
(13)溅射1.2微米的铝，在振动槽内制作上层激励电极，如图17所示；
(14)对上层基片进行打孔，制作引线孔；
(15)将上层基片和下层基片对准后，进行键合，如图18所示；
(16)利用深反应离子刻蚀工艺，在下层硅片的下表面刻蚀出深槽，位置在谐振腔下方，该深槽与谐振腔之间薄片硅作为压力敏感膜片；完成静电激励/压阻检测硅微谐振式压力传感器的制作。如图19所示。

Claims (4)

1.一种硅微谐振式压力传感器芯体，采用静电激励/压阻检测为工作方式，其特征在于，它包括下层基片(1)和上层基片(2)，下层基片(1)和上层基片(2)键合为一个整体；
下层基片(1)上设置有谐振梁(1-1)、压力敏感膜片(1-2)、下层激励电极(1-3)、压敏电阻(1-4)和下层引线焊盘(1-5)；谐振梁(1-1)的上表面设置有下层激励电极(1-3)和压敏电阻(1-4)，下层激励电极(1-3)和压敏电阻(1-4)的引线均通过下层引线焊盘(1-5)引出；压力敏感膜片(1-2)设置在谐振梁(1-1)所在谐振腔的底部；
上层基片(2)上设置有振动槽(2-1)和上层激励电极(2-2)；上层基片(2)的下表面设置有振动槽(2-1)，在振动槽(2-1)的槽底表面覆有上层激励电极(2-2)；
下层引线焊盘(1-5)暴露接触外界；
上层基片(2)下表面的凹槽与谐振梁(1-1)所在谐振腔形成密闭空间，下层激励电极(1-3)与上层激励电极(2-2)的位置相对设置；
下层基片(1)选用SOI硅片；上层基片(2)选用玻璃片。
2.根据权利要求1所述一种硅微谐振式压力传感器芯体，其特征在于，谐振梁(1-1)是单晶硅材料、且采用单面加工方法制作。
3.制作权利要求1所述一种硅微谐振式压力传感器芯体的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、制作下层基片，具体过程为：
步骤一一、选用SOI硅片作为待处理下层基片，SOI硅片设置有中间氧化层，该中间氧化层将SOI硅片分成上下两部分，
对待处理下层基片进行热氧化处理，在待处理下层基片的上下面表面形成二氧化硅层，获取热氧化下层基片；
步骤一二、通过光刻腐蚀工艺对二氧化硅图形化，然后在上面制作压敏电阻及其浓硼引线、下层激励电极及其浓硼引线；压敏电阻和下层激励电极并列设置；
步骤一三、重新在下层基片的上表面生长一层二氧化硅层；
步骤一四、在压敏电阻和下层激励电极所在区域制作谐振梁，
通过光刻腐蚀工艺对二氧化硅图形化，然后用ICP刻蚀硅至中间氧化层，刻蚀区域间隔的宽度为谐振梁的宽度，在谐振梁两侧对称形成两个深槽；
步骤一五、利用LPCVD沉积氮化硅或二氧化硅作为钝化层对两个深槽的表面和下层基片的上下表面进行覆盖；
步骤一六、利用RIE工艺刻蚀掉深槽底部的钝化层，
步骤一七、利用ICP工艺继续对深槽底部刻蚀一定深度；
步骤一八、利用TMAH溶液对下层基片进行腐蚀，直到谐振梁底部的硅全部被腐掉，释放出谐振梁，两个深槽连通后形成谐振腔；
步骤一九、去掉下层基片上表面的钝化层和二氧化硅层，然后，在下层基片上表面的边缘制作金属膜，对所述金属膜光刻腐蚀后形成下层引线焊盘，用于连接步骤一二中的浓硼引线；
步骤一十、下层基片下表面腐蚀出一个深槽，位置在谐振腔下方，该深槽与谐振腔之间薄片硅作为压力敏感膜片；
步骤二、制作上层基片，具体过程为：
步骤二一、采用玻璃片作为待处理上层基片；
步骤二二、在所述待处理上层基片的下表面制作一个潜槽作为振动槽，并在振动槽的槽底表面制作上层激励电极；
步骤三、将步骤一制作的下层基片和步骤二制作的上层基片进行键合，实现密封；
下层激励电极与上层激励电极的位置相对设置；
步骤四、利用刻蚀工艺，对上层基片进行刻蚀，露出下层引线焊盘完成静电激励/压阻检测硅微谐振式压力传感器的制作。
4.根据权利要求3所述一种硅微谐振式压力传感器芯体的制作方法，其特征在于，步骤一二中在上面制作压敏电阻及其浓硼引线、下层激励电极及其浓硼引线的过程为：
分两次注入硼离子，第一次采用硼离子注入方法制作压敏电阻，第二次采用硼离子注入方法制作下层激励电极及其浓硼引线、压敏电阻的浓硼引线；
两种浓硼引线及下层激励电极的硼离子注入浓度相同，且高于压敏电阻的硼离子注入浓度。
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