CN114577370B

CN114577370B - 一种高精度法兰盘型硅谐振压力传感器及其制造工艺

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Publication number: CN114577370B
Application number: CN202210488974.3A
Authority: CN
Inventors: 胡宗达; 张坤; 张�林; 赵鑫; 李明兴
Original assignee: Chengdu CAIC Electronics Co Ltd
Current assignee: Chengdu CAIC Electronics Co Ltd
Priority date: 2022-05-07
Filing date: 2022-05-07
Publication date: 2022-09-09
Anticipated expiration: 2042-05-07
Also published as: CN114577370A

Abstract

本发明公开了一种高精度法兰盘型硅谐振压力传感器及其制造工艺，包括由下至上依次设置的玻璃衬底层、硅衬底层、二氧化硅埋层、法兰盘型硅谐振层以及盖板层；该传感器利用法兰盘型结构的谐振器大刚度的特点，代替了传统小刚度梁型谐振器，极大地提高了工作模态的谐振频率，解决了梁型谐振器工作模态频率低，容易受到模态串扰的问题，相邻的干扰模态与工作模态频率间隔较大，不会引起模态干扰的现象。同时，法兰盘型的谐振结构引入了滑膜阻尼，相较于梁型结构的压膜阻尼，其阻尼比较小，对应的Q值较高，除此之外，高的工作模态频率也对应了高Q值的特点，使得谐振传感器的灵敏度增加，提高了测量的高精度。

Description

一种高精度法兰盘型硅谐振压力传感器及其制造工艺

技术领域

本发明涉及半导体微机电系统技术领域，具体涉及一种高精度法兰盘型硅谐振压力传感器及其制造工艺。

背景技术

随着微机电技术的发展，MEMS硅谐振压力传感器因其高精度、高稳定性、可批量化制造、尺寸小、功耗低等特点在航空航天、工业控制、气象测量等领域具有越来越广泛的应用。

现有的硅谐振压力传感器均是谐振梁形式的谐振结构，其加工工艺普遍使用双面抛光的单晶硅圆片作为衬底材料，使用高温硅-硅键合工艺成形，该工艺加工难度大，良率低，同时工艺过程温度高达1200℃以上，会引起极大的热应力，导致谐振梁结构的谐振频率发生偏移，造成测量精度的误差。除此之外，谐振梁的工作模态频率普遍较低，通常处于20KHz～60KHz范围内，其相邻的干扰模态通常也处于该频率范围内，容易造成工作模态间的串扰，影响压力的测量精度。此外，如论文“不等基频硅微谐振式加速度计”中所述，谐振型传感器存在测量“死区”的耦合现象，使得传感器在小量程范围内出现测量精度不够甚至无信号输出的现象发生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度法兰盘型硅谐振压力传感器及其制造工艺，以解决现有传统梁型结构刚度低，模态串扰严重，测量“死区”的耦合现象，影响测量精度的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种高精度法兰盘型硅谐振压力传感器，包括由下至上依次设置的玻璃衬底层、硅衬底层、二氧化硅埋层、法兰盘型硅谐振层以及盖板层；

法兰盘型硅谐振层包括法兰盘型谐振器、分别与法兰盘型谐振器连接的驱动梳齿对和检测梳齿对以及分别通过受力杆与法兰盘型谐振器连接的第一锚部和第二锚部，第一锚部和第二锚部位于同一直线上，驱动梳齿对和检测梳齿对相邻设置，受力杆位于驱动梳齿对和检测梳齿对之间，且驱动梳齿对、检测梳齿对、受力杆、第一锚部和第二锚部绕法兰盘型谐振器呈圆周分布。

进一步地，驱动梳齿对包括第一驱动梳齿对以及与第一驱动梳齿对关于法兰盘型谐振器呈斜向对称设置的第二驱动梳齿对，且所述法兰盘型谐振器的中心位于第一驱动梳齿对与第二驱动梳齿对的连线上。

进一步地，检测梳齿对包括位于第一驱动梳齿对和第二驱动梳齿对之间的第一检测梳齿对以及与第一检测梳齿对关于法兰盘型谐振器呈斜向对称设置的第二检测梳齿对，法兰盘型谐振器的中心位于所述第一检测梳齿对与第二检测梳齿对的连线上。

进一步地，两对驱动梳齿对的端面、两对检测梳齿对的端面分别与法兰盘型谐振器的外缘之间具有间隙，且间隙一致。

进一步地，法兰盘型谐振器上刻蚀有多个阻尼孔，且阻尼孔呈圆周分布。

进一步地，盖板层开设有用于提供引线键合时的拉线路径的通孔。

进一步地，玻璃衬底层内开设有引气孔，引气孔与设置在硅衬底层的压力敏感膜片相通，且第一锚部和第二锚部分别连接在压力敏感膜片上。

进一步地，盖板层内部设置有用于保证谐振器腔体真空度的吸气层。

本发明还提供了一种高精度法兰盘型硅谐振压力传感器的制造工艺，包括以下步骤：

S1：选取标准厚层晶面的SOI晶圆材料，并对其进行清洗；

S2：对清洗后的SOI晶圆材料在1000～1200℃条件下干氧氧化形成400～600nm厚层的SiO₂，通过低压化学气相沉积形成2000～3000nm的Si₃N₄；

S3：随后采用SF₆气体反应离子分别刻蚀S2中所形成的SiO₂和Si₃N₄得到后续湿法腐蚀掩膜遮蔽层；

S4：采用SiO₂和Si₃N₄作为湿法腐蚀掩膜遮蔽层，在80℃条件下采用30%质量分数的TMAH溶液各向异性湿法腐蚀SOI晶圆的衬底层形成压力敏感膜片，随后再干法刻蚀剩余的SiO₂和Si₃N₄；

S5：随后对正面进行光刻，采用DRIE工艺刻蚀器件层得到法兰盘型谐振器、梳齿对结构、锚部和受力杆；

S6：通过氧等离子体清洗去除光刻胶，采用30～40%质量分数的HF溶液湿法腐蚀埋氧层的二氧化硅释放法兰盘型谐振器，形成可动结构；

S7：制作玻璃盖板层，并且在玻璃盖板层内部溅射金属Ti，作为吸气层；随后采用多层阳极键合工艺将SOI晶圆与玻璃盖板层和玻璃衬底层键合在一起，形成内部真空腔；

S8：溅射金属AI形成引线电极。

进一步地，S1中选取的SOI晶圆材料，该SOI晶圆材料的衬底层为300～500um、N型掺杂、电阻率3～20Ω•cm；二氧化硅埋层为0.5～1um厚的二氧化硅；法兰盘型硅谐振层为80um厚的重掺杂N型硅，电阻率0.01～0.02Ω•cm。

本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种高精度法兰盘型硅谐振压力传感器及其制造工艺，其结构可靠，使用性能好，该传感器利用法兰盘型结构的谐振器大刚度的特点，代替了传统小刚度梁型谐振器，极大地提高了工作模态的谐振频率，解决了梁型谐振器工作模态频率低，容易受到模态串扰的问题，其工作模态频率通常高达几十MHz至上百MHz之间，相邻的干扰模态与工作模态频率间隔较大，不会引起模态干扰的现象。同时，法兰盘型的谐振结构引入了滑膜阻尼，相较于梁型结构的压膜阻尼，其阻尼比较小，对应的Q值也较高，除此之外，高的工作模态频率也对应了高Q值的特点，使得谐振传感器的灵敏度增加，提高了测量的高精度。

此外，本发明基于法兰盘圆形对称的结构，其驱动梳齿和检测梳齿均是呈现对称圆周分布，可有效地消除谐振型传感器因耦合现象导致的传感器测量“死区”的发生，进一步提高了测量精度。

此外，本发明在工艺上采用SOI硅晶圆作为衬底材料，通过DRIE、SiO₂湿法腐蚀释放工艺即可成形法兰盘型谐振结构，避免了使用硅-硅键合高温工艺所带来的热应力以及相应的工艺难度，工艺简单可靠，成品率高，一致性好。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明剖视图；

图3为本发明中法兰盘型硅谐振层结构示意图；

图4为本发明中盖板层的结构示意图；

图5为本发明中SOI晶圆结构剖面示意图；

图6为本发明中SOI晶圆低压化学气相沉积SiO₂、Si₃N₄示意图；

图7为本发明中反应离子刻蚀（RIE）形成湿法腐蚀掩膜示意图；

图8为本发明中TMAH腐蚀形成压力敏感膜片示意图；

图9为本发明中正面光刻、DRIE工艺形成法兰盘型谐振器和梳齿结构示意图；

图10为本发明中HF腐蚀二氧化硅、释放可动结构示意图；

图11为本发明中吸气层及多层阳极键合SOI晶圆-玻璃盖板层-玻璃衬底层结构示意图；

图12为本发明中溅射金属AI形成引线电极示意图。

图1至图12中所示附图标记分别表示为：1-玻璃衬底层，2-硅衬底层，3-二氧化硅埋层，4-法兰盘型硅谐振层，5-盖板层，40-法兰盘型谐振器，43-受力杆，44-第一锚部，45-第二锚部，410-第一驱动梳齿对，411-第二驱动梳齿对，420-第一检测梳齿对，421-第二检测梳齿对，46-阻尼孔，50-通孔，10-引气孔，20-压力敏感膜片，51-吸气层，21-SiO₂，22-Si₃N₄，11-引线电极。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1至图5所示，一种高精度法兰盘型硅谐振压力传感器，包括由下至上依次设置的玻璃衬底层1、硅衬底层2、二氧化硅埋层3、法兰盘型硅谐振层4以及盖板层5。该压力传感器采用标准厚层SOI晶圆材料加工制作，其中SOI晶圆材料的硅衬底层2为400um，N型掺杂，电阻率3～20Ω•cm，二氧化硅埋层3为1um厚的二氧化硅，器件层为80um厚的重掺杂N型硅，电阻率0.02Ω•cm，作为法兰盘型硅谐振层4。法兰盘型硅谐振层4采用DRIE工艺刻蚀器件层制作。采用3mm打孔BF33型号玻璃制作玻璃衬底层1，用作应力隔离垫，减小后续封装时带来的封装应力。玻璃衬底层1内开设有引气孔10，引气孔10与设置在硅衬底层2的压力敏感膜片20相通，通过引气孔10感受外界压力，并将气压引流至压力敏感膜片20上。压力敏感膜片20利用TMAH溶液各项异性湿法腐蚀SOI晶圆的衬底层来形成。玻璃盖板层5采用400um打孔BF33型号玻璃进行制作，并且在玻璃盖板层5内部溅射金属Ti，作为吸气层51，保持谐振器腔体的真空度，玻璃盖板通孔50则作为封装时引线键合工艺的拉线路径。

如图2至图4所示，法兰盘型硅谐振层4包括法兰盘型谐振器40、分别与法兰盘型谐振器40连接的驱动梳齿对和检测梳齿对以及分别通过受力杆43与法兰盘型谐振器40连接的第一锚部44和第二锚部45，且第一锚部44和第二锚部45分别连接在压力敏感膜片20上。第一锚部44和第二锚部45位于同一直线上，其中法兰盘型谐振器40上刻蚀阻尼孔46，阻尼孔46呈圆周分布，用于降低谐振器在谐振运动时的阻尼。BOE溶液湿法腐蚀埋氧层的二氧化硅释放法兰盘型谐振器40，形成可动结构。驱动梳齿对和检测梳齿对相邻设置，受力杆43位于驱动梳齿对和检测梳齿对之间，且驱动梳齿对、检测梳齿对、受力杆43、第一锚部44和第二锚部45绕法兰盘型谐振器40呈圆周分布，空间利用率高，极大地减小了硅谐振器件的尺寸面积。进一步地，通过法兰盘型的谐振结构引入了滑膜阻尼，在振动过程中形成滑膜阻尼形式，相较于梁型结构的压膜阻尼，其阻尼比较小，对应的Q值也较高，除此之外，高的工作模态频率也对应了高Q值的特点，使得谐振传感器的灵敏度增加，提高了测量的高精度。

驱动梳齿对包括第一驱动梳齿对410以及与第一驱动梳齿对410关于法兰盘型谐振器40呈斜向对称设置的第二驱动梳齿对411，且法兰盘型谐振器40的中心位于第一驱动梳齿对410与第二驱动梳齿对411的连线上。检测梳齿对包括位于第一驱动梳齿对410和第二驱动梳齿对411之间的第一检测梳齿对420以及与第一检测梳齿对420关于法兰盘型谐振器40呈斜向对称设置的第二检测梳齿对421，法兰盘型谐振器40的中心位于第一检测梳齿对420与第二检测梳齿对421的连线上。两对驱动梳齿对和两对检测梳齿对交叉形成X结构，第一锚部44和第二锚部45则相对设置在该交叉结构的外侧，从整体上看，两对驱动梳齿对、两对检测梳齿对及两对锚部所形成的为以法兰盘型谐振器40为中心的八边形结构。两对驱动梳齿对的端面、两对检测梳齿对的端面分别与法兰盘型谐振器40的外缘之间具有间隙，且间隙一致。各部分等间距分布，提高运行的稳定可靠性能。两对驱动梳齿与两对检测梳齿沿法兰盘型谐振器呈现圆周对称分布，且为X结构，当有静电作用在驱动梳齿与检测梳齿上时，其静电力的大小相等，方向相反，引起的力矩刚好互相抵消，使得驱动梳齿引起的振动效果不会耦合至检测梳齿，避免了耦合现象带来的“死区”效应。

在具体使用时，当有外界压力通过玻璃衬底层1的引气孔10作用在压力敏感膜片20上，压力敏感膜片20会发生挠曲变形，与压力敏感膜片20直接相连的第一锚部44和第二锚部45会沿着受力杆43和受力杆43的径向发生位移，使得法兰盘型谐振器40受到径向的拉应力，由此谐振器的刚度发生变化，导致谐振器的谐振频率发生改变，通过在第一驱动梳齿对410和第二驱动梳齿对411上加载静电力，驱动法兰盘型谐振器40进行谐振工作模态运动，通过第一检测梳齿对420和第二检测梳齿对421的电容变化对法兰盘型谐振器40的谐振频率进行检测，通过检测谐振频率的变化即可获得外界压力值的大小，便捷可靠。

如图3至图12所示，本发明还提供了一种高精度法兰盘型硅谐振压力传感器的制造工艺，包括以下步骤：

S1：选取标准厚层晶面的SOI晶圆材料，并对其进行清洗；

S1中选取的SOI晶圆材料，该SOI晶圆材料的衬底层为300～500um、N型掺杂、电阻率3～20Ω•cm；二氧化硅埋层3为0.5～1um厚的二氧化硅；法兰盘型硅谐振层4为80um厚的重掺杂N型硅，电阻率0.01～0.02Ω•cm。

S2：对清洗后的SOI晶圆材料在1000～1200℃条件下干氧氧化形成400～600nm厚层的SiO₂21，通过低压化学气相沉积形成2000～3000nm的Si₃N₄22；

S4：采用SiO₂21和Si₃N₄22作为湿法腐蚀掩膜遮蔽层，在80℃条件下采用30%质量分数的TMAH溶液各向异性湿法腐蚀SOI晶圆的衬底层形成压力敏感膜片20，随后再干法刻蚀剩余的SiO₂21和Si₃N₄22；

S5：随后对正面进行光刻，采用DRIE工艺刻蚀器件层得到法兰盘型谐振器40、梳齿对结构、锚部和受力杆43；

S6：通过氧等离子体清洗去除光刻胶，采用30～40%质量分数的HF溶液湿法腐蚀埋氧层的二氧化硅释放法兰盘型谐振器40，形成可动结构；

S7：制作玻璃盖板层5，并且在玻璃盖板层5内部溅射金属Ti，作为吸气层51；随后采用多层阳极键合工艺将SOI晶圆与玻璃盖板层5和玻璃衬底层1键合在一起，形成内部真空腔；

S8：溅射金属AI形成引线电极11。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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

1.一种高精度法兰盘型硅谐振压力传感器，其特征在于，包括由下至上依次设置的玻璃衬底层（1）、硅衬底层（2）、二氧化硅埋层（3）、法兰盘型硅谐振层（4）以及盖板层（5）；

所述法兰盘型硅谐振层（4）包括法兰盘型谐振器（40）、分别与所述法兰盘型谐振器（40）连接的驱动梳齿对和检测梳齿对以及分别通过受力杆（43）与所述法兰盘型谐振器（40）连接的第一锚部（44）和第二锚部（45），所述第一锚部（44）和第二锚部（45）位于同一直线上，所述驱动梳齿对和所述检测梳齿对相邻设置，所述受力杆（43）位于驱动梳齿对和检测梳齿对之间，且所述驱动梳齿对、所述检测梳齿对、受力杆（43）、第一锚部（44）和第二锚部（45）绕所述法兰盘型谐振器（40）呈圆周分布；

所述玻璃衬底层（1）内开设有引气孔（10），所述引气孔（10）与设置在硅衬底层（2）的压力敏感膜片（20）相通，且所述第一锚部（44）和第二锚部（45）分别连接在压力敏感膜片（20）上。

2.根据权利要求1所述的高精度法兰盘型硅谐振压力传感器，其特征在于，所述驱动梳齿对包括第一驱动梳齿对（410）以及与所述第一驱动梳齿对（410）关于法兰盘型谐振器（40）呈斜向对称设置的第二驱动梳齿对（411），且所述法兰盘型谐振器（40）的中心位于所述第一驱动梳齿对（410）与第二驱动梳齿对（411）的连线上。

3.根据权利要求2所述的高精度法兰盘型硅谐振压力传感器，其特征在于，所述检测梳齿对包括位于第一驱动梳齿对（410）和第二驱动梳齿对（411）之间的第一检测梳齿对（420）以及与所述第一检测梳齿对（420）关于法兰盘型谐振器（40）呈斜向对称设置的第二检测梳齿对（421），所述法兰盘型谐振器（40）的中心位于所述第一检测梳齿对（420）与第二检测梳齿对（421）的连线上。

4.根据权利要求1所述的高精度法兰盘型硅谐振压力传感器，其特征在于，两对所述驱动梳齿对的端面、两对所述检测梳齿对的端面分别与所述法兰盘型谐振器（40）的外缘之间具有间隙，且间隙一致。

5.根据权利要求1所述的高精度法兰盘型硅谐振压力传感器，其特征在于，所述法兰盘型谐振器（40）上刻蚀有多个阻尼孔（46），且所述阻尼孔（46）呈圆周分布。

6.根据权利要求1所述的高精度法兰盘型硅谐振压力传感器，其特征在于，所述盖板层（5）开设有用于提供引线键合时的拉线路径的通孔（50）。

7.根据权利要求1所述的高精度法兰盘型硅谐振压力传感器，其特征在于，所述盖板层（5）内部设置有用于保证谐振器腔体真空度的吸气层（51）。

8.一种根据权利要求1至7任一项所述的高精度法兰盘型硅谐振压力传感器的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1：选取标准厚层晶面的SOI晶圆材料，并对其进行清洗；

S2：对清洗后的SOI晶圆材料在1000～1200℃条件下干氧氧化形成400～600nm厚层的SiO₂（21），通过低压化学气相沉积形成2000～3000nm的Si₃N₄（22）；

S3：随后采用SF6气体反应离子分别刻蚀S2中所形成的SiO₂（21）和Si₃N₄（22）得到后续湿法腐蚀掩膜遮蔽层；

S4：采用SiO₂（21）和Si₃N₄（22）作为湿法腐蚀掩膜遮蔽层，在80℃条件下采用30%质量分数的TMAH溶液各向异性湿法腐蚀SOI晶圆的衬底层形成压力敏感膜片（20），随后再干法刻蚀剩余的SiO₂和Si₃N₄；

S5：随后对正面进行光刻，采用DRIE工艺刻蚀器件层得到法兰盘型谐振器（40）、梳齿对结构、锚部和受力杆（43）；

S6：通过氧等离子体清洗去除光刻胶，采用30～40%质量分数的HF溶液湿法腐蚀埋氧层的二氧化硅释放法兰盘型谐振器（40），形成可动结构；

S7：制作玻璃盖板层（5），并且在玻璃盖板层（5）内部溅射金属Ti，作为吸气层（51）；随后采用多层阳极键合工艺将SOI晶圆与玻璃盖板层（5）和玻璃衬底层（1）键合在一起，形成内部真空腔；

S8：溅射金属AI形成引线电极（11）。

9.根据权利要求8所述的高精度法兰盘型硅谐振压力传感器的制造工艺，其特征在于，S1中选取的SOI晶圆材料，该SOI晶圆材料的衬底层为300～500um、N型掺杂、电阻率3～20Ω•cm；二氧化硅埋层（3）为0.5～1um厚的二氧化硅；法兰盘型硅谐振层（4）为80um厚的重掺杂N型硅，电阻率0.01～0.02Ω•cm。