CN115127718A - 一种碳化硅压力传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种碳化硅压力传感器及其制造方法，所述方法包括：形成感压结构，包括：提供衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面及第二表面；在所述第一表面形成电路层；对所述第二表面进行减薄及抛光处理，以形成感压膜；形成支撑结构，包括：提供基底；在所述基底的表面上形成与所述感压膜的变形区域对应的凹槽；在所述基底形成通孔；将所述感压结构与所述支撑结构键合，且使得所述电路层朝向所述凹槽，以形成碳化硅压力传感器芯片。本发明制备得到的碳化硅压力传感器的电路结构不易损坏，且可降低SiC材料的加工难度，提高加工效率，实现高质量的碳化硅压力传感器。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS压力传感器技术领域，具体涉及一种碳化硅高温压力传感器及其制造方法。
背景技术
压力传感器在铁路交通、航空航天、石化油井等领域应用广泛，例如，对于航空发动机、重型燃气轮机而言，其部件长期处于高温、高压、强腐蚀性的极端环境中，通过压力传感器来实时监测燃烧室内的压力参数，可以提高燃料的燃烧率，增强设备的安全性。传统的硅(Si)压力传感器和绝缘体上硅(SOI)压力传感器因硅材料在高温环境中PN结漏电流加剧，且机械性能退化，不能满足高温环境下压力测量的需求。碳化硅材料因其独特的机械性质、电学特性、化学稳定性、抗辐射性能和高温稳定性逐渐为人们所重视，是制备需在极端环境下工作的压力传感器的理想材料。
然而，采用碳化硅制备压力传感器时，传统的制作方法是在SiC材料上进行深腔加工来形成感压膜，包括熔盐腐蚀、光电化学腐蚀、等离子体干法刻蚀、超声波加工、机械研磨、激光刻蚀等方法，存在加工效率较低、刻蚀深度难以精确控制、表面质量较差等缺点，且制备得到的碳化硅压力传感器的感压膜的正面一般直接与高温介质相接触，长期使用容易导致感压膜上的电路结构发生损坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳化硅压力传感器及其制造方法，制备得到的碳化硅压力传感器的电路结构不易损坏，且可降低材料的加工难度，提高加工效率，实现高质量的碳化硅压力传感器。
为实现上述目的，本发明实施例提供了以下方案：
第一方面，本发明实施例提供一种碳化硅压力传感器的制造方法，所述方法包括：
形成感压结构，包括：
提供衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面及第二表面；
在所述第一表面形成电路层；
对所述第二表面进行减薄及抛光处理，以形成感压膜；
形成支撑结构，包括：
提供基底；
在所述基底的表面上形成与所述感压膜的变形区域对应的凹槽；
在所述基底形成通孔；
将所述感压结构与所述支撑结构键合，且使得所述电路层朝向所述凹槽，以形成碳化硅压力传感器芯片。
在一种可能的实施例中，所述在所述第一表面形成电路层，包括：
在所述第一表面依次外延生长形成第一外延层及第二外延层；
对所述第二外延层进行光刻及刻蚀处理，以形成间隔设置的压敏电阻及周缘；
在所述压敏电阻的表面、所述周缘的表面及部分所述第一外延层的表面进行淀积，以形成隔离层；
对所述隔离层进行光刻及湿法腐蚀处理，以形成位于所述压敏电阻上的接触孔；
在靠近所述接触孔的部分所述隔离层的表面及所述接触孔内形成布线层，在位于所述周缘的表面的所述隔离层的表面形成与所述通孔对应的焊盘，所述布线层通过所述接触孔将所述压敏电阻相互连接；以及
进行快速热退火处理，使得所述布线层与所述压敏电阻形成欧姆接触。
在一种可能的实施例中，所述在所述第一表面形成电路层，还包括：
在所述隔离层、所述布线层及所述焊盘的表面沉积形成阻挡层；以及
对所述阻挡层进行光刻工艺和湿法腐蚀处理，去除部分所述阻挡层，使得所述焊盘裸露。
在一种可能的实施例中，所述方法还包括：
对所述碳化硅压力传感器芯片进行封装，包括：
提供管座，所述管座包括与所述焊盘对应的引线孔；
将所述碳化硅压力传感器芯片固定于所述管座的表面；以及
将引线穿设于所述引线孔和所述通孔内，且与所述焊盘相连。
在一种可能的实施例中，所述将引线穿设于所述引线孔和所述通孔内，且与所述焊盘相连，包括：
将导电浆料填充于所述引线孔及所述通孔内；
将所述引线的一端穿过充满导电浆料的所述引线孔及所述通孔，且与所述焊盘相连，另一端从所述引线孔露出；
所述导电浆料冷却固化形成导电结构，以包覆部分所述引线。
第二方面，本发明实施例提供一种碳化硅压力传感器，所述碳化硅压力传感器包括：
感压结构，所述感压结构包括：
衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面及第二表面；
形成于所述第一表面的电路层；
形成于所述第二表面的感压膜，所述感压膜为预设厚度，且表面为平面；
与所述感压结构键合的支撑结构，所述支撑结构开设凹槽及通孔，所述凹槽与所述感压膜的变形区域对应，所述电路层朝向所述的凹槽设置。
在一种可能的实施例中，所述电路层包括：
设置于所述第一表面的第一外延层；
设置于所述第一外延层、且相互间隔的压敏电阻及周缘；
设置于所述压敏电阻的表面、所述周缘的表面及部分所述第一外延层的表面的隔离层，开设于所述隔离层、且位于所述压敏电阻上的接触孔；
设置于靠近所述接触孔的部分所述隔离层的表面及所述接触孔内的布线层，设置于位于所述周缘的表面的所述隔离层的表面形成与所述通孔对应的焊盘，所述布线层通过所述接触孔将所述压敏电阻相互连接，且所述布线层与所述压敏电阻形成欧姆接触。
在一种可能的实施例中，所述电路层还包括设置于所述电路层表面的阻挡层，所述阻挡层覆盖所述布线层及部分所述隔离层，且所述焊盘从所述阻挡层裸露。
在一种可能的实施例中，所述碳化硅压力传感器还包括：
封装结构，所述封装结构包括：
管座，所述管座开设引线孔，所述碳化硅压力传感器芯片固定于所述管座；以及
引线，所述引线穿过所述引线孔及所述通孔与所述焊盘相连。
在一种可能的实施例中，所述封装结构还包括封接层，所述碳化硅压力传感器芯片通过所述封接层固定于所述管座。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明实施例将所述感压结构与所述支撑结构键合，且使得所述电路层朝向所述凹槽，所制得的碳化硅压力传感器的电路层可避免与高温介质直接接触，因此，不易损坏，另外，通过进行减薄及抛光处理，以形成所述感压膜，可避免采用现有制作方法中的深腔加工来形成感压膜，从而降低材料的加工难度，提高加工效率，实现高质量的碳化硅压力传感器。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书的一些实施例，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是本发明实施例提供的一种碳化硅压力传感器的制造方法的流程图。
图2是图1所示的碳化硅压力传感器的制造方法的步骤S1中形成第一外延层及第二外延层的示意图。
图3是图1所示的碳化硅压力传感器的制造方法的步骤S1中形成压敏电阻的示意图。
图4是图1所示的碳化硅压力传感器的制造方法的步骤S1中形成隔离层及接触孔的示意图。
图5是图1所示的碳化硅压力传感器的制造方法的步骤S1中形成布线层及焊盘的示意图。
图6是图1所示的碳化硅压力传感器的制造方法的步骤S1中形成阻挡层的示意图。
图7是图1所示的碳化硅压力传感器的制造方法的步骤S2中形成凹槽的示意图。
图8是图1所示的碳化硅压力传感器的制造方法的步骤S2中形成通孔的示意图。
图9是图1所示的碳化硅压力传感器的制造方法的步骤S3的示意图。
图10是图1所示的碳化硅压力传感器的制造方法的步骤S1中对第二表面进行减薄及抛光处理的示意图。
图11至12是图1所示的碳化硅压力传感器的制造方法中对所述碳化硅压力传感器芯片进行封装的示意图。
具体实施方式
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。
本实施例提供一种碳化硅压力传感器的制造方法。在本实施例中，所述碳化硅压力传感器的制造方法用于制造碳化硅(SiC)高温压力传感器，所述碳化硅压力传感器为碳化硅压阻式压力传感器。请参阅图1，所述碳化硅压力传感器的制造方法包括以下步骤：
步骤S1，形成感压结构10。请参阅图2，所述形成所述感压结构10，包括：
步骤S12，提供衬底101，所述衬底101包括相对设置的第一表面101a及第二表面101b。在本实施例中，所述衬底101为SiC衬底。第一表面101a及第二表面101b分别为硅(Si)面及碳(C)面。
步骤S13，在所述第一表面101a形成电路层。所述在所述第一表面101a形成电路层，包括：
步骤S131，在所述第一表面101a依次外延生长形成第一外延层102及第二外延层103。在本实施例中，在所述SiC衬底的Si面上依次外延生长p型SiC层102和n型SiC层103，其中，所述p型SiC层102作为隔离层，所述n型SiC层103用于制备所述碳化硅压力传感器的惠斯通电桥。可以理解，所述p型SiC层102和n型SiC层103的位置和功能可以互换。
请参阅图3，步骤S132，对所述第二外延层103进行光刻及刻蚀处理，以形成间隔设置的压敏电阻104及周缘103a。
在本实施例中，对所述第二外延层103进行光刻及浅刻蚀处理，以形成间隔设置的压敏电阻104及周缘103a，形成4对压敏电阻104。
请参阅图4，步骤S133，在所述压敏电阻104的表面、所述周缘103a的表面及部分所述第一外延层102的表面进行淀积，以形成隔离层105。在实施例中，所述隔离层105由二氧化硅(SiO2)制成。
步骤S134，对所述隔离层105进行光刻及湿法腐蚀处理，以形成位于所述压敏电阻上的接触孔106。
请参阅图5，步骤S135，在靠近所述接触孔106的部分所述隔离层105的表面及所述接触孔106内形成布线层107，在位于所述周缘103a的表面的所述隔离层105的表面形成焊盘108，所述布线层107通过所述接触孔106将所述压敏电阻104相互连接。在本实施例中，通过光刻和磁控溅射形成所述布线层107及焊盘108，形成4个焊盘108。
步骤S136，进行快速热退火处理，使得所述布线层107与所述压敏电阻104形成欧姆接触。
请参阅图6，在另一实施例中，所述在所述第一表面101a形成电路层，还包括：
步骤S137，在所述隔离层105、所述布线层107及所述焊盘108的表面沉积形成阻挡层109。所述阻挡层109用于保护所述布线层107及所述压敏电阻104。在本实施例中，阻挡层109由氮化硅(SiNx)制成。
步骤S138，对所述阻挡层109进行光刻工艺和湿法腐蚀处理，去除部分所述阻挡层109，使得所述焊盘108裸露，所述焊盘108用于实现所述碳化硅压力传感器芯片与其它部件的电连接。
请一并参阅图7至图9，步骤S2，形成支撑结构20，所述形成支撑结构20包括：
步骤S21，提供基底201。在本实施例中，基底201由SiC制成。
步骤S22，在所述基底201的表面上形成凹槽202及通孔203，其中，凹槽202与所述感压结构10的变形区域对应。在本实施例中，通过光刻和浅刻蚀处理形成凹槽202，凹槽202的深度可根据碳化硅压力传感器的量程进行确定，通常<20μm即可满足实际需求，避免深腔加工过程。通过激光刻蚀或机械加工等方式形成通孔203。所述通孔203与所述焊盘108对应。
步骤S23，将所述感压膜10与所述支撑结构20键合，且使得所述电路层朝向所述凹槽202，以形成碳化硅压力传感器芯片30。此时，所述焊盘108容设于所述通孔203内。
请参阅图10，步骤S24，对所述第二表面101b进行减薄及抛光处理，以形成所述感压膜301。在本实施例中，可将所述衬底101减薄至预设厚度，通常<100μm，使得碳化硅压力传感器实现较好的灵敏度和非线性误差。另外，可将第二表面101b进行化学机械抛光，使得感压膜301达到预设平整度，总厚度偏差TTV≤10μm，并减少第二表面101b在减薄过程中产生的划痕、凹坑等机械损伤，提高碳化硅压力传感器在高温环境下的可靠性。此外，第二表面101b为非键合面，其表面粗糙度对后续键合过程的影响不大。
可以理解，所述步骤S24的顺序可以调整，例如，在另一实施例中，步骤S24可在步骤S138之后进行。
请一并参阅图11至图12，在另一实施例中，所述碳化硅压力传感器的制造方法，还包括：
步骤S4，对所述碳化硅压力传感器芯片30进行封装，具体包括：
步骤S41，提供管座401，所述管座401包括与所述焊盘108对应的引线孔402。在本实施例中，所述管座401由AlN材料制成。
步骤S42，将所述碳化硅压力传感器芯片30固定于所述管座401的表面。在本实施例中，通过耐高温封接材料，形成设置于碳化硅压力传感器芯片30与管座401之间的封接层403，将碳化硅压力传感器芯片30固定在管座401的上表面。在本实施例中，所述耐高温封接材料熔点大于800℃。
步骤S43，将引线405穿过所述引线孔402和所述通孔203，且与所述焊盘108相连，具体包括：
步骤S431，将导电浆料填充于所述引线孔402及所述通孔203内。
步骤S431，将所述引线405的一端穿过充满导电浆料的所述引线孔402及所述通孔203，且与所述焊盘108相连，另一端从所述引线孔405露出。
步骤S431，所述导电浆料冷却固化形成导电结构404，以包覆部分所述引线405。
基于与方法同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种碳化硅压力传感器。请再次参阅图10，所述碳化硅压力传感器包括感压结构10及支撑结构20。所述感压结构10包括衬底101，所述衬底101包括相对设置的第一表面101a及第二表面101b、形成于所述第一表面101a的电路层、形成于所述第二表面101b的感压膜301，所述感压膜301为预设厚度，且表面为平面。与所述感压结构10键合的支撑结构20，所述支撑结构20开设凹槽202及通孔203，所述凹槽202与所述感压膜10的变形区域对应，所述电路层朝向所述的凹槽202设置。
所述电路层包括设置于所述第一表面101a的第一外延层102；设置于所述第一外延层102、且相互间隔的压敏电阻104及周缘103a；设置于所述压敏电阻104的表面、所述周缘103a的表面及部分所述第一外延层101a的表面的隔离层105；开设于所述隔离层105、且位于所述压敏电阻上的接触孔106；设置于靠近所述接触孔106的部分所述隔离层105的表面及所述接触孔106内的布线层107，设置于位于所述周缘103a的表面的所述隔离层105的表面形成与所述通孔203对应的焊盘108，所述布线层107通过所述接触孔106将所述压敏电阻104相互连接，且所述布线层107与所述压敏电阻104欧姆接触。
所述电路层还包括设置于所述电路层表面的阻挡层109，所述阻挡层109覆盖所述布线层107及部分所述隔离层105，且所述焊盘108从所述阻挡层109露出。
所述碳化硅压力传感器还包括封装结构，所述封装结构包括管座401以及引线405，所述管座401开设引线孔402，所述碳化硅压力传感器芯片固定于所述管座401；所述引线405穿过所述引线孔402及所述通孔203与所述焊盘108相连。
在本实施例中，所述封装结构还包括封接层403，所述碳化硅压力传感器芯片30通过所述封接层403固定于所述管座401。所述封装结构还包括填充于所述引线孔402及所述通孔203内，且包覆部分所述引线的导电结构404。所述封装结构还包括管壳406，所述管座401固定于所述管壳406内。
使用所述碳化硅压力传感器进行压力测量时，压力施加至所述感压膜301的背面，所述感压膜301发生形变，整个感压结构10沿朝向凹槽202的方向发生形变，且容置于所述凹槽202内，同时，所述压敏电阻104的阻值发生变化，并通过引线405输出代表压力大小的阻值变化值的电信号。
本发明实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例将所述感压结构10与所述支撑结构20键合，且使得所述电路层朝向所述凹槽202，所制得的碳化硅压力传感器的电路层可避免与高温介质直接接触，因此，不易损坏，提高了碳化硅压力传感器的稳定性和工作寿命。另外，通过进行减薄及抛光处理，以形成所述感压膜301，可避免采用现有制作方法中的深腔加工来形成感压膜，解决了SiC材料硬度高、耐腐蚀带来的工艺加工难题，且加工效率较高，且感压膜301厚度及平整度可控，有利于实现高质量的碳化硅压力传感器。
本发明实施例感压膜301中变形区域的形状与尺寸可以根据支撑结构20中凹槽202的形状与尺寸进行确定，例如，如果凹槽202的横截面为圆形，则变形区域也为圆形，从而满足不同压力传感器的设计要求。
本发明实施例采用无引线封装结构，所述引线405穿过所述引线孔402及所述通孔203与所述焊盘108相连，可避免软引线连接在高温环境下触点失效的问题，且充于所述引线孔402及所述通孔203内，且包覆部分所述引线的导电结构404，可增加电连接的稳定性。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种碳化硅压力传感器的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
形成感压结构，包括：
提供衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面及第二表面；
在所述第一表面形成电路层；
对所述第二表面进行减薄及抛光处理，以形成感压膜；
形成支撑结构，包括：
提供基底；
在所述基底的表面上形成与所述感压膜的变形区域对应的凹槽；
在所述基底形成通孔；
将所述感压结构与所述支撑结构键合，且使得所述电路层朝向所述凹槽，以形成碳化硅压力传感器芯片。
2.根据权利要求1所述的碳化硅压力传感器的制造方法，其特征在于，所述在所述第一表面形成电路层，包括：
在所述第一表面依次外延生长形成第一外延层及第二外延层；
对所述第二外延层进行光刻及刻蚀处理，以形成间隔设置的压敏电阻及周缘；
在所述压敏电阻的表面、所述周缘的表面及部分所述第一外延层的表面进行淀积，以形成隔离层；
对所述隔离层进行光刻及湿法腐蚀处理，以形成位于所述压敏电阻上的接触孔；
在靠近所述接触孔的部分所述隔离层的表面及所述接触孔内形成布线层，在位于所述周缘的表面的所述隔离层的表面形成与所述通孔对应的焊盘，所述布线层通过所述接触孔将所述压敏电阻相互连接；以及
进行快速热退火处理，使得所述布线层与所述压敏电阻形成欧姆接触。
3.根据权利要求2所述的碳化硅压力传感器的制造方法，其特征在于，所述在所述第一表面形成电路层，还包括：
在所述隔离层、所述布线层及所述焊盘的表面沉积形成阻挡层；以及
对所述阻挡层进行光刻工艺和湿法腐蚀处理，去除部分所述阻挡层，使得所述焊盘裸露。
4.根据权利要求2所述的碳化硅压力传感器的制造方法，其特征在于，所述方法还包括：
对所述碳化硅压力传感器芯片进行封装，包括：
提供管座，所述管座包括与所述焊盘对应的引线孔；
将所述碳化硅压力传感器芯片固定于所述管座的表面；以及
将引线穿设于所述引线孔和所述通孔内，且与所述焊盘相连。
5.根据权利要求4所述的碳化硅压力传感器的制造方法，其特征在于，所述将引线穿设于所述引线孔和所述通孔内，且与所述焊盘相连，包括：
将导电浆料填充于所述引线孔及所述通孔内；
将所述引线的一端穿过充满导电浆料的所述引线孔及所述通孔，且与所述焊盘相连，另一端从所述引线孔露出；
所述导电浆料冷却固化形成导电结构，以包覆部分所述引线。
6.一种碳化硅压力传感器，其特征在于，所述碳化硅压力传感器包括：
感压结构，所述感压结构包括：
衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面及第二表面；
形成于所述第一表面的电路层；
形成于所述第二表面的感压膜，所述感压膜为预设厚度，且表面为平面；
与所述感压结构键合的支撑结构，所述支撑结构开设凹槽及通孔，所述凹槽与所述感压膜的变形区域对应，所述电路层朝向所述的凹槽设置。
7.根据权利要求6所述的碳化硅压力传感器，其特征在于，所述电路层包括：
设置于所述第一表面的第一外延层；
设置于所述第一外延层、且相互间隔的压敏电阻及周缘；
设置于所述压敏电阻的表面、所述周缘的表面及部分所述第一外延层的表面的隔离层，开设于所述隔离层、且位于所述压敏电阻上的接触孔；
设置于靠近所述接触孔的部分所述隔离层的表面及所述接触孔内的布线层，设置于位于所述周缘的表面的所述隔离层的表面形成与所述通孔对应的焊盘，所述布线层通过所述接触孔将所述压敏电阻相互连接，且所述布线层与所述压敏电阻形成欧姆接触。
8.根据权利要求7所述的碳化硅压力传感器，其特征在于，所述电路层还包括设置于所述电路层表面的阻挡层，所述阻挡层覆盖所述布线层及部分所述隔离层，且所述焊盘从所述阻挡层裸露。
9.根据权利要求7所述的碳化硅压力传感器，其特征在于，所述碳化硅压力传感器还包括：
封装结构，所述封装结构包括：
管座，所述管座开设引线孔，所述碳化硅压力传感器芯片固定于所述管座；以及
引线，所述引线穿过所述引线孔及所述通孔与所述焊盘相连。
10.根据权利要求9所述的碳化硅压力传感器，其特征在于，所述封装结构还包括封接层，所述碳化硅压力传感器芯片通过所述封接层固定于所述管座。
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| CN202110313788.1A CN115127718A (zh) | 2021-03-24 | 2021-03-24 | 一种碳化硅压力传感器及其制造方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN115557463A (zh) * | 2022-10-28 | 2023-01-03 | 深圳市希立仪器设备有限公司 | 一种压力传感器芯片及其制备方法和压力传感器 |
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