具有帽盖限定的隔膜的压力传感器的制造方法

具有帽盖限定的隔膜的压力传感器的制造方法
【专利摘要】保护压力传感器上的隔膜的结构和方法。一个示例可以提供具有限定框架并且在装置层中形成的隔膜下的背侧腔的压力传感器。压力传感器还可以包括由接合层连结至装置层的帽盖。可以在帽盖、接合层和隔膜或者其它装置层部分中的一个或者多个中形成基准腔的凹槽。凹槽的宽度可以在至少一个方向上比背侧腔的宽度窄。在其它示例中，凹槽的形状可以设定为使得凹槽具有在背侧腔的外边缘内的外边缘。这可以加强装置层与框架的连结。凹槽可以限定与装置层和背侧腔的连结间隔开的有源隔膜。
【专利说明】具有帽盖限定的隔膜的压力传感器
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请是要求2014年7月29日提交的编号为62/030604以及2014年12月10日提交 的62/090306的美国临时专利申请的优先权的PCT申请，通过引用将其并入本申请。
【背景技术】
[0003] 由于压力感测装置找到了它们加入许多类型的产品中的方式，因此过去几年压力 感测装置变得十分普遍。在汽车产品、工业产品、消费产品和医疗产品中利用，对压力感测 装置的需求激增并且没有显示消退的迹象。
[0004] 压力感测装置可以包括压力传感器以及其它部件。压力传感器可以典型地包括膜 片或者隔膜。典型地，通过在娃晶片中创建惠斯通电桥(Wheatstone bridge)，随后从相对 表面将硅蚀刻掉直到在惠斯通电桥下面形成薄硅层以形成该隔膜。该薄层是可以由形成框 架的较厚的未蚀刻硅晶片部分围绕的隔膜。当压力感测装置中的压力传感器经受压力时， 隔膜可以通过改变形状进行响应。该形状变化使得隔膜上的电子部件的一个或者多个特征 改变。可以对这些变化特征进行测量，以及从这些测量结果可以确定压力。
[0005] 通常，电子部件是配置为位于隔膜上的惠斯通电桥的电阻器。随着隔膜在压力下 变形，电阻器的电阻也改变。该变化引起惠斯通电桥的输出。可以通过附接至电阻器的电线 或者引线测量该变化。
[0006] 常规压力传感器可以由附接至框架并且被框架围绕的膜片或者隔膜形成。在一些 压力传感器中，传感器可以测量两个不同位置(诸如滤波器的两侧）之间的压力差。这些可 以被称为表压传感器。在其它类型的传感器中，输出可以与已知的一致的压力(典型地可以 是真空）进行比较。这种类型的传感器可以被称为绝对压力传感器。在绝对压力传感器中， 隔膜的第一侧可以暴露于要测量的介质，而第二侧可以与基准腔接触，该基准腔可以是真 腔。隔膜暴露于介质的第一侧可以经受高压。
[0007] 隔膜上的该高压可以在框架-隔膜连结处产生高度集中的拉伸力。该应力可能在 隔膜的硅晶体结构中造成裂缝或者其它损坏。该损坏可能导致压力传感器的功能失效或者 压力测量中的误差。
[0008] 因此，所需要的是保护压力传感器上的隔膜免受由于高压造成的损坏的结构和方 法。

【发明内容】

[0009] 相应地，本发明的实施例可以提供保护压力传感器上的隔膜免受由于高压造成的 损坏的结构和方法。例示性示例可以提供具有第一晶片部分的压力传感器，该第一晶片部 分包括承载晶片或者层以及装置晶片或者层，承载晶片或者层具有背侧腔，背侧腔在装置 晶片或者层中限定隔膜。压力传感器还可以包括在隔膜上方的接合层和在接合层上方或者 附接至接合层的帽盖。接合层可以是装置晶片、帽盖晶片或者以上两者上形成的氧化物层。 在本发明的各种实施例中，可以在隔膜、接合层、帽盖或者压力传感器的其它层或者一部分 中的一个或者多个中形成基准腔。无论基准腔位于哪个层或者哪些层，基准腔可以在至少 一个方向上具有比背侧腔的宽度窄的横向宽度或者平面宽度。在其它实施例中，基准腔的 形状可以设定为使得基准腔的外边缘在背侧腔的外边缘内。这可以在隔膜和框架的连结处 提供强化并且减小应力。此外，较窄的基准腔可以限定隔膜的有源部分以使得隔膜的有源 部分与装置层和背侧腔的连结处间隔开。（如此处使用的，隔膜可以由背侧腔和框架限定， 而隔膜的一部分(有源隔膜)可以由基准腔限定。同样如此处使用的，特别是在区别并不紧 要的情况下，更一般性的术语隔膜可以意指隔膜或者有源隔膜。）在本发明的各种实施例 中，装置晶片或者层可以由硅晶片部分或者其它材料制成，接合层可以包括二氧化硅或者 玻璃或者其它材料，而帽盖或者帽盖层可以由硅晶片部分、二氧化硅或者玻璃或者其它玻 璃或者其它材料制成，所述其它玻璃包括具有低温度系数或者温度系数接近硅的温度系数 的耐热玻璃，诸如包括由Corning Incorporated许可的Pyrex?的硼娃酸盐玻璃。
[0010]本发明的实施例可以提供简化制造的传感器。再次，可以通过首先在硅晶片中创 建惠斯通电桥以及随后在惠斯通电桥下面将硅蚀刻掉以形成包括惠斯通电桥的薄的硅隔 膜来制造传感器上的隔膜。影响装置灵敏度的一个因素可以是惠斯通电桥的电阻器与有源 隔膜的边缘的接近度。本发明的实施例可以提供压力传感器，所述压力传感器中隔膜的有 源部分的边缘由基准腔的位置确定而不是由从硅的背面切割的背侧腔的位置确定。由于基 准腔比从硅的背侧切割的腔薄得多，因此可以在制造期间使惠斯通电桥与有源隔膜的边缘 更容易对准。基准腔的相对薄度还可以有助于控制腔的大小。另外，基准腔和惠斯通电桥可 以在装置的同一侧，而不是相对侧，这可以使它们更容易对准。此外，由于该第二配置可以 在接合期间需要两个晶片的对准，因此通过将基准腔设置在装置晶片或者装置晶片上的接 合层中，与将基准腔蚀刻到帽盖层或者晶片中相比接合期间的对准可能并不那么关键。 [0011]本发明的实施例还可以提供以至少两种方式被保护而免受高压力损坏的压力传 感器。在常规压力传感器中，隔膜的大小可以由蚀刻到晶片背侧中的腔的大小确定。在本发 明的各种实施例中，可以除去对背侧腔大小的该限制。显著地，隔膜的有源部分的大小不再 由背侧腔的大小确定，并且因此可以使得背侧腔的大小比隔膜的有源部分的大小大得多。 当背侧腔的大小增大时，可以减小背侧腔的拐角处生成的拉伸应力。此外，生成最大应力的 有源隔膜的边缘不再与背侧腔的拐角接近。因此，不仅可以减小最高应力，而且最高应力的 位置可以转移至有源隔膜的顶侧拐角，以及该应力可以是压缩的而不是拉伸的。硅可以在 断裂之前承受比拉伸应力更高的压缩应力，进一步地保护装置免受损坏。
[0012] 本发明的实施例还可以通过限制隔膜可以挠曲的量限制由背侧腔中的流体的高 压引起的损坏。具体地，隔膜有源部分上方的基准腔可以具有使得其可以限制隔膜挠曲的 高度或者厚度。这可以防止隔膜挠曲超过由于高压或者过度高压而可能发生损坏的量。在 本发明的具体实施例中，隔膜在正常操作期间挠曲第一距离是期望的。还可以预料到如果 允许隔膜挠曲第二距离，则可能发生损坏，第二距离大于第一距离。在该示例中，基准腔可 以具有使得防止隔膜挠曲超过第三距离的厚度或者高度，第三距离大于第一距离以允许期 望操作，但小于第二距离以防止损坏。
[0013] 在本发明的各种实施例中，可以在本发明的实施例中包括或者省略各种层。例如， 可以在装置的背部或者底部上放置可选的可共晶接合的金属层或者其它材料层。该层可以 在装置的背部或者底部上形成为薄金层以用于接合目的。该层可以便于接合到第二集成电 路装置、装置封装、装置外壳或者印刷电路板或者柔性电路板或者其它衬底。可以在装置层 或者晶片的顶表面上放置或者形成可选的多晶硅层或者其它材料层。该可选层可以位于装 置层的顶表面上以及接合层或者氧化物层下。即，可选层可以位于装置层或者晶片与接合 层或者氧化物层之间。
[0014] 本发明的各种实施例可以并入本文描述的这些特性和其它特性中的一个或者多 个。通过参照下列详细说明和附图可以获得对本发明的本质和优点的更好理解。
【附图说明】
[0015] 图1图示了根据本发明实施例的压力传感器的侧视图；
[0016] 图2图示了根据本发明实施例的压力传感器的俯视图；
[0017]图3图示了根据本发明实施例正在制造的压力传感器的一部分；
[0018] 图4图示了根据本发明实施例正在制造的压力传感器的一部分；
[0019] 图5图示了根据本发明实施例正在制造的压力传感器的一部分；
[0020] 图6图示了根据本发明实施例正在制造的压力传感器的一部分；
[0021] 图7图示了根据本发明实施例的压力传感器的一部分的侧视图；
[0022] 图8图示了根据本发明实施例的压力传感器的侧视图；
[0023]图9图示了根据本发明实施例正在制造的压力传感器的一部分；
[0024]图10图示了根据本发明实施例正在制造的压力传感器的一部分；
[0025] 图11图示了根据本发明实施例的压力传感器的一部分的侧视图；
[0026] 图12图示了根据本发明实施例的压力传感器的一部分的侧视图；
[0027] 图13图示了根据本发明实施例的另一个压力传感器的侧视图；
[0028]图14图示了根据本发明实施例的压力传感器的俯视图；
[0029]图15图示了根据本发明实施例正在制造的压力传感器的一部分；
[0030]图16图示了根据本发明实施例的另一个压力传感器的侧视图；
[0031]图17图示了根据本发明实施例的压力传感器的俯视图；
[0032]图18图示了根据本发明实施例正在制造的压力传感器的一部分；
[0033]图19图示了根据本发明实施例正在制造的压力传感器的一部分；
[0034]图20图示了根据本发明实施例正在制造的压力传感器的一部分；以及 [0035]图21图示了根据本发明实施例的另一个压力传感器的侧视图。
【具体实施方式】
[0036]图1图示了根据本发明实施例的压力传感器的侧视图。如同其它所包括的图一样， 该图出于例示性目的示出并且不限制本发明可能的实施例或者权利要求。
[0037]此压力传感器可以包括附接至压力传感器的第一晶片部分的顶部的帽盖160,其 中第一晶片部分还包括装置晶片或者层130以及承载晶片或者层110。装置晶片或者层130 可以由承载晶片或者层110支撑。承载晶片或者层110可以包括限定侧壁边缘112的背侧腔 114。背侧腔114可以从承载晶片或者层110的底表面延伸到氧化物层120的底部122。装置层 130可以具有在装置层130的顶表面中形成的一个或者多个电子部件132。电子部件132可以 由氧化物层140保护。
[0038] 尽管帽盖160可以包括底表面上的氧化物层150,但是在本发明的各种实施例中可 以省略氧化物层150。可以通过将氧化物层150熔融接合至氧化物层140以将帽盖160附接至 装置层130。在省略了一个或者多个氧化物层140或者150的实施例中，可以通过将帽盖160 熔融接合至氧化物层140、将氧化物层150熔融接合至装置层130或者将帽盖层160直接地熔 融接合至装置层130以将帽盖160附接至装置层130。可以在熔融接合之前对氧化物层150进 行蚀刻以形成凹槽，该凹槽可以形成基准腔152。可以由外边缘154限定基准腔152。尽管在 氧化物层150中形成基准腔152，但是，在本发明的此实施例和其它实施例中，可以在氧化物 层150和帽盖层160中、在氧化物层150和氧化物层140中、在装置层130中或者在它们的任何 组合中形成基准腔152。
[0039] 基准腔152可以在至少一个方向上具有比背侧腔114的宽度窄的宽度。具体地，从 压力传感器的中心线到基准腔152的边缘154的距离192可以比从中心线到背侧腔114的边 缘112的距离194短。以这种方式，由边缘154限定的隔膜的有源部分可以比由边缘112限定 的隔膜窄。在本发明的各种实施例中，基准腔152的外边缘可以在背侧腔114的边缘内部，其 中在此实施例和其它实施例中认为所述边缘是垂直的。
[0040] 在常规压力传感器中，可以不存在帽盖160。在这种情况下，当由背侧腔形成的隔 膜或者膜片挠曲时，膜片与框架之间的连结点可能经受大的拉伸力。在该图中，如果不存在 帽盖160,则该力将集中在位置124处。该力的集中可以在位置124处或者附近引起裂缝或者 其它损坏。
[0041] 相应地，本发明的实施例可以提供帽盖或者其它加强结构(诸如帽盖160)，其中基 准腔(诸如基准腔152)可以比背侧腔(诸如背侧腔114)窄。在该情况下，位置124可以由帽盖 160加强。此外，最高应力的位置可以从位置124移动到位置159。当对隔膜122的下侧施加压 力时，位置159处的应力是压缩的而不是拉伸的。此外，即使在位置124处或者附近出现一个 或者多个裂缝或者其它损坏时，裂缝也远离由基准腔152限定的有源膜片区域。
[0042]此外，在常规压力传感器中，隔膜或者膜片可以挠曲可能对压力传感器造成损坏 的量。这可能由于背侧腔中未预见的高压流体的存在或者其它原因而发生。
[0043] 相应地，本发明的实施例可以提供具有限制有源隔膜的最大挠度的高度或者厚度 的基准腔。在本发明的各种实施例中，该高度或者厚度可以使得有源隔膜能够挠曲得足以 期望地操作，但不足以对压力传感器造成损坏。具体地，边缘154可以具有允许有源隔膜挠 曲得足以适当地操作压力传感器但不足以对隔膜造成损坏或者破裂的高度。替代地，有源 隔膜挠曲以使得其到达基准腔152的顶部并且即使压力继续增大也不能进一步挠曲，从而 防止造成损坏。即，基准腔152的顶部可以充当挠曲止挡件，用以防止对压力传感器的损坏。 在本发明的各种实施例中，基准腔152的顶侧、帽盖160的下侧可以包括一个或者多个凸台 或者可以确定基准腔152的高度和有源隔膜的最大挠度的其它结构。
[0044] 在本发明的各种实施例中，压力传感器中使用的结构可以具有各种大小和宽度。 例如，尽管承载晶片或者一部分可以具有250微米到600微米的厚度，但是它可以比250微米 薄或者比600微米厚。由于装置晶片或者层130形成隔膜，因此装置晶片或者层130可以薄得 多。该厚度可以是15-25微米，但该厚度可以比15微米薄或者比25微米厚。帽盖晶片或者层 160和其它帽盖晶片或者层可以具有至少大约150微米的厚度，但是它可以比150微米窄或 者厚。掩埋氧化物层或者接合氧化物层120、140和150可以具有在0.1微米与3微米之间的厚 度，但是它们可以比该范围薄或者厚。如同本发明的其它实施例中的其它基准腔一样，基准 腔136可以具有lOOnm到500nm的厚度或者高度，但是在其它实施例中，基准腔136的厚度或 者高度可以从50nm到lOOOnm。本发明的具体实施例可以具有高度为4000A的基准腔。
[0045] 在本发明的此实施例和其它实施例中，可以在承载晶片110的背部或者底部上放 置可共晶接合的金属或者其它材料的可选层117。该层可以在装置的背部或者底部上形成 为薄金层以用于接合目的。层117可以便于接合到第二集成电路装置、装置封装、装置外壳 或者印刷电路板或者柔性电路板或者其它衬底。为了清楚起见已经从其它附图省略了可选 层 117。
[0046] 在本发明的此实施例和其它实施例中，可以在装置层或者晶片110的顶表面上放 置或者形成多晶硅或者其它材料的可选层137。可选层137可以位于装置层130的顶表面上 以及接合层或者氧化物层140下。即，可选层137可以位于装置层或者晶片130与接合层或者 氧化物层140之间。多晶硅层137可以提供场屏蔽以使装置层130的顶表面上的电阻器或者 其它部件132的电性能稳定。为了清楚起见已经从其它图省略了可选层137。
[0047] 再次，基准腔152可以在至少一个方向上具有比背侧腔114的宽度窄的宽度。在此 实施例和其它实施例中，基准腔152可以被设定大小并且对准以使得基准腔152在背侧腔 114的外边界内适配。如常规的那样，结果可以是装置隔膜在大小上由帽盖160中的凹槽152 限定而不是由背侧腔114限定。在下列图中示出了示例。
[0048] 图2图示了根据本发明实施例的压力传感器的俯视图。再次，可以将帽盖160放置 在包括承载晶片或者层110以及装置晶片或者层130的第一晶片部分上。在该示例中，凹槽 152可以具有布置为在背侧腔114的边缘112内适配的边缘154。在该示例中，凹槽152可以限 定压力传感器的有源隔膜的区域。在本发明的各种实施例中，有源隔膜可以具有各种大小。 例如，有源隔膜在大小上可以为240微米乘240微米。有源隔膜的厚度可以是20微米的数量 级。这种隔膜或者膜片可以支撑并且能够测量高达20巴(bar)、120巴或者更高的压力。
[0049] 可以省略这里示出的各种层，并且可以包括与本发明实施例一致的其它层。在下 列图中示出了制造本发明实施例的方法的具体示例。
[0050] 图3图示了根据本发明实施例的第一晶片部分。该晶片部分可以包括由氧化物层 120连结并且随后减薄的装置晶片或者层130和承载晶片或者层110。在本发明的各种实施 例中，可以在市场上获得这种结构。在本发明的其它实施例中，可以在第一晶片110上生长 氧化物层120。第二晶片或者装置晶片130可以熔融接合到氧化物层120的顶侧。装置晶片 130还可以包括氧化物层(未示出），或者可以在装置晶片130的底侧上生长氧化物层120。在 本发明的其它实施例中，装置层130可以作为外延层在氧化物层120上生长。
[0051 ] 在图4中，可以形成背侧腔114。可以通过蚀刻（例如通过使用深反应离子蚀刻 (DRIE))、显微机械加工或者其它技术形成背侧腔114。背侧腔114可以从承载晶片或者层 110的底部延伸到掩埋氧化物层120的底部122。可以在装置晶片130的顶表面上放置一个或 者多个电子部件132或者可以在装置晶片130的顶表面中或者顶表面上形成一个或者多个 电子部件132。例如，可以在装置晶片或者层130的顶表面中注入或者扩散压电电阻器。可以 在装置晶片或者层130的顶表面上形成互连迹线。可以在装置层130上方生长氧化物层或者 接合层140。该氧化物层140可以有助于保护部件132。
[0052]在图5中，可以提供帽盖160。可以在帽盖160的底侧上生长氧化物层150。
[0053] 在图6中，可以在帽盖160的底侧上的氧化物层150中蚀刻开口 152。可以将产生的 帽盖附接至图4中的结构以产生图1所示的压力传感器。
[0054] 图7图示了根据本发明实施例的压力传感器的一部分的侧视图。再次，承载晶片 110可以支撑装置层晶片130。掩埋氧化物层120可以位于承载晶片部分110与装置晶片部分 130之间。背侧腔114可以从承载晶片110的底侧延伸到氧化物层120的底侧122。可以在装置 晶片130的顶部上生长氧化物层140,以及可以在帽盖晶片或者层160的底侧上生长氧化物 层150,但是在本发明的各种实施例中，可以省略一个或者多个氧化物层140或者150。可以 使氧化物层140和150熔融接合以将帽盖160连结到装置晶片层130。帽盖160可以包括由侧 壁或者边缘154限定的凹槽152。边缘154可以是平的或者具有其它形状。
[0055] 再次，本发明的其它实施例可以提供具有在至少一个方向上比背侧腔114窄的凹 槽的压力传感器。在下列图中示出了示例。
[0056]图8图示了根据本发明实施例的压力传感器的侧视图。在该示例中，帽盖810可以 附接至装置晶片层130的顶侧。帽盖810可以包括限定边缘814的凹槽812。凹槽812可以在第 一方向上具有比相同方向上的背侧腔114的宽度窄的宽度。即，从压力传感器的中心线到凹 槽812的外边缘814的距离892可以比从中心线到背侧腔114的边缘112的距离短。再次，从垂 直角度来看，在本发明的此实施例和其它实施例中，边缘814可以被布置为使得它们在背侧 腔114的边缘112内适配。此外，尽管在该示例中，可以在帽盖810中形成凹槽812,但是在本 发明其它实施例中，可以在帽盖810、氧化物层140、装置层130或它们的任何组合中形成凹 槽 812。
[0057]如前所述，可以利用各种技术来制造这些压力传感器。可以利用与图3至图6中所 示的步骤类似的步骤以形成承载晶片或者层110、氧化物层120、装置层或者晶片130和氧化 物层140。在下列图中示出了可以如何形成帽盖810的示例。
[0058] 在图9中，在帽盖810的底侧上沉积氮化硅层910。可以在氮化硅层910中形成开口 912。随后可以生长氧化物层。该氧化物层可以在氮化硅910上有限地生长，但是可能消耗不 受保护以及被开口 912暴露的硅。可以在图10中去除该氧化物以形成凹槽812。还可以去除 氮化硅层910,并且在那里产生的帽盖810可以熔融接合至装置晶片层130的顶部上的氧化 物层140以形成图8所示压力传感器。在本发明的其它实施例中，可以省略氧化物层140,以 及帽盖810可以接合至装置层130。
[0059] 图11图示了根据本发明实施例的压力传感器的一部分的侧视图。如前所述，承载 晶片或者层110可以用于支撑装置晶片或者层130。承载晶片110可以具有从承载晶片或者 层110的底部延伸到氧化物层120的底侧的背侧腔114。可以在装置晶片130的顶部上生长氧 化物层140。帽盖810可以熔融接合至氧化物层140。具体地，帽盖810的底侧上的硅可以熔融 接合至可以已经在装置晶片或者层130上生长的氧化物层140。再次，凹槽812可以由边缘 814限定。边缘814可以是平的（如图所示)或者具有其它形状。
[0060] 再次，腔812的边缘814可以具有其它形状。在下列图中示出了示例。
[00611图12图示了腔812的边缘814可以弯曲的示例。该弯曲可以由在帽盖810的底侧上 生长氧化物层时帽盖810中的单向硅消耗引起。
[0062]图13图示了根据本发明实施例的另一个压力传感器的侧视图。如前所述，该压力 传感器可以包括附接至第一晶片部分的顶部的帽盖160,该第一晶片部分包括装置晶片或 者层130和承载晶片或者层110。装置晶片或者层130可以由承载晶片或者层110支撑。承载 晶片或者层110可以包括限定侧壁边缘112的背侧腔114。背侧腔114可以从承载晶片或者层 110的底表面延伸到氧化物层120的底部122。装置层130可以具有在其顶表面中形成的一个 或者多个电子部件132。电子部件132可以由氧化物层140保护。
[0063] 尽管帽盖160可以包括底表面上的氧化物层150,但是在本发明的此实施例和其它 实施例中，可以省略氧化物层150。可以通过将氧化物层150熔融接合至氧化物层140以将帽 盖160附接至装置层130。在不使用氧化物层150的情况下，帽盖160可以直接地熔融接合至 氧化物层140。可以在熔融接合之前对氧化物层140进行蚀刻以形成凹槽，该凹槽是基准腔 142。对氧化物层140或者其它氧化物层进行蚀刻提供的优势在于氧化物刻蚀在传统上是控 制得很好的工艺步骤。此外，基准腔的厚度可以由热氧化物层140的厚度精确地控制，这也 是控制得很好的工艺。可以由外边缘144限定基准腔142。尽管在该示例中，基准腔被示出为 延伸穿过氧化物层140,但是在本发明的各种实施例中，基准腔142可以仅部分延伸穿过氧 化物层140。与在帽盖160中形成基准腔(如图1所示)相比，在氧化物层140中形成基准腔可 以简化帽盖160与隔膜的对准。这可能至少部分地由于以下事实：帽盖160仅用于覆盖基准 腔并且其本身不限定基准腔或者有源隔膜。此外，尽管可以在氧化物层140中形成基准腔 142,但是在本发明其它实施例中，可以在氧化物层140、氧化物层150、氧化物层140、帽盖 160或者它们的任何组合中形成基准腔142。
[0064] 基准腔142可以在至少一个方向上具有比背侧腔114的宽度窄的宽度。具体地，从 压力传感器的中心线到基准腔142的边缘144的距离192可以比从中心线到背侧腔114的边 缘112的距离194短。以这种方式，由边缘144限定的隔膜的有源部分可以比由边缘112限定 的有源隔膜窄。
[0065] 在常规压力传感器中，可以不存在帽盖160,或者帽盖160可以具有形成比对应的 背侧腔宽的开口的凹槽。在这种情况下，当由背侧腔形成的隔膜或者膜片挠曲时，膜片与框 架之间的连结点可以经受大的拉伸力。在该图中，如果不存在帽盖160,则该力将集中在位 置124处。该力的集中可能在位置124处或者附近引起裂缝或者其它损坏。
[0066] 相应地，如上所述，本发明的实施例可以提供帽盖或者其它加强结构（诸如帽盖 160)，其中基准腔(诸如基准腔142)可以比背侧腔(诸如，背侧腔114)窄。在该情况下，位置 124可以由帽盖160加强。此外，最高应力位置可以从位置124移动到位置149。当对隔膜122 的下侧施加压力时，位置149处的应力是压缩的而不是拉伸的。此外，即使在位置124处或者 附近出现一个或者多个裂缝或者其它损坏时，裂缝也远离由基准腔142限定的膜片区域。 [0067]此外，在常规压力传感器中，隔膜或者膜片可以挠曲可能对压力传感器造成损坏 的量。这可能由于背侧腔中存在未预见的来自流体的高压或者其它原因而发生。
[0068]相应地，本发明的实施例可以提供具有限制隔膜的最大挠度的高度或者厚度的基 准腔。在本发明的各种实施例中，该高度或者厚度可以使得隔膜能够挠曲得足以期望地操 作，但不足以对压力传感器造成损坏。具体地，边缘144可以具有允许隔膜挠曲得足以适当 地操作压力传感器但不足以对隔膜造成损坏或者破裂的高度。替代地，隔膜挠曲以使得其 到达基准腔142的顶部并且在造成损坏之前不能进一步挠曲。即，基准腔142的顶部可以充 当挠曲止挡件，用以防止对压力传感器的损坏。在本发明的此实施例和其它实施例中，一个 或者多个表面(诸如，基准腔142的顶表面)可以包括一个或者多个凸台或者可以充当止挡 件或者对有源隔膜可以挠曲的量进行限制的其它结构。
[0069] 再次，在本发明的各种实施例中，压力传感器中使用的结构可以具有各种大小和 宽度。例如，承载晶片或者部分可以具有250微米到600微米的厚度，但是它可以比250微米 薄或者比600微米厚。由于装置晶片或者层130形成隔膜，因此装置晶片或者层130可以薄得 多。该厚度可以是15-25微米，但是该厚度可以比15微米薄或者比25微米厚。帽盖晶片或者 层160和其它帽盖晶片或者层可以具有至少大约150微米的厚度，但是它可以比150微米窄 或者厚。掩埋氧化物层或者接合氧化物层120、140和150可以具有在0.1微米与3微米之间的 厚度，但是它们可以比该范围薄或者厚。尽管如同本发明的其它实施例中的其它基准腔一 样，基准腔142可以具有100nm到500nm的厚度或者高度，但是在其它实施例中，基准腔142的 厚度或者高度可以从50nm到lOOOnm。本发明的具体实施例可以具有高度为4000A的基准腔。
[0070] 再次，基准腔142可以在至少一个方向上具有比背侧腔114的宽度窄的宽度。在此 实施例和其它实施例中，基准腔142可以被设定大小并且对准以使得基准腔142在背侧腔 114内适配。如常规的那样，结果可以是装置隔膜在大小上由氧化物层140中的凹槽142限定 而不是由背侧腔114限定。在下列图中示出了示例。
[0071] 图14图示了根据本发明实施例的压力传感器的俯视图。再次，可以将帽盖160放置 在包括承载晶片或者层110和装置层或者晶片130的第一晶片部分上。在该示例中，基准腔 142可以具有布置为在背侧腔114的边缘112内适配的边缘144。在该示例中，基准腔142可以 限定压力传感器的有源隔膜的区域。在本发明的各种实施例中，有源隔膜可以具有各种大 小。例如，有源隔膜在大小上可以为240微米乘240微米。隔膜的厚度可以是20微米的数量 级。这种隔膜或者膜片可以支撑并且能够测量高达20巴、120巴或者更高的压力。
[0072] 可以省略这里示出的各种层，并且可以包括与本发明实施例一致的其它层。在下 列图中示出了制造本发明实施例的方法的具体示例。
[0073] 图15图示了正在制造的压力传感器的一部分。可以以与图4所示部分相同或者相 似的方式形成该部分。另外，可以在将形成基准腔142的层140中形成凹槽。再次，尽管基准 腔142被示出为延伸穿过氧化物层140,但是在本发明的其它实施例中，基准腔142可以仅部 分地延伸穿过氧化物层140。可以在基准腔142上放置帽盖160(有或者没有氧化物层150)以 形成图13的压力传感器。
[0074]图16图示了根据本发明实施例的另一个压力传感器的侧视图。如前所述，该压力 传感器可以包括附接至第一晶片部分的顶部的帽盖160,该第一晶片部分包括装置晶片或 者层130和承载晶片或者层110。装置晶片或者层130可以由承载晶片或者层110支撑。承载 晶片或者层110可以包括限定侧壁边缘112的背侧腔114。背侧腔114可以从承载晶片或者层 110的底表面延伸到氧化物层120的底部122。装置层130可以具有在其顶表面中形成的一个 或者多个电子部件132。电子部件132可以由氧化物层140保护。
[0075]帽盖160可以包括底表面上的氧化物层150,但是在本发明的此实施例和其它实施 例中，可以省略氧化物层150。可以通过将氧化物层150熔融接合至氧化物层140以将帽盖 160附接至装置层130。在不使用氧化物层150的情况下，帽盖160可以直接地熔融接合至氧 化物层140,或者帽盖160可以直接地接合至装置层130。可以在熔融接合之前对氧化物层 140进行蚀刻以形成凹槽的顶部部分，该凹槽是基准腔142。还可以对装置层130进行蚀刻以 形成基准腔134的底部部分。可以由外边缘144和136限定基准腔134。与在帽盖160中形成基 准腔(如图1所示)相比，在氧化物层140和装置层130中形成基准腔可以简化帽盖160与隔膜 的对准。这可以至少部分地由于以下事实：帽盖160仅用于覆盖基准腔并且其本身不限定基 准腔。此外，尽管在氧化物层140和装置层130中形成基准腔134,但是在本发明的其它实施 例中，可以省略氧化物层140以及可以在装置层130中形成基准腔134。
[0076]基准腔136可以在至少一个方向上具有比背侧腔114的宽度窄的宽度。具体地，从 压力传感器的中心线到基准腔134的边缘144和136的距离192可以比从中心线到背侧腔114 的边缘112的距离194短。以这种方式，由边缘144和136限定的隔膜的有源部分可以比由边 缘112限定的隔膜窄。
[0077]此外，在常规压力传感器中，隔膜或者膜片可以挠曲可能对压力传感器造成损坏 的量。这可能由于背侧腔中存在未预见的来自流体的高压或者其它原因而发生。
[0078] 相应地，本发明的实施例可以提供具有限制隔膜的最大挠度的高度或者厚度的基 准腔。在本发明的各种实施例中，该高度或者厚度可以使得隔膜能够挠曲得足以期望地操 作，但不足以对压力传感器造成损坏。具体地，边缘136和144可以具有允许隔膜挠曲得足以 适当地操作压力传感器但不足以对隔膜造成损坏或者破裂的高度。替代地，隔膜挠曲以使 得其到达基准腔142、134的顶部并且在造成损坏之前不能进一步挠曲。即，基准腔134的顶 部可以充当挠曲止挡件，用以防止对压力传感器的损坏。在本发明的此实施例和其它实施 例中，一个或者多个表面(诸如，基准腔134的顶表面)可以包括一个或者多个凸台或者可以 充当止挡件或者对有源隔膜可以挠曲的量进行限制的其它结构。
[0079] 再次，在本发明的各种实施例中，压力传感器中使用的结构可以具有各种大小和 宽度。例如，承载晶片或者部分可以具有250微米到600微米的厚度，但是承载晶片或者部分 可以比250微米薄或者比600微米厚。由于装置晶片或者层130形成隔膜，因此装置晶片或者 层130可以薄得多。该厚度可以是15-25微米，但是该厚度可以比15微米薄或者比25微米厚。 帽盖晶片或者层160和其它帽盖晶片或者层可以具有至少大约150微米的厚度，但是它可以 比150微米窄或者厚。掩埋氧化物层或者接合氧化物层120、140和150可以具有在0.1微米与 3微米之间的厚度，但是它们可以比该范围薄或者厚。尽管如同本发明的其它实施例中的其 它基准腔一样，基准腔134可以具有100nm到500nm的厚度或者高度，但是在其它实施例中， 基准腔134的厚度或者高度可以从50nm到lOOOnm。本发明的具体实施例可以具有高度为 4000A的基准腔。
[0080] 再次，基准腔134可以在至少一个方向上具有比背侧腔114的宽度窄的宽度。在此 实施例和其它实施例中，基准腔134可以被设定大小并且对准以使得基准腔134在背侧腔 114内适配。如常规的那样，结果可以是装置有源隔膜在大小上由氧化物层140和装置层130 中的基准腔限定而不是由背侧腔114限定。在下列图中示出了示例。
[0081] 图17图示了根据本发明实施例的压力传感器的俯视图。再次，可以将帽盖160放置 在包括承载晶片或者层110和装置层130的第一晶片部分上。在该示例中，基准腔142可以具 有布置为在背侧腔114的边缘112内适配的边缘144。在该示例中，基准腔142可以限定压力 传感器的有源隔膜的区域。在本发明的各种实施例中，有源隔膜可以具有各种大小。例如， 有源隔膜在大小上可以为240微米乘240微米。隔膜的厚度可以是20微米的数量级。这种隔 膜或者膜片可以支撑并且能够测量高达20巴、120巴或者更高的压力。
[0082] 可以省略这里示出的各种层，并且可以包括与本发明实施例一致的其它层。在下 列图中示出了制造本发明实施例的方法的具体示例。
[0083] 可以以与图3的压力传感器部分相同或者相似的方式形成图18中的压力传感器部 分。另外，可以在装置层130的顶部中蚀刻凹槽以形成基准腔134的下部分。在图19中，可以 在装置层130上方形成氧化物层140。可以将该氧化物层保持在适当位置以保护装置132,或 者如图20所示，可以对氧化物层140进行蚀刻以形成由侧边144和136限定的基准腔134。
[0084] 在本发明其它实施例中，可以通过在装置层130上方生长氧化物层140,随后蚀刻 穿过氧化物层140到装置层130的顶部中以形成由侧边144和136限定的基准腔134,来形成 图20的压力传感器部分。
[0085] 在本发明其它实施例中，隔膜可以包括诸如凸台、轨道的结构和其它结构。可以在 美国专利No. 8，381，596中找到示例，通过引用合并该专利。在下列图中示出了示例。
[0086]图21图示了根据本发明实施例的另一个压力传感器的侧视图。如前所述，该压力 传感器可以包括附接至第一晶片部分的顶部的帽盖160,该第一晶片部分包括装置晶片或 者层130和承载晶片或者层110。装置晶片或者层130可以由承载晶片或者层110支撑。承载 晶片或者层110可以包括限定侧壁边缘112的背侧腔114。背侧腔114可以从承载晶片或者层 110的底表面延伸到氧化物层120的底部122。装置层130可以具有在凸台138中形成的一个 或者多个电子部件，其中凸台138是在装置层130中形成的示例结构。电子部件132可以由氧 化物层140保护，但是为了清楚起见没有在这里示出。
[0087] 帽盖160可以包括底表面上的氧化物层150,但是在本发明的此实施例和其它实施 例中，可以省略氧化物层150。可以通过将氧化物层150熔融接合至氧化物层140以将帽盖 160附接至装置层130。在不使用氧化物层150的情况下，帽盖160可以直接地熔融接合至氧 化物层140。可以在熔融接合之前对氧化物层140进行蚀刻以形成凹槽的顶部部分，该凹槽 是基准腔142。还可以对装置层130进行蚀刻以形成轨道、凸台或者可以形成基准腔134的一 部分的其它结构。由于背侧腔114中高压的存在或者其它原因，这些结构可以限制有源隔膜 的最大挠度以防止对装置的损坏。可以由外边缘144和136限定基准腔134。与在帽盖160中 形成基准腔(如图1所示)相比，在氧化物层140和装置层130中形成基准腔可以简化帽盖160 与隔膜的对准。这可以至少部分地由于以下事实：帽盖160仅用于覆盖基准腔并且其本身不 限定基准腔。
[0088] 基准腔136可以在至少一个方向上具有比背侧腔114的宽度窄的宽度。具体地，从 压力传感器的中心线到基准腔134的边缘144和136的距离192可以比从中心线到背侧腔114 的边缘112的距离194短。以这种方式，由边缘144和136限定的隔膜的有源部分可以比由边 缘112限定的隔膜窄。
[0089] 在本发明的以上示例和其它实施例中，可以在帽盖层810或者160、氧化物层150和 140以及装置层130中的任何一个或者多个中形成基准腔。可以省略这些层中的一个或者多 个，例如氧化物层150。此外，可以包括一个或者多个其它未示出的层。
[0090]为了图示和描述的目的，已经提供了本发明实施例的上述描述。它并不旨在穷举 或者将本发明限制于所描述的精确形式，而可以根据上述教导进行许多修改和变型。为了 最好地解释本发明的原理和其实际应用以由此使其它本领域技术人员能够最好地利用各 种实施例中以及具有如适合于构想的特定用途的各种修改的本发明，对实施例进行了选择 和描述。因此，将理解，本发明旨在覆盖下述权利要求的范围内的所有修改和等同物。
【主权项】
1 · 一种压力传感器，包括： 第一晶片部分，具有从所述第一晶片部分的底侧延伸到所述第一晶片部分中的背侧 腔，所述背侧腔限定框架的内部表面，所述内部表面包括隔膜； 所述第一晶片部分上方的接合层；以及 所述第一晶片部分上方的帽盖， 其中基准腔在所述隔膜的与所述背侧腔相对的一侧上，其中所述基准腔在至少第一维 度上的宽度比所述背侧腔在所述第一维度上的宽度窄。2. 根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述帽盖在所述底侧中具有凹槽，以形成所 述基准腔。3. 根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述基准腔在所述接合层中。4. 根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述隔膜在所述顶侧中具有凹槽，以形成所 述基准腔。5. 根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述基准腔在所述第一晶片部分、所述接合 层和所述帽盖中的多于一个中。6. 根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述基准腔被定位以使得所述基准腔的垂 直边缘在所述背侧腔的垂直边缘内。7. 根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述基准腔具有限制所述隔膜的挠曲以防 止损坏的高度。8. 根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述帽盖由硅制成。9. 根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述帽盖由硼硅酸盐玻璃制成。10. 根据权利要求8所述的压力传感器，其中所述接合层是氧化物层。11. 根据权利要求1所述的压力传感器，还包括位于所述第一晶片部分与所述接合层之 间的多晶娃层。12. 一种压力传感器，包括： 第一晶片部分，具有从所述第一晶片部分的底侧延伸到所述第一晶片部分中的背侧 腔，所述背侧腔限定框架的内部表面，所述内部表面包括隔膜； 所述第一晶片部分的顶表面上的接合层；以及 所述第一晶片部分上方的帽盖， 其中基准腔在所述帽盖之下并且其中所述基准腔在至少第一维度上的宽度比所述背 侧腔在所述第一维度上的宽度窄。13. 根据权利要求12所述的压力传感器，其中所述基准腔在所述接合层中。14. 根据权利要求12所述的压力传感器，其中所述基准腔在所述接合层和所述第一晶 片部分中。15. 根据权利要求12所述的压力传感器，其中所述基准腔在所述接合层和所述第一晶 片部分中的至少一个中。16. 根据权利要求15所述的压力传感器，其中所述基准腔被定位以使得所述基准腔的 垂直边缘在所述背侧腔的垂直边缘内。17. 根据权利要求12所述的压力传感器，其中所述基准腔具有限制所述隔膜的挠曲以 防止损坏的高度。18. 根据权利要求12所述的压力传感器，还包括位于所述第一晶片部分与所述接合层 之间的多晶硅层。19. 一种压力传感器包括： 承载晶片； 装置晶片，由第一接合层连结至所述承载晶片，其中所述承载晶片具有从底表面延伸 到所述第一接合层的背侧腔；以及 帽盖，由第二接合层连结至所述装置晶片， 其中基准腔在所述帽盖之下并且其中所述基准腔具有在所述背侧腔的外边缘内适配 的外边缘。20. 根据权利要求19所述的压力传感器，其中所述第二接合层是所述装置层的所述顶 表面上的氧化物层。21. 根据权利要求19所述的压力传感器，其中所述基准腔在所述第二接合层中。22. 根据权利要求19所述的压力传感器，其中所述基准腔在所述第二接合层和所述第 一晶片部分中。23. 根据权利要求19所述的压力传感器，其中所述基准腔在所述第二接合层和所述第 一晶片部分中的至少一个中。24. 根据权利要求19所述的压力传感器，其中所述基准腔具有限制所述隔膜的挠曲以 防止损坏的高度。25. 根据权利要求19所述的压力传感器，还包括位于所述装置晶片与所述接合层之间 的多晶硅层。
【文档编号】G01L7/08GK105874311SQ201580003470
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年2月13日
【发明人】O·阿贝德
【申请人】硅微结构股份有限公司