CN103837289A - 压力传感器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压力传感器件及其制作方法，该器件包括：包括芯片和基座，所述芯片固定连接于所述基座的内部；所述芯片包括一内部中间设有一空腔和两端设有通孔的正面玻璃、一中间层和一中间设置有一背面通孔的背面玻璃，所述中间层的上、下表面分别与所述正面玻璃的下表面以及背面玻璃的上表面键合；所述中间层由下至上依次包括第二体硅层、第二绝缘层、电阻层、第三绝缘层；在所述第三绝缘层和所述电阻层的中央区域中形成有压阻；在所述第二体硅层中位于所述压阻下方的部分形成有承压膜和质量块。本发明的压力传感器件能够在极端温度条件下正常使用。

Description

压力传感器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件及其制作方法，尤其涉及一种压力传感器件及其制作方法。

背景技术

压力传感器通常可分为机械量压力传感器和微电子机械系统（Micro Electro Mechanical System，简称：MEMS）压力传感器。

MEMS压力传感器是一种可以用类似集成电路（IC）设计和制造工艺进行高精度、低成本量产的器件。

传统的机械量压力传感器是基于金属弹性体受力变形，由机械量弹性变形到电量转换输出。其不能像MEMS压力传感器做得那么小。

因此，MEMS压力传感器得到了广泛的应用。

MEMS压力传感器包括两大类，分别是硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者都是在硅片上生成的微机电传感器。

硅压阻式压力传感器工作原理是在一个方形或者圆形的硅应变薄膜上通过扩散或者离子注入的方式在应力集中区制作四个压力敏感电阻，四个电阻互联构成惠斯顿电桥。当有外界压力施加在硅应变膜上，压敏电阻区域由于应变膜弯曲产生应力，通过压敏电阻的压阻特性，将应力转换为电阻值的变化，最后通过惠斯顿电桥将电阻值的变化转换为输出电压，通过对输出电压与压力值进行标定可以实现对压力的测量。

中国专利（CN101929898A）公开了一种压力传感器件，包括：一个硅基片，所述硅基片由狭缝分割为内板和外板；至少3个应力集中器，所述内板和外板之间经应力集中器连接；至少一个压电结桥内建于所述应力集中器，构成压力传感器件的电传感部件。

中国专利（CN102032970B）公开了一种MEMS压力传感器，包括：具有压力传感器谐振器元件的谐振MEMS器件，所述压力传感器谐振器元件包括开口阵列。谐振MEMS器件的谐振频率是空腔中的压力的函数，谐振频率随压力而增大。在0到0.1kPa的压力范围上，频率的平均相对变化是至少10-6/Pa。

发明内容

本发明提供一种压力传感器件及其制作方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案为：

一种压力传感器件的制作方法，应用于MEMS压力传感器件中，其中，所述方法包括以下步骤：

提供一具有压阻的中间层，并于该中间层的上表面键合一具有通孔的正面玻璃，所述正面玻璃下表面中心位置处形成密封所述压阻的腔体；

于所述正面玻璃暴露的表面上继续制备一金属层后，将一内部设置有一背面通孔的背面玻璃键合于所述中间层的下表面上；并去除所述金属层；

将键合有正面玻璃和背面玻璃的中间层高温烧结于一基座内部；

其中，所述中间层的背面设置有承压膜和质量块。

所述的压力传感器件的制作方法，其中，采用以下方法制备所述压阻：提供一SOI衬底，所述SOI衬底包括由下至上的第一体硅层、第一绝缘层、第二体硅层、第二绝缘层，于所述第二绝缘层上依次形成电阻层、第三绝缘层；

刻蚀所述电阻层和所述第三绝缘层的中心部分形成压阻。

所述的压力传感器件的制作方法，其中，所述压阻为四个。

所述的压力传感器件的制作方法，其中，每个所述压阻均为上下的双层结构，上层为第三绝缘层经过刻蚀后形成，下层为电阻层经过刻蚀后形成。

所述的压力传感器件的制作方法，其中，刻蚀去除所述第三绝缘层的中心部分后，继续刻蚀电阻层，以去除电阻层中位于中心部分的部分区域，形成所述压阻。

所述的压力传感器件的制作方法，其中，形成所述承压膜和所述质量块的具体方法为：

将所述正面玻璃与所述SOI衬底键合，所述通孔暴露出部分所述第三绝缘层的上表面，所述空腔与所述电阻层和所述第三绝缘层的中心部分对准；

去除所述SOI衬底背面的第一体硅层，刻蚀所述第一绝缘层和所述第二体硅层中位于所述压阻下方的部分，使所述第二体硅层中形成承压膜和质量块，去除所述第一绝缘层和所述暴露的第三绝缘层，以在所述通孔的正下方暴露出部分所述电阻层的上表面。

所述的压力传感器件的制作方法，其中，所述第三绝缘层的材质为氧化硅，通过热氧化工艺或沉积工艺制备所述第三绝缘层。

所述的压力传感器件的制作方法，其中，于第二绝缘层上制备一层第三体硅层，在所述第三体硅层中掺杂高剂量的硼，形成电阻层。

所述的压力传感器件的制作方法，其中，所述金属层的材质为铝。

所述的压力传感器件的制作方法，其中，所述金属电极包括第一金属层和第二金属层，所述金属电极的制备为：首先，制备一层第一金属层覆盖所述通孔内所有暴露的表面，继续制备第二金属层覆盖所述第一金属层的表面。

所述的压力传感器件的制作方法，其中，所述基座中烧结有金属丝；

在所述基座与所述中间层进行烧结的过程中，每个所述金属丝对应插入一个填充导体后的所述通孔内，所述导体为流体材质。

一种压力传感器件的制作方法，应用于MEMS压力传感器件中，其中，所述方法包括以下步骤：

提供一具有压阻的中间层，并于该中间层的上表面键合一具有通孔的正面玻璃，所述正面玻璃下表面中心位置处形成密封所述压阻的腔体；

将键合有正面玻璃和背面玻璃的中间层高温烧结于一基座内部；

将一内部设置有一背面通孔的背面玻璃键合于所述中间层的下表面上；

其中，所述中间层的背面设置有承压膜和质量块。

所述的压力传感器件的制作方法，其中，所述压阻为四个。

所述的压力传感器件的制作方法，其中，每个所述压阻均为上下的双层结构，上层为第三绝缘层经过刻蚀后形成，下层为电阻层经过刻蚀后形成。

所述的压力传感器件的制作方法，其中，刻蚀去除所述第三绝缘层的中心部分后，继续刻蚀电阻层，以去除电阻层中位于中心部分的部分区域，形成所述压阻。

所述的压力传感器件的制作方法，其中，形成所述承压膜和所述质量块的具体方法为：

将所述正面玻璃与所述SOI衬底键合，所述通孔暴露出部分所述第三绝缘层的上表面，所述空腔与所述电阻层和所述第三绝缘层的中心部分对准；

去除所述SOI衬底背面的第一体硅层，刻蚀所述第一绝缘层和所述第二体硅层中位于所述压阻下方的部分，使所述第二体硅层中形成承压膜和质量块，去除所述第一绝缘层和所述暴露的第三绝缘层。

所述的压力传感器件的制作方法，其中，所述第三绝缘层的材质为氧化硅，通过热氧化工艺或沉积工艺制备所述第三绝缘层。

所述的压力传感器件的制作方法，其中，于第二绝缘层上制备一层第三体硅层，在所述第三体硅层中掺杂高剂量的硼，形成电阻层。

所述的压力传感器件的制作方法，其中，所述金属电极包括第一金属层和第二金属层，所述金属电极的制备为：首先，制备一层第一金属层覆盖所述通孔的侧壁表面和底部表面，继续制备第二金属层覆盖所述第一金属层的表面。

所述的压力传感器件的制作方法，其中，所述基座中烧结有金属丝；

在所述基座与所述中间层进行烧结的过程中，每个所述金属丝对应插入一个填充导体后的所述通孔，所述导体为流体材质。

一种压力传感器件，其中，包括芯片和基座，所述芯片固定连接于所述基座的内部；

所述芯片包括一内部中间设有一空腔和两端设有通孔的正面玻璃、一中间层和一中间设置有一背面通孔的背面玻璃，所述中间层的上、下表面分别与所述正面玻璃的下表面以及背面玻璃的上表面键合；

所述中间层的上表面的中央区域形成有压阻；

所述中间层的下表面的中央区域形成有承压膜和质量块；

所述空腔与所述中间层的中央区域形成一密封腔，所述压阻位于所述密封腔内，承压膜和所述质量块通过所述背面通孔暴露；

所述中间层中包括一电阻层，每个所述通孔均延伸至所述电阻层的上表面，且内部填充有金属电极和导体；

所述基座中包括金属丝，每个所述金属丝的一端插入一个所述通孔内。

所述的压力传感器件，其中，所述压阻为四个。

所述的压力传感器件，其中，每个所述压阻均为上下双层的结构，其中，上层的材质为绝缘材料，下层的材质为浓硼掺杂的硅。

所述的压力传感器件，其中，每个所述压阻为单层的结构，其材质为浓硼掺杂的硅。

所述的压力传感器件，其中，所述金属电极包括第一金属层和第二金属层，所述第一金属层覆盖所述通孔的侧壁表面和底部表面，所述第二金属层覆盖所述第一金属层的上表面。

所述的压力传感器件，其中，所述第一金属层的材质为钛或镍，所述第二金属层的材质为铂或铬。

所述的压力传感器件，其中，所述导体为流体材质。

所述的压力传感器件，其中，所述导体为银浆。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

本发明的MEMS压力传感器件的制备方法中通过采用绝缘体上硅技术，能够保证所形成的扩散硅压阻压力传感器能够在高温环境下正常工作。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1～19是本发明实施例1中压力传感器件制备工艺的剖面结构示意图；

图20～22是本发明实施例1中正面玻璃制备工艺的剖面结构示意图；

图23～24是本发明实施例1中背面玻璃制备工艺的剖面结构示意图；

图25～27是本发明实施例1中基座制备工艺的剖面结构示意图；

图28～32是本发明实施例2中压力传感器件制备工艺的剖面结构示意图；

图33～48是本发明实施例3中压力传感器件制备工艺的剖面结构示意图；

图49～53是本发明实施例4中压力传感器件制备工艺的剖面结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种压力传感器件及其制备方法，尤其涉及一种能够在高温（即高于80℃）环境中正常使用的MEMS压力传感器件。本领域的技术人员应该理解，本发明的压力传感器件并不局限于仅在高于80℃的环境中正常使用。需要说明的是，本发明的压力传感器件能够在-55℃至175℃之间正常工作，并可应用于各种工业自控环境中，如设计石油管道、水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、石化、油井、电力、锅炉等众多行业。

本发明的压力传感器件是基于SOI绝缘硅衬底之上，在器件的正面通过光刻和刻蚀技术形成惠斯通电桥结构，器件的背面则采用体硅腐蚀技术和深硅刻蚀工艺形成压力敏感膜，并且正面通过硅-玻璃的阳极键合形成真空腔体，背面采用硅-玻璃键合达到应力平衡，正面采用干膜工艺和金属溅射工艺形成金属电极，器件采用独特的单芯片封装方式达到高可靠性。

下面结合具体实施例子对本发明的压力传感器件结构及其制备方法进行详细说明。

实施例1：

本实施例的压力传感器件可由芯片和基座构成。

芯片的制备：

首先，准备一绝缘体上硅（silicon on insulator，简称：SOI），如图1所示，该绝缘体上硅包括第一体硅层1，在第一体硅层1的上表面覆盖一层第一绝缘层2’，在该第一绝缘层2’的上表面覆盖一层第二体硅层3’，在该第二体硅层3’的上表面覆盖一层第二绝缘层4，在第二绝缘层4的上表面覆盖一层第三体硅层5。其中，第一体硅层1、第二体硅层3’和第三体硅层5的厚度依次减小；第一绝缘层2’的厚度应大于第二绝缘层4的厚度，以在后续形成质量块时对第二体硅层起到有效阻挡。

然后，如图2所示，在上述的第三体硅层5中进行浓硼掺杂工艺，以使得高剂量的硼离子被掺杂到第三体硅层5中。在该步骤中，对于硼离子的掺杂可优选采用离子注入工艺或者炉管扩散的方式进行。经过掺杂了均匀的浓硼离子之后的第三体硅层成为浓硼电阻层6’。

如图3所示，制备一第三绝缘层7’覆盖浓硼电阻层6’的上表面，以保护位于其下方的浓硼电阻层6’。其中，该第三绝缘层7’优选为氧化层，对于该层的制备可采用热氧化生长工艺方法，也可以采用化学气相沉积（Chemical vapor deposition，简称：CVD）或其他沉积的方法进行制备。

然后，如图4所示，制备一层光刻胶8’覆盖上述的第三绝缘层7’的上表面，该光刻胶8’可采用旋涂或其他工艺方法进行涂覆，之后，对该光刻胶8’进行光刻工艺，即采用一具有图案的光掩膜板对该光刻胶进行曝光和显影工艺，使得在该光刻胶中形成图案，然后以具有该图案的光阻为掩膜对下方的第三绝缘层7’和浓硼电阻层6’进行刻蚀，并使刻蚀停止于第二绝缘层4的上表面，该刻蚀可采用干法刻蚀或湿法刻蚀等。如图5所示，经过刻蚀之后，在第三绝缘层7’和浓硼电阻层6’中形成位于结构两端的剩余的第三绝缘层7和浓硼电阻层6所构成的两个复合层以及在该两个复合层之间形成的若干个压阻71，压阻71的数量可根据实际工艺需要进行调整，在本实施例中，压阻的数量为4个。在每一个压阻中，均包括上下两层的结构，其中，下层结构为浓硼掺杂的硅，上层结构为绝缘材料。然后，如图6所示，去除之前光刻工艺中剩余的光刻胶8，即去除覆盖于每个压阻71顶部以及通过刻蚀后剩余的第三绝缘层7上表面的光刻胶。

在形成了上述的压阻71之后，如图7所示，在上述结构的顶部键合一正面玻璃9，该键合为阳极键合。在该正面玻璃9中具有一空腔91，该空腔91的宽度与两个复合层之间的间距相等，且该空腔91的边缘为倒角型(或直角)设计，经过上述的键合后，空腔91与两个复合层之间的区域形成一个密闭的密封腔；在该正面玻璃9中，还设置有四个位于复合层上方的通孔92，通过该通孔92暴露出复合层的部分上表面。

对于该正面玻璃的制备可以分为以下几个步骤：如图20所示，对于正面玻璃的制备，首先，提供一厚度均匀的正面玻璃板9’，然后对该正面玻璃进行刻蚀工艺（干法刻蚀或湿法刻蚀），以在该正面玻璃板底部的中央位置处形成一顶部带有倒角（或无倒角）的如图21所示的空腔91，空腔91的深度可以根据具体工艺需要进行确定。然后采用激光工艺或喷砂工艺作用于该正面玻璃板9’上，使得该正面玻璃板9’中位于空腔91的两侧形成截面为圆形或者多边形的通孔92，如图22所示。

之后，采用减薄工艺和体硅腐蚀工艺去除第一体硅层1，如图8所示。

随后，采用反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching，简称：RIE）工艺或者湿法刻蚀工艺对第一绝缘层2’进行刻蚀，控制刻蚀停止于第二体硅层3’的下表面，以在第一绝缘层2’中形成用于后续刻蚀形成承压膜和质量块的图形开口。在刻蚀的过程中，优选的，可先涂覆一层光刻胶，然后通过光刻在该光刻胶定义出图形开口区域的图案，并以该具有该图案的光刻胶为掩膜对第一绝缘层2’进行刻蚀。如图9所示，经过刻蚀之后的第一绝缘层中形成了两个用于形成承压膜和质量块的开口21。

接着，以形成开口的第一绝缘层2为掩膜对第二体硅层3’进行刻蚀，在刻蚀过程中控制刻蚀的深度，如图10所示，以使得在第二体硅层3’中形成两个梯形的凹槽，由于在刻蚀的过程中在两个开口的中间有未被刻蚀掉的第一绝缘层2存在，所以在开口位置处的第二体硅层中形成的两个梯形凹槽之间的体硅就自然形成一个倒梯形的形状，两个梯形凹槽之上的体硅部分构成压力传感器的承压膜31，其之间的一个倒梯形的体硅部分构成压力传感器的质量块32。其中，对于本步骤中的刻蚀，可采用具有高腐蚀性的强碱溶液为反应原料的湿法刻蚀，如氢氧化钾溶液（KOH）、四甲基氢氧化铵（THAM）溶液等；也可采用电感耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma，简称：ICP）干法刻蚀深硅BOSCH工艺进行刻蚀形成质量块32和承压膜31。

然后，对上述工艺形成后的整个结构进行湿法刻蚀，以去除暴露的部分的所有绝缘层，即所有剩余的第一绝缘层2和被正面玻璃中每个通孔所暴露的部分第三绝缘层，形成如图11所示的结构。

如图12所示，制备一层金属层10覆盖于图11所示结构的上表面，即覆盖正面玻璃9的顶部表面和每个通孔92的侧壁表面，以及覆盖浓硼电阻层6暴露的表面和第三绝缘层7暴露的侧表面，以起到在后续的工艺过程中对其下方的结构进行适当保护的作用。在该步骤中所制备的金属层10的材质可优选为铝。

然后，在图13所示的结构中的第二体硅层的下表面上键合上背面玻璃12，该背面玻璃覆盖于除承压膜31和质量块32以外的第二体硅层3的下表面，即背面玻璃的中间形成有一背面通孔121，该通孔的宽度与左侧的承压膜的左边缘到右侧的承压膜的有边缘之间距离相等。其中，对于该背面玻璃的制备可分为两个步骤：步骤一，如图23所示，提供一厚度相同且平整的背面玻璃板12’；步骤二，如图24所示，对该背面玻璃板12’进行刻蚀(或激光、喷砂工艺）形成背面通孔121，背面通孔121的宽度与左侧的承压膜的左边缘到右侧的承压膜的有边缘之间距离相等。

在上述的背面玻璃12键合的过程中，位于芯片结构上表面的金属层10对其下方的结构进行了保护，并且在后续的工艺过程中其已经没有存在的意义，因此，需要将其进行去除，去除该金属层后的结构如图14所示。

接着，在图14所示的结构的上表面制备一层干膜13，该干膜13的材料优选为有机物，使该干膜覆盖于正面玻璃9的顶部表面，然后对该干膜进行光刻工艺，去除位于每个通孔92内部表面的干膜13，使得剩余的干膜13仅覆盖于正面玻璃9的顶部表面，如图15所示。

以上述剩余的干膜13为掩膜对正面玻璃9内的每个通孔92内进行金属电极的制备，如图16所示，以干膜13为掩膜在每个通孔92内生长一层具有双层结构的金属电极，使该金属电极覆盖通孔92的侧壁表面和底部表面（浓硼电阻层中暴露部分的上表面），该金属电极分别包括第一金属层14和第二金属层15，其中第一金属层14的材质可优选采用钛（Ti）或镍（Ni），第二金属层15的材质可优选采用铂（Pt）或铬（Cr）。当该金属电极制备完成后，去除位于正面玻璃9顶部表面的干膜，形成如图17所示的结构。

以上是本实施例中对芯片进行制备的详细步骤，下面对基座的制备方法进行说明。

基座的制备：

首先，提供一如图25所示的底座16，然后，如图26所示，将一玻璃板17与金属丝18进行烧结，使得该金属丝18垂直于玻璃板17并与该玻璃板17进行固定，在该烧结的过程中，需要保证金属丝18之间的间距与芯片内通孔之间的间距相等，接着，如图27所示，将固定有金属丝的玻璃与底座内部的上表面进行烧结，使基底和固定有金属丝的玻璃进行固定。最终，玻璃、金属丝和基底三者都被固定在一起，形成基座。

对于本实施例中的压力传感器，最后，需要进行封装工艺，即将制备完成的芯片固定于基座内。

该封装工艺包括：

如图18所示，在芯片中覆盖有金属电极的通孔内灌入耐高温的流体状导体19，在该过程中，灌入流体状导体直至位于通孔内的流体状导体的表面与正面玻璃的顶部表面齐平。在本实施例中该耐高温的流体状导体优选为银浆。

然后，将基座套于芯片的外部，并保证基座内的四根金属丝18分别插入四个至灌有流体状导体19的通孔内，同时保证基座中的玻璃的下表面与芯片中正面玻璃的上表面相接触，此时，进行高温烧结固化工艺，使得基座与芯片之间形成固定连接，待工艺完成后，形成如图19所示的结构。

至此，本实施例中的压力传感器件的制备方法已经完全结束。

下面对本实施例中的压力传感器件的结构进行详细说明。

如图19所示，本实施例中的压力传感器主要包括芯片和基座，芯片位于基座的内部，芯片与基座之间为固定连接。

其中，基座的剖面为轴对称图形，对称轴为压力传感器的中线。基座主要包括底座和一连接有金属丝的玻璃。底座为一个半开放式的容器，其顶部和底部为敞开，侧面为封闭，以保护位于其中的芯片；该连接有金属丝的玻璃板包括一厚度均匀的平直的玻璃板17和部分固定于该玻璃板17内的四根金属丝18，每根该金属18丝均垂直于该玻璃板17进行固定，且每根金属丝18均贯穿该玻璃板17。

芯片的剖面结构为轴对称图形，对称轴为压力传感器的中线。芯片主要包括正面玻璃9、背面玻璃12和中间层，背面玻璃的上表面与中间层的底部表面键合，正面玻璃的下表面与中间层的顶部表面键合。其中，中间层的结构由下至上依次为，第二体硅层3、第二绝缘层4、浓硼电阻层6、第三绝缘层7。在第二体硅层3中设置有两个承压膜31和一个质量块32，质量块32位于第二体硅层3的中间，两个承压膜31位于该质量块32的两侧，并关于该质量块32对称，质量块32的剖面呈倒梯形，位于每个承压膜31的下方的剖面为镂空的梯形；在浓硼电阻层6中和第三绝缘层7中形成有4个压阻，其中，两个位于中线的左边，另外两个位于中线的右边；正面玻璃9中设置有一空腔91，该空腔91使得压阻71的上表面与正面玻璃9之间存在一定的距离，在正面玻璃9中的两侧还各设置有一个内部设置有导体和金属电极的通孔92，通孔92的底部为浓硼电阻层6的上表面，通孔92的侧壁表面和底部表面覆盖有一层金属电极，该金属电极为双层结构，包括第一金属层14和第二金属层15，第一金属层14覆盖通孔92的侧壁表面和底部表面，第二金属层15覆盖第一金属层14的表面，该通孔内的剩余空间被导体19填满。

基座通过其内部玻璃17的下表面与芯片内正面玻璃9的上表面烧结实现与芯片的固定连接。基座内的金属丝18的下端伸入芯片内通孔92中，实现金属线18与浓硼电阻层6之间的连通。

实施例2：

在本实施例中，最终所形成的器件结构与实施例1中相同，区别仅在制备方法上。下面对本实施例中区别于实施例1的步骤进行详细说明。

在本实施例的制备方法中，与实施例1所不同的是，当芯片的制备工艺进行到如图11所示的结构时，将实施例1中背面玻璃键合的工艺步骤调整到芯片与基座的封装工艺中去进行，并且将该步骤调整至封装工艺的最后一步进行，这样做的优势在于，背面玻璃与芯片的键合是在最后芯片与基座烧结在一起后才进行的，此时芯片的正面玻璃以及通孔已经与基座烧结在一起，因此，在背面键合前无需对芯片的正面覆盖金属层加以保护，这样相对于实施例1中的工艺步骤而言，就省略了如图12～14所示的工艺步骤，而仅在工艺的最后增加一步背面玻璃与芯片的键合即可。

具体步骤为：

如图1～11所示，本实施例的方法在形成图11结构之前的工艺步骤与实施例1相同，可参见实施例1，故在此处不再进行赘述。

然后，进行后续工艺步骤，在图11所示的结构的上表面制备一层干膜13，该干膜13的材料优选为有机物，使该干膜覆盖于正面玻璃9的顶部表面，然后对该干膜进行光刻工艺，去除位于每个通孔92内部表面的干膜13，剩余的干膜13仅覆盖于正面玻璃9的顶部表面，如图28所示。

以上述剩余的干膜13为掩膜对正面玻璃9内的每个通孔92内进行金属电极的制备，如图29所示，以干膜13为掩膜在每个通孔92内生长一层具有双层结构的金属电极，使该金属电极覆盖通孔92的侧壁表面和底部表面（浓硼电阻层中暴露部分的上表面），该金属电极分别包括第一金属层14和第二金属层15，其中第一金属层14的材质可优选采用钛（Ti）或镍（Ni），第二金属层15的材质可优选采用铂（Pt）或铬（Cr）。当该金属电极制备完成后，去除位于正面玻璃9顶部表面的干膜，形成如图30所示的结构。

之后进行芯片与基座的封装工艺，由于基座的制备方法与实施例1相同，所以在此不再进行赘述。

如图31所示，在芯片中覆盖有金属电极的通孔内灌入耐高温的流体状导体19，在该过程中，灌入流体状导体直至位于通孔内的流体状导体的表面与正面玻璃的顶部表面齐平。在本实施例中该耐高温的流体状导体优选为银浆。

然后，将基座套于芯片的外部，并保证基座内的金属丝18分别插入至灌有流体状导体19的通孔内，同时保证基座中的玻璃的下表面与芯片中正面玻璃的上表面相接触，此时，进行高温烧结固化工艺，使得基座与芯片之间形成固定连接，待工艺完成后，形成如图32所示的结构。

最后，在第二体硅层3的下表面键合背面玻璃，由于背面玻璃的制备方法与实施例1相同，故在此处不再进行赘述。键合了背面玻璃的器件结构如图19所示。

至此，本实施例中的压力传感器件的制备方法已经完全结束。

由于本实施例中的压力传感器结构与实施例1中的相同，所以在此不进行赘述。

实施例3：

本实施例区别于实施例1之处是，所形成的压阻的结构中仅包含浓硼电阻层的部分，而并不包含位于其上方的第三绝缘层的部分。

下面对本实施例中的压力传感器件结构及其方法进行详细说明。

本实施例的压力传感器件可由芯片和基座构成。

芯片的制备：

首先，准备一绝缘体上硅（silicon on insulator，简称：SOI），如图1所示，该绝缘体上硅包括第一体硅层1，在第一体硅层1的上表面覆盖一层第一绝缘层2’，在该第一绝缘层2’的上表面覆盖一层第二体硅层3’，在该第二体硅层3’的上表面覆盖一层第二绝缘层4，在第二绝缘层4的上表面覆盖一层第三体硅层5。其中，第一体硅层1、第二体硅层3’和第三体硅层5的厚度依次减小；第一绝缘层2’的厚度应大于第二绝缘层4的厚度，以在后续形成质量块时对第二体硅层起到有效阻挡。

然后，如图2所示，在上述的第三体硅层5中进行浓硼掺杂工艺，以使得高剂量的硼离子被掺杂到第三体硅层5中。在该步骤中，对于硼离子的掺杂可优选采用离子注入工艺或者炉管扩散的方式进行。经过掺杂了均匀的浓硼离子之后的第三体硅层成为浓硼电阻层6’。

如图3所示，制备一第三绝缘层7’覆盖浓硼电阻层6’的上表面，以保护位于其下方的浓硼电阻层6’。其中，该第三绝缘层7’优选为氧化层，对于该层的制备可采用化学气相沉积（Chemical vapordeposition，简称：CVD）或其他沉积工艺方法，也可以采用热氧化生长的方法进行制备。

然后，如图4所示，制备一层光刻胶8’覆盖上述的第三绝缘层7’的上表面，该光刻胶8’可采用旋涂或其他工艺方法进行涂覆，之后，对该光刻胶8’进行光刻工艺，即采用一具有图案的光掩膜板对该光刻胶进行曝光和显影工艺，使得在该光刻胶中形成图案，然后以具有该图案的光阻为掩膜对下方的第三绝缘层7’进行刻蚀，并使刻蚀停止于浓硼电阻层6’的上表面，该刻蚀可采用干法刻蚀或湿法刻蚀等。如图34所示，经过刻蚀之后，第三绝缘层7’的中间部分被刻蚀掉，剩下两端的部分，并去除剩余的光刻胶，随后，继续采用光刻和刻蚀工艺在浓硼电阻层6’形成若干个压阻61，压阻61的数量可根据实际工艺需要进行调整，在本实施例中，压阻的数量为4个。由于压阻是通过对浓硼电阻层6’进行刻蚀后形成的，因此，压阻的材料与浓硼电阻层的材料相同。

在形成了上述的压阻61之后，如图36所示，在上述结构的顶部键合一正面玻璃9，该键合为阳极键合。在该正面玻璃9中具有一空腔91，该空腔91的宽度与两个复合层之间的间距相等，且该空腔91的边缘为倒角型(或非倒角）设计，经过上述的键合后，空腔91与两个复合层之间的区域形成一个密闭的密封腔；在该正面玻璃9中，还设置有四个位于复合层上方的通孔92，通过该通孔92暴露出复合层的部分上表面。

由于该正面玻璃的制备方法与实施例1中所描述的方法相同，故在此不再进行赘述。

之后，采用减薄工艺和体硅腐蚀工艺去除第一体硅层1，如图37所示。

随后，采用反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching，简称：RIE）工艺或者湿法刻蚀工艺对第一绝缘层2’进行刻蚀，控制刻蚀停止于第二体硅层3’的下表面，以在第一绝缘层2’中形成用于后续刻蚀形成承压膜和质量块的图形开口。在刻蚀的过程中，优选的，可先涂覆一层光刻胶，然后通过光刻在该光刻胶定义出图形开口区域的图案，并以该具有该图案的光刻胶为掩膜对第一绝缘层2’进行刻蚀。如图38所示，经过刻蚀之后的第一绝缘层中形成了两个用于形成承压膜和质量块的开口21。

接着，以形成开口的第一绝缘层2为掩膜对第二体硅层3’进行刻蚀，在刻蚀过程中控制刻蚀的深度，如图39所示，以使得在第二体硅层3’中形成两个梯形的凹槽，由于在刻蚀的过程中在两个开口的中间有未被刻蚀掉的第一绝缘层2存在，所以在开口位置处的第二体硅层中形成的两个梯形凹槽之间的体硅就自然形成一个倒梯形的形状，两个梯形凹槽之上的体硅部分构成压力传感器的承压膜31，其之间的一个倒梯形的体硅部分构成压力传感器的质量块32。其中，对于本步骤中的刻蚀，可采用具有高腐蚀性的强碱溶液为反应原料的湿法刻蚀，如氢氧化钾溶液（KOH）、四甲基氢氧化铵（THAM）溶液等；也可采用电感耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma，简称：ICP）干法刻蚀深硅BOSCH工艺进行刻蚀形成质量块32和承压膜31。

然后，对上述工艺形成后的整个结构进行湿法刻蚀，以去除暴露的部分的所有绝缘层，即所有剩余的第一绝缘层2和被正面玻璃中每个通孔所暴露的部分第三绝缘层，形成如图40所示的结构。

如图41所示，制备一层金属层10覆盖于图40所示结构的上表面，即覆盖正面玻璃9的顶部表面和每个通孔92的侧壁表面，以及覆盖浓硼电阻层6暴露的表面和第三绝缘层7暴露的侧表面，以起到在后续的工艺过程中对其下方的结构进行适当保护的作用。在该步骤中所制备的金属层10的材质可优选为铝（Al）。

然后，在图42所示的结构中的第二体硅层的下表面上键合上背面玻璃12，该背面玻璃覆盖于除承压膜31和质量块32以外的第二体硅层3的下表面，即背面玻璃的中间形成有一背面通孔121，该通孔的宽度与左侧的承压膜的左边缘到右侧的承压膜的有边缘之间距离相等。其中，对于该背面玻璃的制备过程与实施例1中所描述的相同，故在此不再进行赘述。

在上述的背面玻璃12键合的过程中，位于芯片结构上表面的金属层10对其下方的结构进行了保护，并且在后续的工艺过程中其已经没有存在的意义，因此，需要将其进行去除，去除该金属层后的结构如图43所示。

接着，在图43所示的结构的上表面制备一层干膜13，该干膜13的材料优选为有机物，使该干膜覆盖于正面玻璃9的顶部表面和每个通孔92的表面，然后对该干膜进行光刻工艺，去除位于每个通孔92内部表面的干膜13，剩余的干膜13仅覆盖于正面玻璃9的顶部表面，如图44所示。

以上述剩余的干膜13为掩膜对正面玻璃9内的每个通孔92内进行金属电极的制备，如图45所示，以干膜13为掩膜在每个通孔92内生长一层具有双层结构的金属电极，使该金属电极覆盖通孔92的侧壁表面和底部表面（浓硼电阻层中暴露部分的上表面），该金属电极分别包括第一金属层14和第二金属层15，其中第一金属层14的材质可优选采用钛（Ti）或镍（Ni），第二金属层15的材质可优选采用铂（Pt）或铬（Cr）。当该金属电极制备完成后，去除位于正面玻璃9顶部表面的干膜，形成如图46所示的结构。

以上是本实施例中对芯片进行制备的详细步骤，下面对基座的制备方法进行说明。

基座的制备：

由于本实施例中基座的制备方法与实施例1中相同，故不再进行赘述。

对于本实施例中的压力传感器，最后，需要进行封装工艺，即将制备完成的芯片固定于基座内。

该封装工艺包括：

如图47所示，在芯片中的覆盖有金属电极的通孔内灌入耐高温的流体状导体19，在该过程中，灌入流体状导体直至位于通孔内的流体状导体的表面与正面玻璃的顶部表面齐平。在本实施例中该耐高温的流体状导体优选为银浆。

然后，将基座套于芯片的外部，并保证基座内的四根金属丝18分别插入至四个灌有流体状导体19的通孔内，同时保证基座中的玻璃的下表面与芯片中正面玻璃的上表面相接触，此时，进行高温烧结固化工艺，使得基座与芯片之间形成固定连接，待工艺完成后，形成如图48所示的结构。

至此，本实施例中的压力传感器件的制备方法已经完全结束。

下面对本实施例中的压力传感器件的结构进行详细说明。

如图48所示，本实施例中的压力传感器主要包括芯片和基座，芯片位于基座的内部，芯片与基座之间为固定连接。

其中，基座的剖面为轴对称图形，对称轴为压力传感器的中线。基座主要包括底座和一连接有金属丝的玻璃。底座为一个半开放式的容器，其顶部和底部为敞开，侧面为封闭，以保护位于其中的芯片；该连接有金属丝的玻璃板包括一厚度均匀的平直的玻璃板17和部分固定于该玻璃板17内的金属丝18，每根该金属18丝均垂直于该玻璃板17进行固定，且每根金属丝18均贯穿该玻璃板17。

芯片的剖面结构为轴对称图形，对称轴为压力传感器的中线。芯片主要包括正面玻璃9、背面玻璃12和中间层，背面玻璃的上表面与中间层的底部表面键合，正面玻璃的下表面与中间层的顶部表面键合。其中，中间层的结构由下至上依次为，第二体硅层3、第二绝缘层4、浓硼电阻层6、第三绝缘层7。在第二体硅层3中设置有两个承压膜31和一个质量块32，质量块32位于第二体硅层3的中间，两个承压膜31位于该质量块32的两侧，并关于该质量块32对称，质量块32的剖面呈倒梯形，位于每个承压膜31的下方的剖面为镂空的梯形；在浓硼电阻层6中形成有4个压阻61，其中，两个位于中线的左边，另外两个位于中线的右边；正面玻璃9中设置有一空腔91，该空腔91使得压阻71的上表面与正面玻璃9之间存在一定的距离，在正面玻璃9中的两侧还设置有内部设置有导体和金属电极的通孔92，通孔92的底部为浓硼电阻层6的上表面，通孔92的侧壁表面和底部表面覆盖有一层金属电极，该金属电极为双层结构，包括第一金属层14和第二金属层15，第一金属层14覆盖通孔92的侧壁表面和底部表面，第二金属层15覆盖第一金属层14的表面，该通孔内的剩余空间被导体19填满。

基座通过其内部玻璃17的下表面与芯片内正面玻璃9的上表面烧结实现与芯片的固定连接。基座内的金属丝18的下端伸入芯片内通孔92中，实现金属线18与浓硼电阻层6之间的连通。

实施例4：

在本实施例中，最终所形成的器件结构与实施例3中相同，区别仅在制备方法上。下面对本实施例中区别于实施例3的步骤进行详细说明。

在本实施例的制备方法中，与实施例3所不同的是，当芯片的制备工艺进行到如图40所示的结构时，将实施例3中背面玻璃键合的工艺步骤调整到芯片与基座的封装工艺中去进行，并且将该步骤调整至封装工艺的最后一步进行，这样做的优势在于，背面玻璃与芯片的键合是在最后芯片与基座烧结在一起后才进行的，此时的芯片的正面玻璃以及通孔已经与基座烧结在一起，因此，在背面键合前无需对芯片的正面覆盖金属层加以保护，这样相对于实施例3中的工艺步骤而言，就省略了如图41～43所示的工艺步骤，而仅在工艺的最后增加一步背面玻璃与芯片的键合即可。

具体步骤为：

如图1～4以及图35～40所示，本实施例的方法在形成图40结构之前的工艺步骤与实施例3相同，可参见实施例3，故在此处不再进行赘述。

然后，进行后续工艺步骤，在图40所示的结构的上表面制备一层干膜13，该干膜13的材料优选为有机物，使该干膜覆盖于正面玻璃9的顶部表面和每个通孔92的表面，然后对该干膜进行光刻工艺，去除位于每个通孔内部92表面的干膜13，剩余的干膜13仅覆盖于正面玻璃9的顶部表面，如图49所示。

以上述剩余的干膜13为掩膜对正面玻璃9内的每个通孔92内进行金属电极的制备，如图50所示，以干膜13为掩膜在每个通孔92内生长一层具有双层结构的金属电极，使该金属电极覆盖通孔92的侧壁表面和底部表面（浓硼电阻层中暴露部分的上表面），该金属电极分别包括第一金属层14和第二金属层15，其中第一金属层14的材质可优选采用钛（Ti）或镍（Ni），第二金属层15的材质可优选采用铂（Pt）或铬（Cr）。当该金属电极制备完成后，去除位于正面玻璃9顶部表面的干膜，形成如图51所示的结构。

之后进行芯片与基座的封装工艺，由于基座的制备方法与实施例1相同，所以在此不再进行赘述。

如图52所示，在芯片中的覆盖有金属电极的通孔内灌入耐高温的流体状导体19，在该过程中，灌入流体状导体直至位于通孔内的流体状导体的表面与正面玻璃的顶部表面齐平。在本实施例中该耐高温的流体状导体优选为银浆。

然后，将基座套于芯片的外部，并保证基座内的四根金属丝18分别插入至四个灌有流体状导体19的通孔内，同时保证基座中的玻璃的下表面与芯片中正面玻璃的上表面相接触，此时，进行高温烧结固化工艺，使得基座与芯片之间形成固定连接，待工艺完成后，形成如图53所示的结构。

最后，在第二体硅层3的下表面键合背面玻璃，由于背面玻璃的制备方法与实施例1相同，故在此处不再进行赘述。键合了背面玻璃的器件结构如图19所示。

至此，本实施例中的压力传感器件的制备方法已经完全结束。

由于本实施例中的压力传感器结构与实施例1中的相同，所以在此不进行赘述。

对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (28)

1.一种压力传感器件的制作方法，应用于MEMS压力传感器件中，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

提供一具有压阻的中间层，并于该中间层的上表面键合一具有通孔的正面玻璃，所述正面玻璃下表面中心位置处形成密封所述压阻的腔体；

于所述正面玻璃暴露的表面上继续制备一金属层后，将一内部设置有一背面通孔的背面玻璃键合于所述中间层的下表面上；并去除所述金属层；

将键合有正面玻璃和背面玻璃的中间层高温烧结于一基座内部；

其中，所述中间层的背面设置有承压膜和质量块。

2.如权利要求1所述的压力传感器件的制作方法，其特征在于，采用以下方法制备所述压阻：提供一SOI衬底，所述SOI衬底包括由下至上的第一体硅层、第一绝缘层、第二体硅层、第二绝缘层，于所述第二绝缘层上依次形成电阻层、第三绝缘层；

刻蚀所述电阻层和所述第三绝缘层的中心部分形成压阻。

3.如权利要求2所述的压力传感器件的制作方法，其特征在于，所述压阻为四个。

4.如权利要求3所述的压力传感器件的制作方法，其特征在于，每个所述压阻均为上下的双层结构，上层为第三绝缘层经过刻蚀后形成，下层为电阻层经过刻蚀后形成。

5.如权利要求3所述的压力传感器件的制作方法，其特征在于，刻蚀去除所述第三绝缘层的中心部分后，继续刻蚀电阻层，以去除电阻层中位于中心部分的部分区域，形成所述压阻。

6.如权利要求2所述的压力传感器件的制作方法，其特征在于，形成所述承压膜和所述质量块的具体方法为：

将所述正面玻璃与所述SOI衬底键合，所述通孔暴露出部分所述第三绝缘层的上表面，所述空腔与所述电阻层和所述第三绝缘层的中心部分对准；

去除所述SOI衬底背面的第一体硅层，刻蚀所述第一绝缘层和所述第二体硅层中位于所述压阻下方的部分，使所述第二体硅层中形成承压膜和质量块，去除所述第一绝缘层和所述暴露的第三绝缘层，以在所述通孔的正下方暴露出部分所述电阻层的上表面。

7.如权利要求1所述的压力传感器件的制作方法，其特征在于，所述第三绝缘层的材质为氧化硅，通过热氧化工艺或沉积工艺制备所述第三绝缘层。

8.如权利要求2所述的压力传感器件的制作方法，其特征在于，于第二绝缘层上制备一层第三体硅层，在所述第三体硅层中掺杂高剂量的硼，形成电阻层。

9.如权利要求1所述的压力传感器件的制作方法，其特征在于，所述金属层的材质为铝。

10.如权利要求2所述的压力传感器件的制作方法，其特征在于，所述金属电极包括第一金属层和第二金属层，所述金属电极的制备为：首先，制备一层第一金属层覆盖所述通孔内所有暴露的表面，继续制备第二金属层覆盖所述第一金属层的表面。

11.如权利要求10所述的压力传感器件的制作方法，其特征在于，所述基座中烧结有金属丝；

在所述基座与所述中间层进行烧结的过程中，每个所述金属丝对应插入一个填充导体后的所述通孔内，所述导体为流体材质。

12.一种压力传感器件的制作方法，应用于MEMS压力传感器件中，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

提供一具有压阻的中间层，并于该中间层的上表面键合一具有通孔的正面玻璃，所述正面玻璃下表面中心位置处形成密封所述压阻的腔体；

将键合有正面玻璃和背面玻璃的中间层高温烧结于一基座内部；

将一内部设置有一背面通孔的背面玻璃键合于所述中间层的下表面上；

其中，所述中间层的背面设置有承压膜和质量块。

13.如权利要求12所述的压力传感器件的制作方法，其特征在于，所述压阻为四个。

14.如权利要求13所述的压力传感器件的制作方法，其特征在于，每个所述压阻均为上下的双层结构，上层为第三绝缘层经过刻蚀后形成，下层为电阻层经过刻蚀后形成。

15.如权利要求13所述的压力传感器件的制作方法，其特征在于，刻蚀去除所述第三绝缘层的中心部分后，继续刻蚀电阻层，以去除电阻层中位于中心部分的部分区域，形成所述压阻。

16.如权利要求12所述的压力传感器件的制作方法，其特征在于，形成所述承压膜和所述质量块的具体方法为：

将所述正面玻璃与所述SOI衬底键合，所述通孔暴露出部分所述第三绝缘层的上表面，所述空腔与所述电阻层和所述第三绝缘层的中心部分对准；

去除所述SOI衬底背面的第一体硅层，刻蚀所述第一绝缘层和所述第二体硅层中位于所述压阻下方的部分，使所述第二体硅层中形成承压膜和质量块，去除所述第一绝缘层和所述暴露的第三绝缘层。

17.如权利要求11所述的压力传感器件的制作方法，其特征在于，所述第三绝缘层的材质为氧化硅，通过热氧化工艺或沉积工艺制备所述第三绝缘层。

18.如权利要求12所述的压力传感器件的制作方法，其特征在于，于第二绝缘层上制备一层第三体硅层，在所述第三体硅层中掺杂高剂量的硼，形成电阻层。

19.如权利要求13所述的压力传感器件的制作方法，其特征在于，所述金属电极包括第一金属层和第二金属层，所述金属电极的制备为：首先，制备一层第一金属层覆盖所述通孔的侧壁表面和底部表面，继续制备第二金属层覆盖所述第一金属层的表面。

20.如权利要求19所述的压力传感器件的制作方法，其特征在于，所述基座中烧结有金属丝；

在所述基座与所述中间层进行烧结的过程中，每个所述金属丝对应插入一个填充导体后的所述通孔，所述导体为流体材质。

21.一种压力传感器件，其特征在于，包括芯片和基座，所述芯片固定连接于所述基座的内部；

所述芯片包括一内部中间设有一空腔和两端设有通孔的正面玻璃、一中间层和一中间设置有一背面通孔的背面玻璃，所述中间层的上、下表面分别与所述正面玻璃的下表面以及背面玻璃的上表面键合；

所述中间层的上表面的中央区域形成有压阻；

所述中间层的下表面的中央区域形成有承压膜和质量块；

所述空腔与所述中间层的中央区域形成一密封腔，所述压阻位于所述密封腔内，承压膜和所述质量块通过所述背面通孔暴露；

所述中间层中包括一电阻层，每个所述通孔均延伸至所述电阻层的上表面，且内部填充有金属电极和导体；

所述基座中包括金属丝，每个所述金属丝的一端插入一个所述通孔内。

22.如权利要求21所述的压力传感器件，其特征在于，所述压阻为四个。

23.如权利要求22所述的压力传感器件，其特征在于，每个所述压阻均为上下双层的结构，其中，上层的材质为绝缘材料，下层的材质为浓硼掺杂的硅。

24.如权利要求22所述的压力传感器件，其特征在于，每个所述压阻为单层的结构，其材质为浓硼掺杂的硅。

25.如权利要求21所述的压力传感器件，其特征在于，所述金属电极包括第一金属层和第二金属层，所述第一金属层覆盖所述通孔的侧壁表面和底部表面，所述第二金属层覆盖所述第一金属层的上表面。

26.如权利要求21所述的压力传感器件，其特征在于，所述第一金属层的材质为钛或镍，所述第二金属层的材质为铂或铬。

27.如权利要求21所述的压力传感器件，其特征在于，所述导体为流体材质。

28.如权利要求27所述的压力传感器件，其特征在于，所述导体为银浆。

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