一種基于MEMS的雙梁式微壓感測芯體及其制備工藝的制作方法
一種基于mems的雙梁式微壓感測芯體及其制備工藝
技術領域
1.本發明屬于微壓感測技術領域，具體為一種基于mems的雙梁式微壓感測芯體及其制備工藝。
背景技術：
2.微機電系統，也就是micro-electro-mechanical system，該工藝簡稱mems工藝，以半導體微細加工技術和超精密機械加工技術為基礎，mems器件的尺度往往在μm至mm范圍內，它可以通過集成電路行業熟悉的大多數工藝制造。為了測量環境壓力，不同感測原理的mems壓力傳感器被研發出來，其中包括壓阻式(電阻率變化)、電容式(電容變化)、壓電式(產生電荷)、光學和共振式(共振頻率變化)傳感。這些傳感技術都有各自的優缺點，但壓阻式壓力傳感器由于體積小、靈敏度高、成本低和制造簡單，已成為各種應用中最受歡迎的選擇。但是目前壓桿側芯體存在一些問題：在微壓感測領域，器件的線性度和靈敏度一直是制約mems壓阻式壓力感測芯體的在該領域大規模應用的關鍵因素。為了感測較低的壓力(≤5kpa)，靈敏度必須足夠大，若采用平膜結構，敏感薄膜必須很薄，然而，較薄的膜又會導致較大的膜撓度，從而帶來較差的線性度。為了緩解靈敏度和線性度之間的矛盾，目前采取的策略是在敏感薄膜背面刻蝕出島結構，島的形狀可以是圓形或者方形，島的數量可以是一個或者兩個，并且適當增加敏感薄膜尺寸，在此基礎上可以緩解靈敏度和線性度的矛盾。但這同時增加了芯體的尺寸。壓阻條需要放置在敏感薄膜上的精確位置，島結構的制備增加了光刻對準的難度，稍有偏差會大大影響大大降低壓力與傳感器輸出信號精度，使得mems感測芯體的良率很低。另外增加尺寸單顆芯體的成本也會增加。因此，需要設計一種基于mems的雙梁式微壓感測芯體及其制備工藝。
技術實現要素：
3.本發明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種基于mems的雙梁式微壓感測芯體及其制備工藝，解決了背景技術中提到的問題。
4.為了解決上述問題，本發明提供了一種基于mems的雙梁式微壓感測芯體及其制備工藝技術方案：
5.一種基于mems的雙梁式微壓感測芯體，包括壓力感測芯體和金屬焊盤、互聯引線、壓阻條、敏感薄膜、鈍化層、絕緣層、背腔、支撐基底支撐，所述壓力感測芯體上除了用于后續引線鍵合的金屬焊盤區域外，其余均被表面鈍化層覆蓋，金屬焊盤與互聯引線將四個壓阻條以開環的惠斯通形式連接起來，所述壓阻條包括橫向壓阻條與縱向壓阻條，被布置在敏感薄膜的應力集中區域，敏感薄膜懸空于背腔之上且通過支撐基底支撐，壓阻條與互聯引線之間除了觸點位置外，其余均被絕緣層隔開，敏感薄膜上有通過刻蝕形成的凹槽，凸起中心塊和雙梁式結構。
6.一種基于mems的雙梁式微壓感測芯體的制備工藝，包括如下步驟：
7.a)利用濕法腐蝕體硅工藝在基底晶圓上腐蝕出v字形結構的空間，用于壓力感測
芯體的背腔；
8.b)利用鍵合工藝，在形成背腔的硅晶圓上鍵合用于制備敏感薄膜的硅晶圓；
9.c)利用機械減薄工藝，將敏感薄膜層的晶圓減薄至指定的厚度；
10.d)利用熱氧化工藝，將鍵合的晶圓表面沉積一層氧化硅，利用濃硼摻雜和淡硼摻雜工藝在單晶硅片壓力敏感薄膜上制備出歐姆接觸區和壓阻條，注入完成后采用退火工藝對注入造成的晶格損傷進行修復；
11.e)利用腐蝕工藝將敏感薄膜層上的氧化硅層腐蝕掉，利用mems薄膜沉積工藝在單晶硅壓力敏感薄膜上沉積形成絕緣層，厚度為450nm；并利用刻蝕工藝在絕緣層上開出壓阻條的端點電學接觸孔；利用mems薄膜沉積工藝在絕緣層上沉積形成al金屬薄膜，并通過圖形化工藝然后刻蝕形成金屬互聯引線，然后利用退火工藝以確保壓阻條與金屬al之間的歐姆接觸區的形成；
12.f)圖形化工藝后，通過刻蝕工藝在敏感薄膜層正面，刻蝕出相應的應力集中的凹槽；
13.g)利用mems薄膜沉積工藝在圖形化金屬引線的上一層沉積形成表面鈍化層，厚度約為500nm；
14.h)利用刻蝕工藝在表面鈍化層上開出四個圖形化金屬引線的pad位置處與外部進行打線的電極孔，可選地，背部硅基底的機械減薄可根據制備壓力感測芯體的應用類型選擇減薄和不減薄，若為絕壓類型則不必減薄，若為差壓類型，則減薄背部基底，至背腔可與外界連通為止。
15.作為優選，所述a)步驟中的腐蝕背腔工藝選用濕法腐蝕工藝。
16.作為優選，所述b)步驟中的鍵合工藝為熔融鍵合工藝。
17.作為優選，所述d)步驟中利用濃硼摻雜和淡硼摻雜工藝在單晶硅片壓力敏感薄膜上制備出歐姆接觸區和壓阻條，根據工藝情況省略濃硼摻雜工藝，將壓阻條區域直接與金屬引線互聯。
18.作為優選，所述d)步驟中的mems薄膜沉積工藝為熱氧化工藝、低壓化學氣相沉積工藝、等離子增強化學氣相沉積工藝中的一種。
19.作為優選，所述e)步驟中的mems金屬薄膜沉積工藝為濺射沉積工藝、電子束蒸發沉積工藝、加熱蒸發沉積工藝中的一種。
20.作為優選，所述e)、f)、h)步驟中的刻蝕工藝為干法離子刻蝕工藝、氣相腐蝕工藝、濕法各向異性腐蝕工藝、濕法各向同性腐蝕工藝中的一種。
21.本發明的有益效果是：本發明涉及一種基于mems的雙梁式微壓感測芯體及其制備工藝，具有便于加工與傳感靈敏的特點，在具體的使用中，與傳統的基于mems的雙梁式微壓感測芯體及其制備工藝相比較而言，本基于mems的雙梁式微壓感測芯體及其制備工藝具有以下有益效果：
22.1、雙梁式的敏感薄膜結構設計，增加應力的集中度和均一度，規避了島結構的制備工藝復雜的難點。
23.2、本發明在芯體尺寸為2
×
2mm(不含劃片道)，敏感薄膜厚為15um的情況下，量程可低至2.5kpa。
24.3、背腔采用濕法腐蝕與熔融鍵合相結合的制備工藝，相較與常見的濕法腐蝕方
案，減小了背腔開口區域對基底支撐區域的占用率，大大提升了晶圓的利用率。
25.4、本發明壓力感測芯體完全采用硅質晶圓，避免了鍵合玻璃基片所帶來的不易腐蝕通氣孔和后續切割的工藝難點，以及玻璃與硅的熱膨脹系數不同所帶來的熱應力。
附圖說明：
26.為了易于說明，本發明由下述的具體實施及附圖作以詳細描述。
27.圖1為本發明mems壓阻式壓力感測芯體的立體結構示意圖；
28.圖2為本發明的圖1的壓力感測芯體正面俯視圖；
29.圖3為本發明的圖1的壓力感測芯體剖面示意圖；
30.圖4為本發明的圖3的正梯形臺背腔與v字形背腔的芯片利用率比較示意圖；
31.圖5為本發明的壓力感測芯體剖面示意圖；
32.圖6為本發明的制備a步驟剖面示意圖；
33.圖7為本發明的制備b步驟剖面示意圖；
34.圖8為本發明的制備c步驟剖面示意圖；
35.圖9為本發明的制備d步驟剖面示意圖；
36.圖10為本發明的制備e步驟剖面示意圖；
37.圖11為本發明的制備f步驟剖面示意圖；
38.圖12為本發明的制備g步驟剖面示意圖；
39.圖13為本發明的制備h步驟剖面示意圖。
40.圖中：1、壓力感測芯體；2、金屬焊盤；3、金屬引線；4、壓阻條；4-1、橫向壓阻條；4-2、縱向壓阻條；5、中心塊；6、雙梁式結構；7、凹槽區域；8、敏感薄膜；9、表面鈍化層；10、絕緣層；11、背腔；12、支撐基底支撐。
具體實施方式：
41.如圖1-13所示，本具體實施方式采用以下技術方案：
42.實施例：
43.一種基于mems的雙梁式微壓感測芯體，包括壓力感測芯體1和金屬焊盤2、互聯引線 3、壓阻條 4、敏感薄膜 8、鈍化層 9、絕緣層 10、背腔 11、支撐基底支撐12，所述壓力感測芯體1上除了用于后續引線鍵合的金屬焊盤2區域外，其余均被表面鈍化層9覆蓋，可以防止感測芯體在實際工作時被外界干擾，金屬焊盤2與互聯引線3將四個壓阻條4以開環的惠斯通形式連接起來，所述壓阻條4包括橫向壓阻條4-1與縱向壓阻條4-2，被布置在敏感薄膜8的應力集中區域，敏感薄膜8懸空于背腔11之上且通過支撐基底支撐12，壓阻條4與互聯引線3之間除了觸點位置外，其余均被絕緣層10隔開，敏感薄膜上有通過刻蝕形成的凹槽7，凸起中心塊5和雙梁式結構6。
44.一種基于mems的雙梁式微壓感測芯體的制備工藝，包括如下步驟：
45.a)利用濕法腐蝕體硅工藝在基底晶圓上腐蝕出v字形結構的空間，用于壓力感測芯體1的背腔11；
46.b)利用鍵合工藝，在形成背腔11的硅晶圓上鍵合用于制備敏感薄膜8的硅晶圓；
47.c)利用機械減薄工藝，將敏感薄膜層的晶圓減薄至指定的厚度；
48.d)利用熱氧化工藝，將鍵合的晶圓表面沉積一層氧化硅，利用濃硼摻雜和淡硼摻雜工藝在單晶硅片壓力敏感薄膜上制備出歐姆接觸區和壓阻條4，注入完成后采用退火工藝對注入造成的晶格損傷進行修復；
49.e)利用腐蝕工藝將敏感薄膜層上的氧化硅層腐蝕掉，利用mems薄膜沉積工藝在單晶硅壓力敏感薄膜上沉積形成絕緣層10，厚度為450nm；并利用刻蝕工藝在絕緣層10上開出壓阻條4的端點電學接觸孔；利用mems薄膜沉積工藝在絕緣層10上沉積形成al金屬薄膜，并通過圖形化工藝然后刻蝕形成金屬互聯引線，然后利用退火工藝以確保壓阻條4與金屬al之間的歐姆接觸區的形成；
50.f)圖形化工藝后，通過刻蝕工藝在敏感薄膜層正面，刻蝕出相應的應力集中的凹槽；
51.g)利用mems薄膜沉積工藝在圖形化金屬引線3的上一層沉積形成表面鈍化層9，厚度約為500nm；
52.h)利用刻蝕工藝在表面鈍化層9上開出四個圖形化金屬引線3的pad位置處與外部進行打線的電極孔，可選地，背部硅基底的機械減薄可根據制備壓力感測芯體1的應用類型選擇減薄和不減薄，若為絕壓類型則不必減薄，若為差壓類型，則減薄背部基底，至背腔11可與外界連通為止。
53.其中，所述a)步驟中的腐蝕背腔11工藝選用濕法腐蝕工藝。
54.其中，所述b)步驟中的鍵合工藝為熔融鍵合工藝。
55.其中，所述d)步驟中利用濃硼摻雜和淡硼摻雜工藝在單晶硅片壓力敏感薄膜上制備出歐姆接觸區和壓阻條4，根據工藝情況省略濃硼摻雜工藝，將壓阻條4區域直接與金屬引線3互聯。
56.其中，所述d)步驟中的mems薄膜沉積工藝為熱氧化工藝、低壓化學氣相沉積工藝、等離子增強化學氣相沉積工藝中的一種。
57.其中，所述e)步驟中的mems金屬薄膜沉積工藝為濺射沉積工藝、電子束蒸發沉積工藝、加熱蒸發沉積工藝中的一種。
58.其中，所述e)、f)、h)步驟中的刻蝕工藝為干法離子刻蝕工藝、氣相腐蝕工藝、濕法各向異性腐蝕工藝、濕法各向同性腐蝕工藝中的一種。
59.以上內容描述了本發明的基本原理、主要特征和本發明的優點，本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內，本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
技術特征：
1.一種基于mems的雙梁式微壓感測芯體，包括壓力感測芯體(1)和金屬焊盤(2)、互聯引線(3)、壓阻條(4)、敏感薄膜(8)、鈍化層(9)、絕緣層(10)、背腔(11)、支撐基底支撐(12)，其特征在于：所述壓力感測芯體(1)上除了用于后續引線鍵合的金屬焊盤(2)區域外，其余均被表面鈍化層(9)覆蓋，金屬焊盤(2)與互聯引線(3)將四個壓阻條(4)以開環的惠斯通形式連接起來，所述壓阻條(4)包括橫向壓阻條(4-1)與縱向壓阻條(4-2)，被布置在敏感薄膜(8)的應力集中區域，敏感薄膜(8)懸空于背腔(11)之上且通過支撐基底支撐(12)，壓阻條(4)與互聯引線(3)之間除了觸點位置外，其余均被絕緣層(10)隔開，敏感薄膜(8)上有通過刻蝕形成的凹槽(7)、凸起中心塊(5)和雙梁式結構(6)。2.根據權利要求1所述的一種基于mems的雙梁式微壓感測芯體的制備工藝，其特征在于：包括如下步驟：a)利用濕法腐蝕體硅工藝在基底晶圓上腐蝕出v字形結構的空腔，作為壓力感測芯體(1)的背腔(11)；b)利用鍵合工藝，在形成背腔(11)的硅晶圓上鍵合用于制備敏感薄膜(8)的硅晶圓；c)利用機械減薄工藝，將敏感薄膜層的晶圓減薄至指定的厚度；d)利用熱氧化工藝，將鍵合的晶圓表面沉積一層氧化硅，利用濃硼摻雜和淡硼摻雜工藝在單晶硅片壓力敏感薄膜上制備出歐姆接觸區和壓阻條(4)，注入完成后采用退火工藝對注入造成的晶格損傷進行修復；e)利用腐蝕工藝將敏感薄膜層上的氧化硅層腐蝕掉，利用mems薄膜沉積工藝在單晶硅壓力敏感薄膜上沉積形成絕緣層(10)，厚度為450nm；并利用刻蝕工藝在絕緣層(10)上開出壓阻條(4)的端點電學接觸孔；利用mems薄膜沉積工藝在絕緣層(10)上沉積形成al金屬薄膜，并通過圖形化工藝然后刻蝕形成金屬互聯引線，然后利用退火工藝以確保壓阻條(4)與金屬al之間的歐姆接觸區的形成；f)圖形化工藝后，通過刻蝕工藝在敏感薄膜層正面，刻蝕出相應的應力集中的凹槽；g)利用mems薄膜沉積工藝在圖形化互聯引線(3)的上一層沉積形成表面鈍化層(9)，厚度約為500nm；h)利用刻蝕工藝在表面鈍化層(9)上開出四個圖形化金屬引線(3)的pad位置處與外部進行打線的電極孔，可選地，背部硅基底的機械減薄可根據制備壓力感測芯體(1)的應用類型選擇減薄和不減薄，若為絕壓類型則不必減薄，若為差壓類型，則減薄背部基底，至背腔(11)可與外界連通為止。3.根據權利要求2所述的一種基于mems的雙梁式微壓感測芯體的制備工藝，其特征在于：所述a)步驟中的腐蝕背腔(11)工藝選用濕法腐蝕工藝。4.根據權利要求2所述的一種基于mems的雙梁式微壓感測芯體的制備工藝，其特征在于：所述b)步驟中的鍵合工藝為熔融鍵合工藝。5.根據權利要求2所述的一種基于mems的雙梁式微壓感測芯體的制備工藝，其特征在于：所述d)步驟中利用濃硼摻雜和淡硼摻雜工藝在單晶硅片壓力敏感薄膜上制備出歐姆接觸區和壓阻條(4)，根據工藝情況省略濃硼摻雜工藝，將壓阻條(4)區域直接與金屬引線(3)互聯。6.根據權利要求2所述的一種基于mems的雙梁式微壓感測芯體的制備工藝，其特征在于：所述d)步驟中的mems薄膜沉積工藝為熱氧化工藝、低壓化學氣相沉積工藝、等離子增強
化學氣相沉積工藝中的一種。7.根據權利要求2所述的一種基于mems的雙梁式微壓感測芯體的制備工藝，其特征在于：所述e)步驟中的mems金屬薄膜沉積工藝為濺射沉積工藝、電子束蒸發沉積工藝、加熱蒸發沉積工藝中的一種。8.根據權利要求2所述的一種基于mems的雙梁式微壓感測芯體的制備工藝，其特征在于：所述e)、f)、h)步驟中的刻蝕工藝為干法離子刻蝕工藝、氣相腐蝕工藝、濕法各向異性腐蝕工藝、濕法各向同性腐蝕工藝中的一種。
技術總結
本發明公開了一種基于MEMS的雙梁式微壓感測芯體，包括壓力感測芯體和金屬焊盤、互聯引線、壓阻條、敏感薄膜、鈍化層、絕緣層、背腔、支撐基底支撐，壓力感測芯體上除了用于后續引線鍵合的金屬焊盤區域外，其余均被表面鈍化層覆蓋，金屬焊盤與互聯引線將四個壓阻條以開環的惠斯通形式連接起來，壓阻條包括橫向壓阻條與縱向壓阻條，被布置在敏感薄膜的應力集中區域，敏感薄膜懸空于背腔之上且通過支撐基底支撐。本發明涉及一種基于MEMS的雙梁式微壓感測芯體及其制備工藝，所述的凸起梁和中心塊結構避免了在微壓領域靈敏度和線性度不可兼顧不足，而且所述的制備工藝可以提高晶圓的利用率。率。率。
