CN114459666A - 一种电容式压差传感器、制造方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

压差式传感器、制备方法及其应用，采用三层硅片键合的方式，上、中层结构均采用SOI晶圆，下层结构采用图形化掺杂的本征硅晶圆；所述电极的引线焊盘均位于传感器一侧的三阶台阶上；在上下电极周围开接近于环状的通孔。本发明的传感器上通过延长固定电容部分电场线的路径，减少了上电容输出电容信号中的固定电容量；下层结构采用本征硅，只有下层电极及引线部分进行了掺杂，可以导电。通过拾取两个电容的变化量，实现两个不同腔体内流体压力差的测量；传感器输出灵敏度、分辨率、线性度均有所提升；传感器的外部引线焊点布置在三层台阶处，外部电路在三层台阶处与传感器引线，实现电连接，方便传感器的集成与封装。

Description

一种电容式压差传感器、制造方法及其应用
技术领域
本发明公开一种传感器，尤其是涉及一种电容式压差传感器、制造方法及其应用，属于电子元器件设计领域。
背景技术
压差传感器在工业测量技术中用于测量压差传感器上的两个隔开腔体之间的压力差。通过MEMS技术制成的MEMS压差传感器，是指可以由公知的MEMS半导体工艺以晶圆复合件来制造。
压差传感器以常见的方式具有布置在两个基体之间的中间层活动膜片。在两个基体的每一个中，在中间层活动膜片之下分别包围出压力腔。在测量运行中，中间层活动膜片的一侧腔体加载以第一压力，中间层活动膜片的另一侧腔体加载以第二压力，两个腔体的压力差使得中间层活动膜片向压力弱侧产生了偏移。
在电容式压差传感器中，传感器的顶部与底部构成了上层电极与下层电极，中间层活动膜片位于二者之间。上下电极分别与中间层活动膜片构成了两个电容。中间层活动膜片的偏移，使得与压力弱侧的电极间距缩小，与压力强侧的电极间距增大。相应的两侧电容一个变大，一个变小，产生了电容差，由此完成了由压力差信号向电容差信号的转换。
电容式压差传感器所包含的上下两个电容，均各包含两部分电容。以上电容C上(如图1所示)为例，一部分是可以随中间层活动膜片的偏移而变化的电容C上可变，另一部分是不随中间层活动膜片的偏移而变化的电容C上固定。电场线也可以据此分为两部分，一部分是上电容可变部分电场线路径，一部分是上电容固定部分电场线路径。
在实际测量时，上电容的电容量变化百分比为△C上可变/(C上可变+C上固定)，下电容也是同理。当固定电容过大时，会造成可变电容的变化量所占上电容总电容量的比例较小，测量精确度较小。因此，在器件设计中，要通过材料与结构，提高可变电容所占总电容量的比例。例如，减少固定电容部分电场线可以通过的横截面积，延长固定电容部分电场线的路径，都可以降低固定电容的电容值，提高可变电容所占总电容量的比例。
在现有的电容式压差传感器中，以日本富士的硅电容式压差传感器为代表，其设计多采用了多层基体构造，以掺杂硅为上下电极以及中间层活动膜片，硅导电层与硅导电层之间用陶瓷、氧化层等绝缘层隔开，电极的导电往往需要穿过绝缘层，例如进行通孔溅射或者电镀金属。同时，外部电路则从传感器侧壁引线，导压孔往往位于中间层活动膜片中央的正上方与正下方。在实际半导体传感器加工过程中，为了方便切割，降低成本，传感器往往被加工成方形。现有的电容式压差传感器在实际工作中，中间层活动膜片在防过载结构的协调下，不会偏移过多，也不会与上下电极接触。
目前，现有技术中的电容式压差传感器存在如下缺陷：
现有的电容式压差传感器中间层活动膜片要做到两面对称并兼顾其厚度及平整度，同时要考虑到键合面的清洁与光滑度，因此中间层活动膜片的结构不宜过度复杂，常采用中间岛状结构以及普通平整薄膜。基于目前的结构设计，电容式压差传感器要牺牲较多的线性度、灵敏度或者分辨率。对于一般中间岛状薄膜，薄膜的偏移主要依靠的是环岛薄膜，其线性度较高，但在灵敏度方面不适用于，对于灵敏度更高的普通平整薄膜，其非线性度较高，灵敏度随着压差的增大不断降低，这对于信号的读取与校准造成了一定困难。
现有的电容式压差传感器的上下极板的导压孔往往位于中间层活动膜片中央正上方与正下方。对于过量程的压差信号输入，传感器中间层活动膜片容易偏移过度，堵塞导压孔，造成传感器的结构失效。因此，在实际封装过程中，为避免压力过载，需要额外增加防过载结构。这造成了传感器的整体封装结构体积过大，不适用于在小空间内应用。
对于现有的压差传感器的固定电容量来说，各产品与专利都做出了努力。日本富士采用掺杂硅作为上、中、下电极，采用厚陶瓷层作为上层电极与中间层电极键合部分之间的绝缘层，保证了中间层活动膜片部分与极板间的间距在几十微米内，也延长固定电容部分电场线的路径，降低了固定电容量。该设计采用厚陶瓷与厚硅片进行键和，大大增大了传感器的尺寸。专利CN 106471350 A采用掺杂硅作为各电极，用二氧化硅作为绝缘层，通过刻蚀中间层活动膜片形成沟槽，在电极间形成真空区域，降低了固定电容。但是由于键合面积是由实际工艺决定的，固定电容部分电场线可以通过的横截面积很难实际大幅减少，并且键合部分的各极板间距与中间层活动膜片活动部分的各极板间距都是二氧化硅层的厚度(几百纳米到两三微米)，因此固定电容很难实际减少太多。
压差传感器的引线设计可以分为两部分，一是将位于压力腔内部的电极引线到传感器表面(内部引线)，二是从传感器表面引线至信号读取电路(外部引线)。常见的引线方式有溅射导电金属，使用掺杂硅。日本富士的电容式压差传感器的上下电极内部引线选择了金属溅射，跨过了陶瓷材料的绝缘层，实现了腔体内部的上下电极(掺杂硅层)与外部上下盖板(掺杂硅层)的电连通。然而其外部引线方式则是选择从传感器的导电层的侧壁进行引线，这对于传感器的集成与封装造成了一定困难。
现有的电容式压力类压差传感器，大多数采用的是硅硅直接键合或者阳极键合工艺来实现腔体的气密性。硅硅直接键合，对键合温度、压力、表面平整度等工艺条件要求高，工艺难度大。对于阳极键合工艺，硅与玻璃之间材料热膨胀系数不匹配的导致的热应力问题大大降低。而采用金属共晶键合在可以实现气密性要求的同时，工艺更加简单，热应力也相对较小，更有利实现三层复杂结构的键合，更有利于制备三层结构的电容式压差传感器。
发明内容
本发明是为了提出一种相比于一般电容压差传感器灵敏度更高(中间层活动膜片可接触上下固定电极，不堵塞导压孔，同时依靠电容极板间距以及电极正对接触面积的变化调节电容值)、分辨率更高(固定电容值占比小、可变化电容占比大)、线性输出范围更大、过载保护能力更强(可承受满量程的2--200倍的压力值)、引线方式更加简单(电极板从压力腔侧壁引线到传感器表面，从传感器一面接入外部电路)的硅基电容式压差传感器，并给出其加工制作该电容式压力传感器的方法。
其技术方案如下：
压差式传感器，其特征为：采用三层晶圆键合的方式，包括上、中、下层结构，所述上、中层结构均采用SOI晶圆，下层结构采用图形化掺杂的本正硅；在所述上、中、下层结构上分别设置上、中、下层电极，其电极的引线焊盘均位于传感器一侧的三阶台阶上；在上、下电极周围开接近于环状的通孔。
优选为：该传感器采用三层晶圆经过键合后切割制成，键合方式为金属共晶键合；所述金属共晶键合分为上、下金属键合层，所述上金属键合层的上部分来自于上层晶圆，下部分来自于中间层晶圆；所述下金属键合层的上部分来自于中间层晶圆，下部分来自于下层晶圆。
优选为：所述上层电极位于上层结构，上层结构由上层晶圆经过加工而成；中间层电极位于中间层结构，中间层结构由中间层晶圆经过加工而成；所述下层电极位于下层结构。
优选为：位于上层结构的导压孔1与位于下层结构的导压孔21分别环绕在上层电极周围与下层电极19周围。
优选为：所述上层结构由SOI晶圆加工而来，该晶圆上层硅部分是高电阻率的本征硅，晶圆中间层为氧化硅，晶圆下层硅部分为重掺杂硅，所述上层电极39来源于晶圆下层硅部分的重掺杂硅；
所述中间层结构是由SOI晶圆加工而来，该晶圆上层硅部分是高电阻率的本征硅，晶圆中间层为氧化硅，晶圆下层硅部分为重掺杂硅，中间层电极11就是来源于该晶圆下层硅部分的重掺杂硅；中间层电极的引线焊盘29连接中间层电极11与外部电路；
所述下层结构是由高电阻率的本征硅晶圆加工而来，下层电极是通过对晶圆进行图形化掺杂，掺杂部分圆形部分将主要起到充当电容极板的作用，掺杂部分最底部的长方形是与下层电极的引线焊盘25进行欧姆接触的部分，处于圆形部分与底部长方形部分之间的部分为引线部分，负责实现二者的电连接。
优选为：下层电极与中间层电极之间的间距由中间层结构下表面起支撑与绝缘作用的二氧化硅27、下金属键合层13；下层结构起支撑与绝缘作用的二氧化硅15三部分构成；中间层结构下表面起支撑与绝缘作用的二氧化硅厚度为0～3um，下金属键合层0～4um，下层结构起支撑与绝缘作用部分的二氧化硅厚度为0～3um，总计不超过10um。
本发明还公开一种传感器制备方法，包括上述的压差传感器，其特征为：包括上、中、下层结构的工艺流程：
所述上层结构的制备流程包括如下步骤：
步骤一，刻蚀位于上层结构的导压孔、引线孔、上台阶孔，以及对准标记、切割标记；
步骤二，刻蚀形成下表面凸台，为制作上层电极39做准备；
步骤三，去除下表面刻蚀后露出的二氧化硅层；
步骤四，在晶圆表面生成绝缘的二氧化硅层，也就是上层结构上表面起绝缘作用的二氧化硅45、上层结构下表面起支撑与绝缘作用的二氧化硅；
步骤五，在上表面露出上层电极39，为接下来的引线做准备；
步骤六，为制备上金属键合层5位于上层结构的部分做准备；
步骤七，制备上金属键合层5位于上层结构的部分；
所述中间层结构的工艺流程包括如下步骤：
步骤一：形成表面二氧化硅，为形成中间层结构下表面起支撑与绝缘作用的二氧化硅27、中间层结构上表面起支撑与绝缘作用的二氧化硅33做准备；为形成上金属键合层5、下金属键合层13与下金属键合层13位于中间层结构的部分和下层电极的引线焊盘25做准备；
步骤二：去除需要刻蚀部分表面的二氧化硅；
步骤三，形成切割孔与中间层活动膜片；
步骤四，去除光刻胶；
所述下层结构的加工流程包括如下步骤：
步骤一：形成下层电极19；
步骤二：形成下层结构表面的二氧化硅，为之后的加工做准备，同时降低表面粗糙度，提高平整度；
步骤三：形成位于下层结构的导压孔21，露出下层电极；
步骤四：形成下层电极露出表面的二氧化硅绝缘层1；
步骤五：露出下层电极的引线焊盘25下面的掺杂硅；
步骤六：溅射金属，为形成下金属键合层13位于下层结构的部分和下层电极的引线焊盘25做准备；
步骤七：形成下金属键合层13位于下表面的部分和下层电极的引线焊盘25。
本发明还公开一种MEMS(微型电子机械系统)接触式电容压差传感器设计方法，包括权利要求1所述的压差传感器，其特征为：包括如下步骤：
(1)对于使用掺杂工艺制备的图形化固定电极及其引线电路，使用离子注入在电极部分完成高剂量，高电压的深层掺杂。之后完成对硅片的湿氧化、平坦化操作，并部分腐蚀氧化硅层，露出电极图形化的部分。之所以进行平坦化操作，是由于掺杂部分的氧化速率过高，导致掺杂部分的氧化层表面稍高于未掺杂部分的氧化层表面，整个晶圆的平整度超过了键合要求；
(2)上、中、下三层键合硅片分别刻蚀切割沟槽，三个硅片的传感器区域宽度相同，在长度上从上到下依次增长几十到几百微米。在覆盖掩膜(例如白膜)遮盖导压孔后，将传感器切割成长方形，并形成三层引线台阶。
有益效果
本发明的传感器的上电容固定电容部分与下电容固定电容部分电场线(电势改变的路径)相对更长一些(如图1所示)，并且在电场线路径上使用了高电阻率的本征硅(图2中的3、23、31)、高电阻率且介电常数相对较小的二氧化硅(图2中的15、27、33、35)，这使得固定电容相对较小，且传感器电阻率大大提高。
本发明通过拾取两个电容的变化量，实现两个不同腔体内流体压力差的测量。测量薄膜会向压力弱的一侧偏移，与压力弱的一侧电极的间距缩小，压力弱侧电容量增大，压力强侧电容量减小。当压力差进一步增大时，中间层活动膜片会进一步缩小与压力弱侧电极的距离，直至中间层活动膜片与压力弱侧的电极接触，此时中间层活动膜片与压力弱侧电极的间距等于绝缘层厚度，并且随着压力差增大，接触面积也逐渐增大，压力弱侧电容量进一步增大，压力强侧电容量进一步减小，传感器输出灵敏度、分辨率、线性度均有所提升。
对于压力差过载的工况，中间层活动膜片会贴合在压力弱侧，压力弱侧的电极会对中间层活动膜片起到支撑保护作用。
传感器的外部引线焊点布置在三层台阶处，外部电路在三层台阶处与传感器引线，实现电连接，方便传感器的集成与封装。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图一作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明在阐述电容式压差传感器电容分布时所需要的示意图
图2为本发明实施例提供的一种MEMS电容式压差传感器的传感器结构示意图
图3为本发明的各图例的对应解释
图4为本发明实施例提供的实例中压差传感器上层结构的制造过程示意图；
图5为本发明实施例提供的实例中上层结构经过步骤四加工后的结构俯视图；
图6为本发明实施例提供的实例中上层结构经过步骤七加工后的结构底视图；
图7为本发明实施例提供的实例中压差传感器中间层结构的制造过程示意图；
图8为本发明实施例提供的实例中中间层结构经过步骤四加工后的结构俯视图；
图9为本发明实施例提供的实例中压差传感器下层结构的制造过程示意图；
图10为本发明实施例提供的实例中下层结构经过步骤一加工后的结构俯视图；
图11为本发明实施例提供的实例中下层结构经过步骤五加工后的结构俯视图；
图12为本发明实施例提供的实例中下层结构经过步骤九加工后的结构俯视图；
图13为本发明实施例提供的实例中三层晶圆键合完成后，三层结构示意图；
图14为本发明实施例提供的实例中三层晶圆键合后的上层电极引线焊盘与下层电极引线焊盘的测控溅射示意图；
图15为本发明实施例提供的实例中三层晶圆键合后的切割方法示意图；
图16为本发明实施例提供的实例中切割完成后独立的压差传感器俯视图。
附图标记：
1-位于上层结构的导压孔；
3-制备上层结构所使用的SOI晶圆的本征硅部分；
5-上层结构与中间层结构的金属共晶键合部分(上金属键合层)；
7-上层电极表面的二氧化硅绝缘层；
9-制备中间层结构所使用的SOI晶圆的中间二氧化硅部分；
11-中间层电极；
13-中间层结构与下层结构的金属共晶键合部分(下金属键合层)；
15-下层结构上表面起支撑与绝缘作用的二氧化硅；
17-下层电极表面的二氧化硅绝缘层；
19-下层电极(衬底硅的重掺杂部分)；
21-位于下层结构的导压孔；
23-下层结构的本征硅部分；
25-下层电极的引线焊盘；
27-中间层结构下表面起支撑与绝缘作用的二氧化硅；
29-中间电极引线焊盘；
31-制备中间层结构所使用的SOI晶圆的本征硅部分；
33-中间层结构上表面起支撑与绝缘作用的二氧化硅；
35-上层结构下表面起支撑与绝缘作用的二氧化硅；
37-上层电极引线焊盘；
39-上层电极；
41-制备上层结构所使用的SOI晶圆的中间二氧化硅部分；
43-中间层活动膜片(中间层电极可活动部分)；
45-上层结构上表面起绝缘作用的二氧化硅。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种电容式压差传感器的器件设计方案，包括如下几点：
(1)该传感器的工作原理为差动电容，共有上、中、下三层电极，分别位于上、中、下三层结构上。上层电极39位于上层结构，中间层电极11位于中间层结构，下层电极19位于下层结构。中间层电极11分别与上层电极39，下层电极19形成上、下电容。位于中间层电极11的中间层活动膜片43两侧的压力差，使得中间层活动膜片43发生形变与偏移，引起上电容、下电容发生变化，进而可以输出信号。电容的改变可以分为三个阶段，当两侧压力差较小时，中间层电极只是与上、下层电极的间距发生了变化，尚未接触；当两侧压力差增长到一定程度时，中间层电极与压力更小的一侧的电极发生了接触，两个电极接触部分的间距成为固定值，为绝缘层二氧化硅的厚度，由于其很小，所以该部分的电容要远大于未接触部分的电容；当两侧压力差继续增长，中间层电极与压力更大一侧的电极接触面积增大，可以理解为电极的正对面积增大。基于此工作原理，压差传感器的线性度、灵敏度以及抗过载能力都将获得提升。
(2)该传感器采用三层晶圆经过键合后切割制成。键合方式为金属共晶键合，本例设计方案采用金锡共晶键合，类似的也可以采用铜锡共晶键合等。之所以采用金属共晶键合，是由于其气密性、键合面积小，键合时所需温度更小，对键合界面的粗糙度要求低，器件的热应力小。共晶键合的金属层，在图2中可表示为5、13，其中，附图标记5为上层结构与中间层结构的金属共晶键合部分(上金属键合层)，即上层晶圆与中间层晶圆的连接部分，附图标记13为中间层结构与下层结构的金属共晶键合部分(下金属键合层)，即中间层晶圆与下层晶圆的连接部分。为得到上层结构与中间层结构的金属共晶键合部分5，需要对上层晶圆与中间层晶圆的对应部分，提前溅射金属，也就是说，图2中的附图标记5上部分来自于上层晶圆，下部分来自于中间层晶圆。同理，附图标记13上部分来自于中间层晶圆，下部分来自于下层晶圆。
(3)上层电极39位于上层结构(图2中所示的附图标记1、3、7、35、37、39、41、43以及5所示金属层的上部分)，上层结构由上层晶圆经过加工而成。中间层电极11位于中间层结构(图2中所示的附图标记9、11、27、29、31、33、5所示上金属层键合层的下部分和13所示的下金属键合层上部分)，中间层结构由中间层晶圆经过加工而成。下层电极19位于下层结构(图2中所示的附图标记15、17、19、21、23、25以及13所示的下金属键合层下部分)。
(4)图2的附图标记7、17为上层电极表面的二氧化硅绝缘层与下层电极表面的二氧化硅绝缘层，其作用是为了防止电极接触时，电容击穿、失效，起到绝缘层的作用。
(5)图2的附图标记1、21为位于上层结构的导压孔与位于下层结构的导压孔。两部分的导压孔分别环绕在上层电极(图2中的7)周围与下层电极19周围。图2中的附图标记1，其位置分布如图5空白部分所示。图2中的附图标记21，其位置分布如图13空白部分所示。之所以选择环绕在电极周围开孔，是压力更小的一侧与中间层活动膜片接触时，堵塞导压孔。
(6)传感器的上层结构(图2中所示的附图标记1、3、7、35、37、39、41、43以及5所示金属层的上部分)是由SOI晶圆加工而来，该晶圆上层硅部分是高电阻率的本征硅，晶圆中间层为氧化硅，晶圆下层硅部分为重掺杂硅，上层电极39就是来源于晶圆下层硅部分的重掺杂硅。附图标记37为上层电极的引线焊盘，连接上层电极39与外部电路。
(7)传感器的中间层结构是由SOI晶圆加工而来，该晶圆上层硅部分是高电阻率的本征硅，晶圆中间层为氧化硅，晶圆下层硅部分为重掺杂硅，中间层电极11就是来源于该晶圆下层硅部分的重掺杂硅。附图标记29为中间层电极的引线焊盘，连接中间层电极11与外部电路。
(8)传感器的下层结构是由高电阻率的本征硅晶圆加工而来，下层电极是通过对晶圆进行图形化掺杂，掺杂形状如图11文字描述部分所示。掺杂部分圆形部分将主要起到充当电容极板的作用，掺杂部分最底部的长方形是与下层电极的引线焊盘25进行欧姆接触的部分，处于圆形部分与底部长方形部分之间的部分为引线部分，负责实现二者的电连接。通过热氧化，以及对氧化层进行图形化，将掺杂硅的引线部分覆盖在二氧化硅层之下，将欧姆接触的部分露出，如图12所示。将引线部分覆盖二氧化硅层，防止采用金属共晶键合时，下金属键合层13与引线部分发生电连接，实现了在保证压力腔的气密性与键合强度的同时，穿过压力腔侧壁，与外部金属焊点实现了电连接。
(9)为保证传感器能够满足电容三个阶段的变化，因此中间层活动膜片厚度(图2中的附图标记43所示)可选在0～10um，膜厚与膜直径比在1：10以上，上层电极39与中间层电极11间距在1～10um，中间层电极11与下层电极19间距在1～10um。
(10)下层电极与中间层电极之间的间距主要是由中间层结构下表面起支撑与绝缘作用的二氧化硅27、下金属键合层13；下层结构起支撑与绝缘作用的二氧化硅15三部分构成。中间层结构下表面起支撑与绝缘作用的二氧化硅厚度为0～3um，下金属键合层0～4um，下层结构起支撑与绝缘作用部分的二氧化硅厚度为0～3um，总计不超过10um，刚好满足了本传感器电容三个阶段变化对电极间距小的要求。
(11)本传感器的三个电极使得上电容与下电容固定部分的电场线(电势改变的路径)相对更长一些(如图1所示)，并且使用了高电阻率的本征硅(图2中的附图标记3、23、31)、高电阻率且介电常数相对较小的二氧化硅(图2中的附图标记15、27、33、35)，这使得固定电容相对较小，且传感器电阻率大大提高。
(12)该传感器的引线焊盘部分为图2的附图标记25、29、37，37位于上层结构，附图标记29位于中间层结构，附图标记25位于下层结构，三个焊盘分别位于三层结构，所处高度不同，且互不遮挡，也可以理解为位于三阶台阶上，这样实现了从垂直于上层结构的方向引线，方便了压差传感器的后期封装工作。
(13)三层结构之间通过金属共晶键合成为一体。选用的金锡共晶键合或者铜锡共晶键合工艺，相对于硅硅直接键合，对键合温度、压力、表面平整度等工艺条件要求大大降低。同时，该工艺相比于阳极键合工艺来说，材料热膨胀系数不匹配的导致的热应力问题大大降低。因此，采用金属共晶键合更有利实现三层复杂结构的键合，更有利于制备三层结构的电容式压差传感器。
针对于上文所述的电容式压差传感器的器件设计方案，提出与之对应的器件加工的工艺流程方案。工艺流程方面所采用的具体工艺都为现有成熟工艺，但由于对MEMS器件来说，往往“一器件一工艺”，创新的重点在于工艺顺序的设计。加工工艺流程方面，本专利设计的压差传感器需要首先对上、中、下三层结构所在的晶圆分别加工，之后通过金属共晶键合，使得三层晶圆成为一个整体，最后通过切割成单个传感器。三层晶圆各自具体的工艺流程方案，将在下文中进行说明：
1、上层结构的工艺流程方案(如图4)
材料说明：上层结构是使用SOI晶圆制备而成，该晶圆上层硅部分是高电阻率的本征硅，中间层为氧化硅，下层硅部分为重掺杂硅。
步骤一，刻蚀位于上层结构的导压孔(图2中的1)、引线孔、上台阶孔，以及对准标记、切割标记。具体步骤包括：使用酒精、丙酮、去离子水对晶圆进行清洁；使用HDMS烘箱，在晶圆表面沉积增粘剂，增强光刻胶的粘附性；采用旋涂的涂胶方式，对SOI晶圆上表面涂光刻胶(正胶)；使用烘箱，对上表面光刻胶进行第一次前烘；采用旋涂的涂胶方式，对SOI晶圆下表面涂胶(正胶)；使用烘箱，对光刻胶进行第二次前烘；对上表面的光刻胶进行曝光，曝光部位为导压孔、引线孔、上台阶孔，以及对准标记、切割标记；使用显影液使得刻蚀部分露出；使用烘箱，对光刻胶进行后烘；使用TMAH溶液，湿法腐蚀露出部位，腐蚀到二氧化硅层为止；使用酒精、丙酮、去离子水、Piranha溶液去除光刻胶。
步骤二，刻蚀形成下表面凸台，为制作上层电极(图2中的附图标记39)做准备。具体步骤包括：使用酒精、丙酮、去离子水对晶圆进行清洁；使用HDMS烘箱，在晶圆表面沉积增粘剂，增强光刻胶的粘附性；采用旋涂的涂胶方式，对SOI晶圆下表面涂胶(正胶)；使用烘箱，对光刻胶进行前烘；对下表面的光刻胶进行曝光，与上表面的对准标记进行对准，曝光部位为凸台、对准标记以外区域；使用烘箱，对光刻胶进行后烘；使用ICP电感耦合等离子体刻蚀机，干法刻蚀露出，刻蚀到二氧化硅层为止；使用酒精、丙酮、去离子水、Piranha溶液去除光刻胶。
步骤三，去除下表面刻蚀后露出的二氧化硅层。具体步骤为：使用BOE溶液腐蚀露出部分的二氧化硅，之后对晶圆进行清洗。
步骤四，在晶圆表面生成绝缘的二氧化硅层，也就是上层结构上表面起绝缘作用的二氧化硅(图2中的附图标记45)、上层结构下表面起支撑与绝缘作用的二氧化硅(图2中的附图标记35)。具体步骤为：对晶圆进行干法热氧化，生成电极表面的电绝缘层。在加工完成后，上层结构上表面俯视图如图5所示。
步骤五，在上表面露出上层电极(图2中的附图标记39)，为接下来的引线做准备。具体步骤为：使用酒精、丙酮、去离子水对晶圆进行清洁；使用HDMS烘箱，在晶圆表面沉积增粘剂，增强光刻胶的粘附性；使用喷胶机进行下表面的喷胶(正胶)；使用烘箱，对下表面光刻胶进行第一次前烘；使用喷胶机进行上表面的喷胶(正胶)；使用烘箱，对光刻胶进行第二次前烘；对上表面的光刻胶进行曝光，曝光部位为引线部分的圆孔；使用显影液使得被曝光部分露出；使用烘箱，对光刻胶进行后烘；使用BOE溶液，湿法腐蚀露出部位，腐蚀到二氧化硅层为止；使用酒精、丙酮、去离子水、Piranha溶液去除光刻胶。之所以选择喷胶机，是由于晶圆表面已经有了通孔与高台阶结构，所以为了涂胶的均匀性，进而选择喷涂。在加工完成后，上层结构上表面俯视图如图5所示。
步骤六，为制备上金属键合层(图2中的附图标记5)位于上层结构的部分做准备。采用喷胶工艺对上层晶圆部分进行涂胶，之后经过烘干后，依次曝光、显影和后烘，使得非键合区域被光刻胶覆盖。
步骤七，制备上金属键合层(图2中的5)位于上层结构的部分。具体步骤为：对晶圆下表面均进行金属溅射，下表面依次溅射Ti、Ni、Au。下表面溅射是为了与中间结构的金属层一起形成上金属键合层(图2中的5)。使用Lift-off完成金属图形化，之后退火，即可得到上层结构。在加工完成后，上层结构上表面俯视图如图6所示，下表面俯视图如图7所示。
2、中间层结构的加工流程(如图8)
步骤一：形成表面二氧化硅，为形成中间层结构下表面起支撑与绝缘作用的二氧化硅27、中间层结构上表面起支撑与绝缘作用的二氧化硅33做准备。形成上金属键合层5下金属键合层13与下金属键合层(图2中的13)位于中间层结构的部分和下层电极的引线焊盘25做准备。首先对晶圆表面进行湿法热氧化，形成厚氧化层。之后对晶圆上下表面涂胶，曝光，显影。之后溅射金属依次溅射金属Ti、Ni、Au、Sn、Au，并用Lift-off工艺，剥离光刻胶，完成金属图形化。
步骤二：去除需要刻蚀部分表面的二氧化硅。对硅片双面涂胶，双面曝光，之后显影，露出切割窗口以及中间层活动膜片对应部分的二氧化硅。使用BOE溶液腐蚀露出部分的二氧化硅。之后使用丙酮溶液溶解光刻胶。
步骤三，形成切割孔与中间层活动膜片。对晶圆双面涂胶、双面曝光与显影，之后先后完成对上下表面的刻蚀，均刻蚀到SOI晶圆中间的二氧化硅层为止。
步骤四，去除光刻胶。在刻蚀完成后，由于中间层活动膜片已经形成，而且膜片较薄。在使用丙酮去除光刻胶时，如果直接从液体中取出晶圆。液体的表面张力等作用会是膜片破碎，因此不可以直接从丙酮中取出晶圆。可以通过先不断加入酒精，再不断加入去离子水的方式，不断稀释丙酮，同时加热溶液，加快挥发。最后在溶液挥发完毕之后，取出晶圆。
3、下层结构的加工流程(如图10)
步骤一：形成下层电极(图2中的19)。首先对硅片上下表面涂胶，曝光，显影，刻蚀，去胶，形成晶圆的对准标记。对本征硅片的上表面进行图形化的离子注入，注入时选择高剂量、高电压的工艺设计。下层电极及其引线部分的形状如图11所示。
步骤二：形成下层结构表面的二氧化硅，为之后的加工做准备，同时降低表面粗糙度，提高平整度。对基片的上表面进行湿法热氧化，之所以选择湿法热氧化，是由于其生成的氧化层厚度更高，且氧化层的各方面质量均不错。随后进行平坦化操作，之所以进行平坦化操作，是由于在氧化过程中，掺杂部分的氧化层生长速率要高于本征硅部分的氧化层生长速率。因此，考虑到后期要进行键合操作，因此使用平坦化操作提升平整度。
步骤三：形成位于下层结构的导压孔(图2中的21)，露出下层电极。对基片表面双面涂胶，涂胶方式为旋涂，完成光刻胶的金属图形化。上表面露出下电极区域，下表面露出导压孔对应区域。首先使用BOE溶液腐蚀上表面和下表面露出部分的二氧化硅，之后对下表面进行干法刻蚀，完成下层结构的导压孔(图2中的附图标记21)的制备。去除残留的光刻胶。
步骤四：形成下层电极露出表面的二氧化硅绝缘层(图2中的附图标记17)。进行干法热氧化。
步骤五：露出下层电极的引线焊盘(图2中的附图标记25)下面的掺杂硅。对下层晶圆上表面涂胶，由于存在通孔，所以选用喷胶的方式。在曝光，显影之后，使用BOE溶液腐蚀露出部分的二氧化硅，为制备下层电极的引线焊盘(图2中的25)做准备。
步骤六：溅射金属，为形成下金属键合层(图2中的附图标记13)位于下层结构的部分和下层电极的引线焊盘(图2中的附图标记25)做准备。对基片上表面再次涂光刻胶，由于基片有通孔结构，因此涂胶方式为喷涂。完成光刻胶的图形化后，进行金属溅射Ti、Ni、Au，完成下金属键合层在下层结构所需要的金属以及引线焊盘部分金属的制备。
步骤七：形成下金属键合层(图2中的附图标记13)位于下表面的部分和下层电极的引线焊盘(图2中的25)。Lift-off工艺，完成金属图形化。
在一定温度、压力的环境条件下，对三层晶圆进行金属共晶键合，得到的结构如图13所示。
在完成共晶键合之后，制作上层电极引线焊盘(图2中的附图标记37)与中间层电极引线焊盘(图2中的附图标记29)。在键合后的晶圆上覆盖溅射掩模版并对准。之后依次溅射Ti、Ni、Au，完成引线焊盘的制备。加工示意图如图14所示。
随后进行切割。由于切割时会产生粉尘，通过导压孔进入腔体，因此使用剥离型感光干膜首先对键合片的上下表面进行覆盖。在切割完成后，曝光，再揭掉干膜，完成整体结构的制备。切割流程的示意图如图15所示。
在切割完成后，可以得到独立的压差传感器结构，其俯视图如图16所示。
实施例2
MEMS(微型电子机械系统)接触式电容压差传感器设计方法包括如下步骤：
(1)对于使用掺杂工艺制备的图形化固定电极及其引线电路，使用离子注入在电极部分完成高剂量，高电压的深层掺杂。之后完成对硅片的湿氧化、平坦化操作，并部分腐蚀氧化硅层，露出电极图形化的部分。之所以进行平坦化操作，是由于掺杂部分的氧化速率过高，导致掺杂部分的氧化层表面稍高于未掺杂部分的氧化层表面，整个晶圆的平整度超过了键合要求，。
(2)上、中、下三层键合硅片分别刻蚀切割沟槽，三个硅片的传感器区域宽度相同，在长度上从上到下依次增长几十到几百微米。在覆盖掩膜(例如白膜)遮盖导压孔后，将传感器切割成长方形，并形成三层引线台阶(如图12)。
加工工艺流程方面，本专利设计的压差传感器需要首先对上、中、下三层结构分别加工，之后再进行三层金属共晶键合，最后切割成单个传感器。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.压差式传感器，其特征为：采用三层晶圆键合的方式，包括上、中、下层结构，所述上、中层结构均采用SOI晶圆，下层结构采用图形化掺杂的本正硅；在所述上、中、下层结构上分别设置上、中、下层电极，其电极的引线焊盘均位于传感器一侧的三阶台阶上；在上、下电极周围开接近于环状的通孔。
2.根据权利要求1所述的压差式传感器，其特征为：该传感器采用三层晶圆经过键合后切割制成，键合方式为金属共晶键合；所述金属共晶键合分为上、下金属键合层，所述上金属键合层的上部分来自于上层晶圆，下部分来自于中间层晶圆；所述下金属键合层的上部分来自于中间层晶圆，下部分来自于下层晶圆。
3.根据权利要求1所述的压差式传感器，其特征为：所述上层电极位于上层结构，上层结构由上层晶圆经过加工而成；中间层电极位于中间层结构，中间层结构由中间层晶圆经过加工而成；所述下层电极位于下层结构。
4.根据权利要求1所述的压差式传感器，其特征为：位于上层结构的导压孔与位于下层结构的导压孔分别环绕在所述上层电极以及下层电极周围。
5.根据权利要求1所述的压差式传感器，其特征为：所述上层结构由SOI晶圆加工而来，该晶圆上层硅部分是高电阻率的本征硅，晶圆中间层为氧化硅，晶圆下层硅部分为重掺杂硅，所述上层电极来源于晶圆下层硅部分的重掺杂硅；
所述中间层结构是由SOI晶圆加工而来，该晶圆上层硅部分是高电阻率的本征硅，晶圆中间层为氧化硅，晶圆下层硅部分为重掺杂硅，中间层电极就是来源于该晶圆下层硅部分的重掺杂硅；中间层电极的引线焊盘连接中间层电极与外部电路；
所述下层结构是由高电阻率的本征硅晶圆加工而来，下层电极是通过对晶圆进行图形化掺杂，掺杂部分圆形部分将主要起到充当电容极板的作用，掺杂部分最底部的长方形是与下层电极的引线焊盘进行欧姆接触的部分，处于圆形部分与底部长方形部分之间的部分为引线部分，负责实现二者的电连接。
6.根据权利要求1所述的压差式传感器，其特征为：下层电极与中间层电极之间的间距由中间层结构下表面起支撑与绝缘作用的二氧化硅、下金属键合层；下层结构起支撑与绝缘作用的二氧化硅三部分构成；中间层结构下表面起支撑与绝缘作用的二氧化硅厚度为0～3um，下金属键合层0～4um，下层结构起支撑与绝缘作用部分的二氧化硅厚度为0～3um，总计不超过10um。
7.一种传感器制备方法，包括权利要求1-6任一所述的压差传感器，其特征为：包括上、中、下层结构的工艺流程，所述上层结构的制备流程包括如下步骤：
步骤一，刻蚀位于上层结构的导压孔、引线孔、上台阶孔，以及对准标记、切割标记；
步骤二，刻蚀形成下表面凸台，为制作上层电极做准备；
步骤三，去除下表面刻蚀后露出的二氧化硅层；
步骤四，在晶圆表面生成绝缘的二氧化硅层，也就是上层结构上表面起绝缘作用的二氧化硅、上层结构下表面起支撑与绝缘作用的二氧化硅；
步骤五，在上表面露出上层电极，为接下来的引线做准备；
步骤六，为制备上金属键合层位于上层结构的部分做准备；
步骤七，制备上金属键合层位于上层结构的部分；
所述中间层结构的工艺流程包括如下步骤：
步骤一：形成表面二氧化硅，为形成中间层结构下表面起支撑与绝缘作用的二氧化硅、中间层结构上表面起支撑与绝缘作用的二氧化硅做准备；为形成上金属键合层、下金属键合层与下金属键合层位于中间层结构的部分和下层电极的引线焊盘做准备；
步骤二：去除需要刻蚀部分表面的二氧化硅；
步骤三：形成切割孔与中间层活动膜片；
步骤四：去除光刻胶；
所述下层结构的加工流程包括如下步骤：
步骤一：形成下层电极；
步骤二：形成下层结构表面的二氧化硅，为之后的加工做准备，同时降低表面粗糙度，提高平整度；
步骤三：形成位于下层结构的导压孔，露出下层电极；
步骤四：形成下层电极露出表面的二氧化硅绝缘层；
步骤五：露出下层电极的引线焊盘下面的掺杂硅；
步骤六：溅射金属，为形成下金属键合层位于下层结构的部分和下层电极的引线焊盘做准备；
步骤七：形成下金属键合层位于下表面的部分和下层电极的引线焊盘25。
8.MEMS(微型电子机械系统)接触式电容压差传感器设计方法，包括权利要求1所述的压差传感器，其特征为：包括如下步骤：
(1)对于使用掺杂工艺制备的图形化固定电极及其引线电路，使用离子注入在电极部分完成高剂量，高电压的深层掺杂；之后完成对硅片的湿氧化、平坦化操作，并部分腐蚀氧化硅层，露出电极图形化的部分；之所以进行平坦化操作，是由于掺杂部分的氧化速率过高，导致掺杂部分的氧化层表面稍高于未掺杂部分的氧化层表面，整个晶圆的平整度超过了键合要求；
(2)上、中、下三层键合硅片分别刻蚀切割沟槽，三个硅片的传感器区域宽度相同，在长度上从上到下依次增长几十到几百微米；在覆盖掩膜遮盖导压孔后，将传感器切割成长方形，并形成三层引线台阶。
9.一种信号采集电路，其特征为：包括压差传感器，所述压差传感器包括权利要求1-6任一所述的压差传感器。
10.将权利要求7所述的传感器制备方法制备的压差传感器应用于信号采集电路中。
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