一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片及其製作方法
2023-05-14 00:10:51
一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片及其製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片及其製作方法。該晶片包括一塊單晶矽基片和均集成在該單晶矽基片上的懸臂梁和壓力傳感器；採用單矽片單面微加工方法把懸臂梁和傳感器集成在該單晶矽基片的同一表面，其中，壓力傳感器集成在懸臂梁結構上，參考壓力腔體直接嵌入在懸臂梁內部。這種懸浮式力敏傳感器晶片結構充分依靠懸臂梁尾端活動自由結構的力學特性，使懸臂梁上的壓力傳感器能有效抑制晶片外部封裝應力給力敏傳感器檢測性能帶來的不利影響，實現了力敏傳感器對不同材料封裝基板的友好封裝，提高了傳感器的檢測穩定性和封裝環境適應可靠性。本發明構思新穎、結構簡單且封裝成本低，具有晶片尺寸小、成本低，滿足大批量生產要求。
【專利說明】一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片及其製作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於矽微機械傳感器【技術領域】。涉及力敏傳感器晶片及其製作方法，特別是涉及一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片及其製作方法，可有效自行抑制封裝應力對力敏傳感器檢測性能的不利影響，特別適於對不同材料封裝基板的友好封裝。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著微機電系統(MEMS)技術的迅猛發展，矽基壓力傳感器作為MEMS傳感器傳統力學檢測器件之一被廣泛應用於航空航天、生化醫學、生命科學、汽車電子等領域。例如，力敏傳感器中的壓力傳感器檢測精度、線性度、重複性等性能不僅依賴於傳感器晶片合理的傳感器結構設計及其相關製作工藝的嚴格控制，而且傳感器晶片在後續應用過程中的封裝好壞也會很大程度影響到傳感器的檢測性能[H Krassow, D Heimlich, FCampabadal and Lora-Tamay0.Novel Packaging Technique and its Application toa ffet/ffet Differential Pressure Silicon Sensor.1nternational Conference onSolid-State Sensors and Actuators (Transducers，97)，1997:275-278]。傳感器晶片封裝目的主要用來固定和保護傳感器晶片在不同檢測環境中能夠保持正常作業並免受外部因素破壞。在這些封裝中，由於傳感器晶片通常被固定在不同材料的基板上，然後封裝在金屬管殼裡[Bowei Li, G Q Zhang, Fengze Hou and Yang Ha1.The Effect of Diaphragmon Performance of MEMS Pressure Sensor Packaging.1nternational Conference onElectronic Packaging Technology&High Density Packaging, 2010:601_606],由於力敏傳感器不僅對需要檢測的工作應力敏感，而且對熱匹配失調以及機械封裝所導入的應力也一樣敏感。因此，封裝過程機械管殼安裝所引入的機械應力以及不同材料封裝基板的熱膨脹係數與傳感器晶片襯底材料的熱膨脹係數存在差異，在不同物理環境下兩者之間由於熱匹配失調而導致了內在應力，都會使得傳感器壓力敏檢測單元(例如:壓力敏感薄膜)發生不可預期的形變，從而影響力敏傳感器的檢測精度和穩定性。因此，力敏傳感器晶片的封裝越來越受到業界的廣泛關注。
[0003]目前，為解決這些封裝上的難題，通常從封裝材料特性選擇以及封裝結構設計兩方面入手。在封裝材料選擇方面，首先，選擇柔性材料(即，楊氏模量較小的材料)作為外力緩衝中介來儘可能的降低封裝過程中機械應力對傳感器力敏檢測單元造成的不利影響，同時還要求所選取的封裝材料熱膨脹係數儘可能與傳感器晶片的材料相匹配，進一步降低熱匹配失調所導致的內在封裝應力；在封裝結構設計方面，最常用的方法是在晶片封裝過程中，採用細長導壓管實現傳感器晶片與金屬封裝管殼的連接，使晶片在垂直於封裝基板方向上儘可能遠離封裝基板，這就使得封裝應力所引起的封裝基板形變很難傳遞到力敏傳感器晶片，進而削弱了封裝應力對傳感器檢測性能的影響。
[0004]雖然這些努力能夠有效地減低了封裝應力對力敏傳感器晶片性能的影響，但是，這些封裝方法工藝複雜、成本高，特別不適於時下在消費類電子產品中力敏器件的SMT (表面貼裝封裝)封裝。[0005]鑑於此，本發明從力敏傳感器晶片自身結構設計入手，提出了一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片及其製作方法。
【發明內容】
[0006]本發明主要解決的技術問題在於提供一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片及製作方法，用於解決現有力敏傳感器晶片在後道封裝應用過程中，由於不同材料的封裝基板在不同物理環境下形變所產生的封裝應力給力敏傳感器檢測性能帶來了不利影響，進而實現力敏壓力傳感器晶片低成本、高效率、與不同材料封裝基板的友好且便捷式封裝。
[0007]為了解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案:
[0008]一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片，其特徵在於，所述懸浮式力敏傳感器晶片包括:
[0009]單晶矽基片；
[0010]集成在所述單晶矽基片同一表面上的懸臂梁及壓力傳感器；
[0011]所述壓力傳感器集成在所述懸臂梁上且遠離懸臂梁根部位置；
[0012]其中，所述懸臂梁根部與單晶矽基片連接，且在懸臂梁根部兩側分別製作一個用於釋放懸臂梁受到橫向封裝應力的應力釋放凹槽；
[0013]所述壓力傳感器包括單晶矽壓力敏感薄膜、位於所述單晶矽壓力敏感薄膜上的四個壓敏電阻以及位於所述單晶矽壓力敏感薄膜之下嵌入在所述懸臂梁結構內的參考壓力腔體；所述四個壓敏電阻組成惠斯頓全橋檢測電路。
[0014]優選地，所述單晶娃基片為(111)晶面的單晶娃基片。
[0015]優選地，所述懸臂梁為六邊形，任意相鄰兩條邊的夾角為120° ;且該懸臂梁軸線沿〈211〉晶向排布。
[0016]優選地，所述單晶矽壓力敏感薄膜為規則六邊形結構，參考壓力腔體為順應該壓力敏感薄膜形狀的六邊形腔體。
[0017]優選地，所述單晶矽壓力敏感薄膜上的壓敏電阻為四個注入式單晶矽壓敏電阻，且分別兩兩相對以單晶矽壓力敏感薄膜的中心呈中心對稱分布，分別位於單晶矽壓力敏感薄膜的兩條相互垂直的對稱軸上，即分布在其上下左右位置。
[0018]本發明還提供一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片的製作方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟:
[0019]步驟一、提供一單晶矽基片，通過向該單晶矽基片進行離子注入的方法製作壓敏電阻；
[0020]步驟二、在上述單晶矽基片的上表面依次沉積氮化矽層和正矽酸乙酯TEOS鈍化保護層；
[0021]步驟三、在單晶矽基片上製作兩條系列微型釋放窗口，所述兩條系列微型釋放窗口勾勒出單晶矽壓力薄膜的輪廓，該釋放窗口的深度與所述單晶矽壓力薄膜的厚度一致；然後再次順序沉積第二氮化矽層和第二正矽酸乙酯TEOS鈍化保護層；
[0022]步驟四、利用反應離子刻蝕技術剝離釋放窗口底部的鈍化保護層，保留釋放窗口側壁的鈍化保護層，然後再利用DRIE繼續沿釋放窗口向下刻蝕，刻蝕深度為所需參考壓力腔體的深度；[0023]步驟五、在釋放窗口的側壁底部利用KOH溶液或者TMAH溶液橫向腐蝕單晶矽基片，製作嵌入在單晶矽基片內的參考壓力腔體，釋放單晶矽壓力敏感薄膜；
[0024]步驟六、通過在釋放窗口內沉積多晶矽縫合該釋放窗口，完成壓力傳感器中參考壓力腔體的密封，然後，採用矽深度反應離子刻蝕技術去除上表面多餘的多晶矽；
[0025]步驟七、繼續在上述製作工藝基礎上依次沉積第三氮化矽層和第三正矽酸乙酯TEOS鈍化保護層；
[0026]步驟八、刻蝕出懸臂梁結構圖形，所述懸臂梁結構圖形包括壓力傳感器的壓力敏感薄膜以及參考壓力腔體區域；刻蝕深度要遠大於單晶矽壓力敏感薄膜的深度加上參考壓力腔體的深度；然後依次沉積第四氮化矽層和第四正矽酸乙酯TEOS鈍化保護層對已刻蝕出的懸臂梁結構側壁提供鈍化保護；再利用反應離子刻蝕技術剝離懸臂梁結構圖形底部的鈍化保護層，保留懸臂梁側壁的鈍化保護層，然後再利用DRIE沿懸臂梁結構圖形繼續向下刻蝕；
[0027]步驟九、利用KOH溶液或者TMAH溶液通過橫向各向異性溼法腐蝕釋放懸臂梁結構，釋放的懸臂梁結構包括單晶矽壓力敏感薄膜以及參考壓力腔體，然後利用緩衝氧化矽刻蝕(BOE)溶液腐蝕掉單晶矽基片表面殘餘的鈍化保護層；
[0028]步驟十、製作壓力傳感器上壓敏電阻區域的歐姆接觸區和引線孔，濺射鋁薄膜並形成引線和焊盤，完成整個消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片的製作。
[0029]優選地，所述步驟一中採用η型(111)晶面的單晶矽基片。
[0030]優選地，所述步驟一中的離子注入注入傾斜角為9°，製備的壓敏電阻的阻值為89±2Ω。
[0031]優選地，所述步驟八中懸臂梁結構圖形為六邊形，任意相鄰兩條邊的夾角為120° ;且該懸臂梁軸線沿〈211〉晶向排布。
[0032]相較於現有技術，本發明的有益效果在於:本發明的壓力傳感器採用懸浮式結構，通過一套單矽片單面體矽微機械加工技術將壓力傳感器和懸臂梁集成在同一顆單晶矽晶片的同一表面上，其中，壓力傳感器被巧妙集成在懸臂梁上，壓力傳感器的參考壓力腔體直接嵌入到懸臂梁結構內部，該懸浮式力敏傳感器結構充分利用懸臂梁尾端活動自由結構的力學特性能有效抑制了封裝應力給壓力傳感器檢測性能所帶來了不利影響，結構簡單，構思巧妙。本發明不僅解決了壓力傳感器晶片在實際應用中封裝的難題、大大降低了封裝成本，實現了晶片友好且便捷式封裝，而且還具有表面微機械加工所特有的優勢，尺寸小、成本低、靈敏度高、穩定性好、精度佳等特點，適合於大批量生產。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1顯示為本發明一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片三維結構示意圖。
[0034]圖2顯示為本發明一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片沿A-A方向的三維結構截面示意圖。
[0035]圖3a和圖3b顯示為本發明一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器與傳統非懸浮式力敏傳感器封裝在同一材料(可伐合金)基板上後，在環境溫度為120度條件下的傳感器晶片在外部封裝應力作用下壓力敏感薄膜應變分布仿真結果對比截面圖(沿壓力敏感薄膜兩條對稱軸中長軸方向截取橫截面)。其中，圖3a為本發明壓力傳感器封裝應變分布圖；圖3b為傳統壓力傳感器封裝應變分布圖。
[0036]圖4a_圖4b顯示為本發明一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器與傳統非懸浮式壓力傳感器封裝在同一材料(可伐合金)基板上後，在環境溫度為120度條件下的傳感器晶片在外部封裝應力作用下壓敏敏感薄膜上表面的應力分布曲線對比圖。
[0037]其中，圖4a為本發明傳感器壓力薄膜上沿X方向(即，規則六邊形薄膜兩條對稱軸中的長軸)應力分布曲線和傳統傳感器壓力薄膜上沿X方向(即，規則六邊形薄膜兩條對稱軸中的長軸)應力分布曲線；圖仙為本發明傳感器壓力薄膜上沿Y方向(即，規則六邊形薄膜兩條對稱軸中的短軸)應力分布曲線和傳統傳感器壓力薄膜上沿Y方向(即，規則六邊形薄膜兩條對稱軸中的短軸)應力分布曲線。
[0038]圖5 (a)-5 ( j)顯示為本發明一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器的製造方法在實施例中的工藝流程圖。
[0039]其中，圖5 (a)為製作應力敏感電阻示意圖；圖5 (b)LPCVD沉積氮化矽和TEOS鈍化層；圖5 (c) DRIE刻蝕釋放窗口並LPCVD沉積鈍化保護層；圖5 (d) DRIE刻蝕釋放窗口犧牲間隙；圖5 (e)刻蝕壓力傳感器腔體及其形成薄膜圖；5 (f)多晶矽縫合壓力傳感器釋放窗口；圖5 (g) LPCVD沉積氮化矽和TEOS鈍化層；圖5 (h)刻蝕懸臂梁釋放槽；圖5 (i)腐蝕釋放懸臂梁；圖5 (j)製作金屬互聯。
[0040]圖6顯示為本發明一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片SEM實物圖片。
[0041]圖7顯示為本發明一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器的截面SEM實物圖片。
[0042]圖8顯示為本發明一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器的紅外電鏡實物圖片。
[0043]圖9顯示為本發明一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器與傳統非懸浮式力敏傳感器關於壓強與輸出電壓關係曲線對比圖。
[0044]圖10顯示為本發明一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器與傳統非懸浮式力敏傳感器關於零點溫漂輸出對比曲線。
[0045]元件標號說明:
[0046]I 單晶矽；
[0047]2 懸臂梁；
[0048]3 壓力傳感器；
[0049]31 壓敏電阻；
[0050]32 鋁引線；
[0051]33 鋁焊盤；
[0052]34 參考壓力腔體；
[0053]35 單晶矽壓力敏感薄膜；
[0054]4 懸臂梁橫向應力釋放凹槽；
[0055]5 薄膜系列微型釋放窗口 ；
[0056]6 懸臂梁側向可動間隙；
[0057]7 懸臂梁下表面可動間隙；
[0058]8 封裝基板。
【具體實施方式】[0059]以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
[0060]請參閱圖1至圖2。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。
[0061]以下將結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0062]本實施例製作一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片，如圖1和圖2所示，該晶片包括:一塊(111)單晶矽基片和均集成在所述單晶矽基片上的懸臂梁2及壓力傳感器3 ;所述懸臂梁2與壓力傳感器3均集成於所述單晶矽基片的同一表面；所述的壓力傳感器3集成在所述的懸臂梁2的上且遠離懸臂梁根部位置，所述壓力傳感器3的參考壓力腔體34嵌入在所述懸臂梁2內部。
[0063]其中，所述的懸臂梁2採用六邊形結構，所述懸臂梁2通過所述懸臂梁側向可動間隙6和所述懸臂梁下表面間隙7可實現所述懸臂梁2沿左右方向和上下方向自由運動，在所述懸臂梁2的根部兩側分別製作有凹型應力釋放槽4，所述的應力釋放凹槽4主要用來自釋放懸臂梁所感受來至橫向的封裝應力。
[0064]所述的壓力傳感器3包括:單晶矽壓力敏感薄膜(即圖2、圖3a_圖3b、圖5(a)-圖5 (j)以及圖7和圖8中的規則六邊形壓力薄膜35，四個位於所述單晶矽壓力薄膜35上的壓敏電阻31，以及位於所述單晶矽壓力薄膜35之下嵌入在所述懸臂梁2內部的參考壓力腔體34 ;所述四個壓敏電阻31通過所述鋁引線32和所述鋁焊盤33互連組成惠斯頓全橋壓力檢測電路。
[0065]在本實施例中，優選地，採用η型(111)晶面矽片作為單晶矽基片進行單矽片單面微機械製作，通過單晶矽側壁根部橫向溼法刻蝕形成所述壓力傳感器3的單晶矽薄膜35、嵌入式參考壓力腔體34以及所述懸臂梁2。所述四個壓敏電阻31均為單晶矽應力敏感電阻；單晶矽壓力敏感薄膜為規則六邊形結構，相鄰兩邊的夾角均為120°，所述壓力傳感器3的參考壓力腔體34為順應該壓力敏感薄膜形狀的六邊形腔體。
[0066]在本實施例中，懸臂梁優選地採用規則六邊形結構，相鄰兩條邊的夾角均為120°，懸臂梁的根部由六邊形其中一個短邊與所示單晶矽基片I相連接，並在懸臂梁根部兩側分別製作一個應力釋放凹槽4。當懸臂梁受到外在封裝應力作用時，懸臂梁所感受到的軸向封裝應力可以通過懸臂梁自身沿ζ方向(B卩，垂直單晶矽基片I表面方向，沿所述懸臂梁下表面間隙7)彎曲變形得以釋放；懸臂梁所感受到的橫向封裝應力則可通過應力釋放凹槽4以及懸臂梁在橫向封裝應力作用下沿懸臂梁側向可動間隙6形變，在懸臂梁根部便得以釋放，這就使得外在封裝應力不會傳遞到遠離懸臂梁根部的其它懸臂梁位置，確保了集成在懸臂梁末端位置的壓力傳感器不會受到封裝應力的不利影響，如圖3a-圖3b以及圖4a-圖4b所示，實現了本發明所述壓力傳感器晶片對不同材料封裝基板的友好封裝。
[0067]壓力傳感器根據單晶矽壓力薄膜區的應力分布，充分利用電阻條的縱向壓阻效應設計壓阻排布方式，優選地，採用了四個壓敏電阻31，分別兩兩相對的以規則六邊形壓力薄膜35的中心呈中心對稱分布，且分別位於規則六邊形壓力薄膜35的兩條相互垂直的對稱軸上，即分布在其上下左右位置。其中，上下位置兩個電阻由於受到拉應力，阻值增大，左右兩個電阻受到壓應力，阻值減小，這四個所述壓敏電阻31通過鋁引線32和鋁焊盤33互連組成全橋檢測電路。
[0068]製作該種消除封裝應力的懸浮式的力敏傳感器晶片的整個工藝過程採用同一套光刻版通過微機械工藝加工。參看圖5 (a)至5 (j)所示，其優選實施步驟如下:
[0069]步驟一、採用η型(111)晶面的單晶矽基片，通過向該單晶矽基片進行硼離子注入的方法製作壓敏電阻，注入傾斜角為9°，壓敏電阻的方塊電阻值為89±2Ω。如圖5 (a)表示製作應力敏感電阻的步驟。
[0070]步驟二、單晶矽基片表面利用LPCVD依次沉積低應力氮化矽和TEOS鈍化保護層，用來保護加工後的壓敏電阻及其後續溼法腐蝕工藝的鈍化保護層。如圖5 (b)表示LPCVD沉積氮化矽和TEOS鈍化層的步驟。
[0071]步驟三、利用DRIE技術在單晶矽基片上沿著η型(111)晶面的單晶矽基片的〈211〉晶向製作兩條所述薄膜系列微型釋放窗口 5，所述兩條系列微型釋放窗口 5勾勒出單晶矽壓力薄膜的規則六邊形輪廓，釋放窗口的深度與所設計單晶矽壓力薄膜的厚度一致。然後利用LPCVD順序沉積低應力氮化矽和TEOS (或者直接利用LPCVD沉積低應力氮化矽)來製作系列微型釋放窗口側壁鈍化保護層。如圖5 (c)表示DRIE刻蝕釋放窗口並LPCVD沉積鈍化保護層的步驟。
[0072]步驟四、利用RIE技術剝離釋放窗口底部的鈍化保護層，保留釋放窗口側壁的鈍化保護層，然後再利用矽深度反應離子刻蝕工藝繼續沿釋放窗口向下刻蝕，刻蝕深度為所需參考壓力腔體的深度。如圖5 (d)表示DRIE刻蝕釋放窗口犧牲間隙的步驟。
[0073]步驟五、在釋放窗口的側壁根部利用KOH溶液或者TMAH溶液橫向腐蝕單晶矽基片，製作嵌入在單晶矽基片內的參考壓力腔體，釋放單晶矽壓力敏感薄膜。如圖5 (e)表示刻蝕壓力傳感器腔體及其形成薄膜的步驟。
[0074]步驟六、通過在釋放窗口內LPCVD沉積多晶矽縫合釋放窗口，完成壓力傳感器中參考壓力腔體的密封，然後，採用DRIE刻蝕技術去除矽表面多餘的多晶矽。如圖5 (f)表示多晶矽縫合壓力傳感器釋放窗口的步驟。
[0075]步驟七、繼續在上述製作工藝基礎上利用LPCVD依次沉積低應力氮化矽和TEOS鈍化材料，用於保護已加工完畢的單晶矽壓力敏感薄膜及其參考壓力腔體。如圖5 (g)表示LPCVD沉積氮化矽和TEOS鈍化層的步驟。
[0076]步驟八、利用DIRE技術刻蝕出懸臂梁結構圖形(注:懸臂梁結構圖形包括壓力傳感器的壓力敏感薄膜以及參考壓力腔體區域)，DRIE刻蝕深度要遠大於單晶矽壓力敏感薄膜的深度+參考壓力腔體的深度，然後LPCVD依次沉積低應力氮化矽和TEOS鈍化材料對已刻蝕出的懸臂梁結構側壁提供鈍化保護。再利用反應離子刻蝕技術剝離懸臂梁結構圖形底部的鈍化保護層，保留懸臂梁側壁的鈍化保護層，然後再利用DRIE沿懸臂梁結構圖形繼續向下刻蝕，刻蝕深度為10微米。如圖5 (h)表示刻蝕懸臂梁釋放槽的步驟。
[0077]步驟九、利用KOH溶液或者TMAH溶液通過橫向各向異性溼法腐蝕釋放懸臂梁結構(釋放的懸臂梁結構應包括單晶矽壓力敏感薄膜以及參考壓力腔體)，然後利用BOE溶液腐蝕掉單晶矽基片表面殘餘的TEOS鈍化材料。如圖5 (i)表示腐蝕釋放懸臂梁的步驟。[0078]步驟十、製作壓力傳感器壓敏電阻區域的歐姆接觸區和引線孔，濺射鋁薄膜並形成引線和焊盤，完成整個消除封裝應力的懸浮式的力敏傳感器晶片的製作。最後進行劃片及測試。如圖5 (j)表示製作金屬互聯的步驟。
[0079]圖1-圖2分別為本實施例製作的一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片三維結構示意圖及其沿A-A方向截面示意圖。
[0080]圖3a和圖3b為本實施例製作的一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器和傳統非懸浮式力敏傳感器晶片封裝到所述封裝基板8後的單晶矽壓力敏感薄膜在外部封裝應力作用下的壓力敏感薄膜應變分布仿真結果截面對比圖(沿壓力敏感薄膜對稱軸中的長軸方向截取橫截面)，圖3a中，由於懸臂梁具有尾端活動自由結構力學特性的緣故，懸臂梁上的壓力敏感薄膜幾乎沒有發生任何形變，而圖3b中傳統非懸浮式傳感器的壓力敏感薄膜發生明顯下凹形變。
[0081]圖4a_4b為本實施例製作的一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器和傳統非懸浮式力敏傳感器晶片封裝到所述封裝基板8後的單晶矽壓力敏感薄膜在外部封裝應力作用下的壓力敏感薄膜上表面應力分布曲線對比圖(應力數據從圖3a和圖3b的仿真結果中提取所得)，從對比曲線可知，本實施例製作的一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器不論在X方向還是在Y方向上，由於外部封裝而導入的封裝應力均比傳統非懸浮式力敏傳感器小1-3數量級。
[0082]圖6-圖8分別是本實施例製作的一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片的SEM和紅外實物圖片。由圖可見，本發明傳感器晶片上所有功能部件均位於單晶片一面，單晶片另一面不參與工藝製作，其中，壓力傳感器集成在懸臂梁遠離懸臂梁根部的位置上，壓力傳感器的參考壓力腔體直接嵌入到懸臂梁的內部。
[0083]圖9、圖10分別是本實施例製作的一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器和傳統非懸浮式力敏傳感器的壓強和輸出電壓曲線對比圖以及傳感器零點漂移輸出曲線對比圖。從圖9曲線對比結果來看，本發明所述的壓力傳感器在保持壓強和電壓輸出特性與傳統壓力傳感器一致外，本發明的傳感器零點漂移特性得到很大的提高(見圖10)，這主要得益於本發明的傳感器結構具有對不同材料封裝基板給傳感器所帶來的封裝應力具有自抑制功能。本發明不僅解決了壓力傳感器在實際封裝應用中封裝難、成本高的問題，實現了傳感器晶片友好且便捷式SMT封裝，而且還具有表面微機械加工所特有的優勢，具有尺寸小、成本低、靈敏度高、穩定性好、精度佳等特點，適合於大批量生產。
[0084]綜上所述，本發明通過把力敏傳感器集成在懸臂梁上(見圖1)，充分依靠懸臂梁尾端活動自由結構的力學特性(見圖3a)，使懸臂梁上的壓力傳感器能有效抑制晶片外部封裝應力給力敏傳感器檢測性能帶來的不利影響，實現了力敏傳感器對不同材料封裝基板的友好封裝(見圖3a和圖4a_圖4b)。本發明力敏傳感器晶片不僅封裝友好、便捷，大大降低了傳統傳感器封裝的難度和節省了封裝成本，而且晶片尺寸小、檢測精度高、適合大批量生產的要求。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
[0085]上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術領域】中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1.一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片，其特徵在於，所述懸浮式力敏傳感器晶片包括: 單晶娃基片; 集成在所述單晶矽基片同一表面上的懸臂梁及壓力傳感器； 所述壓力傳感器集成在所述懸臂梁上且遠離懸臂梁根部位置； 其中，所述懸臂梁根部與單晶矽基片連接，且在懸臂梁根部兩側分別製作一個用於釋放懸臂梁受到橫向封裝應力的應力釋放凹槽； 所述壓力傳感器包括單晶矽壓力敏感薄膜、位於所述單晶矽壓力敏感薄膜上的四個壓敏電阻以及位於所述單晶矽壓力敏感薄膜之下嵌入在所述懸臂梁結構內的參考壓力腔體；所述四個壓敏電阻組成惠斯頓全橋檢測電路。
2.根據權利要求1所述的消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片，其特徵在於:所述單晶娃基片為(111)晶面的單晶娃基片。
3.根據權利要求1所述的消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片，其特徵在於:所述懸臂梁為六邊形，任意相鄰兩條邊的夾角為120° ;且該懸臂梁軸線沿〈211〉晶向排布。
4.根據權利要求1所述的消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片，其特徵在於:所述單晶矽壓力敏感薄膜為規則六邊形結構，參考壓力腔體為順應該壓力敏感薄膜形狀的六邊形腔體。
5.根據權利要求1所述的消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片，其特徵在於:所述單晶矽壓力敏感薄膜上的壓敏電阻為四個注入式單晶矽壓敏電阻，且分別兩兩相對以單晶矽壓力敏感薄膜的中心呈中心`對稱分布，分別位於單晶矽壓力敏感薄膜的兩條相互垂直的對稱軸上，即分布在其上下左右位置。
6.一種消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片的製作方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟: 步驟一、提供一單晶矽基片，通過向該單晶矽基片進行離子注入的方法製作壓敏電阻； 步驟二、在上述單晶矽基片的上表面依次沉積氮化矽層和正矽酸乙酯TEOS鈍化保護層； 步驟三、在單晶矽基片上製作兩條系列微型釋放窗口，所述兩條系列微型釋放窗口勾勒出單晶矽壓力薄膜的輪廓，該釋放窗口的深度與所述單晶矽壓力薄膜的厚度一致；然後再次順序沉積第二氮化矽層和第二正矽酸乙酯TEOS鈍化保護層； 步驟四、利用反應離子刻蝕技術剝離釋放窗口底部的鈍化保護層，保留釋放窗口側壁的鈍化保護層，然後再利用矽深度反應離子刻蝕DRIE工藝繼續沿釋放窗口向下刻蝕，刻蝕深度為所需參考壓力腔體的深度； 步驟五、在釋放窗口的側壁底部利用KOH溶液或者TMAH溶液橫向腐蝕單晶矽基片，製作嵌入在單晶矽基片內的參考壓力腔體，釋放單晶矽壓力敏感薄膜； 步驟六、通過在釋放窗口內沉積多晶矽縫合該釋放窗口，完成壓力傳感器中參考壓力腔體的密封，然後，採用矽深度反應離子刻蝕DRIE刻蝕技術去除上表面多餘的多晶矽；步驟七、繼續在上述製作工藝基礎上依次沉積第三氮化矽層和第三正矽酸乙酯TEOS鈍化保護層；步驟八、刻蝕出懸臂梁結構圖形，所述懸臂梁結構圖形包括壓力傳感器的壓力敏感薄膜以及參考壓力腔體區域；刻蝕深度要遠大於單晶矽壓力敏感薄膜的深度加上參考壓力腔體的深度；然後依次沉積第四氮化矽層和第四正矽酸乙酯TEOS鈍化保護層對已刻蝕出的懸臂梁結構側壁提供鈍化保護；再利用反應離子刻蝕技術剝離懸臂梁結構圖形底部的鈍化保護層，保留懸臂梁側壁的鈍化保護層，然後再利用DRIE沿懸臂梁結構圖形繼續向下刻蝕； 步驟九、利用KOH溶液或者TMAH溶液通過橫向各向異性溼法腐蝕釋放懸臂梁結構，釋放的懸臂梁結構包括單晶矽壓力敏感薄膜以及參考壓力腔體，然後利用緩衝氧化矽刻蝕(BOE)溶液腐蝕掉單晶矽基片表面殘餘的鈍化保護層； 步驟十、製作壓力傳感器上壓敏電阻區域的歐姆接觸區和引線孔，濺射鋁薄膜並形成引線和焊盤，完成整個消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片的製作。
7.根據權利要求6所述的消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片的製作方法，其特徵在於，所述步驟一中採用η型(111)晶面的單晶矽基片。
8.根據權利要求6所述的消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片的製作方法，其特徵在於，所述步驟一中的離子注入注入傾斜角為9°，製備的壓敏電阻的阻值為89±2Ω。
9.根據權利要求6所述的消除封裝應力的懸浮式力敏傳感器晶片的製作方法，其特徵在於，所述步驟八中懸臂梁結構圖形為六邊形，任意相鄰兩條邊的夾角為120° ;且該懸臂梁軸線沿〈211〉晶向排布。
【文檔編號】B81B3/00GK103674355SQ201210333367
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月11日 優先權日:2012年9月11日
【發明者】李昕欣, 王家疇 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所