一种MEMS压阻式加速度传感器及其制造方法技术

一种MEMS压阻式加速度传感器及其制造方法。本发明专利技术提供了一种基于阳极键合封装的MEMS压阻式加速度传感器，所述的传感器具有第一键合玻璃-硅基-第二键合玻璃三明治结构；所述硅基通过采用表面微加工技术与体微加工技术制造带有淡硼扩散压阻的悬臂梁作为压阻式加速度传感器结构，并且利用二次阳极键合技术进行圆片级封装，第一次阳极键合采用硅-玻璃阳极键合，第二次阳极键合利用非晶硅-玻璃阳极键合技术的封装解决了传统硅-玻璃阳极键合过程中容易击穿硅表面PN结和产生离子污染等缺点；本发明专利技术传感器结构新颖、重量轻、体积小、稳定性好、抗污染能力强、可靠性好，在航空航天、军事、汽车、环境监测等领域具有一定的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS压阻式加速度传感器及其制造方法 (一）
本专利技术涉及MEMS (微机电系统）传感器领域中的加速度传感器及其制造方法，具 体涉及一种基于阳极键合封装的MEMS压阻式加速度传感器及其制造方法。 (二）
技术介绍
MEMS加速度传感器由于体积小、质量轻、成本低、可靠性高等优点，在航空航天、环 境监测、军事、汽车等领域备受关注，尤其对器件体积、质量及可靠性有很高要求的航空航 天及兵器科学领域有很大的应用前景。MEMS压阻式加速度传感器体积小，频率范围宽，测 量加速度的范围也宽，直接输出电压信号，相比电容式加速度传感器，不需要复杂的电路接 口，大批量生产时价格低廉，可重复生产性好，可直接测量连续的加速度和稳态加速度。然 而，应用环境的复杂和恶劣导致MEMS加速度传感器的可靠性逐渐成为器件设计时主要考 虑的问题之一，传感器长期稳定性和可靠性对于器件应用来说非常重要。基于此，有必要发 明一种MEMS压阻式加速度传感器芯片，以保证加速度传感器在应用时的稳定性与可靠性。 (三）
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于阳极键合封装技术、表面微加工、体微加工工艺的 MEMS压阻式加速度传感器芯片，以保证加速度传感器在应用时的可靠性。 为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案： -种基于阳极键合封装的MEMS压阻式加速度传感器，所述的传感器具有第一键 合玻璃-硅基-第二键合玻璃三明治结构；所述的硅基内部形成有压阻式加速度传感器悬 臂梁，硅基的正面形成有压阻式加速度传感器的压阻区域，所述压阻式加速度传感器的压 阻区域位于压阻式加速度传感器悬臂梁的上表面根部，并且注入有淡硼形成4根淡硼扩散 压阻，同时淡硼扩散压阻的内部注入有浓硼形成浓硼欧姆接触区，所述压阻式加速度传感 器压阻区域的上方沉积有二氧化硅层，二氧化硅层上方沉积有第一氮化硅层，所述的二氧 化硅层和第一氮化硅层一起作为绝缘钝化层，所述的绝缘钝化层开有引线孔，利用金属导 线连通压阻区域，并且压阻式加速度传感器压阻区域的4根淡硼扩散压阻通过金属导线构 成惠斯顿全桥连接，所述金属导线的上方沉积有第二氮化硅层，所述第二氮化硅层的上方 沉积有非晶硅，并且，利用非晶硅作为台阶，所述的非晶硅与第一键合玻璃键合后形成一个 真空腔体，所述硅基的正面还形成有浓硼导线，所述浓硼导线的上方连接有金属管脚，浓硼 导线将传感器工作区与金属管脚连通，所述硅基的背面与第二键合玻璃阳极键合。 本专利技术MEMS压阻式加速度传感器，优选所述的硅基为η型（100)硅片；优选所述 第二氮化硅层的上方沉积的非晶硅的厚度为2?4 μ m。 本专利技术MEMS压阻式加速度传感器的工作原理如下：本专利技术MEMS压阻式加速度传 感器主要基于硼掺杂后单晶硅的压阻特性，压阻式加速度传感器悬臂梁上的淡硼扩散压阻 受到力的作用后，电阻率发生变化，通过惠斯顿全桥可以得到正比于力变化的电信号输出， 通过测量电信号输出就能知道所测物理量的大小。本专利技术中我们向N型（100)晶向硅片注 入硼来实现P型压阻，利用PN结实现压阻的隔绝，由于压阻的压阻系数的各向异性，不同方 向的应力对压阻有不同的影响，为了尽可能增加灵敏度，本专利技术所述的MEMS压阻式加速度 传感器压阻区域的淡硼扩散压阻的排布方式为：纵向沿硅基的（1，1，〇)晶向方向、横向沿 硅基的（1，_1，〇)晶向方向分布，纵向压阻系数、横向压阻系数分别为71. 8,-66. 3。 本专利技术所述的MEMS压阻式加速度传感器为双悬臂梁设计，所述压阻式加速度传 感器压阻区域的淡硼扩散压阻为4组，每组由两个平行的淡硼扩散压阻组成，其中两组对 桥臂淡硼扩散压阻对称分布在悬臂梁上表面根部的应力集中区域，另外两组淡硼扩散压阻 对称分布在零应力区。当然，根据不同的灵敏度需要也可以采用不同的悬臂梁结构，如单边 单梁、双边双梁、双边四梁、四边四梁、四边八梁等。并且，所述的淡硼扩散压阻也可以采用 不同的分布方式，4组淡硼扩散压阻（可以是4根，也可以8根对折型等）通过金属导线连 接构成惠斯顿全桥，本专利技术压阻式加速度传感器金属管脚的一种连接方式为：第一管脚接 压阻式加速度传感器输出负，第二管脚接地，第三管脚接压阻式加速度传感器输出正，第四 管脚接电源正极。 本专利技术还提供了一种所述的MEMS压阻式加速度传感器的制造方法，所述的制造 方法按如下步骤进行： a)取硅片作为硅基，双面抛光，清洗，正面热氧长一层二氧化硅保护层，正面光刻 胶作掩膜光刻出压阻式加速度传感器的压阻区域，然后在压阻区域注入淡硼，形成淡硼扩 散压阻，去除光刻胶； b)正面光刻胶作掩膜光刻出浓硼导线区域，并在淡硼扩散压阻区域光刻出浓硼欧 姆接触区，然后注入浓硼，形成硅基内部的浓硼导线，并在淡硼扩散压阻内部形成浓硼欧姆 接触区，去除光刻胶，退火； c)先双面沉积二氧化硅层，再双面沉积氮化硅层，正面的二氧化硅层和氮化硅层 一起作为绝缘钝化层； d)正面光刻胶作掩膜光刻出引线孔，干法反应离子刻蚀（RIE)刻蚀绝缘钝化层至 硅基顶面，去除光刻胶，形成引线孔； e)正面沉积金属导线层，正面光刻胶作掩膜光刻出金属导线及管脚图形，腐蚀没 有光刻胶覆盖区域的金属，去除光刻胶，合金化处理，形成金属导线及金属管脚； f)正面沉积一层氮化硅覆盖金属导线，隔绝外界与电路，保护芯片电学性能； g)正面光刻胶作掩膜光刻出分片槽图形，干法RIE刻蚀氮化硅层、二氧化硅层至 硅基顶面，去除光刻胶； h)正面沉积一层非晶硅，在分片槽区域非晶硅与硅基顶面直接接触； i)正面光刻胶作掩膜光刻出传感器工作区域以及金属管脚区域图形，RIE刻蚀非 晶硅至氮化硅层，去除光刻胶； j)正面光刻胶作掩膜光刻出金属管脚区域图形，RIE刻蚀氮化硅至金属管脚层， 去除光刻胶； k)背面光刻胶作掩膜光刻出腐蚀硅窗口，RIE刻蚀氮化硅、二氧化硅至硅基底面， 去除光刻胶； 1)氮化硅、二氧化硅层作掩膜湿法腐蚀硅基形成压阻式加速度传感器背腔； m)干法RIE刻蚀背面剩余的氮化硅、二氧化硅至硅基底面，背面进行硅-玻璃阳极 键合； η)正面光刻胶作掩膜光刻出悬臂梁释放图形，深度反应离子刻蚀（DRIE)刻穿氮 化硅、二氧化硅、硅基形成压阻式加速度传感器悬臂梁结构，去除光刻胶； 〇)正面进行非晶硅-玻璃阳极键合； p)划片，实现单个芯片的封装，划片分两次完成：第一次划片，去除金属管脚上方 玻璃；第二次划片划去分片槽中结构，分离单个芯片，完成封装。 本专利技术所述的MEMS压阻式加速度传感器的制造方法，步骤m)中，背面进行硅-玻 璃阳极键合的工艺参数为：电压300?500V，电流15?20mA，温度300?400°C，压力 2000 ?3000N，时间 5 ?lOmin。 本专利技术所述的MEMS压阻式加速度传感器的制造方法，步骤〇)中，推荐正面进行非 晶硅-玻璃阳极键合的工艺参数为：电压450?1000V，电流15?25mA，温度300?400°C， 压力2〇00?3〇OON，时间I5?25min。 本专利技术所述的阳极键合技术是一种现有技术，该技术是本领域技术人员所熟知 的，其工作原理为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于阳极键合封装的MEMS压阻式加速度传感器，其特征在于所述的传感器具有第一键合玻璃‑硅基‑第二键合玻璃三明治结构；所述的硅基内部形成有压阻式加速度传感器悬臂梁，硅基的正面形成有压阻式加速度传感器的压阻区域，所述压阻式加速度传感器的压阻区域位于压阻式加速度传感器悬臂梁的上表面根部，并且注入有淡硼形成4根淡硼扩散压阻，同时淡硼扩散压阻的内部注入有浓硼形成浓硼欧姆接触区，所述压阻式加速度传感器压阻区域的上方沉积有二氧化硅层，二氧化硅层上方沉积有第一氮化硅层，所述的二氧化硅层和第一氮化硅层一起作为绝缘钝化层，所述的绝缘钝化层开有引线孔，利用金属导线连通压阻区域，并且压阻式加速度传感器压阻区域的4根淡硼扩散压阻通过金属导线构成惠斯顿全桥连接，所述金属导线的上方沉积有第二氮化硅层，所述第二氮化硅层的上方沉积有非晶硅，并且，利用非晶硅作为台阶，所述的非晶硅与第一键合玻璃键合后形成一个真空腔体；所述硅基的正面还形成有浓硼导线，所述浓硼导线的上方连接有金属管脚，浓硼导线将传感器工作区与金属管脚连通，所述硅基的背面与第二键合玻璃阳极键合。

【技术特征摘要】
1. 一种基于阳极键合封装的MEMS压阻式加速度传感器，其特征在于所述的传感器具 有第一键合玻璃-硅基-第二键合玻璃三明治结构；所述的硅基内部形成有压阻式加速度 传感器悬臂梁，硅基的正面形成有压阻式加速度传感器的压阻区域，所述压阻式加速度传 感器的压阻区域位于压阻式加速度传感器悬臂梁的上表面根部，并且注入有淡硼形成4根 淡硼扩散压阻，同时淡硼扩散压阻的内部注入有浓硼形成浓硼欧姆接触区，所述压阻式加 速度传感器压阻区域的上方沉积有二氧化硅层，二氧化硅层上方沉积有第一氮化硅层，所 述的二氧化硅层和第一氮化硅层一起作为绝缘钝化层，所述的绝缘钝化层开有引线孔，利 用金属导线连通压阻区域，并且压阻式加速度传感器压阻区域的4根淡硼扩散压阻通过金 属导线构成惠斯顿全桥连接，所述金属导线的上方沉积有第二氮化硅层，所述第二氮化硅 层的上方沉积有非晶硅，并且，利用非晶硅作为台阶，所述的非晶硅与第一键合玻璃键合后 形成一个真空腔体；所述硅基的正面还形成有浓硼导线，所述浓硼导线的上方连接有金属 管脚，浓硼导线将传感器工作区与金属管脚连通，所述硅基的背面与第二键合玻璃阳极键 合。2. 如权利要求1所述的基于阳极键合封装的MEMS压阻式加速度传感器，其特征在于所 述的压阻式加速度传感器压阻区域的淡硼扩散压阻的排布方式为：纵向沿硅基的（1，1，0) 晶向方向、横向沿硅基的（1，_1，〇)晶向方向分布，纵向压阻系数、横向压阻系数分别为 71. 8λ -66. 3〇3. 如权利要求1所述的基于阳极键合封装的MEMS压阻式加速度传感器，其特征在于 所述的压阻式加速度传感器为双悬臂梁设计，压阻式加速度传感器压阻区域的淡硼扩散压 阻为4组，每组由两个平行的淡硼扩散压阻组成，其中两组对桥臂淡硼扩散压阻对称分布 在悬臂梁上表面根部的应力集中区域，另外两组淡硼扩散压阻对称分布在零应力区。4. 如权利要求1所述的基于阳极键合封装的MEMS压阻式加速度传感器，其特征在于所 述的金属管脚有4个，第一管脚接压阻式加速度传感器输出负，第二管脚接地，第三管脚接 压阻式加速度传感器输出正，第四管脚接电源正极。5. 如权利要求1?4所述的基于阳极键合封装的MEMS压阻式加速度传感器，其特征在 于所述的硅基为η型（100)硅片。6. 如权利要求1?4所述的基于阳极键合封装的MEMS压阻式加速度传感器，其特征在 于所述的第二氮化硅层上方沉积的非晶硅的厚度为2?4 μ m。7. 如权利要求1所述的基于阳极键合封装的MEMS压阻式加速度传感器的制造方法，其 特征在于所述的制造方法按如下步骤进行： a) 取硅片作为硅基，双面抛光，清洗，正面热氧长一层二氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：董健，蒋恒，孙笠，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33