多功能集成傳感器晶片的製作方法
2023-06-06 04:51:51
專利名稱：多功能集成傳感器晶片的製作方法
技術領域：
本發明屬於微機械電子系統(MEMS)技術和集成電路微加工技術領域，具體涉及一種應用微機械電子系統(MEMS)技術和集成電路微加工技術製作的多功能集成傳感器晶片的方法。
背景技術：
當前，各種基於MEMS技術的單一功能的傳感器製造技術已經越來越成熟，傳感器技術正向集成化、智能化方向發展。傳感器的集成化有三種途徑一是將多個功能相同，或功能相近的傳感器集成為一維或二維傳感陣列；第二種是將傳感器與集成電路集成在同一塊晶片上；第三種是指對不同類型的傳感器進行集成，如集成壓力、溫度、溼度、流量、加速度等敏感單元的傳感器。
目前，國內對傳感器集成的研究重點在上述的第二種，通過統一的CMOS工藝，或利用倒裝(flip-chip)技術，將傳感器和處理電路集成在一塊晶片上，提高傳感器的檢測精度，實現智能化，擴展其應用範圍。而對在一個管芯上集成各種不同功能傳感器的研究比較少，主要是集成溫、溼度兩種器件。
國外對第三種集成方法研究比較多，如NASA-JPL(美國國家航空和宇航局-噴氣推進實驗室)研究了微小環境工作站(Mini-weather stations)，集成了壓力、溫度、微溼度、放射物傳感器和比重計以及雷射都卜勒風力計等；美國Honywell公司的ST-3000型智能傳感器晶片尺寸為3×4×2mm3，集成了CPU、EPROM及靜壓、壓差、溫度三種傳感器；美國EGG IC Sensors公司研製的複合力學傳感器，可同時測量物體某一點的三維振動加速度、速度、位移；日本電氣公司已研製成檢測葡萄糖、尿素、維生素K和白朊四種成份的集成FET傳感器。
多功能集成傳感器的優點主要是可使傳感器檢測由點到面甚至到體從而實現信息多維化，變單參數檢測為多參數檢測。集成化將使傳感器技術在以下方面獲得收益(1)體積小、質量輕、成本低；(2)容錯性好、置信度高，性能穩定；(3)增加測量維數，提高空間解析度，擴展了空間和時間的覆蓋面；(4)提升探測性能，增加響應的有效性，改進系統的可靠性和可維護性。集成化還將降低對單個傳感器的性能要求，但在多個傳感元件集成時，要充分考慮傳感元件的性能互補性、電磁兼容性以及資源共享性等問題。
但將多種傳感器集成在一個晶片上存在以下困難一是各種不同種類傳感器的加工工藝之間可能不兼容；第二，如果同一個管芯上的某種傳感器需要與外界環境進行直接接觸，而其它傳感器必須密封，就會造成集成封裝的困難。雖然如此，如果通過仔細選擇集成的傳感器類型，合理安排封裝結構和加工工藝，上述問題完全可以得到解決。
隨著人類生活水平的提高，以及對生活環境要求的越來越高，需要對生活活動場所的環境質量進行檢測，如壓力、溫度、溼度等與人體舒適度密切相關的指標，而且要求便攜、使用方便。
發明內容
本發明的目的在於提供一種多功能集成傳感器晶片的製作方法，利用微機電系統(MEMS)技術和集成電路微加工技術，在單個管芯上製作用於檢測關於人體舒適度相關指標如壓力、溫度和溼度的多功能集成傳感器。
實現上述目的採取的技術解決方案是，一種多功能集成傳感器晶片的製作方法，其特徵在於，採用微機械電子系統技術和集成電路微加工技術在一個5mm×5mm面積的管芯上製作出能分別敏感壓力、溫度、溼度三個傳感器單元；其製作方法包括下列步驟1)將經過清洗的n型單晶矽片經過氧化，形成800±50nm的二氧化矽層；2)然後在二氧化矽層上塗覆光刻膠，加電阻條掩膜板，正面光刻出壓力單元和溫度傳感器單元的電阻條結構形狀，並擴散濃度為2×1019/cm3硼離子，形成結深為2～2.5μm的p型電阻條；3)在二氧化矽層上再通過低壓氣相沉積形成厚度為120nm±20nm氮化矽作為應力匹配層；4)加背腔掩膜板，背面光刻，去除部分二氧化矽，採用乙二胺、鄰苯二酚和水的混合物腐蝕液(EPW)對n型矽基底進行各向異性腐蝕，形成膜厚為25μm的C型杯壓力腔；5)加電阻孔掩膜板，正面光刻形成電阻孔；6)然後正面進行濺射比例為Si∶Al＝1∶99的矽鋁材料，厚度為2.5μm～3.0μm；7)加電極掩膜板，刻蝕電極形狀，形成壓力、溫度、溼度傳感器單元的電極引線，並形成溼度傳感器單元的叉指電極；8)在溫度為480℃的N2環境中進行30分鐘的金屬化處理，形成歐姆接觸；9)進行真空靜電鍵合，將n型單晶矽片封裝在2mm厚的硼矽玻璃上，並在空腔區域形成真空度為10-5毫託的真空腔，用於檢測環境壓力；10)在溼度單元均勻塗覆感溼膜；11)最後進行劃片成單個管芯。
本發明的方法製作的晶片體積小、能耗低，容易封裝在如手錶、手機等大眾化的便攜儀器設備上，方便使用。
圖1是本發明的結構原理圖。
圖2是本發明中壓力單元的電阻條結構示意圖。
圖3為本發明的壓力單元的工作原理圖。
圖4是本發明中溫度單元的電阻條結構示意圖。
圖5是本發明中溼度單元的電極結構示意圖。
圖6為本發明的實物照片。
下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理作詳細說明。
具體實施例方式
參照圖1，本發明通過MEMS技術和集成電路微加工技術在(100)晶面、5mm×5mm管芯上製作三個敏感單元壓力I、溫度II和溼度單元III，壓力單元I的背面是C型矽杯，溫度II和溼度單元III布置在管芯的固支區域，以消除壓力對溫度和溼度單元的影響，該晶片通過真空鍵合工藝封裝在硼矽玻璃1上，其中的關鍵技術在於製作過程中的工藝兼容性。三個單元基於的效應不同，其中壓力單元基於壓阻效應，主要用於檢測環境的壓力變化；溫度單元基於熱阻效應，用於檢測環境溫度的變化；溼度單元基於電容原理，用於檢測環境溼度的變化。
基本製作工藝如下經過清洗的n型(001)單晶矽片2經過氧化，形成800±50nm的二氧化矽層4；塗覆光刻膠，加電阻條掩膜板，正面光刻出壓力單元I和溫度單元II的電阻條形狀，擴散濃度為2×1019/cm3硼離子，形成結深為2～2.5μm的p型電阻條層3，其中包括壓力單元I的四個電阻條線7和溫度單元II的電阻條10；通過低壓氣相沉積(LPCVD)形成厚度為120nm±20nm氮化矽層5作為應力匹配層；加背腔掩膜板，背面光刻，去除部分二氧化矽層4，採用EPW(乙二胺，鄰苯二酚和水的混合物)腐蝕液對n型單晶矽基底2進行各向異性腐蝕，形成膜厚為25μm的C型杯壓力腔；加電阻孔掩膜板，正面光刻形成電阻孔；然後正面進行濺射比例為Si∶Al＝1∶99的矽鋁材料，厚度為2.5～3.0μm；加電極掩膜板，刻蝕出壓力單元I的電極引線8和壓焊塊系列9、溫度單元II的電極引線11和壓焊塊系列12及溼度單元III的電極引線14和壓焊塊系列15，並形成溼度單元III的叉指電極13；在溫度為480℃的N2環境中進行30分鐘的金屬化處理，有利於形成歐姆接觸；進行真空靜電鍵合，將矽晶片封裝在2mm厚的硼矽玻璃1上，並在空腔區域形成真空度為10-5毫託的真空腔，用於檢測環境壓力；在溼度單元均勻塗覆感溼膜6；最後進行劃片成單個管芯。
下面對三個敏感單元的工作原理進行介紹。
壓力單元I主要包括四個p型壓阻電阻條7、電極引線8和壓焊塊系列9，壓焊塊系列9的作用就是通過金絲球焊實現晶片內與晶片外的引線。四個電阻條7均沿著矽膜的[110]晶向布置在應力集中處，外形結構見示意圖2。壓力單元I的背面通過各向異性腐蝕技術形成空腔，管芯與硼矽玻璃1真空鍵合後形成真空。當外界環境壓力P作用在矽膜上，矽膜發生變形，產生的擾度WP，如圖3所示。基於壓阻效應，其中兩個電阻條的阻值變大，另兩個電阻條的阻值變小，由四個電阻條組成的惠斯登全橋在恆定電源激勵下，輸出與外界環境壓力P成正比的電信號，實現對外界壓力的檢測。
溫度單元II包括通過擴散工藝形成結構如圖4所示的p型電阻條10和濺射、刻蝕工藝形成的電極引線11和壓焊塊系列12。p型電阻條10布置在矽片的[100]晶向，由於[100]晶向的壓阻係數較小，可以減小壓力對溫度單元的影響。電阻條的電阻率如下式=1Nqn+Pqp]]>式中，μn和μp分別為n型和p型載流子的遷移率，q是電子電量，N和P分別摻雜Si中n型和p型載流子濃度。
對於p型矽而言，有P＞＞N，故1Pqp]]>其中，μp與溫度T成反比關係，所以隨著溫度的變化，電阻率ρ成比例變化，根據下式，R=LS]]>式中，R為電阻條的阻值，ρ為電阻率，L為電阻條的長度，S為電阻條的橫截面積。
通過壓焊塊系列12，經金絲球焊引出外引線，便可得到環境溫度T和電阻條阻值R的比例關係，從而測得T。
溼度單元III通過濺射工藝在矽晶片上形成厚度為2.5～3.0μm的鋁層，再通過刻蝕工藝形成叉指型電極13、電極引線14和壓焊塊系列15，如圖5所示，其中叉指型電極13包括電極51極板和電極52極板。選用吸溼和脫溼能力較強的感溼材料均勻塗覆在叉指電極的空隙內，形成厚度為3μm的感溼層6。當環境的溼度發生變化時，感溼層6的介電常數ε成比例變化，根據C=Sd,]]>其中S、d為分別為電極的截面積和兩電極間距，且S、d恆定，因此通過壓焊塊系列15，經金絲球焊引出外引線，便可測得與環境溼度的變化成比例的電容C值。
圖6所示的是採用本發明的方法製備的多功能集成傳感器晶片，具有體積小、集成度高、多功能、成本低等優點，可廣泛用於檢測環境壓力、溫度、溼度等與人體舒適度有關的參數，提供給環境調控設備實現舒適度滿意的小環境，並可與可攜式儀表封裝一起，如手錶、手機等，使用方便。
權利要求
1.一種多功能集成傳感器晶片的製作方法，其特徵在於，採用微機械電子系統技術和集成電路微加工技術在一個5mm×5mm面積的管芯上製作出能分別敏感壓力、溫度、溼度三個傳感器單元；其製作方法包括下列步驟1)將經過清洗的n型單晶矽片經過氧化，形成800±50nm的二氧化矽層；2)然後在二氧化矽層上塗覆光刻膠，加電阻條掩膜板，正面光刻出壓力單元和溫度傳感器單元的電阻條結構形狀，並擴散濃度為2×1019/cm3硼離子，形成結深為2～2.5μm的p型電阻條；3)在二氧化矽層上再通過低壓氣相沉積形成厚度為120nm±20nm氮化矽作為應力匹配層；4)加背腔掩膜板，背面光刻，去除部分二氧化矽，採用乙二胺、鄰苯二酚和水的混合物腐蝕液即EPW對n型矽基底進行各向異性腐蝕，形成膜厚為25μm的C型杯壓力腔；5)加電阻孔掩膜板，正面光刻形成電阻孔；6)然後正面進行濺射比例為Si∶Al＝1∶99的矽鋁材料，厚度為2.5μm～3.0μm；7)加電極掩膜板，刻蝕電極形狀，形成壓力、溫度、溼度傳感器單元的電極引線，並形成溼度傳感器單元的叉指電極；8)在溫度為480℃的N2環境中進行30分鐘的金屬化處理，形成歐姆接觸；9)進行真空靜電鍵合，將n型單晶矽片封裝在2mm厚的硼矽玻璃上，並在空腔區域形成真空度為10-5毫託的真空腔，用於檢測環境壓力；10)在溼度單元均勻塗覆感溼膜；11)最後進行劃片成單個管芯。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述的壓力單元包括四個p型壓阻電阻條、電極引線和壓焊塊系列，四個p型壓阻電阻條構成的惠斯登全橋；壓焊塊系列用於通過金絲球焊實現晶片內與晶片外的引線；四個電阻條均沿著矽膜的[110]晶向布置在應力集中處，壓力單元的背面通過各向異性腐蝕技術形成空腔，管芯與硼矽玻璃真空鍵合後形成真空。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述的溫度單元包括p型電阻條和濺射、刻蝕工藝形成的電極引線和壓焊塊系列，p型電阻條布置在矽片的[100]晶向。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述的溼度單元通過濺射工藝在矽晶片上形成厚度為2.5～3.0μm的鋁層，再通過刻蝕工藝形成叉指型電極、電極引線和壓焊塊系列，其中叉指型電極包括兩個電極極板；選用吸溼和脫溼能力較強的感溼材料均勻塗覆在叉指電極的空隙內，形成厚度為3μm的感溼層；當環境的溼度發生變化時，感溼層的介電常數ε成比例變化，根據公式C=Sd,]]>其中S、d為分別為電極的截面積和兩電極間距，且S、d恆定，因此通過壓焊塊系列，經金絲球焊引出外引線，便可測得與環境溼度的變化成比例的電容C值。
全文摘要
本發明公開了一種多功能集成傳感器晶片的製作方法，採用微機械電子系統技術和集成電路微加工技術在一個5mm×5mm面積的管芯上製作出能分別敏感壓力、溫度、溼度三個傳感器單元；三個單元基於的效應不同，其中壓力單元基於壓阻效應，主要用於檢測環境的壓力變化；溫度單元基於熱阻效應，用於檢測環境溫度的變化；溼度單元基於電容原理，用於檢測環境溼度的變化。本發明製作的多功能集成傳感器晶片可用於檢測環境壓力、溫度、溼度等與人體舒適度有關的參數，提供給環境調控設備實現舒適度滿意的小環境，可集成在可攜式儀器上，如手錶、手機等，便攜、使用方便。
文檔編號B81C1/00GK1725439SQ200510042729
公開日2006年1月25日 申請日期2005年5月26日 優先權日2005年5月26日
發明者蔣莊德, 趙玉龍, 趙立波, 周建發 申請人:西安交通大學