CN205981503U - 一种基于硅硅键合的高精度压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于硅硅键合的高精度压力传感器，技术要点是：敏感硅片层结构：凹形敏感硅片层的上表面设置有隔离层，隔离层上表面设置有焊盘、金属引线、屏蔽层、衬底焊盘，隔离层下表面设置有N+隔离区、P+连结区和压敏电阻，凹形敏感硅片层的底部设置有截面为倒凹字形的硅杯，该硅杯区域为压力膜片；敏感硅片层的硅杯杯口与衬底硅片层键合在一起，衬底硅片层的中心位置制备有导压通孔。通过硅硅键合实现气密性连接，形成“硅‑硅”同质材料结构的压力密封腔，避免了常规压力传感器“硅‑玻璃”异质材料结构的压力密封腔由于两种不同材料特性的差异对传感器性能带来的各类影响，有效地减小静压误差，降低传感器的温漂，提高传感器的综合精度。

Description

一种基于硅硅键合的高精度压力传感器

技术领域

本实用新型属于硅微机械传感器技术领域，具体地说是一种利用单晶硅材料，基于硅硅键合的高精度压力传感器。

背景技术

压阻式压力传感器作为微机械加工技术获得巨大成功的典型代表，在工业控制、环境监控和测量、汽车系统、航空航天、军事、生物医学等众多领域都有着广泛的应用。压阻式压力传感器敏感芯片采用单晶硅材料，利用微电子和微机械加工融合技术制作，具有线性度好、信号易于测量等特点。但是由于压阻式传感器压敏电阻本身的温度特性以及封装结构的特点，使其不仅对待测应力敏感，还对热应力、封装应力敏感。目前，硅压阻压力传感器核心部件一般都是由硅和玻璃组成的微结构，由于玻璃和硅为异质材料，其特性存在差异，因材料的热不匹配在封装过程中势必引入封装应力，而传感器的敏感区域的任何形式的应力都会对传感器的精度、温漂、静压影响乃至稳定性产生影响，对于高精度MEMS传感器而言，这种由于封装材料与MEMS传感器芯片的热膨胀系数失配造成的热应力对传感器的精度影响很大，会导致最终形成的传感器温漂和静压影响都比较大，使测量精度降低，因此，为了提高传感器的精度和抑制温度漂移和静压影响，减小在封装过程中由于热不匹配带来的热应力及封装应力，对MEMS加工工艺提出了新的考验，而硅硅键合技术是通过化学和物理的作用将硅片与硅片、氧化层等材料紧密连接在一起形成一个整体的方法，它以同质材料替代异质材料实现器件的封装，能显著的减小封装应力，并能有效的解决了上述关键技术问题，在高精度传感器的制造中得到了越来越广泛的应用，在微机械加工中占有重要的地位。

专利号为CN200810036214.9中公开了一种硅硅键合的绝缘体上硅的高温压力传感器芯片及制作方法，其特征在硅衬底上的浅槽和导气孔都是通过各项异性腐蚀形成，通过腐蚀时间获得适当的浅槽深度可以实现器件的过压保护。将衬底与倒扣的SOI片进行键合，对SOI片的背面进行减薄和抛光后，在剩余的顶层硅上制备力敏电阻。由于采用SOI的氧化埋层来实现敏感元件和弹性元件的隔离，器件在高温环境下仍能正常工作。

该专利先采用各项异性腐蚀在硅衬底上形成浅槽和导气孔，之后将衬底硅和顶层硅实现硅硅键合，再对顶层硅进行减薄和化学机械抛光，最后在顶层硅上制备压敏电阻及金属引线。该专利中先对顶层硅减薄加工应力膜区后再加工压敏电阻，后部工序可能造成薄膜片变形，对敏感电阻的光刻精度及外观尺寸的精确控制都可能带来影响。另外底层硅通孔的存在，使得压敏电阻和金属引线的制作更多的局限于干法制作，限制了光刻、清洗、湿法化学腐蚀等常规的操作工艺实施，否则有机溶剂、腐蚀液等会通过导气孔进入密封腔，导致对传感器微结构的影响。这种制造方法存在着工艺难度大，设备要求高，和常规半导体平面工艺兼容性差等问题。

基于硅硅键合技术的压力传感器，多是绝压型结构，即在硅硅键合片之间形成真空腔，键合后的敏感芯片可实现绝压测量。而对于具有更加广泛应用的表压型及差压型传感器，需要键合底硅带通孔，该通孔的存在为硅硅键合后的后部工艺实施带来了很大的限制，一些常规的工艺手段难以实施。另外，基于硅硅键合的传感器通常采用的先进行顶层硅减薄加工成应力膜区，之后再加工压敏电阻，真空腔的存在及后部工序都可能造成较薄的膜片变形，敏感电阻的光刻精度及外观尺寸的精确控制都可能带来影响。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种利用单晶硅材料，基于硅硅键合技术制作的高精度压力传感器。

1、本实用新型的目的是这样实现的：一种基于硅硅键合的压力传感器，它包括有敏感硅片层及衬底硅片层，其特征是：敏感硅片层结构如下：凹形敏感硅片层的上表面设置有隔离层，隔离层上表面设置有焊盘、金属引线、屏蔽层、衬底焊盘，隔离层下表面设置有N+隔离区、P+连结区和压敏电阻，屏蔽层与N+隔离区通过引线孔连通，焊盘与金属引线连结在一起，金属引线与P+连结区通过引线孔连通，P+连结区之间设置有压敏电阻，凹形敏感硅片层的底部设置有截面为倒凹字形的硅杯，该硅杯区域为压力膜片；敏感硅片层的硅杯杯口与衬底硅片层键合在一起，衬底硅片层的中心位置制备有导压通孔。

本实用新型还包括有：所述压敏电阻和P+连接区外侧隔离有一圈N+隔离区层。

本实用新型针对现有硅压阻压力传感器核心部件，提出了一种新的设计及工艺实现方案。其特点是压力传感器的敏感硅片层及衬底硅片层都采用具有良好力学性能的单晶硅材料制作；首先在硅硅键合前，采用通用的半导体平面工艺在敏感硅片层制作压敏电阻、P+连接区、N+隔离区及氧化隔离层，之后采用化学腐蚀的方法在敏感硅片层背面腐蚀出硅杯，形成应力膜片；再进行敏感硅片层和衬底硅片层的硅硅键合；在完成硅硅键合的双层结构敏感硅片层上采用溅射、光刻、腐蚀、合金化等工艺制备金属电极；最后在完成了硅硅键合及整体平面工艺制作的衬底硅片层上采用深反应离子刻蚀或机械减薄的方法将衬底硅片的盲孔加工成导压通孔，形成传感器的微结构。

本实用新型制造方法的积极效果是：

1、在硅硅键合前，采用通用的半导体平面工艺在敏感硅片层完成压敏电阻、P+连接区、N+隔离区等主体工艺制作，之后采用化学腐蚀的方法在敏感硅片层背面腐蚀出硅杯，形成应力膜片，和现有半导体平面工艺完全兼容，原始硅片未经减薄就完成了主体工艺制作，变形小，保证了光刻等精加工控制精度，且工艺操作简单、方便，加工工艺不受任何约束与限制，大大地降低了工艺加工难度；

2、本实用新型通过硅硅键合工艺实现气密性连接，形成“硅-硅”同质材料结构的压力密封腔，避免了常规压力传感器“硅-玻璃”异质材料结构的压力密封腔由于两种不同材料特性的差异对传感器性能带来的各类影响，有效地减小静压误差，降低传感器的温漂，提高传感器的综合精度。

3、本实用新型方案中，先将已完成敏感电阻制作的敏感硅片层和衬底硅片层进行硅硅键合，然后再在敏感硅片层制备金属电极，由于此时的衬底硅片的导压孔呈盲孔状态，避免了电极制备过程中显影、湿法腐蚀等常规工艺中有机溶剂及酸性溶液进入杯孔，导致对传感器微结构带来影响。待金属电极制备完成，最后采用深反应离子刻蚀或机械减薄加工工艺将衬底硅片的导压盲孔加工成通孔，形成了压力传感器微结构，这种制造方法不仅使传感器的整体制作工艺可以按常规通用工艺进行，大大降低工艺难度，而且可实现了基于硅硅键合的压力传感器的表压及差压测量。方法便捷、行之有效。

4、本实用新型方案中，敏感硅片采用的创新工艺方法，在芯片上的四个压敏电阻周围制备独立的N+隔离区，能有效增加敏感电阻之间对PN结隔离效果，降低外电场对敏感电阻的干扰影响，提升传感器的稳定性；采用先注入或扩散形成N+隔离区，再注入P+连结区，再注入敏感电阻，有效的避免了N+、P+工艺中的高温过程对敏感电阻的影响，对敏感硅片的一致性、稳定性有非常有利的保障；屏蔽层做到完全覆盖敏感电阻、P+连结区，并通过引线孔与N+隔离区连通，敏感电阻处于等电位的屏蔽层及衬底之间，有效避免外界电场对敏感电阻对干扰，提升敏感电阻工作时的稳定性和抗干扰能力。

本实用新型具有设计新颖、工艺独特、结构合理、测量精度高、推广应用价值高等优点。

附图说明

图1是本实用新型基于硅硅键合高精度压力传感器结构示意简图；

图2敏感硅片结构示意图；

图3是衬底硅片结构示意图；

图4是硅硅键合后形成传感器绝压腔体示意图；

图5是在敏感硅片上制作金属电极及压焊点示意图；

图6是制作导压通孔形成最终传感器微结构示意图。

附图中主要部件说明：1：硅衬底，2：压敏电阻，3：P+连结区，4：N+隔离区，5：隔离层，6：引线孔，7：金属引线，8：焊盘，9：屏蔽层，10：压力膜片，11：硅杯，12：衬底焊盘，13：衬底硅片，14：导压通孔，15：衬底盲孔。

具体实施方式

下面将结合附图通过实例对本实用新型作进一步详细说明，但下述的实例仅仅是本实用新型其中的例子而已，并不代表本实用新型所限定的权利保护范围，本实用新型的权利保护范围以权利要求书为准。

实施例1

如图1所示，本实用新型的压力传感器包括敏感硅片层1及衬底硅片层13，敏感硅片层1背面连接有衬底硅片层13，敏感硅片层1和衬底硅片层13采用硅硅键合工艺形成压力密封腔。

如图1和图2所示，所述敏感硅片层以单晶硅材料为基体，在芯片表面设置有压力膜片10，在压力膜片下有凹形硅杯11，压力膜片上设置有压敏电阻2；压敏电阻2分为两段由P+连结区3相连的电阻组成，压敏电阻2通过P+连结区3连接到引线孔6，P+连结区3的引线孔6上方设置有金属引线7，金属引线7与焊盘8连结在一起；压敏电阻2周边均设置有N+隔离区4，P+连结区3与N+隔离区4之间带有空隙，N+隔离区4上方设置有一个引线孔6；压敏电阻2、P+连结区3、N+隔离区4上面有隔离层5，在隔离层5上面设置有屏蔽层9。压力膜片10下方对应位置为硅杯11；硅衬底1通过N+扩散区、引线孔、金属引线连接到衬底焊盘12。

所述衬底硅片层13同样以单晶硅材料为基体，在其中心有采用MEMS工艺加工的特定深度的盲孔15，是敏感硅片层的支撑体，如图3所示。

敏感硅片层1和衬底硅片层13采用硅硅键合工艺形成绝压密封腔，如图4，之后在硅敏感硅片层上制作金属电极及压焊点，如图5；最后采用深反应离子刻蚀工艺减薄衬底硅片直至通透衬底硅片层中心盲孔15形成导压通孔14，至此，完成压力传感器微结构的制作，如图6。

其生产制造流程如下：

1、清洗敏感硅片，清洗液如下（步骤1～6：如图2所示）：

SPM（硫酸过氧化氢混合液）：H2SO4:H2O2=4:1

RCA1（1号液）：NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5

RCA2（2号液）：HCL:H2O2:H2O=1:1:6

2、在敏感硅片层单晶硅材料上生长氧化层；

2、使用光刻、扩散浓磷或注入使氧化层上形成N+隔离区；

3、光刻、注入浓硼形成P+连接区；

4、用离子注入工艺形成压敏电阻；

5、生长氧化隔离层；

6、腐蚀背腔制作出硅杯；

7、清洗衬底硅片，清洗液同步骤1；（步骤7～10：如图3所示）

8、氧化，在衬底硅片上形成掩蔽膜；

9、光刻，在衬底硅片上刻出腐蚀窗口；

10、在衬底硅片上腐蚀盲孔；

11、清洗敏感硅片、衬底硅片，清洗液同步骤1；（步骤11～14：如图4所示）

12、采用等离子体处理，对硅片表面进行进一步清洗和表面活化;

活化参数：O2：300 ml/min；N2：300 ml/min；射频功率:300W；曝光时间：3min

13、预键合：

真空度： 5×10-4Pa；键合温度：420℃～450℃；键合时间：0.5hr升温至420℃～450℃，恒温2hr，然后2.5hr降至室温；键合压力：2000mbar；

14、退火；

随炉升温至1100℃，保温2hr，停止加热等待自然冷却至室温，退火过程中N2保护，至此形成硅硅键合的绝压腔体。

15、在敏感硅片层采用光刻制出引线孔；（步骤15～18：如图5所示）

16、溅射金属、光刻形成引线及焊盘；

17、合金化形成芯片内部的电气连接；

18、溅射金属、光刻形成屏蔽层；

19、深反应离子刻蚀（或机械研磨）将衬底硅片减薄，加工成导压通孔，形成压力传感器微结构。（步骤19：如图6所示）

20、芯片中测，检测敏感电阻、击穿、漏电、表面质量；

21、划片

22、完成基于硅硅键合压力传感器加工。

Claims (2)

1.一种基于硅硅键合的高精度压力传感器，它包括有敏感硅片层及衬底硅片层，其特征是：敏感硅片层结构如下：凹形敏感硅片层的上表面设置有隔离层，隔离层上表面设置有焊盘、金属引线、屏蔽层、衬底焊盘，隔离层下表面设置有N+隔离区、P+连结区和压敏电阻，屏蔽层与N+隔离区通过引线孔连通，焊盘与金属引线连结在一起，金属引线与P+连结区通过引线孔连通，P+连结区之间设置有压敏电阻，凹形敏感硅片层的底部设置有截面为倒凹字形的硅杯，该硅杯区域为压力膜片；敏感硅片层的硅杯杯口与衬底硅片层键合在一起，衬底硅片层的中心位置制备有导压通孔。

2.根据权利要求1所述的基于硅硅键合的高精度压力传感器，其特征在于：所述压敏电阻和P+连接区外侧隔离有一圈N+隔离区层。