CN1156681C - 静电键合密封电容腔体的压力传感器及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

涉及静电键合工艺密封电容腔体制作的电容式微型压力传感器及其制造方法。设有上硅片、玻璃衬底、密封硅片和输出极；上硅片的下表面设电容腔体；玻璃衬底的上抛光面上设有电容腔电极和膜片电极，下抛光面上设有接触电极，上下抛光面之间设贯通小孔，贯通小孔分别与电容腔电极和接触电极连通，密封硅片的上表面与接触电极通过静电键合连接在一起；在密封硅片和膜片电极上分别设输出极，膜片电极上的传感器输出极穿过上硅片的敞开口。具有很好的电容腔密封特性，因而具有很稳定的工作特性，耗能低、结构稳定，承受过压能力强，线性度和灵敏度高，其方法有效地避开了密封粘接这个难题。

Description

静电键合密封电容腔体的压力传感器及其制作工艺

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，尤其是一种采用静电键合工艺密封电容腔体制作的电容式微型压力传感器及其制造方法。

背景技术

由于硅材料具有很好的力学性能，随着半导体工艺的成熟，就有了用硅材料制作传感器的手段。首先，进行研究、制作的是硅压阻式压力传感器。硅压阻式压力传感器具有尺寸小、结构与制作工艺简单、传感灵敏度高等特点，不足之处是传感器的抗干扰能力差，温度影响大。由硅和玻璃键合制作的电容式压力传感器与硅压阻式压力传感器除具有尺寸小、结构与制作工艺简单、传感灵敏度高的特点外，还具有结构稳定性好、强度高，抗干扰能力强、测量稳定性好、温度影响小等优点。且有理想的零压特性和过载保护，过载达20000％不会损坏。硅和玻璃键合的电容式压力传感器通常采用一片硅和一片玻璃键合的结构，由于电极要从电容密封腔引出，因而就心须在硅面刻蚀一个槽来引出电极，从而产生了电容密封腔密封这个问题。为了解决这个问题，人们选用各种不同的材料来密封引出电极的槽，效果都不理想，原因是要使密封粘接材料同时对玻璃、硅和金属都有很好的粘接性能非常困难，甚至是不可能的。CN1011074D号专利申请公开一种可成批生产的电容压力传感器，它使检测元件和引线与压力媒质隔离并提供应力隔离。该传感器制成多层夹心结构。一个硅晶片的一侧蚀刻成一系列腔形成挠曲膜片，其一个表面作为电容器极板。一个玻璃层在两侧金属化并有孔。玻璃层粘接到晶片上形成数微米的电容间隙。该组件夹在2个附加层之间，在真空中粘接。将4层夹心结构做成单个传感器。初始组件可制成一定形状以衰减膜片的响应次数，并在高频输入时降低虚假信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、尺寸小、稳定性好、强度高、有理想的零压特性、过载保护能力强、线性度和灵敏度高，可用于-150～250℃恶劣环境，工艺通用性好的静电键合密封电容腔体的压力传感器及其制作工艺。

本发明设有一具有感受膜的上硅片、一带电极的玻璃衬底、一用于密封电容腔体的硅片(以下称密封硅片)和一对输出极。上硅片的下表面为压力感受膜片。压力感受膜片周边设保护墙，在压力感受膜片一侧的上硅片上设敞开口。上硅片的下表面设电容腔体。玻璃衬底的上下表面均为抛光面，上抛光面上设有电容腔电极和膜片电极，下抛光面上设有接触电极，上下抛光面之间设贯通小孔，贯通小孔分别与电容腔电极和接触电极连通，贯通小孔的表面设导电膜，电容腔电极与压力感受膜片之间设绝缘层。密封硅片的上表面与接触电极通过静电键合连接在一起。在密封硅片和膜片电极上分别设传感器输出极，膜片电极上的传感器输出极穿过上硅片的敞开口。

静电键合密封电容腔体的压力传感器的制造方法如下：

1、上硅片清洗、甩干，在氧化炉中氧化，并刻蚀电容腔。

2、去除做好电容腔体的上硅片的下表面氧化层。

3、将刻蚀好电容腔的上硅片用固态源扩散，形成膜片的P⁺层或PN结。

4、将密封硅片清洗、甩干、扩散，使表面生成具有欧姆接触的扩散层。

5、将双面抛光的玻璃衬底片打通孔，再制作电容腔电极、膜片电极和通孔金属化以及接触电极。

6、在电容腔电极上制作一层绝缘层。

7、将玻璃衬底片的电容腔电极对准上硅片上的电容腔，利用加热加静电的静电键合工艺将上硅片的下表面与玻璃衬底片的上表面键合连接。

8、将玻璃衬底片的下表面与密封硅片的上表面静电键合连接。

9、分别在密封硅片和膜片电极上制作传感器的输出极。

上硅片的清洗可选用硅电清洗液进行标准清洗，其氧化炉的温度可不低于800℃，氧化层的厚度宜控制在0.5～2μm。电容腔的刻蚀采用光刻工艺，刻蚀后的上硅片可放入扩散炉用固态源扩散，形成的膜片厚度与扩散时间有关，一般厚度为1～8μm，扩散时间为3～6h，扩散炉温度宜选用1100～1250℃。密封硅片作双面浓扩散，使表面具有欧姆接触特性。玻璃衬底上的通孔孔径可为100～800μm，通孔的金属化在利用溅射镀膜技术制作电容腔电极和膜片电极过程中一起完成。在电容腔电极上表面或感受膜的下表面镀或涂一层玻璃绝缘层的目的在于对电容腔电极与膜片之间起绝缘作用，当膜片碰到电容腔体真空室底部时，电容腔电极与膜片不会接触。采用静电键合工艺时，可在超静环境中利用加热(温度为350～600℃)、加静电(电压为600～1200V)将其键合在一起。

静电键合密封电容腔体的压力传感器是一种电容式微型压力传感器，它具有很好的电容腔密封特性，因而具有很稳定的工作特性，耗能低、结构稳定，承受过压能力强，线性度和灵敏度高。其性能指标达到：

(1)测量环境的温度范围为-150～250℃；

(2)压力范围：10-4～103psi；

(3)过压保护：满量程的200～200000％或500psi；

(4)可在几小时内承受高达500psi的压力作用，在温度为300℃环境下进行测量；

(5)准确度：在5～10年内保持±1.5％的准确度；

(6)迟滞：在5～10年内保持满量程1％的迟滞；

(7)电源：3～30V，5～15mw。

其次，静电键合密封电容腔体的压力传感器结构简单、尺寸小，传感器安装后尺寸约为400μm×400μm。结构稳定性好，强度高；测量稳定性好，性能指标优异；有理想的零压特性、过载保护和高灵敏度，过载达20000％不会损坏。能用于恶劣环境，温度条件达-150～250℃。同时静电键合密封电容腔体的压力传感器的硅材料加工工艺具有通用性，易于规模生产。

利用静电键合工艺密封电容腔体制作电容式微型压力传感器的方法有效地避开了密封粘接这个难题。利用玻璃打孔、孔金属化和静电键合密封电容腔体工艺，将电容式压力传感器的电容腔电极密封在真空腔中，电容腔电极则由密封在玻璃下方的密封硅片引出。

附图说明

图1为静电键合密封电容腔体的压力传感器的结构示意图。

图2为静电键合密封电容腔体的压力传感器的安装图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为图2的B-B剖视图。

图5为图2的C-C剖视图。

图6为静电键合密封电容腔体的压力传感器的制作工艺和安装流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，静电键合密封电容腔体的压力传感器设有一是具有感受膜的上硅片12，二是有电极的玻璃衬底14，三是用来密封电容腔体的硅片(称密封硅片)13。在上硅片12下表面有一层由P⁺刻蚀技术或PN结化学刻蚀技术形成的膜片15，硅膜片可为方形或圆形，压力感受膜片16就在这一层上，它是膜片15的一部分。上硅片12上的感觉膜片16被一个隔离墙20包围。在上硅片12上还设有一敞开口18。压力感受膜片16与敞开口18之间被隔离墙20分开。电容腔体22在上硅片12的下表面由光刻、腐蚀制成。玻璃衬底14有两个抛光面28，30，上抛光面28上有电容腔电极26和膜片电极24；下抛光面30上有接触电极11。玻璃衬底14上有一个贯穿上抛面28和下抛光面30并分别与电容腔电极26和接触电极11连通的小孔19，小孔19的表面镀有导电膜，电极与孔表面的导电膜由金属镀膜而成，镀膜工艺要保证既有良好的粘接性能又有良好的导电性。接触电极11与电容腔电极26由金属化小孔19连通。当上硅片12的下表面23与玻璃衬底14的上表面28键合时，膜片电极24与膜片15连接在一起，膜片电极24置于敞开口18的下方。接触电极11与密封硅片13的上表面10通过静电键合连接在一起。在密封硅片13和膜片电极24上分别设传感器输出极。

图2是传感器的安装图，图3为A-A剖视图，图4为B-B剖视图，图5为C-C剖视图，从图2～5可看出，传感器的电容腔电极26和膜片电极24直接做在玻璃衬底14上，溅镀在电容腔电极26上的绝缘层32用于防止膜片16变形时碰到电容腔电极26。为了保证静电键合质量，玻璃绝缘层32的尺寸要小于感受膜16的尺寸a和b(参见图1)。电容腔电极26从电容腔体22延伸并覆盖金属化小孔19，金属化小孔19同时被接触电极11覆盖。密封硅片13的上表面10与下表面都需要做扩散，以使其与金属具有欧姆接触的特性。当玻璃衬底14下表面30与密封硅片13的上表面10键合时，接触电极11在与密封硅片13连接。传感器的结构设计要考虑在一定工作温度条件下，传感器的工作压力范围和能承受的最大压力，根据这个条件，压力传感器的结构尺寸要作相应的改变。隔离墙20的尺寸根据传感器受力情况而定，显然，隔离墙要足够厚，足够牢固。这种结构设计的优点是传感器能承受在制造、安装、测量过程中的温度变化，特别是在比较恶劣的环境下可利用这种传感器进行测量，通过电子仪表对电容变化或电压变化进行监测，配置传输装置和电子仪表可进行远距离测量。显然，其电容器由膜片16、电容腔电极26和膜片底下的真空室22(电容腔体)与其隔离作用的绝缘层玻璃32构成，其电容量为C＝∫∫ε₀d×dy/[d-d_min(ε_g-ε₀)/ε_g]，其中dxdy为膜片的微面积元，d为膜片和衬底间的距离，ε₀为真空的介电常数，ε_g为玻璃的介电常数。在膜片和衬底相互接触的地方，d＝d_min则d-d_min(ε_g-ε₀)/ε_g＝d_minε₀/ε_g，有C＝∫∫ε_gdxdy/d_min，d是通过硅蚀刻技术形成的深度，d_min是电容腔电极26上面的绝缘层32的厚度，即d-d_min是衬底绝缘层顶端到膜片的距离。由于硅膜片15是利用P⁺刻蚀技术或PN结点化学刻蚀技术形成的，因此膜片的厚度h取决于P⁺层或PN的厚度，这个厚度可以进行精确控制。真空密封腔(电容腔体)22位于膜片16的正下方，被绝缘层32覆盖的电容腔电极26，即公式中的dxdy，在真空腔中并被做在玻璃衬底14上面。因此，膜片16受压力作用时，电容值就发生变化。

图3～5给出了电容腔电极26与膜片电极24的相对位置，电容腔电极26上面是绝缘层，膜片电极24则与膜15连接。电极24有一部分埋在隔离墙20底下，但并不穿过隔离墙20，这样利用键合力就把电极24与感受膜16连接起来，因为感受膜16是膜15的一部分。玻璃衬底上抛光面28上的电容腔电极26穿过隔离墙20底下的腔体21与金属化小孔19和玻璃衬底14的下抛光面30上的接触电极11连通，腔体21与真空密封腔电容腔体22是连通的。膜片电极24被密封在隔离墙20底下，从而保持密封腔22的真空状态。

另外，电容腔电极26是通过接触电极11与密封硅片13连接，从而彻底保证了密封腔22的真空度，并解决了主要的密封技术难题。精心选择电容腔电极26的厚度和绝缘层厚度d_min，利用适当的粘结方法或热循环方法可以使电容腔电极26与绝缘层32的表面粘合在一起。

以下实施例给出静电键合密封电容腔体的压力传感器的制作工艺过程。

图6(a～1)是静电键合密封电容腔体的压力传感器的加工工艺和安装流程示意图，图6(a)中的上硅片12和图6(e)中的密封硅片13为双面抛光的P型或N型半导体掺杂硅片，图6(d)中的玻璃衬底14是双面抛光的玻璃；静电键合密封电容腔体的压力传感器的工艺流程如下：

1、首先将上硅片12先后在1号(NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5)、2号(HCl∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5)洗液中煮进行标准清洗、甩干后，将其放在1000～1100℃的氧化炉中氧化至氧化层25的厚度为0.5～0.6μm，如图6(a)。然后双面涂光刻胶、前烘、单面曝光、显影、后烘，在氟化氢溶液中去氧化层后刻出如图6(b)所示图形27后，去胶。

2、当浓度为25％或10％的TMAH溶液加热到温度为80～110℃时，把在氧化层上刻出图形的上硅片12放入溶液中刻蚀3～5min，然后，在氟化氢溶液中去氧化层，刻蚀后电容腔22的图形如图6(c)所示。

3、刻蚀好电容腔22后，去除做好电容腔体上硅片的下氧化层，将上硅片12放入扩散炉用固态源扩散，在温度1125℃条件下，扩散时间3～6h，以便形成膜片15的P⁺层或PN结，如图6(d)所示，其厚度为1～8μm，它与扩散时间有关。

4、将密封硅片13在1号(NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5)、2号(HCl∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5)洗液中煮进行标准清洗、甩干后，将其放在800～1200℃的扩散炉中双面都做浓扩散，使表面具有欧姆接触的特性，如图6(e)中的扩散层41与40。

5、将双面抛光的玻璃衬底14按设计好的尺寸用激光或超声或腐蚀的方法在玻璃上打100～600μm的孔19，如图6(f)。在给玻璃衬底14上镀电容腔电极26和膜片24之前，分别用甲苯、丙酮、无水酒精超声3～5min，然后用去离子水冲洗。烘干后在玻璃上用溅射镀膜技术制作电容腔电极26和膜片电极24后，然后再做接触电极11，孔19的金属化在溅射镀膜过程中完成。电容腔电极26、膜片电极24和接触电极11的形状、大小由反刻技术或剥离技术来完成。

6、在完成了金属电极的制作后，需要在电容腔电极26上镀或涂一层绝缘玻璃层32，见图6(g)，绝缘层的目的在于当膜片碰到真空室底部时，电容腔电极26和膜片不会接触。绝缘玻璃层32可以通过溅射镀膜或沉积完成，绝缘玻璃层32的形状由反刻技术或剥离技术来完成。图6(g)所示的这一道工序还要对玻璃衬底、电容腔电极26、绝缘层32的连接体进行热循环处理，先把连接体加热到合适温度，持续大约40min，使电容腔电极26周围的绝缘层发生变形。接着，把温度降低100～150℃，持续一段时间，以使玻璃松弛，产生合适的温度系数。

7、将做好电容腔体的上硅片12双面涂胶，下表面23曝光、显影，然后用氢氟酸溶液去除下表面的硼硅玻璃层。随后，双面去胶后将硅片12放在1号(NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5)、2号(HCl∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5)洗液中标准清洗、甩干后，待用。

8、将做好电极的玻璃衬底14，分别用甲苯、丙酮、无水酒精超声3～5min，然后用去离子水冲洗、烘干。随后，在超静环境中将玻璃衬底14上的电容腔电极26对准上硅片12上的电容腔22，并使上硅片12的下表面23与玻璃衬底14的上表面28接触在一起，然后利用加热(加热温度为350～600℃)、加静电(电压为600～1200V)的键合工艺将上硅片12的下表面23与玻璃衬底14的上表面28键合在一起，最后降温冷却约1h。

9、将密封硅片13放在1号(NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5)、2号(HCl∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5)洗液中标准清洗、甩干后，将密封硅片13的上表面10与玻璃衬底14的下表面30在真空中进行静电键合，键合过程同工艺步骤8，这道工序也完成了电极26与硅片13的接通。

10、对上硅片12上表面进行光刻、显影、在氢氟酸溶液中去氧化层、去胶后形成要深度刻蚀的图形，然后将静电键合的如图6(i)所示的器件放入浓度为25％或10％的加热到温度为90℃的TMAH溶液中进行深度刻蚀(5～7h)，最后形成膜片16和墙20。图6(j)是深刻蚀后的器件。

11、膜电极24在静电键合过程中与膜16连接。电容腔电极26通过金属化小孔19与电极11接通，在静电键合过程中又与密封硅片13表面掺杂扩散面10连接。密封硅片13的下掺杂表面33是电容的一个电极。

12、图6(k)表示深度刻蚀后电极24在被膜35覆盖时的情况，图6(1)所示的是通过切割工序打开窗口18之后的情况，这时电极24就会置于开口18下面。

13、静电键合密封电容腔体的压力传感器的有膜片电极24由密封硅片13的下表面33引出。

Claims (8)

1、静电键合密封电容腔体的压力传感器，其特征在于设有一具有感受膜的上硅片、一带电极的玻璃衬底、一用于密封电容腔体的硅片和一对输出极；上硅片的下表面为压力感受膜片，压力感受膜片周边设保护墙，在压力感受膜片一侧的上硅片上设敞开口，上硅片的下表面设电容腔体；玻璃衬底的上下表面均为抛光面，上抛光面上设有电容腔电极和膜片电极，下抛光面上设有接触电极，上下抛光面之间设贯通小孔，贯通小孔分别与电容腔电极和接触电极连通，贯通小孔的表面设导电膜，电容腔电极与压力感受膜片之间设绝缘层；密封硅片的上表面与接触电极通过静电键合连接在一起；在密封硅片和膜片电极上分别设传感器输出极，膜片电极上的传感器输出极穿过上硅片的敞开口。

2、如权利要求1所述的静电键合密封电容腔体的压力传感器的制造方法，其特征在于：

1)上硅片清洗、甩干，在氧化炉中氧化，并刻蚀电容腔；

2)去除做好电容腔体的上硅片的下表面氧化层；

3)将刻蚀好电容腔的上硅片用固态源扩散，形成膜片的P⁺层或PN结；

4)将密封硅片清洗、甩干、扩散，使表面生成具有欧姆接触的扩散层；

5)将双面抛光的玻璃衬底片打通孔，再制作电容腔电极、膜片电极和通孔金属化以及接触电极；

6)在电容腔电极上制作一层绝缘层；

7)将玻璃衬底片的电容腔电极对准上硅片上的电容腔，利用加热加静电的静电键合工艺将上硅片的下表面与玻璃衬底片的上表面键合连接；

8)将玻璃衬底片的下表面与密封硅片的上表面静电键合连接；

9)分别在密封硅片和膜片电极上制作传感器的输出极。

3、如权利要求2所述的静电键合密封电容腔体的压力传感器的制造方法，其特征在于氧化炉的温度不低于800℃，氧化层的厚度为0.5～2μm。

4、如权利要求2所述的静电键合密封电容腔体的压力传感器的制造方法，其特征在于电容腔的刻蚀采用光刻工艺，刻蚀后的上硅片放入扩散炉用固态源扩散，厚度为1～8μm，扩散时间为3～6h，扩散炉温度选用1100～1250℃。

5、如权利要求2所述的静电键合密封电容腔体的压力传感器的制造方法，其特征在于密封硅片作双面浓扩散，使表面具有欧姆接触特性。

6、如权利要求2所述的静电键合密封电容腔体的压力传感器的制造方法，其特征在于玻璃衬底上的通孔孔径为100～800μm，通孔的金属化在利用溅射镀膜技术制作电容腔电极和膜片电极过程中一起完成。

7、如权利要求2所述的静电键合密封电容腔体的压力传感器的制造方法，其特征在于在电容腔电极上表面或感受膜的下表面镀或涂一层玻璃绝缘层。

8、如权利要求2所述的静电键合密封电容腔体的压力传感器的制造方法，其特征在于采用静电键合工艺时，在超静环境中加热、加静电，温度为350～600℃，电压为600～1200V，将其键合在一起。

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