CN114623955A

CN114623955A - 微小极间距电容式力敏传感器及其制造方法

Info

Publication number: CN114623955A
Application number: CN202210316008.3A
Authority: CN
Inventors: 胡耿
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-10-18
Filing date: 2022-03-29
Publication date: 2022-06-14

Abstract

本发明涉及一种带有弹性薄膜的电容式力敏传感器，属微机电技术领域。在它的弹性薄膜的中心部位设有可动电容极板。此电容的另一极板——定极板则通过支架固定在边框上，与可动极板保持微小极间距。本发明是对同名发明专利(申请号201811091210.0)的改进。主要内容是改变制造顺序：在已有技术中上边框与膜片键合时至少有一个键合表面是已经过微电子加工的表面而非原初的“光片”表面。而在本发明中，上边框键合时两键合表面都处于“光片”状态。本发明还提出一种新的定极板——支架构造以缩小制造尺寸，并提高其工作温度上限。本发明还通过省去可动极板提出性能略低但性价比更高的产品以及高质量的声强计；通过上下边框内尺寸差异减低边框键合的难度。

Description

微小极间距电容式力敏传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及微小极间距电容式力敏传感器，特别涉及微型化的电容式力敏传感器，属微机电技术领域。

背景技术

自20世纪80年代以来，微小极间距电容式力敏传感器大多用微机电器件加工技术制造，极间距离已缩小到约1微米。由于它的种种优点，现已成为芯片型力敏传感器的主流。就带有附加可动极板的芯片型电容式压力传感器而言，新近技术应以美国专利US7448277B2为代表。而中国专利《微小极间距电容式力敏传感器及其制造方法》(申请号：201811091210.0) 则通过分别制造再键合组装的新的技术路线突破技术瓶颈，大大提高了这种芯片型力敏传感器的性能及性价比。本发明是这项专利技术的后续补充。

发明内容

本发明的目的是对《微小极间距电容式力敏传感器及其制造方法》(申请号：201811091210.0) 所述的制造方法和结构加以改进、简化，从而降低其制造难度及设备要求并便于和相关电路集成化制造。

本发明的内容是微小极间距电容式力敏传感器。参见图4，它由膜片2’、上边框5’和下边框5、定极板6及其支架6’、可动极板4’等部分组成。膜片2’由硅片经化学机械抛光并与边框键合后腐蚀产生。下边框5通过膜片外围与上边框5’键合成一个整体。定极板6 通过支架6’借助于低熔点玻璃7与边框封接成一个整体，并与可动极板4’保持精确间距。本发明与同名发明专利(申请号201811091210.0)的主要区别在于它的上边框的键合时两个键合表面都是未经微电子工艺加工的相当于硅片‘光片’的原初表面，从而可以降低封接温度、增加封接强度和密封性以提高成品率以及便于与相关电路集成制造。

本发明主要内容如下：

<1>如图1所示，在硅片1表面形成氧化层3后使其与硅片2熔融键合(SFB)以形成含有二氧化硅夹层的(SOI)硅片，然后对其顶层硅片2进行精细磨削和化学机械抛光以形成硅膜片层 2’。接着按规范仔细清洗、表面处理后，在此表面上叠加另一硅片5”。硅片5‘’的用以叠加的表面经过同样的化学机械抛光、清洗、表面处理过程。对两硅片实现硅硅直接键合。键合后，在硅片5”上腐蚀出深孔形成上边框5’同时硅膜片层2’上表面完全裸露。接着在上边框5’的上表面和内壁以及硅膜片2’的裸露表面形成牺牲层3’并在中心位置蚀出锚定孔20。接着在牺牲层3’以及锚定孔20内淀积出多晶硅层4并用光刻腐蚀的方法形成可动极板4’。接下来的加工步骤与申请号为201811091210.0的发明专利完全相同，最终形成图4所示的力敏传感器。

<2>如图2<A>所示为下表面为二氧化硅层的复合硅片，1为衬底硅片2为顶层硅片。对硅片 2进行精细磨削和化学机械抛光以形成硅膜片层2’。接着在硅片层2’表面形成牺牲层3’并在牺牲层3’的适当位置形成锚定孔20随后在两者表面淀积多晶硅层4，接着光刻多晶硅层4形成可动极板4’并在4’的外表面形成牺牲层3‘’，接着在牺牲层3’以及牺牲层3”上淀积多晶硅层5”，5”的厚度大于可动极板4’与牺牲层3’两者厚度之和。然后，以不暴露牺牲层3”为度对多晶硅层5”实行磨平及化学机械抛光使此表面处于‘光片’状态。对此表面按规范清洗及表面处理后，在此表面叠加上硅片5’(硅片5’的用以叠加的表面经过同样处理程序)并使两者实现硅硅键合。然后对键合后的两硅片腐蚀形成上边框5’并使多晶硅层5”裸露。在上边框5’的上表面及内侧形成二氧化硅保护层3”’，接着以边框5’为掩膜腐蚀多晶硅层5”的裸露部分，使它所覆盖的氧化层3”及3’裸露。然后对硅片5腐蚀形成下边框5，最后去除裸露的氧化层3”’、3’、3”，充分清洗及干燥，最后按照申请号为201811091210.0的发明专利所述的方法制作定极板6及支架6’并把它们与边框封接固定即完成实施。由于最终形成边框的硅片键合时表面处于理想的‘光片’状态并可进行表面优化处理，以上两项发明可在增加边框键合强度及气密性的同时降低键合温度以便于相关电路的集成制造。

<3>如图5所示为本发明所提出的电容式力敏传感器的一种简化型式，它省去了可动极板4’。这虽然降低了性能指标但更降低了制造难度及成本。因其具有更高的性价比，会在更多的不需要较高精度的领域获得广泛应用。而且通过省去可动极板可制造出高精度声强计。

<4>如图6所示为本发明所提出的电容式力敏传感器所包含的定极板66及其支架66’它们由不同的材料制造并借助于金属镀层9键合成一个成体。支架66’材料与边框材料相同。从而克服因边框与支架材料不同而造成的温漂，从而省去在支架上开狭缝的麻烦，这在制造更小尺寸的这类产品时，例如膜片尺寸1毫米的电容式压力传感器时有重要意义。而且单独制造定极板66使得我们可以选用软化点更高的绝缘材料从而大大提高其正常工作温度上限。

<5>如图7所示为本发明所提出的一种电容式力敏传感器。它的特点在于上边框5’内孔横向尺寸比下边框5的横向尺寸大从而可以克服因上下边框材质差异或上下边框之间存在键合媒介层所造成的温度漂移、零点漂移、静压漂移。

附图说明

图1为第一实施例制造流程图。

图2为第二实施例制造流程图。

图3为定极板6及其支架6’的侧视图<A>及顶视图。

图4为第一、第二实施例制造完成后的剖视图。

图5为本发明所提出的简化形式的电容式力敏传感器的剖视图，它也是高精度声强计的剖视图。

图6为用不同材料分别制造定极板66和定极板支架66’的示意图。

图7所示为一种边框内尺寸不同的微小极间距电容式力敏传感器。

图8所示为本发明的立体图。

具体实施方式

第一个实施例如下：

参见图1<A>、。在(100)p型单晶硅片1的上下表面形成热氧化层3。

参见图1<C>。用硅熔融键合(SFB)的方法把(100)P+型浓硼掺杂硅片2与硅片1键合。

参见图1<D>。对键合后的硅片2表面仔细磨削并进行化学机械抛光形成膜片2’，然后按规范仔细清洗该表面并进行表面活化形成等待键合的表面。

参见图1<E>。把(100)p型硅片5”叠加到膜片2’的表面上，对两者实行硅硅低温键合。硅片5”用以键合的表面事先也经过同样步骤的表面处理。具体操作规程参见《微机电系统(MEMS)工艺基础与应用》(邱成军等编著哈尔滨工业大学出版社出版第109页)。以及《MEMS材料与工艺手册》([美]利萨·格迪斯<Reza Ghodssi>，林斌彦<Pinyen Lin> 著黄庆安等译东南大学出版社出版第677-686页)。按照此操作规程，可使键合温度保持在200℃以下、退火温度在450℃以下，使键合表面既具有较高的键合强度又避免键合表面在退火时出现空洞。这不仅可提高成品率而且便于实现相关电路的集成制造。

参见图1<F>。如图所示键合后的硅片5”被用各向异性腐蚀的方法腐蚀成边框5’，腐蚀在膜片2’表面自停止。然后在膜片2’及边框5’的表面用LPCVD的方法形成约1微米厚的二氧化硅牺牲层3’(通常称为LTO层)并在适当位置腐蚀出锚定孔20。

参见图1<G>和<H>。在此LTO表面以及锚定孔20中用LPCVD的方法形成约2～4微米厚的浓硼掺杂的多晶硅层并把它光刻腐蚀成可动极板4’。

参见图1。去除牺牲层3’。

参见图1<J>。对下硅片5各向异性腐蚀形成下边框并以此边框为掩膜去除膜片2’下表面的二氧化硅层3从而释放膜片2’。

在此实施例中如果采用SOI硅片，则可省去硅片1和硅片2熔融键合的工序，这样便于和相关电路集成制造。如果需要更低的实施温度上限，可以把形成牺牲层3’的LTO层换成正性光刻胶，而用铝镀层代替多晶硅层并光刻腐蚀形成可动极板4’，然后用有机溶剂去除光刻胶牺牲层和可动极板4’表面的光刻胶。显然金属铝可用其它与硅片表面具有低欧姆接触电阻的金属材料代替，如钛、钽等。

参见图3<A>，。图中所示为定极板6和不动极板支架6’的侧视图<A>和顶视图。图中 8为不动极板上的铝镀层作为传感电容的一极，8’为由铝镀层8引伸到不动极板支架6’上表面的引线键合点。18为支架6’两端开有的两两一组狭缝。

参见图4。把已经制作完成的定极板6及其支架6’置于如图所示位置并用与申请号为 201811091210.0的发明专利完全相同的方法将其与边框固定并与可动极板4’保持精密的微小极间距。至此本实施例完成。

第二个实施例如下：

参见图2<A>。图中所示为复合硅片。其衬底硅片1为(100)p型，而顶层硅片2为(111)p 型。3为氧化层。

参见图2。图中3’为约1微米厚的热氧化层，其上开有锚定孔20，在3’表面与孔20 内外延生长浓硼掺杂的多晶硅层4。如果可动极板4’横向尺寸较大则多晶硅层4的厚度需适当增加以保证其自身的平整度以及刚度。

参见图2<C>。如图所示，对多晶硅层4的表面进行化学机械抛光后光刻出可动极板4’。

参见图2<D>。在可动极板4’的表面(包括侧面)形成热氧化层3”。

参见图2<E>。在热氧化层3’及3”表面上外延生长多晶硅层5”。5”层的厚度大于可动极板4’及氧化层3”的厚度之和。

参见图2<F>。然后按与第一实施例图1<D>、<E>所示方法和程序处理多晶硅层5”表面，使该表面达到受表面处理后的硅片‘光片状态’。

参见图2<G>。把(100)p型硅片5’叠加到多晶硅层5”上，对两者实行硅硅键合。硅片5’的键合表面也经过同样的表面处理程序。由于键合前两个键合表面都处于相当于硅片原初表面(也就是‘光片’)状态，可对两表面实行硅硅低温键合，键合温度不超过200℃，退火温度不超过400℃，这不仅便于相关电路集成制造也能在保证键合强度的同时避免键合界面出现空洞。当然，如采用新的表面活化技术(如离子辐射、原位表面基团活化)，键合后不需热处理也能实现完全键合强度(共价键)。

参见图2<H>。对两者实行硅硅键合后，用各向异性腐蚀的方法在硅片5’上腐蚀出通孔以形成上边框的上部(仍用5’标注)并把孔底的多晶硅层5”裸露出来。随后在衬底硅片1下表面的氧化层3腐蚀出方孔，在上边框上部5’的上表面以及侧壁形成二氧化硅保护层3’”。参见图2。把多晶硅层5”的裸露部分腐蚀掉暴露出氧化层3”及部分氧化层3’，余下的多晶硅层5”形成上边框的下部(仍标注为5”)。5’和5”组合成上边框5‘”。以氧化层3方孔为掩膜对衬底硅片1腐蚀形成下边框5。

参见图2<J>。去除可动极板4’外围的氧化层3”及边框5’的氧化层3”’以及膜片2’上表面的裸露出来的以及它与可动极板4’之间的氧化层3’，从而释放出可动极板4’及膜片2’的上表面。然后再以下边框5为掩膜去除膜片2’下表面裸露出的二氧化层3。接下来的实施过程中，它的定极板6及定极板支架6’及其精确位置的固定与第一个实施例相同(参见图4)。

第三个实施例如下：

参见图5。如图所示为本发明的另一个实施例。它的特点在于省去了可动极板4’，其余的结构和制造问题与前两个实施例相同。省去可动极板4’不仅仅大大简化制造难度提高成品率从而有更优的性价比，更重要的是它可以用作精密的电容式声强计而价格却十分低廉。因为它能实现更精密的微小极间距控制，具有弹性更佳的膜片和最小的与用材以及结构相关的温漂及时漂。显然，在一定条件下借助于上下边框键合以增强边框刚度并无必要而膜片的形成又无需下硅片的存在，这时本发明可省去下边框，既避免键合的麻烦又降低成本。

第四个实施例如下：

参见图6<A>、。图6<A>所示为定极板66以及定极板支架66’的侧视图(图中两者尚未键合)，图6为其顶视图。它们与图3<A>、所示的定极板6及其支架6’的区别在于定极板66和定极板支架66’是分别制造然后键合成一个整体的。图中9为几微米厚的铝镀层键合点，通过它们把定极板66与定极板支架66’键合成一个整体，键合可在真空或惰性气体氛围中升温熔化铝镀层完成。当然也可用铜、镍等熔点更高的金属材料代替铝，从而提高器件工作温度上限。铝镀层键合点9可用镀膜光刻的办法形成。这种办法可以使铝镀层9的直径小到几微米从而最大限度地使整个器件小型化，如果键合点直径大于100微米以上则可用丝网漏印法印刷低熔点玻璃或钎焊浆料键合点。如果定极板66用绝缘体如硼硅玻璃或软化点温度更高的蓝宝石制造，定极板支架66’用与膜片和边框相同的材料(如本实施例中使用硅材料)来制造，则可在保持两极板之间高度绝缘和寄生电容仍然极小从而不损失性能指标的同时，消除了材料差异带来的温漂和时漂及静压漂移，并免去在定极板支架6’上开狭缝18的麻烦——这一点可以使该类传感器的尺寸更加小型化，如膜片尺寸可小于1mm从而支架长度也大约也小于1mm。在这样小的尺度上开狭缝即使能做的也是很困难和昂贵的。显然，本实施例并不意味着定极板支架用材一定与边框用材相同，使两者用材有着某种差异以实现某种补偿的可能性是存在的。关键是小型化后两者仍能分开制造而后键合成一体，这一点对于这类器件在小型化的同时又保持高性能指标重要措施。

第五个实施例如下：

图7所示为本发明的另一个实施例。其特点在于这种电容式力敏传感器上边框5’和下边框5 的内孔尺寸是不一样的。在上下边框内孔尺寸相同的情况下，膜片2’的张紧程度同时受上下边框以及两者间键合媒介层的影响。当上边框5’与下边框5材质不同(包括虽属同一材质但晶相、掺杂物及掺杂浓度不同)，或上下边框之间存在有其它键合媒介物质如磷硅玻璃、二氧化硅、氮化硅、金或其它键合材料(包括有机材料)时，这些材质的热膨胀系数、杨氏模量的差异在不同的温度、压力环境下会使膜片2’产生附加的应力，从而产生相应的温度漂移和时间漂移以及静压漂移。在上下边框内孔尺寸不同时，就自身而言，膜片的应力状况主要受内孔尺寸较小的边框影响。另一个边框越大，它以及它下面的键合媒介物质对膜片应力的影响越小。因为这种影响被上下边框交界处因内孔尺寸不同而形成的膜片2’从小内孔边框根部延伸到大内孔边框根部的区域Y所缓冲。在上下边框材质相差不大或键合媒介夹层很薄或其杨氏模量很小的情况下，只需很窄的区域Y便可把相关的漂移控制在允许范围之内。区域Y的具体尺度由实际情况决定。应该注意的是小内孔边框与膜片2’之间应该具有尽可能高的键合强度——两者或本来就是一体(膜片由硅片的掺杂层形成)；或两者实行熔融键合(SFB)；或两者经过离子辐射等表面活化技术处理后键合。至于定极板及其支架安装在小孔边框內还是安装在大孔边框內可视情况需要确定。由于Y区域的存在我们可以依据实际需要采用阳极键合、共晶键合、热压键合、共融键合、钎焊料键合乃至聚合物键合而仍能达到很高的精度及稳定性要求。

Claims

1.一种小型化的微小极间距电容式力敏传感器，包括膜片、上边框、下边框、定极板及支架、可动极板，两个边框通过膜片外围部分键合，可动极板中心锚定在膜片中心，定极板通过支架固定在边框上，其特征在于制造顺序：先把上边框和下边框键合，然后再把可动极板制作到膜片上，这种制造顺序降低了键合温度及热处理温度并提高键合强度和气密性。

2.一种如权利要求1所述的微小极间距电容式力敏传感器，包括膜片、上边框、下边框、定极板及支架、可动极板、两边框通过膜片外围部分键合，可动极板中心锚定在膜片中心，定极板通过支架固定在边框上，其特征在于制造顺序：先把可动极板锚定到膜片上并在其表面形成氧化层，然后在可动极板及膜片表面覆盖厚度大于可动极板及其表面氧化层的多晶硅层，然后对多晶硅层磨平、化学机械抛光、表面活化处理，然后把它与最终形成上边框上部的硅片键合，接着腐蚀此硅片形成上边框上部并以它为掩膜腐蚀多晶硅层使可动极板裸露而掩膜下的多晶硅层则形成上边框下部，这种制造顺序降低了边框键合温度及热处理温度并提高键合强度和气密性。

3.一种小型化的微小极间距电容式力敏传感器，包括膜片、上边框、下边框、定极板及支架，两边框通过膜片外围部分键合，定极板通过支架固定在边框上，其特征在于：它的膜片本身是传感电容的一极而省去了可动极板。

4.一种如权利要求3所述的小型化的微小极间距电容式力敏传感器，包括膜片、边框、定极板及支架，定极板通过支架固定在边框上，膜片本身是传感电容的一极而省去了可动极板，其特征在于；它的边框不分上下，没有键合过程。

5.一种如权利要求1或3所述的微小极间距电容式力敏传感器，包括膜片、上边框、下边框、定极板及支架、两边框通过膜片外围部分键合，定极板通过支架固定在边框上，其特征在于：两个边框内孔尺寸不同，膜片与内孔较小的边框或本来就是一体或两者实现完全的硅硅键合达到最大键合强度和最好的气密性，而膜片外围与较大内孔边框的键合则采用键合强度较低的低温硅硅键合或伴有键合媒介层的阳极键合、共晶键合、热压键合、共融键合、焊料键合甚至聚合物键合。

6.一种如权利要求1或3所述的小型化的微小极间距电容式力敏传感器，其特征在于：它的定极板与支架分别由两种材料制造，在定极板与支架键合的位置，用镀膜光刻的方法形成金属键合点，把两个键合点对准，在真空或惰性气体氛围中升温熔化金属实现定极板与其支架的键合，金属可采用铝、铜、镍或其它金属或合金材料，在支架及定极板尺度较大的情况下，也可用丝网漏印的方法印刷低熔点玻璃或钎焊浆料键合点实现定极板与支架的键合。