本發(fā)明屬于硅微機(jī)械傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種利用單晶硅材料，基于硅硅鍵合的高精度壓力傳感器的制造方法。

背景技術(shù)：

壓阻式壓力傳感器作為微機(jī)械加工技術(shù)獲得巨大成功的典型代表，在工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)控和測量、汽車系統(tǒng)、航空航天、軍事、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。壓阻式壓力傳感器敏感芯片采用單晶硅材料，利用微電子和微機(jī)械加工融合技術(shù)制作，具有線性度好、信號易于測量等特點(diǎn)。但是由于壓阻式傳感器壓敏電阻本身的溫度特性以及封裝結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使其不僅對待測應(yīng)力敏感，還對熱應(yīng)力、封裝應(yīng)力敏感。目前，硅壓阻壓力傳感器核心部件一般都是由硅和玻璃組成的微結(jié)構(gòu)，由于玻璃和硅為異質(zhì)材料，其特性存在差異，因材料的熱不匹配在封裝過程中勢必引入封裝應(yīng)力，而傳感器的敏感區(qū)域的任何形式的應(yīng)力都會對傳感器的精度、溫漂、靜壓影響乃至穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，對于高精度MEMS傳感器而言，這種由于封裝材料與MEMS傳感器芯片的熱膨脹系數(shù)失配造成的熱應(yīng)力對傳感器的精度影響很大，會導(dǎo)致最終形成的傳感器溫漂和靜壓影響都比較大，使測量精度降低，因此，為了提高傳感器的精度和抑制溫度漂移和靜壓影響，減小在封裝過程中由于熱不匹配帶來的熱應(yīng)力及封裝應(yīng)力，對MEMS加工工藝提出了新的考驗(yàn)，而硅硅鍵合技術(shù)是通過化學(xué)和物理的作用將硅片與硅片、氧化層等材料緊密連接在一起形成一個整體的方法，它以同質(zhì)材料替代異質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)器件的封裝，能顯著的減小封裝應(yīng)力，并能有效的解決了上述關(guān)鍵技術(shù)問題，在高精度傳感器的制造中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在微機(jī)械加工中占有重要的地位。

專利號為CN201410329796.5中公開了一種集成溫度的高性能壓力傳感器及制造方法，包括對SOI硅片熱氧化，形成薄氧化層，然后LPCVD淀積低應(yīng)力氮化硅；在SOI硅片背面進(jìn)行光刻，濕法腐蝕出壓力敏感膜，并在壓力敏感膜區(qū)域處形成空腔；去除SOI硅片上的氮化硅和氧化硅；對單晶硅襯底硅片進(jìn)行熱氧化，并在背面上光刻，腐蝕出對準(zhǔn)標(biāo)記，去除氧化層；對SOI硅片和單晶硅襯底進(jìn)行硅硅鍵合，使SOI硅片上的空腔形成密封空腔；對SOI硅片頂層硅進(jìn)行離子注入，并進(jìn)行光刻、刻蝕、形成8個摻雜單晶硅體電阻；濺射金屬，并光刻、腐蝕，形成金屬導(dǎo)線，連接各體電阻，形成測量電路，實(shí)現(xiàn)同時測量壓力與溫度，而且克服壓力傳感器在高溫下PN結(jié)反向漏電流造成器件性能惡化的缺點(diǎn)。

該專利給出集成溫度的高性能壓力傳感器的制造方法，先在硅片背面濕法腐蝕出壓力敏感膜，再和單晶硅襯底進(jìn)行硅硅鍵合，形成絕壓密封腔，最后在硅片頂層硅上制作壓敏電阻，金屬導(dǎo)線等。其特點(diǎn)是襯底硅片無孔，和上層SOI敏感硅片硅硅鍵合后形成的是絕壓密封腔，因此只能用于絕壓測量，無法實(shí)現(xiàn)表壓和差壓測量。該專利中先對頂層硅濕法腐蝕出膜區(qū)后再加工壓敏電阻，真空腔的存在及后部工序都可能造成較薄的膜片變形，對敏感電阻的光刻精度及外觀尺寸的精確控制都可能帶來影響。

專利號為CN200810036214.9中公開了一種硅硅鍵合的絕緣體上硅的高溫壓力傳感器芯片及制作方法，其特征在硅襯底上的淺槽和導(dǎo)氣孔都是通過各項(xiàng)異性腐蝕形成，通過腐蝕時間獲得適當(dāng)?shù)臏\槽深度可以實(shí)現(xiàn)器件的過壓保護(hù)。將襯底與倒扣的SOI片進(jìn)行鍵合，對SOI片的背面進(jìn)行減薄和拋光后，在剩余的頂層硅上制備力敏電阻。由于采用SOI的氧化埋層來實(shí)現(xiàn)敏感元件和彈性元件的隔離，器件在高溫環(huán)境下仍能正常工作。

該專利先采用各項(xiàng)異性腐蝕在硅襯底上形成淺槽和導(dǎo)氣孔，之后將襯底硅和頂層硅實(shí)現(xiàn)硅硅鍵合，再對頂層硅進(jìn)行減薄和化學(xué)機(jī)械拋光，最后在頂層硅上制備壓敏電阻及金屬引線。該專利中先對頂層硅減薄加工應(yīng)力膜區(qū)后再加工壓敏電阻，后部工序可能造成薄膜片變形，對敏感電阻的光刻精度及外觀尺寸的精確控制都可能帶來影響。另外底層硅通孔的存在，使得壓敏電阻和金屬引線的制作更多的局限于干法制作，限制了光刻、清洗、濕法化學(xué)腐蝕等常規(guī)的操作工藝實(shí)施，否則有機(jī)溶劑、腐蝕液等會通過導(dǎo)氣孔進(jìn)入密封腔，導(dǎo)致對傳感器微結(jié)構(gòu)的影響。這種制造方法存在著工藝難度大，設(shè)備要求高，和常規(guī)半導(dǎo)體平面工藝兼容性差等問題。

基于硅硅鍵合技術(shù)的壓力傳感器，多是絕壓型結(jié)構(gòu)，即在硅硅鍵合片之間形成真空腔，鍵合后的敏感芯片可實(shí)現(xiàn)絕壓測量。而對于具有更加廣泛應(yīng)用的表壓型及差壓型傳感器，需要鍵合底硅帶通孔，該通孔的存在為硅硅鍵合后的后部工藝實(shí)施帶來了很大的限制，一些常規(guī)的工藝手段難以實(shí)施。另外，基于硅硅鍵合的傳感器通常采用的先進(jìn)行頂層硅減薄加工成應(yīng)力膜區(qū)，之后再加工壓敏電阻，真空腔的存在及后部工序都可能造成較薄的膜片變形，敏感電阻的光刻精度及外觀尺寸的精確控制都可能帶來影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種利用單晶硅材料，基于硅硅鍵合技術(shù)制作的高精度壓力傳感器。

1、本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種基于硅硅鍵合的壓力傳感器，它包括有敏感硅片層及襯底硅片層，其特征是：敏感硅片層結(jié)構(gòu)如下：凹形敏感硅片層的上表面設(shè)置有隔離層，隔離層上表面設(shè)置有焊盤、金屬引線、屏蔽層、襯底焊盤，隔離層下表面設(shè)置有N+隔離區(qū)、P+連結(jié)區(qū)和壓敏電阻，屏蔽層與N+隔離區(qū)通過引線孔連通，焊盤與金屬引線連結(jié)在一起，金屬引線與P+連結(jié)區(qū)通過引線孔連通，P+連結(jié)區(qū)之間設(shè)置有壓敏電阻，凹形敏感硅片層的底部設(shè)置有截面為倒凹字形的硅杯，該硅杯區(qū)域?yàn)閴毫δて幻舾泄杵瑢拥墓璞谂c襯底硅片層鍵合在一起，襯底硅片層的中心位置制備有導(dǎo)壓通孔。

本發(fā)明還包括有：所述壓敏電阻和P+連接區(qū)外側(cè)隔離有一圈N+隔離區(qū)層。

本發(fā)明目的還包括：基于硅硅鍵合的壓力傳感器的加工方法,具體制備過程包括以下步驟：

(1)清洗敏感硅片，清洗液如下：

SPM（硫酸過氧化氫混合液）：H2SO4:H2O2=4:1

RCA1（1號液）：NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5

RCA2（2號液）：HCL:H2O2:H2O=1:1:6；

(2)在敏感硅片層單晶硅材料上生長氧化層；

(3)使用光刻、擴(kuò)散濃磷或注入使氧化層上形成N+隔離區(qū)；光刻、注入濃硼形成P+連接區(qū)；

(4)用離子注入工藝形成壓敏電阻；

(5)生長氧化隔離層；

(6)腐蝕背腔制作出硅杯；

(7)清洗襯底硅片，清洗液同步驟1；

(8)氧化，在襯底硅片上形成掩蔽膜；

(9)光刻，在襯底硅片上刻出腐蝕窗口；

(10) 在襯底硅片上腐蝕盲孔；

(11) 清洗敏感硅片、襯底硅片，清洗液同步驟1；

(12) 采用等離子體處理，對硅片表面進(jìn)行進(jìn)一步清洗和表面活化，活化參數(shù)：O2：300 ml/min；N2：300 ml/min；射頻功率:300W；曝光時間：3min；

(13) 預(yù)鍵合：真空度： 5×10-4Pa；鍵合溫度：420℃～450℃；鍵合時間：0.5hr升溫至420℃～450℃，恒溫2hr，然后2.5hr降至室溫；鍵合壓力：2000mbar；

(14) 退火；隨爐升溫至1100℃，保溫2hr，停止加熱等待自然冷卻至室溫，退火過程中N2保護(hù)；

(15) 形成硅硅鍵合絕壓腔體；

(16) 在敏感硅片層采用光刻制出引線孔；

(17) 濺射金屬、光刻形成引線及焊盤；

(18) 合金化形成芯片內(nèi)部的電氣連接；

(19) 濺射金屬、光刻形成屏蔽層；

(20) 深反應(yīng)離子刻蝕（或機(jī)械研磨）將襯底硅片減薄直至盲孔通透，加工成導(dǎo)壓通孔，形成壓力傳感器微結(jié)構(gòu)；

(21) 芯片中測，檢測敏感電阻、擊穿、漏電、表面質(zhì)量；

(22) 劃片后即為加工完成的基于硅硅鍵合壓力傳感器成品。

本發(fā)明還包括襯底硅片層中心先腐蝕盲孔，再進(jìn)行硅硅鍵合，形成絕壓腔體；之后再在敏感硅片層上制作金屬引線及焊盤。

本發(fā)明在金屬引線及焊盤制備完成后，采用深反應(yīng)離子刻蝕或機(jī)械減薄加工工藝將襯底硅片減薄，直至盲孔通透，加工成導(dǎo)壓通孔，形成壓力傳感器微結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的襯底硅片導(dǎo)壓通孔的制作，先形成盲孔，在整體平面工藝制作完成后，最終形成導(dǎo)壓通孔。

在敏感硅片層加工時，先加工敏感電阻，后腐蝕膜區(qū)。

本發(fā)明針對現(xiàn)有硅壓阻壓力傳感器核心部件，提出了一種新的設(shè)計及工藝實(shí)現(xiàn)方案。其特點(diǎn)是壓力傳感器的敏感硅片層及襯底硅片層都采用具有良好力學(xué)性能的單晶硅材料制作；首先在硅硅鍵合前，采用通用的半導(dǎo)體平面工藝在敏感硅片層制作壓敏電阻、P+連接區(qū)、N+隔離區(qū)及氧化隔離層，之后采用化學(xué)腐蝕的方法在敏感硅片層背面腐蝕出硅杯，形成應(yīng)力膜片；再進(jìn)行敏感硅片層和襯底硅片層的硅硅鍵合；在完成硅硅鍵合的雙層結(jié)構(gòu)敏感硅片層上采用濺射、光刻、腐蝕、合金化等工藝制備金屬電極；最后在完成了硅硅鍵合及整體平面工藝制作的襯底硅片層上采用深反應(yīng)離子刻蝕或機(jī)械減薄的方法將襯底硅片的盲孔加工成導(dǎo)壓通孔，形成傳感器的微結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明制造方法的積極效果是：

1、在硅硅鍵合前，采用通用的半導(dǎo)體平面工藝在敏感硅片層完成壓敏電阻、P+連接區(qū)、N+隔離區(qū)等主體工藝制作，之后采用化學(xué)腐蝕的方法在敏感硅片層背面腐蝕出硅杯，形成應(yīng)力膜片，和現(xiàn)有半導(dǎo)體平面工藝完全兼容，原始硅片未經(jīng)減薄就完成了主體工藝制作，變形小，保證了光刻等精加工控制精度，且工藝操作簡單、方便，加工工藝不受任何約束與限制，大大地降低了工藝加工難度；

2、本發(fā)明通過硅硅鍵合工藝實(shí)現(xiàn)氣密性連接，形成“硅-硅”同質(zhì)材料結(jié)構(gòu)的壓力密封腔，避免了常規(guī)壓力傳感器“硅-玻璃”異質(zhì)材料結(jié)構(gòu)的壓力密封腔由于兩種不同材料特性的差異對傳感器性能帶來的各類影響，有效地減小靜壓誤差，降低傳感器的溫漂，提高傳感器的綜合精度。

3、本發(fā)明方案中，先將已完成敏感電阻制作的敏感硅片層和襯底硅片層進(jìn)行硅硅鍵合，然后再在敏感硅片層制備金屬電極，由于此時的襯底硅片的導(dǎo)壓孔呈盲孔狀態(tài)，避免了電極制備過程中顯影、濕法腐蝕等常規(guī)工藝中有機(jī)溶劑及酸性溶液進(jìn)入杯孔，導(dǎo)致對傳感器微結(jié)構(gòu)帶來影響。待金屬電極制備完成，最后采用深反應(yīng)離子刻蝕或機(jī)械減薄加工工藝將襯底硅片的導(dǎo)壓盲孔加工成通孔，形成了壓力傳感器微結(jié)構(gòu)，這種制造方法不僅使傳感器的整體制作工藝可以按常規(guī)通用工藝進(jìn)行，大大降低工藝難度，而且可實(shí)現(xiàn)了基于硅硅鍵合的壓力傳感器的表壓及差壓測量。方法便捷、行之有效。

4、本發(fā)明方案中，敏感硅片采用的創(chuàng)新工藝方法，在芯片上的四個壓敏電阻周圍制備獨(dú)立的N+隔離區(qū)，能有效增加敏感電阻之間對PN結(jié)隔離效果，降低外電場對敏感電阻的干擾影響，提升傳感器的穩(wěn)定性；采用先注入或擴(kuò)散形成N+隔離區(qū)，再注入P+連結(jié)區(qū)，再注入敏感電阻，有效的避免了N+、P+工藝中的高溫過程對敏感電阻的影響，對敏感硅片的一致性、穩(wěn)定性有非常有利的保障；屏蔽層做到完全覆蓋敏感電阻、P+連結(jié)區(qū)，并通過引線孔與N+隔離區(qū)連通，敏感電阻處于等電位的屏蔽層及襯底之間，有效避免外界電場對敏感電阻對干擾，提升敏感電阻工作時的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

本發(fā)明具有設(shè)計新穎、工藝獨(dú)特、結(jié)構(gòu)合理、測量精度高、推廣應(yīng)用價值高等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于硅硅鍵合高精度壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意簡圖；

圖2敏感硅片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是襯底硅片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是硅硅鍵合后形成傳感器絕壓腔體示意圖；

圖5是在敏感硅片上制作金屬電極及壓焊點(diǎn)示意圖；

圖6是制作導(dǎo)壓通孔形成最終傳感器微結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖中主要部件說明：1：硅襯底，2：壓敏電阻，3：P+連結(jié)區(qū)，4：N+隔離區(qū)，5：隔離層，6：引線孔，7：金屬引線，8：焊盤，9：屏蔽層，10：壓力膜片，11：硅杯，12：襯底焊盤，13：襯底硅片，14：導(dǎo)壓通孔，15：襯底盲孔。

下面將結(jié)合附圖通過實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但下述的實(shí)例僅僅是本發(fā)明其中的例子而已，并不代表本發(fā)明所限定的權(quán)利保護(hù)范圍，本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。

實(shí)施例1

如圖1所示，本發(fā)明的壓力傳感器包括敏感硅片層1及襯底硅片層13，敏感硅片層1背面連接有襯底硅片層13，敏感硅片層1和襯底硅片層13采用硅硅鍵合工藝形成壓力密封腔。

如圖1和圖2所示，所述敏感硅片層以單晶硅材料為基體，在芯片表面設(shè)置有壓力膜片10，在壓力膜片下有凹形硅杯11，壓力膜片上設(shè)置有壓敏電阻2；壓敏電阻2分為兩段由P+連結(jié)區(qū)3相連的電阻組成，壓敏電阻2通過P+連結(jié)區(qū)3連接到引線孔6，P+連結(jié)區(qū)3的引線孔6上方設(shè)置有金屬引線7，金屬引線7與焊盤8連結(jié)在一起；壓敏電阻2周邊均設(shè)置有N+隔離區(qū)4，P+連結(jié)區(qū)3與N+隔離區(qū)4之間帶有空隙，N+隔離區(qū)4上方設(shè)置有一個引線孔6；壓敏電阻2、P+連結(jié)區(qū)3、N+隔離區(qū)4上面有隔離層5，在隔離層5上面設(shè)置有屏蔽層9。壓力膜片10下方對應(yīng)位置為硅杯11；硅襯底1通過N+擴(kuò)散區(qū)、引線孔、金屬引線連接到襯底焊盤12。

所述襯底硅片層13同樣以單晶硅材料為基體，在其中心有采用MEMS工藝加工的特定深度的盲孔15，是敏感硅片層的支撐體，如圖3所示。

敏感硅片層1和襯底硅片層13采用硅硅鍵合工藝形成絕壓密封腔，如圖4，之后在硅敏感硅片層上制作金屬電極及壓焊點(diǎn)，如圖5；最后采用深反應(yīng)離子刻蝕工藝減薄襯底硅片直至通透襯底硅片層中心盲孔15形成導(dǎo)壓通孔14，至此，完成壓力傳感器微結(jié)構(gòu)的制作，如圖6。

其工藝流程如下：

1、清洗敏感硅片，清洗液如下（步驟1～6：如圖2所示）：

SPM（硫酸過氧化氫混合液）：H2SO4:H2O2=4:1

RCA1（1號液）：NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5

RCA2（2號液）：HCL:H2O2:H2O=1:1:6

2、在敏感硅片層單晶硅材料上生長氧化層；

2、使用光刻、擴(kuò)散濃磷或注入使氧化層上形成N+隔離區(qū)；

3、光刻、注入濃硼形成P+連接區(qū)；

4、用離子注入工藝形成壓敏電阻；

5、生長氧化隔離層；

6、腐蝕背腔制作出硅杯；

7、清洗襯底硅片，清洗液同步驟1；（步驟7～10：如圖3所示）

8、氧化，在襯底硅片上形成掩蔽膜；

9、光刻，在襯底硅片上刻出腐蝕窗口；

10、在襯底硅片上腐蝕盲孔；

11、清洗敏感硅片、襯底硅片，清洗液同步驟1；（步驟11～14：如圖4所示）

12、采用等離子體處理，對硅片表面進(jìn)行進(jìn)一步清洗和表面活化;

活化參數(shù)：O2：300 ml/min；N2：300 ml/min；射頻功率:300W；曝光時間：3min

13、預(yù)鍵合：

真空度： 5×10-4Pa；鍵合溫度：420℃～450℃；鍵合時間：0.5hr升溫至420℃～450℃，恒溫2hr，然后2.5hr降至室溫；鍵合壓力：2000mbar；

14、退火；

隨爐升溫至1100℃，保溫2hr，停止加熱等待自然冷卻至室溫，退火過程中N2保護(hù)，至此形成硅硅鍵合的絕壓腔體。

15、在敏感硅片層采用光刻制出引線孔；（步驟15～18：如圖5所示）

16、濺射金屬、光刻形成引線及焊盤；

17、合金化形成芯片內(nèi)部的電氣連接；

18、濺射金屬、光刻形成屏蔽層；

19、深反應(yīng)離子刻蝕（或機(jī)械研磨）將襯底硅片減薄，加工成導(dǎo)壓通孔，形成壓力傳感器微結(jié)構(gòu)。（步驟19：如圖6所示）

20、芯片中測，檢測敏感電阻、擊穿、漏電、表面質(zhì)量；

21、劃片

22、完成基于硅硅鍵合壓力傳感器加工。