一種壓力計芯片結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)傳感器設(shè)計領(lǐng)域，涉及一種壓力計芯片結(jié)構(gòu)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS(Micro Electro Mechanical System)即微電子機(jī)械系統(tǒng)，是新興的跨學(xué)科的高新技術(shù)研究領(lǐng)域?；贛EMS技術(shù)的壓阻式壓力傳感器由于其出色的精準(zhǔn)度和可靠度以及相對便宜的制造成本在現(xiàn)代的市場中得到廣泛的應(yīng)用。自從20世紀(jì)50年代中期發(fā)現(xiàn)了硅材料的壓阻特性，硅基的壓阻式壓力傳感器就被廣泛地應(yīng)用。壓阻式傳感器的工作原理是在一個方形或者圓形的硅應(yīng)變薄膜上通過擴(kuò)散或者離子注入的方式在應(yīng)力集中區(qū)制作四個壓力敏感電阻，四個電阻互聯(lián)構(gòu)成惠斯頓電橋。當(dāng)有外界壓力施加在硅應(yīng)變膜上，壓敏電阻區(qū)域由于應(yīng)變膜彎曲產(chǎn)生應(yīng)力，通過壓敏電阻的壓阻特性，將應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，最后通過惠斯頓電橋?qū)㈦娮柚档淖兓D(zhuǎn)換為輸出電壓，通過對輸出電壓與壓力值進(jìn)行標(biāo)定可以實現(xiàn)對壓力的測量。
[0003]典型的壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)主要包含硅應(yīng)變膜、玻璃底座以及硅應(yīng)變膜和玻璃底座之間的密閉空腔，在(100)晶面的硅片上通過各向異性(KOH)濕法腐蝕的方式制作空腔并形成硅應(yīng)變膜，通過空腔所在硅面與玻璃的陽極鍵合完成空腔的密閉。壓敏電阻、重?fù)诫s引線區(qū)和金屬引線均位于硅片的非鍵合面上。當(dāng)所需的應(yīng)變膜厚度較薄時，需要硅片經(jīng)歷長時間的KOH腐蝕，所形成空腔區(qū)域較深，因此無法為應(yīng)變膜的彎曲變形提供過載保護(hù)。此外上述結(jié)構(gòu)空腔的側(cè)面(111)晶面與硅應(yīng)變膜的(100)晶面存在125.3度的夾角，導(dǎo)致空腔底部向四周延伸，空腔底部所需要的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硅應(yīng)變膜的尺寸，芯片實際尺寸受到上述問題的限制無法做到非常??；同時芯片的厚度受到硅片厚度的限制無法變薄到理想厚度，限制了壓阻式壓力傳感器芯片在一些厚度敏感領(lǐng)域的應(yīng)用。同時，由于上述固定夾角的存在導(dǎo)致在應(yīng)變膜發(fā)生彎曲變形時，應(yīng)變膜與硅基座(空腔側(cè)壁)之間的夾角連接處較為容易出現(xiàn)應(yīng)力集中點，該應(yīng)力集中點在長期壓力循環(huán)的過程中相比其他區(qū)域會較早發(fā)生疲勞斷裂，對傳感器芯片在大過載時的長期可靠性造成潛在的威脅。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對上述問題，提出一種MEMS壓阻式壓力計芯片結(jié)構(gòu)及其制備方法，該結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)具有尺寸小，穩(wěn)定性好、抗過載能力強(qiáng)和長期可靠性高等突出優(yōu)勢。此外針對該芯片結(jié)構(gòu)開發(fā)的工藝流程與常規(guī)微納加工技術(shù)兼容，器件加工成本低廉，芯片可實現(xiàn)較高的一致性。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0006]—種壓力計芯片結(jié)構(gòu)，包括:壓敏電阻、重?fù)诫s接觸區(qū)、金屬引線、金屬電極、硅片、硅片鍵合面介質(zhì)層、硅應(yīng)變膜、玻璃片，所述硅片上制作有淺槽，所述淺槽所在的面為硅片鍵合面，所述壓敏電阻位于所述淺槽的底部，所述重?fù)诫s接觸區(qū)位于所述淺槽的底部和側(cè)壁以及所述硅片鍵合面的表面，其上覆有硅片鍵合面介質(zhì)層，所述硅片鍵合面介質(zhì)層上開有引線孔，與金屬引線相連接，所述金屬引線和金屬電極均位于所述硅片鍵合面介質(zhì)層上，所述重?fù)诫s接觸區(qū)連接所述壓敏電阻至金屬引線上，所述金屬引線另一端連接金屬電極，所述硅片鍵合面與所述玻璃片鍵合形成密封的空腔，所述硅應(yīng)變膜為減薄后的硅片非鍵合面在空腔區(qū)域形成的硅膜。
[0007]進(jìn)一步地，所述硅片鍵合面上具有金屬引線槽，所述金屬引線和金屬電極位于所述金屬引線槽內(nèi)，所述金屬包括Al、T1、Cr、Au、Pt、Pd、Ni。
[0008]一種壓力計芯片結(jié)構(gòu)的制備方法，其步驟包括:
[0009]I)在硅片上制作淺槽，淺槽所在面定義為硅片正面；
[0010]2)在上述淺槽的底部制作壓敏電阻；
[0011]3)在上述淺槽的底部、淺槽側(cè)壁以及淺槽以外區(qū)域制作重?fù)诫s接觸區(qū)，并在硅片表面制作娃片鍵合面介質(zhì)層；
[0012]4)在硅片正面制作引線孔、金屬引線和金屬電極；
[0013]5)將硅片正面與玻璃片進(jìn)行陽極鍵合，形成硅一玻璃鍵合片；
[0014]其中，在此過程中，硅片淺槽區(qū)域被玻璃片密封，形成了真空密封的空腔，壓敏電阻密封于上述空腔內(nèi)。
[0015]6)對硅一玻璃鍵合片中硅片的非鍵合面進(jìn)行減薄處理，空腔所在區(qū)域?qū)?yīng)的部分硅片成為壓力計芯片結(jié)構(gòu)的應(yīng)變膜(剩余的和玻璃片鍵合的部分硅片構(gòu)成壓力計芯片結(jié)構(gòu)的框架)；
[0016]7)在硅片的非鍵合面上進(jìn)行光刻并刻蝕穿通直至露出鍵合面處的金屬電極，形成硅引線電極槽；
[0017]8)劃片，完成壓力計芯片結(jié)構(gòu)制備。
[0018]上述步驟I)中制作淺槽的方式包括干法刻蝕和濕法腐蝕兩種方式。
[0019]上述步驟2)中的壓敏電阻采用離子注入和高溫?zé)嵬嘶鸬姆绞街谱?。壓敏電阻分布于硅片上的?yīng)力集中區(qū)域(也就是硅一玻璃鍵合和硅片背面減薄后，空腔對應(yīng)的區(qū)域，即應(yīng)變膜)。
[0020]上述步驟3)中的重?fù)诫s接觸區(qū)實現(xiàn)了淺槽內(nèi)壓敏電阻和淺槽外金屬引線的電連接，因此其同時存在于淺槽底部、淺槽側(cè)壁和淺槽以外區(qū)域。
[0021]上述步驟4)中，通過光刻制作引線孔，所述金屬引線和金屬電極通過濺射的方法制作，所述金屬包括Al、T1、Cr、Au、Pt、Pd、Ni。
[0022]上述步驟5)中，在溫度300°C?400°C，壓力500?2000N，靜電壓600?1500V的參數(shù)條件下進(jìn)行陽極鍵合。
[0023]上述步驟6)中硅片非鍵合面減薄處理工藝可以采用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)或者Κ0Η、HNA濕法腐蝕的方式進(jìn)行。
[0024]本發(fā)明為MEMS領(lǐng)域的設(shè)計和工藝人員提供了一種新型的MEMS壓力計芯片結(jié)構(gòu)及其制備方法，這種方法加工的壓力計芯片具有更高的長期工作穩(wěn)定性和抗過載破壞性能、較高的工藝可靠性，更小的芯片尺寸和成本以及更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。具體來說本發(fā)明具有以下優(yōu)勢:
[0025](I)應(yīng)變膜和硅片為一體結(jié)構(gòu)，可通過淺槽各向同性腐蝕工藝實現(xiàn)應(yīng)變膜和硅片的平緩過渡，應(yīng)變膜在彎曲時不易產(chǎn)生應(yīng)力集中點，應(yīng)變膜的可靠性更高，破壞極限更高。
[0026](2)空腔的深度可以通過淺槽腐蝕工藝進(jìn)行直接的控制，在應(yīng)變膜受力彎曲時，空腔底部的玻璃片可以為應(yīng)變膜的變形提供限位保護(hù)，因此應(yīng)變膜具有更高的抗過載能力。
[0027](3)應(yīng)變膜的形狀不受加工工藝限制，可以根據(jù)器件參數(shù)要求靈活設(shè)計:方形、圓形、橢圓形、菱形等。
[0028](4)壓敏電阻與應(yīng)變膜通過正面光刻套準(zhǔn)，而不是通過雙面光刻套準(zhǔn)或者陽極鍵合進(jìn)行對準(zhǔn)，工藝偏差更小，壓敏電阻可以精確分布于靠近應(yīng)變膜邊緣的位置從而獲得更高的靈敏度。
[0029](5)壓力計芯片空腔幾乎不占用芯片的橫向空間，因此芯片能夠獲得較小的橫向尺寸。
[0030](6)由于壓力計芯片的空腔高度小(僅需2μπι左右)，因此芯片的厚度可以得到有效控制，芯片能夠獲得較小的縱向尺寸。
[0031](7)壓力計芯片的壓敏電阻密封于陽極鍵合形成的真空腔內(nèi)，不受外界惡劣環(huán)境的影響，因此芯片具有更好的長期穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0032]圖1為具體實施例中壓力計芯片結(jié)構(gòu)的制備方法示意圖，其中:
[0033]圖1(a)為N型單晶娃片不意圖；
[0034]圖1(b)為在硅片上通過低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)的方式制備S12和Si3N4膜的示意圖；
[0035]圖1(c)為在硅片上完成淺槽掩膜制作的示意圖；
[0036]圖1(d)為在硅片上通過HNA溶液濕法腐蝕形成淺槽的示意圖；
[0037]圖1(e)為在硅片的淺槽內(nèi)利用離子注入制作壓敏電阻的示意圖；
[0038]圖1(f)為在硅片的淺槽的底部、淺槽側(cè)壁和硅片待鍵合面的表面區(qū)域制備重?fù)诫s接觸區(qū)的示意圖；
[0039]圖1(g)為去除硅片表面光刻膠和S12掩膜的示意圖；
[0040]圖1(h)為硅片兩面制備S12膜的示意