一种微型MEMS压阻压力传感器的制备方法

一种微型mems压阻压力传感器的制备方法
技术领域
1.本发明涉及传感器制造技术领域，特别涉及一种微型mems压阻压力传感器的制备方法。

背景技术：

2.微型mems压力传感器具有功耗低、重量轻、体积小、测量精度高、成本低、对检测目标影响小等优点，广泛应用于航空航天、医学、汽车与消费电子领域。压阻式压力传感器的工作原理是通过弹性膜片在压力下发生变形，从而引起压敏电阻的阻值变化。与电容式/谐振式压力传感器相比，压阻式压力传感器的制作工艺与后续电路处理简单，输出线性度更好，更容易制作出小尺寸器件，因而更受到关注。
3.压阻式压力传感器微型化的方向主要集中在压阻薄膜面积的减小，电路布局的优化与底硅的减薄。其中，薄膜长度的减小以及优化的电路布局是对传感器在二维平面进行缩小。在厚度方向上，通常采用反应离子深刻蚀(drie)与化学机械抛光(cmp)相结合的技术，刻蚀出具有100um以上深度的空腔，从而制作出厚度在100um以上的压力传感器。不过，持续减薄底硅会导致晶圆在后续处理工艺中出现难以避免的碎裂，从而影响器件成品率。

技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提供一种微型mems压阻压力传感器的制备方法，旨在改善现有技术中，持续减薄底硅会导致晶圆在后续处理工艺中出现碎裂的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提供一种微型mems压阻压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
6.a：采用刻蚀工艺在soi晶圆的顶硅层刻蚀出对版标记；
7.b：采用两次离子注入和退火，在soi晶圆的顶硅层分别形成欧姆接触区、压敏电阻和参考电阻；
8.c：在soi晶圆的顶硅层上制作金属电极，并对金属电极与欧姆接触区进行欧姆接触退火；
9.d：在soi晶圆的顶硅层上制作第一金属薄膜；
10.e：在第一玻璃片上采用图形化工艺制备第二金属薄膜；
11.f：通过第二金属薄膜和第一金属薄膜对第一玻璃片和soi晶圆热压键合；
12.g：采用化学机械抛光方法对soi晶圆的背硅层进行减薄；
13.h：在soi晶圆的背硅层上，感压薄膜对应的位置上制备图形化的光刻胶，并作为掩模，采用bosch工艺刻蚀所述soi晶圆的背硅层，刻蚀截至到埋氧层；
14.i：腐蚀埋氧层，去光刻胶掩膜，清洗soi晶圆；
15.j：采用阳极键合方法将soi晶圆的背硅层与第二玻璃片进行键合；
16.k：采用化学机械抛光方法对第二玻璃片进行减薄；
17.l：按照压力传感器尺寸进行划片；
18.m：将裂片后的mems器件放在化学溶液中腐蚀用于热压键合的第二金属薄膜和第一金属薄膜，去除第一玻璃片。
19.可选地，顶硅层为n型高阻硅材料，厚度在0.1um到5um之间；
20.欧姆接触区、压敏电阻、以及参考电阻为p型硅材料，并且所采用两次离子注入为硼注入。
21.可选地，感压薄膜位于soi晶圆的顶硅层上，感压薄膜的形状为方形或圆形；
22.压敏电阻位于感压薄膜的内部边缘，压敏电阻的形状为方形或π形或u形；
23.参考电阻与压敏电阻的形状尺寸相同，参考电阻位于感压薄膜的外部。
24.可选地，欧姆接触区位于压敏电阻和参考电阻两端，并与压敏电阻和参考电阻相连。
25.可选地，金属电极位于顶硅层上表面，并与欧姆接触区相连，金属电极的厚度为50nm-2um，金属电极的制成材料为能常用于与p型硅产生欧姆接触的金属材料；
26.第一金属薄膜位于顶硅层的上表面，且不与金属电极接触，第一金属薄膜的厚度大于金属电极，第一金属薄膜的制成材料为常用于晶圆热压键合的金属材料。
27.可选地，第一玻璃片的厚度为100微米到1毫米之间，并且至少一面为抛光面，表面粗糙度小于2nm。
28.可选地，第二金属薄膜位于第一玻璃片抛光一侧表面，第二金属薄膜的制成材料为常用于晶圆热压键合的金属材料。
29.可选地，背硅层减薄抛光后的厚度为10微米到100微米之间，背硅层表面的粗糙度小于2nm。
30.可选地，第二玻璃片与soi晶圆之间的阳极键合的键合气压在0.001mbar-1bar，并且键合后第二玻璃片与背硅层和感压薄膜之间密封腔的气压在1mbar-1bar。
31.可选地，步骤m中的化学溶液对不同的金属材料具有选择性腐蚀能力；
32.其中，化学溶液对第一金属薄膜和第二金属薄膜具有腐蚀性，对金属电极没有腐蚀性或腐蚀性微弱。
33.本发明提供的基于临时键合的微型mems压阻式压力传感器的制备方法，通过热压键合将soi晶圆1与第一玻璃片8临时键合成一个整体，增加了结构的刚度，有利于器件进一步的减薄，一方面保证了后续工艺中晶圆的完整性和器件的成品率，另一方面减薄后的压力传感器可以制作出更浅尺寸的空腔，可以为器件薄膜提供了过载情况下的保护。同时微型mems压阻式压力传感器制作工艺简单，尺寸小，成本低，易集成，广泛应用于航空航天、医疗检测、汽车工业/消费电子等领域，本发明有着可观的经济与社会效益。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
35.图1为本发明提供的微型mems压阻压力传感器的一实施例的结构示意图；
36.图2为本发明提供的微型mems压阻压力传感器的俯视图；
37.图3为本发明提供的微型mems压阻压力传感器的soi晶圆完成压敏电阻、欧姆接触区、引线连接工艺后的示意图；
38.图4为本发明提供的微型mems压阻压力传感器的soi晶圆与第一玻璃片热压键合后的示意图；
39.图5为本发明提供的微型mems压阻压力传感器的soi晶圆与第一玻璃片热压键合后刻蚀空腔后的示意图；
40.图6为本发明提供的微型mems压阻压力传感器的去除上面第一玻璃片后的最终结构示意图。
41.附图标号说明：
42.标号名称标号名称1soi晶圆11埋氧层2顶硅层12感压薄膜3对版标记13参考电阻4欧姆接触区14第二玻璃片5压敏电阻
ꢀꢀ
6金属电极
ꢀꢀ
7第一金属薄膜
ꢀꢀ
8第一玻璃片
ꢀꢀ
9第二金属薄膜
ꢀꢀ
10背硅层
ꢀꢀ
43.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
46.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a和b同时满足的方案。还有就是，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
47.请参阅图1-图2所示，本发明提供一种微型mems压阻式压力传感器结构，顶部用于临时键合的第一玻璃片8，采用的具体型号是pyrex7740，厚度可以为300um～1mm，通过临时
键合料与背面带有凹腔的顶硅层2热压键合在一起，键合料包括第二金属薄膜9和第一金属薄膜7。形成于该顶硅层2正面的高掺杂注入欧姆接触区4和压敏电阻5，该压敏电阻5由刻蚀背硅层10与腐蚀埋氧层11得到的感压薄膜12形成，压敏电阻5可以是一个、两个(未图示)或4个(未图示)构成惠斯通电桥的形式。该压敏电阻5通过高掺杂注入欧姆接触区4与金属电极6形成欧姆接触，形成的该欧姆接触作为引出电极。利用cmp减薄后的背硅层10，其厚度可以为30um～400um，通过硅-玻璃阳极键合与pyrex7740基底14键合在一起。
48.本发明的实施方式是结合mems硅加工工艺，在顶硅层2通过离子注入制备出压敏电阻5，在背硅层2通过刻蚀制备出空腔，并且在soi晶圆1正反两面进行两次键合，分别充当用作保护的临时键合片和用作空腔密封的基底，整体是三明治结构。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的概率，也可以实现更薄的器件厚度。
49.请参阅图3-图6所示，制备工艺的具体过程如下：
50.a：选取soi晶圆1，soi晶圆是由2um厚的顶硅层2、800nm的埋氧层11以及450um的底硅层10这三个部分组成的，采用icp刻蚀工艺在顶硅层2刻蚀出对版标记3。
51.b：采用两次离子注入，在soi晶圆1的顶硅层2分别形成高掺杂注入欧姆接触区4和压敏电阻5，通过合理调节注入能量与注入剂量，来实现目标掺杂浓度；欧姆接触区4的离子注入剂量为5e15cm-3，压敏电阻5区域的离子注入剂量为2e14cm-3，两次注入能量均为30kev。
52.c：在soi晶圆1顶硅层2的欧姆接触区域4通过磁控溅射铝，制作金属电极6，厚度为1um。
53.d：在soi晶圆1顶硅层2制作用于热压键合的第一金属薄膜7，具体材料为铜，厚度为500nm。
54.e：在第一玻璃片8上通过磁控溅射铜制作用于热压键合的第二金属薄膜9，厚度为500nm，并对金属薄膜进行图形化刻蚀，保证第一玻璃片8上与对版标记3是相同的坐标位置区域，没有金属薄膜覆盖。
55.f：将第一玻璃片8与soi晶圆1的顶硅层2一侧进行热压键合，保证从第一玻璃片8一侧可以看到soi晶圆1上的对版标记3，热压键合强度通过键合时间、温度和压强进行调节。
56.g：采用化学机械抛光方法对soi晶圆1的背硅层10进行减薄，通过研磨料的颗粒度和研磨时间控制减薄厚度。
57.h)：在soi晶圆1的背硅层10采用紫外光刻的方法，图形化光刻胶，并利用光刻胶作为掩模对soi晶圆1的背硅层10进行刻蚀，刻蚀深度截至到埋氧层11。
58.i)：采用boe溶液腐蚀埋氧层11，并去除作为背硅刻蚀掩模的光刻胶，制作出感压薄膜12。
59.j：采用硅-玻璃阳极键合方法将soi晶圆1的背硅层10与第二玻璃片14进行键合。
60.k：采用化学机械抛光方法对第二玻璃片14进行减薄，减薄厚度为400um，剩余50um。
61.l：采用砂轮划片机进行划片，器件尺寸为1600um
×
500um
×
100um。
62.m：将裂片后的mems器件放在释放溶液中腐蚀用于热压键合的第一金属薄膜7和第二金属薄膜9，去除第一玻璃片8，完成mems压阻式压力传感器的制造，通过调节腐蚀液比例
(h2o2∶h2so4∶h2o＝1∶1∶40)、腐蚀温度为70℃，及腐蚀时间为30min，使得键合料与soi压力传感器的分离。
63.需要说明的是：顶硅层2为n型高阻硅材料，厚度在0.1um到5um之间；欧姆接触区4、压敏电阻5、以及参考电阻13为p型硅材料，并且所采用两次离子注入为硼注入。感压薄膜12位于顶硅层2上，感压薄膜12的形状为方形或圆形；压敏电阻5位于感压薄膜12的内部边缘，压敏电阻5的形状为方形或π形或u形；参考电阻13与压敏电阻5的形状尺寸相同，参考电阻13位于感压薄膜12的外部。欧姆接触区4位于压敏电阻5和参考电阻13两端，并与压敏电阻5和参考电阻13相连。金属电极6位于顶硅层2上表面，并与欧姆接触区4相连，金属电极6的厚度为50nm-2um，金属电极6的制成材料为能常用于与p型硅产生欧姆接触的金属材料，具体为铝、钛金等mems器件常用的电极材料。
64.第一金属薄膜7位于顶硅层2的上表面，且不与金属电极6接触，第一金属薄膜7的厚度大于金属电极6，第一金属薄膜7的制成材料为常用于晶圆热压键合的金属材料。第一玻璃片8的厚度为100微米到1毫米之间，并且至少一面为抛光面，表面粗糙度小于2nm。第二金属薄膜9位于所述第一玻璃片8抛光一侧表面，第二金属薄膜9的制成材料为常用于晶圆热压键合的金属材料。背硅层10减薄抛光后的厚度为10微米到100微米之间，背硅层10表面的粗糙度小于2nm。第二玻璃片14与soi晶圆1之间的阳极键合的键合气压在0.001mbar-1bar，并且键合后第二玻璃片14与背硅层10和感压薄膜12之间密封腔的气压在1mbar-1bar。在步骤m中的化学溶液对不同的金属材料具有选择性腐蚀能力；其中，化学溶液对第一金属薄膜7和第二金属薄膜9具有腐蚀性，对金属电极6没有腐蚀性或腐蚀性微弱。
65.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：

1.一种微型mems压阻压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：a：采用刻蚀工艺在soi晶圆(1)的顶硅层(2)刻蚀出对版标记(3)，soi晶圆是由顶硅层(2)，埋氧层(11)和底硅层(10)组成；b：采用两次离子注入和退火，在所述soi晶圆(1)的所述顶硅层(2)分别形成欧姆接触区(4)、压敏电阻(5)和参考电阻(13)；c：在所述soi晶圆(1)的所述顶硅层(2)上制作金属电极(6)，并对所述金属电极(6)与所述欧姆接触区(4)进行欧姆接触退火；d：在所述soi晶圆(1)的所述顶硅层(2)上制作第一金属薄膜(7)；e：在第一玻璃片(8)上采用图形化工艺制备第二金属薄膜(9)；f：通过所述第二金属薄膜(9)和所述第一金属薄膜(7)对所述第一玻璃片(8)和所述soi晶圆(1)光刻对准、热压键合；g：采用化学机械抛光方法对所述soi晶圆(1)的背硅层(10)进行减薄；h：在所述soi晶圆(1)的所述背硅层(10)上，感压薄膜(12)对应的位置上制备图形化的光刻胶，并作为掩模，采用bosch艺刻蚀所述soi晶圆(1)的所述背硅层(10)，刻蚀截至到埋氧层(11)；i：腐蚀所述埋氧层(11)，去光刻胶掩膜，清洗所述soi晶圆(1)；j：采用阳极键合方法将所述soi晶圆(1)的所述背硅层(10)与第二玻璃片(14)进行键合；k：采用化学机械抛光方法对第二玻璃片(14)进行减薄；l：按照压力传感器尺寸进行划片；m：将裂片后的mems器件放在化学溶液中腐蚀用于热压键合的所述第二金属薄膜(9)和所述第一金属薄膜(7)，去除所述第一玻璃片(8)。2.如权利要求1所述的微型mems压阻压力传感器的制备方法，其特征在于，所述顶硅层(2)为n型高阻硅材料，厚度在0.1um到5um之间；所述欧姆接触区(4)、所述压敏电阻(5)、以及所述参考电阻(13)为p型硅材料，并且所采用两次离子注入为硼注入。3.如权利要求1所述的微型mems压阻压力传感器的制备方法，其特征在于，所述感压薄膜(12)位于所述soi晶圆(1)的所述顶硅层(2)上，所述感压薄膜(12)的形状为方形或圆形；所述压敏电阻(5)位于所述感压薄膜(12)的内部边缘，所述压敏电阻(5)的形状为方形或π形或u形；所述参考电阻(13)与所述压敏电阻(5)的形状尺寸相同，所述参考电阻(13)位于所述感压薄膜(12)的外部。4.如权利要求1所述的微型mems压阻压力传感器的制备方法，其特征在于，所述欧姆接触区(4)位于所述压敏电阻(5)和所述参考电阻(13)两端，并与所述压敏电阻(5)和所述参考电阻(13)相连。5.如权利要求1所述的微型mems压阻压力传感器的制备方法，其特征在于，所述金属电极(6)位于所述顶硅层(2)上表面，并与所述欧姆接触区(4)相连，所述金属电极(6)的厚度为50nm-2um，所述金属电极(6)的制成材料为能常用于与p型硅产生欧姆接触的金属材料；所述第一金属薄膜(7)位于所述顶硅层(2)的上表面，且不与所述金属电极(6)接触，所
述第一金属薄膜(7)的厚度大于所述金属电极(6)，所述第一金属薄膜(7)的制成材料为常用于晶圆热压键合的金属材料。6.如权利要求1所述的微型mems压阻压力传感器的制备方法，其特征在于，所述第一玻璃片(8)的厚度为100微米到1毫米之间，并且至少一面为抛光面，其中抛光面表面粗糙度小于2nm。7.如权利要求6所述的微型mems压阻压力传感器的制备方法，其特征在于，所述第二金属薄膜(9)位于所述第一玻璃片(8)抛光一侧表面，所述第二金属薄膜(9)的制成材料为常用于晶圆热压键合的金属材料。8.如权利要求1所述的微型mems压阻压力传感器的制备方法，其特征在于，所述背硅层(10)减薄抛光后的厚度为10微米到100微米之间，所述背硅层(10)表面的粗糙度小于2nm。9.如权利要求1所述的微型mems压阻压力传感器的制备方法，其特征在于，所述第二玻璃片(14)与所述soi晶圆(1)之间的阳极键合的键合气压在0.001mbar-1bar，并且键合后所述第二玻璃片(14)与所述背硅层(10)和所述感压薄膜(12)之间密封腔的气压在1mbar-1bar。10.如权利要求1所述的微型mems压阻压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤m中的所述化学溶液对不同的金属材料具有选择性腐蚀能力；其中，所述化学溶液对所述第一金属薄膜(7)和所述第二金属薄膜(9)具有腐蚀性，对所述金属电极(6)没有腐蚀性或腐蚀性微弱。

技术总结

本发明提供一种微型MEMS压阻压力传感器的制备方法，在顶硅层通过离子注入制备出压敏电阻，在背硅层通过刻蚀制备出空腔，并且在SOI晶圆正反两面进行两次键合，分别充当用作保护的临时键合片和用作空腔密封的基底，整体是三明治结构。这种结构保证了器件的刚度，降低在后续加工工艺中晶圆发生碎裂的概率，也可以实现更薄的器件厚度。实现微型化，减薄器件厚度及后续器件的保护，采用临时键合该微机械压阻压力传感器可以在SOI片磨抛减薄中起到正面保护的作用，同时由于键合后上层临时键合片的存在，保证了整体的刚度，避免后续工艺中因片子过薄引起的碎裂，并且易于后续分离。并且易于后续分离。并且易于后续分离。