一種高溫壓力傳感器及其加工方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及微電子機械加工領域，尤其涉及一種高溫壓力傳感器及其加工方法。
【背景技術】
[0002] 基于微電子機械加工技術制造的耐高溫傳感器在航空航天、工業(yè)生產(chǎn)等高溫極端 環(huán)境中有非常廣泛的應用。傳統(tǒng)的壓力傳感器難以在高溫環(huán)境中工作的一個原因是，傳統(tǒng) 的壓阻式壓力傳感器是以單晶硅為基片，在N型硅襯底上制作P型擴散電阻，依靠反偏PN 結隔離，當環(huán)境溫度超過120°C時，PN結漏電流加劇，隔離失效；制約壓力傳感器最高工作 溫度的另一個重要因素是傳統(tǒng)的電極結構在高溫環(huán)境中會因為金屬層擴散而電阻率明顯 升高，難以在400°C?500°C長期工作；封裝材料及工藝對壓力傳感器的高溫性能也有非常 顯著的影響。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種高溫壓力傳感器及其加工方法，解決傳統(tǒng)的硅基傳感 器難以在高溫環(huán)境中長期工作的問題。
[0004] 本發(fā)明提供了一種高溫壓力傳感器及其加工方法，所述壓力傳感器包括：硅敏感 膜片，底座，TO管殼。所述加工方法包括：硅敏感膜片加工步驟：采用SOI單晶硅圓片作為 基片，在器件層加工電阻及引線互連組成惠斯登電橋，在襯底層進行各向異性腐蝕形成所 述對壓力敏感的膜片結構；鍵合步驟：以玻璃片或單晶硅圓片為基片，加工所述底座；封裝 步驟：以所述TO型金屬管殼為外殼實現(xiàn)芯片級封裝。
[0005] 上述高溫壓力傳感器的加工方法，優(yōu)選硅敏感膜片加工步驟包括：電阻加工步驟： 選取N型（100)雙面拋光的SOI單晶硅圓片，在器件層表面進行P型重摻雜并退火，提高 摻雜濃度可以有效提高硅電阻的本征激發(fā)溫度；電阻圖形化及隔離步驟：刻蝕基片的器件 層形成惠斯登電橋的橋臂電阻，用低壓化學氣相淀積的方法在基片表面淀積二氧化硅/氮 化硅鈍化層，電阻被鈍化層和SOI片的埋氧層包裹隔離起來，消除高溫時的漏電流；金屬層 生長步驟：用磁控濺射的方法在電阻上濺射多層耐高溫歐姆接觸電極及互連線，多層電極 結構自下而上依次為：硅/二硅化鈦歐姆接觸，鈦粘附層，氮化鈦阻擋層，鉑粘附層，金導電 層，圖形化所述金屬電極及互連線的方法是剝離。背腔腐蝕步驟：基片正面旋涂保護膠，基 片背面以二氧化硅/氮化硅鈍化層為掩膜，對窗口區(qū)域的硅襯底進行各向異性腐蝕，形成 對壓力敏感的膜片結構，硅腐蝕劑為氫氧化鉀溶液或四甲基氫氧化銨溶液。
[0006] 上述高溫壓力傳感器的加工方法，優(yōu)選鍵合加工步驟包括：硅玻璃鍵合步驟：選 取應變溫度在500°C?550°C以上且含有鈉離子的硼硅玻璃片為基片與所述硅敏感膜片背 面的硅襯底進行陽極鍵合。硅硅鍵合步驟：當采用單晶硅圓片加工底座時，用焊料鍵合的方 法將硅敏感膜片與底座鍵合，焊料鍵合的加工方法可以是玻璃焊料鍵合也可以是基于瞬態(tài) 液相擴散技術的金屬焊料鍵合，所采用的金屬焊料或玻璃焊料應該能夠在500°C?550°C 以上保持良好的氣密性和封接強度。
[0007] 上述高溫壓力傳感器的加工方法，優(yōu)選封裝加工步驟包括：芯片與管殼封裝步驟： 選取定制的耐高溫TO管殼，選用耐高溫玻璃焊料或金屬焊料將芯片底座與管殼的管座封 接。管座與蓋帽封裝步驟：管殼的管座和管殼的蓋帽之間可以用儲能焊封接。
[0008] 相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0009] 第一，用SOI圓片的埋氧層和淀積的二氧化硅/氮化硅鈍化層將硅電阻包裹隔離， 消除高溫時的漏電流；
[0010] 第二，濺射生長二硅化鈦/鈦/氮化鈦/鉑/金多層耐高溫歐姆接觸電極結構，二 硅化鈦/硅歐姆接觸具有良好的熱穩(wěn)定性，氮化鈦阻擋層能夠有效阻擋高溫環(huán)境中各層之 間的相互擴散；
[0011] 第三，選用應變溫度高的硼硅玻璃基片為底座與硅敏感膜片進行陽極鍵合，提高 器件的工作溫度；
[0012] 第四，選用耐高溫TO管殼，實現(xiàn)壓力傳感器的耐高溫芯片級封裝。
【附圖說明】：
[0013] 圖1(a)?（h)為本發(fā)明所加工的高溫壓力傳感器的主要加工工藝的示意圖；
[0014] 圖2為本發(fā)明所加工的硅敏感膜片正面電阻和金屬互連線的版圖；
[0015] 圖3(a)?（b)為本發(fā)明所加工的高溫壓力傳感器的兩種封裝方案；
[0016] 圖4為工作環(huán)境溫度500°C時本發(fā)明所加工的高溫壓力傳感器的輸出電壓隨氣壓 變化的正反行程曲線；
【具體實施方式】：
[0017] 為使本發(fā)明的上述目的，特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖及具體實 施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0018] 圖1 (a)?圖1 (h)為本發(fā)明所加工的高溫壓力傳感器的主要加工工藝的示意圖；
[0019] 圖1 (a)所示為加工本發(fā)明所述高溫壓力傳感器使用的雙面拋光的SOI單晶硅圓 片，器件層1為N(100)單晶硅，埋氧層2厚度為4000A,襯底層3厚度為400um。
[0020] 如圖1(b)所示，進行硼離子注入并退火，刻蝕基片的器件層形成惠斯登電橋的橋 臂電阻4。由于提高摻雜濃度可以有效提高硅電阻的本征激發(fā)溫度，因此應盡量選擇較高的 摻雜濃度。
[0021] 如圖1 (c)所示，用低壓化學氣相淀積的方法在基片表面淀積二氧化硅5/氮化硅6 鈍化層，電阻4被鈍化層5/6和SOI片的埋氧層2包裹隔離起來，消除高溫時的漏電流，鈍 化層的厚度以2000?5000A/ 1000~2000A為宜。
[0022] 如圖1 (d)所示，分別用干法刻蝕和濕法腐蝕的方法去掉歐姆接觸區(qū)域表面的氮 化硅、二氧化硅露出器件層的硅7，二氧化硅腐蝕劑為緩沖氫氟酸。
[0023]如圖1(e)所示，用磁控濺射的方法在基片表面濺射多層耐高溫歐姆接觸電極及 互連線8,多層電極結構自下而上依次為二硅化鈦/鈦/氮化鈦/鉑/金，其中鈦層起到粘 附的作用，厚度以200?500A為宜；氮化鈦阻擋層是所述電極中的關鍵結構，如果薄膜的厚度 不夠難以達到阻擋效果，如果薄膜厚度過厚在多層結構中的應力過大，根據(jù)不同器件工作 性能的