一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片及其制作方法。該芯片包括一塊單晶硅基片和均集成在該單晶硅基片上的懸臂梁和壓力傳感器；采用單硅片單面微加工方法把懸臂梁和傳感器集成在該單晶硅基片的同一表面，其中，壓力傳感器集成在懸臂梁結(jié)構(gòu)上，參考?jí)毫η惑w直接嵌入在懸臂梁內(nèi)部。這種懸浮式力敏傳感器芯片結(jié)構(gòu)充分依靠懸臂梁尾端活動(dòng)自由結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，使懸臂梁上的壓力傳感器能有效抑制芯片外部封裝應(yīng)力給力敏傳感器檢測(cè)性能帶來的不利影響，實(shí)現(xiàn)了力敏傳感器對(duì)不同材料封裝基板的友好封裝，提高了傳感器的檢測(cè)穩(wěn)定性和封裝環(huán)境適應(yīng)可靠性。本發(fā)明構(gòu)思新穎、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且封裝成本低，具有芯片尺寸小、成本低，滿足大批量生產(chǎn)要求。
【專利說明】一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于硅微機(jī)械傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】。涉及力敏傳感器芯片及其制作方法，特別是涉及一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片及其制作方法，可有效自行抑制封裝應(yīng)力對(duì)力敏傳感器檢測(cè)性能的不利影響，特別適于對(duì)不同材料封裝基板的友好封裝。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的迅猛發(fā)展，硅基壓力傳感器作為MEMS傳感器傳統(tǒng)力學(xué)檢測(cè)器件之一被廣泛應(yīng)用于航空航天、生化醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、汽車電子等領(lǐng)域。例如，力敏傳感器中的壓力傳感器檢測(cè)精度、線性度、重復(fù)性等性能不僅依賴于傳感器芯片合理的傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其相關(guān)制作工藝的嚴(yán)格控制，而且傳感器芯片在后續(xù)應(yīng)用過程中的封裝好壞也會(huì)很大程度影響到傳感器的檢測(cè)性能[H Krassow, D Heimlich, FCampabadal and Lora-Tamay0.Novel Packaging Technique and its Application toa ffet/ffet Differential Pressure Silicon Sensor.1nternational Conference onSolid-State Sensors and Actuators (Transducers，97)，1997:275-278]。傳感器芯片封裝目的主要用來固定和保護(hù)傳感器芯片在不同檢測(cè)環(huán)境中能夠保持正常作業(yè)并免受外部因素破壞。在這些封裝中，由于傳感器芯片通常被固定在不同材料的基板上，然后封裝在金屬管殼里[Bowei Li, G Q Zhang, Fengze Hou and Yang Ha1.The Effect of Diaphragmon Performance of MEMS Pressure Sensor Packaging.1nternational Conference onElectronic Packaging Technology&High Density Packaging, 2010:601_606],由于力敏傳感器不僅對(duì)需要檢測(cè)的工作應(yīng)力敏感，而且對(duì)熱匹配失調(diào)以及機(jī)械封裝所導(dǎo)入的應(yīng)力也一樣敏感。因此，封裝過程機(jī)械管殼安裝所引入的機(jī)械應(yīng)力以及不同材料封裝基板的熱膨脹系數(shù)與傳感器芯片襯底材料的熱膨脹系數(shù)存在差異，在不同物理環(huán)境下兩者之間由于熱匹配失調(diào)而導(dǎo)致了內(nèi)在應(yīng)力，都會(huì)使得傳感器壓力敏檢測(cè)單元(例如:壓力敏感薄膜)發(fā)生不可預(yù)期的形變，從而影響力敏傳感器的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性。因此，力敏傳感器芯片的封裝越來越受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。
[0003]目前，為解決這些封裝上的難題，通常從封裝材料特性選擇以及封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面入手。在封裝材料選擇方面，首先，選擇柔性材料(即，楊氏模量較小的材料)作為外力緩沖中介來盡可能的降低封裝過程中機(jī)械應(yīng)力對(duì)傳感器力敏檢測(cè)單元造成的不利影響，同時(shí)還要求所選取的封裝材料熱膨脹系數(shù)盡可能與傳感器芯片的材料相匹配，進(jìn)一步降低熱匹配失調(diào)所導(dǎo)致的內(nèi)在封裝應(yīng)力；在封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，最常用的方法是在芯片封裝過程中，采用細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)壓管實(shí)現(xiàn)傳感器芯片與金屬封裝管殼的連接，使芯片在垂直于封裝基板方向上盡可能遠(yuǎn)離封裝基板，這就使得封裝應(yīng)力所引起的封裝基板形變很難傳遞到力敏傳感器芯片，進(jìn)而削弱了封裝應(yīng)力對(duì)傳感器檢測(cè)性能的影響。
[0004]雖然這些努力能夠有效地減低了封裝應(yīng)力對(duì)力敏傳感器芯片性能的影響，但是，這些封裝方法工藝復(fù)雜、成本高，特別不適于時(shí)下在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中力敏器件的SMT (表面貼裝封裝)封裝。[0005]鑒于此，本發(fā)明從力敏傳感器芯片自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，提出了一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片及其制作方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題在于提供一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片及制作方法，用于解決現(xiàn)有力敏傳感器芯片在后道封裝應(yīng)用過程中，由于不同材料的封裝基板在不同物理環(huán)境下形變所產(chǎn)生的封裝應(yīng)力給力敏傳感器檢測(cè)性能帶來了不利影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)力敏壓力傳感器芯片低成本、高效率、與不同材料封裝基板的友好且便捷式封裝。
[0007]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片，其特征在于，所述懸浮式力敏傳感器芯片包括:
[0009]單晶硅基片；
[0010]集成在所述單晶硅基片同一表面上的懸臂梁及壓力傳感器；
[0011]所述壓力傳感器集成在所述懸臂梁上且遠(yuǎn)離懸臂梁根部位置；
[0012]其中，所述懸臂梁根部與單晶硅基片連接，且在懸臂梁根部?jī)蓚?cè)分別制作一個(gè)用于釋放懸臂梁受到橫向封裝應(yīng)力的應(yīng)力釋放凹槽；
[0013]所述壓力傳感器包括單晶硅壓力敏感薄膜、位于所述單晶硅壓力敏感薄膜上的四個(gè)壓敏電阻以及位于所述單晶硅壓力敏感薄膜之下嵌入在所述懸臂梁結(jié)構(gòu)內(nèi)的參考?jí)毫η惑w；所述四個(gè)壓敏電阻組成惠斯頓全橋檢測(cè)電路。
[0014]優(yōu)選地，所述單晶娃基片為(111)晶面的單晶娃基片。
[0015]優(yōu)選地，所述懸臂梁為六邊形，任意相鄰兩條邊的夾角為120° ;且該懸臂梁軸線沿〈211〉晶向排布。
[0016]優(yōu)選地，所述單晶硅壓力敏感薄膜為規(guī)則六邊形結(jié)構(gòu)，參考?jí)毫η惑w為順應(yīng)該壓力敏感薄膜形狀的六邊形腔體。
[0017]優(yōu)選地，所述單晶硅壓力敏感薄膜上的壓敏電阻為四個(gè)注入式單晶硅壓敏電阻，且分別兩兩相對(duì)以單晶硅壓力敏感薄膜的中心呈中心對(duì)稱分布，分別位于單晶硅壓力敏感薄膜的兩條相互垂直的對(duì)稱軸上，即分布在其上下左右位置。
[0018]本發(fā)明還提供一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片的制作方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0019]步驟一、提供一單晶硅基片，通過向該單晶硅基片進(jìn)行離子注入的方法制作壓敏電阻；
[0020]步驟二、在上述單晶硅基片的上表面依次沉積氮化硅層和正硅酸乙酯TEOS鈍化保護(hù)層；
[0021]步驟三、在單晶硅基片上制作兩條系列微型釋放窗口，所述兩條系列微型釋放窗口勾勒出單晶硅壓力薄膜的輪廓，該釋放窗口的深度與所述單晶硅壓力薄膜的厚度一致；然后再次順序沉積第二氮化硅層和第二正硅酸乙酯TEOS鈍化保護(hù)層；
[0022]步驟四、利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)剝離釋放窗口底部的鈍化保護(hù)層，保留釋放窗口側(cè)壁的鈍化保護(hù)層，然后再利用DRIE繼續(xù)沿釋放窗口向下刻蝕，刻蝕深度為所需參考?jí)毫η惑w的深度；[0023]步驟五、在釋放窗口的側(cè)壁底部利用KOH溶液或者TMAH溶液橫向腐蝕單晶硅基片，制作嵌入在單晶硅基片內(nèi)的參考?jí)毫η惑w，釋放單晶硅壓力敏感薄膜；
[0024]步驟六、通過在釋放窗口內(nèi)沉積多晶硅縫合該釋放窗口，完成壓力傳感器中參考?jí)毫η惑w的密封，然后，采用硅深度反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)去除上表面多余的多晶硅；
[0025]步驟七、繼續(xù)在上述制作工藝基礎(chǔ)上依次沉積第三氮化硅層和第三正硅酸乙酯TEOS鈍化保護(hù)層；
[0026]步驟八、刻蝕出懸臂梁結(jié)構(gòu)圖形，所述懸臂梁結(jié)構(gòu)圖形包括壓力傳感器的壓力敏感薄膜以及參考?jí)毫η惑w區(qū)域；刻蝕深度要遠(yuǎn)大于單晶硅壓力敏感薄膜的深度加上參考?jí)毫η惑w的深度；然后依次沉積第四氮化硅層和第四正硅酸乙酯TEOS鈍化保護(hù)層對(duì)已刻蝕出的懸臂梁結(jié)構(gòu)側(cè)壁提供鈍化保護(hù)；再利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)剝離懸臂梁結(jié)構(gòu)圖形底部的鈍化保護(hù)層，保留懸臂梁側(cè)壁的鈍化保護(hù)層，然后再利用DRIE沿懸臂梁結(jié)構(gòu)圖形繼續(xù)向下刻蝕；
[0027]步驟九、利用KOH溶液或者TMAH溶液通過橫向各向異性濕法腐蝕釋放懸臂梁結(jié)構(gòu)，釋放的懸臂梁結(jié)構(gòu)包括單晶硅壓力敏感薄膜以及參考?jí)毫η惑w，然后利用緩沖氧化硅刻蝕(BOE)溶液腐蝕掉單晶硅基片表面殘余的鈍化保護(hù)層；
[0028]步驟十、制作壓力傳感器上壓敏電阻區(qū)域的歐姆接觸區(qū)和引線孔，濺射鋁薄膜并形成引線和焊盤，完成整個(gè)消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片的制作。
[0029]優(yōu)選地，所述步驟一中采用η型(111)晶面的單晶硅基片。
[0030]優(yōu)選地，所述步驟一中的離子注入注入傾斜角為9°，制備的壓敏電阻的阻值為89±2Ω。
[0031]優(yōu)選地，所述步驟八中懸臂梁結(jié)構(gòu)圖形為六邊形，任意相鄰兩條邊的夾角為120° ;且該懸臂梁軸線沿〈211〉晶向排布。
[0032]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明的壓力傳感器采用懸浮式結(jié)構(gòu)，通過一套單硅片單面體硅微機(jī)械加工技術(shù)將壓力傳感器和懸臂梁集成在同一顆單晶硅芯片的同一表面上，其中，壓力傳感器被巧妙集成在懸臂梁上，壓力傳感器的參考?jí)毫η惑w直接嵌入到懸臂梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部，該懸浮式力敏傳感器結(jié)構(gòu)充分利用懸臂梁尾端活動(dòng)自由結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性能有效抑制了封裝應(yīng)力給壓力傳感器檢測(cè)性能所帶來了不利影響，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，構(gòu)思巧妙。本發(fā)明不僅解決了壓力傳感器芯片在實(shí)際應(yīng)用中封裝的難題、大大降低了封裝成本，實(shí)現(xiàn)了芯片友好且便捷式封裝，而且還具有表面微機(jī)械加工所特有的優(yōu)勢(shì)，尺寸小、成本低、靈敏度高、穩(wěn)定性好、精度佳等特點(diǎn)，適合于大批量生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1顯示為本發(fā)明一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖2顯示為本發(fā)明一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片沿A-A方向的三維結(jié)構(gòu)截面示意圖。
[0035]圖3a和圖3b顯示為本發(fā)明一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器與傳統(tǒng)非懸浮式力敏傳感器封裝在同一材料(可伐合金)基板上后，在環(huán)境溫度為120度條件下的傳感器芯片在外部封裝應(yīng)力作用下壓力敏感薄膜應(yīng)變分布仿真結(jié)果對(duì)比截面圖(沿壓力敏感薄膜兩條對(duì)稱軸中長(zhǎng)軸方向截取橫截面)。其中，圖3a為本發(fā)明壓力傳感器封裝應(yīng)變分布圖；圖3b為傳統(tǒng)壓力傳感器封裝應(yīng)變分布圖。
[0036]圖4a_圖4b顯示為本發(fā)明一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器與傳統(tǒng)非懸浮式壓力傳感器封裝在同一材料(可伐合金)基板上后，在環(huán)境溫度為120度條件下的傳感器芯片在外部封裝應(yīng)力作用下壓敏敏感薄膜上表面的應(yīng)力分布曲線對(duì)比圖。
[0037]其中，圖4a為本發(fā)明傳感器壓力薄膜上沿X方向(即，規(guī)則六邊形薄膜兩條對(duì)稱軸中的長(zhǎng)軸)應(yīng)力分布曲線和傳統(tǒng)傳感器壓力薄膜上沿X方向(即，規(guī)則六邊形薄膜兩條對(duì)稱軸中的長(zhǎng)軸)應(yīng)力分布曲線；圖仙為本發(fā)明傳感器壓力薄膜上沿Y方向(即，規(guī)則六邊形薄膜兩條對(duì)稱軸中的短軸)應(yīng)力分布曲線和傳統(tǒng)傳感器壓力薄膜上沿Y方向(即，規(guī)則六邊形薄膜兩條對(duì)稱軸中的短軸)應(yīng)力分布曲線。
[0038]圖5 (a)-5 ( j)顯示為本發(fā)明一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器的制造方法在實(shí)施例中的工藝流程圖。
[0039]其中，圖5 (a)為制作應(yīng)力敏感電阻示意圖；圖5 (b)LPCVD沉積氮化硅和TEOS鈍化層；圖5 (c) DRIE刻蝕釋放窗口并LPCVD沉積鈍化保護(hù)層；圖5 (d) DRIE刻蝕釋放窗口犧牲間隙；圖5 (e)刻蝕壓力傳感器腔體及其形成薄膜圖；5 (f)多晶硅縫合壓力傳感器釋放窗口；圖5 (g) LPCVD沉積氮化硅和TEOS鈍化層；圖5 (h)刻蝕懸臂梁釋放槽；圖5 (i)腐蝕釋放懸臂梁；圖5 (j)制作金屬互聯(lián)。
[0040]圖6顯示為本發(fā)明一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片SEM實(shí)物圖片。
[0041]圖7顯示為本發(fā)明一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器的截面SEM實(shí)物圖片。
[0042]圖8顯示為本發(fā)明一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器的紅外電鏡實(shí)物圖片。
[0043]圖9顯示為本發(fā)明一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器與傳統(tǒng)非懸浮式力敏傳感器關(guān)于壓強(qiáng)與輸出電壓關(guān)系曲線對(duì)比圖。
[0044]圖10顯示為本發(fā)明一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器與傳統(tǒng)非懸浮式力敏傳感器關(guān)于零點(diǎn)溫漂輸出對(duì)比曲線。
[0045]元件標(biāo)號(hào)說明:
[0046]I 單晶硅；
[0047]2 懸臂梁；
[0048]3 壓力傳感器；
[0049]31 壓敏電阻；
[0050]32 鋁引線；
[0051]33 鋁焊盤；
[0052]34 參考?jí)毫η惑w；
[0053]35 單晶硅壓力敏感薄膜；
[0054]4 懸臂梁橫向應(yīng)力釋放凹槽；
[0055]5 薄膜系列微型釋放窗口 ；
[0056]6 懸臂梁側(cè)向可動(dòng)間隙；
[0057]7 懸臂梁下表面可動(dòng)間隙；
[0058]8 封裝基板。
【具體實(shí)施方式】[0059]以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0060]請(qǐng)參閱圖1至圖2。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0061]以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0062]本實(shí)施例制作一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片，如圖1和圖2所示，該芯片包括:一塊(111)單晶硅基片和均集成在所述單晶硅基片上的懸臂梁2及壓力傳感器3 ;所述懸臂梁2與壓力傳感器3均集成于所述單晶硅基片的同一表面；所述的壓力傳感器3集成在所述的懸臂梁2的上且遠(yuǎn)離懸臂梁根部位置，所述壓力傳感器3的參考?jí)毫η惑w34嵌入在所述懸臂梁2內(nèi)部。
[0063]其中，所述的懸臂梁2采用六邊形結(jié)構(gòu)，所述懸臂梁2通過所述懸臂梁側(cè)向可動(dòng)間隙6和所述懸臂梁下表面間隙7可實(shí)現(xiàn)所述懸臂梁2沿左右方向和上下方向自由運(yùn)動(dòng)，在所述懸臂梁2的根部?jī)蓚?cè)分別制作有凹型應(yīng)力釋放槽4，所述的應(yīng)力釋放凹槽4主要用來自釋放懸臂梁所感受來至橫向的封裝應(yīng)力。
[0064]所述的壓力傳感器3包括:單晶硅壓力敏感薄膜(即圖2、圖3a_圖3b、圖5(a)-圖5 (j)以及圖7和圖8中的規(guī)則六邊形壓力薄膜35，四個(gè)位于所述單晶硅壓力薄膜35上的壓敏電阻31，以及位于所述單晶硅壓力薄膜35之下嵌入在所述懸臂梁2內(nèi)部的參考?jí)毫η惑w34 ;所述四個(gè)壓敏電阻31通過所述鋁引線32和所述鋁焊盤33互連組成惠斯頓全橋壓力檢測(cè)電路。
[0065]在本實(shí)施例中，優(yōu)選地，采用η型(111)晶面硅片作為單晶硅基片進(jìn)行單硅片單面微機(jī)械制作，通過單晶硅側(cè)壁根部橫向濕法刻蝕形成所述壓力傳感器3的單晶硅薄膜35、嵌入式參考?jí)毫η惑w34以及所述懸臂梁2。所述四個(gè)壓敏電阻31均為單晶硅應(yīng)力敏感電阻；單晶硅壓力敏感薄膜為規(guī)則六邊形結(jié)構(gòu)，相鄰兩邊的夾角均為120°，所述壓力傳感器3的參考?jí)毫η惑w34為順應(yīng)該壓力敏感薄膜形狀的六邊形腔體。
[0066]在本實(shí)施例中，懸臂梁優(yōu)選地采用規(guī)則六邊形結(jié)構(gòu)，相鄰兩條邊的夾角均為120°，懸臂梁的根部由六邊形其中一個(gè)短邊與所示單晶硅基片I相連接，并在懸臂梁根部?jī)蓚?cè)分別制作一個(gè)應(yīng)力釋放凹槽4。當(dāng)懸臂梁受到外在封裝應(yīng)力作用時(shí)，懸臂梁所感受到的軸向封裝應(yīng)力可以通過懸臂梁自身沿ζ方向(B卩，垂直單晶硅基片I表面方向，沿所述懸臂梁下表面間隙7)彎曲變形得以釋放；懸臂梁所感受到的橫向封裝應(yīng)力則可通過應(yīng)力釋放凹槽4以及懸臂梁在橫向封裝應(yīng)力作用下沿懸臂梁側(cè)向可動(dòng)間隙6形變，在懸臂梁根部便得以釋放，這就使得外在封裝應(yīng)力不會(huì)傳遞到遠(yuǎn)離懸臂梁根部的其它懸臂梁位置，確保了集成在懸臂梁末端位置的壓力傳感器不會(huì)受到封裝應(yīng)力的不利影響，如圖3a-圖3b以及圖4a-圖4b所示，實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明所述壓力傳感器芯片對(duì)不同材料封裝基板的友好封裝。
[0067]壓力傳感器根據(jù)單晶硅壓力薄膜區(qū)的應(yīng)力分布，充分利用電阻條的縱向壓阻效應(yīng)設(shè)計(jì)壓阻排布方式，優(yōu)選地，采用了四個(gè)壓敏電阻31，分別兩兩相對(duì)的以規(guī)則六邊形壓力薄膜35的中心呈中心對(duì)稱分布，且分別位于規(guī)則六邊形壓力薄膜35的兩條相互垂直的對(duì)稱軸上，即分布在其上下左右位置。其中，上下位置兩個(gè)電阻由于受到拉應(yīng)力，阻值增大，左右兩個(gè)電阻受到壓應(yīng)力，阻值減小，這四個(gè)所述壓敏電阻31通過鋁引線32和鋁焊盤33互連組成全橋檢測(cè)電路。
[0068]制作該種消除封裝應(yīng)力的懸浮式的力敏傳感器芯片的整個(gè)工藝過程采用同一套光刻版通過微機(jī)械工藝加工。參看圖5 (a)至5 (j)所示，其優(yōu)選實(shí)施步驟如下:
[0069]步驟一、采用η型(111)晶面的單晶硅基片，通過向該單晶硅基片進(jìn)行硼離子注入的方法制作壓敏電阻，注入傾斜角為9°，壓敏電阻的方塊電阻值為89±2Ω。如圖5 (a)表示制作應(yīng)力敏感電阻的步驟。
[0070]步驟二、單晶硅基片表面利用LPCVD依次沉積低應(yīng)力氮化硅和TEOS鈍化保護(hù)層，用來保護(hù)加工后的壓敏電阻及其后續(xù)濕法腐蝕工藝的鈍化保護(hù)層。如圖5 (b)表示LPCVD沉積氮化硅和TEOS鈍化層的步驟。
[0071]步驟三、利用DRIE技術(shù)在單晶硅基片上沿著η型(111)晶面的單晶硅基片的〈211〉晶向制作兩條所述薄膜系列微型釋放窗口 5，所述兩條系列微型釋放窗口 5勾勒出單晶硅壓力薄膜的規(guī)則六邊形輪廓，釋放窗口的深度與所設(shè)計(jì)單晶硅壓力薄膜的厚度一致。然后利用LPCVD順序沉積低應(yīng)力氮化硅和TEOS (或者直接利用LPCVD沉積低應(yīng)力氮化硅)來制作系列微型釋放窗口側(cè)壁鈍化保護(hù)層。如圖5 (c)表示DRIE刻蝕釋放窗口并LPCVD沉積鈍化保護(hù)層的步驟。
[0072]步驟四、利用RIE技術(shù)剝離釋放窗口底部的鈍化保護(hù)層，保留釋放窗口側(cè)壁的鈍化保護(hù)層，然后再利用硅深度反應(yīng)離子刻蝕工藝?yán)^續(xù)沿釋放窗口向下刻蝕，刻蝕深度為所需參考?jí)毫η惑w的深度。如圖5 (d)表示DRIE刻蝕釋放窗口犧牲間隙的步驟。
[0073]步驟五、在釋放窗口的側(cè)壁根部利用KOH溶液或者TMAH溶液橫向腐蝕單晶硅基片，制作嵌入在單晶硅基片內(nèi)的參考?jí)毫η惑w，釋放單晶硅壓力敏感薄膜。如圖5 (e)表示刻蝕壓力傳感器腔體及其形成薄膜的步驟。
[0074]步驟六、通過在釋放窗口內(nèi)LPCVD沉積多晶硅縫合釋放窗口，完成壓力傳感器中參考?jí)毫η惑w的密封，然后，采用DRIE刻蝕技術(shù)去除硅表面多余的多晶硅。如圖5 (f)表示多晶硅縫合壓力傳感器釋放窗口的步驟。
[0075]步驟七、繼續(xù)在上述制作工藝基礎(chǔ)上利用LPCVD依次沉積低應(yīng)力氮化硅和TEOS鈍化材料，用于保護(hù)已加工完畢的單晶硅壓力敏感薄膜及其參考?jí)毫η惑w。如圖5 (g)表示LPCVD沉積氮化硅和TEOS鈍化層的步驟。
[0076]步驟八、利用DIRE技術(shù)刻蝕出懸臂梁結(jié)構(gòu)圖形(注:懸臂梁結(jié)構(gòu)圖形包括壓力傳感器的壓力敏感薄膜以及參考?jí)毫η惑w區(qū)域)，DRIE刻蝕深度要遠(yuǎn)大于單晶硅壓力敏感薄膜的深度+參考?jí)毫η惑w的深度，然后LPCVD依次沉積低應(yīng)力氮化硅和TEOS鈍化材料對(duì)已刻蝕出的懸臂梁結(jié)構(gòu)側(cè)壁提供鈍化保護(hù)。再利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)剝離懸臂梁結(jié)構(gòu)圖形底部的鈍化保護(hù)層，保留懸臂梁側(cè)壁的鈍化保護(hù)層，然后再利用DRIE沿懸臂梁結(jié)構(gòu)圖形繼續(xù)向下刻蝕，刻蝕深度為10微米。如圖5 (h)表示刻蝕懸臂梁釋放槽的步驟。
[0077]步驟九、利用KOH溶液或者TMAH溶液通過橫向各向異性濕法腐蝕釋放懸臂梁結(jié)構(gòu)(釋放的懸臂梁結(jié)構(gòu)應(yīng)包括單晶硅壓力敏感薄膜以及參考?jí)毫η惑w)，然后利用BOE溶液腐蝕掉單晶硅基片表面殘余的TEOS鈍化材料。如圖5 (i)表示腐蝕釋放懸臂梁的步驟。[0078]步驟十、制作壓力傳感器壓敏電阻區(qū)域的歐姆接觸區(qū)和引線孔，濺射鋁薄膜并形成引線和焊盤，完成整個(gè)消除封裝應(yīng)力的懸浮式的力敏傳感器芯片的制作。最后進(jìn)行劃片及測(cè)試。如圖5 (j)表示制作金屬互聯(lián)的步驟。
[0079]圖1-圖2分別為本實(shí)施例制作的一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片三維結(jié)構(gòu)示意圖及其沿A-A方向截面示意圖。
[0080]圖3a和圖3b為本實(shí)施例制作的一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器和傳統(tǒng)非懸浮式力敏傳感器芯片封裝到所述封裝基板8后的單晶硅壓力敏感薄膜在外部封裝應(yīng)力作用下的壓力敏感薄膜應(yīng)變分布仿真結(jié)果截面對(duì)比圖(沿壓力敏感薄膜對(duì)稱軸中的長(zhǎng)軸方向截取橫截面)，圖3a中，由于懸臂梁具有尾端活動(dòng)自由結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的緣故，懸臂梁上的壓力敏感薄膜幾乎沒有發(fā)生任何形變，而圖3b中傳統(tǒng)非懸浮式傳感器的壓力敏感薄膜發(fā)生明顯下凹形變。
[0081]圖4a_4b為本實(shí)施例制作的一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器和傳統(tǒng)非懸浮式力敏傳感器芯片封裝到所述封裝基板8后的單晶硅壓力敏感薄膜在外部封裝應(yīng)力作用下的壓力敏感薄膜上表面應(yīng)力分布曲線對(duì)比圖(應(yīng)力數(shù)據(jù)從圖3a和圖3b的仿真結(jié)果中提取所得)，從對(duì)比曲線可知，本實(shí)施例制作的一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器不論在X方向還是在Y方向上，由于外部封裝而導(dǎo)入的封裝應(yīng)力均比傳統(tǒng)非懸浮式力敏傳感器小1-3數(shù)量級(jí)。
[0082]圖6-圖8分別是本實(shí)施例制作的一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片的SEM和紅外實(shí)物圖片。由圖可見，本發(fā)明傳感器芯片上所有功能部件均位于單芯片一面，單芯片另一面不參與工藝制作，其中，壓力傳感器集成在懸臂梁遠(yuǎn)離懸臂梁根部的位置上，壓力傳感器的參考?jí)毫η惑w直接嵌入到懸臂梁的內(nèi)部。
[0083]圖9、圖10分別是本實(shí)施例制作的一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器和傳統(tǒng)非懸浮式力敏傳感器的壓強(qiáng)和輸出電壓曲線對(duì)比圖以及傳感器零點(diǎn)漂移輸出曲線對(duì)比圖。從圖9曲線對(duì)比結(jié)果來看，本發(fā)明所述的壓力傳感器在保持壓強(qiáng)和電壓輸出特性與傳統(tǒng)壓力傳感器一致外，本發(fā)明的傳感器零點(diǎn)漂移特性得到很大的提高(見圖10)，這主要得益于本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)具有對(duì)不同材料封裝基板給傳感器所帶來的封裝應(yīng)力具有自抑制功能。本發(fā)明不僅解決了壓力傳感器在實(shí)際封裝應(yīng)用中封裝難、成本高的問題，實(shí)現(xiàn)了傳感器芯片友好且便捷式SMT封裝，而且還具有表面微機(jī)械加工所特有的優(yōu)勢(shì)，具有尺寸小、成本低、靈敏度高、穩(wěn)定性好、精度佳等特點(diǎn)，適合于大批量生產(chǎn)。
[0084]綜上所述，本發(fā)明通過把力敏傳感器集成在懸臂梁上(見圖1)，充分依靠懸臂梁尾端活動(dòng)自由結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性(見圖3a)，使懸臂梁上的壓力傳感器能有效抑制芯片外部封裝應(yīng)力給力敏傳感器檢測(cè)性能帶來的不利影響，實(shí)現(xiàn)了力敏傳感器對(duì)不同材料封裝基板的友好封裝(見圖3a和圖4a_圖4b)。本發(fā)明力敏傳感器芯片不僅封裝友好、便捷，大大降低了傳統(tǒng)傳感器封裝的難度和節(jié)省了封裝成本，而且芯片尺寸小、檢測(cè)精度高、適合大批量生產(chǎn)的要求。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
[0085]上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片，其特征在于，所述懸浮式力敏傳感器芯片包括: 單晶娃基片; 集成在所述單晶硅基片同一表面上的懸臂梁及壓力傳感器； 所述壓力傳感器集成在所述懸臂梁上且遠(yuǎn)離懸臂梁根部位置； 其中，所述懸臂梁根部與單晶硅基片連接，且在懸臂梁根部?jī)蓚?cè)分別制作一個(gè)用于釋放懸臂梁受到橫向封裝應(yīng)力的應(yīng)力釋放凹槽； 所述壓力傳感器包括單晶硅壓力敏感薄膜、位于所述單晶硅壓力敏感薄膜上的四個(gè)壓敏電阻以及位于所述單晶硅壓力敏感薄膜之下嵌入在所述懸臂梁結(jié)構(gòu)內(nèi)的參考?jí)毫η惑w；所述四個(gè)壓敏電阻組成惠斯頓全橋檢測(cè)電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片，其特征在于:所述單晶娃基片為(111)晶面的單晶娃基片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片，其特征在于:所述懸臂梁為六邊形，任意相鄰兩條邊的夾角為120° ;且該懸臂梁軸線沿〈211〉晶向排布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片，其特征在于:所述單晶硅壓力敏感薄膜為規(guī)則六邊形結(jié)構(gòu)，參考?jí)毫η惑w為順應(yīng)該壓力敏感薄膜形狀的六邊形腔體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片，其特征在于:所述單晶硅壓力敏感薄膜上的壓敏電阻為四個(gè)注入式單晶硅壓敏電阻，且分別兩兩相對(duì)以單晶硅壓力敏感薄膜的中心呈中心`對(duì)稱分布，分別位于單晶硅壓力敏感薄膜的兩條相互垂直的對(duì)稱軸上，即分布在其上下左右位置。
6.一種消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片的制作方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟一、提供一單晶硅基片，通過向該單晶硅基片進(jìn)行離子注入的方法制作壓敏電阻； 步驟二、在上述單晶硅基片的上表面依次沉積氮化硅層和正硅酸乙酯TEOS鈍化保護(hù)層； 步驟三、在單晶硅基片上制作兩條系列微型釋放窗口，所述兩條系列微型釋放窗口勾勒出單晶硅壓力薄膜的輪廓，該釋放窗口的深度與所述單晶硅壓力薄膜的厚度一致；然后再次順序沉積第二氮化硅層和第二正硅酸乙酯TEOS鈍化保護(hù)層； 步驟四、利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)剝離釋放窗口底部的鈍化保護(hù)層，保留釋放窗口側(cè)壁的鈍化保護(hù)層，然后再利用硅深度反應(yīng)離子刻蝕DRIE工藝?yán)^續(xù)沿釋放窗口向下刻蝕，刻蝕深度為所需參考?jí)毫η惑w的深度； 步驟五、在釋放窗口的側(cè)壁底部利用KOH溶液或者TMAH溶液橫向腐蝕單晶硅基片，制作嵌入在單晶硅基片內(nèi)的參考?jí)毫η惑w，釋放單晶硅壓力敏感薄膜； 步驟六、通過在釋放窗口內(nèi)沉積多晶硅縫合該釋放窗口，完成壓力傳感器中參考?jí)毫η惑w的密封，然后，采用硅深度反應(yīng)離子刻蝕DRIE刻蝕技術(shù)去除上表面多余的多晶硅；步驟七、繼續(xù)在上述制作工藝基礎(chǔ)上依次沉積第三氮化硅層和第三正硅酸乙酯TEOS鈍化保護(hù)層；步驟八、刻蝕出懸臂梁結(jié)構(gòu)圖形，所述懸臂梁結(jié)構(gòu)圖形包括壓力傳感器的壓力敏感薄膜以及參考?jí)毫η惑w區(qū)域；刻蝕深度要遠(yuǎn)大于單晶硅壓力敏感薄膜的深度加上參考?jí)毫η惑w的深度；然后依次沉積第四氮化硅層和第四正硅酸乙酯TEOS鈍化保護(hù)層對(duì)已刻蝕出的懸臂梁結(jié)構(gòu)側(cè)壁提供鈍化保護(hù)；再利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)剝離懸臂梁結(jié)構(gòu)圖形底部的鈍化保護(hù)層，保留懸臂梁側(cè)壁的鈍化保護(hù)層，然后再利用DRIE沿懸臂梁結(jié)構(gòu)圖形繼續(xù)向下刻蝕； 步驟九、利用KOH溶液或者TMAH溶液通過橫向各向異性濕法腐蝕釋放懸臂梁結(jié)構(gòu)，釋放的懸臂梁結(jié)構(gòu)包括單晶硅壓力敏感薄膜以及參考?jí)毫η惑w，然后利用緩沖氧化硅刻蝕(BOE)溶液腐蝕掉單晶硅基片表面殘余的鈍化保護(hù)層； 步驟十、制作壓力傳感器上壓敏電阻區(qū)域的歐姆接觸區(qū)和引線孔，濺射鋁薄膜并形成引線和焊盤，完成整個(gè)消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片的制作。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片的制作方法，其特征在于，所述步驟一中采用η型(111)晶面的單晶硅基片。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片的制作方法，其特征在于，所述步驟一中的離子注入注入傾斜角為9°，制備的壓敏電阻的阻值為89±2Ω。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的消除封裝應(yīng)力的懸浮式力敏傳感器芯片的制作方法，其特征在于，所述步驟八中懸臂梁結(jié)構(gòu)圖形為六邊形，任意相鄰兩條邊的夾角為120° ;且該懸臂梁軸線沿〈211〉晶向排布。
【文檔編號(hào)】B81B3/00GK103674355SQ201210333367
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月11日
【發(fā)明者】李昕欣, 王家疇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所