壓力轉換器及其製造方法
2023-05-31 01:03:06
專利名稱：壓力轉換器及其製造方法
技術領域：
本發明總的涉及諸如話筒之類將靜壓或動壓(例如聲音振動)轉換成相應電信號的壓力轉換器及其製造方法。
日本專利9-257618揭示了一種靜電電容型壓力傳感器，它可以將靜壓或動壓轉換成相應的電信號。圖6(h)示出了該壓力傳感器。圖6(a)至6(g)示出了其製造過程的各個步驟。
首先，用單晶矽材料製造出基板30。將雜質擴散進入基板30的主外表面中，從而形成固定電極40、固定電極引線41、以及固定電極下部連接端子42。接著，如圖6(a)所示，在基板30的主外表面上形成第一絕緣層50。如圖6(b)所示，在第一絕緣層50上形成一個將在後續工序中去除的犧牲層60。
如圖6(c)所示，在犧牲層60上形成第一絕緣隔膜層70。在第一絕緣隔膜層70上形成第二導電層80。將第二導電層80上的預定部分去除，以形成可動電極81、可動電極引線82、以及可動電極下部連接端子83。
隨後，如圖6(d)所示，形成第二絕緣隔膜層90。在第一和第二絕緣隔膜層70和90的外周部分形成多個延伸至犧牲層60的通孔91。各孔91被用作腐蝕劑入口。
如圖6e所示，通過各孔91將腐蝕用腐蝕液注入，以便各向均勻地腐蝕犧牲層60而將其去除，從而在第一絕緣層50與第一絕緣隔膜70之間形成壓力基準室96。形成可動電極連接孔92和固定電極連接孔94。可動電極連接孔92穿過第二絕緣隔膜層90延伸至可動電極下部連接端子83。固定電極連接孔94穿過第二絕緣隔膜層90、第一絕緣隔膜層70和第一絕緣層50延伸至固定電極下部連接端子42。
如圖6(f)所示，在第二絕緣隔膜層90上形成一導電層，隨後將該導電層上的預定部分去除而形成可動電極輸出端子93和固定電極輸出端子95。可動電極輸出端子93穿過可動電極連接孔92連接於可動電極下部連接端子83。固定電極輸出端子95穿過固定電極連接孔94連接於固定電極下部連接端子42。
如圖6(g)所示，在第二隔膜層90上形成一密封層以密封孔91，隨後再將其去除，留下孔91周圍的部分而形成密封帽97。
在工作過程中，當施加壓力時，將會導致由第一和第二絕緣隔膜層70和90組成的隔膜變形。具體地說，壓力基準室96內的壓力和周圍的壓力沿相反的方向作用於隔膜，使隔膜的變形量對應於這兩個壓力之差。這將導致由形成在隔膜上的可動電極81和固定電極41所組成的電容器的電容作為隔膜變形量的函數而變化。作用在隔膜上的壓力基準室96與周圍壓力之差可以通過測量電容值來確定。對絕對壓力的測量可以這樣來實現，即，將壓力基準室96內的壓力降低到大大低於壓力傳感器可測範圍的水平。
然而，上述傳統的壓力傳感器具有下列缺陷。當用來腐蝕犧牲層60的腐蝕液以及用來對其進行清潔的溶劑變幹時，液體的表面張力可能導致隔膜損壞。需要一個附加的工藝才能避免這一問題，即，在腐蝕腐蝕液和清潔溶劑變幹之前，用表面張力較小的液體加以替換，或者是利用藉助加壓和冷卻而液化的氣體來使腐蝕腐蝕液和清潔溶劑變幹。
形成用於引入腐蝕腐蝕液的孔91可能會導致隔膜的質量變化並損害機械強度。為了避免這一問題，可以將孔形成在隔膜的周邊部分，但這樣的話，從孔91腐蝕到距離較遠的隔膜中心部分就需要相當長的時間。
當在一個基板上形成多個壓力傳感器，並且這些壓力傳感器是在大批量製造過程中利用一分割鋸來加以分隔的情況下，分隔時所用的水將滲入基板的空腔，這樣就可能在水變幹時導致壓力傳感器破損。
因此，本發明的一個主要目的在於，避免上述已有技術的缺陷。
本發明的另一個目的在於，提供一種壓力轉換器，其具有可以允許壓力轉換器很方便地變形而不會損壞例如隔膜等部件的結構。
根據本發明的一個方面，提供了一種用於將外加壓力轉換成一相應電信號的壓力轉換器。該壓力傳感器包括(a)一基板，它具有一第一表面和一與該第一表面相對的第二表面；(b)一固定電極，它形成在基板的第一表面上；(c)一隔膜，其外周部分連接於基板的第一表面，從而在基板的中部和固定電極之間形成一空腔，隔膜具有一通過空腔與固定電極相對的可動電極，該可動電極可以響應外加壓力而變形，以使可動電極與固定電極之間的距離作為外加壓力的函數來變化；以及(d)一形成在基板內的孔，它從第二表面延伸至空腔。
在本發明的較佳實施例中，還包括形成在基板內並從第二表面延伸至空腔的若干個孔，這些孔是布置成這樣，即，每兩個相鄰的孔以一定的間隔分開設置。
隔膜是波紋形的。具體地說，隔膜具有多個同軸形成的波形部分。
在基板的第一表面內的形成有一凹槽，該凹槽處在空腔範圍內，並通向諸孔。
在空腔內設有一隔膜支承件，該支承件與隔膜的外周部的內壁接觸。
基板是由具有若干個集成電路元件的半導體基板製成，這些集成電路元件可以形成一個用來測量固定與可動電極之間電容的檢測器。
隔膜可以用無機材料製成，例如矽與氧或氮的化合物。
根據本發明的第二方面，一種用來製造壓力轉換器的方法，包括如下步驟(a)製備一具有一第一表面和一與該第一表面相對的第二表面的基板；(b)在基板的第一表面上形成一固定電極；(c)在固定電極上形成一犧牲層；(d)在犧牲層上形成一個由絕緣材料製成的隔膜層；(e)在基板內形成一個從基板的第二表面延伸至犧牲層的孔；以及(f)藉助幹腐蝕法，將氣體注入孔以去除犧牲層而形成一空腔，以使隔膜層可響應外加壓力而發生變形。
在本發明的較佳實施例中，還包括如下步驟在基板的第一表面上形成至少一個波形部分。
波形部分也可以形成在犧牲層的一個表面上。
基板是由具有若干個集成電路元件的半導體基板製成，集成電路元件可以形成一個用來測量固定與可動電極之間電容的檢測器。
隔膜是用無機材料製成，而犧牲層是用有機材料製成。
隔膜可以用矽與氧或氮的化合物製成。
犧牲層可以用聚醯亞胺製成。
犧牲層的去除工作是藉助幹腐蝕法，利用氧等離子來實現的。
氣體注入步驟是這樣的，即，在去除犧牲層時留下犧牲層的外周部分。
根據本發明的第三方面，提供了一種用來製造壓力轉換器的方法，包括如下步驟(a)製備一具有一第一表面和一與該第一表面相對的第二表面的基板；(b)在基板的第一表面上形成一固定電極；(c)在固定電極上形成一絕緣層；(d)在絕緣層上形成一犧牲層；(e)在犧牲層上形成一個由導電材料製成的隔膜層；(f)在基板內形成一個從基板的第二表面延伸至犧牲層的孔；以及(g)藉助幹腐蝕法，將氣體注入孔以去除犧牲層而形成一空腔，以使隔膜層可響應外加壓力而發生變形。
在本發明的較佳實施例中，還包括如下步驟在基板的第一表面上形成至少一個波形部分。
波形部分也可以形成在犧牲層的一個表面上。
基板是由具有若干個集成電路元件的半導體基板製成，集成電路元件可以形成一個用來測量固定與可動電極之間電容的檢測器。
隔膜是用無機材料製成，而犧牲層是用有機材料製成。
隔膜可以用由矽與氧或氮的化合物製成。
犧牲層是用聚醯亞胺製成。
犧牲層的去除工作是藉助幹腐蝕法，利用氧等離子來實現的。
氣體注入步驟是這樣的，即，在去除犧牲層時留下犧牲層的外周部分。
根據本發明的第四方面，提供了一種採用單塊基板來製造多個壓力傳感器的方法，包括如下步驟(a)製備一具有一第一表面和一與該第一表面相對的第二表面的單塊基板；(b)在基板的第一表面上形成若干個固定電極；(c)在每個固定電極上形成一犧牲層；(d)在每個犧牲層上形成一由絕緣材料製成的隔膜層；(e)在基板內形成一個從基板的第二表面延伸至每個犧牲層的孔；(f)在相鄰的兩個壓力轉換器之間形成一切割槽，以便將各壓力傳感器相互分開；以及(g)藉助幹腐蝕法，將氣體注入孔以去除犧牲層而形成一空腔，以使隔膜層可響應外加壓力而發生變形。
通過下面結合附圖對較佳實施例的詳細描述，可以更清楚地理解本發明，但這些特定的實施例並不限制本發明，它們僅僅是為了便於說明和理解。附圖中
圖1(a)、1(b)、1(c)、1(d)、1(e)、1(f)和1(g)是沿著圖1(h)中的線A-A剖取的剖視圖，它們示出了根據本發明第一實施例的壓力傳感器的各個加工步驟；圖1(h)是第一實施例的壓力傳感器的平面圖；圖2(a)、2(b)、2(c)、2(d)、2(e)、2(f)和2(g)是沿著圖2(h)中的線A-A剖取的剖視圖，它們示出了根據本發明第二實施例的壓力傳感器的各個加工步驟；圖2(h)是第二實施例的壓力傳感器的平面圖；圖3(a)、3(b)、3(c)、3(d)、3(e)、3(f)和3(g)是沿著圖3(h)中的線A-A剖取的剖視圖，它們示出了根據本發明第三實施例的壓力傳感器的各個加工步驟；圖3(h)是第三實施例的壓力傳感器的平面圖；圖4(a)、4(b)、4(c)、4(d)、4(e)、4(f)和4(g)是沿著圖4(h)中的線A-A剖取的剖視圖，它們示出了根據本發明第四實施例的壓力傳感器的各個加工步驟；圖4(h)是第四實施例的壓力傳感器的平面圖；圖5(a)、5(b)、5(c)、5(d)、5(e)、5(f)和5(g)是沿著圖5(h)中的線A-A剖取的剖視圖，它們示出了根據本發明第五實施例的壓力傳感器的各個加工步驟；圖5(h)是第五實施例的壓力傳感器的平面圖；圖6(a)、6(b)、6(c)、6(d)、6(e)、6(f)和6(g)是沿著圖6(h)中的線A-A剖取的剖視圖，它們示出了根據本發明另一實施例的壓力傳感器的各個加工步驟；圖6(h)是該實施例的壓力傳感器的平面圖；圖7(a)、7(b)、7(c)、7(d)、7(e)、7(f)和7(g)是沿著圖7(h)中的線A-A剖取的剖視圖，它們示出了一傳統壓力傳感器的各個加工步驟；圖7(h)是按圖7(a)、7(b)、7(c)、7(d)、7(e)、7(f)和7(g)中所示各步驟所生產的傳統壓力傳感器的平面圖；現請參見各附圖，其中相同的標號表示相同的部件。特別請參見圖1(h)，其中示出了根據本發明第一實施例的壓力傳感器。圖1(a)至1(g)示出了製造過程的各個步驟。
該壓力傳感器是設計成能將施加於隔膜的靜壓或動壓轉換成相應的電信號，它包括由單晶矽材料製成的基板100、空腔141、通過將雜質擴散入基板100而具有導電性的第一導電層110、由第一導電層110的一部分形成的固定電極111、第一絕緣層120、由第二導電層160的一部分形成的可動電極161、以及孔190。
該壓力傳感器還包括第一隔膜層150、第二隔膜層170和第二導電層160。第一隔膜層150是用絕緣材料製成，並形成在空腔141的上方。第二導電層160形成在第一隔膜層150上。第二隔膜層170是用絕緣材料製成，並形成在第二導電層160上。第一、第二隔膜層150、170與第二導電層160一起構成了隔膜。
固定電極111通過固定電極引線112、固定電極下部連接端子113以及固定電極連接孔172引至固定電極輸出端子182。固定電極輸出端子182是由第三導電層180的一部分形成。固定電極引線112和固定電極下部連接端子113均藉助第一導電層110的毗連部分來形成。固定電極連接孔172形成在固定電極下部連接端子113上。
可動電極161通過可動電極引線162、可動電極下部連接端子163以及可動電極連接孔171引至可動電極輸出端子181。可動電極輸出端子181是由第三導電層180的一部分形成。可動電極引線162和可動電極下部連接端子162均藉助第二導電層160的毗連部分來形成。可動電極連接孔171形成在可動電極下部連接端子163上。
在製造上述壓力傳感器時，如圖1(a)所示，先將雜質擴散到單晶矽基板100上表面的預定區域內，以形成固定電極111、固定電極引線112和固定電極下部連接端子113，然後在基板100的整個上表面上形成用氧化矽製成的第一絕緣層120。
如圖1(b)所示，在第一絕緣層120的整個表面上形成一例如聚醯亞胺之類的有機物層，隨後，將有機物層的外周去除，形成一用來在以後步驟中形成空腔141的圓形犧牲層140。
如圖1(c)所示，將由氮化矽製成的第一隔膜層150形成在基板100上表面的上方。將由鉻製成的第二導電層160形成在第一隔膜層150上。將第二導電層160的預定部分去除，以形成可動電極161、可動電極下部連接端子163、以及將可動電極161連接於可動電極下部連接端子163的可動電極引線162。
接著，如圖1(d)所示，將由氮化矽製成的第二隔膜層170形成在基板100的上表面上。
如圖1(e)所示，有若干個孔穿過第二隔膜層170延伸至固定電極下部連接端子113和可動電極下部連接端子163。第三導電層180形成在第二隔膜層170上，隨後，將第三導電層180的預定部分去除而形成可動電極輸出端子181和固定電極輸出端子182。可動電極輸出端子181通過可動電極連接孔171連接於可動電極下部連接端子163。固定電極輸出端子通過固定電極連接孔172連接於固定電極下部連接端子113。
如圖1(f)所示，在基板100的底部中心形成有通孔190，從圖上看，該通孔垂直地穿過第一導電層110和第一絕緣層120。孔190是這樣形成的，即，利用主要成分為六氟化硫(SF6)且由等離子激勵的氣體來去除基板100底部的矽，隨後利用諸如氫氟酸之類的腐蝕液來去除第一絕緣層120中心部分的氧化矽。
如圖1(g)所示，通過孔190注入主要成分為氧並由等離子激勵的氣體，藉助這種幹腐蝕法各向均勻地去除犧牲層140，從而在第一絕緣層120與第一隔膜層150之間形成空腔141。
下面將詳細描述上述工藝所採用的材料和形成方法。
基板100是由用來形成半導體集成電路的矽片製成，這種材料在市場上很容易買到。第一導電層110包括一擴散部分，在該部分上形成有一電路，即，將例如磷和硼酸之類的雜質沉積到第一導電層110上的預定區域，在操作時，使雜質透過一掩膜(mask)，並使第一導電層110受到熱處理，從而將每立方釐米的雜質濃度升高至1018至1020，以便增大預定區域內的導電率。第一絕緣層120是通過熱氧化或採用等離子CVD裝置在低溫下形成。第二導電層160和第三導電層180是這樣形成的，即，利用蒸著或濺射技術形成鉻或鋁的金屬層，再用腐蝕劑去除未遮掩部分。
犧牲層140是用有機材料製成，這種材料便於用幹腐蝕法去除，並且可以承受接下來在形成第一和第二隔膜層150和170(例如等離子CVD工藝)時的環境溫度。在該實施例中，犧牲層是用聚醯亞胺製成。犧牲層140是這樣形成的，即，利用旋轉塗覆，藉助聚醯亞胺前體形成一薄膜，利用一抗蝕劑掩膜和腐蝕液對該薄膜進行腐蝕，再使之受到熱處理而進行聚合，或者，先使薄膜聚合，隨後，在幹腐蝕法中利用一金屬掩膜或在溼腐蝕法中利用強鹼溶液使薄膜最終形成所需的形狀。
基板100內的通孔190是這樣形成的，即，藉助幹腐蝕法，利用主要成分為六氟化硫且由等離子激勵的氣體，以及金屬掩膜或氧化矽掩膜來進行。
該實施例的壓力傳感器的測量值如下所述。空腔141的直徑和厚度分別是1800μm和5μm。通孔190的直徑是100μm。包括第一和第二隔膜層150和170以及第二導電層160的隔膜厚度是2μm。
工作時，當有壓力施加於隔膜外表面時，將導致隔膜向內變形。隔膜的變形度取決於作用在第一隔膜150內表面上的空腔141的內壓力與作用在第二隔膜170外表面上的周圍壓力的差。所述變形將導致由形成在第二導電層160內的可動電極161和固定電極111構成的電容器的電容作為隔膜變形量的函數來變化。作用在隔膜背面的空腔141內的壓力與作用在隔膜外表面上的壓力的差可以通過測量電容值來確定。通過將空腔141內的壓力保持在一個大大低於壓力傳感器的壓力可測範圍的值，就可以實現絕對壓力的測量。例如，可以將整個壓力傳感器置於低壓環境，並密封孔190，就可以進行測量。
由上可見，在該實施例的用來製造壓力傳感器的方法中，可以在不使用任何腐蝕液的情況下來去除犧牲層140，從而可避免因液體變幹而產生的表面張力使隔膜損壞或變形。
通常，為了方便和經濟地進行生產，是在一單個基板上形成多個傳感器，這些傳感器布置為矩陣形式並利用一分割鋸來分隔。然而，當分割所採用的水變幹時，會由於其表面張力的作用而使隔膜損壞或變形。為了避免該問題，如下所述，在該實施例中沒有用冷卻水之類的液體在單個基板上切割多個壓力傳感器。
假定在基板100上形成有多個布置成矩陣的相同的壓力傳感器。在圖1(f)所示的步驟中，在形成孔190的同時，於兩個相鄰壓力傳感器之間的基板100的底部腐蝕出一個切割凹槽。在圖1(g)所示的步驟之後，用一個附加的步驟對基板100施加機械壓力，使切割凹槽裂開，從而將壓力傳感器相互分開。
如上所述，固定電極111、固定電極引線112和固定電極下部連接端子113是由設置在基板100上的、摻雜劑量相對較低的第一導電層110形成。然而，採用摻雜較多的基板，就可以直接在基板上形成固定電極111、固定電極引線112和固定電極下部連接端子113，無需形成第一導電層110。然而，在這種情況下，寄生裝置的面積增大，即基板100的除固定電極111以外的導電部分增大，因而固定電極111的寄生電容增大。如果將固定電極111設置在電容測量電路的具有高阻抗的一端，將導致轉換器(即壓力傳感器)的增益下降。然而，可以通過在電容測量電路的高阻抗的一端設置可動電極161來避免上述問題。在這種情況下，在壓力傳感器的外表面呈現高阻抗，由壓力傳感器周圍物體產生的電力線將落在可動電極161上，從而檢測到不希望有的噪音信號，但這個問題可以通過在壓力傳感器周圍安裝一屏蔽罩殼來加以避免。
如上所述，該實施例的隔膜包括第一和第二隔膜層150和170以及夾設其間的第二導電層160。該結構的優點在於，第二導電層160沒有直接暴露於其壓力待測的氣體，並且便於調整隔膜的應力和熱膨脹係數。然而，隔膜也可以由第二導電層160與第一和第二導電層150和170的其中之一來組成。如果省略第一隔膜層150，形成在固定電極111上的第一絕緣層120可以防止可動電極161相對固定電極111形成短路。
第二隔膜層170是用絕緣材料製成，但也可以用導電材料製成，以便起到與第二導電層160和第三導電層180相同的作用。在這種情況下，必須使可動電極的輸出端子181與固定電極的輸出端子182相互電絕緣。
在該實施例中，是用幹腐蝕法將犧牲層140各向均勻地全部去除，但也可以在空腔141的內側壁上局部地留下一些犧牲層，以便沿著隔膜的外周提供機械強度均勻的支承，從而使整個隔膜的變形量變得均勻。這可以很方便地通過形成一個對準犧牲層140中心的通孔190，並控制幹腐蝕步驟的時間來實現。
如圖1(f)所示，孔190穿過第一絕緣層120的中心，但是穿過第一絕緣層120的工作也可以在如圖1(a)所示的第一絕緣層120的形成步驟中來進行。
如上所述，孔190是這樣形成的，即，用金屬掩膜或氧化矽掩膜覆蓋基板100的中心，藉助主要成分為六氟化硫且由等離子激勵的氣體對其進行腐蝕，這種腐蝕具有方向性，是沿垂直方向來形成孔190，但也可以採用另一種能各向均勻地形成孔190的幹腐蝕法。此外，還可以採用溼腐蝕法來形成孔190，即利用氮化矽掩膜和強鹼溶液，或者是氫氟酸和硝酸的混合物。採用強鹼溶液將導致在基板100上留下矽晶格的一個(111)晶面。因此，除了當採用能進行各向均勻腐蝕的氫氟酸和硝酸混合物的情況以外，需要將基板100的表面設定為(100)晶面或(110)晶面。
採用各向均勻腐蝕將導致基板100被水平和垂直地腐蝕，這樣會損害對孔190的靠近犧牲層140那一部分的直徑的控制能力，因而適於孔190的直徑大於基板100厚度的情況。在晶體取向腐蝕中，對基板100的水平腐蝕尤其取決於矽的晶體取向。因此，如果將基板100的晶體取向限定在(100)晶面上，則將會導致留下一個相對於基板100的表面成大約55°的晶面，因而需要較大尺寸的掩膜來形成孔190，其直徑與各向均勻腐蝕所形成的孔190相同。這意味著該晶體取向腐蝕不能適用於將在以下實施例中描述的於基板內形成多個通孔的情況。
圖2(h)示出了根據本發明第二實施例的壓力傳感器。圖2(a)至圖2(g)示出了其製造步驟。
根據該實施例的壓力傳感器與第一實施例的不同之處在於，第一導電層210是通過將導電材料沉積到形成於基板200整個上表面的第一絕緣層120上而形成的，在基板200的底部形成有多個通孔290。
該壓力傳感器包括由單晶矽材料製成的基板200、空腔141、第一絕緣層120、由具有高導電性的金屬製成的第一導電層210、由位於空腔141內的平面區域上的第一導電層210的一部分所形成的固定電極211、由位於空腔141上的第一隔膜層150之平面區域上的第二導電層160的一部分所形成的可動電極161、垂直伸入空腔141的通孔290、以及犧牲層140。
隔膜包括由絕緣材料製成的第一隔膜層150、第二導電層160、以及由絕緣材料製成的第二隔膜層170。
固定電極111通過固定電極引線212、固定電極下部連接端子213、以及固定電極連接孔172引至由第三導電層180的一部分形成的固定電極輸出端子182，固定電極引線212和固定電極下部連接端子213都是由第一導電層210的一部分形成。可動電極161通過由第二導電層160的一部分所形成的可動電極引線162、可動電極下部連接端子163、以及可動電極連接孔171引至由第三導電層180的一部分所形成的可動電極輸出端子181。
在製造該壓力傳感器時，如圖2(a)所示，用氧化矽在基板200的上表面上形成第一絕緣層。接著，將一種導電材料沉積到第一絕緣層120上而形成固定電極211、固定電極引線212、以及固定電極下部連接端子213。
如圖2(b)所示，在基板200的整個上表面上形成一個有機物層，例如聚醯亞胺，隨後，將該有機物層的周邊去除而形成圓形的犧牲層140。
如圖2(c)所示，在基板100的上表面上形成一個由氮化矽製成的第一隔膜層150。在第一隔膜層150上形成了由鉻製成的第二導電層160。將第二導電層160的預定部分去除而形成可動電極161、可動電極下部連接端子163、以及將可動電極161連接於可動電極下部端子163的可動電極引線162。
接著，如圖2(d)所示，在基板200的整個表面上形成一個由氮化矽製成的第二隔膜層170。
如圖2(e)所示，穿過第二隔膜層170，分別形成了延伸至固定電極下部連接端子213和可動電極下部連接端子163的孔。第三導電層180形成在第二隔膜層170的上方，隨後，將第三導電層180上的預定部分區域而形成可動電極輸出端子181和固定電極輸出端子182。可動電極輸出端子181通過可動電極連接孔171連接於可動電極下部連接端子163。固定電極輸出端子182通過固定電極連接孔172連接於固定電子下部連接端子213。
如圖2(f)所示，在基板200的底部設置了多個通孔290，它們以規定的間隔相互隔開，如圖所示的那樣透過第一絕緣層120和第一導電層210進入犧牲層140。各孔290是這樣形成的，即，利用主要成分為六氟化硫(SF6)且由等離子激勵的氣體來去除基板200的矽，隨後，利用氫氟酸之類的腐蝕液來去除第一絕緣層120的的氧化矽，並對第一導電層的材料進行腐蝕。
如圖2(g)所示，通過注射主要成分為氧且由等離子激勵的氣體來進行各向均勻的幹腐蝕，從而在第一導電層210與第一隔膜層150之間形成空腔141。從該附圖中清楚可見，可以通過對腐蝕時間加以控制而留下犧牲層140的外周部分，以便增大隔膜外周部分的機械強度。
上述各步驟中所用的材料和成形方法與第一實施例基本相同。具體地說，第一絕緣層120是用熱氧化法，或利用等離子CVD裝置在低溫下形成。與第二導電層160和第三導電層180一樣，第一導電層210是這樣形成的，即，藉助蒸著或濺射技術來形成鉻或鋁金屬層，再利用腐蝕劑去除未遮掩的部分。
犧牲層140是用有機材料製成，這種材料在幹腐蝕時很容易去除，並且能承受在形成第一和第二隔膜層150和170的下個步驟(例如等離子CVD工藝)時的環境溫度。
如上所述，基板200內的垂向通孔290是這樣形成的，即，藉助幹腐蝕法，利用其主要成分為六氟化硫(SF6)且由等離子激勵的氣體、以及金屬掩膜或氧化矽掩膜來實現。犧牲層140的去除過程是從犧牲層140的一部分開始各向均勻地或徑向地進行，包含在氧等離子體內的氧離子團通過各孔290之一施加於所述部分。要加快該步驟就需要增大通孔290在單位面積上的密度。因此，建議將每相鄰兩個通孔290布置成相互間隔。也可以將通孔290布置成一方形矩陣。
通常，填入空腔141的氣體(例如當藉助該壓力傳感器來測量壓力差時所採用的測量氣體或惰性氣體)可產生粘性阻滯，這樣就會對隔膜的移動產生不希望有的遲滯，但是這種粘性阻滯可以通過改變通孔290的數量來控制。因此，本實施例之壓力傳感器的結構可以增大對隔膜振動特性加以調節的自由度。
下面將描述根據第二實施例的壓力傳感器的測量值。空腔141的直徑和厚度分別是1800μm和5μm。通孔290的直徑和數量分別是100μm和50個。由第一和第二隔膜層150和170以及第二導電層160組成的隔膜的厚度是2μm。
由於該實施例的壓力傳感器的工作情況與第一實施例相同，因而不再贅述。
如上所述，第二隔膜層170可以由絕緣材料製成，但是也可以由導電材料製成，以便起到與第二導電層160和第三導電層180相同的作用。在這種情況下，需要使可動電極輸出端子181與固定電極輸出端子182電絕緣。
各孔290是在圖2(f)所示的步驟中穿過第一絕緣層120和第一導電層210而形成的，但是這樣的穿透也可以是在如圖2(a)所示的形成第一絕緣層120和第一導電層210的同時進行。
基板200是由矽製成，但也可以由允許形成垂直孔290的其它任何材料製成，因為它不像第一實施例那樣具有擴散層。
圖3(h)示出了根據本發明第三實施例的壓力傳感器。圖3(a)至圖3(g)示出了其製造步驟。
根據該實施例的壓力傳感器與第二實施例的不同之處僅在於，第二絕緣層330是形成在第一導電層210上，隔膜僅包括一由導電材料製成的隔膜層350。
該壓力傳感器包括由單晶矽材料製成的基板200、空腔141、形成在基板200上表面上的第一絕緣層120、由具有高導電性的金屬製成的第一導電層210、第二絕緣層330、由位於空腔141內的第一導電層210的一部分所形成的固定電極211、第一隔膜層350、由位於空腔141之上的第一隔膜層150的一部分所形成的可動電極351、垂直伸入空腔141的通孔290、以及犧牲層140。
固定電極211通過固定電極引線212、固定電極下部連接端子213、以及固定電極連接孔332引至由第三導電層180的一部分所形成的固定電極輸出端子182，固定電極引線212和固定電極下部連接端子213都是由第一導電層210的一部分形成。可動電極351通過由第一隔膜層350的一部分所形成的可動電極引線352和可動電極下部連接端子353引至由第三導電層180的一部分所形成的可動電極輸出端子181。
在製造該壓力傳感器時，如圖3(a)所示，首先是用氧化矽在基板200的上表面上形成第一絕緣層。接著，將一種導電材料沉積到第一絕緣層120上而形成固定電極211、固定電極引線212、以及固定電極下部連接端子213。
如圖3(b)所示，在基板200的整個上表面上形成一個由氧化矽製成的第二絕緣層330。
如圖3(c)所示，在第二絕緣層330的整個上表面上形成一有機物層，例如聚醯亞胺，隨後，將該有機物層的外周去除而形成圓形的犧牲層140。
如圖3(d)所示，第一隔膜層350是用鋁合金覆蓋在犧牲層140上形成的，隨後再將第一隔膜層350的若干預定部分去除而形成可動電極351、可動電極下部連接端子353、以及將可動電極351連接於可動電極下部端子353的可動電極引線352。
如圖3(e)所示，穿過第二絕緣層330，形成了一個延伸至固定電極下部連接端子213的孔。將第三導電層180形成在基板200的整個上表面上，隨後，將第三導電層180上的預定部分去除而形成覆蓋所述孔的可動電極輸出端子181和固定電極輸出端子182。
如圖3(f)所示，在基板200的底部設置了多個通孔290，從圖上看，它們穿過第一絕緣層120、第一導電層210和第二絕緣層330後進入犧牲層140。各孔290是這樣形成的，即，利用主要成分為六氟化硫(SF6)且由等離子激勵的氣體來去除基板200的矽，隨後，利用氫氟酸之類的腐蝕液來去除第一絕緣層120的氧化矽，利用合適的腐蝕液去除第一導電層210，利用氫氟酸之類的腐蝕液去除第二絕緣層330的氧化矽。
如圖3(g)所示，通過將主要成分為氧且由等離子激勵的氣體注入孔290來進行各向均勻的幹腐蝕來去除犧牲層140，從而在第二絕緣層330與第一隔膜層350之間形成空腔141。從圖中清楚可見，可以通過對腐蝕時間加以控制而留下犧牲層140的外周部分，以便增大隔膜外周部分的機械強度。
上述各步驟中所用的材料和成形方法與上述第二實施例基本相同，因而不再贅述。
第二絕緣層330是形成在第一導電層210上，但也可以將它直接設置在第一隔膜層350下方。在這種情況下，在犧牲層140形成之後，沉積一絕緣層，然後再形成第一隔膜層350。可以設置作為第二隔膜層的絕緣層，以便與第一隔膜層350一起形成隔膜。
第一隔膜層350是由鋁合金製成，但也可以由擴散有雜質的多晶矽材料製成，其機械性能和導電性使其足以用作隔膜。
各孔290是在圖3(f)所示的步驟中穿過第一絕緣層120、第一導電層210和第二絕緣層33而形成的，但是這樣的穿透也可以是在如圖3(a)和3(b)所示的形成第一絕緣層120、第一導電層210和第二絕緣層330的同時進行。
基板200是由矽製成，但也可以由允許通孔290垂直形成的其它任何材料製成。
圖4(h)示出了根據本發明第四實施例的壓力傳感器。圖4(a)至圖4(g)示出了其製造步驟。
根據該實施例的壓力傳感器是第一實施例的變型，它們的不同之處僅在於犧牲層140範圍內的每個層的一部分都呈波紋狀，以便調節該壓力傳感器對外加壓力的響應特性；將犧牲層140的外周部分留下來，以便增大由第一和第二隔膜層150和170以及第二導電層160組成之隔膜的外周部分的機械強度。其它方面都是一樣的，因而不再贅述。也可以將犧牲層140全部去除。
在製造該壓力傳感器時，使基板100的上表面受到幹腐蝕，以便在設有犧牲層140的中心區域內同軸地形成若干個淺凹槽405。凹槽405的深度可以是例如幾個μm。凹槽405可以這樣來形成，即，將一金屬掩膜或一氧化矽掩膜覆蓋在基板100的上表面上，然後用含有六氟化硫(SF6)且由等離子激勵的氣體對其進行腐蝕接下來的步驟與第一實施例基本相同。具體地說，如圖4(a)所示，將雜質輕微地擴散到基板100上表面的預定區域內，以形成固定電極111、固定電極引線112和固定電極下部連接端子113，然後在基板100的整個上表面上形成用氧化矽製成的第一絕緣層120。第一絕緣層120的厚度是1μm，該第一絕緣層120隨著凹槽405的圖案形成波紋狀。
如圖4(b)所示，在第一絕緣層120的整個表面上形成一例如聚醯亞胺之類的有機物層，隨後，將有機物層的外周去除而形成犧牲層140。在此過程中，犧牲層140的形成材料聚醯亞胺前體流入凹槽405，從而填平第一絕緣層120的表面，但它會在熱處理的作用下發生聚合而使其體積縮小50至70％，因而會在犧牲層140的上表面上形成比凹槽405略小的波紋。
如圖4(c)所示，將由氮化矽製成的第一隔膜層150形成在基板100上表面的上方。將由鉻製成的第二導電層160形成在第一隔膜層150上。將第二導電層160的預定部分去除，以形成可動電極161、可動電極下部連接端子163、以及將可動電極161連接於可動電極下部連接端子163的可動電極引線162。在第一隔膜層150和第二導電層160上形成隨著犧牲層140上的波紋圖案的波紋。
接著，如圖4(d)所示，將由氮化矽製成的第二隔膜層170形成在基板100的上表面上。在第二隔膜層170的表面上形成有與第二導電層160相吻合的波紋。
如圖4(e)所示，有若干個孔穿過第二隔膜層170分別延伸至固定電極下部連接端子113和可動電極下部連接端子163。第三導電層180形成在第二隔膜層170上，隨後，將第三導電層180的預定部分去除而形成可動電極輸出端子181和固定電極輸出端子182。
如圖4(f)所示，在基板100的底部中心形成有通孔190，其形成方式與第一實施例相同。
如圖4(g)所示，通過將主要成分為氧並由等離子激勵的氣體注入孔190，可以藉助幹腐蝕法各向均勻地去除犧牲層140，從而在第一絕緣層120與第一隔膜層150之間形成空腔141。通過控制腐蝕時間，可以將犧牲層140的外周部分留在隔膜的內周壁上。
如圖所示，由第一和第二隔膜層150和170以及第二導電層160組成的隔膜是隨著基板100上表面上凹槽405的圖案而成波紋狀。改變凹槽405的數量和/或尺寸，就可以調節隔膜的變形度(即隔膜柔性)，這對由可動電極161和固定電極111所組成的電容器在施加於隔膜的每個單位壓力作用下的電容變化有影響。可以在基板100上表面上形成多個波紋來代替同軸凹槽405。
圖5(h)示出了根據本發明第五實施例的變型，圖5(a)至圖5(g)示出了製造步驟的順序。
本實施例之壓力傳感器是第三實施例的壓力傳感器的變型，其與第三實施例的不同之處在於，隔膜是像第四實施例那樣形成為波紋狀。其它方面都與第三實施例相同，因而不再贅述。
在製造該壓力傳感器時，如圖5(a)所示，首先是用氧化矽在基板200的上表面上形成第一絕緣層。接著，將一種導電材料沉積到第一絕緣層120上而形成固定電極211、固定電極引線212、以及固定電極下部連接端子213。
如圖5(b)所示，在基板200的整個上表面上形成一個由氧化矽製成的第二絕緣層330。
如圖5(c)所示，在第二絕緣層330的整個上表面上形成一有機物層，例如聚醯亞胺，隨後，將該有機物層的外周去除而形成犧牲層140。接著，用一金屬掩膜覆蓋犧牲層140的上表面，然後採用幹腐蝕法，或採用藉助強鹼溶液的溼腐蝕法來形成同軸凹槽545，其深度為例如幾個μm。
如圖5(d)所示，第一隔膜層350是用鋁合金覆蓋在犧牲層140上形成的，隨後再將第一隔膜層350的若干預定部分去除而形成可動電極351、可動電極下部連接端子353、以及將可動電極351連接於可動電極下部端子353的可動電極引線352。第一隔膜層350是隨著犧牲層140上的凹槽545而成波紋狀。
如圖5(e)所示，穿過第二隔膜層330，形成了一個延伸至固定電極下部連接端子213的孔。將第三導電層180形成在基板200的整個上表面上，隨後，將第三導電層180上的預定部分去除而形成可動電極輸出端子181和固定電極輸出端子182。
如圖5(f)所示，在基板200的底部設置了多個通孔290，從圖上看，它們垂直地穿過第一絕緣層120、第一導電層210和第二絕緣層120後進入犧牲層140。各孔290是這樣形成的，即，利用主要成分為六氟化硫(SF6)且由等離子激勵的氣體來去除基板200的矽，隨後，利用氫氟酸之類的腐蝕液來去除第一絕緣層120的氧化矽，利用合適的腐蝕液去除第一導電層210，利用氫氟酸之類的腐蝕液去除第二絕緣層的氧化矽。
如圖5(g)所示，通過將主要成分為氧且由等離子激勵的氣體注入孔290來進行各向均勻的幹腐蝕，從而在第二絕緣層330與第一隔膜層350之間形成空腔141。從圖中清楚可見，可以通過對腐蝕時間加以控制而留下犧牲層140的外周部分，以便增大隔膜外周部分的機械強度。
如上所述，犧牲層140內的槽可以用幹或溼腐蝕法來形成，但也可以用與在第一實施例中形成犧牲層140相同的方式來形成。可以在犧牲層140內形成多個波紋或同軸環形凸起來代替凹槽545。環形凸起可以用下列步驟來實現。首先，藉助旋轉塗覆，利用聚醯亞胺前體在犧牲層140上形成一薄膜。接著，溶劑略微變幹。最後，將用來形成同軸凹槽的模具壓向薄膜。
雖然上面已結合較佳實施例對本發明進行了描述以便更好的理解，但應該明白，本發明也可以在不偏離其原理的情況以各種方式來實現。因此，本發明應該包含所有可能的實施例和對所述實施例的變型，只要它們落入由所附權利要求書限定的本發明的範圍內即可。
在第一至第五實施例中，可以在基板100或200內形成一個或多個凹槽，它們在空腔140內徑向地延伸至孔190或290，以便降低空腔140內的空氣粘度，從而便於空氣流入孔190或290。這樣就可以減小孔190或290的尺寸，或減少孔290的數量，從而使固定電極111或211的面積最大。例如，如圖6(h)中的虛線所示，在形成槽405的同時，可以通過在圖6(a)所示的第一步驟中形成相應的槽來形成八個在空腔140內沿徑向延伸至孔190的槽400，其形成方式與槽405相同。圖6(a)至圖6(h)示出了與圖4(a)至圖4(h)基本相同的步驟，因而不再贅述。在第一至第五實施例中，各凹槽400是用幹腐蝕或溼腐蝕的方法來形成，前者是採用主要成分為六氟化硫(SF6)且由等離子激勵的氣體以及金屬掩膜或氧化矽掩膜來進行，後者是採用強鹼溶液和氮化矽掩膜來進行。在溼腐蝕中採用強鹼溶液將導致在基板100或200的矽晶格內留下一(111)晶面。因此，必須在基板100或200的表面上呈現(100)晶面或(110)晶面。
如圖6(g)所示，可以在基板100的所有各層上形成圓形凹槽或波槽406，它們圍繞由第一、第二隔膜層150、170和第二導電層160組成的隔膜。從圖上看，各波槽406向下凸伸並嵌入相鄰凹槽，從而可以加強將隔膜支承在基板100的邊緣(即，圍繞隔膜的所有各層的周邊部分)的機械強度，這將增強隔膜相對於基板100表面的粘連。因此，可以使當隔膜受壓時產生的作用在隔膜周邊以及基板100表面上的剪切力所造成的隔膜移動程度變得最小。如圖6(a)所示，可以在形成405的同時，通過在基板100上形成圓形凹槽500來形成波槽406，其形成方式與凹槽405相同。也可以在第一至第五實施例中的任何一個實施例中形成波槽406。
基板100和200是由雜質濃度均勻的矽基板製成，但也可以採用這樣的基板，在該基板上預先形成有電路元件，包括可用來測量固定和可動電極之間的電容的檢測器。這樣就使導電層上用來接線的面積最小，從而減小寄生電容，提高檢測器對電容變化的靈敏度。
可以形成一覆蓋固定和可動電極的惰性絕緣層，以便使它們與周圍氣體絕緣。例如，可以將它設置在隔膜範圍內。然而，在這種情況下，必須考慮整個隔膜的機械強度。也可以形成覆蓋整個壓力傳感器的惰性絕緣層。
權利要求
1.一種壓力轉換器，包括一基板，它具有一第一表面和一與該第一表面相對的第二表面；一固定電極，它形成在所述基板的第一表面上；一隔膜，其外周部分連接於所述基板的第一表面，從而在所述基板的中部和所述固定電極之間形成一空腔，所述隔膜具有一通過所述空腔與所述固定電極相對的可動電極，該可動電極可以響應外加壓力而變形，以使所述可動電極與所述固定電極之間的距離作為外加壓力的函數來變化；以及一形成在所述基板內的孔，它從所述第二表面延伸至所述空腔。
2.如權利要求1所述的壓力轉換器，其特徵在於，它還包括形成在所述基板內並從所述第二表面延伸至所述空腔的若干個孔，這些孔是布置成這樣，即，每兩個相鄰的孔以一定的間隔分開設置。
3.如權利要求1所述的壓力轉換器，其特徵在於，所述隔膜是波紋形的。
4.如權利要求3所述的壓力轉換器，其特徵在於，所述隔膜具有多個同軸形成的波形部分。
5.如權利要求1所述的壓力轉換器，其特徵在於，它還包括一形成在所述基板的第一表面內的凹槽，該凹槽處在空腔範圍內，並通向所述孔。
6.如權利要求1所述的壓力轉換器，其特徵在於，它還包括一設置在所述空腔內的隔膜支承件，該支承件與所述隔膜的外周部的內壁接觸。
7.如權利要求1所述的壓力轉換器，其特徵在於，所述基板是由具有若干個集成電路元件的半導體基板製成，所述集成電路元件可以形成一個用來測量所述固定與可動電極之間電容的檢測器。
8.如權利要求1所述的壓力轉換器，其特徵在於，所述隔膜是用無機材料製成。
9.如權利要求8所述的壓力轉換器，其特徵在於，所述無機材料是矽與氧或氮的化合物。
10.如權利要求1所述的壓力轉換器，其特徵在於，所述隔膜具有一形成在其周邊部分的波形部分，該波形部分延伸至所述基板的第一表面，以便加強所述隔膜與所述基板第一表面的粘連。
11.如權利要求1所述的壓力轉換器，其特徵在於，所述基板具有一形成在其第一表面的凹槽，所述隔膜的外周部分伸入所述凹槽，以便加強所述隔膜與所述基板第一表面的粘連。
12.一種用來製造壓力轉換器的方法，包括如下步驟製備一具有一第一表面和一與該第一表面相對的第二表面的基板；在所述基板的第一表面上形成一固定電極；在所述固定電極上形成一犧牲層；在所述犧牲層上形成一個由絕緣材料製成的隔膜層；在所述基板內形成一個從所述基板的第二表面延伸至所述犧牲層的孔；以及藉助幹腐蝕法，將氣體注入所述孔以去除所述犧牲層而形成一空腔，以使所述隔膜層可響應外加壓力而發生變形。
13.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，它還包括如下步驟在所述基板的第一表面上形成至少一個波形部分。
14.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，它還包括如下步驟在所述犧牲層的一個表面上形成至少一個波形部分。
15.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述基板是由具有若干個集成電路元件的半導體基板製成，所述集成電路元件可以形成一個用來測量所述固定與可動電極之間電容的檢測器。
16.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述隔膜是用無機材料製成，而所述犧牲層是用有機材料製成。
17.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述隔膜是由一種矽與氧或氮的化合物製成的。
18.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述犧牲層是用聚醯亞胺製成。
19.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述犧牲層的去除工作是藉助幹腐蝕法，利用氧等離子來實現的。
20.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述氣體注入步驟是這樣的，即，在去除所述犧牲層時留下所述犧牲層的外周部分。
21.一種用來製造壓力轉換器的方法，包括如下步驟製備一具有一第一表面和一與該第一表面相對的第二表面的基板；在所述基板的第一表面上形成一固定電極；在所述固定電極上形成一絕緣層；在所述絕緣層上形成一犧牲層；在所述犧牲層上形成一個由導電材料製成的隔膜層；在所述基板內形成一個從所述基板的第二表面延伸至所述犧牲層的孔；以及藉助幹腐蝕法，將氣體注入所述孔以去除所述犧牲層而形成一空腔，以使所述隔膜層可響應外加壓力而發生變形。
22.如權利要求19所述的方法，其特徵在於，它還包括如下步驟在所述基板的第一表面上形成至少一個波形部分。
23.如權利要求19所述的方法，其特徵在於，它還包括如下步驟在所述犧牲層的一個表面上形成至少一個波形部分。
24.如權利要求19所述的方法，其特徵在於，所述基板是由具有若干個集成電路元件的半導體基板製成，所述集成電路元件可以形成一個用來測量所述固定與可動電極之間電容的檢測器。
25.如權利要求19所述的方法，其特徵在於，所述隔膜是用無機材料製成，而所述犧牲層是用有機材料製成。
26.如權利要求19所述的方法，其特徵在於，所述隔膜是用由矽與氧或氮的化合物製成的。
27.如權利要求19所述的方法，其特徵在於，所述犧牲層是用聚醯亞胺製成。
28.如權利要求19所述的方法，其特徵在於，所述犧牲層的去除工作是藉助幹腐蝕法，利用氧等離子來實現的。
29.如權利要求19所述的方法，其特徵在於，所述氣體注入步驟是這樣的，即，在去除所述犧牲層時留下所述犧牲層的外周部分。
30.一種採用單塊基板來製造多個壓力傳感器的方法，包括如下步驟製備一具有一第一表面和一與該第一表面相對的第二表面的單塊基板；在所述基板的第一表面上形成若干個固定電極；在每個所述固定電極上形成一犧牲層；在每個所述犧牲層上形成一由絕緣材料製成的隔膜層；在所述基板內形成一個從所述基板的第二表面延伸至每個所述犧牲層的孔；在相鄰的兩個壓力轉換器之間形成一切割槽，以便將各壓力傳感器相互分開；以及藉助幹腐蝕法，將氣體注入所述孔以去除所述犧牲層而形成一空腔，以使所述隔膜層可響應外加壓力而發生變形。
全文摘要
本發明涉及一種用於將施加於隔膜的靜壓或動壓轉換成相應電信號的壓力轉換器及其製造方法。該轉換器包括一形成在一基板上表面上的固定電極和一通過一空腔設置在固定電極上方的可動電極。在基板的底部形成有至少一個孔,藉助幹腐蝕法,利用該孔,可以在製造過程去除介於隔膜和基板上表面之間的犧牲層,從而形成所述空腔。
文檔編號G01L9/00GK1247386SQ99110158
公開日2000年3月15日 申請日期1999年6月30日 優先權日1998年6月30日
發明者池田雅春, 江刺正喜 申請人:松下電器產業株式會社