CN111591952B - 一种mems压阻式压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种MEMS压阻式压力传感器及其制备方法，属于微电子机械系统传感器设计领域，该传感器主要包括一玻璃底座和位于玻璃底座上的硅应变膜，该玻璃底座的一面含有一凹陷空腔，该硅应变膜的正面朝向该空腔；该硅应变膜包括位于正面的绝缘介质层和该绝缘介质层覆盖的硅衬底；该硅应变膜的正面的边缘均布有四个带有凹槽的半岛结构；每个半岛结构的外边缘设有位于硅衬底上的一组压敏电阻、一组重掺杂接触区和一对金属引线，压敏电阻与重掺杂接触区串接，两端由金属引线从重掺杂接触区引出，四组压敏电阻形成惠斯通电桥。其与典型结构的压力传感器相比，具有高灵敏度、高线性度、芯片尺寸小的优点。
Description
技术领域
本发明属于微电子机械系统(MEMS)传感器设计领域，涉及一种MEMS压阻式压力传感器，以及采用MEMS加工方法实现硅片级压力传感器制造的方法。
背景技术
MEMS(Micro Electro Mechanical System)即微电子机械系统，是新兴的跨学科的高新技术研究领域。基于MEMS技术制造的压阻式压力传感器由于其体积小，易于集成，性能可靠、可实现非电信号到电信号的转换等优势，已经常用于汽车，航空航天、石化和生物医疗等领域中进行压力测量。
典型的压阻式压力传感器的工作原理是在外界压力的作用下使传感器的应变膜发生变形，从而使应变膜上通过扩散或者离子注入的方式制作的压敏电阻发生变形。由于压阻效应，压敏电阻的阻值会发生变化，从而转化为对应输出电压的变化进行压力的测量。通常压敏电阻会以惠斯通电桥的方式分布在应变膜的应力集中处，以最大程度的提高压敏效果。
压力传感器的主要性能指标是灵敏度和线性度，但这二者之间存在矛盾，压力测量的灵敏度越高，传感器芯片的应变膜越薄，而较薄的应变膜会导致较大的膜挠度，从而导致线性度较低。目前微压压力传感器主要通过创建应力集中区域来提高灵敏度，然后通过局部刚化的方法来提高线性度，但这些方法依然不能在提高灵敏度的同时保证线性度。并且对于典型的压力传感器而言，通过各向异性湿法腐蚀会导致空腔的侧面与硅应变膜存在54.7度的倾角，空腔底部所需要的尺寸远远大于硅应变膜的尺寸，同时芯片的厚度受到硅片厚度的限制无法变薄到理想厚度，从而限制了压力传感器的尺寸和厚度。
发明内容
本发明的目标在于针对上述问题，提出了一种新的MEMS压阻式压力传感器及其制备方法。该结构的传感器与典型结构的压力传感器相比，具有高灵敏度、高线性度、芯片尺寸小的优点；该传感器制备方法与标准体硅压阻式压力传感器加工方法兼容，器件加工具有低成本和高成品率的优点，具有较广阔的应用前景。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种MEMS压阻式压力传感器，包括一玻璃底座和位于玻璃底座上的硅应变膜，该玻璃底座的一面含有一凹陷空腔，该硅应变膜的正面朝向该空腔；该硅应变膜包括位于正面的绝缘介质层和该绝缘介质层覆盖的硅衬底；该硅应变膜的正面的边缘均布有四个半岛结构；每个半岛结构的外边缘设有位于硅衬底上的一组压敏电阻、一组重掺杂接触区和一对金属引线，压敏电阻与重掺杂接触区串接，两端由金属引线从重掺杂接触区引出，四组压敏电阻形成惠斯通电桥。
进一步地，硅衬底为N型(100)晶面的单晶硅片或者SOI(silicon on insulator)硅片。
进一步地，硅应变膜为方形，四条边各自的中部分布一个半岛结构。
进一步地，半岛结构的外边缘为半岛结构的最窄处，半岛结构为凸字形或梯形。
进一步地，半岛结构的外边缘处设有一个凹槽，该凹槽包括矩形槽、梯形槽、三角形槽。
进一步地，每组压敏电阻包含四个压敏电阻条，并对称分布于半岛结构的凹槽的两侧。
进一步地，硅应变膜的正面还包括位于中心部位的十字梁、圆形凸台、正方形凸台的一个，或者由十字梁与圆形凸台或正方形凸台组成的结构。
一种MEMS压阻式压力传感器的制备方法，其步骤包括：
1)在硅衬底的正面制作相互连接的压敏电阻和重掺杂接触区，得到硅应变膜；
2)在硅应变膜的正面制作引线孔和金属引线，然后在硅应变膜的正面淀积绝缘介质层并通过CMP(Chemical Mechanical Polishing，化学机械抛光)工艺进行平整化处理；
3)在硅应变膜的正面通过光刻定义半岛结构的形状，然后制作应力集中的半岛结构；
4)在玻璃上制作凹陷的空腔；
5)将带有半岛结构的硅应变膜的正面与玻璃带有空腔的一面进行键合；
6)对硅应变膜的反面(非键合面)进行减薄处理；
7)在硅应变膜的反面进行光刻和刻蚀通孔，直至露出键合面金属引线；
8)划片，封装成压力传感器。
进一步地，上述步骤1)中通过离子注入的方法制作压敏电阻和重掺杂接触区。
进一步地，上述步骤2)金属引线可选用Al、Cr/Au、Ti/Au等材料，优选Cr/Au作为金属引线，防止阳极键合产生的氧气对金属引线氧化。可以采用APCVD(常压化学气相淀积)、LPCVD(低压化学气相淀积)或PECVD(等离子体增强化学气相淀积)的方法淀积绝缘介质层，绝缘介质层可以是SiO2、低应力Si3N4或者有机材料绝缘层等，优选SiO2作为绝缘介质层。
进一步地，上述步骤3)在硅应变膜的正面通过光刻还定义十字梁、圆形凸台、正方形凸台的一个，或者由十字梁与圆形凸台或正方形凸台组成的结构的形状，然后进行制作。
进一步地，上述步骤3)可以通过干法刻蚀工艺或湿法腐蚀工艺制作半岛结构。干法刻蚀工艺优选RIE(反应离子刻蚀)刻蚀工艺，湿法腐蚀工艺优选KOH溶液各向异性腐蚀工艺或HNA溶液各向同性腐蚀工艺，HNA溶液由硝酸、氢氟酸、乙酸按照体积比3:1:8组成。
进一步地，上述步骤4)可以通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法在所述玻璃片上制作空腔。
进一步地，上述步骤5)可以通过阳极键合工艺将硅应变膜的正面与玻璃带有空腔的一面进行键合。
进一步地，上述步骤6)可以通过湿法腐蚀(各向同性腐蚀和各向异性腐蚀)或者化学机械抛光的方法对硅应变膜的反面进行减薄处理。
进一步地，上述步骤7)可以通过干法刻蚀工艺或湿法腐蚀工艺刻蚀通孔，优选RIE刻蚀工艺。
本发明提出的MEMS压阻式压力传感器含有半岛结构的硅应变膜，其中，半岛结构上的凹槽提高了应变膜边缘的应力集中，可以使传感器获得高灵敏度；十字梁等位于中心部位的结构抑制了硅应变膜的大变形，同时使传感器具有高线性度。由于空腔制作于玻璃片上，不受硅片晶向的限制，不存在由于硅片各向异性腐蚀造成的芯片尺寸增大的问题。由于硅应变膜正面与带有空腔的玻璃采用阳极键合的方法，可以对硅片的非键合面进行减薄，由于空腔制作于玻璃片上，其减薄的厚度不受空腔的影响，能够减小芯片的厚度等尺寸，降低芯片成本。而且由于采用了硅玻璃阳极键合工艺，玻璃对硅应变膜起到了应力缓冲的作用，提高了传感器在后续封装和测试中的稳定性，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1A-1J为实施例中MEMS压阻式压力传感器的制备流程图，其中：
图1A为硅衬底上热生长二氧化硅的示意图；
图1B为在硅片上制作压敏电阻的示意图；
图1C为在硅片上制作重掺杂接触区的示意图；
图1D为在硅片上制作引线孔和金属引线的示意图；
图1E为在硅片正面LPCVD二氧化硅并完成CMP的示意图；
图1F为硅片正面刻蚀半岛十字梁结构的示意图；
图1G为玻璃片完成空腔腐蚀的示意图；
图1H为硅片的正面与玻璃正面完成阳极键合的示意图；
图1I为硅片的非键合面完成减薄的示意图；
图1J为硅片的非键合面完成光刻、刻蚀通孔的示意图。
图2为半岛十字梁结构的压阻式压力传感器示意图。
图3为实施例中压力传感器芯片的封装示意图。
图4A-4E为多种结构形式的硅应变膜正面示意图。
图5A为纵向压阻分布示意图。
图5B为横向压阻分布示意图。
图中：1—硅片；2—二氧化硅；3—压敏电阻；4—重掺杂接触区；5—金属引线；6—光刻胶；7—半岛十字梁结构；8—空腔；9—玻璃；10—通孔；11—封装胶；12—压焊丝；13—芯片胶；14—PCB板上的金属引线；15—PCB板。
具体实施方法
下面通过具体实施例并配合附图，对本发明做详细的说明。
本实施例公开一种MEMS压阻式压力传感器的制备方法，在由背腔腐蚀工艺制作的方形膜片(也可以是圆形膜片)的边线中点位置制作4组沿着<1 1 0>晶向排布的压敏电阻，每组压敏电阻的个数可以是任意的(一般为1-5个)，本实施例为4个；在硅应变膜的正面刻蚀出半岛十字梁结构，压敏电阻位于半岛结构上靠近应变膜边缘即半岛结构外边缘和矩形槽边缘处，压敏电阻处于应力集中区域。具体而言，该方法的步骤包括：
1)在(100)晶面的单晶硅片或者(100)晶面的SOI(silicon on insulator)硅片(即硅衬底)正面通过离子注入的方法制作压敏电阻和重参杂接触区；
2)在硅应变膜的正面制作引线孔和金属引线，然后在硅应变膜的正面淀积绝缘介质层并通过CMP工艺进行平整化处理；
3)在硅应变膜的正面通过光刻定义半岛十字梁结构的形状，然后制作应力集中的半岛十字梁结构；
4)在玻璃上制作压力传感器空腔；
5)将步骤3)得到的带有半岛十字梁结构的硅应变膜的正面与步骤4)得到的玻璃带有空腔的一面进行阳极键合。
6)对硅应变膜的反面即非键合面进行减薄处理；
7)在硅应变膜的反面即非键合面进行光刻和刻蚀通孔，直至露出键合面金属引线；
8)划片，封装成压力传感器。
下面举出一具体实施例，图1A-1J为MEMS压阻式压力传感器的制备方法的工艺流程图，步骤具体说明如下：
a)备片：N型(100)单晶硅片作为芯片的硅衬底1，硅片厚度为400μm，硅片表面热氧化生长二氧化硅2，如图1A所示；
b)制作压敏电阻3：硅片正面第一次光刻图形露出压敏电阻区域，RIE二氧化硅离子注入B+，硼推进，如图1B所示；
c)制作重掺杂接触区4：硅片正面第二次光刻图形露出重掺杂接触区，RIE二氧化硅离子注入B+，硼推进，如图1C所示；
d)制作键合面引线孔(即接触孔)和金属引线5，如图1D所示，包括：LPCVD二氧化硅正面第三次光刻引线孔；RIE二氧化硅/>溅射金属Cr/Au/>光刻键合面金属引线图形，湿法腐蚀Cr/Au金属引线；
e)硅片正面LPCVD淀积二氧化硅采用CMP工艺对硅片正面二氧化硅层做平整化处理，如图1E所示；
f)半岛十字梁结构7的制作：正面第四次光刻半岛十字梁结构7(光刻胶6)，RIESiO2；RIE硅9μm；半岛十字梁高度由器件的灵敏度决定，可以有不同的高度，如图1F所示；
g)玻璃片9上光刻、干法刻蚀空腔8，刻蚀深度5μm，如图1G所示；
h)硅应变膜的正面(包含压敏电阻和金属引线的面)与玻璃片的正面(包含空腔的面)进行对准阳极键合，压敏电阻密封在空腔内，如图1H所示；
i)采用CMP工艺减薄硅片厚度至19μm，如图1I所示，硅应变膜厚度有器件灵敏度决定，可以有不同的厚度；
j)光刻及刻蚀通孔10，RIE硅19μm，RIE SiO2，直至露出键合面金属引线，如图1J所示。
芯片制作完成后划片，如图2所示，该步骤将整个硅片裂片形成大量单个的压力传感器芯片，每个硅片根据设计硅片面积大小可以得到不同数量的压力传感器芯片。芯片通过引线键合完成封装如图3所示。
上述制备工艺中，采取硅应变膜正面与玻璃进行阳极键合的方法，相比于传统的压力传感器，能够减小芯片的厚度，并且不存在由于硅片各向异性腐蚀造成的芯片尺寸增大的问题。同时，由于空腔制作于玻璃片上，不受硅片晶向的限制。
图4A为半岛十字梁结构的硅应变膜示意图，图中主要突显了半岛十字梁结构，硅应变膜的其他部分未全部显示。半岛的几何形状呈“凸”字型，靠近应变膜边缘位置处宽度较小，远离边缘位置处宽度较大，在两者之前的过渡区域的边缘为倾斜一定角度的直线或弧线。靠近应变膜边缘处的矩形槽是为了创建应力集中区域，提高灵敏度，但不限定必须为矩形槽，其几何形状也可以为其他形状，比如梯形、三角形等。十字梁结构为提高压力传感器的线性度，其几何形状也可以为其他形状，如图4B的圆形凸台、图4C的正方形凸台、图4D的十字梁和圆形凸台的组合、图4E的十字梁和正方形凸台的组合等。若不考虑线性度，其十字梁结构也可去除，仅保留带有凹槽的半岛结构。
图5A为纵向压阻分布示意图；图5B为横向压阻分布示意图。4个压敏电阻对称分布于半岛结构上靠近应变膜边缘和矩形槽边缘处。本发明的压力传感器中，压敏电阻的数量不限于图5A-5B中的数量，压敏电阻的连接方法也可以多样化，压敏电阻的分布也可以多样化。
本发明的突出特点在于首次提出带有凹槽的半岛型压阻式压力传感器设计，并且压敏电阻分布于半岛结构上靠近应变膜边缘和矩形槽边缘处，在最大化灵敏度的同时也获得了较高的线性度。下面表1是本发明的半岛十字梁型压阻式压力传感器与传统十字梁结构压阻式压力传感器的实际测试的性能对比。可以看出，本发明的压力传感器具有较高的灵敏度、较高的线性度和较小的芯片厚度。由于不存在硅片各向异性腐蚀造成的芯片尺寸增大问题，应变膜的尺寸可以做到更小。
表1.本发明的压力传感器与传统的典型梁结构压力传感器的性能数据对比
上述实施例中的压力传感器制备方法仅是一种较佳的实施方法而不用于限制，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明的技术方案做些许的修改或者同等替换，本发明的保护范围以权利要求所述为准。
Claims (7)
1.一种MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，包括一玻璃底座和位于玻璃底座上的硅应变膜，该玻璃底座的一面含有一凹陷空腔，该硅应变膜的正面朝向该空腔；该硅应变膜包括位于正面的绝缘介质层和该绝缘介质层覆盖的硅衬底；该硅应变膜的正面的边缘均布有四个半岛结构；每个半岛结构的外边缘设有位于硅衬底上的一组压敏电阻、一组重掺杂接触区和一对金属引线，压敏电阻与重掺杂接触区串接，两端由金属引线从重掺杂接触区引出，四组压敏电阻形成惠斯通电桥；硅应变膜的正面还包括位于中心部位的十字梁、圆形凸台、正方形凸台的一个，或者由十字梁与圆形凸台或正方形凸台组成的结构；半岛结构的外边缘为半岛结构的最窄处，半岛结构为凸字形或梯形；半岛结构的外边缘处设有一个凹槽，该凹槽为矩形槽、梯形槽或三角形槽；每组压敏电阻包含四个压敏电阻条，并对称分布于半岛结构的凹槽的两侧。
2.如权利要求1所述的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，硅应变膜为方形，四条边各自的中部分布一个半岛结构。
3.一种权利要求1-2任一项所述的MEMS压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）在硅衬底正面制作相互连接的压敏电阻和重掺杂接触区，得到硅应变膜；
2）在硅应变膜的正面制作引线孔和金属引线，淀积绝缘介质层并对其进行平整化处理；
3）在硅应变膜的正面通过光刻定义半岛结构的形状，并制作半岛结构；
4）在玻璃上制作凹陷的空腔；
5）将带有半岛结构的硅应变膜的正面与玻璃带有空腔的一面进行键合；
6）对硅应变膜的反面进行减薄处理；
7）在硅应变膜的反面进行光刻，并刻蚀通孔，直至露出正面的金属引线；
8）划片，封装成压力传感器。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3）中在硅应变膜的正面通过光刻还可定义十字梁、圆形凸台、正方形凸台的一个，或者由十字梁与圆形凸台或正方形凸台组成的结构的形状，然后进行制作。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1）中通过离子注入的方法制作压敏电阻和重掺杂接触区；
步骤2）中采用APCVD、LPCVD或PECVD方法淀积绝缘介质层，并通过CMP工艺对其进行平整化处理；
步骤3）中通过干法刻蚀工艺或湿法腐蚀工艺制作半岛结构；
步骤4）中通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法在玻璃片上制作空腔；
步骤5）中通过阳极键合工艺将硅应变膜的正面与玻璃带有空腔的一面进行键合；
步骤6）中通过湿法腐蚀或者化学机械抛光的方法对硅应变膜的方面进行减薄处理；
步骤7）中通过干法刻蚀工艺或湿法腐蚀工艺刻蚀通孔。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤3）中的干法刻蚀工艺选用RIE刻蚀工艺，湿法腐蚀工艺选用KOH溶液各向异性腐蚀工艺或HNA溶液各向同性腐蚀工艺；步骤7）中的干法刻蚀工艺选用RIE刻蚀工艺。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，硅衬底选用N型（100）晶面的单晶硅片或者SOI硅片；金属引线选用Al、Cr/Au、或Ti/Au材料；绝缘介质层选用SiO2、Si3N4或有机材料。
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