CN104236787B - Mems差压传感器芯片及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了MEMS差压传感器芯片包括位于下部的衬底和位于上部的结构层，在衬底顶面设有导压通道，衬底底面设有热隔离空腔，在上部结构层底面设有敏感压力浅腔和基准压力浅腔，上部结构层顶面与敏感压力浅腔和基准压力浅腔之间分别为敏感压力膜和基准压力膜，导压通道连通敏感压力浅腔和基准压力浅腔，在基准压力膜上设置有贯穿基准压力膜的导压孔，在敏感压力膜顶部设有压敏电阻，压敏电阻与金属引线连接。本发明减小了传统差压传感器的封装尺寸，促进了差压传感器的应用。保证了测试结果的精确。减小了封装时热应力对传感器的影响。该发明制造工艺使得衬底与结构层之间连接具有较好的力学性能，制造工艺简单，一致性好。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域，尤其是一种MEMS差压传感器芯片及制作方法。
背景技术
MEMS压力传感器具有体积小、重量轻、成本低、线性度好、重复性高、可靠性高等的特点，是当前压力传感器发展的主流方向，将替代传统各式压力传感器。MEMS差压传感器是MEMS压力传感器发展的一个重要分支，在工业自动化控制、汽车、医疗卫生、气象、消费类电子产品等许多领域有着广泛的应用。但是当前MEMS差压传感器芯片大都是采用背面开孔设计，即通过背面开孔引入基准压力，当芯片正面施加待测压力时，传感器输出差压的大小，这在传感器芯片的封装及应用上有着很大的局限性，不利于差压传感器应用的推广。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出本发明MEMS差压传感器芯片及制作方法，减小了传统差压传感器的封装尺寸，促进了差压传感器的应用。保证了测试结果的精确。减小了封装时热应力对传感器的影响。该发明制造工艺使得衬底与结构层之间连接具有较好的力学性能，制造工艺简单，一致性好，生产效率高。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
MEMS差压传感器芯片，包括位于下部的衬底和位于上部的结构层，
在所述衬底顶面设有导压通道，
在所述上部结构层底面设有敏感压力浅腔和基准压力浅腔，所述上部结构层顶面与所述敏感压力浅腔和所述基准压力浅腔之间分别为敏感压力膜和基准压力膜，
所述导压通道连通所述敏感压力浅腔和所述基准压力浅腔，
在所述基准压力膜上设置有贯穿所述基准压力膜的导压孔，
在所述敏感压力膜顶部设有压敏电阻，所述压敏电阻与金属引线连接。
进一步地，在所述上部结构层顶面覆盖有绝缘隔离层。
进一步地，在所述衬底底面中部设有热隔离腔。
进一步地，包括以下步骤：
A、在所述衬底顶面光刻，定义出所述导压通道图形，
在所述衬底底面光刻，定义出热隔离腔和槽状对准标记，然后利用湿法双面腐蚀形成所述导压通道、所述热隔离腔和所述槽状对准标记；
B、在所述结构层底面上进行光刻，定义出所述敏感压力浅腔和所述基准压力浅腔的图形，然后利用湿法腐蚀形成所述敏感压力浅腔和所述基准压力浅腔；
C、对所述衬底和所述结构层进行键合对准和预键合，然后将预键合后的所述衬底和所述结构层放置在高温退火炉中进行硅硅键合退火，所述衬底与所述结构层之间实现硅硅键合并形成密封；
D、在所述结构层顶面光刻出所述压敏电阻所在区域的图形，注入离子并扩散，形成所述压敏电阻；
E、在所述压敏电阻两端光刻并刻蚀出引线孔，在所述引线孔内溅射金属形成金属层，光刻并腐蚀金属层，形成所述金属引线；
F、在所述基准压力膜上光刻并干法干法刻蚀出所述导压孔。
进一步地，在所述步骤A之前，要选择单晶硅片作为所述衬底，对所述衬底表面进行热氧化形成氧化层；在所述步骤A之后要去除所述氧化层；
在所述步骤B之前，要选择SOI硅片作为所述结构层，对所述结构层进行热氧化形成热氧化层，然后进入LPCVD淀积低应力氮化硅，形成氮化硅层；在所述步骤B之后，要去除所述热氧化层和所述氮化硅层。
进一步地，所述衬底和所述结构层之间进行硅硅键合，形成密封；在所述步骤C之前，要对所述衬底和所述结构层进行兆声波清洗和表面处理。
进一步地，所述硅硅键合退火的温度为1100摄氏度，时间为1小时。
本发明MEMS差压传感器芯片及制作方法，实现了将待测压力与基准压力放置于差压传感器芯片同一面上，该芯片可以采用表贴封装，减小了传统差压传感器的封装尺寸，促进了差压传感器的应用。该发明采用将基准压力膜和敏感压力膜相隔离的设计，保证了测试结果的精确。同时，传感器衬底采用热隔离腔设计，减小了封装时热应力对传感器的影响。该发明采用基于硅硅键合的体硅工艺制造，具有较好的力学性能，制造工艺简单，一致性好，生产效率高。导压通道和热隔离结构利用湿法腐蚀双面同步加工，实现敏感压力膜应力均匀分布并简化加工工艺。
附图说明
图1为本发明所述MEMS差压传感器芯片的主视截面示意图；
图2为本发明所述MEMS差压传感器芯片的俯视示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
如图1和图2所示的MEMS差压传感器芯片，包括位于下部的衬底1和位于上部的结构层2，
在衬底1顶面设有导压通道4，
在上部结构层2底面设有敏感压力浅腔6和基准压力浅腔7，上部结构层2顶面与敏感压力浅腔6和基准压力浅腔7之间分别为敏感压力膜8和基准压力膜10，
导压通道4连通敏感压力浅腔6和基准压力浅腔7，
在基准压力膜10上设置有贯穿基准压力膜10的导压孔9，
在敏感压力膜8顶部设有压敏电阻11，压敏电阻11有四个，环绕敏感压力膜8分布，压敏电阻11与金属引线12连接。
在上部结构层2顶面覆盖有绝缘隔离层13。
在衬底1底面中部设有热隔离腔3，在热隔离腔3外侧设有槽状对准标记5。
MEMS差压传感器芯片的制作方法，包括以下步骤：
A、在衬底1顶面光刻，定义出导压通道4图形，
在衬底1底面光刻，定义出热隔离腔3和槽状对准标记5，然后利用湿法双面腐蚀形成导压通道4、热隔离腔3和槽状对准标记5；
B、在结构层2底面上进行光刻，定义出敏感压力浅腔和基准压力浅腔的图形，然后利用湿法腐蚀形成敏感压力浅腔和基准压力浅腔；定义的图形大小和腐蚀深度的决定了压力敏感膜和基准压力膜10的尺寸和厚度；
C、对衬底1和结构层2进行键合对准和预键合，然后将预键合后的衬底1和结构层2放置在高温退火炉中进行硅硅键合退火，衬底1与结构层2之间密封；
D、在结构层2顶面光刻出压敏电阻11所在区域的图形，注入离子并扩散，形成压敏电阻11；
E、在压敏电阻11两端光刻并刻蚀出引线孔，在引线孔内溅射金属形成金属层(溅射金属，可以是铝、金等，厚度在0.5μm-0.8μm范围)，光刻并腐蚀金属层，形成金属引线12；
F、在基准压力膜10上光刻并干法干法刻蚀出导压孔9。
在步骤A之前，要选择一片<100>晶向的单晶硅片作为衬底1，对衬底1表面进行热氧化形成氧化层；在步骤A之后要去除氧化层；
在步骤B之前，要选择一片N型<100>晶向的SOI硅片作为结构层2，对结构层2进行热氧化形成氧化层，然后进入LPCVD淀积低应力氮化硅，形成氮化硅层，氧化层厚度200nm，氮化硅厚度100nm；在步骤B之后，要去除热氧化层和氧化硅层。
在步骤C之前，要对衬底1和结构层2进行兆声波清洗和表面处理。
在步骤C中，使用SUSS公司的BA6进行键合对准，利用SB6e键合机进行预键合。
硅硅键合退火的温度为1100摄氏度，时间为1小时。
本发明MEMS差压传感器芯片及制作方法，实现了将待测压力与基准压力放置于差压传感器芯片同一面上，该芯片可以采用表贴封装，减小了传统差压传感器的封装尺寸，促进了差压传感器的应用。该发明采用将基准压力膜和敏感压力膜相隔离的设计，保证了测试结果的精确。同时，传感器衬底采用热隔离腔设计，减小了封装时热应力对传感器的影响。该发明采用基于硅硅键合的体硅工艺制造，具有较好的力学性能，制造工艺简单，一致性好，生产效率高。导压通道和热隔离结构利用湿法腐蚀双面同步加工，实现敏感压力膜应力均匀分布并简化加工工艺。
Claims (6)
1.MEMS差压传感器芯片，其特征在于，包括位于下部的衬底和位于上部的结构层，
在所述衬底顶面设有导压通道，
在所述上部结构层底面设有敏感压力浅腔和基准压力浅腔，所述上部结构层顶面与所述敏感压力浅腔和所述基准压力浅腔之间分别为敏感压力膜和基准压力膜，
所述导压通道连通所述敏感压力浅腔和所述基准压力浅腔，
在所述基准压力膜上设置有贯穿所述基准压力膜的导压孔，
在所述敏感压力膜顶部设有压敏电阻，所述压敏电阻与金属引线连接；
在所述衬底底面中部设有热隔离腔。
2.如权利要求1所述MEMS差压传感器芯片，其特征在于，在所述上部结构层顶面覆盖有绝缘隔离层。
3.如权利要求1所述的MEMS差压传感器芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、在所述衬底顶面光刻，定义出所述导压通道图形，
在所述衬底底面光刻，定义出热隔离腔和槽状对准标记，然后利用湿法双面腐蚀形成所述导压通道、所述热隔离腔和所述槽状对准标记；
B、在所述结构层底面上进行光刻，定义出所述敏感压力浅腔和所述基准压力浅腔的图形，然后利用湿法腐蚀形成所述敏感压力浅腔和所述基准压力浅腔；
C、对所述衬底和所述结构层进行键合对准和预键合，然后将预键合后的所述衬底和所述结构层放置在高温退火炉中进行硅硅键合退火，所述衬底与所述结构层之间实现硅硅键合并形成密封；
D、在所述结构层顶面光刻出所述压敏电阻所在区域的图形，注入离子并扩散，形成所述压敏电阻；
E、在所述压敏电阻两端光刻并刻蚀出引线孔，在所述引线孔内溅射金属形成金属层，光刻并腐蚀金属层，形成所述金属引线；
F、在所述基准压力膜上光刻并干法干法刻蚀出所述导压孔。
4.如权利要求3所述MEMS差压传感器芯片的制作方法，其特征在于，在所述步骤A之前，要选择单晶硅片作为所述衬底，对所述衬底表面进行热氧化形成氧化层；在所述步骤A之后要去除所述氧化层；
在所述步骤B之前，要选择SOI硅片作为所述结构层，对所述结构层进行热氧化形成热氧化层，然后进入LPCVD淀积低应力氮化硅，形成氮化硅层；在所述步骤B之后，要去除所述热氧化层和所述氮化硅层。
5.如权利要求3所述MEMS差压传感器芯片的制作方法，其特征在于，在所述步骤C之前，要对所述衬底和所述结构层进行兆声波清洗和表面处理。
6.如权利要求3所述MEMS差压传感器芯片的制作方法，其特征在于，所述硅硅键合退火的温度为1100摄氏度，时间为1小时。
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