一种基于MEMS的双梁式微压感测芯体及其制备工艺的制作方法

一种基于mems的双梁式微压感测芯体及其制备工艺
技术领域
1.本发明属于微压感测技术领域，具体为一种基于mems的双梁式微压感测芯体及其制备工艺。


背景技术：

2.微机电系统，也就是micro-electro-mechanical system，该工艺简称mems工艺，以半导体微细加工技术和超精密机械加工技术为基础，mems器件的尺度往往在μm至mm范围内，它可以通过集成电路行业熟悉的大多数工艺制造。为了测量环境压力，不同感测原理的mems压力传感器被研发出来，其中包括压阻式(电阻率变化)、电容式(电容变化)、压电式(产生电荷)、光学和共振式(共振频率变化)传感。这些传感技术都有各自的优缺点，但压阻式压力传感器由于体积小、灵敏度高、成本低和制造简单，已成为各种应用中最受欢迎的选择。但是目前压杆侧芯体存在一些问题：在微压感测领域，器件的线性度和灵敏度一直是制约mems压阻式压力感测芯体的在该领域大规模应用的关键因素。为了感测较低的压力(≤5kpa)，灵敏度必须足够大，若采用平膜结构，敏感薄膜必须很薄，然而，较薄的膜又会导致较大的膜挠度，从而带来较差的线性度。为了缓解灵敏度和线性度之间的矛盾，目前采取的策略是在敏感薄膜背面刻蚀出岛结构，岛的形状可以是圆形或者方形，岛的数量可以是一个或者两个，并且适当增加敏感薄膜尺寸，在此基础上可以缓解灵敏度和线性度的矛盾。但这同时增加了芯体的尺寸。压阻条需要放置在敏感薄膜上的精确位置，岛结构的制备增加了光刻对准的难度，稍有偏差会大大影响大大降低压力与传感器输出信号精度，使得mems感测芯体的良率很低。另外增加尺寸单颗芯体的成本也会增加。因此，需要设计一种基于mems的双梁式微压感测芯体及其制备工艺。


技术实现要素：

3.本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于mems的双梁式微压感测芯体及其制备工艺，解决了背景技术中提到的问题。
4.为了解决上述问题，本发明提供了一种基于mems的双梁式微压感测芯体及其制备工艺技术方案：
5.一种基于mems的双梁式微压感测芯体，包括压力感测芯体和金属焊盘、互联引线、压阻条、敏感薄膜、钝化层、绝缘层、背腔、支撑基底支撑，所述压力感测芯体上除了用于后续引线键合的金属焊盘区域外，其余均被表面钝化层覆盖，金属焊盘与互联引线将四个压阻条以开环的惠斯通形式连接起来，所述压阻条包括横向压阻条与纵向压阻条，被布置在敏感薄膜的应力集中区域，敏感薄膜悬空于背腔之上且通过支撑基底支撑，压阻条与互联引线之间除了触点位置外，其余均被绝缘层隔开，敏感薄膜上有通过刻蚀形成的凹槽，凸起中心块和双梁式结构。
6.一种基于mems的双梁式微压感测芯体的制备工艺，包括如下步骤：
7.a)利用湿法腐蚀体硅工艺在基底晶圆上腐蚀出v字形结构的空间，用于压力感测
芯体的背腔；
8.b)利用键合工艺，在形成背腔的硅晶圆上键合用于制备敏感薄膜的硅晶圆；
9.c)利用机械减薄工艺，将敏感薄膜层的晶圆减薄至指定的厚度；
10.d)利用热氧化工艺，将键合的晶圆表面沉积一层氧化硅，利用浓硼掺杂和淡硼掺杂工艺在单晶硅片压力敏感薄膜上制备出欧姆接触区和压阻条，注入完成后采用退火工艺对注入造成的晶格损伤进行修复；
11.e)利用腐蚀工艺将敏感薄膜层上的氧化硅层腐蚀掉，利用mems薄膜沉积工艺在单晶硅压力敏感薄膜上沉积形成绝缘层，厚度为450nm；并利用刻蚀工艺在绝缘层上开出压阻条的端点电学接触孔；利用mems薄膜沉积工艺在绝缘层上沉积形成al金属薄膜，并通过图形化工艺然后刻蚀形成金属互联引线，然后利用退火工艺以确保压阻条与金属al之间的欧姆接触区的形成；
12.f)图形化工艺后，通过刻蚀工艺在敏感薄膜层正面，刻蚀出相应的应力集中的凹槽；
13.g)利用mems薄膜沉积工艺在图形化金属引线的上一层沉积形成表面钝化层，厚度约为500nm；
14.h)利用刻蚀工艺在表面钝化层上开出四个图形化金属引线的pad位置处与外部进行打线的电极孔，可选地，背部硅基底的机械减薄可根据制备压力感测芯体的应用类型选择减薄和不减薄，若为绝压类型则不必减薄，若为差压类型，则减薄背部基底，至背腔可与外界连通为止。
15.作为优选，所述a)步骤中的腐蚀背腔工艺选用湿法腐蚀工艺。
16.作为优选，所述b)步骤中的键合工艺为熔融键合工艺。
17.作为优选，所述d)步骤中利用浓硼掺杂和淡硼掺杂工艺在单晶硅片压力敏感薄膜上制备出欧姆接触区和压阻条，根据工艺情况省略浓硼掺杂工艺，将压阻条区域直接与金属引线互联。
18.作为优选，所述d)步骤中的mems薄膜沉积工艺为热氧化工艺、低压化学气相沉积工艺、等离子增强化学气相沉积工艺中的一种。
19.作为优选，所述e)步骤中的mems金属薄膜沉积工艺为溅射沉积工艺、电子束蒸发沉积工艺、加热蒸发沉积工艺中的一种。
20.作为优选，所述e)、f)、h)步骤中的刻蚀工艺为干法离子刻蚀工艺、气相腐蚀工艺、湿法各向异性腐蚀工艺、湿法各向同性腐蚀工艺中的一种。
21.本发明的有益效果是：本发明涉及一种基于mems的双梁式微压感测芯体及其制备工艺，具有便于加工与传感灵敏的特点，在具体的使用中，与传统的基于mems的双梁式微压感测芯体及其制备工艺相比较而言，本基于mems的双梁式微压感测芯体及其制备工艺具有以下有益效果：
22.1、双梁式的敏感薄膜结构设计，增加应力的集中度和均一度，规避了岛结构的制备工艺复杂的难点。
23.2、本发明在芯体尺寸为2
×
2mm(不含划片道)，敏感薄膜厚为15um的情况下，量程可低至2.5kpa。
24.3、背腔采用湿法腐蚀与熔融键合相结合的制备工艺，相较与常见的湿法腐蚀方
案，减小了背腔开口区域对基底支撑区域的占用率，大大提升了晶圆的利用率。
25.4、本发明压力感测芯体完全采用硅质晶圆，避免了键合玻璃基片所带来的不易腐蚀通气孔和后续切割的工艺难点，以及玻璃与硅的热膨胀系数不同所带来的热应力。
附图说明：
26.为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
27.图1为本发明mems压阻式压力感测芯体的立体结构示意图；
28.图2为本发明的图1的压力感测芯体正面俯视图；
29.图3为本发明的图1的压力感测芯体剖面示意图；
30.图4为本发明的图3的正梯形台背腔与v字形背腔的芯片利用率比较示意图；
31.图5为本发明的压力感测芯体剖面示意图；
32.图6为本发明的制备a步骤剖面示意图；
33.图7为本发明的制备b步骤剖面示意图；
34.图8为本发明的制备c步骤剖面示意图；
35.图9为本发明的制备d步骤剖面示意图；
36.图10为本发明的制备e步骤剖面示意图；
37.图11为本发明的制备f步骤剖面示意图；
38.图12为本发明的制备g步骤剖面示意图；
39.图13为本发明的制备h步骤剖面示意图。
40.图中：1、压力感测芯体；2、金属焊盘；3、金属引线；4、压阻条；4-1、横向压阻条；4-2、纵向压阻条；5、中心块；6、双梁式结构；7、凹槽区域；8、敏感薄膜；9、表面钝化层；10、绝缘层；11、背腔；12、支撑基底支撑。
具体实施方式：
41.如图1-13所示，本具体实施方式采用以下技术方案：
42.实施例：
43.一种基于mems的双梁式微压感测芯体，包括压力感测芯体1和金属焊盘2、互联引线 3、压阻条 4、敏感薄膜 8、钝化层 9、绝缘层 10、背腔 11、支撑基底支撑12，所述压力感测芯体1上除了用于后续引线键合的金属焊盘2区域外，其余均被表面钝化层9覆盖，可以防止感测芯体在实际工作时被外界干扰，金属焊盘2与互联引线3将四个压阻条4以开环的惠斯通形式连接起来，所述压阻条4包括横向压阻条4-1与纵向压阻条4-2，被布置在敏感薄膜8的应力集中区域，敏感薄膜8悬空于背腔11之上且通过支撑基底支撑12，压阻条4与互联引线3之间除了触点位置外，其余均被绝缘层10隔开，敏感薄膜上有通过刻蚀形成的凹槽7，凸起中心块5和双梁式结构6。
44.一种基于mems的双梁式微压感测芯体的制备工艺，包括如下步骤：
45.a)利用湿法腐蚀体硅工艺在基底晶圆上腐蚀出v字形结构的空间，用于压力感测芯体1的背腔11；
46.b)利用键合工艺，在形成背腔11的硅晶圆上键合用于制备敏感薄膜8的硅晶圆；
47.c)利用机械减薄工艺，将敏感薄膜层的晶圆减薄至指定的厚度；
48.d)利用热氧化工艺，将键合的晶圆表面沉积一层氧化硅，利用浓硼掺杂和淡硼掺杂工艺在单晶硅片压力敏感薄膜上制备出欧姆接触区和压阻条4，注入完成后采用退火工艺对注入造成的晶格损伤进行修复；
49.e)利用腐蚀工艺将敏感薄膜层上的氧化硅层腐蚀掉，利用mems薄膜沉积工艺在单晶硅压力敏感薄膜上沉积形成绝缘层10，厚度为450nm；并利用刻蚀工艺在绝缘层10上开出压阻条4的端点电学接触孔；利用mems薄膜沉积工艺在绝缘层10上沉积形成al金属薄膜，并通过图形化工艺然后刻蚀形成金属互联引线，然后利用退火工艺以确保压阻条4与金属al之间的欧姆接触区的形成；
50.f)图形化工艺后，通过刻蚀工艺在敏感薄膜层正面，刻蚀出相应的应力集中的凹槽；
51.g)利用mems薄膜沉积工艺在图形化金属引线3的上一层沉积形成表面钝化层9，厚度约为500nm；
52.h)利用刻蚀工艺在表面钝化层9上开出四个图形化金属引线3的pad位置处与外部进行打线的电极孔，可选地，背部硅基底的机械减薄可根据制备压力感测芯体1的应用类型选择减薄和不减薄，若为绝压类型则不必减薄，若为差压类型，则减薄背部基底，至背腔11可与外界连通为止。
53.其中，所述a)步骤中的腐蚀背腔11工艺选用湿法腐蚀工艺。
54.其中，所述b)步骤中的键合工艺为熔融键合工艺。
55.其中，所述d)步骤中利用浓硼掺杂和淡硼掺杂工艺在单晶硅片压力敏感薄膜上制备出欧姆接触区和压阻条4，根据工艺情况省略浓硼掺杂工艺，将压阻条4区域直接与金属引线3互联。
56.其中，所述d)步骤中的mems薄膜沉积工艺为热氧化工艺、低压化学气相沉积工艺、等离子增强化学气相沉积工艺中的一种。
57.其中，所述e)步骤中的mems金属薄膜沉积工艺为溅射沉积工艺、电子束蒸发沉积工艺、加热蒸发沉积工艺中的一种。
58.其中，所述e)、f)、h)步骤中的刻蚀工艺为干法离子刻蚀工艺、气相腐蚀工艺、湿法各向异性腐蚀工艺、湿法各向同性腐蚀工艺中的一种。
59.以上内容描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。