具有隔離隔膜的傳感器的製造方法

2024-01-24 05:35:15

具有隔離隔膜的傳感器的製造方法
【專利摘要】一種傳感器組件，包括具有在其中形成腔的第一晶片以及相對於第一晶片結合從而在腔上方形成隔膜的第二晶片。在隔膜中或者環繞隔膜的第二晶片中形成溝槽，並且可以用隔離材料來填充該溝槽從而幫助熱和/或電隔離隔膜。該隔膜可以支撐一個或多個感測元件。根據需要，傳感器組件可以使用流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、和/或任何其它適當傳感器。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本公開總體上涉及傳感器，並且更具體地涉及具有隔膜的魯棒性（robust)傳感 器。 具有隔離隔膜的傳感器

【背景技術】
[0002] 傳感器通常被用來感測流體的一個或多個特性。例如，流量傳感器以及壓力傳感 器被用在各種各樣的應用中，例如在工業過程控制、醫療設備、發動機等中。流量傳感器經 常用於測量流體的流動速率，並且為儀器操作和/或控制提供流量信號。同樣，壓力傳感器 經常被用於測量流體的壓力，並且為儀器操作和/或控制提供壓力信號。這些僅僅是可用 於感測一個或多個流體特性的傳感器的少數示例。當被暴露到要感測的流體時一些傳感器 可能是易受傷害的。例如，傳感器可能對要被感測流體的溼氣、顆粒物質、腐蝕特性或者其 它特性或狀態易受傷害或敏感。在某些情況下，可能影響傳感器的準確度和/或可靠性。存 在對魯棒性傳感器的需要，其能夠經受住這些以及其它環境並且提供準確的結果。


【發明內容】

[0003] 本公開總體上涉及傳感器，並且更具體地涉及具有隔膜的魯棒性傳感器。在一個 說明性實施例中，傳感器組件包括感測管芯，該感測管芯包括具有在其中形成腔的第一晶 片以及在腔上方延伸以形成隔膜的第二晶片。在一些實例中，該第二晶片可以具有面向腔 的在其上的絕緣層。可以在隔膜中或環繞隔膜形成溝槽，並且在一些情況下，溝槽可以至少 部分地填充絕緣材料，例如氧化物。該溝槽可以環繞隔膜的周邊延伸或者至少基本上環繞 其延伸。絕緣材料可以幫助熱隔離和/或電隔離隔膜。舉例說明，隔膜可以支撐用於感測 一個或多個被測對象（例如流體的流量或壓力）的一個或多個感測元件。術語流體可以指 的是氣相或者液相中的流體。
[0004] 在另一個說明性實施例中，傳感器組件可以包括具有在其中形成腔的第一晶片， 其中腔限定了與第一晶片的第一側鄰近的腔邊緣。被第一晶片的第一側支撐的第二晶片可 以在腔上方延伸以形成傳感器組件的隔膜。隔膜可以具有由腔的腔邊緣限定的周邊，並且 一個或多個感測元件可以由該隔膜支撐。在一些實例中，隔膜中的溝槽可以圍繞或者基本 上圍繞隔膜的周邊。在一些實例中，溝槽可以至少部分地填充材料，該材料具有比第二晶片 的熱傳導率更小的熱傳導率。同樣，並且在一些實例中，溝槽可以至少部分地填充材料，該 材料提供對隔膜的支撐，但是這不是在所有實施例中需要。
[0005] 在一些實例中，方法可以被用來製造具有隔膜的傳感器。該方法可以包括在第一 晶片的第一側中創建腔，其中第一晶片具有第一側和第二相對側。腔可以限定與第一晶片 的第一側鄰近的腔邊緣。在一些情況下，第一晶片可以被提供在其中預先形成的腔。可以 相對於第一晶片的第一側結合第二晶片，以形成在腔上方延伸的隔膜。隔膜可以具有由腔 的腔邊緣限定的周邊。該方法可以包括將一個或多個感測元件支撐在隔膜上並且在隔膜中 或環繞隔膜形成溝槽。在一些實例中，溝槽可以至少部分地填充材料，該材料具有比第二晶 片的熱傳導率更小的熱傳導率。
[0006] 提供前面的概要以便於對本公開的一些特徵的理解，並且並不意圖是全部的描 述。對本公開的完整的理解可以通過將整個說明書、權利要求書、附圖和摘要看作整體來獲 得。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007] 考慮本公開的各種說明性實施例的下面描述連同附圖，可以更加完全地理解本公 開，其中：
[0008] 圖1為說明性傳感器組件的示意性頂視圖；
[0009] 圖2為圖1的說明性傳感器組件的沿圖1的線2-2得到的示意性截面圖，其具有 添加的說明性鈍化層；
[0010] 圖3為傳感器組件的說明性第一晶片的示意性截面圖，其中腔完全延伸通過說明 性第一晶片；
[0011] 圖4為傳感器組件的說明性第一晶片的示意性截面圖，其中埠從第一晶片的第 一側中形成的腔延伸，並且延伸通過到達說明性第一晶片的第二側；
[0012] 圖5A-5H為說明性傳感器組件形成工藝的說明性示意截面圖；
[0013] 圖6為形成傳感器組件的說明性方法的示意流程圖。
[0014] 雖然本公開對各種修改和替代形式是可修正的，但是其具體細節已經作為示例在 圖中示出，並且將被詳細地描述。然而應當理解的是，意圖並非是將公開限定到本文所描述 的特定說明性實施例。相反，意圖是覆蓋落入公開的精神和範圍內的所有修改、等價物、以 及替換物。

【具體實施方式】
[0015] 下面的描述應當參考附圖進行閱讀，其中相似的參考數字指示遍及幾個視圖的相 似的元件。對"上面"、"下面"、"頂部"和"底部"等的參考是相對性術語，並且本文中是關 於附圖作出的，並且不一定對應於實際物理空間中的任何特定取向。描述和附圖示出幾個 示例，其意圖是說明所要求保護的公開。
[0016] 圖1為說明性傳感器組件10的示意性頂視圖。儘管在本公開中將流量傳感器示作 示例，應設想到可以根據需要提供任何合適的傳感器（例如，壓力傳感器，溫度傳感器等）。 圖2為圖1的說明性傳感器組件10沿剖線2-2得到的示意性截面圖。
[0017] 圖1-2的說明性傳感器組件10可以包括第一晶片12(例如，初始晶片）和第二晶 片14,其兩者或一個可以由矽和/或任何其它適當材料製成。第一晶片12可以具有第一側 12a，以及與第一側12a相對的第二側12b。第一晶片12可以具有在其中形成的腔16。第 二晶片14可以以一種方式被定位在腔16上方以便形成隔膜18。詞"隔膜"可以被考慮成 任何相對薄的膜片或橋。在流量傳感器組件中，隔膜18可以幫助加熱器44和/或一個或 多個感測元件46與第一晶片12的熱隔離（參見下文），其可以幫助改進傳感器組件的敏感 度和響應時間。在壓力傳感器組件中，隔膜18可能實際上被形變或者由於由流體施加壓力 而另外受應力。於是由隔膜18支撐的一個或多個感測元件可以檢測到該應力。
[0018] 在一些實例中，第二晶片14可以具有在其上的絕緣層20,其面向第一晶片12並且 從而被支撐。在一些實例中，絕緣層20可形成隔膜18的一部分。在第一晶片12中形成的 腔16可以限定與第一晶片12的第一側12a鄰近的腔邊緣34。隔膜18可以在第一晶片12 中的腔16的上方延伸，使得其具有由腔16的腔邊緣34限定的周邊19。說明性傳感器組件 10可以包括一個或多個感測元件24,該感測元件24由所形成的第二晶片14的隔膜18支 撐，或者將由其支撐。
[0019] 在一些實例中，可以在第二晶片14中形成溝槽22,使得其環繞或者基本上環繞隔 膜18延伸。如本文所使用的，術語"基本上環繞"可以表示大於70%環繞、大於80%環繞、 大於90 %環繞、大於95 %環繞或者更多。在一些實例中，溝槽22可以形成為圍繞或者基本 上圍繞在隔膜18上支撐的一個或多個感測元件24。可替換地，或者另外地，溝槽22可以形 成為圍繞或者基本上圍繞隔膜18的周邊19。
[0020] 在一些情況下，為了輔助熱和/或電隔離隔膜18(以及例如感測元件24)和/或 為了其它目的，溝槽22可以被填充一種或多種材料。在一個示例中，溝槽22可以被填充絕 緣材料40,以熱和/或電隔離隔膜18 (例如，將隔膜18與第二晶片14和/或第一晶片12 的其它部分熱和/或電隔離）。當被這樣提供時，用於填充溝槽22的絕緣材料40可以是 任意的熱和/或電絕緣材料40。例如，絕緣材料40可以是氧化物，例如二氧化矽。在一些 實例中，絕緣材料40可以對隔膜18提供一些支撐，特別是如果/當溝槽22延伸到隔膜18 中。另外地，或者可替換地，絕緣材料40可以是具有小於第二晶片14或第二晶片14 一部 分（例如，第二晶片14的矽層26)的材料的熱傳導率的熱傳導率的熱和/或電絕緣材料。
[0021] 第二晶片14可以由任何材料形成，並且可以以任何方式形成。在一個示例中，第 二晶片14可以由在一側具有氧化層的矽形成。在這樣的實例中，第二晶片14可以是絕緣 體上矽（SOI)晶片（例如，在氧化層的相對側具有或者不具有薄的矽外延層）。用於第二晶 片14的適合的材料可以包括矽、氧化矽、氮化矽、氧化鈦、氧化鋁、碳化矽、和/或根據需要 的任何其它合適材料或材料的組合。
[0022] 可以以任何方式相對於第一晶片12來固定第二晶片14。在一些實例中，第二晶片 14可以被結合（例如熔化結合或者以另一方式結合）到第一晶片12,或者根據需要以任何 其它合適的方式連接到第一晶片12。在一些情況下，第二晶片14的絕緣層20可以被結合 到第一晶片12。
[0023] 如圖2中所示，第二晶片中的溝槽22可以一直延伸通過第二晶片14,但這並不是 必需的。例如，溝槽22可以從第二晶片14的第一側14a延伸到第二晶片14的第二側14b。 可替換地或者另外地，溝槽22可以從矽層26的第一側26a延伸通過第二晶片14的矽層26 到達矽層26的第二側26b，但是並不通過絕緣層20。
[0024] 在一些實例中，傳感器管芯可以具有在第二晶片14上形成的或者另外被施加到 其的鈍化層28。舉例說明，鈍化層28可以被施加到與絕緣層20相對的第二晶片14(例如， 在矽層26與絕緣層20相對的側）。在圖2中所示的示例中，鈍化層28可以被施加到第二 晶片14的第一側14a (例如，矽層26的第一側26a)。
[0025] 在一些實例中，說明性傳感器組件10可以包括一個或多個開口 30,該開口 30從第 一晶片12的第一側12a中的腔16延伸通過到達第一晶片12的第二側12b。在一個示例 中，如圖3中所示，腔16可以從第一晶片12的第一側12a延伸完全通過第一晶片12到達 第一晶片12的第二側12b。在其它實例中，或者另外地，第一晶片12中的開口 30可以是如 圖4中所示的埠 32,或者從腔16延伸通過第一晶片12的第二側12b的其它開口。
[0026] 圖5A-5H描繪了用於製造說明性傳感器組件10的示意性方法或工藝流程，該傳感 器組件10具有熱和/或電隔離的隔膜18。可以用第一晶片12和第二晶片14製造說明性 傳感器組件10,如圖5A中所示那樣。第一晶片12可以具有第一側12a和第二側12b，其中 第一晶片可以是矽晶片（例如，P型襯底晶片或者其它晶片類型）。具有第一側14a和第二 偵U 14b的第二晶片14可以具有矽層26和絕緣層20 (例如，形成N型晶片或其它晶片類型 的SOI晶片）。第二晶片14的厚度可以基於隔膜18的理想厚度或者基於任何其它因素來 選擇。
[0027] 如圖5B中所示，腔16可以被形成在第一晶片12的第一側12a中。腔16可以從 第一側12a-直通過第一晶片12到第二側12b來形成，或者如圖5B中所示，可以從第一側 12a部分地通過第一晶片12而形成。可以用任何腔形成技術來形成腔16。例如，可以通過 蝕刻來將腔16圖案化。蝕刻可以形成腔16使得其具有腔壁36,該腔壁36通常從第一晶片 12的第一側12a(例如，在腔邊緣34處）會聚到腔16的底部38。腔16的深度可以通過調 整蝕刻時間進行控制。可以基於隔膜18的期望長度和/或寬度或直徑來選擇腔邊緣34處 的腔16的長度和/或寬度或直徑。在腔16完全延伸通過第一晶片12的情況下，可以用一 次蝕刻或者用兩次蝕刻（例如，一次形成第一晶片12的第一側12a，並且一次形成第一晶片 12的第二側12b)來形成腔16,如圖3中所示。
[0028] 圖5C和?描繪了第二晶片14與第一晶片12的連接。在一些實例中，第二晶片 14可以以任何方式結合到第一晶片12。在一個示例中，第二晶片14可以被熔化結合到第 一晶片12或者以任何其它適當的方式結合到第一晶片12。
[0029] 圖5E中示出溝槽22在第二晶片14中的形成。溝槽22可以被形成為便於隔膜18 與第二晶片14的其它部分（例如，第二晶片14不形成隔膜18的矽部分）熱和/或電隔離。 在一些實例中，溝槽22可以被形成為基本上包圍隔膜18。例如，溝槽22可以具有圍繞或者 基本圍繞腔邊緣34的內周邊（例如，隔膜18的周邊19)。可替換地，或者另外地，溝槽22 的全部或者某部分可以從腔邊緣34向內或向外橫向偏移，和/或與腔邊緣34交疊。在一些 實例中，如圖5E中所示，可以至少通過矽層26的整個厚度（例如，從矽層26的第一側26a 通過矽層26的第二側26b)並且可選地通過包括絕緣層20的整個第二晶片14(但這不是 必需的）來形成溝槽22。可以用任何蝕刻工藝或者其它溝槽形成工藝來在第二晶片14中 形成溝槽22。例如，可以至少部分地用深反應離子蝕刻（DRIE)工藝或者任何其它適當的工 藝形成溝槽22。
[0030] 在一些實例中，並且如圖5F中所示，溝槽22可以被完全或者部分地填充絕緣材料 40。填充溝槽22的該絕緣材料40可以是與形成絕緣層20的材料相同的材料或者可以是 與其不同的材料。在一個示例中，用於完全或者部分地填充溝槽22的該絕緣材料40可以 是介電材料和/或諸如氧化物材料（例如氧化矽或者其它氧化物）之類的具有相對低熱傳 導率的材料。可以用任何已知的沉積或者本領域中已知的施加技術將絕緣材料40施加到 溝槽22。一旦絕緣材料40已被沉積在溝槽22中或者被施加到溝槽22,如果需要，可以對 溝槽22中的絕緣材料40和/或第二晶片14的第一側14a施加化學機械拋光（CMP)工藝 或者其它工藝。
[0031] 如圖5G中所示，可以對第二晶片14的隔膜18施加一個或多個感測元件24,使得 感測元件24至少部分地被隔膜18支撐。在一個示例中，感測元件24可以被定位在隔膜18 上，使得溝槽22可以圍繞或者基本上圍繞一個或多個感測元件24。如本文中所使用的，術 語"基本圍繞"被定義為圍繞大於70%、80%、90%、95%或更多的環繞一個或多個感測元件 的路線。
[0032] 感測元件24可以是任何類型的感測元件。例如，感測元件可以交互工作從而感測 壓力、壓力的變化、流量、流量的變化、溫度、溫度的變化、和/或一個或多個其它被測對象。 在一個實例中，感測元件可以包括被定位在一個或多個加熱電阻器44 (heater resistor) 的上遊的一個或多個上遊電阻器42,以及被定位在加熱電阻器44的下遊的一個或多個下 遊電阻器46。
[0033] 在一個示例中，一個或多個上遊電阻器42以及一個或多個下遊電阻器46可以以 惠斯通電橋配置被布置，如例如在7, 278, 309號，Dmytriw等人的"INTERDIGITATED，FULL WHEATSTONE BRIDGE FLOW SENSOR TRANSDUCER"的美國專利中所描述的，其在此通過引入被 全部併入。在這種流量傳感器組件中，流體可以被定向成流動經過固定到和/或設置在隔 膜18中或上的流量傳感器部件（例如，感測元件24)。在一個示例中，流體流可以在從上遊 電阻器42向著下遊電阻器46的方向流動。加熱電阻器44可以將電能消耗成熱量，將其附 近的流體加溫。根據流體的流動速率，可以在感測電阻器42和46之間產生溫度差異。流 量傳感器的性能可以取決於從流體轉移到感測電阻器42和/或46的熱量，而不是通過其 它熱量傳導路徑的熱量。溝槽22可以幫助隔膜18、加熱電阻器44、上遊電阻器42、以及下 遊電阻器46與第二晶片14(以及第一晶片12)的其它區域熱隔離。
[0034] 在一些實例中，可以用一種或多種任何適當方法在隔膜18中或上面形成感測元 件24。例如，可以在隔膜18的頂部上沉積並限定電阻性部件。各種電阻器材料可以是可用 的，包括但不限於鉬、摻雜的多晶娃、摻雜的晶體娃、坡莫合金、娃鉻（SiCr)、鉭、氮化鉭、鉻 合金、鎳鉻合金（nichrome)、金屬娃化物、和/或任何其它適當的材料或材料組合。
[0035] 如所討論的，說明性傳感器組件10可以包括沒被設置在隔膜18中或者上面的其 它流量傳感器組件。在一些實例中，根據需要可以沿著一個或多個晶片邊緣或者在說明性 傳感器組件10上的其它位置處設置線結合焊盤48。線結合焊盤48可以能夠（和/或被配 置成）相對於一個或多個感測元件或者感測管芯部件（例如加熱電阻器44、電阻器42,46、 和/或被定位成在隔膜18上或者離開隔膜18的其它電阻器或其它部件）傳達信號。根據 需要，線結合焊盤48可以包括金、銅、鋁、或者任何其它適當的導體材料或材料組合或者主 要由其形成。可以提供跡線、線結合、或者其它連接器從而將線結合焊盤48與適當的感測 元件24或者傳感器組件部件電連接。
[0036] 圖5H描繪對第二晶片14施加鈍化層28的工藝。根據需要，可以通過任何已知的 沉積或者本領域中已知的施加工藝（例如，化學氣相沉積（CVD)和/或其它工藝）施加鈍 化層。鈍化層28可以包括任何材料或材料的組合。在一個示例中，鈍化層28可以是氮化 物或者適用於感測管芯的其它鈍化層材料。鈍化層28可以幫助保護感測元件24。
[0037] 儘管圖5A-5H中所描繪的工藝以附圖的順序次序被討論，應設想到所討論的工藝 的一個或多個步驟可以以另一次序來執行。同樣，雖然圖5A-5H中示出流量傳感器，應設想 到可以提供其它傳感器。例如，在壓力傳感器中，感測元件24可以包括壓電電阻器，其隨著 隔膜響應於由被感測的流體所施加的壓力而變形，經歷電阻的變化。
[0038] 圖6為高級流程圖，其圖示出形成具有熱和/或電隔離隔膜18的說明性傳感器組 件10的說明性方法150。在102處，該方法包括在第一晶片12中創建腔16。在第一晶片 12具有第一側12a以及與第一側12a相對的第二側12b的情況下，腔16可以被形成在第一 晶片12的第一側12a中，使得腔16限定了與第一晶片12的第一側12a鄰近的腔邊緣34。 在一些情況中，腔16可以部分地延伸通過第一晶片12或者完全地通過第一晶片12。在104 處，第二晶片14可以相對於第一晶片12被結合從而形成在腔16上方延伸的隔膜18。
[0039] 舉例說明，隔膜18可以具有由腔16的腔邊緣34限定的周邊19。在106處，一個 或多個感測元件24可以被支撐在隔膜18中和/或上面。在108處，可以在第二晶片14的 隔膜18中或環繞其來形成溝槽22。在形成溝槽22之前沉積感測元件24的情況下，溝槽22 可以被形成為圍繞或者基本圍繞一個或多個感測元件24。在形成溝槽22之後沉積感測元 件24的情況下，溝槽22可以被形成為為感測元件24提供空間，使得溝槽22能夠圍繞或者 基本上圍繞一個或多個感測元件24。在110處，溝槽22可以被填充絕緣材料40。在一些 實例中，被用於填充溝槽22的絕緣材料40可以具有小於第二晶片14的熱傳導率的熱傳導 率。另外，應設想到在使用絕緣材料40填充溝槽22之後或者之前，感測元件24可以被支 撐在隔膜18中和/或上面。在一些實例中，在110處溝槽22已被填充之後，感測元件可以 被電連接到結合焊盤48。儘管本文所描述的高級方法100以一種或多種特定次序被描述， 應設想到，根據需要，方法100的步驟可以以其它次序來被執行。
[0040] 本公開不應該被認為是限制於上面描述的特定示例。在回顧本說明書時，對本公 開可能是可適用的各種修改、等同工藝、以及大量結構將對本領域技術人員來說是容易地 顯而易見的。
【權利要求】
1. 一種傳感器組件，包括： 第一晶片，其具有在其中形成的腔，該腔限定與第一晶片的第一側鄰近的腔邊緣； 第二晶片，其被第一晶片的第一側支撐，其中第二晶片在腔的上方延伸從而形成隔膜， 隔膜具有由腔的腔邊緣限定的周邊； 由隔膜支撐的一個或多個感測元件；以及 溝槽，其圍繞或者基本圍繞隔膜的周邊。
2. 根據權利要求1所述的傳感器組件，其中所述溝槽一直延伸通過第二晶片。
3. 根據權利要求1所述的傳感器組件,進一步包括位於溝槽中的絕緣材料，以及位於 面向腔的隔膜上的絕緣層。
4. 根據權利要求1所述的傳感器組件，其中： 所述第二晶片具有在其上的絕緣層；並且 當所述第二晶片被所述第一晶片的第一側支撐時，所述絕緣層面向所述腔。
5. 根據權利要求4所述的傳感器組件，進一步包括在與所述絕緣層相對的所述第二晶 片上的鈍化層。
6. -種製造具有隔膜的傳感器的方法，所述方法包括： 在第一晶片的第一側中創建腔，第一晶片具有第一側和第二相對側，腔限定了與第一 晶片的第一側鄰近的腔邊緣； 相對於第一晶片的第一側結合第二晶片，從而形成在腔的上方延伸的隔膜，所述隔膜 具有由所述腔的腔邊緣限定的周邊； 在所述隔膜上支撐一個或多個感測元件；並且 形成環繞隔膜的溝槽，所述溝槽圍繞或者基本圍繞一個或多個感測元件，所述溝槽至 少部分地填充材料，所述材料具有小於所述第二晶片的熱傳導率的熱傳導率。
7. 根據權利要求6所述的方法，其中所述隔膜具有面向腔的電絕緣材料。
8. 根據權利要求6所述的方法，其中用熔化結合技術將所述第二晶片結合到所述第一 晶片。
9. 根據權利要求6所述的方法，其中至少部分地使用深反應離子蝕刻（DRIE)工藝來形 成所述溝槽。
10. 根據權利要求6所述的方法，其中用熱氧化工藝以及氧化物沉積工藝中的一個將 溝槽填充。
【文檔編號】G01D5/16GK104101367SQ201410213258
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年4月8日 優先權日:2013年4月9日
【發明者】C·斯圖爾特, S·E·貝克, R·A·戴維斯, G·莫拉萊斯 申請人:霍尼韋爾國際公司