一种压力计芯片结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子机械系统(MEMS)传感器设计领域，涉及一种压力计芯片结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]MEMS(Micro Electro Mechanical System)即微电子机械系统，是新兴的跨学科的高新技术研究领域。基于MEMS技术的压阻式压力传感器由于其出色的精准度和可靠度以及相对便宜的制造成本在现代的市场中得到广泛的应用。自从20世纪50年代中期发现了硅材料的压阻特性，硅基的压阻式压力传感器就被广泛地应用。压阻式传感器的工作原理是在一个方形或者圆形的硅应变薄膜上通过扩散或者离子注入的方式在应力集中区制作四个压力敏感电阻，四个电阻互联构成惠斯顿电桥。当有外界压力施加在硅应变膜上，压敏电阻区域由于应变膜弯曲产生应力，通过压敏电阻的压阻特性，将应力转换为电阻值的变化，最后通过惠斯顿电桥将电阻值的变化转换为输出电压，通过对输出电压与压力值进行标定可以实现对压力的测量。
[0003]典型的压阻式压力传感器的结构主要包含硅应变膜、玻璃底座以及硅应变膜和玻璃底座之间的密闭空腔，在(100)晶面的硅片上通过各向异性(KOH)湿法腐蚀的方式制作空腔并形成硅应变膜，通过空腔所在硅面与玻璃的阳极键合完成空腔的密闭。压敏电阻、重掺杂引线区和金属引线均位于硅片的非键合面上。当所需的应变膜厚度较薄时，需要硅片经历长时间的KOH腐蚀，所形成空腔区域较深，因此无法为应变膜的弯曲变形提供过载保护。此外上述结构空腔的侧面(111)晶面与硅应变膜的(100)晶面存在125.3度的夹角，导致空腔底部向四周延伸，空腔底部所需要的尺寸远远大于硅应变膜的尺寸，芯片实际尺寸受到上述问题的限制无法做到非常小；同时芯片的厚度受到硅片厚度的限制无法变薄到理想厚度，限制了压阻式压力传感器芯片在一些厚度敏感领域的应用。同时，由于上述固定夹角的存在导致在应变膜发生弯曲变形时，应变膜与硅基座(空腔侧壁)之间的夹角连接处较为容易出现应力集中点，该应力集中点在长期压力循环的过程中相比其他区域会较早发生疲劳断裂，对传感器芯片在大过载时的长期可靠性造成潜在的威胁。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对上述问题，提出一种MEMS压阻式压力计芯片结构及其制备方法，该结构相比传统典型结构具有尺寸小，稳定性好、抗过载能力强和长期可靠性高等突出优势。此外针对该芯片结构开发的工艺流程与常规微纳加工技术兼容，器件加工成本低廉，芯片可实现较高的一致性。
[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0006]—种压力计芯片结构，包括:压敏电阻、重掺杂接触区、金属引线、金属电极、硅片、硅片键合面介质层、硅应变膜、玻璃片，所述硅片上制作有浅槽，所述浅槽所在的面为硅片键合面，所述压敏电阻位于所述浅槽的底部，所述重掺杂接触区位于所述浅槽的底部和侧壁以及所述硅片键合面的表面，其上覆有硅片键合面介质层，所述硅片键合面介质层上开有引线孔，与金属引线相连接，所述金属引线和金属电极均位于所述硅片键合面介质层上，所述重掺杂接触区连接所述压敏电阻至金属引线上，所述金属引线另一端连接金属电极，所述硅片键合面与所述玻璃片键合形成密封的空腔，所述硅应变膜为减薄后的硅片非键合面在空腔区域形成的硅膜。
[0007]进一步地，所述硅片键合面上具有金属引线槽，所述金属引线和金属电极位于所述金属引线槽内，所述金属包括Al、T1、Cr、Au、Pt、Pd、Ni。
[0008]一种压力计芯片结构的制备方法，其步骤包括:
[0009]I)在硅片上制作浅槽，浅槽所在面定义为硅片正面；
[0010]2)在上述浅槽的底部制作压敏电阻；
[0011]3)在上述浅槽的底部、浅槽侧壁以及浅槽以外区域制作重掺杂接触区，并在硅片表面制作娃片键合面介质层；
[0012]4)在硅片正面制作引线孔、金属引线和金属电极；
[0013]5)将硅片正面与玻璃片进行阳极键合，形成硅一玻璃键合片；
[0014]其中，在此过程中，硅片浅槽区域被玻璃片密封，形成了真空密封的空腔，压敏电阻密封于上述空腔内。
[0015]6)对硅一玻璃键合片中硅片的非键合面进行减薄处理，空腔所在区域对应的部分硅片成为压力计芯片结构的应变膜(剩余的和玻璃片键合的部分硅片构成压力计芯片结构的框架)；
[0016]7)在硅片的非键合面上进行光刻并刻蚀穿通直至露出键合面处的金属电极，形成硅引线电极槽；
[0017]8)划片，完成压力计芯片结构制备。
[0018]上述步骤I)中制作浅槽的方式包括干法刻蚀和湿法腐蚀两种方式。
[0019]上述步骤2)中的压敏电阻采用离子注入和高温热退火的方式制作。压敏电阻分布于硅片上的应力集中区域(也就是硅一玻璃键合和硅片背面减薄后，空腔对应的区域，即应变膜)。
[0020]上述步骤3)中的重掺杂接触区实现了浅槽内压敏电阻和浅槽外金属引线的电连接，因此其同时存在于浅槽底部、浅槽侧壁和浅槽以外区域。
[0021]上述步骤4)中，通过光刻制作引线孔，所述金属引线和金属电极通过溅射的方法制作，所述金属包括Al、T1、Cr、Au、Pt、Pd、Ni。
[0022]上述步骤5)中，在温度300°C?400°C，压力500?2000N，静电压600?1500V的参数条件下进行阳极键合。
[0023]上述步骤6)中硅片非键合面减薄处理工艺可以采用化学机械抛光(CMP)或者Κ0Η、HNA湿法腐蚀的方式进行。
[0024]本发明为MEMS领域的设计和工艺人员提供了一种新型的MEMS压力计芯片结构及其制备方法，这种方法加工的压力计芯片具有更高的长期工作稳定性和抗过载破坏性能、较高的工艺可靠性，更小的芯片尺寸和成本以及更广阔的应用领域。具体来说本发明具有以下优势:
[0025](I)应变膜和硅片为一体结构，可通过浅槽各向同性腐蚀工艺实现应变膜和硅片的平缓过渡，应变膜在弯曲时不易产生应力集中点，应变膜的可靠性更高，破坏极限更高。
[0026](2)空腔的深度可以通过浅槽腐蚀工艺进行直接的控制，在应变膜受力弯曲时，空腔底部的玻璃片可以为应变膜的变形提供限位保护，因此应变膜具有更高的抗过载能力。
[0027](3)应变膜的形状不受加工工艺限制，可以根据器件参数要求灵活设计:方形、圆形、椭圆形、菱形等。
[0028](4)压敏电阻与应变膜通过正面光刻套准，而不是通过双面光刻套准或者阳极键合进行对准，工艺偏差更小，压敏电阻可以精确分布于靠近应变膜边缘的位置从而获得更高的灵敏度。
[0029](5)压力计芯片空腔几乎不占用芯片的横向空间，因此芯片能够获得较小的横向尺寸。
[0030](6)由于压力计芯片的空腔高度小(仅需2μπι左右)，因此芯片的厚度可以得到有效控制，芯片能够获得较小的纵向尺寸。
[0031](7)压力计芯片的压敏电阻密封于阳极键合形成的真空腔内，不受外界恶劣环境的影响，因此芯片具有更好的长期稳定性。
【附图说明】
[0032]图1为具体实施例中压力计芯片结构的制备方法示意图，其中:
[0033]图1(a)为N型单晶娃片不意图；
[0034]图1(b)为在硅片上通过低压化学气相淀积(LPCVD)的方式制备S12和Si3N4膜的示意图；
[0035]图1(c)为在硅片上完成浅槽掩膜制作的示意图；
[0036]图1(d)为在硅片上通过HNA溶液湿法腐蚀形成浅槽的示意图；
[0037]图1(e)为在硅片的浅槽内利用离子注入制作压敏电阻的示意图；
[0038]图1(f)为在硅片的浅槽的底部、浅槽侧壁和硅片待键合面的表面区域制备重掺杂接触区的示意图；
[0039]图1(g)为去除硅片表面光刻胶和S12掩膜的示意图；
[0040]图1(h)为硅片两面制备S12膜的示意