CN111707404B - 一种耐高温碳化硅压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐高温碳化硅压力传感器及其制备方法，该传感器利用4H‑SiC体型引线部分代替金属电路的新型结构，在N型高掺杂外延层刻蚀出4H‑SiC体型引线，4H‑SiC体型引线和金属焊盘之间通过欧姆接触区实现电连接，取代了金属焊盘和4H‑SiC压敏电阻条之间的全金属电路连接，有效提高了传感器电路连接的高温稳定性，并为进一步的直接键合提供了均质的4H‑SiC接触面。

Description

一种耐高温碳化硅压力传感器及其制备方法

【技术领域】

本发明属于微机电系统(MEMS)压力传感器制造技术领域，具体涉及一种耐高温碳化硅压力传感器及其制备方法。

【背景技术】

压力传感器作为微机电系统(MEMS)的主要产品，在民用、工业和军事等领域有着广阔的应用前景和市场潜力。随着应用领域的扩展，人们对于能够直接工作在恶劣环境，尤其是高温环境下的压力传感器的需求越发迫切。例如，在石油勘探领域对压力的测量需要在275℃以上进行，汽车发动机内的压力测量在300℃以上进行，地热、电力、化工厂对于压力检测的温度需求在375℃以上，用于航空发动机、空间探测器等的压力传感器则要耐受600℃甚至1000℃以上的高温。高温压力传感器市场潜力巨大，其需求预计将以每年10％～32％的速率递增。目前，全球传感器市场主要由美国、日本、德国的几家龙头公司主导。我国高温压力传感器行业的技术水平、产品品质及产业化规模与国外同类相比还有相当大的差距。一些核心的制造技术还严重滞后于国外，高端产品几乎全部依赖进口，或者产品的关键部件采用进口。

碳化硅(SiC)材料由于其优良的机械性能和高温稳定性，逐渐为人们所重视。在200余种SiC的多型体中，最常见的是3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC。其中，4H-SiC和6H-SiC的单晶衬底已经实现了商业化。相比于6H-SiC，4H-SiC材料的迁移率各项异性较小(在室温下4H-SiC沿c轴的电子迁移率大约为1200cm²V^-1s^-1，仅比其垂直于c轴方向的电子迁移率高20％)，因此，4H-SiC成为制造高温压力传感器的首选材料。

随着高温压力传感器制造技术的不断发展和进步，其应用温度也在不断提升。在高温下的压力测量领域，以SiC为衬底材料的现有产品和技术还存在以下亟待解决的问题。一，传统的金属丝引线封装结构在高温下易导致封装材料热应力匹配失效、引线热疲劳失效，不再适用于耐高温SiC压力传感器；二，对于芯片结构而言，全金属电路构成的惠斯通电桥在高温下也容易出现断路，结构设计需要优化；三，常规的MEMS工艺(湿法腐蚀、干法刻蚀)对于4H-SiC单晶的刻蚀速率十分有限(文献中所能获得的最大刻蚀速率仅为1.35μm/min)直接限制了4H-SiC压力传感器加工效率。

为了使4H-SiC材料在高温环境的压力检测领域发挥更为广泛的作用，需要提供一种耐高温4H-SiC压力传感器及其制造方法。中国专利CN109724721A公开的无引线封装的SiC高温压力传感器及其制造方法，其AlN封装基体实际上是通过Ag纳米颗粒材料与Pt接触引线烧结进行连接，并且在Ag纳米颗粒材料周围、芯片与AlN封装基体间隙填充玻璃熔胶进行固定，传感器与封装体的连接强度与高温稳定性依然受限；中国专利CN109781334A公开的一种压阻式传感器的无引线封装结构和封装方法，其通过键合连接碳化硅芯片和碳化硅杯，碳化硅芯片正面的焊盘与电阻条之间的金属电路的存在会造成碳化硅-碳化硅键合面的键合强度不够高；中国专利CN104330195A公开的基于重掺杂4H-SiC衬底的高温压力传感器工艺，其采用传统的MEMS工艺对4H-SiC衬底进行加工，需要采用电镀工艺制造厚金属掩膜，并进行长达12h的RIE刻蚀，效率低能耗大，不利于4H-SiC压力传感器制造技术的推广应用。另外，以上碳化硅压力传感器均是通过金属电路连通压敏电阻条来形成惠斯通电桥，传感器的封装强度和高温稳定性尚不能满足更高的环境温度。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种耐高温碳化硅压力传感器及其制备方法；以解决现有技术中全金属电路的封装结构在高温下易失效，现有的封装方法加工效率较低的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种耐高温碳化硅压力传感器，包括：压敏芯片和封装结构，压敏芯片固定设置在封装结构中，所述压敏芯片为4H-SiC；

压敏芯片的正面中心位置设置有敏感膜片，围绕敏感膜片设置有四个体型引线，四个体型引线分别设置在压敏芯片四角处；每一个体型引线的外侧边和压敏芯片的外侧边重合，内侧边和敏感膜片边部接触，相邻的体型引线之间设置有隔离槽，每一个体型引线中设置有金属焊盘，四个金属焊盘围绕压敏芯片的中心等分布置；

所述敏感膜片上沿其周向等分设置有四对压敏电阻条，每一对压敏电阻条包括两个单独电阻条，每一对压敏电阻条中的两个单独电阻条通过短金属引线连通，每一个单独电阻条通过一个长金属引线和一个体型引线连通，一个体型引线连通有两个单独电阻条；

金属焊盘和体型引线的连接区域，短金属引线和压敏电阻条的连接区域，长金属引线和体型引线的连接区域共同组成欧姆接触区。

本发明的进一步改进在于：

优选的，四对压敏电阻条均沿X方向设置，四对压敏电阻条包括两对第一压敏电阻条和两对第二压敏电阻条；两对第一压敏电阻条相对于Y方向中心线对称，两对第二压敏电阻条相对于X方向中心线对称；每一对第一压敏电阻条中的两个单独电阻条相对于X方向中心线对称，每一对第二压敏电阻条中的单独电阻条在Y方向中心线两边的距离相等。

优选的，所述金属焊盘、短金属引线和长金属引线的均为多层金属及金属化合物组合，自上而下分别为Ti、TiN和Pt。

优选的，所述封装结构包括盖板和四个铂线，盖板的正面和压敏芯片的正面键合，盖板的背面固定连接有底座；底座的外侧壁通过焊接连接有管壳和保护帽，保护帽在管壳的上部，保护帽将压敏芯片和盖板罩在底座和保护帽之间；管壳的底部固定连接有螺纹管；四个铂线从上到下依次贯穿盖板和底座；每一个铂线上端分别和一个金属焊盘固定连接，下端固定设置在螺纹管中。

优选的，盖板和底座之间通过高性能陶瓷胶粘结。

优选的，盖板和体型引线同质键合。

优选的，盖板中开设有四个第一通孔，底座中开设有四个第二通孔；每一个铂线从下到上依次穿过一个第二通孔和一个第一通孔；第一通孔的直径大于金属焊盘的直径，第二通孔和第一通孔内填充有导电浆料。

优选的，所述盖板的的正面开设第二凹腔；压敏芯片的背面开设有第一凹腔，第一凹腔的直径及圆心和敏感膜片相同。

优选的，保护帽上开设有若干个引压孔。

一种耐高温碳化硅压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，选用4H-SiC单晶片作为传感器压敏芯片制备的基材；

步骤2，通过低压热壁化学气相沉积法在4H-SiC单晶片的Si面依次外延生长N型缓冲层、P型高掺杂外延层和N型高掺杂外延层，得到4H-SiC外延片；

步骤3，在4H-SiC外延片的外延面旋涂光刻胶，通过压敏电阻条和体型引线的掩膜版进行光刻；使用镍靶进行磁控溅射，溅射一层覆盖整个压敏芯片正面的镍金属薄膜；用丙酮进行镍金属剥离，得到压敏电阻条和体型引线的镍金属刻蚀掩蔽层；

步骤4，通过等离子体干法刻蚀带有镍金属刻蚀掩蔽层的4H-SiC外延片，刻蚀N型高掺杂外延层未被掩蔽的部分，形成压敏电阻条、体型引线和隔离槽；腐蚀剩余的镍金属刻蚀掩蔽层得到刻蚀后的基片；

步骤5，通过二氧化硅靶材在刻蚀后的基片的外延面进行磁控溅射，溅射一层SiO₂作为隔离层；旋涂光刻胶，通过压敏芯片的隔离层腐蚀开窗掩膜版进行光刻，对SiO₂隔离层腐蚀开窗，开窗区域为欧姆接触区的图形；去除光刻胶层，得到带有氧化隔离层的基片；

步骤6，通过短金属引线、长金属引线和金属焊盘的掩膜版进行光刻，依次使用钛靶、氮化钛靶和铂靶进行磁控溅射，依次溅射Ti、TiN、Pt金属薄膜，用丙酮进行Ti、TiN、Pt金属薄膜的剥离，得到带有短金属引线、长金属引线和金属焊盘的基片；

步骤7，对带有短金属引线、长金属引线和金属焊盘的基片进行快速热退火处理，获得带有激活的欧姆接触区的基片；

步骤8，在带有激活的欧姆接触区的基片背面旋涂光刻胶，通过压敏芯片的背面凹腔刻蚀掩膜版进行光刻，得到激光刻蚀凹腔的对准图形；利用飞秒激光以对准图形为基准对压敏芯片的背面进行刻蚀，得到带有盲孔形的第一凹腔的基片；湿法腐蚀激光刻蚀产生的氧化物颗粒和残余的光刻胶层；

步骤9，取与压敏芯片等大的4H-SiC单晶片制备盖板，通过盖板的第一通孔与盲孔刻蚀掩膜版进行光刻；用镍靶进行磁控溅射，溅射一层覆盖整个盖板正面的镍金属薄膜，用丙酮进行镍金属剥离，得到第一通孔与盲孔的镍金属刻蚀掩蔽层；

步骤10，通过等离子体干法刻蚀盖板，得到的盲孔形的第二凹腔；利用飞秒激光刻蚀盖板得到第一通孔结构；去除激光刻蚀产生的氧化物和光刻胶层；腐蚀剩余的镍金属刻蚀掩蔽层，得到加工好的4H-SiC盖板；

步骤11，将压敏芯片与盖板在键合机中抽真空进行高温键合，压敏芯片的键合面为体型引线的上表面，盖板的键合面为带有第二凹腔的表面，体型引线和盖板直接接触，键合时压敏芯片的四个金属焊盘的圆心和盖板的四个第一通孔的圆心分别对应；

步骤12，在盖板键合面的相对面涂覆高性能陶瓷胶，将底座粘连在高性能陶瓷胶上；底座的四个第二通孔与盖板的四个第一通孔分别对应；在第二通孔与第一通孔内灌注熔融的导电浆料，并且将铂线插入至第二通孔与第一通孔的导电浆料中，铂线的上端与金属焊盘连接；待导电浆料冷却至固化，将底座和管壳固定连接，将管壳的上端和保护帽固定连接，将管壳的下端和螺纹管固定连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种耐高温碳化硅压力传感器，该传感器利用4H-SiC体型引线部分代替金属电路的新型结构，在N型高掺杂外延层刻蚀出4H-SiC体型引线，4H-SiC体型引线和金属焊盘之间通过欧姆接触区实现电连接，取代了金属焊盘和4H-SiC压敏电阻条之间的全金属电路连接，有效提高了传感器电路连接的高温稳定性，并为进一步的直接键合提供了均质的4H-SiC接触面。

进一步的，四组压敏电阻条设置成均平行于X方向的形式，且根据在敏感膜片的不同位置设置不同的对称方式，使得压敏电阻条全部处于膜片受压变形的最大应力区域，从而获得较高的电阻率信号输出值。

进一步的，金属焊盘、短金属引线和长金属均为多层金属及金属化合物组合，使得其能够与4H-SiC形成耐高温的欧姆接触区的同时，也能与铂线实现互连。

进一步的，封装结构通过管壳、保护帽和螺纹管的结合，将压敏芯片、盖板和底座封闭在内，该结构能够实现对传感器感压元件的保护，同时易于通过螺纹管与外部物体进行螺纹连接，固定在压力测试区域。进一步的，盖板和底座之间通过高性能陶瓷胶粘结，高性能陶瓷胶是一种溶有氧化铝的无水硅酸盐材料，它具有良好的绝缘性和低导热系数、力学特性、耐腐蚀性和耐高温特性，其最高工作温度在1000℃以上，使得整个传感器能够耐高温。

进一步的，盖板和体型引线同质键合，在4H-SiC压力传感器的封装过程中引入了碳化硅-碳化硅直接键合技术，实现了4H-SiC压敏芯片与4H-SiC盖板的直接键合，且键合接触面材质相同，材料的热膨胀系数相等，导热系数高，避免了因异质连接技术而产生的热应力不匹配，有效提高了键合的强度与传感器的高温稳定性。

进一步的，盖板和底座各自设置有对应的四个通孔，使得铂线能够穿过通孔和金属焊盘连接，通孔内灌注有金属玻璃导电浆料，实现底座、盖板和压敏芯片的电连接。

进一步的，盖板上开设有第二凹腔，压敏芯片上开设有第一凹腔，使得盖板和压敏芯片之间形成一个凹腔，为压敏芯片受压后的小挠度变形提供足够的空间域量。

进一步的，保护帽上设置有若干个引压孔，可过滤压力测试流体中的固体杂质，只引导压力测试流体进入保护帽内，使流体压力作用于4H-SiC压敏芯片的膜片上。

本发明还公开了一种耐高温碳化硅压力传感器的制备方法，该方法为耐高温4H-SiC高温压力传感器的制造方法，将MEMS工艺和飞秒激光加工融合技术制造，兼具加工精度和效率，工艺合理，易于批量生产，能很好地满足高温环境下压力测量领域对高精度压力传感器的需求，具有广阔的发展前景。该方法在4H-SiC的C面进行高可控性、高速率、高精确度的凹腔结构加工，无需再对4H-SiC晶圆进行预先减薄处理；同时，将飞秒激光刻蚀工艺与MEMS湿法腐蚀工艺结合，突破了MEMS刻蚀工艺对于SiC材料的厚掩膜制备困难、刻蚀速率慢、刻蚀面形貌差的限制。

【附图说明】

图1是耐高温4H-SiC高温压力传感器的结构爆炸图；

图2是4H-SiC压敏芯片的正面结构示意图及其局部放大；

其中，(a)图为正面结构示意图；(b)图为局部放大图；

图3是4H-SiC压敏芯片的背面结构示意图；

图4是4H-SiC压敏芯片的整体结构示意图；

图5是4H-SiC压敏芯片掺杂层和氧化层的截面示意图；

图6是耐高温4H-SiC高温压力传感器的封装结构剖面示意图；

图7是4H-SiC压敏芯片制造工艺流程示意图；

其中，(a)图为步骤(1)的结构图；(b)图为步骤(2)的结构图；(c)图为步骤(3)的结构图；(d)图为步骤(4)的结构图；(e)图为步骤(5)的结构图；(f)图为步骤(6)的结构图；(g)图为步骤(7)的结构图；(h)图为步骤(8)的结构图；

图8是4H-SiC压敏芯片的压敏电阻条和体型引线的掩膜版示意图；

图9是4H-SiC压敏芯片的隔离层腐蚀开窗掩膜版示意图；

图10是4H-SiC压敏芯片的短金属引线、长金属引线和金属焊盘的掩膜版；

图11是4H-SiC压敏芯片的背面凹腔刻蚀掩膜版；

图12是4H-SiC盖板通孔与盲孔刻蚀掩膜版。

其中：1-压敏芯片；2-盖板；3-底座；4-管壳；5-保护帽；6-螺纹管；7-铂线；101敏感膜片；102-第一凹腔；103-体型引线；104-隔离槽；105-金属焊盘；106-压敏电阻条；107-段金属引线；108-长金属引线；109-欧姆接触区；201-N型高掺杂外延层；202-P型高掺杂外延层；203-N型缓冲层；204-基底；205-SiO₂隔离层；206-镍金属刻蚀掩蔽层；207-Ti、TiN、Pt金属薄膜；1013-金属焊盘；2001-第3凹腔；2002-第一通孔；2003-导电浆料；2004-高性能陶瓷胶；3001-第二通孔；5001-引压孔；1061-第一压敏电阻条；1062-第二压敏电阻条；1063-单独电阻条。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1，本发明提供一种耐高温4H-SiC压力传感器，包括4H-SiC压敏芯片1、4H-SiC盖板2、底座3、管壳4、保护帽5、螺纹管6和四个铂线7；具体包括4H-SiC压敏芯片1，与4H-SiC压敏芯片1正面键合的4H-SiC盖板2，与4H-SiC盖板2背面通过高性能陶瓷胶2004粘接的底座3，与底座3的侧壁通过焊接连接的管壳4，底座3的侧壁部分被包裹在管壳4中；与底座3的侧壁通过焊接连接并将4H-SiC压敏芯片1、4H-SiC盖板2与底座3同时包裹在其内部的保护帽5，保护帽5的下部与管壳4的上端在底座3的侧壁外接触；与管壳4的底部通过焊接连接的螺纹管6以及四根依次贯穿管壳4、底座3的四个第二通孔3001和4H-SiC盖板的四个第一通孔2002的铂线7，螺纹管6上端的一部分和底座3固定连接；四个铂线7的一端穿过螺纹管6，与外部的激励电源和信号输出设备连接；另一端固定连接在4H-SiC压敏芯片1的金属焊盘105上，一个铂线7和一个金属焊盘105连接。压敏芯片1、盖板2、底座3、管壳4、保护帽5和螺纹管6同轴线。

图6示出了实施例提供的耐高温4H-SiC高温压力传感器的封装结构剖面示意图，4H-SiC盖板2开设有四个第一通孔2002，四个第一通孔2002围绕4H-SiC盖板2的中心等分布置；四个第一通孔2002和四个金属焊盘105一一对应，且第一通孔2002的直径大于4H-SiC压敏芯片1正面的四个金属焊盘105的直径，可保证在键合时4H-SiC盖板2的第一通孔2002能够完全罩住4H-SiC压敏芯片1的金属焊盘105，并保证4H-SiC盖板2与4H-SiC压敏芯片1的4H-SiC体型引线103直接接触，形成同质键合面；四根铂线7通过灌注在底座3的四个第二通孔3001和4H-SiC盖板2的四个第一通孔2002内的金属玻璃导电浆料2003实现与底座3、4H-SiC盖板2和4H-SiC压敏芯片1的连接，四根铂线7的上端各自和一个金属焊盘105固定连接，下端从螺纹管6引出，与外部的激励电源和输出设备相连。盖板2的正面，开设有第二凹腔2001，第二凹腔2001开设在盖板2的中心位置，第二凹腔2001的圆心为盖板2的中心，四个第一通孔2002均在第二凹腔2001的外部。第二凹腔2001的直径大于第一凹腔102的直径。

需要说明的是，图6中4H-SiC压敏芯片1和4H-SiC盖板2通过同质键合实现直接连接，无需添加中间层材料；4H-SiC压敏芯片1和4H-SiC盖板2键合连接后，第二凹腔2001为4H-SiC压敏芯片1受压后的小挠度变形提供足够的空间域量；

图6中4H-SiC盖板2和底座3通过高性能陶瓷胶2004粘接，高性能陶瓷胶2004是一种溶有氧化铝的无水硅酸盐材料，它具有良好的绝缘性和低导热系数、力学特性、耐腐蚀性和耐高温特性，其最高工作温度在1000℃以上。

图6中的保护帽5上设置有引压孔5001，可过滤压力测试流体中的固体杂质，只引导压力测试流体进入保护帽内，使流体压力作用于4H-SiC压敏芯片1的膜片上，引压孔5001的大小和数目可依据测试流体所在的环境和固体杂质含量进行调整。

图2、图3和图4分别示出了实施例提供的耐高温4H-SiC高温压力传感器的4H-SiC压敏芯片1的正面结构示意图、背面结构示意图和整体结构示意图；参见图2和图3，所述4H-SiC压敏芯片1包括：位于正面的敏感膜片101，位于背面和敏感膜片对应的第一凹腔102，敏感膜片101为圆形结构，其圆心为4H-SiC压敏芯片1的中心点，四个分布在4H-SiC压敏芯片1正面四角位置处的4H-SiC体型引线103，相邻两个4H-SiC体型引线之间设置有隔离槽104，每一个体型引线103的内边部与敏感膜片101相接触，位于4H-SiC体型引线103上的金属焊盘105。敏感膜片10上设置有四对4H-SiC压敏电阻条106，四对压敏电阻条均10沿X方向布置，根据压敏电阻条106在敏感膜片101上的位置分为两队第一压敏电阻条1061和两对第二压敏电阻条1062，每一个第一压敏电阻条1061和每一个第二压敏电阻条1062均包括两个独立电阻条1063；两个第一压敏电阻条1061相对于Y方向中心线对称，任意一个第一压敏电阻条1061中的两个独立电阻条1063分别设置在X中心线的两侧；两个第二压敏电阻条1062相对于X方向中心线对称，任意一个第二压敏电阻条1062中的两个独立电阻条1063均穿过Y方向中心线，且第二压敏电阻条1062中的独立电阻条1063在Y方向中心线两侧的长度相等；每一对压敏电阻条106中的两个独立电阻条1063的同一端均通过短金属引线107连通；

4H-SiC体型引线103是长度和宽度尺寸近似相等、高掺杂浓度的片状碳化硅晶体，由N型高掺杂外延层201刻蚀形成。根据电阻的公式R＝ρL/(Wt)，4H-SiC体型引线的电阻率ρ在0.01Ωcm～0.03Ωcm左右，长宽比L/W近似为1，厚度t为2μm，则4H-SiC体型引线的电阻仅为100Ω左右，与几千欧的压敏电阻条相比较小，因此可以作为引线实现金属焊盘和长金属引线的电连接。

对于第一压敏电阻条1061中每一个独立电阻条1063，其外端部均通过一个长金属引线108和一个体型引线103连接，该独立电阻条1063和其连通的体型引线103在X方向中心线的同一侧；两个独立电阻条1063的内端通过短金属引线107连通。

对于任意一个第二压敏电阻条1062中两个独立电阻条1063的一端通过短金属引线107连通，另一端分别和一个体型引线103连接，其中靠近外侧的独立电阻条1063和Y方向中心线左侧的体型引线103连接，靠近内侧独立电阻条1063和Y方向中心线右侧的体型引线103连接。

长金属引线108共计8条，位于金属焊盘105和4H-SiC体型引线103的四个连接区域、短金属引线107和4H-SiC压敏电阻条106的八个连接区域与长金属引线108和4H-SiC体型引线106的十六个连接区域的二十八个欧姆接触区109。

图2中所述金属焊盘105、短金属引线107和长金属引线108的金属均为多层金属及金属化合物组合，自上而下分别为Ti、TiN和Pt，Ti、TiN和Pt的厚度分别为100nm、100nm和200nm。

应理解，图2中虚线箭头指出的部分为4H-SiC压敏芯片结构的局部放大示意图。

图5示出了实施例提供的4H-SiC压敏芯片掺杂层和氧化层的截面示意图，所述4H-SiC体型引线103和4H-SiC压敏电阻条106由所述4H-SiC压敏芯片1的N型高掺杂外延层201刻蚀形成，所述N型高掺杂外延层201的厚度为2μm，掺杂元素为氮，掺杂浓度为2.0×10¹⁹cm^-3；N型高掺杂外延层201的下方为P型高掺杂外延层202，厚度为5μm，掺杂元素为铝，掺杂浓度为3.0×10¹⁸cm^-3；P型高掺杂外延层202的下方为N型缓冲层203，厚度为1μm，掺杂浓度为1.0×10¹⁸cm^-3，N型缓冲层203的正下方为4H-SiC基底204，所述4H-SiC体型引线103、4H-SiC压敏电阻条106和敏感膜片1除二十八个欧姆接触区109外的表面被SiO₂隔离层205覆盖。

一种耐高温4H-SiC压力传感器的制造方法，包括如下步骤：

步骤(1)，选用4H-SiC单晶片作为传感器压敏芯片制备的材质，4H-SiC单晶片厚度350±25μm，晶向<11-20>偏离定向4°，如图7a所示；

步骤(2)，在H₂作为载气的条件下，使用低压热壁化学气相沉积系统在4H-SiC单晶片的Si面依次外延生长N型缓冲层、P型高掺杂外延层和N型高掺杂外延层，反应室温度为1580℃，压力为100mbar；P型高掺杂外延层选用铝作为掺杂离子，外延气体为SiH₄、C₃H₈和(CH₃)₃Al；N型缓冲层和N型高掺杂外延层选用氮作为掺杂离子，外延气体为SiH₄、C₃H₈和N₂；得到4H-SiC外延片，如图7b所示；

步骤(3)，在4H-SiC外延片的外延面旋涂光刻胶；如图8所示，利用4H-SiC压敏芯片的压敏电阻条和体型引线的掩膜版进行光刻；使用镍靶进行磁控溅射，真空度为1×10^-6Pa，功率为100W，溅射一层厚度为200nm并覆盖整个压敏芯片正面的镍金属薄膜；用丙酮进行镍金属剥离，得到压敏电阻条106和体型引线103的镍金属刻蚀掩蔽层206，如图7c所示；

步骤(4)，在30sccm CF₄和10sccm O₂的气氛环境下，通过等离子体干法刻蚀4H-SiC，ICP功率800W，RF功率100W，腔室压力10mTorr，刻蚀20min后，形成压敏电阻条106结构、体型引线和隔离槽结构；用36％HCl：68％HNO₃：H₂O＝3：1：2的溶液腐蚀剩余的镍金属刻蚀掩蔽层，5min后完成腐蚀，用去离子水冲洗1min；得到刻蚀后的基片，如图7d所示；

步骤(5)，利用二氧化硅靶材在刻蚀后的4H-SiC外延面进行磁控溅射，真空度为1×10^-6Pa，功率为100W，溅射一层厚度为300nm的SiO₂作为隔离层；旋涂光刻胶；如图9所示，利用4H-SiC压敏芯片的隔离层腐蚀开窗掩膜版进行光刻；用49％HF：40％NH₄F＝1：6的溶液进行SiO₂隔离层的腐蚀开窗，开窗区域为欧姆接触区的图形；用丙酮、无水乙醇去除光刻胶层；得到带有SiO₂隔离层205的基片，如图7e所示；

步骤(6)，旋涂光刻胶；如图10所示，利用4H-SiC压敏芯片的短金属引线、长金属引线和金属焊盘的掩膜版进行光刻；依次使用钛靶、氮化钛靶和铂靶进行磁控溅射，真空度为1×10^-6Pa，功率为100W，分别溅射厚度为100nm、100nm和200nm的Ti、TiN、Pt金属薄膜207；用丙酮进行Ti、TiN、Pt金属薄膜的剥离；得到带有短金属引线、长金属引线和金属焊盘的基片，如图7f所示；

步骤(7)，在2L/min的N₂气流下对4H-SiC压敏芯片进行快速热退火处理，温度为1000℃，时间为3min，升温速率为100K/s；获得带有激活的欧姆接触区的基片，如图7g所示；

需要说明的是，步骤(7)得到的带有激活的欧姆接触区的基片共有二十八个欧姆接触区，分别位于金属焊盘和4H-SiC体型引线的四个连接区域、短金属引线和4H-SiC压敏电阻条的八个连接区域与长金属引线和4H-SiC体型引线的十六个连接区域，与图9掩膜版中图形区域的位置和大小一致。

步骤(8)，在4H-SiC压敏芯片的背面旋涂光刻胶；如图11所示，利用4H-SiC压敏芯片的背面凹腔刻蚀掩膜版进行光刻，得到激光刻蚀凹腔的对准图形；利用飞秒激光以对准图形为基准对4H-SiC压敏芯片的背面进行刻蚀，激光波长为1064nm，脉冲宽度为240fs，脉冲重复频率50kHz，激光扫描速度为2000mm/min，激光扫描方式为同心圆扫描，扫描线间距为15μm，扫描重复次数为7，得到带有深度为260μm、直径为1.8mm的盲孔形凹腔的基片，如图7h所示；用40％HF湿法腐蚀激光刻蚀产生的氧化物颗粒和残余的光刻胶层；

步骤(9)，取与4H-SiC压敏芯片等大的4H-SiC单晶片制备盖板，如图12所示，利用4H-SiC盖板通孔与盲孔刻蚀掩膜版进行光刻；用镍靶进行磁控溅射，真空度为1×10^-6Pa，功率为100W，溅射一层厚度为500nm并覆盖整个盖板的镍金属薄膜；用丙酮进行镍金属剥离，得到4H-SiC盖板通孔与盲孔的镍金属刻蚀掩蔽层；

步骤(10)，在30sccm CF₄和10sccm O₂气氛环境下，通过等离子体干法刻蚀4H-SiC盖板，ICP功率800W，RF功率100W，刻蚀30min后，得到得到深度为2.5μm、直径为2.2mm盲孔结构；利用飞秒激光进行4H-SiC盖板的通孔结构刻蚀，脉冲宽度为240fs，激光波长为1064nm，脉冲重复频率50kHz，激光扫描速度为2000mm/min，激光扫描方式为同心圆扫描，扫描线间距为15μm，扫描重复次数为1，得到四个第一通孔；依次用HF、丙酮、无水乙醇去除激光刻蚀产生的氧化物和光刻胶层；用36％HCl：68％HNO₃：H₂O＝3：1：2的溶液腐蚀剩余的镍金属刻蚀掩蔽层；得到加工好的4H-SiC盖板；

步骤(11)，将4H-SiC压敏芯片与4H-SiC盖板在键合机中抽真空进行高温键合，4H-SiC压敏芯片的键合面为体型引线的上表面，4H-SiC盖板的键合面为带有盲孔的表面，键合机真空度为2×10^-3mbar，键合压力为2kN，键合温度为600℃，键合时间为3h；键合时4H-SiC压敏芯片的四个金属焊盘的圆心和4H-SiC盖板的四个通孔的圆心分别对应；

步骤(12)，在4H-SiC盖板的非键合面涂覆高性能陶瓷胶，将键合后的4H-SiC压敏芯片和4H-SiC盖板与底座粘连；底座的四个通孔与4H-SiC盖板的四个通孔分别对应；在底座的通孔与4H-SiC盖板的通孔内灌注熔融金属玻璃导电浆料2003，并且通过底座的通孔与4H-SiC盖板的通孔插入铂线至金属玻璃导电浆料中2003，实现与4H-SiC压敏芯片的金属焊盘的电连接通路；待金属玻璃导电浆料2003冷却至固化；依次将底座和管壳、管壳和保护帽以及管壳和螺纹管通过焊接的方式连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耐高温碳化硅压力传感器，其特征在于，包括：压敏芯片（1）和封装结构，压敏芯片（1）固定设置在封装结构中，所述压敏芯片（1）为4H-SiC；

压敏芯片（1）的正面中心位置设置有敏感膜片（101），围绕敏感膜片（101）设置有四个4H-SiC体型引线（103），四个4H-SiC体型引线（103）分别设置在压敏芯片（1）四角处；4H-SiC体型引线（103）是长度和宽度尺寸近似相等、高掺杂浓度的片状碳化硅晶体，由N型高掺杂外延层（201）刻蚀形成；每一个4H-SiC体型引线（103）的外侧边和压敏芯片（1）的外侧边重合，内侧边和敏感膜片（101）边部接触，相邻的4H-SiC体型引线（103）之间设置有隔离槽（104），每一个4H-SiC体型引线（103）中设置有金属焊盘（105），四个金属焊盘（105）围绕压敏芯片（1）的中心等分布置；

所述敏感膜片（101）上沿其周向等分设置有四对压敏电阻条（106），每一对压敏电阻条（106）包括两个单独电阻条（1063），每一对压敏电阻条（106）中的两个单独电阻条（1063）通过短金属引线（107）连通，每一个单独电阻条（1063）通过一个长金属引线（108）和一个4H-SiC体型引线（103）连通，一个4H-SiC体型引线（103）连通有两个单独电阻条（1063）；

金属焊盘（105）和4H-SiC体型引线（103）的连接区域，短金属引线（107）和压敏电阻条（106）的连接区域，长金属引线（108）和4H-SiC体型引线（103）的连接区域共同组成欧姆接触区（109）。

2.根据权利要求1所述的一种耐高温碳化硅压力传感器，其特征在于，四对压敏电阻条（106）均沿X方向设置，四对压敏电阻条（106）包括两对第一压敏电阻条（1061）和两对第二压敏电阻条（1062）；两对第一压敏电阻条（1061）相对于Y方向中心线对称，两对第二压敏电阻条（1062）相对于X方向中心线对称；每一对第一压敏电阻条（1061）中的两个单独电阻条（1063）相对于X方向中心线对称，每一对第二压敏电阻条（1062）中的单独电阻条（1063）在Y方向中心线两边的距离相等。

3.根据权利要求1所述的一种耐高温碳化硅压力传感器，其特征在于，所述金属焊盘（105）、短金属引线（107）和长金属引线（108）均为多层金属及金属化合物组合，自上而下分别为Ti、TiN和Pt。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的耐高温碳化硅压力传感器，其特征在于，所述封装结构包括盖板（2）和四个铂线（7），盖板（2）的正面和压敏芯片（1）的正面键合，盖板（2）的背面固定连接有底座（3）；底座（3）的外侧壁通过焊接连接有管壳（4）和保护帽（5），保护帽（5）在管壳（4）的上部，保护帽（5）将压敏芯片（1）和盖板（2）罩在底座（3）和保护帽（5）之间；管壳（4）的底部固定连接有螺纹管（6）；四个铂线（7）从上到下依次贯穿盖板（2）和底座（3）；每一个铂线（7）上端分别和一个金属焊盘（105）固定连接，下端固定设置在螺纹管（6）中。

5.根据权利要求4所述的一种耐高温碳化硅压力传感器，其特征在于，盖板（2）和底座（3）之间通过高性能陶瓷胶（2004）粘结。

6.根据权利要求4所述的一种耐高温碳化硅压力传感器，其特征在于，盖板（2）和4H-SiC体型引线（103）同质键合。

7.根据权利要求4所述的一种耐高温碳化硅压力传感器，其特征在于，盖板（2）中开设有四个第一通孔（2002），底座（3）中开设有四个第二通孔（3001）；每一个铂线（7）从下到上依次穿过一个第二通孔（3001）和一个第一通孔（2002）；第一通孔（2002）的直径大于金属焊盘（105）的直径，第二通孔（3001）和第一通孔（2002）内填充有导电浆料（2003）。

8.根据权利要求4所述的一种耐高温碳化硅压力传感器，其特征在于，所述盖板（2）的正面开设第二凹腔（2001）；压敏芯片（1）的背面开设有第一凹腔（102），第一凹腔（102）的直径及圆心和敏感膜片（101）相同。

9.根据权利要求4所述的一种耐高温碳化硅压力传感器，其特征在于，保护帽（5）上开设有若干个引压孔（5001）。

10.一种权利要求1所述的耐高温碳化硅压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，选用4H-SiC单晶片作为传感器压敏芯片（1）制备的基材；

步骤2，通过低压热壁化学气相沉积法在4H-SiC单晶片的 Si 面依次外延生长N型缓冲层（203）、P型高掺杂外延层（202）和N型高掺杂外延层（201），得到4H-SiC外延片；

步骤3，在4H-SiC外延片的外延面旋涂光刻胶，通过压敏电阻条（106）和4H-SiC体型引线（103）的掩膜版进行光刻；使用镍靶进行磁控溅射，溅射一层覆盖整个压敏芯片（1）正面的镍金属薄膜；用丙酮进行镍金属剥离，得到压敏电阻条（106）和4H-SiC体型引线（103）的镍金属刻蚀掩蔽层；

步骤4，通过等离子体干法刻蚀带有镍金属刻蚀掩蔽层的4H-SiC外延片，刻蚀N型高掺杂外延层（201）未被掩蔽的部分，形成压敏电阻条（106）、4H-SiC体型引线（103）和隔离槽（104）；腐蚀剩余的镍金属刻蚀掩蔽层得到刻蚀后的基片；

步骤5，通过二氧化硅靶材在刻蚀后的基片的外延面进行磁控溅射，溅射一层SiO2作为隔离层；旋涂光刻胶，通过压敏芯片（1）的隔离层腐蚀开窗掩膜版进行光刻，对SiO2隔离层腐蚀开窗，开窗区域为欧姆接触区（109）的图形；去除光刻胶层，得到带有氧化隔离层的基片；

步骤6，通过短金属引线（107）、长金属引线（108）和金属焊盘（105）的掩膜版进行光刻，依次使用钛靶、氮化钛靶和铂靶进行磁控溅射，依次溅射Ti、TiN、Pt金属薄膜，用丙酮进行Ti、TiN、Pt金属薄膜的剥离，得到带有短金属引线（107）、长金属引线（108）和金属焊盘（105）的基片；

步骤7，对带有短金属引线（107）、长金属引线（108）和金属焊盘（105）的基片进行快速热退火处理，获得带有激活的欧姆接触区（109）的基片；

步骤8，在带有激活的欧姆接触区（109）的基片背面旋涂光刻胶，通过压敏芯片（1）的背面凹腔刻蚀掩膜版进行光刻，得到激光刻蚀凹腔的对准图形；利用飞秒激光以对准图形为基准对压敏芯片（1）的背面进行刻蚀，得到带有盲孔形的第一凹腔（102）的基片；湿法腐蚀激光刻蚀产生的氧化物颗粒和残余的光刻胶层；

步骤9，取与压敏芯片（1）等大的4H-SiC单晶片制备盖板（2），通过盖板（2）的第一通孔（2002）与盲孔刻蚀掩膜版进行光刻；用镍靶进行磁控溅射，溅射一层覆盖整个盖板（2）正面的镍金属薄膜，用丙酮进行镍金属剥离，得到第一通孔（2002）与盲孔的镍金属刻蚀掩蔽层；

步骤10，通过等离子体干法刻蚀盖板（2），得到的盲孔形的第二凹腔（2001）；利用飞秒激光刻蚀盖板（2）得到第一通孔（2002）结构；去除激光刻蚀产生的氧化物和光刻胶层；腐蚀剩余的镍金属刻蚀掩蔽层，得到加工好的盖板（2）；

步骤11，将压敏芯片（1）与盖板（2）在键合机中抽真空进行高温键合，压敏芯片（1）的键合面为4H-SiC体型引线（103）的上表面，盖板（2）的键合面为带有第二凹腔（2001）的表面，4H-SiC体型引线（103）和盖板（2）直接接触，键合时压敏芯片（1）的四个金属焊盘（105）的圆心和盖板（2）的四个第一通孔（2002）的圆心分别对应；

步骤12，在盖板（2）键合面的相对面涂覆高性能陶瓷胶（2004），将底座（3）粘连在高性能陶瓷胶（2004）上；底座（3）的四个第二通孔（3001）与盖板（2）的四个第一通孔（2002）分别对应；在第二通孔（3001）与第一通孔（2002）内灌注熔融的导电浆料（2003），并且将铂线（7）插入至第二通孔（3001）与第一通孔（2002）的导电浆料（2003）中，铂线（7）的上端与金属焊盘（105）连接；待导电浆料（2003）冷却至固化，将底座（3）和管壳（4）固定连接，将管壳（4）的上端和保护帽（5）固定连接，将管壳（4）的下端和螺纹管（6）固定连接。

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