CN113432777B - Mems压力传感器制造方法及mems压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种MEMS压力传感器制造方法及MEMS压力传感器，其中的MEMS压力传感器制造方法，包括对第一硅基体依次进行化学腐蚀和减薄处理，形成具有倾斜开孔的第一结构层；在第一结构层的最大开孔的一侧键合第二结构层，并对第二结构层进行减薄处理，形成敏感层；在敏感层上制作探测单元、焊盘以及覆盖敏感层、探测单元和焊盘的保护层；在第一结构层远离敏感层的一侧键合第二硅基体，并对第二硅基体依次进行干法刻蚀和减薄处理，形成具有规则开孔的第三结构层；在保护层上键合保护盖，保护敏感层结构，并最终形成MEMS压力传感器。利用上述发明能够利用单晶硅基底湿法腐蚀侧壁倾斜特性，通过开孔倒置键合方式扩大压力敏感膜的面积，并提高传感器整体结构强度和性能。
Description
技术领域
本发明涉及微电子制造技术领域，更为具体地，涉及一种MEMS压力传感器制造方法及MEMS压力传感器。
背景技术
随着社会的进步和技术的发展，近年来，手机、笔记本电脑等电子产品体积不断减小，人们对这些便携电子产品的性能要求也越来越高，从而也要求与之配套的电子零件的体积不断减小、性能和一致性不断提高。MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System，简称MEMS)工艺集成的MEMS传感器开始被批量应用到手机、笔记本电脑等电子产品中，其封装体积比传统的传感器小，因此受到大部分生产商的青睐。
目前，主流MEMS压力传感器的低成本方案基本都是通过碱性溶液腐蚀芯片晶圆背面体硅结构，形成带斜坡的背面敏感膜，但是由于晶格特性会导致背腔腐蚀后形成50多度的斜坡，该斜坡覆盖区域可认为是传感器芯片的冗余部分，不仅增加了芯片的整体体积，同时还会降低整张晶圆的出片率；于此同时，由于斜倾角的存在，导致相同芯片尺寸体积下的冗余过多，敏感膜尺寸减小，极大的降低了压力传感器芯片的灵敏度指标，最终导致传感器器件的整体性能下降。
此外，传统工艺采用碱性溶液腐蚀形成敏感膜，由于背面湿法腐蚀的特性决定敏感膜背面会存在极大的不均匀性，也会导致敏感膜中心与边缘区域的厚度差异，容易在传感器的测量中引入误差，降低传感器的测量精度。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种MEMS压力传感器制造方法及MEMS压力传感器，以解决现有传感器制造工艺存在的冗余过多，导致出片量低、成本高、敏感膜尺寸减小，影响传感器灵敏度及可靠性等问题。
本发明提供的MEMS压力传感器制造方法，包括对第一硅基体依次进行化学腐蚀和减薄处理，形成具有倾斜开孔的第一结构层；在第一结构层的最大开孔的一侧键合第二结构层，并对第二结构层进行减薄处理，形成敏感层；在敏感层上制作探测单元、焊盘以及覆盖敏感层、探测单元和焊盘的保护层；在第一结构层远离敏感层的一侧键合第二硅基体，并对第二硅基体依次进行干法刻蚀和减薄处理，形成具有规则开孔的第三结构层；在保护层上键合保护盖，形成MEMS压力传感器。
此外，可选的技术方案是，第一结构层和第三结构层的开孔位置对应设置；并且，第三结构层的开孔尺寸大于第一结构层的最小开孔的尺寸。
此外，可选的技术方案是，在保护盖上设置有通气孔；并且，在第三结构层远离敏感层的一侧设置有封闭层，封闭层与第三结构层、第一结构层和敏感层相配合形成密闭空间。
此外，可选的技术方案是，保护盖与敏感层配合形成密闭空间，敏感层的下侧通过第一结构层和第三结构层的开孔与外界导通。
此外，可选的技术方案是，在保护层上设置有避让槽，焊盘的一侧与探测单元连接，焊盘的另一侧通过避让槽与外界连接。
此外，可选的技术方案是，在对第一硅基体、第二结构层和第二硅基体进行减薄处理的之后，还包括：对减薄处理后的第一硅基体、第二结构层和第二硅基体进行抛光处理。
此外，可选的技术方案是，探测单元包括设置在敏感层内的轻掺杂区以及与轻掺杂区连接的重掺杂区；焊盘与重掺杂区相连接。
此外，可选的技术方案是，敏感层与第一结构层的接触面积小于第一结构层与第三结构层的接触面积。
根据本发明的另一方面，提供一种MEMS压力传感器制造方法，包括：对第一硅基体依次进行化学腐蚀和减薄处理，形成具有倾斜开孔的第一结构层；在第一结构层远离敏感层的一侧键合第二硅基体，并对第二硅基体进行干法刻蚀和减薄处理，形成第三结构层；在第一结构层的最大开孔的一侧键合第二结构层，并对第二结构层进行减薄处理，形成敏感层；在敏感层上制作探测单元、焊盘以及覆盖敏感层、探测单元和焊盘的保护层；在保护层上键合保护盖，以形成MEMS压力传感器。
根据本发明的另一方面，提供一种MEMS压力传感器，包括：具有开孔的第三结构层、设置在第三结构层上且具有倾斜开孔的第一结构层，以及设置在第一结构层远离第三结构层一侧的敏感层；其中，在敏感层上设置有探测单元、焊盘以及覆盖敏感层、探测单元和焊盘的保护层；在保护层外侧设置有保护盖，敏感层通过保护盖上的通气孔与外界导通，或者敏感层通过第三结构层和第一结构层上的开孔与外界导通。
利用上述MEMS压力传感器制造方法及MEMS压力传感器，首先对第一硅基体依次进行化学腐蚀和减薄处理，形成具有倾斜开孔的第一结构层；然后在第一结构层的最大开孔的一侧键合第二结构层，并对第二结构层进行减薄处理，形成敏感层；在第一结构层远离敏感层的一侧键合第二硅基体，并对第二硅基体依次进行干法和减薄处理，形成具有规则开孔的第三结构层；最后，在保护层上键合保护盖，形成MEMS压力传感器，能够通过地第三结构层提高整体结构强度，降低内外部应力对敏感层的影响，此外，可利用第一结构层的倾斜开孔，扩大敏感层的尺寸，提高整体均匀性及灵敏度，传感器测量精度高、性能稳定、可靠性强。
为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为根据本发明实施例的MEMS压力传感器制造方法的流程图；
图2为根据本发明实施例的MEMS压力传感器制造方法的原理图；
图3为根据本发明另一实施例的MEMS压力传感器制造方法的流程图；
图4为根据本发明实施例的MEMS压力传感器的结构示意图；
图5为根据本发明另一实施例的MEMS压力传感器的结构示意图。
其中的附图标记包括：第一硅基体1、开孔11、敏感层2、保护层21、焊盘3、探测单元4、第二硅基体5、开孔51、保护盖6、避让槽61、通气孔62、封闭层7。
在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
为详细描述本发明的MEMS压力传感器制造方法及MEMS压力传感器，以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
图1和图2分别从不同角度示出了根据本发明实施例的MEMS压力传感器制造方法的流程和原理。
如图1和图2共同所示，本发明实施例的MEMS压力传感器制造方法，主要包括以下步骤：
S110：对第一硅基体1依次进行化学腐蚀和减薄处理，形成具有倾斜开孔11的第一结构层；
S120：在第一结构层的最大开孔的一侧键合第二结构层，并对第二结构层进行减薄处理，形成敏感层2；
S130：在敏感层2上制作探测单元4、焊盘3以及覆盖敏感层2、探测单元4和焊盘3的保护层21；
S140：在第一结构层远离敏感层2的一侧键合第二硅基体5，并对第二硅基体5依次进行干法刻蚀和减薄处理，形成具有规则开孔51的第三结构层；
S150：在保护层21上键合保护盖，形成MEMS压力传感器。
具体地，在上述步骤S110中，可采用常用硅片作为第一硅基体1，并通过湿法腐蚀或化学腐蚀的工艺对第一硅基体1进行腐蚀处理，在第一硅基体1内部形成边缘呈倾斜分布的开孔11；然后，对第一硅基体1进行减薄处理，使其整体厚度符合传感器制造要求，形成第一结构层。
由于第一结构层内的开孔11呈倾斜分布，其纵截面呈梯形分布，为尽可能的增大敏感层2在开孔11内的面积，即增大信号检测的敏感膜(敏感层2包括与第一结构层接触的固定部以及悬设在第一结构层的开孔11内的敏感膜)的有效面积，可在第一结构层的具有开孔11尺寸最大(即最大开孔)的一侧键合第二结构层，并对第二结构层进行减薄处理，形成敏感层2。
进而可通过步骤S130，在敏感层2上制作探测单元4、焊盘3以及覆盖敏感层2、探测单元4和焊盘3的保护层21，其中，探测单元4可进一步包括设置在敏感层2内的轻掺杂区以及与轻掺杂区连接的重掺杂区，轻掺杂区和重掺杂区形成检测外部压力信号的探测单元4，焊盘3与重掺杂区相连接。
此外，为确保焊盘3能够与外界导通，还可在保护盖上设置与焊盘3位置对应的若干个避让槽，焊盘3的一侧与探测单元4连接，焊盘3的另一侧通过避让槽与外界连接，便于后续的封装打线。
为增大压力传感器底部的受力区域，提高其粘连可靠性，可在第一结构层远离敏感层2的一侧键合第二硅基体5，并对第二硅基体5依次进行法刻蚀和减薄处理，形成具有规则开孔51的第三结构层，通过设置第三结构层能够扩大底部支脚的截面区域，扩大压力传感器的有效粘接区域，提高产品在长期使用过程中的可靠性。此外，由于采用的多层键合的结构，能够提高产品的整体结构强度，降低敏感层2受到的内部和外部应力的影响。同时，由于第一结构层的倒倾斜的开孔11设置，还能够确保敏感膜的有效面积，提高产品的灵敏度参数。
其中，第一结构层和第三结构层的开孔位置对应设置；并且，第三结构层的开孔51尺寸大于第一结构层的开孔11的最小尺寸，第一结构层和第三结构层的开孔导通，并配合形成敏感层2与外界导通的通道。
需要说明的是，为确保减薄处理后的结构层的均匀性，在对第一硅基体1、第二结构层和第二硅基体进行减薄处理的之后，还包括：对减薄处理后的第一硅基体1、第二结构层和第二硅基体进行抛光处理，能够提高膜面的均匀性，以及各部件结合处的牢固性，从而提高整体测量精度。
此外，上述敏感层2、第一结构层、第三结构层的厚度均可根据产品的尺寸或要求自行设定，并不限于附图中的具体尺寸。
在本发明的一个具体实施方式中，MEMS压力传感器可包括两种结构形式，即正面承压结构和背部承压结构，其中，正面承压结构的MEMS压力传感器，可在保护盖上设置若干个通气孔；并且，在第三结构层远离敏感层2的一侧设置封闭层，封闭层与第三结构层、第一结构层和敏感层2相配合形成密闭空间，敏感层2的上侧通过通气孔与外界导通。
其中，背部承压结构的MEMS压力传感器，保护盖上不设置通气结构，保护盖与敏感层2配合形成密闭空间，敏感层2的下侧通过第一结构层和第三结构层的开孔直接与外界导通。且，敏感层2与第一结构层的接触面积小于第一结构层与第三结构层的接触面积，能够在扩大敏感膜的有效面积的同时，提高硅基底的底部支脚的区域。
需要说明的是，在上述MEMS压力传感器制造方法中，第一结构层、敏感层和第三结构层的设置顺序可相互调整，例如，可依次加工第一结构层、敏感层和第三结构层，也可以依次加工第一结构层、第三结构层和敏感层，对应的保护盖的设置步骤可在敏感层加工完毕后进行设置，也可在第一结构层、敏感层和第三结构层均加工完后再进行设置等，在不影响产品结构的情况下，MEMS压力传感器制造方法的步骤可灵活进行调整。
具体地，图3示出了根据本发明另一实施例的MEMS压力传感器制造方法的流程。
如图3所示，在该实施例中，MEMS压力传感器制造方法可以包括：
S210：对第一硅基体依次进行化学腐蚀和减薄处理，形成具有倾斜开孔的第一结构层；
S220：在第一结构层远离敏感层的一侧键合第二硅基体，并对第二硅基体进行干法刻蚀和减薄处理，形成第三结构层；
S230：在第一结构层的最大开孔的一侧键合第二结构层，并对第二结构层进行减薄处理，形成敏感层；
S240：在敏感层上制作探测单元、焊盘以及覆盖敏感层、探测单元和焊盘的保护层；
S250：在保护层上键合保护盖，以形成MEMS压力传感器。
在本发明的另一具体实施方式中，MEMS压力传感器制造方法可以包括：
1、对第一硅基体依次进行化学腐蚀和减薄处理，形成具有倾斜开孔的第一结构层；
2、在第一结构层的最大开孔的一侧键合第二结构层，并对第二结构层进行减薄处理，形成敏感层；
3、在敏感层上制作探测单元、焊盘以及覆盖敏感层、探测单元和焊盘的保护层；
4、在保护层上键合保护盖，以形成MEMS压力传感器。
5、在第一结构层远离敏感层的一侧键合第二硅基体，并对第二硅基体进行干法刻蚀和减薄处理，形成第三结构层。
上述各实施例之间均可相互参考，具体地制造细节并不一一赘述。
与上述MEMS压力传感器制造方法相对应地，本发明还提供一种MEMS压力传感器。
具体地，图4示出了根据本发明实施例的MEMS压力传感器的示意结构。
如图4所示，本发明实施例的MEMS压力传感器，包括具有开孔的第三结构层(由第二硅基体5形成)、设置在第三结构层上且具有倾斜开孔的第一结构层(由第一硅基体1形成)，以及设置在第一结构层远离第三结构层一侧的敏感层2；其中，在敏感层2上设置有探测单元4、焊盘3以及覆盖敏感层2、探测单元4和焊盘3的保护层；在保护层外侧设置有保护盖6，保护盖6与敏感层2的上侧之间形成密闭空间，敏感层2的下侧通过第三结构层和第一结构层上的开孔(包括第三结构层的开孔51和第一结构层的开孔11)与外界导通。
图5示出了根据本发明另一实施例的MEMS压力传感器的示意结构。
如图5所示，本发明另一实施例的MEMS压力传感器，包括具有开孔的第三结构层(由第二硅基体5形成)、设置在第三结构层上且具有倾斜开孔的第一结构层(由第一硅基体1形成)，以及设置在第一结构层远离第三结构层一侧的敏感层2；其中，在敏感层2上设置有探测单元4、焊盘3以及覆盖敏感层2、探测单元4和焊盘3的保护层；在保护层外侧设置有保护盖6，在保护盖6上设置有若干个通气孔62，并第三结构层远离敏感层的一侧设置封闭层7，该封闭层7与第三结构层、第一结构层和敏感层相配合形成密闭空间。敏感层2下侧的第三结构层和第一结构层上的开孔(包括第三结构层的开孔51和第一结构层的开孔11)不与外界导通，而敏感层的上侧通过若干个通气孔62与外界导通。
此外，在上述两个实施例中，为确保焊盘3能够与外界导通，还可在保护盖上设置与焊盘3位置对应的若干个避让槽61，焊盘3的一侧与探测单元4连接，焊盘3的另一侧通过避让槽61与外界连接，便于后续的封装打线。
需要说明的是，上述MEMS压力传感器的实施例可参考MEMS压力传感器制造方法实施例中的描述，此处不再一一赘述。
根据上述本发明的MEMS压力传感器制造方法及MEMS压力传感器，具有以下有益效果：
1、采用多层键合的基底结果，能够提高MEMS压力传感器的整体结构刚度，有效降低产品内部应力和外部封装应力的影响。
2、采用倒倾斜角的支撑设计，能够增大敏感膜的有效面积，提高产品的灵敏度和检测性能。
3、采用减薄加抛光的处理工艺制造敏感层，能投提高膜面的均匀性以及整体的测量精度。
4、可有效扩大底部支脚的截面面积，扩大MEMS压力传感器的粘接区域，提高其在长期使用过程中的可靠性及稳定性。
如上参照附图以示例的方式描述根据本发明的MEMS压力传感器制造方法及MEMS压力传感器。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的MEMS压力传感器制造方法及MEMS压力传感器，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。
Claims (9)
1.一种MEMS压力传感器制造方法，其特征在于，包括：
对第一硅基体依次进行化学腐蚀和减薄处理，形成具有倾斜通孔的第一结构层；
在所述第一结构层的最大通孔的一侧键合第二结构层，并对所述第二结构层进行减薄处理，形成敏感层；
在所述敏感层上制作探测单元、焊盘以及覆盖所述敏感层、所述探测单元和所述焊盘的保护层；
在所述第一结构层远离所述敏感层的一侧键合第二硅基体，并对所述第二硅基体依次进行干法刻蚀和减薄处理，形成具有规则通孔的第三结构层；
其中，所述敏感层与所述第一结构层的接触面积小于所述第一结构层与所述第三结构层的接触面积；
在所述保护层上键合保护盖，形成所述MEMS压力传感器。
2.如权利要求1所述的MEMS压力传感器制造方法，其特征在于，
所述第一结构层和所述第三结构层的通孔位置对应设置；并且，
所述第三结构层的通孔尺寸大于所述第一结构层的最小通孔的尺寸。
3.如权利要求1所述的MEMS压力传感器制造方法，其特征在于，
在所述保护盖上设置有通气孔；并且，
在所述第三结构层远离所述敏感层的一侧设置有封闭层，所述封闭层与所述第三结构层、所述第一结构层和所述敏感层相配合形成密闭空间。
4.如权利要求1所述的MEMS压力传感器制造方法，其特征在于，
所述保护盖与所述敏感层配合形成密闭空间，所述敏感层的下侧通过所述第一结构层和所述第三结构层的通孔与外界导通。
5.如权利要求1所述的MEMS压力传感器制造方法，其特征在于，
在所述保护层上设置有避让槽，所述焊盘的一侧与所述探测单元连接，所述焊盘的另一侧通过所述避让槽与外界连接。
6.如权利要求1所述的MEMS压力传感器制造方法，其特征在于，
在对所述第一硅基体、所述第二结构层和所述第二硅基体进行减薄处理的之后，还包括：
对减薄处理后的所述第一硅基体、所述第二结构层和所述第二硅基体进行抛光处理。
7.如权利要求1所述的MEMS压力传感器制造方法，其特征在于，
所述探测单元包括设置在所述敏感层内的轻掺杂区以及与所述轻掺杂区连接的重掺杂区；
所述焊盘与所述重掺杂区相连接。
8.一种MEMS压力传感器制造方法，其特征在于，包括：
对第一硅基体依次进行化学腐蚀和减薄处理，形成具有倾斜通孔的第一结构层；
在所述第一结构层的远离最大通孔的一侧键合第二硅基体，并对所述第二硅基体进行干法刻蚀和减薄处理，形成第三结构层；
在所述第一结构层的最大通孔的一侧键合第二结构层，并对所述第二结构层进行减薄处理，形成敏感层；其中，所述敏感层与所述第一结构层的接触面积小于所述第一结构层与所述第三结构层的接触面积；
在所述敏感层上制作探测单元、焊盘以及覆盖所述敏感层、所述探测单元和所述焊盘的保护层；
在所述保护层上键合保护盖，以形成所述MEMS压力传感器。
9.一种MEMS压力传感器，其特征在于，包括：具有通孔的第三结构层、设置在所述第三结构层上且具有倾斜通孔的第一结构层，以及设置在所述第一结构层远离所述第三结构层一侧的敏感层；其中，
其中，所述敏感层与所述第一结构层的接触面积小于所述第一结构层与所述第三结构层的接触面积；
在所述敏感层上设置有探测单元、焊盘以及覆盖所述敏感层、所述探测单元和所述焊盘的保护层；
在所述保护层外侧设置有保护盖，所述敏感层通过所述保护盖上的通气孔与外界导通，或者所述敏感层通过所述第三结构层和所述第一结构层上的通孔与外界导通。
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