封裝應力與溫漂自補償的雙懸浮式力敏傳感器晶片及製備方法
2023-04-29 18:54:36
封裝應力與溫漂自補償的雙懸浮式力敏傳感器晶片及製備方法
【專利摘要】本發明提供一種封裝應力與溫漂自補償的雙懸浮式力敏傳感器晶片及製備方法。所述晶片至少包括：形成在單晶矽基片一表面的兩個同結構同尺寸的懸臂梁，每一懸臂梁表面開設有參考壓力腔體，每一參考壓力腔體表面覆蓋有單晶矽壓力敏感薄膜，且在每一單晶矽壓力敏感薄膜表面形成有多個電阻，各電阻連接成惠斯頓全橋檢測電路；此外，在臨近每一懸臂梁與單晶矽基片的連接處形成有應力釋放凹槽，以釋放封裝應力；再有，兩參考壓力腔體中的一者通過壓力釋放通道連通導壓孔以便該個參考壓力腔體與外界大氣相通。本發明的傳感器能實現對封裝應力與零點溫漂的自補償，提高了傳感器的檢測穩定性和封裝環境適應可靠性；具有晶片尺寸小、成本低、適於大批量生產等特點。
【專利說明】封裝應力與溫漂自補償的雙懸淳式力敏傳感器晶片及製備 方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及半導體領域，特別是涉及一種封裝應力與溫漂自補償的雙懸浮式力敏 傳感器晶片及製備方法。
【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。 特別是近幾年來隨著MEMS壓力傳感器首次在三星智慧型手機Galaxy Nexus上使用以來，越 來越多的智慧型手機消費市場將廣泛採用壓力傳感器來輔助GPS定位，克服GPS對不同高度 條件下定位的不足，使得三維定位更加精準。例如：實現海拔高度測量、GPS輔助導航定位、 室內精確定位等。下一代智慧型手機將配備有壓力傳感器、陀螺儀、加速度計等檢查器件組成 的10軸Combos定位系統，因此，如此巨大的電子消費市場對壓力傳感器的零點溫漂、高精 度、低成本提出了更高要求。
[0003] 當前MEMS微機械加工技術工藝成熟，在製作傳統結構力敏壓力傳感器時，可以 通過精確控制壓敏電阻的摻雜濃度，來保證不同壓敏電阻之間的一致性，然後再通過組成 惠斯頓全橋電路配置來消除半導體工藝不一致性所導致的傳感器零點溫度漂移問題。但 是，這種傳統的力敏壓力傳感器結構還是無法消除封裝材料熱不匹配所導致的封裝應力 以及傳感器自身存在的殘餘應力對傳感器零點溫度漂移的影響。因此，傳統的力敏壓力 傳感器為了消除熱不匹配所導致的封裝應力，提高傳感器的檢測精度和穩定性，需要花 費大量的人力和物力來研究封裝材料和封裝工藝、以及耗時過多的傳感器晶片老化工藝 過程，這些都大大增加的力敏壓力傳感器的工藝製作成本，降低了市場的競爭力（具體可 參見文獻：Bowei Li, G Q Zhang, Fengze Hou and Yang Hai. The Effect of Diaphragm on Performance of MEMS Pressure Sensor Packaging. International Conference on Electronic Packaging Technology&High Density Packaging，2010:601-606)。此外，即 便通過種種努力解決了熱不匹配所導致的封裝應力問題，力敏壓力傳感器的壓力敏感薄膜 上方的絕緣鈍化層所導致的傳感器自身殘餘應力對傳感器零點溫度漂移的影響還是不能 消除。
【發明內容】
[0004] 鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種封裝應力與溫漂自補 償的雙懸浮式力敏傳感器晶片。
[0005] 本發明的另一目的在於提供一種消除封裝應力與溫漂自補償的雙懸浮式力敏傳 感器晶片的製作方法。
[0006] 為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種封裝應力與溫漂自補償的雙懸 浮式力敏傳感器晶片，其至少包括：
[0007] 形成在單晶矽基片一表面的兩個同結構同尺寸的懸臂梁，每一懸臂梁表面開設有 參考壓力腔體，每一參考壓力腔體表面覆蓋有單晶矽壓力敏感薄膜，且在每一單晶矽壓力 敏感薄膜表面形成有多個電阻，各電阻連接成惠斯頓全橋檢測電路；
[0008] 在臨近每一懸臂梁與單晶矽基片的連接處形成有應力釋放凹槽，以釋放封裝應 力；
[0009] 兩參考壓力腔體中的一者通過壓力釋放通道連通導壓孔以便該個參考壓力腔體 與外界大氣相通。
[0010] 優選地，所述單晶娃基片為η型（111)晶面的單晶娃基片。
[0011] 優選地，每一懸臂梁均為六邊形，且懸臂梁的軸線沿〈11〇>晶向排布。
[0012] 優選地，單晶矽壓力敏感薄膜為規則六邊形結構，參考壓力腔體為六邊形腔體。
[0013] 優選地，每一單晶矽壓力敏感薄膜表面形成有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。
[0014] 優選地，所述導壓孔位於一懸臂梁的軸線上，且臨近該懸臂梁與單晶矽基片的連 接處。
[0015] 本發明還提供一種消除封裝應力與溫漂自補償的雙懸浮式力敏傳感器晶片的制 作方法，其至少包括：
[0016] 1)採用離子注入法在單晶矽基片中形成多個電阻；
[0017] 2)基於待形成的兩單晶矽壓力敏感薄膜的厚度及位置，在形成電阻的單晶矽基片 結構中開設多條微型釋放窗口，其中，使各電阻處於待形成的單晶矽壓力敏感薄膜表面；
[0018] 3)採用刻蝕技術由各微型釋放窗口底部開始刻蝕直至深度與待形成的參考壓力 腔體的深度相同；
[0019] 4)採用腐蝕法由各微型釋放窗口底部的側壁開始腐蝕以形成兩個由參考壓力腔 體及覆蓋在參考壓力腔體表面的單晶矽壓力敏感薄膜構成的腔體結構、以及與其中一個參 考壓力腔體連通的壓力釋放通道；
[0020] 5)採用低應力材料對已形成腔體結構的單晶矽基片結構的各微型釋放窗口進行 填充以完成對兩參考壓力腔體的密封；
[0021] 6)在包含密封的參考壓力腔體的單晶矽基片結構上刻蝕出兩個懸臂梁的圖形結 構，且在每一圖形結構與單晶矽基片的連接處形成應力釋放凹槽，並使每一圖形結構包圍 一個腔體結構；
[0022] 7)基於所述圖形結構對單晶矽基片結構進行腐蝕以釋放兩懸臂梁；
[0023] 8)使已形成兩懸臂梁的單晶矽基片結構中的各電阻進行電氣互連以形成惠斯頓 全橋檢測電路，並開設連通壓力釋放通道的導壓孔。
[0024] 如上所述，本發明的封裝應力與溫漂自補償的雙懸浮式力敏傳感器晶片及製備方 法，具有以下有益效果：能有效抑制封裝應力給傳感器檢測性能帶來的不利影響及壓力傳 感器自身殘餘應力對傳感器零點溫漂的影響；具有對一切不利檢測因素所產生應力的自補 償功能；而且，具有尺寸小、檢測精度高、便捷封裝等特點，能滿足大批量生產的要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖Ia至Ij顯示為本發明的消除封裝應力與溫漂自補償的雙懸浮式力敏傳感器芯 片的製作方法的流程圖。
[0026] 圖2a至2d顯示為本發明的封裝應力與溫漂自補償的雙懸浮式力敏傳感器晶片結 構示意圖，其中，圖2a為三維結構示意圖；圖2b為三維結構截面示意圖；圖2c為SEM實物 不意圖；圖2d為局部SEM實物不意圖。
[0027] 圖3顯示為本發明製備的雙懸浮式力敏傳感器與傳統非懸浮式力敏傳感器以及 傳統單懸浮式力敏傳感器關於零點溫漂輸出對比曲線示意圖。
[0028] 圖4顯示為本發明製備的雙懸浮式力敏傳感器關於壓強與輸出電壓關係曲線示 意圖。
[0029] 元件標號說明
【權利要求】
1. 一種封裝應力與溫漂自補償的雙懸浮式力敏傳感器晶片，其特徵在於，所述封裝應 力與溫漂自補償的雙懸浮式力敏傳感器晶片至少包括： 形成在單晶矽基片一表面的兩個同結構同尺寸的懸臂梁，每一懸臂梁表面開設有參考 壓力腔體，每一參考壓力腔體表面覆蓋有單晶矽壓力敏感薄膜，且在每一單晶矽壓力敏感 薄膜表面形成有多個電阻，各電阻連接成惠斯頓全橋檢測電路； 在臨近每一懸臂梁與單晶矽基片的連接處形成有應力釋放凹槽，以釋放封裝應力； 兩參考壓力腔體中的一者通過壓力釋放通道連通導壓孔以便該個參考壓力腔體與外 界大氣相通。
2. 根據權利要求1所述的封裝應力與溫漂自補償的雙懸浮式力敏傳感器晶片，其特徵 在於：所述單晶娃基片為η型（111)晶面的單晶娃基片。
3. 根據權利要求1或2所述的封裝應力與溫漂自補償的雙懸浮式力敏傳感器晶片，其 特徵在於：每一懸臂梁均為六邊形，且懸臂梁的軸線沿〈11〇>晶向排布。
4. 根據權利要求3所述的封裝應力與溫漂自補償的雙懸浮式力敏傳感器晶片，其特徵 在於：單晶矽壓力敏感薄膜為規則六邊形結構，參考壓力腔體為六邊形腔體。
5. 根據權利要求4所述的封裝應力與溫漂自補償的雙懸浮式力敏傳感器晶片，其特徵 在於：每一單晶矽壓力敏感薄膜表面形成有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。
6. 根據權利要求3所述的封裝應力與溫漂自補償的雙懸浮式力敏傳感器晶片，其特徵 在於：所述導壓孔位於一懸臂梁的軸線上，且臨近該懸臂梁與單晶矽基片的連接處。
7. -種消除封裝應力與溫漂自補償的雙懸浮式力敏傳感器晶片的製作方法，其特徵在 於，所述消除封裝應力與溫漂自補償的雙懸浮式力敏傳感器晶片的製作方法至少包括： 1) 採用離子注入法在單晶矽基片中形成多個電阻； 2) 基於待形成的兩單晶矽壓力敏感薄膜的厚度及位置，在形成電阻的單晶矽基片結構 中開設多條微型釋放窗口，其中，使各電阻處於待形成的單晶矽壓力敏感薄膜表面； 3) 採用刻蝕技術由各微型釋放窗口底部開始刻蝕直至深度與待形成的參考壓力腔體 的深度相同； 4) 採用腐蝕法由各微型釋放窗口底部的側壁開始腐蝕以形成兩個由參考壓力腔體及 覆蓋在參考壓力腔體表面的單晶矽壓力敏感薄膜構成的腔體結構、以及與其中一個參考壓 力腔體連通的壓力釋放通道； 5) 採用低應力材料對已形成腔體結構的單晶矽基片結構的各微型釋放窗口進行填充 以完成對兩參考壓力腔體的密封； 6) 在包含密封的參考壓力腔體的單晶矽基片結構上刻蝕出兩個懸臂梁的圖形結構，且 在每一圖形結構與單晶矽基片的連接處形成應力釋放凹槽，並使每一圖形結構包圍一個腔 體結構； 7) 基於所述圖形結構對單晶矽基片結構進行腐蝕以釋放兩懸臂梁； 8) 使已形成兩懸臂梁的單晶矽基片結構中的各電阻進行電氣互連以形成惠斯頓全橋 檢測電路，並開設連通壓力釋放通道的導壓孔。
8. 根據權利要求7所述的消除封裝應力與溫漂自補償的雙懸浮式力敏傳感器晶片的 製作方法，其特徵在於：所述單晶矽基片為η型（111)晶面的單晶矽基片。
9.根據權利要求8所述的消除封裝應力與溫漂自補償的雙懸浮式力敏傳感器晶片的 製作方法，其特徵在於：圖形結構呈六邊形、且軸線沿〈11〇>晶向排布。
【文檔編號】B81C1/00GK104236766SQ201310234503
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月13日 優先權日:2013年6月13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