CN111044206B - 基于pn结电隔离和阳极键合技术的mems电容式气压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于PN结电隔离和阳极键合技术的MEMS电容式气压传感器，包括气压敏感膜、玻璃基片和玻璃盖板；气压敏感膜的一面与玻璃基片阳极键合形成真空参考腔，气压敏感膜的另一面与玻璃盖板阳极键合形成开放式气体感压腔，外部气压施加在气压敏感膜上，与真空参考腔形成压差使气压敏感膜变形，继而改变了气压敏感膜与玻璃基片之间电容极板间距，使电容值发生变化而反应外界气压大小。本发明同时公开了MEMS电容式气压传感器的加工工艺。本发明电容式气压传感器加工工艺简单，成品率高，商业化效果好。

Description

基于PN结电隔离和阳极键合技术的MEMS电容式气压传感器

技术领域

本发明涉及基于PN结电隔离和阳极键合技术的MEMS电容式气压传感器，属于MEMS微机械加工制造领域。

背景技术

气压传感器广泛用于航空航天领域、真空仪器仪表设备、工业现场控制与检测、陆基和海洋气象、健康监测和智慧医疗等领域，同时也是空间科学、深空大气物理探测(月球、火星、土星)等探索领域所需的重要传感器之一。有别于传统机械式气压传感器，微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System，简写为MEMS)气压传感器由于其具有体积小、重量轻、功耗低及可集成等优势，获得越来越广泛的应用。而如何实现低成本小体积封装和可靠的电引出技术是决定MEMS气压传感器稳定性和商用化的关键因素。

与MEMS压阻式气压传感器、谐振式气压传感器相比，MEMS电容式气压传感器有很多优点：结构简单、成品率高、输出阻抗高、动态性能好、稳定性好等。MEMS电容式气压传感器敏感机理是：平行板电容器的极板在受压力时产生形变，两极板间隙发生变化，引起电容值变化。该类传感器敏感芯片的难点在于真空参考腔的密封和电极引线的引出。目前主流的MEMS电容式气压传感器真空参考腔的封装方式主要有：晶圆级直接键合技术(如，硅-硅直接键合、硅-玻璃阳极键合)、过渡层辅助键合技术(如，金属热压键合、有机物BCB键合、玻璃浆料键合)等。电极引出方式主要有：薄金属电极引线图形直接穿过键合层、采用超低电阻率的衬底材料直接作为电极等。超薄敏感薄膜的制备技术主要有：精密研磨减薄抛光技术、湿法腐蚀自停止技术、SOI(Silicon on Insulator)器件层去衬底层技术等。

美国NASA与荷兰Vaisala公司合作为火星探测器开发了一款MEMS电容式气压传感器，采用硅-玻璃阳极键合工艺，同时在硅和玻璃上制备坑槽和电极板，分辨率可达0.2Pa，但由于技术秘密保护，并未公开其电极引线技术，且并未有商业化推广运用；美国ISSYS公司和密歇根大学研制的电容式绝压微压气压传感器采用平行极板电容感压原理，其微纳制造工艺采用了多次多晶硅生长、重掺杂、腐蚀自停止、硅硅熔融键合、阳极键合等，该方案微纳加工工艺工序复杂繁多、难度很大，需较多高端微纳加工仪器设备，且难以保证高成品率，因此商业化效果并不很好。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供基于PN结电隔离和阳极键合技术的MEMS电容式气压传感器，加工工艺简单，成品率高，商业化效果好。

本发明的技术解决方案是：

基于PN结电隔离和阳极键合技术的MEMS电容式气压传感器，包括气压敏感膜、玻璃基片和玻璃盖板；

气压敏感膜的一面与玻璃基片阳极键合形成真空参考腔，气压敏感膜的另一面与玻璃盖板阳极键合形成开放式气体感压腔，外部气压施加在气压敏感膜上，与真空参考腔形成压差使气压敏感膜变形，继而改变了气压敏感膜与玻璃基片之间电容极板间距，使电容值发生变化而反应外界气压大小。

玻璃盖板为方形，其上加工有电极开口，中心区域加工有非贯通的圆形引压坑，玻璃盖板上、沿圆形引压坑周向加工有多个导气槽，所述导气槽用于将圆形引压坑与玻璃盖板的另外三条边连通。

圆形引压坑深度为10um～100um。

气压敏感膜基体材料为N型超低电阻率SOI晶圆的器件层，其上通过重掺杂形成P型硅电隔离区，所述P型硅电隔离区为一端开口的圆环状结构，该圆环状结构的内径方向加工有一条矩形隔离栅；所述P型硅电隔离区和矩形隔离栅将气压敏感膜分成第一N型硅电极板、第二N型硅电极板和N型硅封装区；与P型硅电隔离区开口侧相邻的气压敏感膜的边上加工有四个欧姆接触电极，四个欧姆接触电极依次记为第一欧姆接触电极、第二欧姆接触电极、第三欧姆接触电极和第四欧姆接触电极，第一欧姆接触电极和第四欧姆接触电极位于N型硅封装区上，第二欧姆接触电极和第三欧姆接触电极处于第一欧姆接触电极和第四欧姆接触电极之间，且第二欧姆接触电极位于第一N型硅电极板上，第三欧姆接触电极位于第二N型硅电极板上。

玻璃基片中心区域加工有若干个参考腔坑，若干个参考腔坑构成的区域直径与P型硅电隔离区构成的区域内径以及圆形引压坑的内径相同；在所述各个参考腔坑的底面溅射吸气剂电极薄膜。

各个参考腔坑之间相互连通。

每个参考腔坑深度为5um～100um。

基于PN结电隔离和阳极键合技术的MEMS电容式气压传感器的加工方法，包括如下步骤：

步骤1：玻璃盖板采用方形BF33玻璃片双面溅射金属薄膜层和涂覆光刻胶，作为抗干法刻蚀或湿法腐蚀的掩模层，利用光刻及金属腐蚀在玻璃盖板上完成电极开口掩膜图形化，并使用HF快速湿法腐蚀完成电极开口制备；然后在玻璃盖板中心区域完成圆形引压坑的图形化，在引压坑周向完成导气槽的图形化，该导气槽将圆形引压坑与玻璃盖板的另外三条边连通；使用氧气RIE清洗和三氟甲烷的DRIE或ICP干法为引压坑和导气槽刻蚀出一定深度；

步骤2：采用重掺杂在N型超低电阻率SOI晶圆的器件层上形成P型硅电隔离区，P型硅电隔离区为一端开口的圆环状结构，该圆环状结构的内径方向加工有一条矩形隔离栅，剩余区域形成第一N型硅电极板、第二N型硅电极板和N型硅封装区；采用溅射金属薄膜和涂覆光刻胶作为抗干法刻蚀的掩膜层，掩膜图形化后经历氧气RIE清洗、三氟甲烷RIE清洗再ICP干法深硅刻蚀将欧姆接触区分离，至此完成气压敏感膜的制备。

步骤3：玻璃基片采用BF33玻璃片溅射金属薄膜层和涂覆光刻胶，作为抗干法刻蚀或湿法腐蚀的掩模层，掩膜层图形化后在玻璃基片中心区域使用HF湿法腐蚀或ICP干法刻蚀出若干个参考腔坑，若干个参考腔坑构成的区域直径与P型硅电隔离区构成的区域内径相同；经涂覆光刻胶、图形化、溅射Ti、lift off的工艺在所述各个参考腔坑的底面完成吸气剂电极薄膜制备。

步骤4：将气压敏感膜器件层与玻璃基片通过湿法清洗、RIE干法清洗活化并阳极键合在一起，利用机械减薄、湿法减薄去除衬底层，然后高温氮气退火激活吸气剂电极薄膜获得参考腔的高真空环境；在去除SOI衬底层的气压敏感膜上涂覆较厚的光刻胶、曝光、显影后采用等离子溅射方法沉积金属材料，而后通过lift off工艺去除光刻胶及其上的多余金属，留下欧姆接触电极；

步骤5：将气压敏感膜去除衬底层的表面通过湿法清洗、RIE干法清洗活化和阳极键合工艺与玻璃盖板键合在一起。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的电容气压传感器采用超低电阻率(<0.005Ω·cm)的SOI晶圆，器件层可极其精确地控制厚度(较薄者可达5um以下)，应对不同检测量程需求。

(2)本发明的气压敏感膜重掺杂反型区隔离两个N型硅电极板形成串联双电容，结合阳极键合工艺，完全避免了电极引线穿越键合区可能造成的真空失效情况，确保传感器的长期稳定性。

(3)本发明的真空参考腔采用SOI晶圆与玻璃阳极键合实现，稳定可靠、热失配小，玻璃基片通过精确控制腐蚀坑槽深度获得电极板的微间隙，同时阵列排布的坑槽结构等效于增加气压敏感膜受压形变支点，完全避免了为获得较高灵敏度而选择较薄的气压敏感膜进行较大的气压测量时，因变形过大而破裂。

(4)本发明的参考腔坑底面上制备吸气剂电极薄膜，激活后可吸收真空参考腔键合残留气体，获得高真空度，且真空长期维持能力优异。

(5)本发明的玻璃盖板起保护作用，避免气压敏感膜直接暴露在大气中而受到意外碰撞、跌落、灰尘、杂质等影响。

(6)本发明加工工艺简单，成品率高，长期稳定性好，商业化效果好，基于本发明可开发出各种不同量程范围(微压、低压、常压、高压)的电容式气压传感器，易于微纳加工实现，成品芯片体积仅5mm×4.5mm×1.5mm，可与集成电路组成片上气压测量单元。

附图说明

图1为本发明基于PN结电隔离和阳极键合技术的MEMS电容式气压传感器的三维立体结构解剖示意图；

图2为本发明等效电容电路原理示意图；

图3为本发明采用的玻璃盖板结构示意图；

图4为本发明采用的气压敏感膜结构示意图；

图5为本发明采用的玻璃基片结构示意图。

在图1～5中，各标记号代表含义为：

100-玻璃盖板，101-引压坑，102-导气槽，103–电极开口；200–气压敏感膜，201–第一N型硅电极板，202–第二N型硅电极板，203–P型硅电隔离区，204–N型硅封装区，205–欧姆接触电极；300–玻璃基片，301–参考腔坑，302–吸气剂电极薄膜。

具体实施方式

下面结合附图及实例详细说明本发明的具体实施过程。

图1为本发明的三维分离解剖示意图，电容式气压传感器由气压敏感膜200一面与玻璃基片300阳极键合、气压敏感膜200的另一面与玻璃盖板100阳极键合组成。

电容式气压传感器的气压敏感膜200基底材料为N型超低电阻率(<0.005Ω·cm)SOI晶圆的器件层，其上通过重掺杂形成P型硅电隔离区203，所述P型硅电隔离区203为一端开口的圆环状结构，该圆环状结构的内径方向加工有一条矩形隔离栅；所述P型硅电隔离区203和矩形隔离栅将气压敏感膜200分成第一N型硅电极板201、第二N型硅电极板202和N型硅封装区204，气压敏感膜200实际并不独立分开或组合，为整体块材。在第一N型硅电极板201、第二N型硅电极板202和N型硅封装区204上根据金属-硅欧姆接触的原理制备了四个欧姆接触电极205，四个欧姆接触电极205依次记为第一欧姆接触电极、第二欧姆接触电极、第三欧姆接触电极和第四欧姆接触电极，第一欧姆接触电极和第四欧姆接触电极位于N型硅封装区204上，第二欧姆接触电极和第三欧姆接触电极处于第一欧姆接触电极和第四欧姆接触电极之间，且第二欧姆接触电极位于第一N型硅电极板201上，第三欧姆接触电极位于第二N型硅电极板202上。其中心两个电极(第二欧姆接触电极和第三欧姆接触电极)用于电容测量，其余两个电极用于接地屏蔽。

玻璃盖板100为方形，其上加工有电极开口103，中心区域加工有非贯通的圆形引压坑101，玻璃盖板100上、沿圆形引压坑101周向加工有多个导气槽102，所述导气槽102用于将圆形引压坑101与玻璃盖板100的另外三条边连通。圆形引压坑101深度为10um～100um。

玻璃基片300中心区域加工有若干个参考腔坑301，若干个参考腔坑301构成的区域直径与P型硅电隔离区203构成的区域内径以及圆形引压坑101的内径相同。在所述各个参考腔坑301的底面溅射吸气剂电极薄膜302。各个参考腔坑301之间相互连通。每个参考腔坑301深度为5um～100um。

气压敏感膜200与制备有参考腔坑301和吸气剂电极薄膜302的玻璃基片300阳极键合形成真空参考腔，其中低电阻率的吸气剂电极薄膜302作为电容极板，再通过机械和化学减薄的方法去除SOI晶圆的衬底层；将去除衬底层气压敏感膜200的一面与制备有引压坑101和导气槽102的玻璃盖板100阳极键合，键合时，玻璃盖板100的电极开口103与气压敏感膜200的欧姆接触电极205对齐。

外部气压通过导气槽102施加在气压敏感膜200上，与真空参考腔形成压差使气压敏感膜200变形，继而改变了电容极板间距使电容值发生变化而反应外界气压大小，通过电极开口103将引线焊接在欧姆接触电极205上实现信号引出。

本发明电容式气压传感器结构设计关键地方有：①SOI器件层厚度(根据量程可从5um变化至200um)及圆形引压坑101直径与测压量程之间的匹配设计，本实施例中器件层厚度10um、气压敏感膜200P型硅电隔离区203包络的直径约3.6mm、传感器量程0-100kPa；②真空参考腔深度、吸气剂电极薄膜厚度(100nm-1um可选)控制与传感器电容的本征值大小之间的匹配设计，本实施例中选取真空参考腔深度为6um、传感器电容的本征值约6.6pF；③玻璃基片的参考腔坑直径与气压敏感膜厚度的匹配设计，本实施例中参考腔直径约为0.8mm，阵列分布的参考腔底部制备有互相连通的吸气剂电极薄膜作为公共电极板；④引压坑对应的气压敏感膜区域被P型硅电隔离区分为两部分，通过电容极板间的互感构成双电容串联形式，具体原理参考图2。

本发明传感器的微纳加工实现过程如下：

步骤1：参考图3，玻璃盖板100采用方形BF33玻璃片双面溅射金属薄膜层和涂覆光刻胶，作为抗干法刻蚀或湿法腐蚀的掩模层，利用光刻及金属腐蚀在玻璃盖板100上完成电极开口103掩膜图形化，并使用HF快速湿法腐蚀完成电极开口103制备；然后在玻璃盖板100中心区域完成圆形引压坑101的图形化，在引压坑101周向完成导气槽102的图形化，该导气槽102将圆形引压坑101与玻璃盖板100的另外三条边连通；使用氧气RIE清洗和三氟甲烷的DRIE或ICP干法为引压坑101和导气槽102刻蚀出一定深度；

步骤2：参考图4，采用重掺杂(离子注入或离子扩散等)在N型超低电阻率SOI晶圆的器件层上形成P型硅电隔离区203，P型硅电隔离区203为一端开口的圆环状结构，该圆环状结构的内径方向加工有一条矩形隔离栅，剩余区域形成第一N型硅电极板201、第二N型硅电极板202和N型硅封装区204；采用溅射金属薄膜和涂覆光刻胶作为抗干法刻蚀的掩膜层，掩膜图形化后经历氧气RIE清洗、三氟甲烷RIE清洗再ICP干法深硅刻蚀将欧姆接触区分离，至此完成气压敏感膜200的制备。

步骤3：参考图5，玻璃基片300采用BF33玻璃片溅射金属薄膜层和涂覆光刻胶，作为抗干法刻蚀或湿法腐蚀的掩模层，掩膜层图形化后在玻璃基片300中心区域使用HF湿法腐蚀或ICP干法刻蚀出若干个参考腔坑301，若干个参考腔坑301构成的区域直径与P型硅电隔离区203构成的区域内径相同；经涂覆光刻胶、图形化、溅射Ti、lift off的工艺在所述各个参考腔坑301的底面完成吸气剂电极薄膜302制备。

步骤4：参考图1，将气压敏感膜200器件层与玻璃基片300通过湿法清洗、RIE干法清洗活化并阳极键合在一起，利用机械减薄、湿法减薄去除衬底层，然后高温氮气退火激活吸气剂电极薄膜302获得参考腔的高真空环境(本实施例中采用参数450℃&48h)；在去除SOI衬底层的气压敏感膜200上涂覆较厚的光刻胶、曝光、显影后采用等离子溅射方法沉积金属材料，而后通过lift off工艺去除光刻胶及其上的多余金属，留下欧姆接触电极205；

步骤5：参考图1，将气压敏感膜200去除衬底层的表面通过湿法清洗、RIE干法清洗活化和阳极键合工艺与玻璃盖板100键合在一起。

本发明未详细说明部分属于本领域公知技术。

Claims (7)

1.基于PN结电隔离和阳极键合技术的MEMS电容式气压传感器，其特征在于：包括气压敏感膜(200)、玻璃基片(300)和玻璃盖板(100)；

气压敏感膜(200)的一面与玻璃基片(300)阳极键合形成真空参考腔，气压敏感膜(200)的另一面与玻璃盖板(100)阳极键合形成开放式气体感压腔，外部气压施加在气压敏感膜(200)上，与真空参考腔形成压差使气压敏感膜(200)变形，继而改变了气压敏感膜(200)与玻璃基片(300)之间电容极板间距，使电容值发生变化而反应外界气压大小；

气压敏感膜(200)为基体材料为N型超低电阻率SOI晶圆的器件层，其上通过重掺杂形成P型硅电隔离区(203)，所述P型硅电隔离区(203)为一端开口的圆环状结构，该圆环状结构的内径方向加工有一条矩形隔离栅；所述P型硅电隔离区(203)和矩形隔离栅将气压敏感膜(200)分成第一N型硅电极板(201)、第二N型硅电极板(202)和N型硅封装区(204)；与P型硅电隔离区(203)开口侧相邻的气压敏感膜(200)的边上加工有四个欧姆接触电极(205)，四个欧姆接触电极(205)依次记为第一欧姆接触电极、第二欧姆接触电极、第三欧姆接触电极和第四欧姆接触电极，第一欧姆接触电极和第四欧姆接触电极位于N型硅封装区(204)上，第二欧姆接触电极和第三欧姆接触电极处于第一欧姆接触电极和第四欧姆接触电极之间，且第二欧姆接触电极位于第一N型硅电极板(201)上，第三欧姆接触电极位于第二N型硅电极板(202)上。

2.根据权利要求1所述的基于PN结电隔离和阳极键合技术的MEMS电容式气压传感器，其特征在于：玻璃盖板(100)为方形，其上加工有电极开口(103)，中心区域加工有非贯通的圆形引压坑(101)，玻璃盖板(100)上、沿圆形引压坑(101)周向加工有多个导气槽(102)，所述导气槽(102)用于将圆形引压坑(101)与玻璃盖板(100)的另外三条边连通。

3.根据权利要求2所述的基于PN结电隔离和阳极键合技术的MEMS电容式气压传感器，其特征在于：圆形引压坑(101)深度为10um～100um。

4.根据权利要求1所述的基于PN结电隔离和阳极键合技术的MEMS电容式气压传感器，其特征在于：玻璃基片(300)中心区域加工有若干个参考腔坑(301)，若干个参考腔坑(301)构成的区域直径与P型硅电隔离区(203)构成的区域内径以及圆形引压坑(101)的内径相同；在所述各个参考腔坑(301)的底面溅射吸气剂电极薄膜(302)。

5.根据权利要求4所述的基于PN结电隔离和阳极键合技术的MEMS电容式气压传感器，其特征在于：各个参考腔坑(301)之间相互连通。

6.根据权利要求5所述的基于PN结电隔离和阳极键合技术的MEMS电容式气压传感器，其特征在于：每个参考腔坑(301)深度为5um～100um。

7.基于PN结电隔离和阳极键合技术的MEMS电容式气压传感器的加工方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：玻璃盖板(100)采用方形BF33玻璃片双面溅射金属薄膜层和涂覆光刻胶，作为抗干法刻蚀或湿法腐蚀的掩模层，利用光刻及金属腐蚀在玻璃盖板(100)上完成电极开口(103)掩膜图形化，并使用HF快速湿法腐蚀完成电极开口(103)制备；然后在玻璃盖板(100)中心区域完成圆形引压坑(101)的图形化，在引压坑(101)周向完成导气槽(102)的图形化，该导气槽(102)将圆形引压坑(101)与玻璃盖板(100)的另外三条边连通；使用氧气RIE清洗和三氟甲烷的DRIE或ICP干法为引压坑(101)和导气槽(102)刻蚀出一定深度；

步骤2：采用重掺杂在N型超低电阻率SOI晶圆的器件层上形成P型硅电隔离区(203)，P型硅电隔离区(203)为一端开口的圆环状结构，该圆环状结构的内径方向加工有一条矩形隔离栅，剩余区域形成第一N型硅电极板(201)、第二N型硅电极板(202)和N型硅封装区(204)；采用溅射金属薄膜和涂覆光刻胶作为抗干法刻蚀的掩膜层，掩膜图形化后经历氧气RIE清洗、三氟甲烷RIE清洗再ICP干法深硅刻蚀将欧姆接触区分离，至此完成气压敏感膜(200)的制备；

步骤3：玻璃基片(300)采用BF33玻璃片溅射金属薄膜层和涂覆光刻胶，作为抗干法刻蚀或湿法腐蚀的掩模层，掩膜层图形化后在玻璃基片(300)中心区域使用HF湿法腐蚀或ICP干法刻蚀出若干个参考腔坑(301)，若干个参考腔坑(301)构成的区域直径与P型硅电隔离区(203)构成的区域内径相同；经涂覆光刻胶、图形化、溅射Ti、lift off的工艺在所述各个参考腔坑(301)的底面完成吸气剂电极薄膜(302)制备；

步骤4：将气压敏感膜(200)器件层与玻璃基片(300)通过湿法清洗、RIE干法清洗活化并阳极键合在一起，利用机械减薄、湿法减薄去除衬底层，然后高温氮气退火激活吸气剂电极薄膜(302)获得参考腔的高真空环境；在去除SOI衬底层的气压敏感膜(200)上涂覆较厚的光刻胶、曝光、显影后采用等离子溅射方法沉积金属材料，而后通过lift off工艺去除光刻胶及其上的多余金属，留下欧姆接触电极(205)；

步骤5：将气压敏感膜(200)去除衬底层的表面通过湿法清洗、RIE干法清洗活化和阳极键合工艺与玻璃盖板(100)键合在一起。

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