压力传感器制备方法

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1.本发明涉及小尺寸压力传感器制造技术领域，尤其涉及一种压力传感器制备方法。

背景技术：

2.小尺寸压阻式压力传感器具有体积小，质量轻，线性度高，易于集成，后续电路处理简单等优点，在医疗、工业、航空与消费电子领域有巨大的应用市场。
3.小尺寸压阻式压力传感器微型化不仅要在长度与宽度方向进行缩小，在厚度方向也要进行减薄，来满足特殊微小环境的三维尺寸要求。传统的减薄工艺是在化学机械抛光器件后，采用深反应离子刻蚀出空腔，用以阳极键合，从而实现厚度方向的缩小。然而由于减薄后的器件刚度减小，容易在后续处理工艺中发生碎裂，导致低的成品率。

技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.针对于现有的技术问题，本发明提供一种压力传感器制备方法，用于至少部分解决以上技术问题。
6.(二)技术方案
7.本发明提供一种压力传感器制备方法，包括：采用阳极键合工艺将带有凹槽的第一玻璃片7和soi背硅层4的一面键合，将soi埋氧层3，压敏电阻5，金属电极6和欧姆接触区10密封在凹槽中；采用化学机械抛光工艺减薄soi背硅层4的另一面；刻蚀减薄后的soi背硅层4的另一面得到感压膜8；采用阳极键合工艺将第二玻璃片9和soi背硅层4的另一面键合；减薄第二玻璃片9，去除第一玻璃片7并划片得到压力传感器。
8.可选地，阳极键合工艺的键合气压为10-3
mbar～1bar。
9.可选地，在采用阳极键合工艺将带有凹槽的第一玻璃片7和soi背硅层4的一面键合之前，压力传感器制备方法还包括：采用lpcvd或磁控溅射沉积氮化物或金属材料的工艺，在第一玻璃片7上沉积掩蔽牺牲层并进行图形化；刻蚀第一玻璃片7，去除掩蔽牺牲层得到带有凹槽的第一玻璃片7，其中，凹槽的深度为1～100μm。
10.可选地，在键合第一玻璃片7和soi背硅层4之前，压力传感器制备方法还包括：对soi晶圆1的顶硅层2进行离子注入和退火，得到低阻顶硅层；刻蚀低阻顶硅层得到压敏电阻5和欧姆接触区10；在soi埋氧层3上制备与压敏电阻5相连接的金属电极6，并对压敏电阻5和金属电极6进行欧姆接触退火；保留包括压敏电阻5，金属电极6和欧姆接触区10的有效图形区，刻蚀其他区域的soi埋氧层3至soi背硅层4。
11.可选地，顶硅层2为n型(100)晶面，厚度为0.1～5μm；离子注入为硼注入。
12.可选地，刻蚀低阻顶硅层得到压敏电阻5和欧姆接触区10包括：刻蚀低阻顶硅层得到位于感压膜8内部边缘的方形、π形或u形的压敏电阻5；以及，刻蚀低阻顶硅层得到位于压敏电阻5两端，并与压敏电阻5和金属薄膜6相连的欧姆接触区10，其中，欧姆接触区10为p
型硅材料。
13.可选地，在soi埋氧层3上制备厚度为50nm～2μm的金属电极6；其中，金属电极6的材料包括钛，铝和镍中的任意一种及其组合。
14.可选地，刻蚀减薄后的soi背硅层4的另一面得到感压膜8包括：刻蚀减薄后的soi背硅层4的另一面得到方形或圆形的感压膜8。
15.可选地，第二玻璃片9的厚度为100μm～1mm，第二玻璃片9的至少一面为抛光面，抛光面的表面粗糙度小于2nm；减薄第二玻璃片9至其厚度为20～500μm。
16.可选地，采用化学机械抛光工艺减薄soi背硅层4的另一面至soi背硅层4的厚度为10～100μm，其中，抛光减薄后的soi背硅层4的表面粗糙度小于20nm。
17.(三)有益效果
18.本发明提供一种压力传感器制备方法，采用不同于传统的减薄后刻蚀工艺，而是结合上下两层玻璃夹持，先减薄再刻蚀再减薄来制备空腔得到感压膜，大大提高了压力传感器制备的成品率。
19.采用两次阳极键合工艺在压力传感器正面和背面分别键合用以保护压力传感器的玻璃片，可以提高压力传感器件结构的整体刚度，保证了器件的成品率，带来了可观的经济效益。键合后的器件可以利用激光或砂轮划片进行分离，在留有边界余量的前提下不会损伤有效结构，方便简捷。
附图说明
20.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
21.图1示意性示出了根据本发明实施例的压力传感器制备方法流程图；
22.图2示意性示出了根据本发明实施例的soi晶圆结构图；
23.图3示意性示出了根据本发明实施例的金属电极位置图；
24.图4示意性示出了根据本发明实施例的键合第一玻璃片后的器件结构图；
25.图5示意性示出了根据本发明实施例的受玻璃片保护的压力传感器结构图；
26.图6示意性示出了根据本发明实施例的感压膜位置图；
27.图7示意性示出了根据本发明实施例的受玻璃片保护的压力传感器三维结构图；
28.图8示意性示出了根据本发明实施例的压力传感器结构图。
29.【附图标记说明】
30.1-soi晶圆
31.2-顶硅层
32.3-soi埋氧层
33.4-soi背硅层
34.5-压敏电阻
35.6-金属电极
36.7-第一玻璃片
37.8-感压膜
38.9-第二玻璃片
39.10-欧姆接触区
具体实施方式
40.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
41.需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。说明书中示例的各个实施例中的技术特征在无冲突的前提下可以进行自由组合形成新的方案，另外每个权利要求可以单独作为一个实施例或者各个权利要求中的技术特征可以进行组合作为新的实施例，且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
42.除非存在技术障碍或矛盾，本发明的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本发明的保护范围中。
43.虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本发明的限制。
44.虽然本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。
45.图1示意性示出了根据本发明实施例的压力传感器制备方法流程图。
46.根据本发明的实施例，如图1所示，压力传感器制备方法例如包括：
47.s101，制备包括soi埋氧层3，soi背硅层4，压敏电阻5，金属电极6和欧姆接触区10的soi晶圆1。
48.根据本发明的实施例，例如通过步骤s1011～步骤s1014来制备该soi晶圆1。
49.s1011，对soi晶圆1的顶硅层2进行离子注入和退火，得到低阻顶硅层。
50.根据本发明的实施例，顶硅层2例如为n型(100)晶面，厚度例如为0.1～5μm。离子注入例如为硼注入。
51.s1012，刻蚀低阻顶硅层得到压敏电阻5和欧姆接触区10。
52.图2示意性示出了根据本发明实施例的soi晶圆结构图。
53.根据本发明的实施例，如图2所示，形成于该soi埋氧层3正面的欧姆接触区10和压敏电阻5可以通过一次离子注入与退火得到，也可以通过两次离子注入与退火分别得到。该压敏电阻5由刻蚀顶硅层2，位置可以在与腐蚀soi背硅层4得到的感压膜8之上位于感压膜8内部边缘，可以是一个压敏电阻、两个压敏电阻，或者是由四个压敏电阻构成惠斯通电桥的形式。压敏电阻5的形状例如可以是方形、∏形或u形。欧姆接触区10的位置例如位于压敏电阻5两端之间，并与压敏电阻5和金属薄膜6相连。欧姆接触区10例如为p型硅材料。
54.s1013，在soi埋氧层3上制备与压敏电阻5相连接的金属电极6，并对压敏电阻5和金属电极6进行欧姆接触退火。
55.根据本发明的实施例，金属电极6的厚度例如可以为50nm～2μm，金属电极6的材料
例如包括钛，铝和镍中的任意一种及其组合。
56.图3示意性示出了根据本发明实施例的金属电极位置图。
57.根据本发明的实施例，如图3所示，金属电极6制备在soi埋氧层3之上，并且与压敏电阻5相接触。
58.s1014，保留包括压敏电阻5，金属电极6和欧姆接触区10的有效图形区，刻蚀其他区域的soi埋氧层3至soi背硅层4。
59.s102，采用阳极键合工艺将带有凹槽的第一玻璃片7和soi背硅层4的一面键合，将soi埋氧层3，压敏电阻5，金属电极6和欧姆接触区10密封在凹槽中。
60.图4示意性示出了根据本发明实施例的键合第一玻璃片后的器件结构图。
61.根据本发明的实施例，如图4所示，例如可以采用阳极键合工艺将带有凹槽的第一玻璃片7和soi背硅层4键合，其中，在键合之前，例如可以通过步骤s1021～步骤s1022来制备该带有凹槽的第一玻璃片7。
62.s1021，采用lpcvd或磁控溅射沉积氮化物或金属材料的工艺，在第一玻璃片7上沉积掩蔽牺牲层并进行图形化。
63.s1022，刻蚀第一玻璃片7，去除掩蔽牺牲层得到带有凹槽的第一玻璃片7，其中，凹槽的深度为1～100μm。
64.图5示意性示出了根据本发明实施例的受玻璃片保护的压力传感器结构图。
65.根据本发明的实施例，如图5所示，受双层玻璃片夹持保护的压力传感器例如为玻璃片-soi-玻璃片的“三明治”结构。其中，顶部用于临时保护的第一玻璃片7，厚度例如可以为300μm～1mm，通过阳极键合与soi背硅层4键合在一起。
66.根据本发明的实施例，阳极键合工艺的键合气压例如为10-3
mbar～1bar。
67.s103，采用化学机械抛光工艺减薄soi背硅层4的另一面。
68.根据本发明的实施例，利用化学机械抛光减薄后的soi背硅层4，其厚度例如可以为10μm～100μm。减薄soi背硅层4之后，例如还可以抛光soi背硅层4至其表面粗糙度小于20nm。
69.s104，刻蚀减薄后的soi背硅层4的另一面得到感压膜8。
70.根据本发明的实施例，感压膜8的形状例如可以为方形或圆形。
71.图6示意性示出了根据本发明实施例的感压膜位置图。
72.根据本发明的实施例，如图6所示，在减薄后的so1背硅层4的另一面刻蚀出空腔，空腔在soi背硅层4上所对应的薄层结构即为感压膜8。
73.s105，采用阳极键合工艺将第二玻璃片9和soi背硅层4的另一面键合。
74.根据本发明的实施例，例如通过硅-玻璃阳极键合将soi背硅层4与第二玻璃片9键合在一起，实现对刻蚀得到感压膜8所形成的空腔的密封，得到的密封腔的气压例如为1mbar～1bar。第二玻璃片9例如为pyrex 7740或bf33等常用于阳极键合的玻璃型号，厚度例如为100～500μm之间，或者在100μm～1mm之间。第二玻璃片9的至少一面例如为抛光面，抛光面的表面粗糙度例如小于2nm。
75.s106，减薄第二玻璃片9，去除第一玻璃片7并划片得到压力传感器。
76.根据本发明的实施例，减薄后的第二玻璃片9的厚度例如为20～500μm。
77.图7示意性示出了根据本发明实施例的受玻璃片保护的压力传感器三维结构图。
78.图8示意性示出了根据本发明实施例的压力传感器结构图。
79.根据本发明的实施例，减薄与soi背硅层4键合后的第二玻璃片9得到如图7所示“三明治”结构的受玻璃片保护的压力传感器，然后去除第一玻璃片7，最后再根据所需要的的压力传感器的尺寸，对器件进行划片，即可得到本发明实施例所公开的，如图8所示的压力传感器。
80.为更详细地说明本发明的压力传感器制备方法，本发明公开了下述具体实施例，本方法例如包括：
81.s201，采用包含例如800nm厚的顶层硅，500nm厚的埋氧层的soi晶圆1作为衬底，对so1晶圆1的顶硅层2进行离子注入和退火，形成低阻区。
82.s202，对顶硅层2进行涂胶光刻，并刻蚀顶硅层2制作出欧姆接触区10和压敏电阻5，埋氧层3作为刻蚀停止层。
83.s203，通过电子束蒸发在soi晶圆1的顶硅层2上沉积例如金属al，通过光刻与刻蚀对金属电极进行图形化形成引线与金属电极6，并进行欧姆接触退火。
84.s204，光刻并腐蚀soi晶圆1的soi埋氧层3至soi背硅层4，使得有效图形区之外的背硅层正面裸露。
85.s205，在第一玻璃片7(例如pyrex7740)上沉积例如金属a1，通过光刻与刻蚀进行图形化。
86.s206，例如以金属a1为掩膜，通过icp刻蚀第一玻璃片7制作出凹槽，之后在热磷酸溶液中去除金属al。
87.s207，通过光刻使凹槽与有效图形区对准，从而将第一玻璃片7与裸露出的soi背硅层4阳极键合。
88.s208，采用化学机械抛光方法对soi晶圆1的背硅层进行减薄，背硅层减薄至例如50μm，表面粗糙度例如为0.01-0.02μm，平整度例如为0.5-1μm。
89.s209，通过pecvd在减薄后的soi背硅层4上沉积例如2μm的二氧化硅，并在感压膜8对应的位置上制备图形化的光刻胶作为掩模，刻蚀二氧化硅，刻蚀截止到soi背硅层4。
90.s210，去除光刻胶掩膜，清洗so1晶圆1，在质量分数例如为10％的tmah水溶液中腐蚀soi背硅层4，腐蚀深度例如为45μm，得到厚度例如为5μm的感压膜8。
91.s211，采用阳极键合方法将soi晶圆1的背硅层与第二玻璃片9进行键合。
92.s212，采用化学机械抛光方法对第二玻璃片9进行减薄，减薄至例如50μm。
93.s213，按照描述压力传感器尺寸的划边线进行划片。
94.综上所述，本发明实施例提出一种基于阳极键合临时保护的小尺寸压阻式压力传感器制备方法。通过在soi顶硅层上离子注入与刻蚀制备出压敏电阻，利用化学机械抛光减薄soi背硅层后，通过刻蚀制备出空腔，并且在soi晶圆片正反两面进行两次键合，分别充当用作保护的阳极键合片和用作密封空腔的基底，得到整体为三明治结构的压力传感器制备保护器件。这种结构保证了器件的刚度，降低在后续加工工艺中晶圆的碎裂概率，也可以实现更薄厚度的器件制备。小尺寸压阻式压力传感器制作工艺简单，尺寸小，成本低，能够应用到复杂微小的环境中，在医疗，汽车，工业，航空，消费电子等领域有着可观的经济与社会效益。
95.应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设
计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于的特定顺序或层次。
96.还需要说明的是，实施例中提到的方向术语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。
97.在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
98.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。
99.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种压力传感器制备方法，其特征在于，包括：采用阳极键合工艺将带有凹槽的第一玻璃片(7)和soi背硅层(4)的一面键合，将soi埋氧层(3)，压敏电阻(5)，金属电极(6)和欧姆接触区(10)密封在所述凹槽中；采用化学机械抛光工艺减薄所述soi背硅层(4)的另一面；刻蚀减薄后的所述soi背硅层(4)的另一面得到感压膜(8)；采用阳极键合工艺将第二玻璃片(9)和所述soi背硅层(4)的另一面键合；减薄所述第二玻璃片(9)，去除所述第一玻璃片(7)并划片得到所述压力传感器。2.根据权利要求1所述的压力传感器制备方法，其特征在于，所述阳极键合工艺的键合气压为10-3
mbar～1bar。3.根据权利要求1所述的压力传感器制备方法，其特征在于，在所述采用阳极键合工艺将带有凹槽的第一玻璃片(7)和所述soi背硅层(4)的一面键合之前，所述压力传感器制备方法还包括：采用lpcvd或磁控溅射沉积氮化物或金属材料的工艺，在所述第一玻璃片(7)上沉积掩蔽牺牲层并进行图形化；刻蚀所述第一玻璃片(7)，去除所述掩蔽牺牲层得到所述带有凹槽的第一玻璃片(7)，其中，所述凹槽的深度为1～100μm。4.根据权利要求1所述的压力传感器制备方法，其特征在于，在键合所述第一玻璃片(7)和所述soi背硅层(4)之前，所述压力传感器制备方法还包括：对soi晶圆(1)的顶硅层(2)进行离子注入和退火，得到低阻顶硅层；刻蚀所述低阻顶硅层得到所述压敏电阻(5)和所述欧姆接触区(10)；在所述soi埋氧层(3)上制备与所述压敏电阻(5)相连接的所述金属电极(6)，并对所述压敏电阻(5)和所述金属电极(6)进行欧姆接触退火；保留包括所述压敏电阻(5)，所述金属电极(6)和所述欧姆接触区(10)的有效图形区，刻蚀其他区域的所述soi埋氧层(3)至所述soi背硅层(4)。5.根据权利要求4所述的压力传感器制备方法，其特征在于，所述顶硅层(2)为n型(100)晶面，厚度为0.1～5μm；所述离子注入为硼注入。6.根据权利要求4所述的压力传感器制备方法，其特征在于，所述刻蚀所述低阻顶硅层得到所述压敏电阻(5)和所述欧姆接触区(10)包括：刻蚀所述低阻顶硅层得到位于所述感压膜(8)内部边缘的方形、∏形或u形的所述压敏电阻(5)；以及，刻蚀所述低阻顶硅层得到位于所述压敏电阻(5)两端，并与所述压敏电阻(5)和所述金属薄膜(6)相连的所述欧姆接触区(10)，其中，所述欧姆接触区(10)为p型硅材料。7.根据权利要求4所述的压力传感器制备方法，其特征在于，在所述soi埋氧层(3)上制备厚度为50nm～2μm的所述金属电极(6)；其中，所述金属电极(6)的材料包括钛，铝和镍中的任意一种及其组合。8.根据权利要求1所述的压力传感器制备方法，其特征在于，所述刻蚀减薄后的所述soi背硅层(4)的另一面得到感压膜(8)包括：刻蚀减薄后的所述soi背硅层(4)的另一面得到方形或圆形的所述感压膜(8)。
9.根据权利要求1所述的压力传感器制备方法，其特征在于，所述第二玻璃片(9)的厚度为100μm～1mm，所述第二玻璃片(9)的至少一面为抛光面，所述抛光面的表面粗糙度小于2nm；减薄所述第二玻璃片(9)至其厚度为20～500μm。10.根据权利要求1所述的压力传感器制备方法，其特征在于，采用化学机械抛光工艺减薄所述soi背硅层(4)的另一面至所述soi背硅层(4)的厚度为10～100μm，其中，抛光减薄后的所述so1背硅层(4)的表面粗糙度小于20nm。

技术总结

本发明提供一种压力传感器制备方法，包括：采用阳极键合工艺将带有凹槽的第一玻璃片(7)和SOI背硅层(4)的一面键合，将SOI埋氧层(3)，压敏电阻(5)，金属电极(6)和欧姆接触区(10)密封在凹槽中；采用化学机械抛光工艺减薄SOI背硅层(4)的另一面；刻蚀减薄后的SOI背硅层(4)的另一面得到感压膜(8)；采用阳极键合工艺将第二玻璃片(9)和SOI背硅层(4)的另一面键合；减薄第二玻璃片(9)，去除第一玻璃片(7)并划片得到压力传感器。本方法通过上下两层玻璃夹持，大大提高了压力传感器制备的成品率。大大提高了压力传感器制备的成品率。大大提高了压力传感器制备的成品率。