CN115876378A - 一种具有应力缓冲槽的超低压压力芯体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压力芯体技术领域，具体公开了一种具有应力缓冲槽的超低压压力芯体及其制备方法，包括芯体主体和连接在芯体主体底部的基板；芯体主体包括硅晶圆支撑基底和客制化的SOI晶圆，客制化的SOI晶圆上设有空腔，客制化的SOI晶圆上设有悬于空腔上的敏感膜，敏感膜上设有通过刻蚀形成的边缘内凹的四瓣型梁膜结构；四瓣型梁膜结构边缘处设有压阻区域，敏感膜边侧设有引线区域；硅晶圆支撑基底中部设有气孔，硅晶圆支撑基底底部设有缓冲槽；本发明中采用边缘内凹的四瓣型梁膜结构设计，增加压阻区域的应力集中度和均一度；采用客制化带空腔的SOI晶圆，降低了制备工艺的复杂度；采用硅晶圆，大大降低了键合其他非硅基材料所带来的热应力。

Description

一种具有应力缓冲槽的超低压压力芯体及其制备方法

技术领域

本发明涉及压力芯体技术领域，具体是一种具有应力缓冲槽的超低压压力芯体及其制备方法。

背景技术

压力传感器是所有微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术中最早商品化且是目前最成功的产品之一，这是因为采用MEMS技术的压力感测芯体具有体积小、可批量制造、易于创造高附加值等优点，而且其解析度和灵敏度均较传统的机电系统要高，这也使得MEMS压力传感器广泛应用于消费电子、医疗保健、工业控制、汽车、航空航天等领域。MEMS压力传感器可根据其作用原理分为五大类：压阻式、电容式、压电式、光学干涉式和谐振式压力传感器，其中以压阻式压力传感器最受欢迎，绝大部分微压感测市场需求中均以压阻式为主。

压阻式压力传感器主要由单晶硅弹性薄膜片、压敏电阻、互联引线和表面钝化层构成，其作用原理为通过压阻效应测量压力，即利用扩散或离子注入的掺杂技术将压敏电阻置于敏感膜片上，形成惠斯顿电桥，当被测压力作用在薄膜片上时，薄膜片因应力发生形变，造成压敏电阻阻值变化，惠斯顿电桥因而失去平衡，导致平衡状态下电压为零的电桥得到输出电压，传感器基于该输出电压与被测压力形成的特定比例实现压力测量。压阻式压力传感器的优点为结构简单、易于集成、易于测量，缺点为其输出易产生漂移现象。

理想情况下，压力传感器在特定压力下的输出是不会随时间的流逝和外界温度的改变而变化的，然而实际情况是温度改变和时间流逝都会对其输出产生影响。稳定性是评价压力传感器在相同输入压力条件下，较长时间内保持其输出指标恒定的能力，也可称为“长期稳定性”，其好坏直接影响测试系统数据的有效性和准确性，因此相关稳定性提升技术成为学术界和产业界广泛关注的共性技术。影响压力传感器稳定性的因素主要有一下几项：在传感器制造过程中，不同结构的材料在不同温度和应力条件下被加工和装配，材料不同导致热失配问题难以避免，比如在在制备过程中硅和玻璃的键合以及后续贴片时用到有机环氧树脂胶。不同的材料和高温的工艺步骤导致芯体产生残余应力，在微压感测领域，残余应力对芯体长期稳定性的影响尤为突出。

MEMS压力传感器的长期稳定性与敏感材料、制造工艺以及使用环境都有关联，是制约传感器高一致性批量生产的难题。改善长期稳定性的方法包括采取高低温老化的方法消除残余应力和数据补偿。数据补偿可用于能复现、可量化的稳定性误差补偿，但是误差更多的是随机误差，随着残余应力的不断自然释放，数据补偿方法在实际应用中存在局限性。

残余应力主要有两个来源，其一是压力芯体制备时的关键工艺—键合工艺。键合不但需要高温，还需加载高电压，且键合的基底材料往往选择玻璃，虽然它和硅的热膨胀系数相近，但温度改变较大时，由于热膨胀系数不一致，必然导致内部应力的产生。键合所导致的内应力的产生目前还无法避免。芯体封装时，需要用焊料把芯体固定在金属、陶瓷或塑料的基板上，同样，芯体和基板材料的热膨胀系数也不相同，这一样造成机械应力的残留。可见残余应力根本原因是不同材料的层层堆叠所导致的，材料堆叠是不可避免的，但是在芯体与基板粘结时，可采取一些有效方法来降低残余应力。针对以上问题，提出一种具有应力缓冲槽的超低压压力芯体及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有应力缓冲槽的超低压压力芯体及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的向微压应用领域的压力感测芯体在固晶步骤中带来残余应力问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种具有应力缓冲槽的超低压压力芯体，包括芯体主体和连接在芯体主体底部的基板；

所述芯体主体包括硅晶圆支撑基底和客制化的SOI晶圆，所述客制化的SOI晶圆上设有空腔，所述客制化的SOI晶圆上设有悬于空腔上的敏感膜，敏感膜上设有通过刻蚀形成的边缘内凹的四瓣型梁膜结构；

所述四瓣型梁膜结构边缘处设有压阻区域，所述敏感膜边侧设有引线区域；

所述硅晶圆支撑基底中部设有气孔，所述硅晶圆支撑基底底部设有缓冲槽。

在一种可选方案中：所述压阻区域包括压阻条和欧姆接触区。

在一种可选方案中：所述缓冲槽外侧的凸起结构边缘与芯体主体边缘的距离＞100um，凸起结构的宽度设置为100um，两个凸起结构的中心距离设定为250um，缓冲槽直角转弯处采用半径80um的圆角处理。

在一种可选方案中：所述客制化的SOI晶圆器件层厚度为15um，电阻率1-10Ω·cm厚度300um，器件层取向为100。

在一种可选方案中：所述引线区域选用Ti/Si-Al(掺杂Si的Al合金)两层金属叠形式制备，Ti层厚度20-50nm，Si-Al层厚度300-500nm。

在一种可选方案中：所述芯体主体的尺寸为3.3×3.3mm。

一种具有应力缓冲槽的超低压压力芯体的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、采用标准的硅晶圆清洗工艺对客制化的SOI晶圆进行清洗；

步骤二、利用热氧化工艺，将客制化的SOI晶圆表面沉积一层氧化硅，利用浓硼掺杂和淡硼掺杂工艺在单晶硅片压力敏感膜上制备出欧姆接触区和压阻条，注入完成后采用退火工艺对注入造成的晶格损伤进行修复；

步骤三、利用腐蚀工艺将敏感膜层上的注入掩蔽层腐蚀掉，利用MEMS薄膜沉积工艺在单晶硅压力敏感膜上沉积形氧化隔离层，厚度为450nm；并利用刻蚀工艺在氧化隔离层上开出压阻条的电学接触孔；利用MEMS薄膜沉积工艺在绝缘层上沉积形成Ti/Si-Al金属薄膜，并通过图形化工艺然后刻蚀形成金属互联引线，然后利用退火工艺以确保压阻条与金属层之间的欧姆接触区的形成；

步骤四、图形化工艺后，通过刻蚀工艺在敏感膜层正面，刻蚀出边缘内凹的四瓣型梁膜结构；

步骤五、利用MEMS薄膜沉积工艺在图形化金属互联引线的上一层沉积形成表面钝化层，厚度约为500nm；

步骤六、利用刻蚀工艺在表面钝化层上开出四个图形化金属互联引线的PAD区域与外部进行打线的接触孔；

步骤七、利用键合工艺，在步骤六工艺后的客制化的SOI晶圆上键合硅晶圆支撑基底，然后在背面刻蚀出应力缓冲槽的结构，即缓冲槽；

步骤八、利用刻蚀工艺从背面刻蚀出进气孔；

步骤九、步骤八加工完成的芯体主体底部可通过环氧树脂粘结基板。

在一种可选方案中：步骤二中利用浓硼掺杂和淡硼掺杂工艺在单晶硅片压力敏感膜上制备出欧姆接触区和压阻条，可根据工艺情况，省略浓硼掺杂工艺，将压阻条区域直接与金属引线互联。

在一种可选方案中：步骤三和步骤五中的MEMS薄膜沉积工艺为溅射沉积工艺或电子束蒸发沉积工艺或加热蒸发沉积工艺，Si-Al可为Al或Au。

在一种可选方案中：步骤六、步骤七和步骤八中的刻蚀工艺为干法离子刻蚀工艺或气相腐蚀工艺或湿法腐工艺，步骤七中的键合工艺为熔融键合工艺。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明中采用边缘内凹的四瓣型梁膜结构设计，增加压阻区域的应力集中度和均一度；

本发明采用客制化带空腔的SOI晶圆，降低了制备工艺的复杂度；

本发明采用硅晶圆，大大降低了键合其他非硅基材料所带来的热应力；

本发明在芯体主体尺寸为3.3×3.3mm(不含划片道)，敏感膜厚为15um的情况下，量程可低至1kPa。

附图说明

图1为本发明芯体主体的结构示意图。

图2为本发明中芯体主体背面的结构示意图。

图3为本发明中芯体主体的断面结构示意图。

图4为本发明中图3中A处的放大结构示意图。

图5为本发明中制备步骤一中的SOI晶圆剖面示意图。

图6为本发明中制备步骤二的剖面示意图。

图7为本发明中制备步骤三的剖面示意图。

图8为本发明中制备步骤四的剖面示意图。

图9为本发明中图8中四瓣型梁膜结构的示意图。

图10为本发明中制备步骤五的剖面示意图。

图11为本发明中制备步骤六的剖面示意图。

图12为本发明中制备步骤七的剖面示意图。

图13为本发明中制备步骤八的剖面结构示意图。

图14为本发明中芯体主体与基板粘结示意图。

图15为本发明中图14中B处的放大结构示意图。

图中：1、芯体主体；2、客制化的SOI晶圆；3、硅晶圆支撑基底；4、压阻区域；41、压阻条；42、欧姆接触区；5、引线区域：51、金属互联引线；52、PAD区域；6、四瓣型梁膜结构；7、空腔；8、缓冲槽；9、气孔；10、氧化隔离层；11、表面钝化层；12、环氧树脂；13、基板。

具体实施方式

请参阅图1-图4，本实施例中，一种具有应力缓冲槽的超低压压力芯体，包括芯体主体1和连接在芯体主体1底部的基板13，如图14所示；

所述芯体主体1包括硅晶圆支撑基底3和客制化的SOI晶圆2，所述客制化的SOI晶圆2上设有空腔7，所述客制化的SOI晶圆2上设有悬于空腔7上的敏感膜，敏感膜上设有通过刻蚀形成的边缘内凹的四瓣型梁膜结构6；内凹的边缘有助于增加压阻区域的应力集中性和均一性；

所述四瓣型梁膜结构6边缘处设有压阻区域4，所述敏感膜边侧设有引线区域5；

所述硅晶圆支撑基底3中部设有气孔9，所述硅晶圆支撑基底3底部设有缓冲槽8。

在一个实施例中，所述压阻区域包括压阻条41和欧姆接触区42；压阻条41通过离子注入的轻掺杂工艺制备而成；欧姆接触区42通过离子注入重掺杂工艺制备；多个压阻条41布置在敏感膜的应力集中区域，以惠斯通电桥的形式连接，用以感测膜感膜受压而产生的电信号；压阻条41上方还有氧化隔离层10，通过打孔与压阻条41相连的金属互联引线51，以及表面钝化层11，可参考图14；

在一个实施例中，所述缓冲槽8外侧的凸起结构边缘与芯体主体1边缘的距离＞100um，凸起结构的宽度设置为100um，两个凸起结构的中心距离设定为250um，缓冲槽8直角转弯处采用半径80um的圆角处理；起结构的深度可根据贴片时胶的厚度决定，稍大于胶厚即可。

在一个实施例中，所述客制化的SOI晶圆2器件层厚度为15um，电阻率1-10Ω·cm厚度300um，器件层取向为100。

在一个实施例中，所述金属引线选用Ti/Si-Al(掺杂Si的Al合金)两层金属叠形式制备，Ti层厚度20-50nm，Si-Al层厚度300-500nm。

在一个实施例中，所述芯体主体的尺寸为3.3×3.3mm。

在一个实施例中，在敏感膜边界中心区域的压阻条41可有不同的构型选择，横向和纵向均为折弯双段式压阻条，或者横向为折弯双段式纵向为单段式。

在一个实施例中，横向压阻条和纵向压阻可完全布置于敏感薄膜区域之内，或者根据其它要求或者约束，横压阻条超出敏感膜边界5-10um，纵向压阻条完全放置于敏感薄膜内；

为了改善压阻条的温度系数，压阻区域4的掺杂浓度优选为3·10¹⁸[1/cm³]，为了确保压阻条与金属之间良好的电接触重掺杂区域的掺杂浓度到达1·10²⁰[/cm³]的量级；

本申请中具有应力缓冲槽的超低压压力芯体，在外界气压的作用下使芯体的敏感膜发生变形，其上的压敏电阻条也随之发生变形，由于压阻效应，压敏电阻条的阻值发生变化，通电的压阻条就会有一个对应于压力的电压或者电流的输出，根据输出测量压力，敏感膜边缘四侧的压阻条41以惠斯通电桥的构型布置，相比与半臂桥的构型，惠斯通的构型可以补偿部分热漂移并改善输出的线性度，敏感膜层上的边缘内凹的四瓣型梁膜结构6设计可以增加压阻区域4应力的集中度和均一度，可以改善输出的灵敏度和线性度，另外压力感测芯体的制备采用客制化的SOI晶圆，这样降低了制备工艺难度，以及随之带来的制备成本降低。

请参阅图5-图15，一种制备具有应力缓冲槽的超低压压力芯体的方法，包括以下步骤：

步骤一、采用标准的硅晶圆清洗工艺对客制化的SOI晶圆2进行清洗；

步骤二、利用热氧化工艺，将客制化的SOI晶圆2表面沉积一层氧化硅，利用浓硼掺杂和淡硼掺杂工艺在单晶硅片压力敏感膜上制备出欧姆接触区42和压阻条41，注入完成后采用退火工艺对注入造成的晶格损伤进行修复；

步骤三、利用腐蚀工艺将敏感膜层上的注入掩蔽层腐蚀掉，利用MEMS薄膜沉积工艺在单晶硅压力敏感膜上沉积形氧化隔离层10，厚度为450nm；并利用刻蚀工艺在氧化隔离层10上开出压阻条41的电学接触孔；利用MEMS薄膜沉积工艺在绝缘层上沉积形成Ti/Si-Al金属薄膜，并通过图形化工艺然后刻蚀形成金属互联引线51，然后利用退火工艺以确保压阻条41与金属层之间的欧姆接触区42的形成；

步骤四、图形化工艺后，通过刻蚀工艺在敏感膜层正面，刻蚀出边缘内凹的四瓣型梁膜结构6；

步骤五、利用MEMS薄膜沉积工艺在图形化金属互联引线51的上一层沉积形成表面钝化层11，厚度约为500nm；

步骤六、利用刻蚀工艺在表面钝化层11上开出四个图形化金属互联引线51的PAD区域52与外部进行打线的接触孔；

步骤七、利用键合工艺，在步骤六工艺后的客制化的SOI晶圆2上键合硅晶圆支撑基底3，然后在背面刻蚀出应力缓冲槽的结构，即缓冲槽8；

步骤八、利用刻蚀工艺从背面刻蚀出进气孔9。

步骤九、步骤八加工完成的芯体主体1底部可通过环氧树脂(或者硅胶)粘结基板13，基板13可以为塑料基板、PCB基板或者陶瓷基板。

在一种可选方案中：步骤二中利用浓硼掺杂和淡硼掺杂工艺在单晶硅片压力敏感膜上制备出欧姆接触区和压阻条41，可根据工艺情况，省略浓硼掺杂工艺，将压阻条41区域直接与金属引线互联。

在一种可选方案中：步骤三和步骤五中的MEMS薄膜沉积工艺为溅射沉积工艺或电子束蒸发沉积工艺或加热蒸发沉积工艺，Si-Al可为Al或Au。

在一种可选方案中：步骤六、步骤七和步骤八中的刻蚀工艺为干法离子刻蚀工艺或气相腐蚀工艺或湿法腐工艺，步骤七中的键合工艺为熔融键合工艺。

Claims (10)

1.一种具有应力缓冲槽的超低压压力芯体，包括芯体主体(1)和连接在芯体主体(1)底部的基板(13)；

其特征在于：所述芯体主体(1)包括硅晶圆支撑基底(3)和客制化的SOI晶圆(2)，所述客制化的SOI晶圆(2)上设有空腔(7)，所述客制化的SOI晶圆(2)上设有悬于空腔(7)上的敏感膜，敏感膜上设有通过刻蚀形成的边缘内凹的四瓣型梁膜结构(6)；

所述四瓣型梁膜结构(6)边缘处设有压阻区域(4)，所述敏感膜边侧设有引线区域(5)；

所述硅晶圆支撑基底(3)中部设有气孔(9)，所述硅晶圆支撑基底(3)底部设有缓冲槽(8)。

2.根据权利要求1所述的一种具有应力缓冲槽的超低压压力芯体，其特征在于：所述压阻区域(4)包括压阻条(41)和欧姆接触区(42)。

3.根据权利要求1所述的一种具有应力缓冲槽的超低压压力芯体，其特征在于：所述缓冲槽(8)外侧的凸起结构边缘与芯体主体(1)边缘的距离＞100um，凸起结构的宽度设置为100um，两个凸起结构的中心距离设定为250um，缓冲槽(8)直角转弯处采用半径80um的圆角处理。

4.根据权利要求1所述的一种具有应力缓冲槽的超低压压力芯体，其特征在于：所述客制化的SOI晶圆(2)器件层厚度为15um，电阻率1-10Ω·cm厚度300um，器件层取向为100。

5.根据权利要求1所述的一种具有应力缓冲槽的超低压压力芯体，其特征在于：所述引线区域(5)选用Ti/Si-Al(掺杂Si的Al合金)两层金属叠形式制备，Ti层厚度20-50nm，Si-Al层厚度300-500nm。

6.根据权利要求1所述的一种具有应力缓冲槽的超低压压力芯体，其特征在于：所述芯体主体(1)的尺寸为3.3×3.3mm。

7.一种具有应力缓冲槽的超低压压力芯体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、采用标准的硅晶圆清洗工艺对客制化的SOI晶圆(2)进行清洗；

步骤二、利用热氧化工艺，将客制化的SOI晶圆(2)表面沉积一层氧化硅，利用浓硼掺杂和淡硼掺杂工艺在单晶硅片压力敏感膜上制备出欧姆接触区(42)和压阻条(41)，注入完成后采用退火工艺对注入造成的晶格损伤进行修复；

步骤三、利用腐蚀工艺将敏感膜层上的注入掩蔽层腐蚀掉，利用MEMS薄膜沉积工艺在单晶硅压力敏感膜上沉积形氧化隔离层(10)，厚度为450nm；并利用刻蚀工艺在氧化隔离层(10)上开出压阻条(41)的电学接触孔；利用MEMS薄膜沉积工艺在绝缘层上沉积形成Ti/Si-Al金属薄膜，并通过图形化工艺然后刻蚀形成金属互联引线(51)，然后利用退火工艺以确保压阻条(41)与金属层之间的欧姆接触区(42)的形成；

步骤四、图形化工艺后，通过刻蚀工艺在敏感膜层正面，刻蚀出边缘内凹的四瓣型梁膜结构6；

步骤五、利用MEMS薄膜沉积工艺在图形化金属互联引线(51)的上一层沉积形成表面钝化层(11)，厚度约为500nm；

步骤六、利用刻蚀工艺在表面钝化层(11)上开出四个图形化金属互联引线(51)的PAD区域(52)与外部进行打线的接触孔；

步骤七、利用键合工艺，在步骤六工艺后的客制化的SOI晶圆(2)上键合硅晶圆支撑基底(3)，然后在背面刻蚀出应力缓冲槽的结构，即缓冲槽(8)；

步骤八、利用刻蚀工艺从背面刻蚀出进气孔(9)。

8.根据权利要求7所述的具有应力缓冲槽的超低压压力芯体的制备方法，其特征在于：步骤二中利用浓硼掺杂和淡硼掺杂工艺在单晶硅片压力敏感膜上制备出欧姆接触区(42)和压阻条(41)，可根据工艺情况，省略浓硼掺杂工艺，将压阻条(41)区域直接与金属引线互联。

9.根据权利要求7所述的具有应力缓冲槽的超低压压力芯体的制备方法，其特征在于：步骤三和步骤五中的MEMS薄膜沉积工艺为溅射沉积工艺或电子束蒸发沉积工艺或加热蒸发沉积工艺，Si-Al可为Al或Au。

10.根据权利要求7所述的具有应力缓冲槽的超低压压力芯体的制备方法，其特征在于：步骤六、步骤七和步骤八中的刻蚀工艺为干法离子刻蚀工艺或气相腐蚀工艺或湿法腐工艺，步骤七中的键合工艺为熔融键合工艺。

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