CN103926028A - 一种应变片的结构设计及制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全桥应变片的结构设计和加工工艺。该全桥应变片的结构设计采用多层硅结构，其包括三层硅和每层硅之间的绝缘层。将多层硅结构加工为全桥应变片的步骤如下：在第一层硅上形成力敏压阻元件及连接电路；然后在力敏压阻元件和连接电路的周围形成物理沟槽，该沟槽贯穿第一层硅、第一层绝缘层和第二层硅；在力敏压阻元件，连接电路和沟槽的表面设置至少一层钝化层；在连接电路端点处的钝化层上开孔，并淀积耐高温金属焊盘从而形成全桥应变片；在第一层硅的上表面涂上抗腐蚀粘结剂并与抗腐蚀陶瓷基板粘结为整体，然后依次去除多层硅结构的第三层硅和第二层绝缘层；最后采用加热或使用有机溶剂溶解的方式将抗腐蚀粘结剂除，使全桥应变片与基板分离。

Description

一种应变片的结构设计及制作工艺

技术领域

本发明涉及到微型半导体应变片领域，具体的说，特别涉及到一种采用多层硅结构以及将其加工为高温高精度全桥应变片的工艺。

背景技术

半导体应变片是利用硅材料的压阻效应开发的力敏传感器的核心部件，主要原理是当应变片受到外力作用时，其电阻发生改变。通过监测其电阻的改变测量应变片周围环境应力的变化。

微电子机械系统又称MEMS（Micro-Electro-Mechanical-System）是目前大规模制造微型高性能器件，如压力传感器，加速度计等的先进技术。采用MEMS技术制造半导体应变片可实现高精度，大批量和低成本。

目前半导体应变片多采用PN结实现力敏压阻元件之间的电隔离。在常温条件下，PN结能有效的防止漏电流的产生，但在高温（一般指大于150度）条件下，PN结的漏电流明显增大，影响了传感器输出的稳定性，甚至导致传感器失效。另一方面，目前的半导体应变片多为单个力敏压阻元件，输出的电信号幅值小，容易受到噪声的干扰。采用4个单独的力敏压阻元件组成惠斯通电桥能有效的提高输出信号的幅值，但由于4个独立力敏压阻元件本身的差异会导致惠斯通电桥零点输出大以及零点温漂大，所以无法满足高精度传感器的要求。

因此，在高温高精度压力传感器领域，特别需要一种新型应变片来解决上述困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多层硅结构应变片，针对现有技术的不足，有效地提高应变片传感器在高温环境中输出信号的温度稳定性，具有低成本、性能优化和实施简单的特点。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种多层硅结构应变片，包括第一层硅、第二层硅和第三层硅；所述第一层硅具有若干力敏压阻元件，所述若干力敏压阻元件通过连接电路组成全桥惠斯通电桥，用于将压力信号转化成电信号；所述第二层硅设置于第一层硅的下方，用于支撑第一硅材料层；在第一层硅和第二层硅之间设有用于隔离两者之间电连接的第一层绝缘层；所述第三层硅设置于第二层硅的下方，用于调整多层硅结构的整体厚度，便于对其的加工；在第二层硅和第三层硅设有第二层绝缘层。

进一步的，所述第一层硅的厚度小于第二层硅和第三层硅，并具有较低的电阻率，用于制作力敏压阻元件。

多层硅结构的生产工艺，包括如下步骤：

1）在第一层硅的下表面设置第一层绝缘层，并与第二层硅健合形成硅-绝缘层-硅的结构；

2）在第二层硅的下表面设置第二层绝缘层，并与第三层硅键合形成硅-绝缘层-硅-绝缘层-硅的多层硅结构。

进一步的，所述步骤2）具有可替换工艺；所述可替换工艺的步骤如下：

在所述第一硅材料层中通过氧离子注入工艺形成绝缘层，该绝缘层将第一层硅分隔为上硅层和下硅层，从而形成硅-绝缘层-硅-绝缘层-硅的多层硅结构。

一种将多层硅结构加工为高温高精度全桥应变片的工艺，包括如下步骤：

（1）在上述多层硅结构的第一层硅上形成力敏压阻元件和连接电路；

（2）采用离子刻蚀或者腐蚀的方法在力敏压阻元件和连接电路的周围形成沟槽，该沟槽贯穿第一层硅、第一层绝缘层和第二层硅，所述沟槽的底部位于第二层硅内；在力敏压阻元件和连接电路的周围设置至少一层钝化层，用于保护力敏压阻元件和连接电路；

（3）在连接电路端点处的钝化层上开孔，在开孔处淀积耐高温金属层并形成焊盘，用于引出电信号；

（4）在多层硅结构第一层硅的上表面涂上抗腐蚀粘结层；

（5）将整个多层硅结构通过粘结层与基板粘结为整体，然后置于硅腐蚀液中，用于将第三层硅去除；

（6）再将第二层绝缘层去除，去除方法开采用湿法化学腐蚀或者等离子刻蚀。

（7）最后采用加热或使用有机溶剂溶解的方式将抗腐蚀粘结层去除，使全桥应变片与基板分离。

进一步的，所述全桥应变片包括4个力敏压阻元件，其通过连接电路形成惠斯通电桥。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1）力敏压阻元件之间距离小于5mm，在工艺上容易保证各力敏压阻元件的物理特性一致，使得传感器的零点输出小，零点温漂小。

2）力敏压阻元件和连接电路之间依靠沟槽完全实现物理隔离，并且应变片与第二层硅材料支撑结构之间依靠绝缘层实现完全电隔离，使得传感器能在高温下稳定工作。

3）第二层绝缘层，用作腐蚀阻挡层，保证了第二硅材料层支撑厚度不受腐蚀影响，提高了应变片的一致性。

附图说明

图1为本发明所述的多层硅结构应变片的结构示意图。

图2为本发明的所述全桥多层硅结构应变片的俯视图。

图3为本发明所述的全桥多层硅结构应变片制造工艺中上表面加工过程示意图。

图4为本发明所述的全桥多层硅结构应变片制造工艺中保护和粘贴过程示意图。

图5为本发明所述的全桥多层硅结构应变片制造工艺中下表面加工过程示意图。

图6为本发明的所述的全桥多层硅结构应变片的侧面剖视图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1所示，本发明采用的多层硅结构，从上倒下包括第一层单晶硅100，第一层绝缘层200，第二层单晶硅300，第二层绝缘层400和第三层单晶硅500。各层的厚度、电阻率、等物理化学性质可以在制造该多层硅结构时按照应变片的性能要求确定。 

在本实施中，第一层单晶硅100为（100）晶向P型单晶硅，厚度为0.3微米- 3微米，厚度控制可采用但不限于机械化学抛光的方式，其偏差为 +/- 0.5微米。电阻率为0.005欧姆·厘米- 0.1欧姆·厘米，可采用但不限于离子注入的方式控制，其电阻率的偏差为+/- 5%。第一层绝缘层200为二氧化硅（SiO2），厚度为0.1微米-5微米，采用热氧化的方式生长并控制厚度。第二层单晶硅300的厚度为2微米-20微米，采用机械化学抛光的方式控制厚度。第二层绝缘层400为二氧化硅，厚度为0.1微米-5微米，采用热氧化的方式生长并控制厚度。第3层单晶硅500的厚度为250微米- 800微米，电阻率无要求。

如图2所示，所述的全桥应变片的在结构上包括4个连接区域（即连接电路）110和4个单独的力敏压阻元件120。连接区域110将4个单独的力敏压阻元件120连接成一个完整的全桥惠斯通电桥。

如图3所示，采用IC工艺或MEMS工艺中的光刻工艺将图2所示结构转移到多层硅结构的第一层单晶硅层100上。沟槽600采用等离子刻蚀技术或湿法腐蚀工艺实现，沟槽穿过第一层硅100，第一层绝缘层200和第二层硅300。在整个多层硅结构的上表面淀积一层绝缘层800用于保护力敏压阻元件和连接电路，绝缘层800的厚度在 0.1微米-3微米。在应变片的连接区域110处开孔，再淀积一层或多层耐高温金属层700用于电信号的输出。金属层700的材料可以但不限于金（Au），钛（Ti），铂（Pt），钨（W）等。金属层700的厚度在0.2微米 – 5微米。

如图4所示，在整个加工过的多层硅结构上表面，即第一层硅的上表面涂抹一层抗腐蚀粘结层900，再将加工过的多层硅结构贴到一块基板1000上。抗腐蚀粘结层900将沟槽600完全填充。抗腐蚀粘结层900的厚度在100微米–5微米。材料可选用但不限于石蜡。基板1000的厚度在1厘米-5厘米，采用的是抗腐蚀材料，可以是但不限于陶瓷。

将基板1000连带多层硅结构进行机械减薄，减薄面为多层硅结构中的第三层单晶硅500，减薄后，第三层单晶硅500的厚度为100微米 - 200微米。将基板1000连带多层硅结构清洗后，放入到硅腐蚀液中进行腐蚀。腐蚀液可以是酸液也可以是碱液。多层硅结构中的第三层单晶硅500直接暴露在腐蚀液中，被全部腐蚀。由于第二层绝缘层400不能被硅腐蚀液腐蚀，腐蚀过程自动停止在第二层绝缘层400。结果如图5 所示。将基板1000连带多层硅结构放入二氧化硅腐蚀液中将第二层绝缘层400去除。

再将抗腐蚀粘结层900去除，去除方式由抗腐蚀粘结层900的物理化学性质决定，可采用加热方式或有机溶剂去除。去除后，应变片与基板1000分离，如图6所示。

以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.采用多层硅结构制造全桥应变片，其特征在于：包括第一层硅、第二层硅和第三层硅；所述第一层硅上形成若干力敏压阻元件，所述若干力敏压阻元件由连接电路组成全桥惠斯通电桥，用于将压力信号转化成电信号；所述第二层硅设置于第一层硅的下方，用于支撑第一层硅并用于调整应变片的厚度；在第一层硅和第二层硅之间设有用于隔离两者之间电连接的第一层绝缘层；所述第三层硅设置于第二层硅的下方，用于调整多层硅结构的整体厚度，便于对多层硅结构的加工；在第二层硅和第三层硅之间设有第二层绝缘层。

2.如权利要求1所述的多层硅结构应变片，其特征在于，每个敏感元件之间存在沟槽和钝化层，将敏感元件之间完全物理隔离，保证高温下无漏电流。

3.如权利要求1所述的多层硅结构应变片，其特征在于，敏感元件与第二层硅之间有一层绝缘层，以保证敏感元件与支撑结构之间的电隔离。

4.如权利要求1所述的多层硅结构应变片，其特征在于，第二层硅和第三层硅之间有一层绝缘层，在本发明中，该绝缘层用于分离第二层硅和第三层硅。

5.如权利要求1所述的多层硅结构应变片，其特征在于，所述力敏压阻元件之间距离很小，以保证敏感元件性质的一致性。

6.一种将多层硅结构加工为高温高精度全桥应变片的工艺，包括如下步骤：

（1）在上述多层硅结构的第一层硅上形成力敏压阻元件和连接电路；

（2）采用离子刻蚀或者腐蚀的方法在力敏压阻元件和连接电路的周围形成沟槽，该沟槽贯穿第一层硅、第一层绝缘层和第二层硅，所述沟槽的底部位于第二层硅内；在力敏压阻元件和连接电路的周围设置至少一层钝化层，用于保护力敏压阻元件和连接电路；

（3）在连接电路端点处的钝化层上开孔，在开孔处淀积耐高温金属层并形成焊盘，用于引出电信号；

（4）在多层硅结构第一层硅的上表面涂上抗腐蚀粘结层；

（5）将整个多层硅结构通过粘结层与基板粘结为整体，然后置于硅腐蚀液中，用于将第三层硅去除；

（6）再将第二层绝缘层去除，去除方法开采用湿法化学腐蚀或者等离子刻蚀;

（7）最后采用加热或使用有机溶剂溶解的方式将抗腐蚀粘结层去除，使全桥应变片与基板分离。