CN1156680C - 以SiNx为梁的微结构谐振梁压力传感器制造方法 - Google Patents

Abstract

一种以SiN_x为梁的新型微结构谐振梁压力传感器制造方法包括步骤：a)在(100)晶向的双面抛光硅片上，沉积氮化硅薄膜；b)沉积牺牲层；c)光刻牺牲层图形；d)沉积SiN_x膜，用于制作谐振梁；e)制作激振电阻和拾振电阻；f)制作金属引线；g)刻蚀梁槽，制作谐振梁；h)刻蚀硅片背面低应力氮硅化合物薄膜，形成各向异性腐蚀窗口；i)背面硅腐蚀，制作压力敏感膜；j)腐蚀掉牺牲层，释放SiN_x谐振梁，使SiN_x谐振梁能够自由振动；k)粘片、焊引线。将芯片键合在金属管座上，并焊上引线；l)真空封装。将焊好的管座和管帽真空封焊在一起。由于SiN_x具有更好的机械加工性能，可以制作更为复杂的谐振粱器件。

Description

以SiNx为梁的微结构谐振梁压力传感器制造方法

技术领域

本发明涉及微型压力传感器的制造方法，特别涉及以SiN_x为梁的新型微结构谐振梁压力传感器制造方法。

背景技术

利用MENS技术制作微结构谐振梁压力传感器到目前为止主要采用单晶硅和多晶硅材料制造。硅谐振梁压力传感器主要用于高精度压力测量，由于其具有频率输出，而易于进行数字化处理；因采用微电子技术制造，易于实现微型化，易于实现集成化，易于实现低成本批量生产。

普通的硅微结构谐振梁压力传感器包括三个部分：谐振梁压力传感器芯片(1)、管帽(3)、管座(4)。硅微结构谐振梁压力传感器芯片通过电极引线(2)与管座相连，再通过管座上的电极(6)与外部测试电路相连；传感器通过排气管(5)将管帽内腔抽成真空后，将排气管封死；传感器通过测量接口(7)与待测系统相连，用于测量外界压力。硅谐振梁压力传感器芯片(1)是由上硅片—谐振子(8)和下硅片(9)键合而成的。

以硅为材料制作微结构谐振梁压力传感器具有以下两种缺点：

1)梁的制作工艺复杂，工艺要求十分苛刻，难以控制要求的尺寸精度，因而影响器件的成品率，使器件的成本很高。虽然可以采用自停止腐蚀等办法加以改善，但这些方法不是降低器件性能，就是要增加昂贵的设备，从而增加成本。增加工艺步骤本身也增加了工艺复杂性，工艺成本明显增加。

2)硅谐振梁压力传感器的封装要将谐振子、压力敏感膜和管座键合在一起，需要两次键合。每次键合都产生应力，这些应力都对传感器产生影响。键合是一种比较复杂的工艺，减少键合过程也就是简化工艺过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用超厚低应力SiN_x薄膜制造微结构谐振梁压力传感器的方法。

为实现本发明的目的，以SiN_x为梁的微结构谐振梁压力传感器制造方法包括步骤：

a)在(100)晶向的双面抛光硅片上，沉积氮化硅薄膜；

b)沉积牺牲层；

c)光刻牺牲层图形；

d)沉积SiN_x膜，用于制作谐振梁，其中，x的值为0.3-0.8；

e)制作激振电阻和拾振电阻；

f)制作金属引线；

g)刻蚀梁槽，制作谐振梁；

h)刻蚀硅片背面低应力SiN_x薄膜，形成各向异性腐蚀窗口；

i)背面硅腐蚀，制作压力敏感膜；

j)腐蚀掉牺牲层，释放SiN_x谐振梁，使SiN_x谐振梁能够自由振动；

k)粘片、焊引线，将芯片键合在金属管座上，并焊上引线；

l)真空封装，将焊好的管座和管帽真空封焊在一起。

实现梁膜一体化，简化工艺，实现更高精度和微小物理量的测量。梁的尺寸可以精确控制，而且均匀性好，使得压力传感器的物理参数有可能得到精确控制。易于实现微梁谐振器，从而制作微梁压力传感器，达到进一步降低器件成本的目的。实现微传感器的集成化和阵列化。例如微梁压力传感器与测试系统的集成，压力传感器和其它传感器的混合集成。由于SiN_x具有更好的机械加工性能，可以制作更为复杂的谐振粱器件。

附图说明

图1是硅微结构谐振梁压力传感器结构图；

图2是硅微结构谐振梁压力传感器芯片垂直于谐振梁的横截面图。

图3是以SiN_x为梁的新型微结构谐振梁压力传感器(热激振和压阻拾振)的工艺流程图。

图4是以超厚低应力SiN_x为梁的新型复合梁膜微结构谐振梁压力传感器的平面图。

图5是以超厚低应力SiN_x为梁的新型复合梁膜微结构谐振梁压力传感器B-B’横截面图；

图6是以超厚低应力SiN_x为梁的新型复合梁膜微结构谐振梁压力传感器A-A’横截面图。

具体实施方式

从图5、图6和图1、图2的谐振梁压力传感器芯片的比较，我们可以清楚地看到复合梁膜SiN_x微结构谐振梁压力传感器与硅微结构谐振梁压力传感器的不同，其中，x的值为0.3-0.8。硅微结构谐振梁压力传感器的芯片是由两块都经过三维加工的硅芯片键合在一起构成的，而复合梁膜SiN_x微结构谐振梁压力传感器芯片只是一块经过三维立体加工的硅芯片。

以超厚低应力SiN_x为梁的复合梁膜微结构谐振梁压力传感器的核心是谐振子它上面含有使梁产生受迫振动的激振单元和检测谐振信号的拾振单元。激振单元可以采用热激振、电磁激振也可以是静电激振或光激振等几种激励方式。拾振单元可以采用压阻拾振，电容拾振、光拾振等等几种拾振方式。我们以热激振和压阻拾振的SiN_x复合梁膜谐振梁压力传感器为利介绍谐振梁压力传感器的工作原理。

热激振和压阻拾振的SiN_x复合梁膜谐振梁压力传感器芯片包括谐振子、压力敏感膜12和衬底15。谐振子包括SiN_x谐振梁10以及制作在其上的激振电阻13和拾振电阻14；在微结构谐振梁压力传感器芯片上还制作温度补偿电阻16，以对拾振电阻随温度的漂移进行补偿。

下面以热激振压阻拾振方式工作的谐振梁压力传感器为例说明谐振梁压力传感器的工作原理。

电阻激振即热激振是利用加热电阻13将谐振梁10的局部加热产生膨胀，产生热应力，使梁10发生弯曲；当一个电脉冲到来时，加热电阻13谐振梁发生弯曲，电脉冲过去后，加热电阻13的热量经过谐振梁10散失掉，谐振梁10恢复到自然伸直状态。加在激振电阻13上的交变电信号使谐振梁10产生交变热应力，使梁10的弯曲和伸直周期性变化，产生周期性受迫振动。

所谓拾振就是通过某种敏感元件检测振动状态，将梁10的机械振动动能转化为能够直接测量的电信号，例如，由于振动时梁发生形变，在形变区制作压阻材料，材料的电阻随所受的应力的变化而发生变化，电阻值的变化周期与梁的振动周期是一致的。给压阻材料接上一个恒流源时，压阻材料两端的电压将随梁的振动发生周期性变化，检测压阻材料两端的电压变化就可以知道振动情况的变化。拾振电阻14的阻值随电阻所受到的压力的周期性变化而变化，拾振电阻所受到的压力与谐振梁10的振幅呈正比。梁10发生谐振时压阻14两端电压发生突变，在谐振梁压力传感器的幅频特性曲线上出现谐振峰，谐振梁10的幅频特性曲线中的谐振峰的变化直接反映了谐振梁的振动状态，这就是压阻拾振方法。

谐振梁压力传感器就是利用压力敏感膜12将作用在压力敏感膜上的外力转化为作用在谐振梁10两端的轴向力，轴向力和谐振梁10的的谐振频率在一定范围内具有非常好的线性函数关系，因此，测知谐振梁的谐振频率，就可以测知环境压力。如图1所示，当待测容器的压力发生改变时，比如压力增大，压力敏感膜向上弯曲，给谐振梁的两端施加轴向的张应力，在轴向张应力的作用下，谐振梁的谐振频率发生改变，通过测试系统检测漂移后的频率，做一条频率对压力的关系曲线，我们就可以根据检测仪器检测到的频率得出待测压力。

以低应力超厚SiN_x为梁，再借助于牺牲层技术，制作梁膜一体化的谐振梁压力传感器，即复合梁膜SiN_x谐振梁压力传感器。将谐振子和压力敏感膜同时制作再同一个硅衬底上，减少一次键合，消除了由于键合引入的应力的影响，简化工艺过程，提高成品率。如图3所示，在沉积SiN_x薄膜前先沉积一层厚度的牺牲层材料：多晶硅或PSG(掺磷的二氧化硅)。当梁槽开出来后，用腐蚀剂将牺牲层腐蚀掉，就得到需要的悬浮梁。再经背腐蚀，形成如图4所示的复合梁膜结构的谐振梁压力传感器。

以电阻激振和压阻拾振谐振粱压力传感器为例说明复合梁膜微结构谐振梁压力传感器的工艺流程：

1)LPCVD沉积氮化硅薄膜：在(100)晶向的双面抛光硅片上，采用LPCVD方法沉积氮化硅薄膜。用于制作硅衬底和牺牲层的隔离掩蔽膜。

2)沉积牺牲层。LPCVD沉积多晶硅或PSG。

3)光刻牺牲层图形。通过光刻和腐蚀制作出牺牲层图形。

4)LPCVD沉积SiN_x膜。用于制作谐振梁。

5)激振电阻和拾振电阻的制作。。

6)制作金属引线。蒸发或溅射金属后，光刻引线图形。

7)制作梁槽。通过刻蚀梁槽，制作谐振梁。

8)开背面窗口，刻蚀硅片背面低应力SiN_x薄膜，形成各向异性腐蚀窗口。

9)背面硅腐蚀，制作压力敏感膜。

10)牺牲层腐蚀。腐蚀掉牺牲层，释放SiN_x谐振梁，使SiN_x谐振梁能够自由振动。

11)粘片、焊引线。将芯片键合在金属管座上，并焊上引线。

12)真空封装。将焊好的管座和管帽真空封焊在一起。

Claims (4)

1.一种以SiN_x为梁的微结构谐振梁压力传感器制造方法，包括步骤：

a)在(100)晶向的双面抛光硅片上，沉积氮化硅薄膜；

b)沉积牺牲层；

c)光刻牺牲层图形；

d)沉积SiN_x膜，用于制作谐振梁，其中，x的值为0.3-0.8；

e)制作激振电阻和拾振电阻；

f)制作金属引线；

g)刻蚀梁槽，制作谐振梁；

h)刻蚀硅片背面低应力SiN_x薄膜，形成各向异性腐蚀窗口；

i)背面硅腐蚀，制作压力敏感膜；

j)腐蚀掉牺牲层，释放SiN_x谐振梁，使SiN_x谐振梁能够自由振动；

k)粘片、焊引线，将芯片键合在金属管座上，并焊上引线；

l)真空封装，将焊好的管座和管帽真空封焊在一起。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的牺牲层是多晶硅或PSG。

3.按权利要求1所述的方法，其特征在于所用的沉积方法为LPCVD。

4.按权利要求1所述的方法，其特征在于所用的氮硅化合物薄膜和谐振梁为超厚低应力SiN_x，其中x的值为0.3-0.8。

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