基于MEMS系芯片上热补偿的谐振式压力传感器及制备工艺的制作方法

基于mems系芯片上热补偿的谐振式压力传感器及制备工艺
技术领域
1.本发明涉及传感器领域，特别涉及基于mems系芯片上热补偿的谐振式压力传感器及制备工艺。


背景技术：

2.在谐振式压力传感器中，补偿温度变化最常用的方法是差分补偿，即在压力传感芯片中使用两个或多个谐振器来补偿温度效应和封装效应，但这种方法增加了尺寸和结构的复杂性。结合微分法，2019年有人提出了一种降低谐振式压力传感器tcf的新方法，即采用硅
‑
玻璃晶片键合的“硅
‑
玻璃
‑
硅”三明治封装结构，因为硅和玻璃的tce不同。对于单谐振器传感器的非差分方法，2016年有人采用了热应力释放结构设计来减小热影响。2019年有人尝试使用厚硼硅酸盐玻璃基底隔离封装热应力。


技术实现要素：

3.本发明的目的为了改善压力传感器的超温性能，特提供了基于mems系芯片上热补偿的谐振式压力传感器及制备工艺。
4.本发明提供了一种基于mems系芯片上热补偿的谐振式压力传感器，其特征在于：所述的基于mems系芯片上热补偿的谐振式压力传感器，包括为压力薄膜1，谐振器固定点2，谐振器3，hf释放孔4，感应电极和驱动电极5，谐振器弹簧6，外表面层7；
5.其中：压力薄膜1设置在谐振器3的谐振器固定点2上，谐振器3上带有hf释放孔4，感应电极和驱动电极5与谐振器3连接，谐振器3上带有谐振器弹簧6，谐振器3侧壁带有外表面层7。
6.所述的外表面层7为谐振器重掺杂和/或涂有氧化层的外表面。
7.所述的hf释放孔4均布在谐振器3上。
8.所述的谐振器弹簧6至少为1个。
9.一种基于mems系芯片上热补偿的谐振式压力传感器的制备工艺，其特征在于：所述的谐振器3的外表面层7侧壁，重掺杂和/或在侧壁上涂覆二氧化硅；气体掺杂，磷化氢、三氯氧磷、硼烷、掺杂的cvd氧化层、掺杂的poly和外延层，用来限制简并掺杂到谐振器及其弹簧的侧壁和外表面，氧化层能热生长或cvd/pecvd沉积；光刻和drie等离子体刻蚀能改变谐振腔弹簧和电容板的角度，真空封装使用晶片到晶圆键合或cvd密封提高了谐振器的q值，也能加入薄膜吸气剂。
10.所述的谐振器为电容/静电，也能在替代过程中使用压电薄膜或压阻传感元件；另一个不在膜片上的参考谐振器能包括在结构中，以提高压力传感器的性能。相对于在膜片谐振器附近，这个第二参考谐振器能有不同的频率响应温度比。2个谐振器的设计能不同。
11.如下图2，tcf谐振式压力传感器和相关传感器，相关传感器有不同温度特性，这个能两个让谐振器之间的温度可提供更好的参考。它能使用也可能不使用退火参杂，且与芯片边缘正交，8为相关传感器。
12.soi芯片：生长一个氧化层，然后用光刻胶掩模和drie等离子体硅刻蚀形成单晶硅谐振器，器件层能重掺杂以改善压力传感器的热性能。如图3，mems芯片剖面图soi器件硅层9，支撑晶片10，氧化层11；
13.形成传感器支撑点，如下图4，在支撑点12上刻蚀硅和二氧化硅，制作支撑点，使用多晶硅化学气相沉积或外延硅沉积形成谐振器支撑点。蚀刻沉积的硅层远离表面的大部分，把它留在支撑点上。
14.如图5和图6，多晶硅化学气相沉积或外延硅沉积13，大部分沉积材料14被刻蚀和剩余部分。
15.mems晶圆制造工艺：形成电路层
‑
金属通道、绝缘薄膜、通孔。如下图7，绝缘介质层15，金属层16；
16.单晶硅谐振器采用光刻胶掩模和drie等离子刻蚀，形成v
‑
hf释放孔17。如图8
17.薄膜形成：对晶圆背面进行光刻和蚀刻，以形成硅薄膜。能采用定时刻蚀、附加soi氧化层、p 外延层等方法来形成薄膜。这也能在vhf释放后进行。如下图9，刻蚀后形成的薄膜18。
18.键合工艺完成，如上图10，玻璃或者硅晶圆19。
19.封装工艺能使用两种方法，键合工艺或者cvd沉积工艺，如下图11，薄膜吸气剂20，真空腔21，晶圆盖22。
20.谐振式压力传感器，其一部分连接在膜片上，另一部分连接在硅片边缘，而不是膜片的一部分。所述谐振器包括至少一个弹簧，所述弹簧是通过等离子体刻蚀硅形成的，然后对所述弹簧和谐振器的表面进行处理以提高其超温性能。利用光刻和等离子刻蚀技术将谐振器与取向硅片的边缘以不同的角度定向，以改善压力传感器的热性能。
21.谐振器和弹簧能涂上一层二氧化硅。氧化硅层能使用化学气相沉积进行热生长或沉积。
22.利用硼、磷、砷对谐振器和弹簧进行化学掺杂，使其达到大于1018个掺杂原子/cc的水平，以改善压力传感器的热性能。重掺杂能穿过谐振器的整个横截面，也能只穿过外表面。
23.谐振器和弹簧的设计能放置在不同于硅边缘的角度上，角度为15
‑
40
°
。
24.第二参考谐振器能形成在远离膜片的mems芯片边缘的硅压力传感器上。第二个谐振器没有连接到膜片上。第二个谐振器相对于芯片的边缘正交定向，并且具有与压力传感器谐振器不同的温度输出频率。在校准和运行过程中，比较两种谐振腔的频率，以提高压力传感器的超温性能。
25.本发明的优点：
26.本发明所述的基于mems系芯片上热补偿的谐振式压力传感器及制备工艺，利用谐振器/硅掺杂、氧化层和晶体取向改善压力传感器的超温性能。
附图说明
27.下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
28.图1为基于mems系芯片上热补偿的谐振式压力传感器结构示意图；
29.图2为mems芯片边缘示意图；
30.图3为mems芯片剖面图；
31.图4为形成传感器支撑点示意图；
32.图5为多晶硅化学气相沉积或外延硅沉积示意图；
33.图6为大部分沉积材料被刻蚀示意图；
34.图7为mems晶圆示意图；
35.图8为形成v
‑
hf释放孔示意图；
36.图9为薄膜形成示意图；
37.图10为键合工艺完成示意图；
38.图11为键合工艺或者cvd沉积工艺示意图。
具体实施方式
39.实施例1
40.本发明提供了一种基于mems系芯片上热补偿的谐振式压力传感器，其特征在于：所述的基于mems系芯片上热补偿的谐振式压力传感器，包括为压力薄膜1，谐振器固定点2，谐振器3，hf释放孔4，感应电极和驱动电极5，谐振器弹簧6，外表面层7；
41.其中：压力薄膜1设置在谐振器3的谐振器固定点2上，谐振器3上带有hf释放孔4，感应电极和驱动电极5与谐振器3连接，谐振器3上带有谐振器弹簧6，谐振器3侧壁带有外表面层7。
42.所述的外表面层7为谐振器重掺杂和/或涂有氧化层的外表面。
43.所述的hf释放孔4均布在谐振器3上。
44.所述的谐振器弹簧6至少为1个。
45.一种基于mems系芯片上热补偿的谐振式压力传感器的制备工艺，其特征在于：所述的谐振器3的外表面层7侧壁，重掺杂和/或在侧壁上涂覆二氧化硅；气体掺杂，磷化氢、三氯氧磷、硼烷、掺杂的cvd氧化层、掺杂的poly和外延层，用来限制简并掺杂到谐振器及其弹簧的侧壁和外表面，氧化层能热生长或cvd/pecvd沉积；光刻和drie等离子体刻蚀能改变谐振腔弹簧和电容板的角度，真空封装使用晶片到晶圆键合或cvd密封提高了谐振器的q值，也能加入薄膜吸气剂。
46.所述的谐振器为电容/静电，也能在替代过程中使用压电薄膜或压阻传感元件；另一个不在膜片上的参考谐振器能包括在结构中，以提高压力传感器的性能。相对于在膜片谐振器附近，这个第二参考谐振器能有不同的频率响应温度比。2个谐振器的设计能不同。
47.如下图2，tcf谐振式压力传感器和相关传感器，相关传感器有不同温度特性，这个能两个让谐振器之间的温度可提供更好的参考。它能使用也可能不使用退火参杂，且与芯片边缘正交，8为相关传感器。
48.soi芯片：生长一个氧化层，然后用光刻胶掩模和drie等离子体硅刻蚀形成单晶硅谐振器，器件层能重掺杂以改善压力传感器的热性能。如图3，mems芯片剖面图soi器件硅层9，支撑晶片10，氧化层11；
49.形成传感器支撑点，如下图4，在支撑点12上刻蚀硅和二氧化硅，制作支撑点，使用多晶硅化学气相沉积或外延硅沉积形成谐振器支撑点。蚀刻沉积的硅层远离表面的大部分，把它留在支撑点上。
50.如图5和图6，多晶硅化学气相沉积或外延硅沉积13，大部分沉积材料14被刻蚀和剩余部分。
51.mems晶圆制造工艺：形成电路层
‑
金属通道、绝缘薄膜、通孔。如下图7，绝缘介质层15，金属层16；
52.单晶硅谐振器采用光刻胶掩模和drie等离子刻蚀，形成v
‑
hf释放孔17。如图8
53.薄膜形成：对晶圆背面进行光刻和蚀刻，以形成硅薄膜。能采用定时刻蚀、附加soi氧化层、p 外延层等方法来形成薄膜。这也能在vhf释放后进行。如下图9，刻蚀后形成的薄膜18。
54.键合工艺完成，如上图10，玻璃或者硅晶圆19。
55.封装工艺能使用两种方法，键合工艺或者cvd沉积工艺，如下图11，薄膜吸气剂20，真空腔21，晶圆盖22。
56.谐振式压力传感器，其一部分连接在膜片上，另一部分连接在硅片边缘，而不是膜片的一部分。所述谐振器包括至少一个弹簧，所述弹簧是通过等离子体刻蚀硅形成的，然后对所述弹簧和谐振器的表面进行处理以提高其超温性能。利用光刻和等离子刻蚀技术将谐振器与取向硅片的边缘以不同的角度定向，以改善压力传感器的热性能。
57.谐振器和弹簧能涂上一层二氧化硅。氧化硅层能使用化学气相沉积进行热生长或沉积。
58.利用硼、磷、砷对谐振器和弹簧进行化学掺杂，使其达到大于1018个掺杂原子/cc的水平，以改善压力传感器的热性能。重掺杂能穿过谐振器的整个横截面，也能只穿过外表面。
59.谐振器和弹簧的设计能放置在不同于硅边缘的角度上，角度为15
‑
40
°
。
60.第二参考谐振器能形成在远离膜片的mems芯片边缘的硅压力传感器上。第二个谐振器没有连接到膜片上。第二个谐振器相对于芯片的边缘正交定向，并且具有与压力传感器谐振器不同的温度输出频率。在校准和运行过程中，比较两种谐振腔的频率，以提高压力传感器的超温性能。
61.实施例2
62.本发明提供了一种基于mems系芯片上热补偿的谐振式压力传感器，其特征在于：所述的基于mems系芯片上热补偿的谐振式压力传感器，包括为压力薄膜1，谐振器固定点2，谐振器3，hf释放孔4，感应电极和驱动电极5，谐振器弹簧6，外表面层7；
63.其中：压力薄膜1设置在谐振器3的谐振器固定点2上，谐振器3上带有hf释放孔4，感应电极和驱动电极5与谐振器3连接，谐振器3上带有谐振器弹簧6，谐振器3侧壁带有外表面层7。
64.所述的外表面层7为谐振器重掺杂和/或涂有氧化层的外表面。
65.所述的谐振器弹簧6为半环状结构件。
66.一种基于mems系芯片上热补偿的谐振式压力传感器的制备工艺，其特征在于：所述的谐振器3的外表面层7侧壁，重掺杂和/或在侧壁上涂覆二氧化硅；气体掺杂，磷化氢、三氯氧磷、硼烷、掺杂的cvd氧化层、掺杂的poly和外延层，用来限制简并掺杂到谐振器及其弹簧的侧壁和外表面，氧化层能热生长或cvd/pecvd沉积；光刻和drie等离子体刻蚀能改变谐振腔弹簧和电容板的角度，真空封装使用晶片到晶圆键合或cvd密封提高了谐振器的q值，
也能加入薄膜吸气剂。
67.所述的谐振器为电容/静电，也能在替代过程中使用压电薄膜或压阻传感元件；另一个不在膜片上的参考谐振器能包括在结构中，以提高压力传感器的性能。相对于在膜片谐振器附近，这个第二参考谐振器能有不同的频率响应温度比。2个谐振器的设计能不同。
68.如下图2，tcf谐振式压力传感器和相关传感器，相关传感器有不同温度特性，这个能两个让谐振器之间的温度可提供更好的参考。它能使用也可能不使用退火参杂，且与芯片边缘正交，8为相关传感器。
69.soi芯片：生长一个氧化层，然后用光刻胶掩模和drie等离子体硅刻蚀形成单晶硅谐振器，器件层能重掺杂以改善压力传感器的热性能。如图3，mems芯片剖面图soi器件硅层9，支撑晶片10，氧化层11；
70.形成传感器支撑点，如下图4，在支撑点12上刻蚀硅和二氧化硅，制作支撑点，使用多晶硅化学气相沉积或外延硅沉积形成谐振器支撑点。蚀刻沉积的硅层远离表面的大部分，把它留在支撑点上。
71.如图5和图6，多晶硅化学气相沉积或外延硅沉积13，大部分沉积材料14被刻蚀和剩余部分。
72.mems晶圆制造工艺：形成电路层
‑
金属通道、绝缘薄膜、通孔。如下图7，绝缘介质层15，金属层16；
73.单晶硅谐振器采用光刻胶掩模和drie等离子刻蚀，形成v
‑
hf释放孔17。如图8
74.薄膜形成：对晶圆背面进行光刻和蚀刻，以形成硅薄膜。能采用定时刻蚀、附加soi氧化层、p 外延层等方法来形成薄膜。这也能在vhf释放后进行。如下图9，刻蚀后形成的薄膜18。
75.键合工艺完成，如上图10，玻璃或者硅晶圆19。
76.封装工艺能使用两种方法，键合工艺或者cvd沉积工艺，如下图11，薄膜吸气剂20，真空腔21，晶圆盖22。
77.谐振式压力传感器，其一部分连接在膜片上，另一部分连接在硅片边缘，而不是膜片的一部分。所述谐振器包括至少一个弹簧，所述弹簧是通过等离子体刻蚀硅形成的，然后对所述弹簧和谐振器的表面进行处理以提高其超温性能。利用光刻和等离子刻蚀技术将谐振器与取向硅片的边缘以不同的角度定向，以改善压力传感器的热性能。
78.谐振器和弹簧能涂上一层二氧化硅。氧化硅层能使用化学气相沉积进行热生长或沉积。
79.利用硼、磷、砷对谐振器和弹簧进行化学掺杂，使其达到大于1018个掺杂原子/cc的水平，以改善压力传感器的热性能。重掺杂能穿过谐振器的整个横截面，也能只穿过外表面。
80.谐振器和弹簧的设计能放置在不同于硅边缘的角度上，角度为15
‑
40
°
。
81.第二参考谐振器能形成在远离膜片的mems芯片边缘的硅压力传感器上。第二个谐振器没有连接到膜片上。第二个谐振器相对于芯片的边缘正交定向，并且具有与压力传感器谐振器不同的温度输出频率。在校准和运行过程中，比较两种谐振腔的频率，以提高压力传感器的超温性能。
82.实施例3
83.本发明提供了一种基于mems系芯片上热补偿的谐振式压力传感器，其特征在于：所述的基于mems系芯片上热补偿的谐振式压力传感器，包括为压力薄膜1，谐振器固定点2，谐振器3，hf释放孔4，感应电极和驱动电极5，谐振器弹簧6，外表面层7；
84.其中：压力薄膜1设置在谐振器3的谐振器固定点2上，谐振器3上带有hf释放孔4，感应电极和驱动电极5与谐振器3连接，谐振器3上带有谐振器弹簧6，谐振器3侧壁带有外表面层7。
85.所述的外表面层7为谐振器重掺杂和/或涂有氧化层的外表面。
86.一种基于mems系芯片上热补偿的谐振式压力传感器的制备工艺，其特征在于：所述的谐振器3的外表面层7侧壁，重掺杂和/或在侧壁上涂覆二氧化硅；气体掺杂，磷化氢、三氯氧磷、硼烷、掺杂的cvd氧化层、掺杂的poly和外延层，用来限制简并掺杂到谐振器及其弹簧的侧壁和外表面，氧化层能热生长或cvd/pecvd沉积；光刻和drie等离子体刻蚀能改变谐振腔弹簧和电容板的角度，真空封装使用晶片到晶圆键合或cvd密封提高了谐振器的q值，也能加入薄膜吸气剂。
87.所述的谐振器为电容/静电，也能在替代过程中使用压电薄膜或压阻传感元件；另一个不在膜片上的参考谐振器能包括在结构中，以提高压力传感器的性能。相对于在膜片谐振器附近，这个第二参考谐振器能有不同的频率响应温度比。2个谐振器的设计能不同。
88.如下图2，tcf谐振式压力传感器和相关传感器，相关传感器有不同温度特性，这个能两个让谐振器之间的温度可提供更好的参考。它能使用也可能不使用退火参杂，且与芯片边缘正交，8为相关传感器。
89.soi芯片：生长一个氧化层，然后用光刻胶掩模和drie等离子体硅刻蚀形成单晶硅谐振器，器件层能重掺杂以改善压力传感器的热性能。如图3，mems芯片剖面图soi器件硅层9，支撑晶片10，氧化层11；
90.形成传感器支撑点，如下图4，在支撑点12上刻蚀硅和二氧化硅，制作支撑点，使用多晶硅化学气相沉积或外延硅沉积形成谐振器支撑点。蚀刻沉积的硅层远离表面的大部分，把它留在支撑点上。
91.如图5和图6，多晶硅化学气相沉积或外延硅沉积13，大部分沉积材料14被刻蚀和剩余部分。
92.mems晶圆制造工艺：形成电路层
‑
金属通道、绝缘薄膜、通孔。如下图7，绝缘介质层15，金属层16；
93.单晶硅谐振器采用光刻胶掩模和drie等离子刻蚀，形成v
‑
hf释放孔17。如图8
94.薄膜形成：对晶圆背面进行光刻和蚀刻，以形成硅薄膜。能采用定时刻蚀、附加soi氧化层、p 外延层等方法来形成薄膜。这也能在vhf释放后进行。如下图9，刻蚀后形成的薄膜18。
95.键合工艺完成，如上图10，玻璃或者硅晶圆19。
96.封装工艺能使用两种方法，键合工艺或者cvd沉积工艺，如下图11，薄膜吸气剂20，真空腔21，晶圆盖22。
97.谐振式压力传感器，其一部分连接在膜片上，另一部分连接在硅片边缘，而不是膜片的一部分。所述谐振器包括至少一个弹簧，所述弹簧是通过等离子体刻蚀硅形成的，然后对所述弹簧和谐振器的表面进行处理以提高其超温性能。利用光刻和等离子刻蚀技术将谐
振器与取向硅片的边缘以不同的角度定向，以改善压力传感器的热性能。
98.谐振器和弹簧能涂上一层二氧化硅。氧化硅层能使用化学气相沉积进行热生长或沉积。
99.利用硼、磷、砷对谐振器和弹簧进行化学掺杂，使其达到大于1018个掺杂原子/cc的水平，以改善压力传感器的热性能。重掺杂能穿过谐振器的整个横截面，也能只穿过外表面。
100.谐振器和弹簧的设计能放置在不同于硅边缘的角度上，角度为40
°
。
101.第二参考谐振器能形成在远离膜片的mems芯片边缘的硅压力传感器上。第二个谐振器没有连接到膜片上。第二个谐振器相对于芯片的边缘正交定向，并且具有与压力传感器谐振器不同的温度输出频率。在校准和运行过程中，比较两种谐振腔的频率，以提高压力传感器的超温性能。
102.本发明未尽事宜为公知技术。
103.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。