微型傳感器的製作方法
2023-10-04 10:09:44
專利名稱：微型傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種權利要求1之前序部分限定的微型傳感器。
一個如此形式的微型傳感器例如已在DE10027234A1中公開。其中描述了一個微型傳感器帶有一個集成的轉換電路和一個其上安裝的微型機械式傳感器元件。該傳感器元件通過一個環繞的焊縫與該集成的轉換電路形成機械地和電氣地連接。另外，該傳感器元件為了測量加速度具有一個彎曲橫梁，其到該集成的轉換電路的距離是以電容方式決定的並且被轉換為一個測量信號。
在一個這樣的結構方案中，該傳感器元件至該集成的轉換電路的距離就扮演了該坐標系統並且扮演了用於該彎曲橫條之『位置確定』的參考值。該傳感器元件至該集成的轉換電路之距離的一個改變則會使得測量結果出錯，因此應該避免。這樣就要求該傳感器元件與該集成的轉換電路為一個精確限定的和長時間穩定的連接。此外為了電氣的耦合所述的連接還應該是導電性的。
在一種釺焊連接情況下，存在的危險是，所述連接在機械應力的影響下發生變形。而且釺焊連接的老化也可能導致該傳感器元件相對於該集成的轉換電路的一個位置變化。這種危險還通過溫度升高-正如其例如在將微型傳感器焊接在一個印刷電路板上時可能發生地那樣-被明顯地提高了。
另外，用釺焊連接在晶片聯合裝配中製造大量微型傳感器時要求很高的技術費用，因為許多焊接表面必須同時高精度地被相互焊接起來。
本發明的任務是，創造一種開頭所述類型的微型傳感器，其在一傳感器元件和一集成的轉換電路之間的連接得到改進。作為優選，該微型傳感器應能在晶片聯合裝配中製成。
這一任務通過權利要求1限定的一微型傳感器來解決。本發明之優選的改進方案是從屬權利要求的主題。
本發明的基本構思是，將一個優選的微型機械式傳感器元件藉助一種低共熔接點與一個集成的並為一半導體晶片形式的轉換電路(集成電路，IC)相連接。特別地，一個矽基的傳感器元件適合於一種與一個矽-半導體晶片、例如一個CMOS-或BICMOS-IC的低共熔連接。
按照本發明，構造一個微型傳感器具有一個傳感器元件和一個集成的轉換電路，其包括一個帶有一集成的電路的半導體，其中該傳感器元件被安置在該半導體的一主表面上並且在半導體和傳感器元件之間構成一個低共熔連接。
低共熔連接、尤其是低共熔矽-金-連接之特徵是在一個寬的溫度範圍內有一個高的機械穩定性。特別地，這種連接相比傳統的釺焊連接是更加穩定的機械特性和熱力特性。另一個優點在於，低共熔接點可以被實施得很細薄，所以那種對於位置變化很嚴格的區域可被保持得很小。
在本發明的一個優選的結構方案中該傳感器元件由一個半導體材料構成或具有至少一個半導體層或一個半導體基片。該低共熔接點可以在這種情況下被構成在該傳感器元件的一個半導體表面和該集成的轉換電路之半導體的一表面之間。
為此作為優選，該半導體在面對該傳感器元件的主表面上設置一金屬層。該低共熔接點在這種情況下由該金屬層和傳感器元件的半導體材料構成。這樣就以有利方式，在傳感器元件和半導體之間建造了一個非常緊湊的連接，對此並且僅需要一個微小數量的連接構件。作為選擇，該傳感器元件也可以設有一個金屬層而該低共熔接點則可以由該半導體之材料和該傳感器元件之金屬層構成。
作為優選，對於一個集成的轉換電路或者一個作為金屬層的矽基傳感器元件而應用一個金層或一個包含金的層結構。作為低共熔接點在此應用了一個矽-金-低共熔混合物，其作為例子可以通過一個矽表面和一個金表面在提高的溫度和提高的壓力下相互靠置接合來構成。
該矽-金-低共熔混合物之熔點溫度以363℃處於一個有利的溫度範圍內。一方面該熔化溫度是如此之低，以致於這個為了構成低共熔接點所必需的溫度對於該集成的轉換電路來說在適當的工藝操作規程下是無損傷的。另一方面，該熔化溫度還明顯地大於通常在印刷電路板上釺焊構件時產生的最高溫度，而其一般處於260℃和280℃之間。這樣就確保了，在釺焊時該低共熔接點不會改變或甚至根本不會鬆開。在有些情況下，可以通過一個在該低共熔接點上鄰接的金屬之緩衝層還會使該低共熔接點的熔化溫度由於和該緩衝層的合金化作用而被提高。
特別優選的是，該傳感器元件和該集成的轉換電路是基於相同的半導體材料。這種對於該傳感器元件和該集成的轉換電路為一個基本相同形式的組成結構將導致在該傳感器元件和該集成的轉換電路之間有利的微小應力，因為該微型傳感器的兩個構件具有大致相同的熱膨脹係數。
在本發明的一個優選的變型結構方案中，該集成的轉換電路被構造在該半導體之面對該傳感器元件的主表面上或者被構成在這個主表面附近。這樣就能夠在該集成的電路和該傳感器元件或那些與該傳感器元件對應配置的電極之間實現短的電氣連接，通常短的電連接之優點是短的信號延時(Aufzeiten)和微小的幹擾性。在例如通過與傳感器元件對應配置的電極作電容式或電感式接收或發送一個測量信號時，短的電氣連接則是特別有利的，因為該電氣連接的所述寄生電感和電容是相當微小的。因此，該測量信號的一個錯假現象被極大程度地抑制了。
作為優選，該集成的電路被所述已說明的金屬層覆蓋。因此，該傳感器元件可以直接通過該集成的電路而安置。
在該集成的電路和該金屬層之間可以安置一個粘接層，其提高了該金屬層在該半導體上或該集成的電路上的粘接性。其中作為有利方式一種導電的粘接層，例如是一個鈦層。
另外優選的是，在該集成的電路和該金屬層之間設置一個阻擋層，其防止了原子從該金屬層向該集成的電路中的一個擴散作用。一個這樣的阻擋層還可以按優選方式被設置在該傳感器元件中。
如果該低共熔接點在兩側被阻擋層包圍，那麼因此該低共熔接點的伸展範圍被確定。這樣的優點是，該低共熔接點的厚度可以高的精度被校準。
本發明另外的特徵，優點和實用性將通過下面結合
圖1和2描述的兩個實施例獲知。其表明圖1是一本發明微型傳感器之第一實施例的截面示意圖，和圖2a和2b是本發明微型傳感器之第二實施例在構成該低共熔接點之前和之後的一個局部截面示意圖，相同的或相同作用的元件在附圖中設有相同的附圖標記。
在圖1中描述的微型傳感器具有一個集成的轉換電路1和一個傳感器元件2。該集成的轉換電路1包括一個帶有一主表面12的半導體11和一個集成的電路4，其被設置在該主表面12的側面上。
該傳感器元件2安置在該主表面12上。為此，該傳感器元件藉助一個環繞的凸起14被安置在該半導體11的主表面12上並且在該凸起14和半導體11之間構成一個低共熔接點3。該低共熔接點3還將結合圖2a和2b作仔細地解釋。
該傳感器元件2在所示實施例中被設置為用於一加速傳感器的微型機械式傳感器元件。為此，該傳感器元件2具有一個可運動的並為一彈簧片8結構形式的構件(示意地描繪了被偏移的位置)，其被一個環繞的在安裝狀態時平行於該主表面12安置的框架9所包圍。該彈簧片8將按照有效加速度值從它的靜止位置被偏移，因此，該彈簧片8相對該主表面12的距離依據所述的加速作用而變化。
這個距離以電容方式被測量並且藉助該集成的電路被轉換為一電氣測量信號。
為了這種電容式測量設置了與該傳感器元件對應配置的並且與該彈簧片8相對置的電極10，其例如可以作為參考電極10a，測量電極10c和激勵器電極10b起作用。該參考電極10a被安置在該彈簧片8被固定的端部旁，因此，相對彈簧片的距離即使在其偏移情況下也只是微小的改變。該測量電極10c與此相反是與該彈簧片8的另外端部相對置的並且因此被安置在一個具有儘可能大之偏移的位置上。通過該激勵器電極10b可以使一個靜電力施加到該彈簧片8上。這樣就能實現一個對該彈簧片8之靜止位置的調節。此外，還可以依此穩定彈簧片8並可改變其敏感度。
這個在電極10上施加的電容測量信號則藉助該集成的電路被製備。這個集成的電路可以為此包括一個測量電路-，校正電路-，和/或補償電路。從該集成的電路起，所述被製備的測量信號將通過導體電路(未表示)，連接表面15，和導線連接16被引出到外部的連接線上。
對於該微型傳感器的功能和測量結果的精度來說，所述在主表面12和該傳感器元件之相對置的表面17之間的距離D是具有決定意義的。這個距離D組合地包括了該凸起14的高度，該低共熔接點3的厚度和必要情況下另外中間層的厚度。該突起的高度和另外中間層的厚度可以藉助公知的製造方法如幹腐蝕被製造得具有足夠的精度。因為該低共熔接點3如已述的那樣同樣可以被構造得具有一個精確的可予先決定的厚度，故在製造時就能夠很精準地遵守一個予先確定的所述在該主表面12和該相反對置的表面17之間的距離D。
代替一個彈簧片，一個微型機械式傳感器元件在用於獲取其他測量值時也可以具有其它可運動的構件。作為例子，在一個壓力傳感器情況下該傳感器元件可以在該彈簧片8的位置上包括一個薄的膜片例如一個矽膜片，它的彎曲度以電容方式或電感地被測量。同時最好在該傳感器元件中構造一個開口，以便在該膜片的一側面上建立該要被測知的環境壓力。而且其他的例如可振蕩的或可響應的微型機械式結構也經常被應用。
在圖2中詳細地描述了本發明的一第二實施例。圖2a表明了該傳感器元件和一微型傳感器直接在構成該低共熔接點3之前的所述被集成的轉換電路。圖2b則表明了該微型傳感器與所形成的低共熔接點3的一個相應的描繪。
在本表明的實施例中，該集成的轉換電路1具有一個由矽製造的半導體11。該集成的轉換電路例如可以是一種CMOS-或BICMOS-IC。
該傳感器元件2同樣由一種矽體製造。由於選擇相同的材料用於該集成的轉換電路和傳感器元件，該微型傳感器的這些部件就具有近似相同的熱膨脹係數，因此，在溫度變化時特別地在對該微型傳感器的製造之後或焊接之後的冷卻期間，在傳感器元件和轉換電路之間的機械應力被保持在微小水平上。
對於矽基的微型傳感器，為了低共熔接點特別優選地應用一種矽-金-低共熔混合物。這種低共熔混合物之特徵在於一個熔化溫度，其以363℃是特別如此地低下，以致於在適宜的工藝操作下不會出現對該集成的轉換電路的損傷。
此外，一個矽-金-低共熔混合物可構成一個牢固的、抗腐蝕的和機械上及熱力方面長時間穩定的連接。這種連接是非常有利於氣密封的和可以應用於對該微型傳感器內部空間作密閉的屏蔽。這一特性對於壓力傳感器是特別有利的。作為例子，一個在一膜片上限界成的參考單元可以藉助這種低共熔接點與該膜片相連接並且因此被氣體隔絕地和密閉地封閉。該要被測量的壓力則在一個如此形式的結構方案下就根據該膜片相對於該參者單元的彎曲變形和其中佔據的參考壓力而獲得。通過藉助低共熔接點形成之氣體隔絕的密閉式屏蔽就確保了一個隨時間穩定的參考壓力。
一般地，一個用於微型傳感器的密閉屏蔽對於電容方式產生該測量信號有利的是，使該被封閉的介質之介電特性保持常數。
代替一個矽-金-低共熔混合物也可以在一定情況下應用一種矽-銀-或一種矽-鋁-低共熔混合物。
為了構成該低共熔接點，在該半導體11之主表面12上安置一個金屬層7，最好為一種金層，圖2a。該金屬層7作為例子可以化學或電鍍方式製造，或者氣相噴鍍或陰極真空噴鍍，其中在給定情況下為了側面的結構化要應用一個適當的掩膜技術。
這些被該金屬層覆蓋的結構件13就可以依此不僅即是該集成的電路4之組成部分而且例如也可以是導體電路的組成部分。特別是一個環繞的用於屏罩該微型傳感器內部空間的低共熔接點一般原則上說，在將導體電路從該微型傳感器內部空間導引到該位於外部的導線連接區域上時是必需的。在一個相應的從區域21a向區域21b中作導體電路導引的情況下，這些導體電路將與該低共熔接點的連接方向交叉。在此，作為優選方式，該金屬層或低共熔接點也可以將該導體電路的(一些)部分覆蓋。其中，該導體電路的一個電氣絕緣例如用一氧化層是優選的。
當然，該金屬層7也可以直接被安置在該半導體11的主表面12上。隨後關於結構件13應該理解為半導體11的主表面12。
在該結構件13和金屬層7之間最好安置一個阻擋層5。這一阻擋層5防止金屬原子從金屬層7向該集成的電路4中的一個擴散並且這樣在該集成的轉換電路1之側面上限定了該低共熔接點的伸展範圍或厚度。作為阻擋層5可以例如應用一種矽氧化物層或氮化矽層。然而，一種可以包含例如鈀，鉑，鎢和/或鈦的金屬層作為阻擋層也是適宜的。
此外，在該金屬層7和所述被覆蓋的結構件13之間，最好在該被覆蓋的結構件13上可以安置一個粘接層，例如一種鈦層和/或一種緩衝層，例如由鋁或一種鋁合金構成(未示出)。一個粘接層則提高了該金屬層7在所述被覆蓋的結構件13上的粘接性能並且因此之結果改善了該低共熔接點與該集成的轉換電路1的錨接作用。
該傳感器元件2在面對該金屬層7的側面上並在所要構成的低共熔接點的區域內具有一個用於形成一半導體-金屬-低共熔混合物的半導體表面。作為優選，這一表面由傳感器元件本身或一個被安置在該傳感器元件上的半導體層6構成。在最後的可能方案中，該半導體層6最好被安置在一個阻擋層19上，例如由矽氧化物，氮化矽，鎢，鈦，鈀或鉑構成，其在構成所述低共熔接點情況下限制了所述金屬層原子到該傳感器元件中的散布。
通過該阻擋層5和19對該低共熔接點的一種兩側的包圍，該低共熔接點的厚度就可以非常精確地被確定。但是要說明的是，在本發明中所稱的阻擋層是優選的方式而不是強制必需的。
在一個矽基的傳感器元件情況下為了構成低共熔接點按照目的要求應用了一個矽表面。這個就可以用該傳感器元件本身或者最好由一個其上安置的矽層來構成。作為阻擋層，特別適宜的是一個矽氧化物層或一種氮化矽層。
在面對著該集成的轉換電路1的側面上，在正如圖1所示的實施例那樣的傳感器元件情況下構造一個凸起14。這個可以例如通過區域方式的刻蝕來形成。對此，特別適合的是一種幹腐蝕方法，其中從該凸起14之表面18到所述被刻蝕了的表面17的距離就可以很精確地被確定。在本實施例中，這個距離計為大約4μm。
作為優選方式，該矽層的厚度如此被確定並且要與該金層的厚度相協調，即，要構成該低共熔接點的矽數量和金數量已經是以這個通過該矽-金-低共熔混合物所予先確定的化學計量比例存在了。這個化學計量比例即是94重量百分比Gold(金)∶6重量百分比Silizium(矽)。它在相同的表面情況下對應於金層厚度對矽層厚度的一個比例為100∶52。
為了構成該低共熔接點，該傳感器元件和集成的轉換電路被相互緊靠地連接，因此，該金屬層7和半導體表面18形成接觸。這樣在該金屬層和半導體表面之間提高了溫度和/或提高了擠壓力情況下即以公知方式構成所述低共熔接點。
其中該低共熔階段首先液體化並且最後固化成一種統一的低共熔接縫，其描述了該低共熔接點3，圖2b。
通過這個液體化過程該被覆蓋的結構件13之表面粗度和不平性就被有利地補償了。一般說來，不平度至大約0,5μm是可允許的。另外，該液體的低共熔混合物之一微小的部分被沿著側向上排擠並且固化為一個內角倒圓20的形式。該低共熔接點的厚度計為例如大約1μm。
這些為了構成該低共熔接點3之相應的工藝規程參數，特別是壓力和溫度則取決於那些組成的材料。一種低共熔矽-金-連接作為優選方式是在該低共熔混合物的熔化溫度363℃和大約390℃之間的溫度下形成的。其中，通過一個適宜的工藝操作可以構成一個相當程度上無應力的連接。對此的先決條件是在構成該低共熔接點時傳感器元件和集成的轉換電路是相同的溫度以及一個儘可能小的橫向溫度梯度。具有特別優點的是將多個低共熔接點可以同時地在晶片聯合裝配中形成。
這種藉助所述的實施例對本發明的解釋是當然地不能理解為對本發明的限制。
權利要求
1.微型傳感器，具有一個傳感器元件(2)和一個集成的轉換電路(1)，該傳感器包括一個帶有一集成的電路(4)的半導體(11)，其中該傳感器元件(2)被安置在該半導體(11)的一主表面(12)上，其特徵在於在該半導體(11)和該傳感器元件(2)之間構成一個低共熔接點(3)。
2.按權利要求1的微型傳感器，其特徵在於該集成的電路(4)被設置在該半導體(11)之面對該傳感器元件(2)的那個側面上。
3.按權利要求1或2的微型傳感器，其特徵在於該傳感器元件(2)由一種半導體材料構成或具有一個層結構(6)或具有一個由半導體材料構成的基片。
4.按權利要求3的微型傳感器，其特徵在於該集成的轉換電路(1)之半導體(11)和該傳感器元件(2)包含相同的半導體材料。
5.按權利要求4的微型傳感器，其特徵在於該集成的轉換電路(1)之半導體(11)和該傳感器元件(2)包含矽。
6.按權利要求3至5之一的微型傳感器，其特徵在於該低共熔接點(3)由一個在半導體(11)之主表面(12)上安置的金屬層(7)和傳感器元件(2)之半導體材料構成。
7.按權利要求3至5之一的微型傳感器，其特徵在於該低共熔接點(3)由一個在傳感器元件(2)上安置的金屬層和該半導體之材料構成。
8.按權利要求6或7的微型傳感器，其特徵在於該金屬層是一金層或包含有金。
9.按權利要求7或8的微型傳感器，其特徵在於該集成的電路(4)用金屬層(7)覆蓋。
10.按權利要求6至9之一的微型傳感器，其特徵在於在該金屬層(7)和該集成的電路(4)之間安置一個阻擋層(5)和/或一個粘接層。
11.按權利要求1至10之一的微型傳感器，其特徵在於該傳感器元件(2)具有一個阻擋層(19)。
12.按權利要求10或11的微型傳感器，其特徵在於在集成的電路(4)和金屬層之間的阻擋層(5)和/或該傳感器元件(2)之阻擋層(19)包含矽氧化物或氮化矽。
13.按權利要求1至12之一的微型傳感器，其特徵在於該低共熔接點(3)包含一個矽-金-低共熔混合物。
14.按權利要求1至13之一的微型傳感器，其特徵在於該傳感器元件(2)是一個微型機械式傳感器元件。
15.按權利要求14的微型傳感器，其特徵在於該傳感器元件(2)包括一個可運動的構件，基於其至該半導體(11)的距離產生一個測量信號。
16.按權利要求15的微型傳感器，其特徵在於該測量信號基於所述距離以電感或以電容方式產生。
17.按權利要求15或16的微型傳感器，其特徵在於該可運動的構件是一個彈簧片(8)或一個可運動的膜片或一個可振蕩的結構件。
全文摘要
本發明描述了一個微型傳感器，其具有一個傳感器元件(2)和一個集成的轉換電路(1)，它包括一個帶有集成的電路(4)的半導體(11)，其中該傳感器元件(2)被安置在該半導體(11)之一主表面(12)上並在該半導體(11)和傳感器元件(2)之間構造一個低共熔接點(3)。
文檔編號G01P1/00GK1578911SQ02821718
公開日2005年2月9日 申請日期2002年10月8日 優先權日2001年10月29日
發明者M·布蘭德, R·塞尼斯卡 申請人:奧地利微系統股份公司