CN108458820A - 一种单片硅基微压传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单片硅基微压传感器及其制作方法，通过在硅基片之中的腐蚀坑之中，制作背岛结构，而在背岛结构之中，包括有用于稳定测量的背岛，相对于常见的厚度为400微米左右的微压传感器，本发明的背岛的体积很小，而且背岛底面与硅基片的边框平面距离远远大于5－10微米，所以，本发明的单片硅基微压传感器之中的背岛不会受到硅基片的厚度限制，从而能够提高产出率、降低成本；与传统的E型结构相比，更能够克服大背岛的自重效应，从而提高稳定性；此外，还能够避免出现背岛与玻璃键合而导致器件失效的问题；另外，还能够形成厚度一致性好、灵敏度一致性好的弹性硅膜，从而适宜于大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及传感技术领域，尤其是一种单片硅基微压传感器及其制作方法。
背景技术
微压传感器通常是指小于10Kpa量程的压力传感器。这类传感器要求灵敏度很高，即在很小压强作用下就要有很大的电信号输出。例如用作呼吸传感器时，就要把人体微弱的呼吸信号检测出来。为了达到这个目的，微压传感器中的核心部份，即弹性硅膜需要制作得很薄。把厚度为400微米的硅基片经过集成电路平面工艺，在背面光刻出腐蚀窗口，正面保护，放在硅单晶腐蚀液中腐蚀，使窗口内硅单晶厚度从400微米减小到仅10微米左右。
目前国际或国内市场销售的微压传感器有二种结构：C型结构和E型结构。
C型结构的示意图如图1所示，硅基片的正面设置有惠斯通电桥，其背面设置有腐蚀坑，该腐蚀坑使得硅基片形成一层弹性硅膜，当正面或背面受压时，惠斯通电桥中的二个电阻阻值变大，二个电阻阻值变小，从而产生与压强成正比的电信号输出。C型结构的最大缺点是当传感器量程小到一定程度时，弹性硅膜必须很薄，才能保证足够高的灵敏度，这时C型结构的大绕度效应成为突出的矛盾，使传感器的非线性指标变大，测量精度迅速下降。为了解决C型结构的问题，产生了E型结构。
E型结构的示意图如图2所示，E型结构与C型结构的主要区别是，在腐蚀坑之中设置有一大背岛，该大背岛的底面与硅基片的边框平面距离为5－10微米。由于大背岛是一个坚硬结构，当传感器的弹性硅膜受压时大背岛不会变形，因此认为背岛区域内应力不发生变化，而在大背岛周围的弹性硅膜区域内应力形成一个线性变化，保证惠斯通电桥在应力作用下产生线性的电信号输出。但E型结构存在以下缺点：(1)大背岛占据很大面积，为了获得良好的效果，需要微压传感器芯片的面积很大，导致产出率变低；(2)由于大背岛的面积大，因此其自重效应不能忽略，形成一个随着微压传感器的位置变化而发生变化的较大值的固有零点输出信号，从而影响测量的稳定性；(3)芯片与玻璃进行阳极键合时，大背岛顶部与玻璃间隙仅有5－10微米，会产生很大的静电库仑力，把大背岛拉向坡璃表面，造成大背岛与玻璃键合在一起，使器件失效；(4)由于仅在大背岛的底面设置有二氧化硅层，因此腐蚀硅基片时很难控制弹性硅膜的形成厚度，产出率低，不适宜大规模生产。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种单片硅基微压传感器及其制作方法，通过设置新型的背岛结构，不仅不再受到硅基片的厚度限制，从而提高产出率、降低成本；并且能够克服大背岛的自重效应，提高稳定性；另外，还能够避免出现背岛与玻璃键合而导致器件失效的问题；此外，由于该背岛结构具有腐蚀自终止结构，因此能够形成厚度一致性好、灵敏度一致性好的弹性硅膜，从而适宜于大规模生产。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：
一种单片硅基微压传感器，包括硅片主体，硅片主体包括相互键合于一起的硅基片和弹性硅膜，硅基片和弹性硅膜之间设置有第一二氧化硅层，硅基片之中设置有腐蚀坑，腐蚀坑之中设置有背岛结构，背岛结构包括用于稳定测量的背岛和包裹背岛设置的腐蚀自终止结构。
进一步，腐蚀自终止结构包括第二二氧化硅层和第一二氧化硅层，背岛设置于第一二氧化硅层之上并被第一二氧化硅层和第二二氧化硅层所包裹。
进一步，硅基片于腐蚀坑表面之外的表面处，以及弹性硅膜的表面处，均设置有二氧化硅保护膜。
进一步，弹性硅膜的表面处还设置有惠斯通电桥。
进一步，惠斯通电桥包括4个桥路电阻和从桥路电阻中引出的铝引线。
进一步，桥路电阻设置于弹性硅膜之中，并与铝引线分别设置于二氧化硅保护膜的两侧。
一种制作单片硅基微压传感器的方法，包括以下步骤：
S1、在硅基片的两面热氧化覆盖耐KOH腐蚀的二氧化硅保护膜；
S2、在硅基片的背面覆盖用于保护的光刻胶，在硅基片的正面利用光刻技术刻蚀背岛窗口区；
S3、用四甲基氢氧化铵腐蚀液腐蚀背岛窗口区内暴露的硅基片部分，形成深度为60－80微米的腐蚀坑；
S4、用热氧化工艺在腐蚀坑的表面生长第二二氧化硅层；
S5、用反外延工艺在第二二氧化硅层的表面淀积厚度大于100微米的多晶硅层并填满腐蚀坑；
S6、用减薄抛光工艺把硅基片的正面形成平整光洁的表面，构成中间硅基片；
S7、把一面热生长有第一二氧化硅层的第二硅基片与中间硅基片进行键合形成雏形硅片；
S8、对键合后的第二硅基片进行减薄抛光处理，形成厚度为10微米的弹性硅膜；
S9、在弹性硅膜的表面热生长二氧化硅保护膜；
S10、在弹性硅膜表面的二氧化硅保护膜之上光刻4个电阻区，并分别在4个电阻区之内利用离子束注入硼离子；
S11、把注有硼离子的雏形硅片在1000℃的温度条件下通入氮气退火30分钟，并在1100℃的温度条件下通入干氧进行再分布，在雏形硅片之上形成4个桥路电阻；
S12、在4个桥路电阻的端头，用光刻工艺光刻出引线孔；
S13、在雏形硅片的正面淀积铝膜，并把铝膜腐蚀成能够通过引线孔与桥路电阻相连接的铝引线，使4个桥路电阻构成惠斯通电路；
S14、在雏形硅片的背面光刻方形开孔区；
S15、利用KOH腐蚀液对方形开孔区之中的硅基片部分进行腐蚀，直至腐蚀到腐蚀自终止结构，形成具有厚度为60－80微米的背岛的硅片主体。
进一步，步骤S13中，在雏形硅片的正面淀积铝膜，并把铝膜腐蚀成能够通过引线孔与桥路电阻相连接的铝引线，使4个桥路电阻构成惠斯通电路，包括以下步骤：
A1、在引线孔内用离子注入工艺或热扩散工艺扩散入硼离子，在引线孔内形成一薄层电阻；
A2、利用汽相淀积法在雏形硅片的正面及背面同时淀积氮化硅薄膜；
A3、重新套刻引线孔表面的氮化硅薄膜和二氧化硅保护膜，暴露引线孔内部的弹性硅膜的表面；
A4、在雏形硅片的正面淀积铝膜，并在铝膜表面根据铝引线的路径覆盖光刻胶；
A5、利用热磷酸对铝膜进行腐蚀，形成连接4个桥路电阻的铝引线，使4个桥路电阻构成惠斯通电路。
本发明的有益效果是：一种单片硅基微压传感器及其制作方法，设置在硅基片之中的腐蚀坑之中，设置有背岛结构，而在背岛结构之中，包括有用于稳定测量的背岛和包裹背岛设置的腐蚀自终止结构，由于背岛的大小会影响测量的稳定性，例如传统的E型结构所存在的问题，因此背岛的大小必须能够设置在适合的大小，而本发明的单片硅基微压传感器之中，由于背岛被腐蚀自终止结构所包裹，因此只需调节腐蚀自终止结构所包裹的范围大小，硅基片在被腐蚀时，腐蚀到腐蚀自终止结构之后，腐蚀会自动停止，因此能够灵活准确设置背岛的大小，从而能够使背岛不会受到硅基片的厚度限制，从而能够提高产出率、降低成本；而正由于背岛的体积能够被制作得很小，与传统的E型结构相比，更能够克服大背岛的自重效应，从而提高稳定性；此外，本发明的单片硅基微压传感器，还能够避免出现背岛与玻璃键合而导致器件失效的问题；另外，由于背岛的周围被腐蚀自终止结构所包裹，因此能够形成厚度一致性好、灵敏度一致性好的弹性硅膜，从而适宜于大规模生产。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1是C型结构的示意图；
图2是E型结构的示意图；
图3是本发明的单片硅基微压传感器的示意图；
图4(a)-(o)是本发明的单片硅基微压传感器的制作流程图。
具体实施方式
参照图3，本发明的一种单片硅基微压传感器，包括硅片主体，硅片主体包括相互键合于一起的硅基片1和弹性硅膜2，硅基片1和弹性硅膜2之间设置有第一二氧化硅层3，硅基片1之中设置有腐蚀坑4，腐蚀坑4之中设置有背岛结构，背岛结构包括用于稳定测量的背岛5和包裹背岛5设置的腐蚀自终止结构，其中，背岛5的厚度范围为60－80微米。具体地，设置在硅基片1之中的腐蚀坑4之中，设置有背岛结构，而在背岛结构之中，包括有用于稳定测量的背岛5和包裹背岛5设置的腐蚀自终止结构，由于背岛5的大小会影响测量的稳定性，例如传统的E型结构所存在的问题，因此背岛5的大小必须能够设置在适合的大小，而本发明的单片硅基微压传感器之中，由于背岛5被腐蚀自终止结构所包裹，因此只需调节腐蚀自终止结构所包裹的范围大小，硅基片1在被腐蚀时，腐蚀到腐蚀自终止结构之后，腐蚀会自动停止，因此能够灵活准确设置背岛5的大小，从而能够使背岛5不会受到硅基片1的厚度限制，从而能够提高产出率、降低成本；而正由于背岛5的体积能够被制作得很小，与传统的E型结构相比，更能够克服大背岛的自重效应，从而提高稳定性；此外，本发明的单片硅基微压传感器，还能够避免出现背岛5与玻璃键合而导致器件失效的问题；另外，由于背岛5的周围被腐蚀自终止结构所包裹，因此能够形成厚度一致性好、灵敏度一致性好的弹性硅膜2，从而适宜于大规模生产。
其中，参照图3，腐蚀自终止结构包括第二二氧化硅层6和第一二氧化硅层3，背岛5设置于第一二氧化硅层3之上并被第一二氧化硅层3和第二二氧化硅层6所包裹。具体地，归属于腐蚀自终止结构的第一二氧化硅层3，设置在硅基片1和弹性硅膜2之间，因此第一二氧化硅层3能够对弹性硅膜2进行良好的保护，从而使得形成的弹性硅膜2具有良好的厚度一致性及灵敏度一致性。而背岛5设置于第一二氧化硅层3之上并被第一二氧化硅层3和第二二氧化硅层6所包裹，其中，第一二氧化硅层3和第二二氧化硅层6的厚度均为其中，因此，第二二氧化硅层6的厚度很薄，从而不会额外增加硅片主体的厚度，并且不会增加背岛5的体积及重量；而在第一二氧化硅层3和第二二氧化硅层6的共同作用下，背岛5能够不被外部的物质所腐蚀，使得所形成的背岛5能够解决传统C型结构所带来的问题。此外，由于存在腐蚀自终止结构，因此对硅基片1进行腐蚀而形成背岛5时，腐蚀液腐蚀到第一二氧化硅层3和第二二氧化硅层6之后，会自然终止腐蚀，从而形成规格一致性高的背岛5。
其中，参照图3，硅基片1于腐蚀坑4表面之外的表面处，以及弹性硅膜2的表面处，均设置有二氧化硅保护膜7。具体地，二氧化硅保护膜7能够对硅片主体起到良好的保护作用，从而能够避免硅片主体受到外界的腐蚀而出现导致器件失效的问题。
其中，参照图3，弹性硅膜2的表面处还设置有惠斯通电桥；其中，惠斯通电桥包括4个桥路电阻和从桥路电阻中引出的铝引线；桥路电阻设置于弹性硅膜2之中，并与铝引线分别设置于二氧化硅保护膜7的两侧。具体地，弹性硅膜2的厚度为10微米左右，由于存在腐蚀自终止结构，因此能够很好地控制弹性硅膜2的制作厚度，从而使得弹性硅膜2的厚度能够被制作成10微米左右，从而符合单片硅基微压传感器关于高灵敏度的性能要求。因此，当微弱的压强作用于弹性硅膜2之上时，4个桥路电阻会对应地发生阻值变化，其中2个桥路电阻的阻值会变大，而另2个桥路电阻的阻值则会变小，从而通过铝引线输出与压强成正比的电信号。
一种制作单片硅基微压传感器的方法，参照图4(a)－(o)，包括以下步骤：
S1、在硅基片1的两面热氧化覆盖耐KOH腐蚀的二氧化硅保护膜7；其中，硅基片1采用面积为4英寸或6英寸的双面抛光大圆片，厚度为400微米左右，晶面指数为(100)，电阻率为2－8Ω·cm；
S2、在硅基片1的背面覆盖用于保护的光刻胶，在硅基片1的正面利用光刻技术刻蚀背岛窗口区；
S3、用四甲基氢氧化铵腐蚀液腐蚀背岛窗口区内暴露的硅基片1部分，形成深度为60－80微米的腐蚀坑4；
S4、用热氧化工艺在腐蚀坑4的表面生长第二二氧化硅层6；其中，第二二氧化硅层6的厚度为
S5、用反外延工艺在第二二氧化硅层6的表面淀积厚度大于100微米的多晶硅层并填满腐蚀坑4；
S6、用减薄抛光工艺把硅基片1的正面形成平整光洁的表面，构成中间硅基片；
S7、把一面热生长有第一二氧化硅层3的第二硅基片与中间硅基片进行键合形成雏形硅片；
S8、对键合后的第二硅基片进行减薄抛光处理，形成厚度为10微米的弹性硅膜2；
S9、在弹性硅膜2的表面热生长二氧化硅保护膜7；其中，二氧化硅保护膜7的厚度为
S10、在弹性硅膜2表面的二氧化硅保护膜7之上光刻4个电阻区，并分别在4个电阻区之内利用离子束注入硼离子；其中，用于向4个电阻区之内注入硼离子的离子束的能量为100Kev，剂量为1.4E14/cm2；而所注入的硼离子为P型杂质硼离子；
S11、把注有硼离子的雏形硅片在1000℃的温度条件下通入氮气退火30分钟，并在1100℃的温度条件下通入干氧进行再分布，在雏形硅片之上形成4个桥路电阻；具体地，对注有硼离子的雏形硅片进行退火30分钟，能够激活注入的硼离子并使其取代硅原子晶格中的空格点，从而能够提供空穴载流子；接着，把温度升高至1100℃，并通入干氧进行再分布，时间持续为120分钟，此时，4个电阻区的结深能够达到2.8－3微米，使得形成的4个桥路电阻的阻值为240Ω/□，即每个方块的欧姆数为240；
S12、在4个桥路电阻的端头，用光刻工艺光刻出引线孔；
S13、在雏形硅片的正面淀积铝膜，并把铝膜腐蚀成能够通过引线孔与桥路电阻相连接的铝引线，使4个桥路电阻构成惠斯通电路；其中，铝膜的厚度为1.2微米；
S14、在雏形硅片的背面光刻方形开孔区；
S15、利用KOH腐蚀液对方形开孔区之中的硅基片1部分进行腐蚀，直至腐蚀到腐蚀自终止结构，形成具有厚度为60－80微米的背岛5的硅片主体；具体地，KOH腐蚀液的浓度为40％，完成腐蚀后的硅片主体具有厚度为60－80微米的背岛5以及厚度为10微米左右的弹性硅膜2。
进一步，步骤S13中，在雏形硅片的正面淀积铝膜，并把铝膜腐蚀成能够通过引线孔与桥路电阻相连接的铝引线，使4个桥路电阻构成惠斯通电路，包括以下步骤：
A1、在引线孔内用离子注入工艺或热扩散工艺扩散入硼离子，在引线孔内形成一薄层电阻；具体地，薄层电阻的阻值为8－20Ω/□；
A2、利用汽相淀积法在雏形硅片的正面及背面同时淀积氮化硅薄膜；具体地，氮化硅薄膜的厚度为
A3、重新套刻引线孔表面的氮化硅薄膜和二氧化硅保护膜7，暴露引线孔内部的弹性硅膜2的表面；
A4、在雏形硅片的正面淀积铝膜，并在铝膜表面根据铝引线的路径覆盖光刻胶；
A5、利用热磷酸对铝膜进行腐蚀，把不需要的铝膜用热磷酸腐蚀掉，而需要的铝膜则会被光刻胶保护并被保留下来，从而形成连接4个桥路电阻的铝引线，使4个桥路电阻构成惠斯通电路。
本发明的制作单片硅基微压传感器的方法，不仅使用到了外延工艺、氧化工艺、光刻工艺、离子注入工艺和蒸发工艺等常规的平面工艺，并且使用了硅－硅键合工艺、减薄抛光工艺和KOH溶液湿法腐蚀工艺等，上述的工艺都是目前的成熟工艺技术，因此这里不再赘述。
本发明的单片硅基微压传感器，具有比现有微压传感器中的大背岛更薄并且更小面积的背岛5，因此本发明的单片硅基微压传感器具有以下的有益效果：
(1)与现有微压传感器在相同厚度的弹性硅膜2的条件下，硅片主体的面积小很多，同一片大圆片的差出率高很多，从而降低了成本；
(2)本发明中单片硅基微压传感器的背岛5的厚度仅是E型结构中大背岛的厚度的1/10，因此能够克服背岛5的自重效应，增加了单片硅基微压传感器的稳定性；
(3)由于背岛5的底面离玻璃的表面距离很大，达300微米以上，因此在与玻璃静电键合时产生的静电库仑力要小很多，从而不会产生粘结现象；
(4)在本发明的单片硅基微压传感器中，由于在弹性硅膜2底部设置有厚度为的第一二氧化硅层3，因此具有腐蚀自终止的效果，保证了弹性硅膜2的厚度的一致性，使得本发明的单片硅基微压传感器在生产过程中，其灵敏度一致性比现有的微压传感器要好。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (8)
1.一种单片硅基微压传感器，其特征在于：包括硅片主体，所述硅片主体包括相互键合于一起的硅基片(1)和弹性硅膜(2)，所述硅基片(1)和弹性硅膜(2)之间设置有第一二氧化硅层(3)，所述硅基片(1)之中设置有腐蚀坑(4)，所述腐蚀坑(4)之中设置有背岛结构，所述背岛结构包括用于稳定测量的背岛(5)和包裹所述背岛(5)设置的腐蚀自终止结构。
2.根据权利要求1所述的一种单片硅基微压传感器，其特征在于：所述腐蚀自终止结构包括第二二氧化硅层(6)和所述的第一二氧化硅层(3)，所述背岛(5)设置于所述第一二氧化硅层(3)之上并被所述第一二氧化硅层(3)和第二二氧化硅层(6)所包裹。
3.根据权利要求1所述的一种单片硅基微压传感器，其特征在于：所述硅基片(1)于所述腐蚀坑(4)表面之外的表面处，以及所述弹性硅膜(2)的表面处，均设置有二氧化硅保护膜(7)。
4.根据权利要求3所述的一种单片硅基微压传感器，其特征在于：所述弹性硅膜(2)的表面处还设置有惠斯通电桥。
5.根据权利要求4所述的一种单片硅基微压传感器，其特征在于：所述惠斯通电桥包括4个桥路电阻和从所述桥路电阻中引出的铝引线。
6.根据权利要求5所述的一种单片硅基微压传感器，其特征在于：所述桥路电阻设置于所述弹性硅膜(2)之中，并与所述铝引线分别设置于所述二氧化硅保护膜(7)的两侧。
7.一种制作权利要求1－6任一所述的一种单片硅基微压传感器的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、在硅基片(1)的两面热氧化覆盖耐KOH腐蚀的二氧化硅保护膜(7)；
S2、在硅基片(1)的背面覆盖用于保护的光刻胶，在硅基片(1)的正面利用光刻技术刻蚀背岛窗口区；
S3、用四甲基氢氧化铵腐蚀液腐蚀背岛窗口区内暴露的硅基片(1)部分，形成深度为60－80微米的腐蚀坑(4)；
S4、用热氧化工艺在腐蚀坑(4)的表面生长第二二氧化硅层(6)；
S5、用反外延工艺在第二二氧化硅层(6)的表面淀积厚度大于100微米的多晶硅层并填满腐蚀坑(4)；
S6、用减薄抛光工艺把硅基片(1)的正面形成平整光洁的表面，构成中间硅基片；
S7、把一面热生长有第一二氧化硅层(3)的第二硅基片与中间硅基片进行键合形成雏形硅片；
S8、对键合后的第二硅基片进行减薄抛光处理，形成厚度为10微米的弹性硅膜(2)；
S9、在弹性硅膜(2)的表面热生长二氧化硅保护膜(7)；
S10、在弹性硅膜(2)表面的二氧化硅保护膜(7)之上光刻4个电阻区，并分别在4个电阻区之内利用离子束注入硼离子；
S11、把注有硼离子的雏形硅片在1000℃的温度条件下通入氮气退火30分钟，并在1100℃的温度条件下通入干氧进行再分布，在雏形硅片之上形成4个桥路电阻；
S12、在4个桥路电阻的端头，用光刻工艺光刻出引线孔；
S13、在雏形硅片的正面淀积铝膜，并把铝膜腐蚀成能够通过引线孔与桥路电阻相连接的铝引线，使4个桥路电阻构成惠斯通电路；
S14、在雏形硅片的背面光刻方形开孔区；
S15、利用KOH腐蚀液对方形开孔区之中的硅基片(1)部分进行腐蚀，直至腐蚀到腐蚀自终止结构，形成具有厚度为60－80微米的背岛(5)的硅片主体。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤S13中，在雏形硅片的正面淀积铝膜，并把铝膜腐蚀成能够通过引线孔与桥路电阻相连接的铝引线，使4个桥路电阻构成惠斯通电路，包括以下步骤：
A1、在引线孔内用离子注入工艺或热扩散工艺扩散入硼离子，在引线孔内形成一薄层电阻；
A2、利用汽相淀积法在雏形硅片的正面及背面同时淀积氮化硅薄膜；
A3、重新套刻引线孔表面的氮化硅薄膜和二氧化硅保护膜(7)，暴露引线孔内部的弹性硅膜(2)的表面；
A4、在雏形硅片的正面淀积铝膜，并在铝膜表面根据铝引线的路径覆盖光刻胶；
A5、利用热磷酸对铝膜进行腐蚀，形成连接4个桥路电阻的铝引线，使4个桥路电阻构成惠斯通电路。
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