一種體矽諧振式壓力傳感器的圓片級真空封裝方法
2023-05-15 09:03:01 2
一種體矽諧振式壓力傳感器的圓片級真空封裝方法
【專利摘要】本發明涉及一種應用於體矽諧振式壓力傳感器的圓片級封裝方法，其步驟包括：1)根據諧振式壓力傳感器的結構選取合適的SOI矽片和進行陽極鍵合的玻璃片；2)對SOI矽片的器件層進行臺階刻蝕，形成器件結構；3)去除部分埋氧層，釋放器件結構；4)將SOI片和玻璃片進行真空陽極鍵合；5)對矽片進行減薄；6)通過光刻定義引線窗口，然後刻蝕矽，露出埋氧層；7)去除引線窗口內的埋氧層；8)在矽片表面澱積二氧化矽，形成電學隔離；9)對澱積的二氧化矽進行刻蝕，形成pad孔；10)澱積金屬pad。本發明採用圓片級封裝，工藝流程簡單，能夠大大降低體矽諧振式壓力傳感器的真空封裝成本。
【專利說明】一種體矽諧振式壓力傳感器的圓片級真空封裝方法【技術領域】
[0001]本發明屬於微電子機械系統(MEMS)製造和封裝領域，涉及一種圓片級真空封裝方法，主要採用的是臺階刻蝕與陽極鍵合等工藝，特別應用在對體矽諧振式壓力傳感器的圓片級封裝領域。
【背景技術】
[0002]九十年代以來，微電子機械系統(MEMS)技術進入了高速發展階段，不僅是因為概念新穎，而且是由於MEMS器件跟傳統器件相比，具有小型化、集成化以及性能更優的前景特點。如今MEMS已經廣泛用於汽車、航空航天、信息控制、醫學、生物學等領域。
[0003]而壓力傳感器則是應用最為廣泛的傳感器之一，廣泛用於科學技術、工業控制、航空航天、生物醫學等領域。根據不同的原理和形式可將壓力傳感器分為壓阻式、電容式、壓電式、諧振式、真空微電子式等等。壓阻式壓力傳感器結構簡單，後續處理電路簡單，但性能的溫度漂移大；電容式壓力傳感器靈敏度高，但後續處理電路相對複雜；諧振式壓力傳感器精度高，穩定性好，且輸出為諧振頻率，易與數字電路相結合。壓力傳感器在應用的過程中，往往需要進行真空封裝。晶片級真空封裝(如To級真空封裝)的成本比較大，從而增加了壓力傳感器的成本，而圓片級真空封裝的方法則可以大大地降低真空封裝的成本。目前已經出現了不少圓片級真空封裝的方法，這些方法通常與器件的製作流程結合在一起。但由於MEMS器件的工藝製作流程並不相同，不能將這些圓片級真空封裝的方法直接複製到每種器件上去，並且不同的方法也有著各自的缺點。
【發明內容】
[0004]本發明針對上述問題，提出一種應用於體矽諧振式壓力傳感器的圓片級封裝方法，能夠大大地降低體矽諧振式壓力傳感器的封裝成本。整個工藝製造流程(包含壓力傳感器的製造與圓片級真空封裝)的主要步驟包括臺階刻蝕、陽極鍵合、矽片減薄等等。
[0005]具體來說，本發明採用的技術方案如下:
[0006]一種體矽諧振式壓力傳感器的圓片級真空封裝方法，其步驟包括:
[0007]I)備片:根據諧振式壓力傳感器的結構選取合適的SOI (silicon on insulator)矽片和用於進行陽極鍵合的玻璃片；
[0008]2)臺階刻蝕(兩次光刻):對SOI矽片的器件層進行臺階刻蝕，形成器件結構(刻蝕的深度應與器件設計的尺寸相吻合)；
[0009]3)釋放:去除部分埋氧層，釋放器件結構；
[0010]4)陽極鍵合:將SOI片和玻璃片進行真空陽極鍵合；
[0011]5)娃片減薄:對娃片進行減薄，剩餘厚度與器件設計尺寸相吻合；
[0012]6)刻蝕引線窗口:通過光刻(第三次光刻)定義引線窗口，然後刻蝕矽，露出埋氧層；
[0013]7)去除引線窗口內的埋氧層；[0014]8)在矽片表面澱積二氧化矽，形成電學隔離；
[0015]9)對澱積的二氧化娃進行刻蝕,形成pad孔；
[0016]10)澱積金屬 pad。
[0017]進一步地，步驟I)選用器件層重摻雜的SOI矽片，器件層厚度和埋氧層厚度依據傳感器的應用範圍而選定；以及選用適合與矽進行陽極鍵合的玻璃片(如B33玻璃等)。
[0018]進一步地，步驟3)和步驟7)採用溼法腐蝕或者幹法刻蝕的方法去除所述埋氧層。採用溼法腐蝕時，可以利用氫氟酸溶液進行腐蝕；採用幹法刻蝕時，可以採用等離子體刻蝕，或者用氣態HF進行刻蝕。
[0019]進一步地，步驟5)利用KOH溶液、TMAH(四甲基氫氧化銨)對矽片進行減薄。
[0020]進一步地，步驟8)採用LPCVD方法、PECVD等方法澱積二氧化矽。
[0021]進一步地，步驟9)首先通過光刻(第四次光刻)形成pad孔，然後刻蝕孔內二氧化矽。
[0022]進一步地,步驟10)利用剝離工藝形成金屬pad。
[0023]本發明的應用於體矽諧振式壓力傳感器的圓片級真空封裝方法，與現有的真空封裝方法相比，其優點是:1)圓片級封裝，大大地降低了真空封裝成本；2)整套工藝流程包含了諧振式壓力傳感器的製造和真空自封裝，工藝流程簡單。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1是備片剖面圖；其中I為重摻雜單晶矽，2為埋氧層(氧化矽)，3為輕摻雜單晶矽襯底，4為玻璃片。
[0025]圖2是臺階刻蝕後剖面圖。
[0026]圖3是釋放後剖面圖。
[0027]圖4是陽極鍵合後剖面圖。
[0028]圖5是矽片減薄後剖面圖。
[0029]圖6是刻蝕引線窗口後剖面圖。
[0030]圖7是腐蝕引線窗口埋氧後剖面圖。
[0031]圖8是PECVD 二氧化矽後剖面圖，其中5為PECVD的二氧化矽。
[0032]圖9是形成pad孔後剖面圖。
[0033]圖10是澱積金屬後剖面圖，其中6為金屬層。
【具體實施方式】
[0034]本發明提出了一種適用於體矽諧振式壓力傳感器的圓片級真空封裝方法。下面結合實施例和附圖對本發明做進一步說明。
[0035]本實施例製造基於音叉式諧振器的壓力傳感器，採用的圓片級封裝的工藝流程如圖1至圖10所示:
[0036]a)備片
[0037]SOI片的器件層I (重摻雜單晶矽)的厚度為30 μ m,電阻率為0.01 Ω.αιι，埋氧層2的厚度為2 μ m，3為氫摻雜單晶矽襯底，玻璃片4為B33玻璃，如圖1所示。
[0038]b)臺階刻蝕(兩次光刻)[0039]對SOI矽片的器件層I進行臺階刻蝕，形成音叉式諧振器結構，刻蝕後形貌如圖2所示。臺階的刻蝕深度分別為5 μ m和30 μ m。
[0040]c)釋放
[0041]利用氫氟酸腐蝕器件結構下面的埋氧層，釋放器件結構，進行工藝時應注意釋放的合理時間，釋放後剖面圖如圖3所示。
[0042]d)陽極鍵合
[0043]將SOI片和玻璃片進行真空陽極鍵合，如圖4所示。
[0044]e)矽片減薄
[0045]利用KOH溶液對矽片進行減薄，整個SOI片剩餘厚度為42 μ m，如圖5所示。
[0046]f)刻蝕引線窗口
[0047]通過第三次光刻定義引線窗口，大小為200 μ mX200 μ m，然後刻蝕矽，露出埋氧層，如圖6所示。
[0048]g)腐蝕引線窗口埋氧
[0049]利用氫氟酸腐蝕引線窗口裡面埋氧層，如圖7所示。
[0050]h) PECVD 二氧化矽
[0051]在矽片上面採用PECVD方法澱積二氧化矽5，厚度為I μ m，形成電學隔離，如圖8所示。
[0052]i)刻蝕二氧化矽，形成pad孔
[0053]進行第四次光刻，形成pad孔，大小為180 μ mX 180 μ m，並刻蝕孔內二氧化矽，如圖9所示。
[0054]h)澱積金屬pad
[0055]利用剝離工藝形成金屬pad,金屬層6採用Cr(30nm)/Au(180nm)複合結構，如圖10所示。
[0056]以上通過一個實施例描述了本發明方法的一個應用，即應用於音叉諧振式壓力傳感器的製造和圓片級真空封裝。但需要說明的是，本發明方法適合其他諧振結構的壓力傳感器的圓片級封裝，在進行臺階刻蝕時，通過調整版圖結構，即可形成不同類型的器件結構，比如音叉梳齒式，雙端固支梁式，等等。本領域的技術人員應當理解，在不脫離本專利實質的範圍內，可對結構做一定的變化和修改，其工藝製備方法也不限於本實施例中的製備工藝。本發明的保護範圍應以權利要求所述為準。
【權利要求】
1.一種體矽諧振式壓力傳感器的圓片級真空封裝方法，其步驟包括: 1)根據體矽諧振式壓力傳感器的結構選取SOI矽片和用於進行陽極鍵合的玻璃片； 2)對SOI矽片的器件層進行臺階刻蝕，形成器件結構； 3)去除SOI矽片的部分埋氧層，釋放器件結構； 4)將SOI矽片和玻璃片進行真空陽極鍵合； 5)對矽片進行減薄，剩餘厚度與器件設計尺寸相吻合； 6)通過光刻定義引線窗口，然後刻蝕娃，露出埋氧層； 7)去除引線窗口內的埋氧層； 8)在矽片表面澱積二氧化矽，形成電學隔離； 9)對澱積的二氧化娃進行刻蝕，形成pad孔； 10)澱積金屬pad。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於:步驟I)所述SOI矽片為器件層重摻雜的SOI娃片。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於:步驟3)和步驟7)採用溼法腐蝕或者幹法刻蝕的方法去除所述埋氧層。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於:採用氫氟酸溶液進行所述溼法腐蝕，採用等離子體刻蝕或者氣態HF進行所述幹法刻蝕。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於:步驟5)利用KOH溶液或者TMAH對矽片進行減薄。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於:步驟8)採用LPCVD或者PECVD方法澱積二氧化矽。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於:步驟9)首先通過光刻形成pad孔，然後刻蝕孔內二氧化矽。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵在於:步驟10)利用剝離工藝形成金屬pad。
【文檔編號】G01L1/10GK104003350SQ201410205595
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月15日 優先權日:2014年5月15日
【發明者】何軍, 張大成, 黃賢, 張立, 趙丹淇, 王瑋, 楊芳, 田大宇, 劉鵬, 李婷, 羅葵 申請人:北京大學