一種高倍過載1KPa矽微壓傳感器晶片及製造方法

2023-05-17 10:34:11

一種高倍過載1KPa矽微壓傳感器晶片及製造方法
【專利摘要】高倍過載1KPa矽微壓傳感器晶片及方法，其特徵在於梁—單島雙面雙片微結構：上晶片正面「I」形梁上「U」形壓力敏感電阻，淺槽外周為鋁電極引線及引線焊盤；上晶片背面，相對於淺槽部位，剩餘膜片厚度與中心方形支撐相連，即為單硬芯形敏感膜片；下晶片正面除周邊封接面外是過壓截止槽，中心有引壓通孔；上、下晶片由矽橡膠密封后，經劃片分割後形成單個微壓傳感器晶片。採用MEMS技術製造壓力敏感電阻和「I」形梁結構、用KOH溼法腐蝕、上晶片背面製造單硬芯形敏感膜片、用KOH溼法腐蝕出下晶片結構。效果：由於梁結構的應力集中效應，壓敏電阻可獲得最大的應變，獲得微壓量程的靈敏度達到20mV/1KPa(1mA激勵）,線性度達到0.05%FS，過壓截止槽結構實現1KPa壓力測量抗50倍過壓的保護。實現了圓片級批量生產。
【專利說明】—種高倍過載IKPa娃微壓傳感器晶片及製造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種矽壓力傳感器製造技術，尤其涉及一種用MEMS技術製造的高倍過載IKPa矽微壓傳感器晶片及製造方法。
【背景技術】
[0002]矽壓阻式壓力傳感器是利用矽壓阻效應進行壓力測量的特種電子元器件。1954年，美國貝爾實驗室的c.S.Smith發現了娃、鍺等半導體的壓阻效應(piezoresistanceeffect)，利用矽的壓阻效應製造的壓力傳感器，就是用IC工藝中離子注入或擴散技術在矽片表面形成一組阻值均勻的擴散電阻，將其連接成惠斯登電橋。當彈性敏感膜片在應力作用下而發生應變時，其上的橋路電阻即隨之產生相應的變化，傳感器輸出一個與外部壓力成比例的電信號，從而實現對壓力的測量。
[0003]在上世紀八十年代，人們發現矽單晶材料在鹼性腐蝕液中各向異性腐蝕特性後，應用半導體平面工藝和溼法化學腐蝕工藝相結合，形成了一種微米量級微結構的加工方法，即微機械加工工藝，在後來的MEMS (微電子機械系統)技術中被稱為體微機械加工技術。在各項異性腐蝕技術中，最常用的鹼性腐蝕液是KOH、EPW (乙二胺鄰苯二酚水溶液，已證明EPW有致癌性一般不用)和TMAH (四甲基氫氧化銨)。用微機械加工方法製造壓力傳感器晶片的彈性敏感膜片，膜片厚度誤差可精確控制在微米量級，並且使敏感膜片的加工由逐個機械式研磨加工變成矽圓片級批量加工，實現了傳感器晶片低成本規模化批量生產。
[0004]在矽壓阻式壓力傳感器中，影響晶片非線性的主要因素有二個:一是外加壓力與彈性敏感膜片彎曲應力不成線性關係，二是應力引起的電阻變化與應力不成線性關係，即壓阻效應本身的非線性。由於矽單晶材料的各向異性特性，溼法化學腐蝕的彈性敏感膜片形狀通常是矩形的。以邊長為a的正方形平膜片為例，膜片彎曲應力正比於(a/h)2 (a:水平尺寸，h:厚度)，而非線性則隨著(a/h)4增加，在低壓應用時，當晶片尺寸限定後，為了提高靈敏度必須大大減薄膜片厚度，這不僅在工藝上實施困難，由於大撓度效應和晶片尺寸加工能力限制，平膜片結構無法滿足20KPa以下微壓傳感器要求。
[0005]為提高傳感器靈敏度輸出改進非線性，人們研究改進敏感膜片結構，例如1977年美國Endevco公司提出的雙島結構(Whittier R M..Endevco Tech Paper), 1982年日本日立公司提出的E形杯和EI形杯結構(機械式研磨加工方式)以及復旦大學傳感器研究室在 1989 年提出的梁一膜結構(Minhang Bao, Lianzhong Yu, Yan Wang.Micromachinedbeam— diaphragm sructures improve performance of pressure transducer.Transducers』89，1990:98?99)。這些結構很好地解決了輸出靈敏度和線性度的矛盾。然而，這些理論上的突破與應用於生產中的成熟技術之間還需要更多技術革新，截止目前仍未見到矽壓阻式壓力傳感器中有IKPa以下微壓傳感器批量製造工藝出現的報導。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是提供一種高倍過載IKPa矽微壓傳感器晶片及製造方法，採用雙面雙片微結構實現IKPa微壓時高靈敏度輸出和線性度0.1%FS,過載時自動觸碰截止而具有高倍過載保護功能，並且可批量生產。
[0007]本發明的高倍過載IKPa矽微壓傳感器晶片，晶片採用矽基片材料，雙面拋光，其特徵在於結構特徵:上晶片雙面加工出的微結構:即正面「I」形梁結構，背面單硬芯膜片結構；上晶片腐蝕形成的「回」字形淺槽，留下2個「I」形梁，對稱分隔「回」字，「I」形梁上各有2個單彎頭「U」形壓力敏感電阻，淺槽周圍為鋁電極引線及引線焊盤；在上晶片背面，相對於淺槽部位加工除去膜片厚度所需以外的材料，剩餘中心一個支撐，即為單硬芯形敏感膜片；下晶片過壓槽和引壓孔微結構:下晶片正面除周邊外為腐蝕出的過壓截止槽，在背面中心腐蝕出通孔作為引壓孔；將上晶片的下表面與下晶片上表面由密封矽橡膠層密封后，經劃片分割後形成單個的微壓傳感器晶片。
[0008]本發明製造高倍過載IKPa矽微壓傳感器晶片的方法，採用MEMS技術製造，4吋雙面拋光矽單晶片，其特徵在於製造晶片的「雙面雙片微結構」，包括以下步驟:
[0009]第一步，利用半導體平面工藝和MEMS技術在上晶片正面製造壓力敏感電阻和「I」形梁結構；
[0010]第二步，利用KOH溼法腐蝕工藝在上晶片背面製造單硬芯形敏感膜片；
[0011]第三步，利用KOH溼法腐蝕工藝製造下晶片結構；
[0012]第四步，將上述上晶片和下晶片用複合粘接密封膠粘接；
[0013]第五步，用劃片機將矽圓片劃開，獲得微壓傳感器晶片。
[0014]本發明獲得如下效果:
[0015]1.本發明基於常規的擴散矽壓力傳感器製造工藝，首先選用〈100〉晶面雙面拋光矽單晶片製造壓力敏感電阻，通常在常規壓力量程晶片，最常用的設計是採用方形平膜片，壓敏電阻位於靠近4個邊長、阻條方向設在〈110〉晶向族、電阻位置與膜片邊長比約0.92、即線性度最佳的地方。本發明的傳感器壓力量程僅為lKPa，屬於微壓量程傳感器，敏感電阻設計位於垂直於晶片邊長的一對「I」形梁上，每個梁上放置一對敏感電阻，分布在正、負應變區，由於梁結構的應力集中效應，壓敏電阻可獲得最大的應變，獲得微壓量程的靈敏度。
[0016]2.常規量程的傳感器晶片的擴散電阻在考慮壓阻係數溫度特性後，通常選擇表面摻雜濃度為3 X IO2tlCnT3，由於4個橋路電阻可均布在4邊，可以設計足夠的方塊數達到電阻值。本發明的I對電阻位於梁上，梁的尺寸僅為180μπιΧ500μπι，限定了每個橋阻的幾何尺寸，同時為了獲得最大的壓阻係數，決定採用比常壓量程壓阻係數高一倍的摻雜濃度3X1018cm_3，使方塊電阻為300 Ω/ □，每個阻條有15個方塊，阻值達到4.5ΚΩ。
[0017]3.本發明中在上晶片正面刻蝕出500μπι寬、ΙΟμπι深「回」字形淺槽，是採用與集成電路工藝相兼容的鹼性腐蝕液TMAH (四甲基氫氧化銨)，比專用刻蝕設備DRIE (深反應離子刻蝕)成本要低很多，且工藝容易實施。由於後續還要進行低溫澱積和光刻工藝，TMAH不會造成工藝線汙染。
[0018]4.本發明的微壓敏感膜片的厚度僅有20 μ m,常規4吋雙拋矽單晶片厚度400 μ m左右，因此要用KOH腐蝕到380 μ m,常規的熱生長SiO2掩膜已無法屏蔽，並且微壓傳感器晶片正面無法用常規的充灌隔離液保護，表面必須生長一層低應力鈍化膜，而SiO2-Si3N4複合鈍化膜不僅有應力互補作用，Si3N4在熱KOH溶液中腐蝕速率極低，很好地保護了背面單硬芯結構敏感膜片的腐蝕成形。[0019]5.常壓量程傳感器晶片通常採用陽極靜電封接方法封裝，用與矽單晶熱膨脹係數相近的Pyrex7740帶孔(表壓)或無孔(絕壓)拋光玻璃，在400?550°C、600?1000V電壓下進行靜電封接，這種陽極靜電封接的封接面強度非常高，但是這種封接也帶來一定的熱應力，通過退火工藝也無法完全消除，這種殘餘的熱應力對微壓傳感器來說是致命的，往往大於晶片本身的壓力應變。這種用玻璃做陽極靜電封接的工藝也阻礙本發明曾設想的過載截止槽方案，因為在Pyrex7740玻璃上很難加工出過載截止槽。本發明創造性地採用了用雙拋矽單晶片代替封接玻璃，用高強度密封膠在室溫下粘接固化代替高溫高電壓下的陽極靜電封接，實現了無應力封接，封接面強度對IOOKPa以下壓力測量的傳感器晶片是足夠的。
[0020]6.本發明在封接用的下晶片上用KOH溼法腐蝕出一個方形淺槽，槽口與上晶片硬芯尺寸基本相同，同時在背面腐蝕一個光刻尺寸500 μ mX 500 μ m通孔作為通大氣的表壓孔，當上晶片承受高倍過載時，硬芯向下彎曲觸在淺槽上而截止，阻止晶片進一步彎曲，這種結構實現了抗50倍過壓的保護。
[0021]7.本發明採用梁一單島雙面微結構，比單純的雙梁、單硬芯、雙硬芯結構具有更高的靈敏度和優良的線性度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發明IKPa微壓傳感器上晶片敏感電阻和微結構正面示意圖；
[0023]圖2為本發明上晶片背面單硬芯形敏感膜片剖面示意圖；
[0024]圖3為本發明下晶片正面示意圖；
[0025]圖4為本發明上下晶片封接後微壓傳感器晶片剖面示意圖。
[0026]其中，I為上晶片，2為4個單彎頭「U」形壓力敏感電阻，3為形成梁結構的「回」字形的淺槽，4為電阻所在的「I」形梁，5為鋁電極引線及引線焊盤，6為SiO2-Si3N4複合鈍化膜，7為單硬芯形敏感膜片，8為下晶片，9為下晶片正面截止槽，10為下晶片引壓孔，11為封接面處的密封膠。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖以及實施例對本發明作進一步描述:
[0028]本發明方法所製造的高倍過載IKPa矽微壓傳感器晶片，晶片採用4吋雙面拋光矽單晶片，其特徵在於結構特徵:上晶片I雙面加工出的微結構:即正面「I」形梁結構，背面單硬芯膜片結構；見圖1，上晶片I腐蝕形成的「回」字形淺槽3，留下2個「I」形梁4，對稱分隔「回」字，「I」形梁4上各有2個單彎頭「U」形壓力敏感電阻，淺槽3周圍為鋁電極引線及引線焊盤5。在上晶片I背面，相對於淺槽3部位加工除去膜片厚度所需以外的材料，如圖2所示的，剩餘中心一個支撐，即為單硬芯形敏感膜片7，上晶片I上表面仍保留SiO2-Si3N4複合鈍化膜6。下晶片8過壓槽和引壓孔微結構見圖3:下晶片8正面除封接面外腐蝕出過壓截止槽9，在背面中心腐蝕出通孔作為引壓孔10。將上晶片I的下表面與下晶片8上表面用密封矽橡膠11密封后，經劃片分割後形成單個微壓傳感器晶片，見圖4。
[0029]上述晶片中某些微結構的尺寸:淺槽3，槽寬500 μ m，槽內邊長1720 μ m，在淺槽3上平面電阻區對稱保留兩個「 I 」形梁4，梁長度為槽寬500 μ m，梁寬度180 μ m。在「 I 」形梁4上、「U」形壓力敏感電阻2形狀外，腐蝕出的淺槽深度小於10 μ m，使「U」形壓力敏感電阻2位於一對「I」形梁4上。Si3N4複合鈍化膜6的厚度2000A±200A。單硬芯形敏感膜片7，膜片厚度僅有8?13 μ m，中心硬芯厚度是矽片初始厚度400 μ m。
[0030]—種高倍過載IKPa娃微壓傳感器晶片的製造方法,晶片米用4吋雙面拋光娃單晶片，採用MEMS技術製造，其特徵在於製造晶片的「雙面雙片微結構」，包括以下步驟:
[0031]第一步，利用半導體平面工藝和MEMS技術在上晶片正面製造壓力敏感電阻和「I」形梁結構
[0032]流程(一)在上晶片正面利用半導體平面工藝製造壓力敏感電阻:工藝步驟包括:①選材:上晶片I選擇4吋〈100〉晶面雙面拋光矽單晶片，電阻率2?8Qcm，厚度400μπι?500μπι;②在上晶片I正面採用常規氧化工藝熱生長SiO2，爐溫1180°C，氧化層厚度8000A?10000A;③光刻電阻區:設計電阻2為單彎頭U型，有效電阻尺寸110 μ mX 15 μ mX 2，電阻中心距敏感膜片邊緣距離100 μ m 正面光刻後，再用負性光刻膠塗覆矽片上晶片I背面，然後無掩膜曝光，以便在腐蝕電阻區引線孔上SiO2時能夠保護背面的Si02。⑤採用低濃度摻雜離子注入工藝製造P型敏感電阻，淡硼注入摻雜劑量為6 X IO1W2,注入能量60KeV，再擴散爐溫900°C，60min,再擴散後表面濃度3 X 1018cm_2，每個電阻為15個方塊，方塊電阻為300 Ω / 口，實現阻值4.5K Ω設計值，獲得具有最大壓阻係數的小尺寸高方阻P型敏感電阻2。
[0033]流程(二)用MEMS技術在上晶片I正面製作有應力集中效應的結構「 I 」形梁4，工藝步驟是:①在上晶片I正面SiO2層的電阻區兩側用光刻工藝光刻出「回」字形淺槽3腐蝕窗口，槽寬500 μ m、槽深10 μ m，槽內邊長1720 μ m，在淺槽3上平面電阻區對稱保留兩個「I」形梁4，梁長度為槽寬500 μ m，梁寬度180 μ m，形成有應力集中效應的「I」形梁結構；在正面光刻後，同樣用負性光刻膠塗覆上晶片I背面，然後無掩膜曝光，以便在腐蝕槽區中心孔上的SiO2時，能夠保護背面的SiO2層；②用與集成電路工藝相兼容的TMAH (四甲基氫氧化銨)在「U」形壓力敏感電阻2形狀外，腐蝕出小於10 μ m深的淺槽，使「U」形壓力敏感電阻2位於一對「I」形梁4上，過深的槽會使後面的製作鋁電極5光刻塗膠困難。
[0034]流程(三)在上晶片I的兩面用PECVD工藝製造製造SiO2-Si3N4應力互補複合鈍化膜6，用於表面鈍化和背面腐蝕掩蔽膜，PECVD澱積溫度450°C，SiO2-Si3N4膜厚度2000A±200A。
[0035]流程(四)在上晶片正面製作鋁電極引線和焊盤5，先正面光刻引線孔，孔尺寸20 μ mX 30 μ m，然後用磁控濺射方法澱積鋁膜，光刻並刻蝕鋁膜，形成將電阻連成惠斯登電橋的鋁引線和外引線壓焊的焊盤5，電極引線梁區寬25 μ m，梁外部50 μ m，外引線壓焊點250 μ mX 250 μ m。
[0036]第二步，利用KOH溼法腐蝕工藝在上晶片I背面製造單硬芯形敏感膜片
[0037]流程(五)在上晶片I背面用紅外雙面光刻機進行敏感膜片腐蝕掩膜光刻，光刻版為帶削角補償的中心單硬芯圖形，為了在膜片底部形成近似方形硬芯，在硬芯光刻版圖上設計了帶彎頭的條形削角補償條，補償角也可採用方形和錐形，但是腐蝕深度較深時，補償角需要很大，會增大晶片面積。
[0038]流程(六)敏感膜片腐蝕，用KOH腐蝕液在上晶片I背面腐蝕出單硬芯形壓力敏感膜片7，腐蝕液濃度為42%WT，腐蝕結束後，如圖2所示，留下中心方形硬芯厚度是晶圓片初始厚度，硬芯周邊與正面「回」字型淺槽相對應為應腐蝕去除部位。對厚度為400 μ m的矽圓片，敏感膜片7厚度在回字形淺槽3區為8?13 μ m，在「 I 」形梁4區厚度為20 μ m、中心硬芯區為初始的400 μ m。為避免「K+」離子沾汙，KOH溼法腐蝕工藝操作應遠離半導體平面工藝線，腐蝕完成後應在淨化線外部進行嚴格的清洗工藝。
[0039]第三步，利用KOH溼法腐蝕工藝製造下晶片結構
[0040]流程(七)製造下晶片8雙面微結構，其特徵在於採用雙面刻蝕工藝:用KOH溼法腐蝕工藝在下晶片8正面刻蝕出過壓槽，背面刻蝕出引壓孔；工藝步驟包括:①下晶片8仍選擇4吋〈100〉晶面雙面拋光矽單晶片，由於下晶片8隻做微結構加工，因此對矽片電阻率指標可放寬至I?20Qcm。②熱氧化生長SiO2，爐溫1180°C，氧化層厚度8000A;③用LPCVD高溫生長Si3N4，厚度2000A左右，澱積溫度650°C ;光刻出正面過壓截止保護槽9的腐蝕窗口 下晶片8背面用雙面光刻工藝刻蝕出引壓孔10的腐蝕窗口，⑤用KOH腐蝕液腐蝕出正面20 μ m深的保護槽9，⑥用KOH腐蝕液腐蝕出邊長500 μ m方形通孔作為引壓孔10。腐蝕時下晶片8正面用黑蠟保護，由於採用MEMS工藝加工引壓孔，孔的尺寸可做的很小，這樣可以防止瞬間衝擊壓力可能對晶片的破壞。腐蝕結束後同樣要進行嚴格的清洗工藝。
[0041]第四步，將上述上晶片和下晶片用複合粘接密封膠粘接
[0042]流程(八)上下晶片封接工藝，用厚膜電路製造工藝中絲網印刷技術，在下晶片8的正面截止保護槽9外部的封接面上均勻刷上一層密封膠11，再將上晶片I的背面在紅外光刻機下與下晶片對準粘接，密封膠可選擇環氧樹脂膠或矽橡膠，環氧膠需要在100°C左右固化，矽橡膠可加溫短時間(2h)固化,也可在室溫下24h固化。雖然室溫固化時間較長，但是封接前後橋路零點輸出幾乎不變，沒有附加應力產生。本方案密封粘接劑採用的是Dow Corning?730溶劑型密封膠。(經銷商之一:上海震坤貿易有限公司，地址:上海市浦東新區科苑路399號)
[0043]第五步，用劃片機將矽圓片劃開，獲得微壓傳感器晶片
[0044]流程(九)將完成封接的雙層矽圓片，直徑4吋矽圓片上有大約500個方形晶片，要劃成單個的小晶片，用劃片機按晶片邊長加劃片線為步距進行晶片分割，獲得4_X4mm大小的一種高倍過載IKPa單個娃微壓傳感器晶片。獲得娃微壓傳感器晶片，每個4mmX4mm。
[0045]流程(十)性能測試，將IKPa矽微壓傳感器晶片安裝在T0_8表壓基座上，用阻熔焊接工藝進行封裝，形成微壓傳感器，用ImA恆流源對傳感器進行測試，傳感器橋路電阻在
4.3±0.2Κ Ω，在ImA恆流源激勵下，輸出靈敏度大於20mV，線性度優於0.05%FS,過載50倍後晶片依然完好，完全實現了最初的設計指標。本發明所用原料:
[0046]本發明選用400 μ m厚度娃晶圓片，過薄娃片會因拋光應力而發生翅曲，過厚晶圓片會使膜片腐蝕時間過長，削角補償條過大造成晶片面積增大。本發明選用的矽片材料是北京有研半導體材料有限責任公司生產的N型〈100〉晶向，電阻率2?8 Ω cm的4吋雙面拋光矽單晶片。
[0047]採用本發明晶片的高倍過載IKPa微壓傳感器主要技術指標:
[0048]量程:0?IKPa ；
[0049]滿量程輸出S 20mV (ImA恆流激勵)；
[0050]線性度:30.1%FS;[0051]過載能力:10倍量程
[0052]橋路電阻:4.5±0.5ΚΩ
[0053]使用溫區:0?50°C。
【權利要求】
1.一種高倍過載IKPa矽微壓傳感器晶片，晶片採用矽基片材料，雙面拋光，其特徵在於結構特徵:上晶片(I)雙面加工出的微結構:即正面「I」形梁結構，背面單硬芯膜片結構；上晶片(I)腐蝕形成的「回」字形淺槽(3)，留下2個「I」形梁(4)，對稱分隔「回」字，「I」形梁(4)上各有2個單彎頭「U」形壓力敏感電阻(2)，淺槽(3)周圍為鋁電極引線及引線焊盤(5);在上晶片(I)背面，相對於淺槽(3)部位加工除去膜片厚度所需以外的材料，剩餘中心一個支撐，即為單硬芯形敏感膜片(7);下晶片過壓槽和引壓孔微結構:下晶片(8)正面除封接面外為腐蝕出的過壓截止槽(9)，在背面中心腐蝕出通孔作為引壓孔(10);將上晶片(I)的下表面與下晶片(8)上表面由密封矽橡膠層(11)密封后，經劃片分割後形成單個的微壓傳感器晶片。
2.根據權利要求1所述的高倍過載IKPa矽微壓傳感器晶片，其特徵在於所述單個微壓傳感器晶片的規格4_X 4mm,性能指標: 量程:0~IKPa ； 滿量程輸出S 20mV (ImA恆流激勵)； 線性度0.1%FS; 過載能力:10倍量程 橋路電阻:4.5±0.5ΚΩ 使用溫區:0~50°C ； 該晶片微結構的尺寸:①上晶片I正面3102層腐蝕形成的「回」字形淺槽(3)，槽寬500 μ m、槽深10 μ m，槽內邊長1720 μ m;②在淺槽(3)上平面電阻區對稱保留兩個「I」形梁(4)，梁長度為槽寬500 μ m，梁寬度180 μ `m;③在「I」形梁(4)上、「U」形壓力敏感電阻(2)形狀外，腐蝕出的淺槽深度小於IOym ;④Si3N4複合鈍化膜(6)厚度2000A±200A;上晶片(I)中的單硬芯形敏感膜片(7)，膜片厚度僅有8~13 μ m，中心硬芯厚度是矽片初始厚度400 μ m。
3.—種如權利要求1所述的高倍過載IKPa矽微壓傳感器晶片的製造方法，晶片採用4吋雙面拋光矽單晶片，採用MEMS技術製造，其特徵在於製造晶片的「雙面雙片微結構」，包括以下步驟: 第一步，利用半導體平面工藝和MEMS技術在上晶片正面製造壓力敏感電阻和「I」形梁結構； 第二步，利用KOH溼法腐蝕工藝在上晶片背面製造單硬芯形敏感膜片； 第三步，利用KOH溼法腐蝕工藝雙面製造下晶片結構； 第四步，將上述上晶片和下晶片用複合粘接密封膠粘接； 第五步，用劃片機將矽圓片劃開，獲得矽微壓傳感器晶片。
4.根據權利要求3所述的一種高倍過載IKPa矽微壓傳感器晶片的製造方法，所述第一步，其特徵在於微壓傳感器的壓力敏感電阻，流程(一)①選擇4吋〈100〉晶面雙面拋光矽單晶片為上晶片(1)，電阻率2~8Qcm，厚度400μπι~500μπι;②在上晶片(I)正面利用半導體平面工藝的常規氧化工藝熱生長SiO2，爐溫1180°C，氧化層厚度8000Α~10000Α;③光刻電阻區:壓力敏感電阻(2)為單彎頭U型，有效電阻尺寸110μπιΧ15μπιΧ2，電阻中心距敏感膜片邊緣距離100 μ m;④正面光刻後，再用負性光刻膠塗覆矽片上晶片(I)背面，然後無掩膜曝光，以便在腐蝕電阻區引線孔上SiO2時能夠保護背面的SiO2 ;⑤採用低濃度摻雜離子注入工藝製造P型敏感電阻，淡硼注入摻雜劑量為6 X 1014cm_2，注入能量60KeV，再擴散爐溫900°C，60min，再擴散後表面濃度3X1018cm_2，電阻為15個方塊，方塊電阻為`300 Ω / 口，實現阻值4.5K Ω設計值，獲得具有最大壓阻係數的小尺寸高方阻P型壓力敏感電阻⑵。
5.根據權利要求3所述的一種高倍過載IKPa矽微壓傳感器晶片的製造方法，所述第一步即流程(二)用MEMS技術在上晶片(I)正面製作有應力集中效應的結構「I」形梁(4)，其特徵在於:①在上晶片(I)正面SiO2層的電阻區兩側用光刻工藝光刻「回」字形淺槽(3)，在淺槽(3)上平面電阻區對稱保留2個「I」形梁(4)，形成有應力集中效應的「I」形梁結構；在正面光刻後，同樣用負性光刻膠塗覆上晶片(I)背面，然後無掩膜曝光，以便在腐蝕槽區中心孔上的SiO2時，能夠保護背面的SiO2層用與集成電路工藝相兼容的TMAH (四甲基氫氧化銨)在「U」形壓力敏感電阻⑵形狀外，腐蝕出小於ΙΟμπι深的淺槽，使「U」形壓力敏感電阻⑵位於一對「I」形梁⑷上。
6.根據權利要求3所述的一種高倍過載IKPa矽微壓傳感器晶片的製造方法，所述第一步即流程(三)，其特徵在於在上晶片(I)兩面用PECVD工藝製造製造SiO2-Si3N4應力互補複合鈍化膜出)，用於表面鈍化和背面腐蝕掩蔽膜，PECVD澱積溫度450°C，Si3N4複合鈍化膜(6)的厚度為2000A±200Ad
7.根據權利要求3所述的一種高倍過載IKPa矽微壓傳感器晶片的製造方法，所述第一步即流程(四)，其特徵在於在上晶片(I)正面製作鋁電極引線和焊盤(5)，先正面光刻引線孔，孔尺寸20 μ mX 30 μ m，然後用磁控濺射方法澱積鋁膜，光刻並刻蝕鋁膜，形成將電阻連成惠斯登電橋的鋁引線和外引線壓焊的焊盤(5)，電極引線梁區寬25 μ m，梁外部50 μ m，外引線壓焊點250μπιΧ250μπι。
8.根據權利要求3所述的一種高倍過載IKPa矽微壓傳感器晶片的製造方法，所述第二步即流程(五)，其特徵在於在上晶片(I)背面用紅外雙面光刻機進行敏感膜片腐蝕掩膜光亥IJ，光刻版為帶削角補償的單硬芯形，對於400 μ m厚度的矽圓片，由於腐蝕深度達380 μ m,在硬芯光刻版圖上設計有帶彎頭的條形削角補償條；即流程(六)用KOH溼法腐蝕工藝腐蝕出帶方形硬芯的敏感膜片(7)，敏感膜片(7)在「I」形梁(4)區厚度為20μπκ在回字形淺槽(3)部分厚度僅有8~13 μ m，膜片中心硬芯厚度是晶圓片初始厚度400 μ m，硬芯周邊底部與正面「回」字型淺槽相對應。
9.根據權利要求3所述的一種高倍過載IKPa矽微壓傳感器晶片的製造方法，所述第三步，即流程(七)，利用KOH溼法腐蝕工藝製造下晶片(8)結構，其特徵在於採用雙面刻蝕工藝:用KOH溼法腐蝕工藝在下晶片(8)正面刻蝕出過壓槽，背面刻蝕出引壓孔；工藝步驟包括:①下晶片(8)仍選擇4吋〈100〉晶面雙面拋光娃單晶片，娃片電阻率指標I~20 Ω cm ;②熱氧化生長SiO2,爐溫1180°`C，氧化層厚度8000A;③用LPCVD高溫生長Si3N4,澱積溫度650°C，厚度2000A±200A;光刻出正面過壓截止保護槽(9)腐蝕窗口 ；@下晶片(8)背面用雙面光刻工藝刻蝕出引壓孔(10)腐蝕窗口 ；⑤用KOH腐蝕液腐蝕出正面20 μ m深的保護槽(9);⑥用KOH腐蝕液腐蝕出邊長500 μ m方形通孔作為引壓孔(10)，腐蝕時下晶片(8)正面用黑蠟保護。
10.根據權利要求3所述的一種高倍過載IKPa矽微壓傳感器晶片的製造方法，所述第四步，即流程(八)將上述上晶片和下晶片用複合粘接密封膠粘接，其特徵在於上下晶片封接工藝，用厚膜電路製造工藝中絲網印刷技術，在下晶片(8)的正面截止保護槽(9)外部的封接面上均勻刷上一層密封膠(11)，再將上晶片(I)的背面在紅外光刻機下與下晶片(8)對準粘接，密封膠可選擇環氧樹脂膠或矽橡膠，環氧膠需要在100°C左右固化，矽橡膠可加溫短時間(2h)固化，也可在室溫下24h固化；所述的第五步即流程(九)中用晶片劃片機將娃圓片等步距劃開，獲得單個的`高倍過載IKPa娃微壓傳感器晶片規格4mmX4mm。
【文檔編號】G01L9/06GK103487178SQ201310422435
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月16日 優先權日:2013年9月16日
【發明者】徐淑霞, 張治國, 鄭東明, 梁峭, 徐長伍, 唐慧, 張純棣, 劉芙, 常偉, 陳琳 申請人:瀋陽儀表科學研究院有限公司