一種應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制作工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種全橋應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝。該全橋應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用多層硅結(jié)構(gòu)，其包括三層硅和每層硅之間的絕緣層。將多層硅結(jié)構(gòu)加工為全橋應(yīng)變片的步驟如下：在第一層硅上形成力敏壓阻元件及連接電路；然后在力敏壓阻元件和連接電路的周?chē)纬晌锢頊喜?，該溝槽貫穿第一層硅、第一層絕緣層和第二層硅；在力敏壓阻元件，連接電路和溝槽的表面設(shè)置至少一層鈍化層；在連接電路端點(diǎn)處的鈍化層上開(kāi)孔，并淀積耐高溫金屬焊盤(pán)從而形成全橋應(yīng)變片；在第一層硅的上表面涂上抗腐蝕粘結(jié)劑并與抗腐蝕陶瓷基板粘結(jié)為整體，然后依次去除多層硅結(jié)構(gòu)的第三層硅和第二層絕緣層；最后采用加熱或使用有機(jī)溶劑溶解的方式將抗腐蝕粘結(jié)劑除，使全橋應(yīng)變片與基板分離。
【專利說(shuō)明】一種應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制作工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到微型半導(dǎo)體應(yīng)變片領(lǐng)域，具體的說(shuō)，特別涉及到一種采用多層硅結(jié)構(gòu)以及將其加工為高溫高精度全橋應(yīng)變片的工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用硅材料的壓阻效應(yīng)開(kāi)發(fā)的力敏傳感器的核心部件，主要原理是當(dāng)應(yīng)變片受到外力作用時(shí)，其電阻發(fā)生改變。通過(guò)監(jiān)測(cè)其電阻的改變測(cè)量應(yīng)變片周?chē)h(huán)境應(yīng)力的變化。
[0003]微電子機(jī)械系統(tǒng)又稱MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System)是目前大規(guī)模制造微型高性能器件，如壓力傳感器，加速度計(jì)等的先進(jìn)技術(shù)。采用MEMS技術(shù)制造半導(dǎo)體應(yīng)變片可實(shí)現(xiàn)高精度，大批量和低成本。
[0004]目前半導(dǎo)體應(yīng)變片多采用PN結(jié)實(shí)現(xiàn)力敏壓阻元件之間的電隔離。在常溫條件下，PN結(jié)能有效的防止漏電流的產(chǎn)生，但在高溫(一般指大于150度)條件下，PN結(jié)的漏電流明顯增大，影響了傳感器輸出的穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致傳感器失效。另一方面，目前的半導(dǎo)體應(yīng)變片多為單個(gè)力敏壓阻元件，輸出的電信號(hào)幅值小，容易受到噪聲的干擾。采用4個(gè)單獨(dú)的力敏壓阻元件組成惠斯通電橋能有效的提高輸出信號(hào)的幅值，但由于4個(gè)獨(dú)立力敏壓阻元件本身的差異會(huì)導(dǎo)致惠斯通電橋零點(diǎn)輸出大以及零點(diǎn)溫漂大，所以無(wú)法滿足高精度傳感器的要求。
[0005]因此，在高溫高精度壓力傳感器領(lǐng)域，特別需要一種新型應(yīng)變片來(lái)解決上述困難。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種多層硅結(jié)構(gòu)應(yīng)變片，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，有效地提高應(yīng)變片傳感器在高溫環(huán)境中輸出信號(hào)的溫度穩(wěn)定性，具有低成本、性能優(yōu)化和實(shí)施簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
[0007]本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題可以采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
一種多層娃結(jié)構(gòu)應(yīng)變片，包括第一層娃、第二層娃和第三層娃；所述第一層娃具有若干力敏壓阻元件，所述若干力敏壓阻元件通過(guò)連接電路組成全橋惠斯通電橋，用于將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)；所述第二層娃設(shè)置于第一層娃的下方，用于支撐第一娃材料層；在第一層硅和第二層硅之間設(shè)有用于隔離兩者之間電連接的第一層絕緣層；所述第三層硅設(shè)置于第二層硅的下方，用于調(diào)整多層硅結(jié)構(gòu)的整體厚度，便于對(duì)其的加工；在第二層硅和第三層硅設(shè)有第二層絕緣層。
[0008]進(jìn)一步的，所述第一層娃的厚度小于第二層娃和第三層娃，并具有較低的電阻率，用于制作力敏壓阻元件。
[0009]多層硅結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)工藝，包括如下步驟:
I)在第一層硅的下表面設(shè)置第一層絕緣層，并與第二層硅健合形成硅-絕緣層-硅的結(jié)構(gòu)； 2)在第二層娃的下表面設(shè)置第二層絕緣層，并與第三層娃鍵合形成娃-絕緣層-娃-絕緣層-娃的多層娃結(jié)構(gòu)。
[0010]進(jìn)一步的，所述步驟2)具有可替換工藝；所述可替換工藝的步驟如下:
在所述第一硅材料層中通過(guò)氧離子注入工藝形成絕緣層，該絕緣層將第一層硅分隔為上娃層和下娃層，從而形成娃-絕緣層-娃-絕緣層-娃的多層娃結(jié)構(gòu)。
[0011]一種將多層硅結(jié)構(gòu)加工為高溫高精度全橋應(yīng)變片的工藝，包括如下步驟:
(1)在上述多層硅結(jié)構(gòu)的第一層硅上形成力敏壓阻元件和連接電路；
(2)采用離子刻蝕或者腐蝕的方法在力敏壓阻元件和連接電路的周?chē)纬蓽喜郏摐喜圬灤┑谝粚庸?、第一層絕緣層和第二層硅，所述溝槽的底部位于第二層硅內(nèi)；在力敏壓阻元件和連接電路的周?chē)O(shè)置至少一層鈍化層，用于保護(hù)力敏壓阻元件和連接電路；
(3)在連接電路端點(diǎn)處的鈍化層上開(kāi)孔，在開(kāi)孔處淀積耐高溫金屬層并形成焊盤(pán)，用于引出電信號(hào)；
(4)在多層硅結(jié)構(gòu)第一層硅的上表面涂上抗腐蝕粘結(jié)層；
(5)將整個(gè)多層硅結(jié)構(gòu)通過(guò)粘結(jié)層與基板粘結(jié)為整體，然后置于硅腐蝕液中，用于將第二層娃去除；
(6)再將第二層絕緣層去除，去除方法開(kāi)采用濕法化學(xué)腐蝕或者等離子刻蝕。
[0012](7)最后采用加熱或使用有機(jī)溶劑溶解的方式將抗腐蝕粘結(jié)層去除，使全橋應(yīng)變片與基板分離。
[0013]進(jìn)一步的，所述全橋應(yīng)變片包括4個(gè)力敏壓阻元件，其通過(guò)連接電路形成惠斯通電橋。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:
I)力敏壓阻元件之間距離小于5mm，在工藝上容易保證各力敏壓阻元件的物理特性一致，使得傳感器的零點(diǎn)輸出小，零點(diǎn)溫漂小。
[0015]2)力敏壓阻元件和連接電路之間依靠溝槽完全實(shí)現(xiàn)物理隔離，并且應(yīng)變片與第二層硅材料支撐結(jié)構(gòu)之間依靠絕緣層實(shí)現(xiàn)完全電隔離，使得傳感器能在高溫下穩(wěn)定工作。
[0016]3)第二層絕緣層，用作腐蝕阻擋層，保證了第二硅材料層支撐厚度不受腐蝕影響，提高了應(yīng)變片的一致性。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明所述的多層硅結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明的所述全橋多層硅結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的俯視圖。
[0019]圖3為本發(fā)明所述的全橋多層硅結(jié)構(gòu)應(yīng)變片制造工藝中上表面加工過(guò)程示意圖。
[0020]圖4為本發(fā)明所述的全橋多層硅結(jié)構(gòu)應(yīng)變片制造工藝中保護(hù)和粘貼過(guò)程示意圖。
[0021]圖5為本發(fā)明所述的全橋多層硅結(jié)構(gòu)應(yīng)變片制造工藝中下表面加工過(guò)程示意圖。
[0022]圖6為本發(fā)明的所述的全橋多層硅結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的側(cè)面剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]為使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。[0024]如圖1所示，本發(fā)明采用的多層硅結(jié)構(gòu)，從上倒下包括第一層單晶硅100，第一層絕緣層200，第二層單晶硅300，第二層絕緣層400和第三層單晶硅500。各層的厚度、電阻率、等物理化學(xué)性質(zhì)可以在制造該多層硅結(jié)構(gòu)時(shí)按照應(yīng)變片的性能要求確定。
[0025]在本實(shí)施中，第一層單晶硅100為(100)晶向P型單晶硅，厚度為0.3微米-3微米，厚度控制可采用但不限于機(jī)械化學(xué)拋光的方式，其偏差為+/_ 0.5微米。電阻率為0.005歐姆?厘米-0.1歐姆.厘米，可采用但不限于離子注入的方式控制，其電阻率的偏差為+/- 5%。第一層絕緣層200為二氧化硅(Si02)，厚度為0.1微米-5微米，采用熱氧化的方式生長(zhǎng)并控制厚度。第二層單晶硅300的厚度為2微米-20微米，采用機(jī)械化學(xué)拋光的方式控制厚度。第二層絕緣層400為二氧化硅，厚度為0.1微米-5微米，采用熱氧化的方式生長(zhǎng)并控制厚度。第3層單晶硅500的厚度為250微米-800微米，電阻率無(wú)要求。
[0026]如圖2所示，所述的全橋應(yīng)變片的在結(jié)構(gòu)上包括4個(gè)連接區(qū)域(即連接電路)110和4個(gè)單獨(dú)的力敏壓阻元件120。連接區(qū)域110將4個(gè)單獨(dú)的力敏壓阻元件120連接成一個(gè)完整的全橋惠斯通電橋。
[0027]如圖3所示，采用IC工藝或MEMS工藝中的光刻工藝將圖2所示結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到多層硅結(jié)構(gòu)的第一層單晶硅層100上。溝槽600采用等離子刻蝕技術(shù)或濕法腐蝕工藝實(shí)現(xiàn)，溝槽穿過(guò)第一層硅100，第一層絕緣層200和第二層硅300。在整個(gè)多層硅結(jié)構(gòu)的上表面淀積一層絕緣層800用于保護(hù)力敏壓阻元件和連接電路，絕緣層800的厚度在0.1微米-3微米。在應(yīng)變片的連接區(qū)域110處開(kāi)孔，再淀積一層或多層耐高溫金屬層700用于電信號(hào)的輸出。金屬層700的材料可以但不限于金(Au)，鈦(Ti)，鉬(Pt)，鎢(W)等。金屬層700的厚度在0.2微米-5微米。
[0028]如圖4所示，在整個(gè)加工過(guò)的多層硅結(jié)構(gòu)上表面，即第一層硅的上表面涂抹一層抗腐蝕粘結(jié)層900，再將加工過(guò)的多層硅結(jié)構(gòu)貼到一炔基板1000上?？垢g粘結(jié)層900將溝槽600完全填充?？垢g粘結(jié)層900的厚度在100微米-5微米。材料可選用但不限于石蠟?；?000的厚度在I厘米-5厘米，采用的是抗腐蝕材料，可以是但不限于陶瓷。
[0029]將基板1000連帶多層硅結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械減薄，減薄面為多層硅結(jié)構(gòu)中的第三層單晶硅500，減薄后，第三層單晶硅500的厚度為100微米-200微米。將基板1000連帶多層硅結(jié)構(gòu)清洗后，放入到硅腐蝕液中進(jìn)行腐蝕。腐蝕液可以是酸液也可以是堿液。多層硅結(jié)構(gòu)中的第三層單晶硅500直接暴露在腐蝕液中，被全部腐蝕。由于第二層絕緣層400不能被硅腐蝕液腐蝕，腐蝕過(guò)程自動(dòng)停止在第二層絕緣層400。結(jié)果如圖5所示。將基板1000連帶多層硅結(jié)構(gòu)放入二氧化硅腐蝕液中將第二層絕緣層400去除。
[0030]再將抗腐蝕粘結(jié)層900去除，去除方式由抗腐蝕粘結(jié)層900的物理化學(xué)性質(zhì)決定，可采用加熱方式或有機(jī)溶劑去除。去除后，應(yīng)變片與基板1000分離，如圖6所示。
[0031]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理，主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.米用多層娃結(jié)構(gòu)制造全橋應(yīng)變片，其特征在于:包括第一層娃、第二層娃和第三層硅；所述第一層硅上形成若干力敏壓阻元件，所述若干力敏壓阻元件由連接電路組成全橋惠斯通電橋，用于將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)；所述第二層硅設(shè)置于第一層硅的下方，用于支撐第一層硅并用于調(diào)整應(yīng)變片的厚度；在第一層硅和第二層硅之間設(shè)有用于隔離兩者之間電連接的第一層絕緣層；所述第三層硅設(shè)置于第二層硅的下方，用于調(diào)整多層硅結(jié)構(gòu)的整體厚度，便于對(duì)多層娃結(jié)構(gòu)的加工；在第二層娃和第三層娃之間設(shè)有第二層絕緣層。
2.如權(quán)利要求1所述的多層硅結(jié)構(gòu)應(yīng)變片，其特征在于，每個(gè)敏感元件之間存在溝槽和鈍化層，將敏感元件之間完全物理隔離，保證高溫下無(wú)漏電流。
3.如權(quán)利要求1所述的多層硅結(jié)構(gòu)應(yīng)變片，其特征在于，敏感元件與第二層硅之間有一層絕緣層，以保證敏感元件與支撐結(jié)構(gòu)之間的電隔離。
4.如權(quán)利要求1所述的多層硅結(jié)構(gòu)應(yīng)變片，其特征在于，第二層硅和第三層硅之間有一層絕緣層，在本發(fā)明中，該絕緣層用于分離第二層硅和第三層硅。
5.如權(quán)利要求1所述的多層硅結(jié)構(gòu)應(yīng)變片，其特征在于，所述力敏壓阻元件之間距離很小，以保證敏感元件性質(zhì)的一致性。
6.一種將多層硅結(jié)構(gòu)加工為高溫高精度全橋應(yīng)變片的工藝，包括如下步驟: (1)在上述多層硅結(jié)構(gòu)的第一層硅上形成力敏壓阻元件和連接電路； (2)采用離子刻蝕或者腐蝕的方法在力敏壓阻元件和連接電路的周?chē)纬蓽喜?，該溝槽貫穿第一層硅、第一層絕緣層和第二層硅，所述溝槽的底部位于第二層硅內(nèi)；在力敏壓阻元件和連接電路的周?chē)O(shè)置至少一層鈍化層，用于保護(hù)力敏壓阻元件和連接電路； (3)在連接電路端點(diǎn)處的鈍化層上開(kāi)孔，在開(kāi)孔處淀積耐高溫金屬層并形成焊盤(pán)，用于引出電信號(hào)； (4)在多層硅結(jié)構(gòu)第一層硅的上表面涂上抗腐蝕粘結(jié)層； (5)將整個(gè)多層硅結(jié)構(gòu)通過(guò)粘結(jié)層與基板粘結(jié)為整體，然后置于硅腐蝕液中，用于將第二層娃去除； (6)再將第二層絕緣層去除，去除方法開(kāi)采用濕法化學(xué)腐蝕或者等離子刻蝕； (7)最后采用加熱或使用有機(jī)溶劑溶解的方式將抗腐蝕粘結(jié)層去除，使全橋應(yīng)變片與基板分離。
【文檔編號(hào)】B81C1/00GK103926028SQ201410112090
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月25日
【發(fā)明者】張鵬, 吳寬洪, 張濤, 熊建功 申請(qǐng)人:慧石（上海）測(cè)控科技有限公司