CN112720082B - 一种金属基薄膜压敏芯片研磨抛光工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种金属基薄膜压敏芯片研磨抛光工艺，涉及半导体和传感器加工技术领域，包括下料、成型、研磨减薄、填充合金液、单面研磨、单面抛光、清洗、测试变形量和粗糙度、二次清洗、微电子电路加工的加工步骤。本发明的目的是提供一种金属基薄膜压敏芯片研磨抛光工艺，设计科学，工艺完善，能够解决低量程芯片基底在研磨抛光过程中，金属基薄膜压敏芯片的敏感膜片容易变形的问题，能够避免敏感膜片在单面研磨和单面研磨的过程中发生变形，从而减少金属基薄膜压敏芯片的敏感膜片粗糙度和变形量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体和传感器加工技术领域，具体为一种金属基薄膜压敏芯片研磨抛光工艺。
背景技术
压敏芯片做为压力传感器的核心部件，用来测量各种环境下的气体、液体、流体等介质的压力。目前主流的压敏芯片采用传统的集成电路工艺，在硅基上制作电路，由于硅半导体的温度特性，所制作的压敏芯片温度漂移大，工作温度范围窄；另外，由于硅材料的机械特性无法承受较大的压力，测量高压力值（如几十甚至几百兆帕）的应用场景只能采用金属基薄膜压敏芯片，如工程液压设备、高铁、航空航天等领域。
硅基压力传感器工艺、设备、材料成熟，制程难度相对简单；而金属基压力传感器由于其材料坚硬和结构复杂的原因，机械加工难度大，尤其是低量程产品的单面研磨抛光工艺，量程越低基底膜片越薄，研磨抛光过程中越容易变形。
金属基薄膜压敏芯片外形和截面图如说明书附图所示，由于盲孔（2）的存在，加工面只能进行单面研磨抛光，而由于研磨抛光过程中单面受力，膜片越薄越容易变形凸起，膜片厚度与压敏传感器的量程直接相关，膜片越薄量程越小，所以研磨抛光加工变形是制约金属基薄膜压敏芯片往低量程发展的最大障碍。
发明内容
本发明的目的是针对以上问题，提供一种金属基薄膜压敏芯片研磨抛光工艺，它能够解决低量程芯片基底在研磨抛光过程中，金属基薄膜压敏芯片的敏感膜片容易变形的问题，能够避免敏感膜片在单面研磨和单面研磨的过程中发生变形，从而减少金属基薄膜压敏芯片的敏感膜片粗糙度和变形量。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种金属基薄膜压敏芯片研磨抛光工艺，包括以下步骤：
步骤A：下料，圆棒下料切断制得毛坯料；
步骤B：成型，毛坯料采用机加工制成芯片基底，芯片基底包括芯片基体，芯片基体包括凸台、盲孔和敏感膜片，敏感膜片厚度控制为0.9-1.2mm；
步骤C：研磨减薄，采用单面铜盘研磨设备对敏感膜片进行研磨减薄操作，敏感膜片厚度控制为0.3-0.4mm；
步骤D：填充合金液，将合金液填充入芯片基体的盲孔内，然后冷却凝固；
步骤E：单面研磨，将步骤D所制填充有合金液的芯片基体采用树脂铜研磨盘进行单面研磨操作，研磨完成后敏感膜片3厚度控制为0.1-0.2mm，制得待加工物料；
步骤F：单面抛光，将步骤E所制待加工物料采用抛光设备进行抛光操作，抛光完成后敏感膜片厚度控制为0.09-0.11mm，制得待加工物料；
步骤G：清洗，将步骤F所制待加工物料放入100℃水中进行清洗操作，清洗时间控制为1.5-3分钟，将芯片基体的盲孔内的合金液融化并沉淀于水中，制得待加工物料；
步骤H：测试变形量和粗糙度，将步骤G所制待加工物料采用小坂ET150微小形状测定机测试中间区域敏感膜片的变形量和粗糙度，评估方法是随机取5个基底样品测试变形量和粗糙度，对比不同条件下变形量和粗糙度的平均值和最大值，值越小表示效果越好；
步骤I：二次清洗，将经过步骤H测试过后的待加工物料依次进行超声清洗、水洗、有机洗、酸洗、碱洗、脱水、烘干工序，制得待加工物料；
步骤J：微电子电路加工，步骤I所制得待加工物料依次进行清洗、镀膜、光刻、刻蚀、去胶、检测工序，制得合格的金属基薄膜压敏芯片。
作为本发明的进一步优化，步骤A中，不锈钢圆棒采用材料为17-4PH、直径为10mm的不锈钢圆棒。
作为本发明的进一步优化，步骤C中，研磨压力控制为6-8 kgf，研磨时间控制为12-14分钟。
作为本发明的进一步优化，步骤D中，合金液是采用锡、铋、铅、铟金属装入电加热坩埚装置内，将电加热坩埚装置加热到390-410℃使金属快速融化混合制得；
作为本发明的进一步优化，合金液成分质量份数控制为：锡8%~13%；铋45%~60%、铅10%~20%、铟15%~30%，合金液的熔点控制为60-70℃；
作为本发明的进一步优化，合金液通过脚踏气压条充装置注入芯片基体的盲孔内，调整好脚踏填充装置的气压，将填充装置的针头对准芯片基体的盲孔，脚踩踏板将融化后的合金液注入到芯片基体的盲孔内，冷却时间2-4分钟；
作为本发明的进一步优化，步骤E中，在单面研磨操作中，表面平面度控制为±10um，表面刻槽深度2mm，槽宽3mm，槽间距3mm，采用有机系研磨液进行单面研磨操作，研磨压力控制为3-5 kgf，研磨时间控制为7-9分钟。
作为本发明的进一步优化，步骤F中，抛光垫采用聚氨酯抛光垫，抛光液采用含氧化铝的抛光液，抛光压力设定控制为2-4kgf，抛光时间控制为5-7分钟。
本发明的有益效果：本发明提供了一种金属基薄膜压敏芯片研磨抛光工艺，它设计科学，工艺完善，能够解决低量程芯片基底在研磨抛光过程中，金属基薄膜压敏芯片的敏感膜片容易变形的问题，能够避免敏感膜片在单面研磨和单面研磨的过程中发生变形，从而减少金属基薄膜压敏芯片的敏感膜片粗糙度和变形量。
1、本发明设置有填充合金液操作，通过向芯片基体的盲孔内注入低熔点的合金液体，冷却凝固之后，合金体能够填充在向芯片基体的盲孔内，芯片基体在研磨和抛光过程中，能够有效防止敏感膜片受力发生变形。
2、本发明设置的合金液填充步骤中，在完成研磨和抛光过程后，通过放入100℃水中进行清洗操作，清洗时间控制为1.5-3分钟，将芯片基体的盲孔内的合金液融化并沉淀于水中，清洗简单且不会对芯片基体的盲孔内壁造成影响和破坏，工艺操作简单且易于实现，合金液不会残留于芯片基体的盲孔内。
3、本发明设置的合金液填充步骤中，在完成研磨和抛光过程后，清洗下来的合金液融化并沉淀于水中，能够进行重复利用，几乎没有损耗，极大地节约了生产成本和制造成本，满足企业大批量金属基薄膜压敏芯片制造的使用需求。
附图说明
图1为本发明芯片基体立体结构示意图。
图2为本发明芯片基体另一视角立体结构示意图。
图3为本发明主视结构示意图。
图4为图3中A-A处剖视结构示意图。
图5为本发明变形量测试示意图。
图6为本发明中实施例与对比例样品数据统计表。
图中所述文字标注表示为：1、芯片基体；2、盲孔；3、敏感膜片；4、凸台。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和对比例对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
实施例：结合图1-图6所示，本实施例的具体实施方式为：一种金属基薄膜压敏芯片研磨抛光工艺，包括以下步骤：
步骤A：下料，圆棒下料切断制得毛坯料；
步骤B：成型，毛坯料采用机加工制成芯片基底，芯片基底包括芯片基体1，芯片基体1包括凸台4、盲孔2和敏感膜片3，敏感膜片3厚度控制为1mm；
步骤C：研磨减薄，采用单面铜盘研磨设备对敏感膜片3进行研磨减薄操作，敏感膜片3厚度控制为0.35mm；
步骤D：填充合金液，将合金液填充入芯片基体1的盲孔2内，然后冷却凝固；
步骤E：单面研磨，将步骤D所制填充有合金液的芯片基体1采用树脂铜研磨盘进行单面研磨操作，研磨完成后敏感膜片3厚度控制为0.15mm，制得待加工物料；
步骤F：单面抛光，将步骤E所制待加工物料采用抛光设备进行抛光操作，抛光完成后敏感膜片3厚度控制为0.1mm，制得待加工物料；
步骤G：清洗，将步骤F所制待加工物料放入100℃水中进行清洗操作，清洗时间控制为2分钟，将芯片基体1的盲孔2内的合金液融化并沉淀于水中，制得待加工物料；
步骤H：测试变形量和粗糙度，将步骤G所制待加工物料采用小坂ET150微小形状测定机测试中间区域敏感膜片的变形量和粗糙度，评估方法是随机取5个基底样品测试变形量和粗糙度，对比不同条件下变形量和粗糙度的平均值和最大值，值越小表示效果越好；
步骤I：二次清洗，将经过步骤H测试过后的待加工物料依次进行超声清洗、水洗、有机洗、酸洗、碱洗、脱水、烘干工序，制得待加工物料；
步骤J：微电子电路加工，步骤I所制得待加工物料依次进行清洗、镀膜、光刻、刻蚀、去胶、检测工序，制得合格的金属基薄膜压敏芯片。
优选的，步骤A中，不锈钢圆棒采用材料为17-4PH、直径为10mm的不锈钢圆棒。
优选的，步骤C中，研磨压力控制为7 kgf，研磨时间控制为13分钟。
优选的，步骤D中，合金液是采用锡、铋、铅、铟金属装入电加热坩埚装置内，将电加热坩埚装置加热到400℃使金属快速融化混合制得；
优选的，合金液成分锡、铋、铅、铟的质量比控制为：12:49:18:21，合金液的熔点控制为68℃；
优选的，合金液通过脚踏气压条充装置注入芯片基体1的盲孔2内，调整好脚踏填充装置的气压，将填充装置的针头对准芯片基体1的盲孔2，脚踩踏板将融化后的合金液注入到芯片基体1的盲孔2内，冷却时间3分钟；
优选的，步骤E中，在单面研磨操作中，表面平面度控制为±10um，表面刻槽深度2mm，槽宽3mm，槽间距3mm，采用有机系研磨液进行单面研磨操作，研磨压力控制为4kgf，研磨时间控制为8分钟。
优选的，步骤F中，抛光垫采用聚氨酯抛光垫，抛光液采用含氧化铝的抛光液，抛光压力设定控制为3kgf，抛光时间控制为6分钟。
对比例：结合图1-图6所示，本对比例的具体实施方式为：一种金属基薄膜压敏芯片研磨抛光工艺，与实施例所不同的是：不进行步骤D的填充合金液操作，不进行步骤G的清洗操作，其余操作步骤以及工艺参数的设定均与实施例一摸一样。
结果测试以及数据分析：采用小坂ET150微小形状测定机测试实施例和对比例的敏感膜片表面状况，分别随机测试5片样品，对比敏感膜片的变形量和粗糙度，变形量和粗糙度越小越好, 粗糙度的测量方式即为业界常用的微观不平度十点高度Rz，粗糙度值越小表示表面越光滑，越利于后续微电子工艺膜层的成膜，变形量测试示意图如说明书附图5所示，测试方法为小坂ET150微小形状测定机的探针划过敏感膜片上表面得出表面形貌的曲线图，取两个端点所形成的的直线为水平线，曲线最高点到水平线的距离即为变形量，距离越大表示变形越严重，从而直接影响到压敏芯片的测量精度。
测试数据如说明书附图6所示:
分析变形量的数值统计：实施例样品的变形量明显小于对比例样品，变形量的均值分别为0.24μm和4.62μm，实施例样品的变形量均值小于对比例样品的变形量均值，说明研磨抛光过程中通过填充本申请中的低熔点合金，可以有效支撑敏感膜片受力，从而大幅降低敏感膜片的变形量；
分析粗糙度量的数值统计：实施例样品的粗糙度明显小于对比例样品，粗糙度的均值分别为12.0nm和22.7nm, 实施例样品的粗糙度均值小于对比例样品的粗糙度均值，充分说明抛光过程中低熔点合金能够有效支撑住敏感膜片，可防止其单面受力不均匀，从而降低其表面粗糙度，提高产品的整体品质，满足质量要求。
因此，综上所述，本发明解决了低量程芯片基底在研磨抛光过程中，金属基薄膜压敏芯片的敏感膜片容易变形的问题，能够避免敏感膜片在单面研磨和单面研磨的过程中发生变形，从而减少金属基薄膜压敏芯片的敏感膜片粗糙度和变形量。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种金属基薄膜压敏芯片研磨抛光工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：下料，圆棒下料切断制得毛坯料；
步骤B：成型，毛坯料采用机加工制成芯片基底，芯片基底包括芯片基体（1），芯片基体（1）包括凸台（4）、盲孔（2）和敏感膜片（3），敏感膜片（3）厚度控制为0.9-1.2mm；
步骤C：研磨减薄，采用单面铜盘研磨设备对敏感膜片（3）进行研磨减薄操作，敏感膜片（3）厚度控制为0.3-0.4mm；
步骤D：填充合金液，将合金液填充入芯片基体（1）的盲孔（2）内，然后冷却凝固；
步骤E：单面研磨，将步骤D所制填充有合金液的芯片基体（1）采用树脂铜研磨盘进行单面研磨操作，研磨完成后敏感膜片（3）厚度控制为0.1-0.2mm，制得待加工物料；
步骤F：单面抛光，将步骤E所制待加工物料采用抛光设备进行抛光操作，抛光完成后敏感膜片（3）厚度控制为0.09-0.11mm，制得待加工物料；
步骤G：清洗，将步骤F所制待加工物料放入100℃水中进行清洗操作，清洗时间控制为1.5-3分钟，将芯片基体（1）的盲孔（2）内的合金液融化并沉淀于水中，制得待加工物料；
步骤H：测试变形量和粗糙度，将步骤G所制待加工物料采用小坂ET150微小形状测定机测试中间区域敏感膜片的变形量和粗糙度，评估方法是随机取5个基底样品测试变形量和粗糙度，对比不同条件下变形量和粗糙度的平均值和最大值，值越小表示效果越好；
步骤I：二次清洗，将经过步骤H测试过后的待加工物料依次进行超声清洗、水洗、有机洗、酸洗、碱洗、脱水、烘干工序，制得待加工物料；
步骤J：微电子电路加工，步骤I所制得待加工物料依次进行清洗、镀膜、光刻、刻蚀、去胶、检测工序，制得合格的金属基薄膜压敏芯片。
2.根据权利要求1所述的一种金属基薄膜压敏芯片研磨抛光工艺，其特征在于，所述步骤A中，不锈钢圆棒采用材料为17-4PH、直径为10mm的不锈钢圆棒。
3.根据权利要求1所述的一种金属基薄膜压敏芯片研磨抛光工艺，其特征在于，所述步骤C中，研磨压力控制为6-8 kgf，研磨时间控制为12-14分钟。
4.根据权利要求1所述的一种金属基薄膜压敏芯片研磨抛光工艺，其特征在于，所述步骤D中，合金液是采用锡、铋、铅、铟金属装入电加热坩埚装置内，将电加热坩埚装置加热到390-410℃使金属快速融化混合制得。
5.根据权利要求4所述的一种金属基薄膜压敏芯片研磨抛光工艺，其特征在于，所述合金液成分质量份数控制为：锡8%~13%；铋45%~60%、铅10%~20%、铟15%~30%，合金液的熔点控制为60-70℃。
6.根据权利要求5所述的一种金属基薄膜压敏芯片研磨抛光工艺，其特征在于，所述合金液通过脚踏气压条充装置注入芯片基体（1）的盲孔（2）内，调整好脚踏填充装置的气压，将填充装置的针头对准芯片基体（1）的盲孔（2），脚踩踏板将融化后的合金液注入到芯片基体（1）的盲孔（2）内，冷却时间控制为2-4分钟。
7.根据权利要求1所述的一种金属基薄膜压敏芯片研磨抛光工艺，其特征在于，所述步骤E中，在单面研磨操作中，表面平面度控制为±10um，表面刻槽深度2mm，槽宽3mm，槽间距3mm，采用有机系研磨液进行单面研磨操作，研磨压力控制为3-5 kgf，研磨时间控制为7-9分钟。
8.根据权利要求1所述的一种金属基薄膜压敏芯片研磨抛光工艺，其特征在于，所述步骤F中，抛光垫采用聚氨酯抛光垫，抛光液采用含氧化铝的抛光液，抛光压力设定控制为2-4kgf，抛光时间控制为5-7分钟。
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