CN109803917B - 用于制造应力解耦的微机械压力传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于制造微机械压力传感器(100)的方法，具有以下步骤：提供具有硅衬底(11)和构造在该硅衬底中的、在传感器膜片(12)下面的第一空腔(13)的MEMS晶片(10)；提供第二晶片(30)；使所述MEMS晶片(10)与所述第二晶片(30)键合；并且使传感器芯(12、13、13a)从背侧开始露出，其中，在传感器芯(12、13、13a)和所述硅衬底(11)的表面之间构造第二空腔(18)，其中，借助蚀刻过程构造所述第二空腔(18)，该蚀刻过程以限定改变的蚀刻参数实施。

Description

用于制造应力解耦的微机械压力传感器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造微机械压力传感器的方法。本发明还涉及一种微机械压力传感器。
背景技术
例如由DE 10 2004 006 197 A1已知微机械压力传感器，在所述微机械传感器中根据传感器膜片的变形测量压力差。
在已知的微机械压力传感器中作为机电换能器使用的半导体电阻不仅接收由于作用到膜片上的压力影响而产生的机械应力，而且也接收由于机械干扰影响而产生的应力。在此，两种最重要的干扰影响如下：
-在构造技术和连接技术(AVT)方面的耦合应力，该耦合应力通过以下因素产生：
-在其上安装有传感器的电路板的变形，
-壳体在温度的影响下、例如由于焊接的变形
-所使用的粘接胶的温度变化特性
-由于覆盖层的温度变化特性而产生的传感器元件的固有应力
所提到的效应可以部分地通过合适的调整、例如在介电覆盖层的情况下克服。金属化以及AVT方面的耦合应力的影响与构件的历史(例如尤其在焊接时/之后的金属蠕变)明显相关。这不能通过在交付组件之前的调整来补偿。
DE 10 2015 116 353 A1公开了一种具有机械解耦的微集成的封装MEMS传感器和为此的制造方法。在此，在SOI衬底上制造的压力传感器通过埋入的氧化物层的蚀刻、例如借助HF气相蚀刻从背侧露出。在此，蚀刻气体的导入通过之前挖到晶片背侧的硅中的进入孔实现。
发明内容
本发明的任务是，提供一种用于具有改善的运行特性的微机械压力传感器的替代制造方法。
根据第一方面，所述任务通过用于制造微机械压力传感器的方法解决，所述方法具有以下步骤：
-提供具有硅衬底和构造在该硅衬底中的、在传感器膜片下面的第一空腔的MEMS晶片；
-提供第二晶片；
-使MEMS晶片与第二晶片键合；
-构造在硅衬底中的传感器膜片；和
-使传感器芯从背侧开始露出，其中，在传感器芯和硅衬底的表面之间构造第二空腔，其中，借助于蚀刻过程构造第二空腔，该蚀刻过程以限定改变的蚀刻参数实施。
以该方式，提供具有全面露出的压力传感器膜片的微机械压力传感器，由此实现有效的应力解耦结构。通过蚀刻状况
Figure GDA0004040726270000021
的改变能够提供为此所需的在硅衬底内部的第二空腔。以该方式同时建立针对污染的有效防护和用于微机械压力传感器的介质入口。以该方式可以强烈减少微机械压力传感器的误差信号，由此改善压力传感器的运行特性。借助与MEMS晶片键合的第二晶片的支承作用能够以舒适的方式实施从背侧开始的整个过程。
根据第二方面，所述任务通过微机械压力传感器解决，所述微机械压力传感器具有：
-构造在硅衬底中的、具有传感器膜片的压力传感器芯，其中，在传感器膜片中构造有第一空腔；
-在硅衬底中在传感器芯上方构造的第二空腔；
-其中，第二空腔借助于蚀刻过程产生，该蚀刻过程的蚀刻参数在蚀刻过程期间已限定地改变。
用于制造微机械压力传感器的所述方法的优选实施方式是从属权利要求的主题。
所述方法的有利扩展方案设置为，为了构造第二空腔，蚀刻过程是具有各向异性的开始和限定各项同性的继续的深反应离子蚀刻过程。以该方式，以有利的方式使用本身已知的蚀刻过程来构造第二空腔。
所述方法的另一有利的扩展方案设置为，为了构造第二空腔，借助于垂直的蚀刻过程产生在硅衬底中的进入开口，其中，垂直的蚀刻过程改变成侧面的蚀刻过程，其中，由侧面的蚀刻过程引起的球形蚀刻前沿共同生长。由此以有利的方式利用本身已知的蚀刻过程的专有特性来提供第二空腔。所述方法的另一有利的扩展方案的特征在于，在深反应离子蚀刻过程之后移除蚀刻过程的钝化和喷涂部分。由此以非常有效的方式采取措施来配合本身已知的、用于实现第二空腔的蚀刻过程。
所述方法的另一有利的扩展方案设置为，整个蚀刻过程从开始限定各项同性地构造。以该方式，有利地提供替代的制造措施。
所述方法的另一有利的扩展方案设置为，借助蚀刻过程从开始构造向下扩宽的、梯形的蚀刻前沿。以该方式，有利地提供向下构造的、梯形扩宽的蚀刻状况，由此有利地简化蚀刻气体的导入。此外，可以由此减少蚀刻时间并且更好地控制整个过程。
所述方法的另一有利的扩展方案设置为，第二晶片是无源的衬底晶片或ASIC晶片。由此有利地实现用于构造第二晶片的不同可能性。
所述方法的另一有利的扩展方案设置为，微机械压力传感器构造为压阻式压力传感器或构造为电容式压力传感器。以该方式，可以实现微机械压力传感器的不同技术类型。
附图说明
下面参照多个附图详细阐释本发明的其他特征和优点。相同的或功能相同的元件具有相同的附图标记。附图尤其被考虑用于阐明本发明重要的原理并且不必按正确比例制作。出于更好的概要性的原因可以设置为，不在所有的附图中画出所有的附图标记。
公开的方法特征类似地由相应公开的设备特征得出，反之亦然。这尤其意味着，关于用于制造微机械压力传感器的方法的特征、技术优点和实施方案以类似的方式由微机械压力传感器的相应实施方案、特征和技术优点得出，反之亦然。
附图示出：
图1-4用于阐释所提出的用于制造微机械压力传感器的方法的横截面视图；
图5和6用于阐释用于制造微机械压力传感器的替代方法的横截面视图；
图7和8所提出的微机械压力传感器的可能的最终加工产物；和
图9用于制造微机械压力传感器的方法的实施方案的原理流程。
具体实施方式
本发明的核心思想是提供用于微机械压力传感器的改善的制造方法。为此提出特定形成的蚀刻方法，该蚀刻方法可以借助简单的、成本有利的硅衬底来实施。以该方式实现有效的应力解耦结构，该应力解耦结构对于微机械压力传感器也实现针对外部颗粒或外部湿气的保护装置。
出于更好的概要性的原因，下面不详细阐释对于本发明不重要的结构或元件。
图1示出具有硅衬底11的第一晶片10的横截面视图，在该硅衬底上布置有介电覆盖层15。在硅衬底11内部构造有第一进入开口14并且还构造有第一空腔13。在第一空腔13下方可以看到块状硅13a。金属化元件16用于在随后建立与第二晶片30的共晶键合连接20。
图2示出图1旋转180度的布置，其中，第一晶片10现在与第二晶片30优选共晶地键合，由此建立键合连接20。第二晶片30可以构造为ASIC晶片或者替代地构造为无源的衬底晶片(未示出)。在ASIC晶片的情况下，第二晶片30包括ASIC衬底31和在其上布置的功能层32。这样形成的堆叠可以被背面减薄(例如通过磨削)，以便缩短在随后的结构化步骤中的加工时间并且以便减小构件高度。
图3示出两个键合的晶片10、30的横截面视图。在下一个步骤中借助光刻产生在硅衬底11中的孔图案。所提到的孔图案随后优选借助于垂直的或各向异性的蚀刻过程来蚀刻，该蚀刻过程优选是以深反应离子蚀刻的形式(英文，deep reactive ion etching，DRIE)。由此构造在硅衬底11中的第二进入开口17。第二进入开口17的蚀刻在硅衬底11的块状硅中停止。该结构化步骤也可以用于在另外的区域中产生大面积的蚀刻孔，所述蚀刻孔例如形成通向键合区域(英文，bondlands)或锯槽的开口。
在进一步的流程中，通过在所提到的DRIE蚀刻过程中以在第二进入开口17的底部上的无定向的或者说各项同性的继续蚀刻来移除钝化和喷涂部分，从而实现下部蚀刻。以该方式，由具有盲孔的区域变成不具有与传感器芯的机械接触的悬置的栅格。在该步骤中可以蚀刻出引线键合区域或者说锯槽区域。
图4示出在构造第二进入开口17期间所提到的、改变的蚀刻状况的结果。可看出，基于改变的蚀刻参数在硅衬底11中共同生长出球形的蚀刻前沿，并且以该方式形成第二空腔18。第二空腔18通过已经在硅衬底11中通过第一进入开口17形成的栅格与剩余的衬底分开。压力传感器芯借助具有电供应管线的弹簧19接合到剩余的衬底上。
结果是，由此通过当前贯穿的第一进入开口14、第二空腔18和贯穿的第二进入开口17对于传感器膜片12形成全面的露出并且由此形成针对外部起作用的机械应力的机械解耦结构。由此，除了压力传感器芯的电输入和机械固定之外，形成压力传感器芯的全面的机械解耦，以便以有利的方式使由芯片边缘作用到压力传感器芯上的机械影响最小化。
在此，优选这样确定第二进入开口17的直径，使得针对压力传感器的介质入口建立合适的入口通道。以该方式，第二进入开口17也实现压力传感器芯的针对颗粒和/或湿气(例如由于溅水)的极为有效的防护。
由此，以简单的方式提供对于所提到的结构所需的空腔，该空腔借助具有在实施期间改变的蚀刻参数的蚀刻过程以第二空腔18的形式实现。可看到，在第二空腔18内部作为各项同性的蚀刻阶段的结果构造有部分球形的面。
图5示出微机械压力传感器100的横截面视图，该微机械压力传感器已按照替代的方法制造。可看到，在这种情况下构造具有均匀扩宽的蚀刻前沿的第二进入开口17，所述蚀刻前沿从硅衬底11的表面向下梯形地扩宽。这可以通过以下方式实现：这样控制上面提到的DRIE过程，使得通过第二进入开口17在衬底背侧上限定的各个蚀刻前沿在所述过程进行中汇聚并且作为整体的蚀刻前沿使压力传感器芯与硅衬底11的背侧或上侧分开。
因此，结果是，第二空腔18与硅衬底11的表面相对地并且在侧面朝外地由梯形的蚀刻前沿形成，如在图6中可看出。结果是，以该方式可以更容易地输入蚀刻气体并且整个蚀刻过程可以有利地容易控制。
图7和8示出随后的用于微机械压力传感器100的最终加工步骤的结果。在图7中表明微机械压力传感器100借助电贯通接触部41和焊球50的电附接。
图8示出以模塑物质注塑的微机械压力传感器100，由此对于微机械压力传感器100提供稳定的和有抗性的壳体。有利地，以该方式提供具有成本有利的、带着硅衬底11的第一晶片10的压力传感器的应力解耦。以该方式，不需要使用成本高的衬底，例如以用于第一MEMS晶片10的SOI衬底的形式。由此可以在制造应力解耦的微机械压力传感器时有利地实现成本优点。
优选地，微机械压力传感器100构造为压阻式压力传感器，但是也可以考虑实现为电容式微机械压力传感器。
图9示出用于制造微机械压力传感器100的方法的原理流程。
在步骤200中提供具有硅衬底11和构造在该硅衬底中的、在传感器硅膜片12下方的第一空腔13的MEMS晶片10。
在步骤210中提供第二晶片30。
在步骤220中实施MEMS晶片10与第二晶片30的键合。
最后，在步骤240中实施传感器芯12、13、13a从背侧开始的露出，其中，在传感器芯12、13、13a和硅衬底11的表面之间构造第二空腔18，其中，第二空腔18借助蚀刻过程构造，该蚀刻过程以限定改变的蚀刻参数实施。
总结而言，通过本发明提出一种用于制造微机械压力传感器的方法，通过所述方法能够以成本有利的方式提供应力解耦结构。这通过在构造在第一晶片内部在压力传感器膜片上方的第二空腔时的蚀刻状况的改变来实现。
尽管前面已参照具体应用示例描述本发明，但本领域技术人员也可以不实现或仅部分地实现本发明公开的实施方式，而不偏离本发明的核心。

Claims (11)

1.用于制造微机械压力传感器(100)的方法，所述方法具有以下步骤：
-提供具有硅衬底(11)和构造在该硅衬底中的、在传感器膜片(12)下面的第一空腔(13)的MEMS晶片(10)；
-提供第二晶片(30)；
-使所述MEMS晶片(10)的下侧与所述第二晶片(30)的上侧键合；并且，
-使具有块状硅(13a)、所述传感器膜片(12)和所述第一空腔(13)的传感器芯(12、13、13a)从所述MEMS晶片(10)的上侧开始露出，其中，在传感器芯(12、13、13a)和所述硅衬底(11)的表面之间构造第二空腔(18)，其中，借助蚀刻过程构造所述第二空腔(18)，该蚀刻过程以与为了构造延伸到所述第二空腔(18)中的进入开口(17)所使用的蚀刻参数相比限定地改变了的蚀刻参数实施。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，为了构造所述第二空腔(18)，所述蚀刻过程是深反应离子蚀刻过程，所述深反应离子蚀刻过程具有各向异性的开始和限定地各项同性的继续。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，为了构造所述第二空腔(18)，借助垂直的蚀刻过程在所述硅衬底(11)中产生进入开口(17)，其中，所述垂直的蚀刻过程改变成侧面的蚀刻过程，其中，由所述侧面的蚀刻过程引起的球形蚀刻前沿共同生长。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述深反应离子蚀刻过程之后移除该蚀刻过程的钝化和喷涂部分。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，整个蚀刻过程从开始就限定地各项同性地构造。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，借助所述蚀刻过程构造向下扩宽的、梯形的蚀刻前沿。
7.根据前述权利要求1或2所述的方法，其中，所述第二晶片(30)是无源的衬底晶片或ASIC晶片。
8.根据前述权利要求1或2所述的方法，其中，所述微机械压力传感器(100)构造为压阻式压力传感器或构造为电容式压力传感器。
9.微机械压力传感器(100)，该微机械压力传感器具有：
-具有硅衬底(11)和构造在该硅衬底中的、在传感器膜片(12)下面的第一空腔(13)的MEMS晶片(10)；
-在所述MEMS晶片(10)的下侧上与所述MEMS晶片(10)键合的第二晶片(30)；
-构造在硅衬底(11)中的、具有块状硅(13a)和传感器膜片(12)的传感器芯(12、13、13a)，其中，在所述传感器膜片(12)中构造有第一空腔(13)；
-构造在所述硅衬底(11)中的、在所述传感器芯(12、13、13a)上方的第二空腔(18)；
-其中，已借助蚀刻过程产生所述第二空腔(18)，该蚀刻过程的蚀刻参数与为了构造延伸到所述第二空腔(18)中的进入开口(17)所使用的蚀刻参数相比已限定地改变。
10.根据权利要求9所述的微机械压力传感器(100)，其特征在于，为了构造所述第二空腔(18)，已借助深反应离子蚀刻过程构造所述微机械压力传感器(100)，所述深反应离子蚀刻过程具有各向异性的开始和限定地各项同性的继续。
11.根据权利要求10所述的微机械压力传感器(100)，其特征在于，所述微机械压力传感器(100)的所述第二空腔(18)是压阻式或电容式压力传感器。
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