CN110073191B - 压力传感器装置和用于制造压力传感器装置的方法 - Google Patents

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Abstract

压力传感器装置(10)包括衬底主体(11)、包括膜(13)的压力传感器(12)、以及包括至少一个开口(15)的盖体(14)。压力传感器(12)在垂直方向(z)上布置在衬底主体(11)和盖体(14)之间，垂直方向(z)垂直于衬底主体(11)的主延伸平面，并且，衬底主体(11)的质量大约等于盖体(14)的质量。此外，提供了一种用于制造压力传感器装置(10)的方法。

Description

压力传感器装置和用于制造压力传感器装置的方法
本申请涉及一种压力传感器装置和一种用于制造压力传感器装置的方法。
压力传感器对应力敏感，因此需要保护其免受可能由，例如机械变形引起的不期望的应力。如果压力传感器布置在芯片上，则可能由于芯片的不同部分的不同热膨胀系数而引起应力。而且，如果压力传感器的处理涉及加热和凝固步骤，则可能会在压力传感器上施加附加应力。作为另一示例，如果压力传感器布置在装置中，则可能出现装置的机械力并在压力传感器上引起应力。期望保持压力传感器的校准条件，这意味着应该避免附加应力，以保证压力传感器的正确压力读数。
例如，能够通过使用能够是基于硅树脂的柔顺层来避免在压力传感器上引起附加应力。这些层能够用于平面网格阵列封装中。然而，柔顺层的使用增加了装置的总厚度，并且装置的包装通常大于压力传感器的占位面积。
本发明目的在于提供一种具有提高的压力感测精度的压力传感器装置。本发明的目的还在于提供一种用于制造这种具有提高精度的压力传感器装置的方法。
该目的通过独立权利要求实现。另外的实施例是从属权利要求的主题。
在压力传感器装置的一个实施例中，压力传感器装置包括衬底主体。衬底主体可以是晶片、衬底或松散材料，并且其能够包括硅或玻璃。衬底主体能够包括互补金属氧化物半导体装置和衬底。压力传感器装置还包括压力传感器，该压力传感器包括膜。压力传感器布置在衬底主体之上，例如布置在互补金属氧化物半导体装置之上。压力传感器还能够包括膜下方的腔。
在一个实施例中，压力传感器装置包括盖体，该盖体包括至少一个开口。盖体能够包括硅或玻璃，并且能够与衬底主体具有相同的材料。盖体和衬底主体也可以包括不同的材料。盖体和衬底主体能够包括具有相似热膨胀系数的材料。盖体能够是布置在压力传感器之上的晶片、衬底或松散材料。这意味着盖体布置在压力传感器的背离衬底主体的一侧上。盖体中的开口能够通过深反应离子蚀刻结合研磨形成。开口的直径或横向延伸能够达到，例如约800μm。有利地，与盖体的横向延伸相比，开口的直径或横向延伸较小。
在压力传感器装置的一个实施例中，压力传感器在垂直方向上布置在衬底主体和盖体之间，该垂直方向垂直于衬底主体的主延伸平面，并且衬底主体的质量大约等于盖体的质量。衬底主体的主延伸平面在衬底主体的横向方向上延伸。衬底主体的厚度在垂直方向上给出，并且与衬底主体的横向延伸相比，衬底主体的厚度较小。这意味着，垂直方向对应于压力传感器装置的堆叠方向。这意味着，压力传感器在堆叠方向上布置在衬底主体之上，并且盖体在堆叠方向上布置在压力传感器之上。衬底主体的质量例如能够至少达到盖体质量的80％，至多能够达到盖体质量的120％。优选地，衬底主体的质量能够至少达到盖体质量的90％，至多能够达到盖体质量的110％。更优选地，衬底主体的质量能够至少达到盖体质量的95％，至多能够达到盖体质量的105％。这意味着，衬底主体和盖体的质量在制造公差内大致相等。
如果衬底主体和盖体的质量大致相等，当受到外部施加的、机械或热引起的变形时，压力传感器或压力传感器的膜位于最小机械应力变化的平面中。这意味着，装置中存在最小应力平面。有利地，压力传感器的膜位于压力传感器装置中的最小应力平面中。
在将盖体附接在压力传感器和衬底主体上之前，能够对盖体进行图案化处理。例如，能够在盖体中形成凹部，使得盖体不与压力传感器的膜直接接触。为了保持衬底主体和盖体的质量大致相等，由于盖体中的开口，盖体需要比衬底主体更厚。盖体的开口能够具有盖体横向延伸的大约三分之一的横向延伸。在这种情况下，盖体需要比衬底主体更厚，以将压力传感器定位在压力传感器装置的最小应力平面中。盖体的开口的横向延伸也可以大于压力传感器的膜的横向延伸。因此，盖体的厚度取决于盖体中的开口的横向延伸。
如果衬底主体对于光或电磁辐射是透明的，则光学传感器可以有利地邻近压力传感器集成在装置中。
通过将压力传感器定位在最小应力平面中，压力传感器受到保护以免受可能由，例如压力传感器装置和压力传感器安装在其上的底层印刷电路板的不同热膨胀系数引起的应变。压力传感器还能够被保护以免受由压力传感器装置的其他部分或压力传感器装置的周围环境引起的附加应力。如果通过将压力传感器设置在最小应力平面中来最小化压力传感器上的附加应力，则压力传感器能够在与压力传感器校准期间相同的条件下运行，因此保证了正确和更精确的压力读数。
此外，通过将盖体定位在压力传感器之上，增加了压力传感器装置的厚度，使得衬底主体能够足够薄以允许从衬底主体的底侧进行处理，其中，衬底主体的底侧背离压力传感器。这意味着能够在衬底主体中蚀刻硅通孔，以从压力传感器的背离盖体的背面电接触压力传感器。此外，可以在处理步骤之后释放压力传感器的膜，该处理步骤能够包括蚀刻硅通孔，这避免了在处理步骤期间潜在的膜破裂。另外，采用盖体和衬底主体允许有效地包装压力传感器，因为不需要柔性层或胶层来使膜脱离。因此，能够减小包装的厚度以及包装的占位面积。例如，包装的厚度能够为300μm至600μm，并且包装的占位面积能够为1mm2至2mm2。此外，能够降低包装的组装成本。
在一个实施例中，压力传感器装置包括衬底主体、包括膜的压力传感器、以及包括至少一个开口的盖体。压力传感器在垂直方向上布置在衬底主体和盖体之间，该垂直方向垂直于衬底主体的主延伸平面，并且衬底主体的质量大约等于盖体的质量。
在压力传感器装置的一个实施例中，衬底主体的质量至少为盖体质量的95％，至多为盖体质量的105％。这意味着盖体和衬底主体的质量大致相等，使得压力传感器位于压力传感器装置的最小应力平面中。衬底主体的质量也可以至少达到盖体质量的80％，至多达到盖体质量的120％。优选地，衬底主体的质量至少达到盖体质量的90％，至多达到盖体质量的110％。
在压力传感器装置的一个实施例中，压力传感器包括电容式压力传感器，该电容式压力传感器包括在膜下方的腔。压力传感器例如能够通过在底部电极上方提供牺牲层和导电通孔来制成，所述导电通孔围绕应该是压力传感器的腔的区域布置。顶部电极能够沉积在牺牲层和导电通孔之上，并且顶部电极能够被图案化以形成膜。通过膜中的蚀刻孔蚀刻掉牺牲层，使得在膜的下方形成腔。膜能够通过氮化硅的等离子体增强化学气相沉积来密封，氮化硅能够是富硅的、或氮化硅和氧化硅，使得在膜之上形成压缩膜。有利地，压缩膜对于气体从周围进入腔具有低渗透性。
在压力传感器装置的一个实施例中，衬底主体包括至少一个垂直的导电通孔和/或压力传感器装置是可表面安装的。在这种情况下，垂直是指沿着垂直方向，这意味着导电通孔从衬底主体的底侧延伸，该底侧在压力传感器的方向上背离压力传感器。导电通孔电接触压力传感器或另一电接触部，例如，互补金属氧化物半导体装置的接触部。导电通孔能够是硅通孔，其通过对衬底主体进行图案化而形成，例如通过蚀刻。在衬底主体中图案化的沟槽能够涂覆有隔离材料并且能够涂覆有导电材料以接触压力传感器。
导电通孔的导电材料能够包括钛和/或氮化钛和钨或钽和/或氮化钽和铜。为了在衬底主体中形成导电通孔，衬底主体能够被减薄至，例如100μm到200μm。由于盖体布置在压力传感器之上，因此可以使衬底主体变薄，使得能够形成导电通孔。这样，压力传感器装置能够是可表面安装的。可表面安装意味着能够从衬底主体的底侧电接触压力传感器装置。能够通过焊球在衬底主体的底侧电接触导电通孔。
在压力传感器装置的一个实施例中，压力传感器位于集成电路之上。集成电路能够是互补金属氧化物半导体装置。这样，由于压力传感器布置在集成电路之上，因此能够减小装置的总尺寸。
在压力传感器装置的一个实施例中，顶层在压力传感器朝向盖体的一侧覆盖压力传感器，顶层和盖体通过直接接合连接。顶层能够在释放膜之前沉积在压力传感器上。顶层能够包括，例如接合氧化物，并且其能够是例如2μm至3μm厚。顶层能够包括二氧化硅和/或氮化硅。直接接合的优点在于，能够在盖体和顶层之间形成非常刚性的连接，并且接合与能够在压力传感器装置的加工过程中采用的高温相容。
对于刚性连接，重要的是顶层的表面是形貌平坦的。因此，在与盖体连接之前，能够通过化学机械抛光使顶层的表面平坦化。顶层和盖体之间良好的机械耦接和连接刚性对于压力传感器的膜平面中的应力补偿是重要的。如果顶层和盖体之间的连接刚性不够大，则应变不能传递到盖体上，并且最小应力平面的限定不太明确。因此，连接的刚性也能够影响盖体和衬底主体的所需厚度。顶层和盖体也可以通过胶连接。
如果顶层包含金属，则其能够通过共晶接合与盖体连接。共晶接合是非常稳定的接合，并且在高温下也是稳定的。因此，在共晶接合的情况下，其他处理步骤，例如在衬底主体中形成具有钨的导电通孔是可能的。
在压力传感器装置的一个实施例中，顶层包括至少一个导电壁，该导电壁围绕开口布置在压力传感器之上并且与压力传感器和盖体直接接触。顶层能够包括一个或更多个导电壁。导电壁布置成保护顶层免受腔的蚀刻，使得顶层布置在盖体和衬底主体之间不会被蚀刻掉。这意味着导电壁围绕压力传感器的膜布置并围绕腔被蚀刻的区域布置。这样，避免了在盖体下方的顶层被蚀刻掉。因此，能够在膜被释放之前形成导电壁。导电壁还能够用于稳定压力传感器装置。
在压力传感器装置的一个实施例中，盖体中的开口在垂直方向上定位在压力传感器上方并且在压力传感器的整个横向延伸上延伸。开口形成在盖体中，使得压力传感器能够测量压力传感器装置的周围环境的压力。因此，具有密封的膜需要与压力传感器装置周围的空气或气体直接接触。
开口的横向延伸能够与压力传感器的横向延伸相同，或者开口的横向延伸可以大于压力传感器的横向延伸。横向延伸是指由垂直于垂直方向的两个方向给出的两个维度上的延伸。开口能够成形为圆形。也可以在盖体中形成一个以上的开口。
在形成开口之前能够将盖体减薄。盖体的厚度取决于开口的尺寸。这意味着，如果开口的横向延伸小，则盖体能够更薄，以将最小应力平面保持在膜平面中。
在压力传感器装置的一个实施例中，盖体中的开口在垂直方向上定位在压力传感器上方，并且开口的横向延伸小于压力传感器的横向延伸。这有利地保持开口的横向延伸较小，因此也有利地保持盖体的厚度较小，以减少压力传感器装置的总高度。开口也可以不在垂直方向上定位在膜的上方，而是在垂直方向上位于膜的旁边。
此外，提供了一种用于制造压力传感器装置的方法。压力传感器装置能够优选地通过本文描述的方法之一制造。这意味着针对压力传感器装置公开的所有特征，对于用于制造压力传感器装置的方法也公开了同样的所有特征，反之亦然。
根据用于制造压力传感器装置的方法的至少一个实施例，该方法包括在衬底主体上设置包括膜的压力传感器，并且在衬底主体和压力传感器之上沉积顶层。该方法还包括将盖体与顶层连接，盖体的质量大致等于衬底主体的质量，并在盖体中形成至少一个开口。
衬底主体的质量例如能够至少达到盖体质量的95％，至多能够达到盖体质量的105％。衬底主体的质量也可以至少达到盖体质量的80％，至多达到盖体质量的120％。优选地，衬底主体的质量至少达到盖体质量的90％，至多达到盖体质量的110％。这意味着，衬底主体和盖体的质量在制造公差内大致相等，使得压力传感器定位在最小应力平面中。
压力传感器能够是具有膜和腔的电容式压力传感器。衬底主体能够包括硅或玻璃，并且其还能够包括互补金属氧化物半导体装置。顶层能够是接合氧化物，例如二氧化硅或氮化硅，其需要是形貌平坦的。盖体和顶层能够通过直接接合、通过胶合或通过共晶接合连接。能够通过深反应离子蚀刻或通过研磨在盖体中形成开口。盖晶片还可以在与顶层，例如与用于膜的凹部连接之前被图案化，使得盖体不与膜直接接触。
通过将压力传感器定位在最小应力平面中，其能够被保护以免受例如由盖体和衬底主体的不同热膨胀系数引起的应变的影响。压力传感器还能够被保护以免受由压力传感器装置的其他部分或压力传感器装置的周围环境引起的附加应力。如果通过将压力传感器设置在最小应力平面中最小化了压力传感器上的附加应力，则压力传感器能够在与压力传感器校准期间相同的条件下运行，因此保证了正确和更精确的压力读数。
根据用于制造压力传感器装置的方法的至少一个实施例，衬底主体的质量至少达到盖体质量的95％，至多达到盖体质量的105％。衬底主体的质量也可以至少达到盖体质量的80％，至多达到盖体质量的120％。优选地，衬底主体的质量至少达到盖体质量的90％，至多达到盖体质量的110％。这意味着盖体和衬底主体的质量大致相等，使得压力传感器位于压力传感器装置的最小应力平面中。
根据用于制造压力传感器装置的方法的至少一个实施例，处理晶片通过能够被移除的粘附材料在衬底主体的底侧连接到衬底主体。此外，移除处理晶片和粘附材料。处理晶片能够连接到衬底主体，以保护衬底主体中的导电通孔免受机械损坏或蚀刻步骤的损坏。例如，在使盖体变薄或蚀刻开口的期间，衬底主体中的导电通孔能够被处理晶片保护。粘附材料能够是高温兼容的并且能够被移除。这些特征对于压力传感器装置的处理是有利的，因为在一些处理步骤中，可能需要高温。如果在处理过程中仅需要较低的温度，也可以使用临时接合剂或胶带作为粘附剂，其仅与低温相容并且能够被移除。
根据用于制造压力传感器装置的方法的至少一个实施例，处理晶片通过能够被图案化的粘附材料在衬底主体的底侧连接到衬底主体。此外，移除处理晶片并且不移除粘附剂材料。有利地，粘附剂材料与高温相容。如果不能移除粘附剂材料，则需要对其进行图案化，使得能够从衬底主体的底侧电接触压力传感器以及，例如互补金属氧化物半导体装置。
根据用于制造压力传感器装置的方法的至少一个实施例，在膜被释放之前，在衬底主体中蚀刻垂直的导电通孔。利用垂直的导电通孔，能够电接触压力传感器以及例如压力传感器装置中的其他装置。如果在释放膜之前在衬底主体中蚀刻垂直的导电通孔，在蚀刻导电通孔和其他处理步骤期间，膜被牺牲层保护。因此，避免了处理过程中潜在的膜破裂。
根据用于制造压力传感器装置的方法的至少一个实施例，在膜被释放之后，在衬底主体中蚀刻垂直的导电通孔。这意味着在进一步处理之前释放膜，所述处理能够是将盖晶片与顶层接合。这样，由于不需要通过盖体的开口蚀刻腔，所以可以将盖体中的开口保持较小。
以下对附图的描述可以进一步说明和解释示例性实施例。功能相同或具有相同效果的部件由相同的附图标记表示。对于相同或等效相同的部件，可以仅针对它们首次出现的附图来进行描述。不一定在连续的图中重复对它们的描述。
图1示出了压力传感器装置的示例性实施例的剖视图。
图2示出了印刷电路板上的压力传感器装置的示意性剖视图。
图3示出了应力水平随盖体厚度的变化关系。
图4A至图4O示出了用于制造压力传感器装置的方法的示例性实施例。
图5A至图5L示出了用于制造压力传感器装置的方法的另一示例性实施例。
图6示出了具有导电壁的压力传感器装置的示例性实施例。
图7示出了盖体中开口减小的压力传感器装置的示例性实施例。
图8和图9示出了盖体中开口减小的并且在膜上具有密封的压力传感器装置的示例性实施例。
图10A至图10K示出了用于制造压力传感器装置的方法的另一示例性实施例。
图1示出了压力传感器装置10的示例性实施例的示意性剖视图，其中，最小应力平面由虚线表示。具有腔16和膜13的压力传感器12布置在衬底主体11之上。压力传感器12通过两个导电通孔17电接触。导电通孔17从衬底主体11的底侧18朝向压力传感器12延伸穿过衬底主体11。隔离材料19使导电通孔17彼此电隔离，并且使导电通孔与衬底主体11电隔离。顶层20定位在压力传感器12之上，该顶层20连接压力传感器12与盖体14。因此，压力传感器12在垂直方向z上布置在衬底主体11和盖体14之间。盖体14和顶层20能够通过直接接合连接。盖体14包括开口15，该开口15布置在压力传感器12上方。最小应力平面大致位于压力传感器12的平面中并且有利地位于压力传感器12的膜13的平面中。为了将最小应力平面设置在膜13的平面中，衬底主体11的质量大约等于盖体14的质量。在其他实施例中，例如，这意味着衬底主体11的质量至少等于盖体14的质量的95％，至多等于盖体14的质量的105％。
图2示出了安装在印刷电路板上的压力传感器装置10的示意性剖视图。压力传感器装置10与印刷电路板示意性地描绘为一个装置主体44。由于例如压力传感器装置和印刷电路板的不同热膨胀系数，装置主体44弯曲，使得顶部被压缩并且底部经受拉伸应力。拉伸应力和压缩应力用箭头表示。穿过装置主体44的一个平面中的应力是最小的，该平面由虚线表示。
图3示出了对于恒定的衬底主体厚度，应力水平y随盖体厚度x的变化关系。通过将压力传感器装置10焊接到印刷电路板上，在压力传感器装置10上引入附加应力。盖体14的最佳厚度x位于零应力处。针对盖体14中的开口15的两个不同直径绘制了应力变化。在实线情况下，开口15的直径为500μm，在虚线情况下，开口15的直径为250μm。图3中的插图示出了压力传感器装置10的示意图，其中在盖体14中具有开口15。
图4A至图4O示出了用于制造压力传感器装置10的方法的示例性实施例。在根据图4A至图4O描述的工艺流程中，压力传感器12的膜13在导电通孔17形成在衬底主体11中之前被释放。
图4A示出了包括集成电路21的衬底主体11，该集成电路21能够例如是互补金属氧化物半导体装置。集成电路21布置在衬底43之上，衬底43包含在衬底主体11中并且能够包括硅。在集成电路21之上布置压力传感器12。通过将压力传感器12布置在集成电路21之上而不是布置在集成电路21的旁边，减小了装置的占位面积。在该示例性实施例中，压力传感器12包括底部电极22，在底部电极22上布置有介电蚀刻停止层23。牺牲层24沉积在介电蚀刻停止层23之上。为了形成压力传感器12的腔16，牺牲层24被图案化，使得在牺牲层24中形成沟槽。沟槽填充有导电材料34，例如钨。为了形成膜13，在牺牲层24之上沉积导电层25。在导电层25下方存在粘附层26，并且在导电层25之上存在另一粘附层27。导电层25和粘附层26和粘附层27包括几个蚀刻开口28。压力传感器12的底部电极22通过导电壁29与集成电路21电连接。集成电路21包括后接触部30。
如图4B所示，在制造压力传感器装置10的方法的下一步骤中，顶层20沉积在压力传感器12之上。顶层20能够包括接合氧化物，并且能够是例如2μm至3μm厚。此外，另一导电壁29围绕膜13形成。另一导电壁29也通过导电层25连接，粘附层26和粘附层27围绕导电层25布置。掩膜31位于顶层20之上，以在另一导电壁29上方图案化顶层20。
在该方法的下一步骤中，如图4C所示，顶层20被图案化，使得导电壁29在顶层20中围绕膜13形成。导电壁29能够填充有钨。在沉积导电壁29的材料之后，对顶层20的表面进行平面化，例如通过化学机械抛光进行平面化。为了在顶层20和盖体14之间实现刚性连接，顶层20的表面必须是形貌平坦的。
图4D示出了掩膜31位于顶层20上。掩膜31应该能够承受例如利用氟化氢蒸气的蚀刻步骤。在下一步骤中，掩膜31被图案化，使得压力传感器12上的膜13上方的区域不存在掩膜31。
图4E示出了在该方法的下一步骤中，蚀刻掉膜13下方和周围的牺牲层24。这样，压力传感器12的膜13被释放。而且，顶层20的围绕膜13的部分也被蚀刻掉。导电壁29和另一导电壁29用作蚀刻停止部，使得不会蚀刻掉整个顶层20。
如图4F所示，在下一步骤中，密封层32沉积在膜13和掩膜31之上。密封层32能够包括氮化硅。密封层32通过等离子体增强化学气相沉积在高温(例如高于400℃的温度)下沉积，并且因此在冷却后密封层32是压缩的。这样，密封层32对于气体从周围进入腔16具有低渗透性。
图4G示出了另一顶层20沉积在密封层32之上。另一顶层20也能够包括接合氧化物。沉积另一顶层20以提高顶层20和盖体14之间的接合强度。顶层20的表面需要是形貌平坦的，以实现与盖体14的刚性连接。
如图4H所示，在该方法的下一步骤中，盖体14与密封层32连接。另一顶层20也可以布置在密封层32和盖体14之间，以实现刚性连接。盖体14在高温下与密封层32或顶层20连接，该高温能够是例如约450℃。如图4H所示，在膜13之上的密封层32不与盖体14直接接触。因此，膜13仍然是释放的，并且盖体14没有施加附加应力到膜13上。在盖体14与压力传感器12和衬底主体11连接的情况下，将压力传感器装置10上下颠倒，并且通过例如研磨将衬底43减薄至所需的厚度。衬底43所需的厚度能够是100μm至200μm。
图4I示出了衬底主体11被图案化。这意味着在衬底43中形成沟槽，例如通过深反应离子蚀刻。沟槽在垂直方向z上从底侧18延伸穿过整个衬底43到集成电路21。在下一步骤中，集成电路21底部的氧化物也被蚀刻掉，使得能够电接触集成电路21的后接触部30。在下一步骤中，隔离层33沉积在衬底主体11的底侧18上并且在衬底43的沟槽中。
如图4J所示，在该方法的下一步骤中，在沟槽中蚀刻隔离层33，使得集成电路21的后接触部30上没有隔离层33。采用掩膜31以用于蚀刻隔离层33。在下一步骤中，导电材料34沉积在衬底主体11的底侧18上的沟槽中并围绕沟槽。导电材料34能够通过物理气相沉积或通过化学气相沉积来沉积。例如，导电材料34能够包括钛、钽、氮化钽或铜。通过在衬底主体11的底侧18上施加掩膜31，导电材料34被图案化并被蚀刻掉，使得衬底主体11的底侧18的一部分不含导电材料34。
图4K示出了在该方法的下一步骤中，在衬底主体11的底侧18上沉积另一隔离层33。这样，在衬底43中形成导电通孔17。主体14被减薄，使得衬底主体11和盖体14的质量大致相等，这意味着压力传感器12的膜13定位在压力传感器装置10的最小应力平面中。
图4L中示出了掩膜31位于盖体14之上。通过掩膜31，盖体14被图案化，使得在盖体14中形成开口15。开口15是穿过整个盖体14的沟槽。在这种情况下，开口15在横向方向上位于压力传感器12上的膜13旁边。这意味着，开口15在垂直方向z上延伸，但是它不位于膜13的正上方。由于膜13已经被释放，所以不再需要蚀刻牺牲层24，因此，开口15能够很小，并且开口15不必位于膜13的正上方。如果开口15很小，则压力传感器装置10中的应力补偿相比较大开口15中的应力补偿更为明确。
接下来如图4M所示，掩膜31附接到衬底主体11的底侧18，以蚀刻隔离层33的一部分。这样，隔离层33的一部分被蚀刻掉，使得导电材料34的一部分没有隔离层33。这样，在衬底主体11的底侧18处形成底部接触部35，焊球38焊接在该底部接触部35处。因此，压力传感器装置10是可表面安装的。作为最后一步骤，通过切割将压力传感器装置10单个分离。
图4N示出了通过图4A至图4M所述的方法处理的压力传感器装置10的示例性实施例，其中在该压力传感器装置10中在密封层32之上具有另一顶层20。在这种情况下，由于膜13之上有另外的顶层20，膜13的横向范围必须足够大以能够用更厚和更硬的膜13进行压力感测。
图4O示出了通过图4A至图4M所示的方法处理的压力传感器装置10的示例性实施例，其中该压力传感器装置10中没有另外的导电壁29。在这种情况下，在蚀刻腔16的期间有更大量的顶层20被蚀刻掉。这降低了盖体14和衬底主体11之间的连接的刚度，并且降低了整个压力传感器装置10的稳定性。
图5A至图5L示出了用于制造压力传感器装置10的方法的另一示例性实施例。在该工艺流程中，在膜13被释放之前，导电通孔17形成在衬底43中。
图5A示出了如图4A所示的衬底主体11之上的压力传感器12。
图5B示出了如图4B所示的在压力传感器12之上沉积顶层20。
图5C示出了在该方法的下一步骤中，盖体14与顶层20连接。盖体14和顶层20例如通过直接接合连接。有利地，连接在高温下是稳定的，使得可以在膜13上沉积最终的钝化层或密封层32，以气密地密封膜13。
如图5D所示，通过研磨将衬底43减薄至，例如100μm至200μm。衬底43被减薄以在衬底43中形成导电通孔17。
在如图5E所示的方法的下一步骤中，在衬底43中形成导电通孔17。导电通孔17包括两个隔离层33和导电材料34。
图5F示出了在该方法的下一步骤中，利用粘附剂37将临时处理晶片36附接到衬底43。通过将临时处理晶片36附接到衬底主体11的底侧18，保护导电通孔17免于蚀刻处理和机械损坏。因此，有利地，仅在释放膜13之后才移除处理晶片36。在研磨或蚀刻盖体14的期间也保护导电通孔17。如果压力传感器装置10在进一步处理期间被加热到高温，则粘附剂37能够是高温相容材料，其在处理之后被移除。粘附剂37也可以是保持在衬底主体11上的高温相容材料。然而，在这种情况下，粘附剂37需要被图案化，使得能够从衬底主体11的底侧18电接触导电通孔17。如果在进一步处理过程中仅使用较低的温度，则粘附剂37能够是接合剂或胶带，其仅与较低温度相容并且能够被移除。也可以采用永久接合剂。
图5G示出了在该方法的下一步骤中，在盖体14中形成开口15。在形成开口15之前，盖体14被减薄。能够通过盖体14的深反应离子蚀刻来形成开口15。
图5H示出了压力传感器12的膜13被释放。如图4E所述，牺牲层24和顶层20通过开口15和蚀刻开口28被蚀刻掉。由于在顶层20中没有形成另外的导电壁29，所以在盖体14的下方，顶层20的一部分也被蚀刻掉。优选地，在盖体14下方，顶层20被蚀刻的横向距离小于10μm。在蚀刻之后，压力传感器装置10在高温下退火，以移除所有残留物和水。
如图5I所示，在下一步骤中，移除临时处理晶片36。在衬底主体11的后侧18上的隔离层33被图案化，使得导电材料34的一部分上没有隔离层33，并且形成了压力传感器装置10的底部接触部35。
图5J示出了密封层32沉积在膜13上。如针对图4F所描述的，密封层32是压缩膜。有利地，膜13仅在形成导电通孔17之后被释放，以避免膜在处理和清洁期间破裂。
图5K示出了底部接触部35与焊球38接触。在该处理阶段，能够测试压力传感器装置10。在下一步中，例如，通过切割将压力传感器装置10单个分离。
图5L示出了切割步骤。切割箔42布置在压力传感器装置10之上，这意味着其在盖体14之上附接到盖体14或密封层32。这种布置的优点在于，在切割过程中膜13受到保护，并且在切割步骤之后不必清洁膜13。此外，由于盖体14的厚度，切割箔42不会粘附到膜13。因此，能够在不损坏膜13的情况下移除切割箔42。
图6示出了具有围绕膜13布置的导电壁29的压力传感器装置10的示例性实施例。如针对图4C所述的，导电壁29保护顶层20在膜13的释放期间不被蚀刻。这里，示出了导电壁29通过粘附层26和粘附层27布置在导电层25之上。处理晶片36通过粘附剂37附接到衬底主体11，并且处理晶片36能够在处理期间被移除。有利地，粘附剂37与高温相容。如果不能移除粘附剂37，则需要对其进行图案化，使得能够从衬底主体11的底侧18电接触压力传感器12和集成电路21。
图7示出了压力传感器装置10的示例性实施例，其中，盖体14中的开口15在垂直方向z上位于压力传感器12的上方，并且开口15的横向延伸小于压力传感器12的横向延伸。盖体14中的较小开口15增加了压力传感器装置10的机械刚度。
图8示出了压力传感器装置10的示例性实施例，其中，盖体14中的开口15的横向延伸减小了，并且密封层32覆盖膜13和盖体14。对于减小的开口15，仍然需要用密封层32覆盖整个膜13。
图9示出了压力传感器装置10的示例性实施例，其中，盖体14中的开口15的横向延伸减小了，并且密封层32覆盖膜13和盖体14。在这种情况下，开口15非常小并且膜13包括较少的蚀刻开口28，以保证膜13的所有蚀刻开口28都被密封层32覆盖。
参照图10A至图10K描述了用于制造压力传感器装置10的方法的示例性实施例。在该工艺流程中，在衬底43中形成导电通孔17之前释放膜13。
图10A示出了集成电路21之上的压力传感器12，其中集成电路21位于衬底43之上。压力传感器12的膜13被释放并且被密封层32覆盖。
如图10B所示，在该方法的下一步骤中，光敏胶层39沉积在密封层32之上。胶层39例如能够是约25μm厚。胶层39能够是基于聚酰亚胺的，并且能够承受高温。接下来，通过采用掩膜31对胶层39进行图案化，使得膜13的区域不被胶层39覆盖。胶层39例如能够通过光刻进行图案化。
如图10C所示，盖体14被图案化或蚀刻，使得在盖体14中形成一个或更多个凹部。凹部能够通过深反应离子蚀刻形成，并且它们能够是，例如大约300μm深。凹部还具有与膜13类似的横向延伸。图案化的盖体14位于胶层39之上，使得凹部在垂直方向z上位于膜13的上方。例如在250℃的高温下，盖体14与胶层39连接。
图10D示出了衬底43被减薄到大约100μm到200μm的厚度。
如图10E所示，形成在衬底43中的沟槽涂覆有隔离层33。隔离层33能够包括氧化物、氮化物或聚合物。如针对图4I所述的，隔离层33与集成电路21的后接触部30直接接触。
图10F示出了在后接触部30上移除隔离层33。首先，在衬底主体11的底侧18上沉积抗蚀剂层40。抗蚀剂层40被图案化，使得隔离层33在后接触部30周围没有抗蚀剂层40。通过蚀刻从后接触部30移除隔离层33，同时隔离层33的其余部分被抗蚀剂层40保护。接下来，移除抗蚀剂层40。
如图10G所示，在该方法的下一步骤中，导电材料34沉积在底侧18上。例如，首先，能够通过物理气相沉积来沉积钽或氮化钽，并且在下一步骤中，还通过物理气相沉积来沉积铜。接下来，沉积并图案化另一抗蚀剂层40。然后，通过电镀穿过抗蚀剂层沉积另一种能够是铜的导电材料34。
图10H示出了剩余的抗蚀剂层40和不在沟槽中的导电材料34的部分被移除了。通过湿法蚀刻移除导电材料34。此外，在衬底主体11的底侧18上沉积另一隔离层33。
图10I示出了另一隔离层33被图案化，使得导电材料34的一部分上没有隔离层33，并且形成压力传感器装置10的底部接触部35。底部接触部35与焊球38电接触。
图10J示出了将研磨带41施加到衬底主体11的底侧18。接下来，将盖体14减薄至，例如约230μm的厚度。然后，在盖体14中形成开口15，使得衬底主体11的质量大约等于盖体14的质量。
图10K示出了在移除研磨带41之后，能够测试和校准压力传感器装置10。能够在焊球38处电接触压力传感器装置10，并且膜13能够暴露于空气或其他气体。然后，能够将压力传感器装置10施加到切割箔42，并且能够通过切割将其单个分离。
附图标记
10：压力传感器装置
11：衬底主体
12：压力传感器
13：膜
14：盖体
15：开口
16：腔
17：导电通孔
18：底侧
19：隔离材料
20：顶层
21：集成电路
22：底部电极
23：蚀刻停止层
24：牺牲层
25：导电层
26：粘附层
27：另一粘附层
28：蚀刻开口
29：导电壁
30：后接触部
31：掩膜
32：密封层
33：隔离层
34：导电材料
35：底部接触部
36：处理晶片
37：粘附剂
38：焊球
39：胶层
40:抗蚀剂层
41:研磨带
42:切割箔
43：衬底
44：装置主体
x:盖体厚度
y：应力水平
z：垂直方向

Claims (15)

1.一种压力传感器装置(10)，包括：
-衬底主体(11)，
-压力传感器(12)，其包括膜(13)，和
-盖体(14)，其包括至少一个开口(15)，其中：
-所述压力传感器(12)沿垂直方向(z)布置在所述衬底主体(11)和所述盖体(14)之间，所述垂直方向(z)垂直于所述衬底主体(11)的主延伸平面，并且
-所述衬底主体(11)的质量至少为所述盖体(14)的质量的80％，至多为所述盖体(14)的质量的120％。
2.根据权利要求1所述的压力传感器装置(10)，其中，所述衬底主体(11)的质量至少为所述盖体(14)的质量的95％，至多为所述盖体(14)的质量的105％。
3.根据权利要求1或2所述的压力传感器装置(10)，其中，所述压力传感器(12)包括电容式压力传感器，所述电容式压力传感器包括位于所述膜(13)下方的腔(16)。
4.根据权利要求1或2所述的压力传感器装置(10)，其中所述衬底主体(11)包括至少一个垂直的导电通孔(17)，和/或其中，所述压力传感器装置(10)是能够表面安装的。
5.根据权利要求1或2所述的压力传感器装置(10)，其中，所述压力传感器(12)定位在集成电路(21)之上。
6.根据权利要求1或2所述的压力传感器装置(10)，其中，顶层(20)在所述压力传感器(12)的朝向所述盖体(14)的一侧覆盖所述压力传感器(12)，并且所述顶层(20)和所述盖体(14)通过直接接合连接。
7.根据权利要求6所述的压力传感器装置(10)，其中，所述顶层(20)包括至少一个导电壁(29)，所述导电壁(29)
-布置在所述压力传感器(12)之上，
-围绕所述开口(15)，并且
-与所述压力传感器(12)和所述盖体(14)直接接触。
8.根据权利要求1或2所述的压力传感器装置(10)，其中，所述盖体(14)中的开口(15)在垂直方向(z)上定位在所述压力传感器(12)的上方，并且在所述压力传感器(12)的整个横向延伸上延伸。
9.根据权利要求1或2所述的压力传感器装置(10)，其中，所述盖体(14)中的开口(15)在垂直方向(z)上定位在所述压力传感器(12)的上方，并且所述开口(15)的横向延伸小于所述压力传感器(12)的横向延伸。
10.一种用于制造压力传感器装置(10)的方法，所述方法包括：
-在衬底主体(11)上设置压力传感器(12)，所述压力传感器(12)包括膜(13)，
-在所述压力传感器(12)和所述衬底主体(11)之上沉积顶层(20)，
-将盖体(14)与所述顶层(20)连接，所述衬底主体(11)的质量至少为所述盖体(14)的质量的80％，至多为所述盖体(14)的质量的120％，并且
-在所述盖体(14)中形成至少一个开口(15)。
11.根据权利要求10所述的用于制造压力传感器装置(10)的方法，其中，所述衬底主体(11)的质量至少为所述盖体(14)的质量的95％，至多为所述盖体(14)的质量的105％。
12.根据权利要求10或11所述的用于制造压力传感器装置(10)的方法，其中，
-在所述衬底主体(11)的背离所述盖体(14)的一侧，通过能够被移除的粘附材料(37)将处理晶片(36)连接到所述衬底主体(11)，并且
-移除所述处理晶片(36)和所述粘附材料(37)。
13.根据权利要求10或11所述的用于制造压力传感器装置(10)的方法，其中，
-在所述衬底主体(11)的背离所述盖体(14)的一侧，通过能够被图案化的粘附材料(37)将处理晶片(36)连接到所述衬底主体(11)，
-移除所述处理晶片(36)，并且
-不移除所述粘附材料(37)。
14.根据权利要求10或11所述的用于制造压力传感器装置(10)的方法，其中，在释放所述膜(13)之前，在所述衬底主体(11)中蚀刻垂直的导电通孔(17)。
15.根据权利要求10或11所述的用于制造压力传感器装置(10)的方法，其中，在释放所述膜(13)之后，在所述衬底主体(11)中蚀刻垂直的导电通孔(17)。
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