TW201728885A - 微型壓阻式壓力感測器 - Google Patents

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Abstract

一種微型壓阻式壓力感測器，包含一基材及一元件結構層。該基材形成有一振動空間。該元件結構層位於該基材上並具有一上表面，且於該上表面形成一與該振動空間位置相對應的凹槽並藉此形成一介於該凹槽與該振動空間之間的可振動的薄膜。該凹槽由該薄膜及一連接該薄膜與該上表面的側壁面所界定。該元件結構層還由離子植入形成一離子濃度較低的壓阻區及一離子濃度較高的導線區，其中該壓阻區從該薄膜延伸通過該側壁面至該上表面，該導線區與該壓阻區連接並分布在該上表面。

Description

微型壓阻式壓力感測器
本發明是有關於一種微型壓阻式壓力感測器，特別是指一種利用離子植入(ion implantation)技術製作的微型壓阻式壓力感測器。
離子植入技術為壓阻式壓力感測器的成熟製程之一，用來形成壓阻元件及導線。然而，由於離子植入技術所產生的接面深度(junction depth)可達數個µm，當植入離子濃度較高且元件層(或薄膜)厚度較薄時容易產生漏電。但是在許多應用中，例如設置於心導管中的微型壓力感測器，體積通常很小，因此用來感測壓力的薄膜面積有限, 所以設計上須將薄膜厚度調整至1-3µm才能滿足所需的輸出靈敏度，若以一般壓阻式壓力感測器的結構直接縮小尺寸微型化時，以離子植入技術製作壓阻式壓力感測時在植入濃度較高的導線區域即會有漏電的問題。
因此，現有的微型壓力感測器通常採用其它技術製作，例如在矽薄膜上再沉積一層摻雜的多晶矽(doped poly-Si)或磊晶矽(Epi-Si)以作為應變規(strain gauge)來替代離子植入的壓阻元件用以感應壓力變化而產生輸出。由於此種結構牽涉應力膜層堆疊，因此設計上較為複雜。
因此，本發明之其中一目的，即在提供一種結構設計能適用離子植入技術使製程較容易控制的微型壓阻式壓力感測器。
於是，本發明微型壓阻式壓力感測器在一些實施態樣中，是包含：一基材及一元件結構層。該基材形成有一振動空間。該元件結構層位於該基材上並具有一上表面，且於該上表面形成一與該振動空間位置相對應的凹槽並藉此形成一介於該凹槽與該振動空間之間的可振動的薄膜。該凹槽由該薄膜及一連接該薄膜與該上表面的側壁面所界定。該元件結構層還由離子植入形成一離子濃度較低的壓阻區及一離子濃度較高的導線區，其中該壓阻區從該薄膜延伸通過該側壁面至該上表面，該導線區與該壓阻區連接並分布在該上表面。
在一些實施態樣中，該元件結構層的厚度為5µm以上，該薄膜厚度小於5µm。
在一些實施態樣中，該側壁面為斜面並使該凹槽呈現由該薄膜往該上表面逐漸擴張的形狀。
在一些實施態樣中，該振動空間正投影的邊界大於該凹槽正投影的邊界。
在一些實施態樣中，該壓阻區與該導線區是由P型離子植入所形成。
在一些實施態樣中，該壓阻區的離子濃度介於1018 至1020 cm-3。
在一些實施態樣中，該導線區的離子濃度介於1020 至1022 cm-3。
在一些實施態樣中，該基材的振動空間貫穿該基材的底面而使該薄膜相反於該凹槽之一側與外界相連通。
在一些實施態樣中，該薄膜與該基材共同使該振動空間成為封閉空間。
在一些實施態樣中，該薄膜為方形且最短邊的邊長不大於150µm。
在一些實施態樣中，還包含一位於該元件結構層上並至少遮蓋該薄膜及該壓阻區的保護蓋。
在一些實施態樣中，還包含一形成於該薄膜中央區域的凸塊。
在一些實施態樣中，還包含多個設於該元件結構層的上表面並與該導線區連接的金屬焊墊。
本發明至少具有以下功效：藉由該元件結構層形成有凹槽以形成介於該凹槽與該振動空間之間的可振動的薄膜，而能利用離子植入技術在該元件結構層的該凹槽以外夠厚的區域植入較高濃度的離子形成導線區，而在厚度較薄的薄膜區域植入較低濃度的離子形成壓阻區，藉由薄膜夠薄而能滿足所需的輸出靈敏度，並同時避免漏電的風險。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1與圖2，本發明微型壓阻式壓力感測器之一第一實施例，包含一基材1及一元件結構層2。基材1形成有一振動空間11及一絕緣層12。元件結構層2位於該基材1上並具有一上表面21，且於該上表面21形成一與該振動空間11位置相對應的凹槽22並藉此形成一介於該凹槽22與該振動空間11之間的可振動的薄膜23。亦即，該振動空間11提供該薄膜23可振動的空間。該凹槽22由該薄膜23及一連接該薄膜23與該上表面21的側壁面24所界定。該元件結構層2還由離子植入形成一離子濃度較低的壓阻區25及一離子濃度較高的導線區26，其中該壓阻區25從該薄膜23延伸通過該側壁面24至該上表面21，該導線區26與該壓阻區25連接並分布在該上表面21。在本實施例還包含多個設於該元件結構層2的上表面21並與該導線區26連接的金屬焊墊3，以供外接導線(未圖示)焊接。
在本實施例中，該壓阻區25與該導線區26是由P型離子植入所形成，例如硼離子。壓阻區25的離子濃度介於1018 至1020 cm-3 ，該導線區26的離子濃度介於1020 至1022 cm-3 。該壓阻區25形成四個壓阻251，該導線區26形成多條導線261，用以連接於該等壓阻251及對應的金屬焊墊3之間，該導線261與金屬焊墊3接面形成歐姆接觸(ohm contact)以降低接觸電阻，避免以壓阻251直接連接金屬焊墊3因接觸電阻過大導致元件失效。壓阻區25及導線區26共同形成全橋式的惠斯登電橋(Wheatstone bridge)結構以感測壓力，其亦可依據使用需求設計為半橋式或其他形式，並不限制。
在本實施例中，該元件結構層2為一單晶矽材料且其厚度約為5至10µm，該薄膜23的厚度約為2至3µm，元件結構層2及薄膜23的厚度可以調整，該元件結構層2的厚度以5µm以上較佳，該薄膜23厚度以小於5µm較佳，而且薄膜23為方形，可為正方形或長方形，其中最短邊的邊長以不大於150µm較佳，可滿足小尺寸微型壓壓力感測器之需求。在本實施例中，藉由蝕刻製程在元件結構層2形成凹槽22而局部減少元件結構層2的厚度以形成薄膜23，使薄膜23厚度小於5µm。如此，該元件結構層2在該凹槽22以外的區域夠厚以供較高濃度的離子植入形成導線區26，而在厚度較薄的薄膜23區域植入的是較低濃度的離子以形成壓阻區25，藉此避免漏電的風險，並藉由薄膜23夠薄而能滿足所需的輸出靈敏度。
在本實施例中，該凹槽22是以濕式如氫氧化鉀溶液進行蝕刻製作，因此界定凹槽22的側壁面24為斜面並使該凹槽22呈現由該薄膜23往該上表面21逐漸擴張的形狀，亦即該側壁面24為面向凹槽22的開口方向呈傾斜，藉此在進行離子植入製程時較容易製作。但是，若該凹槽22是以乾式電漿蝕刻製作而側壁面24垂直於薄膜23 (見圖3)的型態亦可實施。在本實施例中，由於該振動空間11正投影的邊界大於該凹槽22正投影的邊界，亦即由垂直該元件結構層2方向投影，該凹槽22的投影邊界位於該振動空間11的投影邊界內，又例如在本實施例中，該振動空間11與該凹槽22大致為正方形，該振動空間11的正投影邊界寬度P1即大於該凹槽22的正投影邊界寬度P2，因此該薄膜23邊界主要由該凹槽22邊界所定義。而該壓阻區25從該薄膜23延伸通過該側壁面24至該上表面21，亦即，形成壓阻區25及凹槽22時皆在同一面定位，因此壓阻251與薄膜23邊界的相對位置定義較精準，可使壓阻251精確布局於邊界應力較大處而提高元件靈敏度。再者，一般製作壓力感測器是在一晶圓上一次製作多個單元再切割成獨立的壓力感測器，而在切割時會在晶圓正面貼膠以避免切割過程中損壞壓力感測器。在本實施例中，薄膜23相對於元件結構層2的上表面21較為內凹，能夠避免貼膠可能產生的破壞或汙染殘留等風險。
在本實施例中，該基材1為一單晶矽材料且振動空間11貫穿該基材1的底面而使該薄膜23相反於該凹槽22之一側與外界相連通，用以測量相對壓力。
參閱圖4，本發明微型壓阻式壓力感測器之一第二實施例，與第一實施例大致相同，惟，在本實施例中，該振動空間11為封閉空間，亦即該薄膜23與該基材1共同使該振動空間11成為封閉空間，用以量測絕對壓力。其製法可先在基材1蝕刻形成凹入的空間再與元件結構層2接合，然後在元件結構層2蝕刻形成凹槽22，同時形成薄膜23，即可藉由該薄膜23與該基材1共同使該振動空間11成為封閉空間。另外，本實施例還包含一形成於該薄膜23中央區域的凸塊5，可以改善薄膜23隨壓力大小而變形的線性度。該凸塊5可在蝕刻元件結構層2以形成凹槽22的步驟中同時定義出來。該凸塊5設置位於薄膜2中央區域且厚度大於薄膜2厚度，因此於薄膜2變形時可視為一剛體進行平行移動，進而改善壓力感測器輸出的線性度。
參閱圖5，本發明微型壓阻式壓力感測器之一第三實施例，與第一實施例大致相同，惟，在本實施例還進一步包含一位於該元件結構層2上並至少遮蓋該薄膜23及該壓阻區25的保護蓋4，用以加強保護該薄膜23及避免該壓阻區25暴露於高溫或高濕等嚴苛的量測環境中而被破壞。而且，在本實施例中，導線區26延伸至保護蓋4以外的區域，且金屬焊墊3與導線區26連接於保護蓋4以外的區域，以供外接導線(未圖示)焊接。藉此將薄膜23所偵測到之感測訊號由壓阻區25輸出至外部連接的電子電路中(未圖示)。另外，本實施例與第二實施例同樣包含一形成於該薄膜23中央區域的凸塊5，但是在本實施例中，凸塊5主要是由蝕刻基材1所形成，而位於該振動空間11中，同樣可以改善壓力感測器輸出的線性度。
綜上所述，藉由該元件結構層2形成有凹槽22以形成介於該凹槽22與該振動空間11之間的可振動的薄膜23，而能利用離子植入技術在該元件結構層2的該凹槽22以外夠厚的區域植入較高濃度的離子形成導線區26，而在厚度較薄的薄膜23區域植入較低濃度的離子形成壓阻區25，藉此避免漏電的風險，並藉由薄膜23夠薄而能滿足所需的輸出靈敏度。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧基材
11‧‧‧振動空間
12‧‧‧絕緣層
2‧‧‧元件結構層
21‧‧‧上表面
22‧‧‧凹槽
23‧‧‧薄膜
24‧‧‧側壁面
25‧‧‧壓阻區
251‧‧‧壓阻
26‧‧‧導線區
261‧‧‧導線
3‧‧‧金屬焊墊
4‧‧‧保護蓋
5‧‧‧凸塊
P1‧‧‧振動空間邊界寬度
P2‧‧‧凹槽邊界寬度
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是本發明微型壓阻式壓力感測器的一第一實施例的一俯視示意圖； 圖2是該第一實施例的一剖面示意圖； 圖3是說明該第一實施例的一凹槽的另一實施形態之一剖面示意圖； 圖4是本發明微型壓阻式壓力感測器的一第二實施例的一剖面示意圖；及 圖5是本發明微型壓阻式壓力感測器的一第三實施例的一剖面示意圖。
1‧‧‧基材
11‧‧‧振動空間
12‧‧‧絕緣層
2‧‧‧元件結構層
21‧‧‧上表面
22‧‧‧凹槽
23‧‧‧薄膜
24‧‧‧側壁面
25‧‧‧壓阻區
251‧‧‧壓阻
26‧‧‧導線區
261‧‧‧導線

Claims (13)

  1. 一種微型壓阻式壓力感測器，包含： 一基材，形成有一振動空間；及 一元件結構層，位於該基材上並具有一上表面，且於該上表面形成一與該振動空間位置相對應的凹槽並藉此形成一介於該凹槽與該振動空間之間的可振動的薄膜，該凹槽由該薄膜及一連接該薄膜與該上表面的側壁面所界定，該元件結構層還由離子植入形成一離子濃度較低的壓阻區及一離子濃度較高的導線區，其中該壓阻區從該薄膜延伸通過該側壁面至該上表面，該導線區與該壓阻區連接並分布在該上表面。
  2. 如請求項1所述微型壓阻式壓力感測器，其中，該元件結構層的厚度為5µm以上，該薄膜厚度小於5µm。
  3. 如請求項1所述微型壓阻式壓力感測器，其中，該側壁面為斜面並使該凹槽呈現由該薄膜往該上表面逐漸擴張的形狀。
  4. 如請求項1所述微型壓阻式壓力感測器，其中，該振動空間正投影的邊界大於該凹槽正投影的邊界。
  5. 如請求項1 所述微型壓阻式壓力感測器，其中，該壓阻區與該導線區是由P型離子植入所形成。
  6. 如請求項5所述微型壓阻式壓力感測器，其中，該壓阻區的離子濃度介於1018 至1020 cm-3 。
  7. 如請求項5所述微型壓阻式壓力感測器，其中，該導線區的離子濃度介於1020 至1022 cm-3 。
  8. 如請求項1所述微型壓阻式壓力感測器，其中，該基材的振動空間貫穿該基材的底面而使該薄膜相反於該凹槽之一側與外界相連通。
  9. 如請求項1所述微型壓阻式壓力感測器，其中，該薄膜與該基材共同使該振動空間成為封閉空間。
  10. 如請求項1所述微型壓阻式壓力感測器，其中，該薄膜為方形且最短邊的邊長不大於150µm。
  11. 如請求項1所述微型壓阻式壓力感測器，還包含一位於該元件結構層上並至少遮蓋該薄膜及該壓阻區的保護蓋。
  12. 如請求項1所述微型壓阻式壓力感測器，還包含一形成於該薄膜中央區域的凸塊。
  13. 如請求項1至12中任一項所述微型壓阻式壓力感測器，還包含多個設於該元件結構層的上表面並與該導線區連接的金屬焊墊。
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