专利名称：基于阳极键合工艺的热式风速风向传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种采用阳极键合技术实现的圆片级封装热式风速风向传感器，制备 工艺与标准CMOS工艺兼容，尤其涉及一种低功耗的基于玻璃和陶瓷封装的集成风速风向 传感器及其制备方法。
背景技术：
在CMOS集成风速风向传感器的设计中，封装一直以来是阻碍其发展的技术瓶颈。 一方面其封装材料即要求具有良好的热传导性能，又要求对传感器具有保护作用，并且设 计中还需要考虑到封装材料对传感器灵敏度、可靠性以及价格等方面的影响，这就限制了 传感器自身封装设计的自由度。另一方面，热式流量传感器要求传感器的敏感部分暴露在 测量环境中，同时又要求处理电路与环境隔离，以免影响处理电路的性能，两者对封装的要 求产生了矛盾。以往报道的硅风速风向传感器大都将硅片的敏感表面直接暴露在自然环境中，以 便能够感知外界风速变化。这样一来，硅片很容易受到各种污染，导致其性能的不稳定，甚 至损坏。如果采用热导率较高的陶瓷基片，利用倒装焊封装或者导热胶贴附的方式对传感 器硅芯片进行封装，就能够较好的避免上述的矛盾，但是封装后传感器产生的热量绝大部 分以热传导的方式从硅基衬底耗散掉，仅有很小的一部分通过陶瓷与外界空气进行了热交 换，大大降低输出敏感信号的幅值，通过增大传感器的功耗能够提高敏感信号的幅值，但又 造成整个传感器系统较大的功耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于阳极键合技术实现的圆片级封装的热式风速风向 传感器的结构及其制备方法，设计的传感器结构以及封装形式有利于在保证较大敏感信号 幅值的同时，传感器系统具有较低的功耗。本发明采用如下技术方案一种基于阳极键合工艺的热式风速风向传感器，包括减薄硅芯片，所述减薄硅芯 片的背面通过导热胶连接有陶瓷传感基板，在减薄硅芯片的正面设有氧化层，在氧化层的 中部设有4个多晶硅加热元件及4个热传感测温元件，在氧化层的边缘区域设有电引出焊 盘，4个多晶硅加热元件及4个热传感测温元件分别通过金属引线与电引出焊盘连接，其特 征在于，在氧化层上设有能够露出减薄硅芯片的键合用空腔，在键合用空腔中露出的减薄 硅芯片上键合有封装玻璃基板且由设在封装玻璃基板的键合用凸台与所露出的减薄硅芯 片键合，在封装玻璃基板设有能使电引出焊盘露出的电引出用通孔。—种基于阳极键合工艺的热式风速风向传感器的制备方法如下第一步，硅芯片的制备步骤1，在硅芯片表面热生长第一热氧化层；步骤2，在第一热氧化层上制备作为热传感测温元件一个端的第一多晶硅，以及作为多晶硅加热元件的第二多晶硅；步骤3，在第一热氧化层、第一多晶硅及第二多晶硅上化学气相淀积第二氧化层， 并由第一热氧化层与第二氧化层形成氧化层，并利用刻蚀工艺制备在第一多晶硅以及多晶 硅加热元件上方氧化层上刻蚀出通孔；步骤4，溅射并图形化金属铝，其中金属铝作为热传感测温元件的另一端以及电引 出端，金属铝作为多晶硅加热元件的电引出端，金属铝作为电引出焊盘；步骤5，干法刻蚀氧化层直至露出硅衬底，制得键合用空腔；第二步，封装玻璃基 板步骤1，准备与硅芯片尺寸外形相同的玻璃基板；步骤2，在玻璃基板上表面利用光刻工艺和湿法腐蚀工艺对玻璃正表面进行选择 性腐蚀，制备出键合用凸台；步骤3，在玻璃基板上表面利用激光刻蚀工艺制备电引出用通孔；第三步，后处理步骤1，阳极键合封装利用硅-玻璃阳极键合技术，将硅芯片的正表面和封装玻 璃基板的键合用凸台表面进行阳极键合；步骤2，硅芯片减薄利用减薄工艺对键合后的芯片中的硅芯片进行减薄，完成减 薄硅芯片的制备；步骤3，陶瓷片贴封将陶瓷传感基板通过导热胶贴封于减薄硅芯片的背面；第四 步，划片，完成传感器的制作。本发明利用CMOS工艺在硅基上制备加热元件和热传感测温元件，利用图形化后 的玻璃基板与硅芯片正表面通过阳极键合工艺对硅芯片正表面进行封装保护，并通过减薄 工艺去除掉大部分的硅衬底，降低芯片的热容量，且在提高芯片的灵敏度的同时能够降低 传感器的响应时间，并利用具有一定热导率的陶瓷基板对硅芯片背面通过导热胶进行贴 封，对硅芯片背面实现保护。本发明通过制备于硅芯片中的加热元件在硅芯片中建立一个 温度场，并通过导热胶将此温度场传导至陶瓷基板中，在陶瓷基板中建立相同的温度场，陶 瓷芯片上表面暴露在外界环境中，外界环境中风的变化会影响陶瓷基板中的温度场分布， 通过导热胶的传递能够将陶瓷基板中改变的温度场分布传至硅芯片中，并通过硅芯片中的 热传感测温元件测出该温度场温度分布的变化情况。在外界无风的条件下，温度场的分布 呈现完全对称的状态。当外界有风从陶瓷芯片上表面吹过时，风将以热对流的方式从陶瓷 芯片上表面带走部分的热量，热传感测温元件通过硅基和导热胶的热传导作用测出该温度 场的变化，进而可反映风速的大小；对称分布的上游和下游热传感测温元件的差分输出反 映陶瓷芯片上表面温度场温度梯度的变化，能够反映风向的变化信息。在传感器结构中，通过导热胶贴封至减薄硅芯片背面的陶瓷传感基板一方面用于 保护下层的减薄硅芯片，另一方面又作为感受外界风的变化的敏感元件。整个传感器只有 陶瓷传感基板的上表面和风的环境接触，其他元件均通过陶瓷传感基板与外界环境隔绝， 因此能够避免受到外界环境的污染。利用封装玻璃基板与硅芯片的正表面进行阳极键合， 一方面能够对硅芯片的正表面进行保护并隔绝向封装玻璃基板方向的热传导，另一方面能 够在硅芯片减薄过程和贴封陶瓷传感基板过程中提供一定的机械支撑，由于玻璃的热传导 系数很小，因此硅芯片由于热传导效应造成的热损失就会很小，硅芯片中加热元件产生的 大部分热量均通过陶瓷传感基板与外界环境进行热交换来感受风的变化。本发明传感器的结构适用于制备二维的风速风向传感器。本传感器设计方案中，第一步硅芯片制备中，利用标准CMOS工艺制备加热元件和 测温元件；第二步封装玻璃基板的制备中，利用湿法腐蚀工艺和激光刻蚀工艺制备键合用 凸台和电引出用通孔；第三步后处理工艺中，利用减薄工艺对硅芯片的衬底进行减薄，利用 悬涂技术将导热胶悬涂至陶瓷传感基板的背面，然后对减薄硅芯片的背面进行贴封；第四 步，划片。整个传感器制备过程与标准CMOS工艺兼容，并对传感器芯片实现了圆片级封装。本发明获得如下效果1.本发明利用图形化后的玻璃基板与硅芯片的正表面进行阳极键合，能够在硅芯 片衬底减薄和贴封陶瓷片过程中对硅芯片提供必要的机械支撑，由于利用阳极键合提供了 这样的机械支撑，进而能够通过减薄工艺将硅芯片的衬底减薄至50微米以下的厚度，如此 可以极大程度减小由于硅衬底的热传导效应造成的不必要的功耗，并通过减薄硅衬底减小 传感器的热容量，降低传感器的热响应时间和提高传感器的灵敏度。2.本发明利用图形化后的玻璃基板与硅芯片的正表面进行阳极键合，并利用传 感陶瓷基板通过导热胶贴封于减薄后的硅芯片的背面，由于玻璃基板具有极低的热传导系 数，传感陶瓷基板的热传感系数就远远大于玻璃基板，因此硅芯片中加热元件产生的热量 几乎不通过玻璃基板与外界进行热传导，阻断了热量向下进行热交换的路径，而产生的绝 大部分热量均通过导热胶和陶瓷基板向上进行热传导并通过强迫对流效应与外界环境进 行了热交换，绝大部分的热量均用于感知外界环境中风速风向的变化，因此由于热传导效 应造成的热损失就会很小，传感器能够在低功耗状态下获得较大的敏感信号。3.本发明利用图形化后的玻璃基板与硅芯片的正表面进行阳极键合，并利用传感 陶瓷基板通过导热胶贴封于减薄后的硅芯片的背面，能够对硅芯片的正表面和背面均进行 保护，免于受到外界环境的污染。4.本发明采用的阳极键合工艺与标准CMOS工艺兼容。5.本发明利用激光刻蚀工艺在玻璃基板上制备通空，其位置与硅芯片上的电引出 焊盘位置相对应，在圆片级封装的同时解决了电引出问题。传统的CMOS集成风速风向传感器，加热元件制作在硅基芯片表面，在降低硅基衬 底热传导方面，一种方法是在硅芯片背面与加热元件对应区域利用湿法腐蚀工艺制备隔热 空腔，其缺点在于制备出的热感应薄膜过于脆弱，热应力对信号检测的影响较大，并且无法 实现传感器的封装。另一种方法是在加热元件下面制备多孔硅隔热层，这样一来制备工艺 与标准CMOS工艺不兼容，并且多孔硅的制备工艺一致性较差，提高了后端传感器信号调理 的难度。本发明提出的传感器结构在保证了与传统CMOS工艺完全兼容的同时，结构上的改 进能够有效地降低传感器加热元件产生的热量由于热传导效应造成的热量损失，能够使得 绝大部分热量通过陶瓷基板与空气进行热交换来感知外界环境中风速风向的变化，因此能 够在较低功耗下获得较大的输出信号。这种圆片级封装的形式与传统的单芯片封装的风速 风向传感器相比，一方面大大降低了 MEMS器件的封装成本，另一方面在很大程度上保证了 传感器封装造成的偏差的一致性，降低了传感器后端信号调理的成本。
图1为具有加热元件和测温元件的硅芯片的制备流程。
图2为制备完成的硅芯片的侧视图。图3为制备完成的硅芯片的顶视图。图4为利用湿法腐蚀工艺和激光刻蚀工艺图形化后的玻璃基板。图5为制备完成的玻璃基板的侧视6为制备完成的玻璃基板的顶视图。图7为利用阳极键合，减薄工艺以及贴封工艺实现的芯片圆片级封装。图8为最终划片后的单片传感器芯片。
具体实施例方式实施例1一种基于基于阳极键合技术实现的圆片级封装热式风速风向传感器的制作过程 如下第一步，硅芯片的制备，如图1所示 步骤1，在硅芯片1表面热生长第一热氧化层2 ；步骤2，在第一热氧化层2上制备作为热传感测温元件7 —个端的第一多晶硅3， 以及作为多晶硅加热元件4的第二多晶硅；步骤3，在第一热氧化层2、第一多晶硅3及第二多晶硅上化学气相淀积第二氧化 层，并由第一热氧化层2与第二氧化层形成氧化层6，并利用刻蚀工艺制备在第一多晶硅3 以及多晶硅加热元件4上方氧化层上刻蚀出通孔5 ；步骤4，溅射并图形化金属铝，其中金属铝8作为热传感测温元件7的另一端以及 电引出端，金属铝9作为多晶硅加热元件4的电引出端，金属铝10作为电引出焊盘；步骤5，干法刻蚀氧化层6直至露出硅衬底，制得键合用空腔11 ；第二步，封装玻璃基板，如图4所示步骤1，准备与硅芯片1尺寸外形相同的玻璃基板12 ；步骤2，在玻璃基板上表面利用光刻工艺和湿法腐蚀工艺对玻璃正表面进行选择 性腐蚀，制备出键合用凸台13 ；步骤3，在玻璃基板上表面利用激光刻蚀工艺制备电引出用通孔14 ；第三步，后处 理，如图7所示步骤1，阳极键合封装利用硅-玻璃阳极键合技术，将硅芯片1的正表面和封装 玻璃基板12的键合用凸台13表面进行阳极键合；步骤2，硅芯片1减薄利用减薄工艺对键合后的芯片中的硅芯片1进行减薄，完 成减薄硅芯片15的制备；步骤3，陶瓷片贴封将陶瓷传感基板17通过导热胶16贴封于减薄硅芯片15的 背面；第四步，划片，完成传感器的制作，如图8所示。本发明是一种实现CMOS集成风速风向传感器制备以及圆片级封装的方案。传感 器芯片与外界环境中的风相接触的一侧为陶瓷传感基板17的上表面，通过导热胶16与减 薄硅芯片15之间建立热连接，由于陶瓷材料具有一定的热传导率，减薄硅芯片15中的多晶 硅加热元件4产生的热量能够在陶瓷传感基板17的上表面建立起一定的温度场的分布。在
6无风条件下该温度场在陶瓷传感基板17上围绕陶瓷传感基板17中心呈对称分布；在外界 环境存在一定风速的条件之下，该对称分布被打破，生成一个温度梯度场，梯度方向与风向 的方向保持一致。4个热传感测温元件7呈对称布局分布在减薄硅芯片15上的多晶硅加热 元件4的周围。陶瓷传感基板17上表面的温度场能够利用导热胶16的热传导特性传给热 传感测温元件，进而测出陶瓷传感基板17上表面的温度场变化情况。对4个热传感测温元 件的输出信号进行处理，就可以得到外界环境中风速和风向的信息。封装玻璃基板12由于 较低的热传导系数，隔离了减薄硅芯片15与外界环境的热传导效应。传统的CMOS集成风速风向传感器，一般直接利用倒装焊倒装或者导热胶贴附的 形式与陶瓷芯片实现封装。由于硅的热导率远远大于陶瓷的热导率，因此封装后硅上加热 元件产生的热量绝大部分从硅衬底以热传导的方式耗散掉，仅仅只有少量的热量通过陶瓷 芯片与空气产生热对流换热，这样一方面大大降低了传感器的输出信号，另一方面提高了 传感器的工作功率，降低了传感器的效能。基于这个问题，前人提出在硅衬底背面制作空腔 或者在加热元件下制作一层多孔硅用于降低硅衬底的热传导，这样就对传感器的封装或者 工艺的一致性和CMOS工艺兼容性提出了挑战。本发明中，利用阳极键合技术实现了封装玻璃基板12与减薄硅芯片15正表面的 封装，一方面隔绝了减薄硅芯片15与外界环境的热传导效应，极大的降低了由于热传导造 成的损耗；另一方面提供了在对硅芯片1背面减薄时的机械支撑，进而能够保证对硅芯片1 进行最大程度上的减薄。通过上述工艺能够在较大程度的降低传感器的无用功耗，提高传 感器的灵敏度，并降低传感器的响应时间。整个传感器制备过程中，所使用到的制备工艺与 标准CMOS工艺兼容。实施例2一种基于阳极键合工艺的热式风速风向传感器，包括减薄硅芯片15，所述减薄硅 芯片15的背面通过导热胶16连接有陶瓷传感基板17，在减薄硅芯片15的正面设有氧化层 6，在氧化层6的中部设有4个多晶硅加热元件4及4个热传感测温元件7，在氧化层6的边 缘区域设有电引出焊盘10，4个多晶硅加热元件4及4个热传感测温元件7分别通过金属 引线与电引出焊盘10连接，其特征在于，在氧化层6上设有能够露出减薄硅芯片15的键合 用空腔11，在键合用空腔11中露出的减薄硅芯片15上键合有封装玻璃基板12且由设在封 装玻璃基板12的键合用凸台13与所露出的减薄硅芯片15键合，在封装玻璃基板12设有 能使电引出焊盘10露出的电引出用通孔14。
权利要求
1.一种基于阳极键合工艺的热式风速风向传感器，包括减薄硅芯片(15)，所述减薄硅 芯片(15)的背面通过导热胶(16)连接有陶瓷传感基板(17)，在减薄硅芯片(15)的正面设 有氧化层(6)，在氧化层(6)的中部设有4个多晶硅加热元件(4)及4个热传感测温元件 (7)，在氧化层(6)的边缘区域设有电引出焊盘(10)，4个多晶硅加热元件(4)及4个热传 感测温元件(7)分别通过金属引线与电引出焊盘(10)连接，其特征在于，在氧化层(6)上 设有能够露出减薄硅芯片(15)的键合用空腔(11)，在键合用空腔(11)中露出的减薄硅芯 片(1 上键合有封装玻璃基板(1 且由设在封装玻璃基板(1 的键合用凸台(1 与所 露出的减薄硅芯片(1 键合，在封装玻璃基板(1 设有能使电引出焊盘(10)露出的电引 出用通孔(14)。
2.—种权利要求1所述的基于阳极键合工艺的热式风速风向传感器的制备方法，其特 征在于第一步，硅芯片的制备步骤1，在硅芯片(1)表面热生长第一热氧化层O)；步骤2，在第一热氧化层( 上制备作为热传感测温元件(7) —个端的第一多晶硅 (3)，以及作为多晶硅加热元件的第二多晶硅；步骤3，在第一热氧化层O)、第一多晶硅C3)及第二多晶硅上化学气相淀积第二氧化 层，并由第一热氧化层( 与第二氧化层形成氧化层(6)，并利用刻蚀工艺制备在第一多晶 硅⑶以及多晶硅加热元件⑷上方氧化层上刻蚀出通孔(5)；步骤4，溅射并图形化金属铝，其中金属铝(8)作为热传感测温元件(7)的另一端以及 电引出端，金属铝(9)作为多晶硅加热元件⑷的电引出端，金属铝(10)作为电引出焊盘； 步骤5，干法刻蚀氧化层(6)直至露出硅衬底，制得键合用空腔(11)； 第二步，封装玻璃基板的制备步骤1，准备与硅芯片(1)尺寸外形相同的封装玻璃基板(12)； 步骤2，在封装玻璃基板(1 的上表面利用光刻工艺和湿法腐蚀工艺对封装玻璃基板 (12)正表面进行选择性腐蚀，制备出键合用凸台(13)；步骤3，在封装玻璃基板(1 上表面利用激光刻蚀工艺制备电引出用通孔(14)； 第三步，后处理步骤1，阳极键合封装利用硅-玻璃阳极键合技术，将硅芯片(1)的正表面和封装玻 璃基板(1 的键合用凸台(1 表面进行阳极键合；步骤2，硅芯片(1)减薄利用减薄工艺对键合后的芯片中的硅芯片(1)进行减薄，完 成减薄硅芯片(15)的制备；步骤3，陶瓷片贴封将陶瓷传感基板(17)通过导热胶(16)贴封于减薄硅芯片(15)的 背面；第四步，划片，完成传感器的制作。
全文摘要
本发明公开一种基于阳极键合工艺的圆片级封装热式风速风向传感器，包括以下步骤第一步，硅芯片的制备，利用标准CMOS工艺制作加热元件、热传感测温元件和电引出焊盘，并利用MEMS干法刻蚀工艺刻蚀掉硅芯片正表面阳极键合区域的氧化层，露出硅基。第二步，封装玻璃基板的制备，利用湿法腐蚀工艺制备阳极键合用凸台，并利用激光刻蚀工艺制备电引出用通孔；第三步，利用阳极键合技术将硅芯片和封装玻璃基板实现键合封装；第四步，利用减薄工艺对硅芯片衬底进行减薄；第五步，将陶瓷传感基板贴封至减薄后的对芯片背面；第六步，划片，完成传感器的制备。整个传感器的制备过程，所使用的制备工艺与标准CMOS工艺兼容，后处理工艺简单，封装阳极键合技术实现对传感用硅芯片的正面保护，陶瓷基本贴封至减薄后的硅芯片背面一方面作为热敏感材料感知外界环境中风的变化，另一方面用于保护硅芯片。传感器的实现了圆片级封装，具有工艺一致性高，兼容性好，后续工艺简单，低成本的特点。
文档编号B81C1/00GK102082105SQ20101057397
公开日2011年6月1日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年12月6日
发明者秦明, 董自强, 黄庆安 申请人:东南大学