专利名称：一种基于晶圆键合技术的黏度传感器芯片及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种基于微机电系统(MicroElectromechanical Systems, MEMS)技术的黏度传感器芯片，更确切地说，是一种基于晶圆键合技术的黏度传感器芯片及其制备方法。
背景技术：
随着传感器技术和MEMS技术等学科的不断进步，有力地促进了流体黏度测量技术的发展，涌现了一些新的基于MEMS技术的流体黏度测量方法，以解决传统黏度测量方法所存在的诸如测量所需样品量较大、不能实时测量及输出的多为模拟量信号等缺点。基于硅微悬臂梁振动法测量流体的黏度，即是基于MEMS技术测量流体黏度的方法之一。它具体为采用单一体硅或者绝缘体上的硅(Silicon on Insulator, S0I)硅片制作的芯片封装而成的传感器来实现流体的黏度测量。采用单一体硅制作的芯片，硅微悬臂梁的厚度是通过控制湿法腐蚀的时间来保证的，但腐蚀过程中腐蚀夜的浓度改变会导致腐蚀速率发生变化，最终造成硅微悬臂梁的厚度难以达到设计要求，此外，拾振电阻与硅基底之间的PN在环境温度升高时使漏电流增大的影响，当工作温度达到80°C以上时，传感器的特性就会变差，从而造成传感器不能在高温条件下工作的局限性；采用SOI硅片制作的芯片，虽容易保证硅微悬臂梁的厚度以及由此封装而成的黏度传感器可以应用在高温场合下，但由于SOI 硅片的使用，较大的增加了芯片的制造成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于晶圆键合技术的黏度传感器芯片的制备方法，解决芯片中硅微悬臂梁的厚度控制、芯片耐高温以及避免SOI硅片的使用以降低芯片制造成本的问题，同时合理地设计芯片的惠斯通电桥以及焊盘在芯片中的布置。本发明所采用的技术方案为一种基于晶圆键合技术的黏度传感器芯片的制备方法，包括以下步骤(1)使用HF溶液，清洗(111)晶面硅片和(100)晶面硅片；(2)将(111)晶面硅片和(100)晶面硅片进行键合，键合后，(111)晶面硅片位于顶部，(100)晶面硅片位于底部；(3)减薄位于顶部的(111)晶面硅片厚度至设定厚度，然后对键合在一起的硅片进行双面氧化，在硅片正背两面分别得到厚度为0. 2 μ m 0. 4 μ m的二氧化硅层；(4)采用低压气相淀积技术在步骤(3)得到的器件正面淀积0. 5 μ m-2 μ m厚的多晶硅，之后采用离子注入技术对其进行硼离子掺杂，获得P型掺杂硅，然后以底部(100)晶面硅片为基准，沿W11]晶向和[Oil]晶向采用等离子刻蚀技术刻蚀P型掺杂硅，获得构成惠斯通电桥的四个“浮凸式”拾振电阻礼、&、R3和R4 ；(5)采用低压气相淀积技术在步骤(4)得到的器件正面淀积0. 1 μ m 0. 2 μ m厚的氮化硅作为氮化硅应力匹配层，再利用引线孔掩膜版刻蚀该氮化硅应力匹配层，之后再采用溅射和剥离工艺在所述氮化硅应力匹配层上制作0. 05 μ m 0. 1 μ m厚的金焊盘、金内引线和金线圈；(6)采用低压气相淀积技术在步骤(5)得到的器件正面淀积0. 1 μ m 0. 2 μ m厚的氮化硅电气绝缘层；(7)利用掩膜版在所述电气绝缘层上刻蚀出跳线孔，然后采用溅射工艺淀积 0. 05 μ m 0. 1 μ m厚的金层，经过剥离工艺后形成跳线；(8)采用低压气相淀积技术在步骤(7)得到的器件正面和背面分别淀积0. 2μπι 0.5μπι厚的氮化硅保护层；(9)采用等离子刻蚀技术刻蚀所述位于背面的氮化硅保护层和二氧化硅层露出腐蚀窗口，再采用KOH溶液进行背腔腐蚀，采用(111)晶面硅片作为自停止腐蚀层；(10)采用感应耦合等离子刻蚀技术释放硅微悬臂梁，再采用等离子刻蚀技术刻蚀出焊盘，最后经过划片得到所设计的黏度传感器芯片的单个芯片。所述的(111)晶面硅片和(100)晶面硅片均为双面抛光的N型单晶硅片；所述的 (111)晶面硅片和(100)晶面硅片的初始厚度均为280μπι 525μπι;所述的采用感应耦合等离子刻蚀技术所释放的硅微悬臂梁的长为0. Imm 2mm，宽度为0. Imm 2mm，厚度为 15 μ m 30 μ m0按照上述方法制得的基于晶圆键合技术的黏度传感器芯片，所述的惠斯通电桥是半开环的；所述芯片中的焊盘沿芯片固定端三侧布置。本发明基于晶圆键合技术的黏度传感器芯片及其制备方法至少具有以下优点本发明采用的(100)晶面硅片和(111)晶面硅片在KOH腐蚀液中的腐蚀速率比为400 1， 如此大的腐蚀速率比，使得键合后的硅片在KOH溶液中进行背腔腐蚀时，足够长的时间将会腐蚀至顶部(111)晶面硅片层，而顶部(111)晶面硅片的腐蚀厚度却可以忽略不计，利用 (111)晶面硅片作为自停止腐蚀层，因此，硅微悬臂梁的厚度就很容易地由减薄后的(111) 晶面硅片厚度来保证。(111)晶面硅片的上层单晶硅经过氧化后形成均勻一致的二氧化硅层，将上层的电路与硅基底隔离开，避免了电路层与硅基底之间因环境温度升高而造成的漏电流，故由这种芯片封装而成的传感器具有耐高温的特性。同时，拾振电阻由P型硼掺杂多晶硅电阻构成，它所具有的宽工作温度范围(-60°C 300°C )，也保证了传感器在高温环境下的可靠应用。整套工艺流程，在保证传感器工作性能的前提下，避免了 SOI硅片的使用，从而有效降低了黏度传感器芯片的制造成本。另外，采用半开环惠斯通电桥来代替闭环惠斯通电桥，从而解决了电桥中电阻的补偿问题。最后，芯片中的焊盘是沿芯片固定端三侧布置，替代了原来在芯片固定端单侧布置的方式，增大的焊盘间间距极大的方便了后续的引线工艺。
图1为本发明基于晶圆键合技术的黏度传感器芯片的制备工艺步骤图；图2为本发明所述的黏度传感器芯片平面结构图；图3为本发明所述的黏度传感器芯片工作原理图；图4为本发明所述的惠斯通电桥示意图。图中的标号如下表示
权利要求
1.一种基于晶圆键合技术的黏度传感器芯片的制备方法，其特征在于包括以下步骤(1)使用HF溶液，清洗(111)晶面硅片(1)和(100)晶面硅片O)；(2)将(111)晶面硅片(1)和(100)晶面硅片(2)进行键合，键合后，(111)晶面硅片 (1)位于顶部，(100)晶面硅片(2)位于底部；(3)减薄位于顶部的(111)晶面硅片(1)厚度至设定厚度，然后对键合在一起的硅片进行双面氧化，在硅片正背两面分别得到厚度为0.2μπι 0.4μπι的二氧化硅层(3、4)；(4)采用低压气相淀积技术在步骤(3)得到的器件正面淀积0.5μπι-2μπι厚的多晶硅， 之后采用离子注入技术对其进行硼离子掺杂，获得P型掺杂硅(5)，然后以底部(100)晶面硅片⑴为基准，沿Wll]晶向和[Oil]晶向采用等离子刻蚀技术刻蚀P型掺杂硅(5)，获得构成惠斯通电桥的四个“浮凸式”拾振电阻札、R2> R3和R4 ；(5)采用低压气相淀积技术在步骤(4)得到的器件正面淀积0.1 μ m 0. 2 μ m厚的氮化硅作为氮化硅应力匹配层(6)，再利用引线孔掩膜版刻蚀该氮化硅应力匹配层，之后再采用溅射和剥离工艺在所述氮化硅应力匹配层上制作0. 05 μ m 0. 1 μ m厚的金焊盘、金内引线(7)和金线圈⑶；(6)采用低压气相淀积技术在步骤(5)得到的器件正面淀积0.1 μ m 0. 2 μ m厚的氮化硅电气绝缘层(9)；(7)利用掩膜版在所述氮化硅电气绝缘层(9)上刻蚀出跳线孔，然后采用溅射工艺淀积0.05μπι 0. Ιμπι厚的金层，经过剥离工艺后形成跳线(10)；(8)采用低压气相淀积技术在步骤(7)得到的器件正面和背面分别淀积0.2μπι 0.5μπι厚的氮化硅保护层(11、12)；(9)采用等离子刻蚀技术刻蚀所述位于背面的氮化硅保护层(12)和二氧化硅层(4)露出腐蚀窗口，再采用KOH溶液进行背腔腐蚀，采用(111)晶面硅片(1)作为自停止腐蚀层；(10)采用感应耦合等离子刻蚀技术释放硅微悬臂梁，再采用等离子刻蚀技术刻蚀出焊盘，最后经过划片得到所设计的黏度传感器芯片的单个芯片。
2.如权利要求1所述的基于晶圆键合技术的黏度传感器芯片的制备方法，其特征在于所述的(111)晶面硅片和(100)晶面硅片均为双面抛光的N型单晶硅片。
3.如权利要求1或2所述的基于晶圆键合技术的黏度传感器芯片的制备方法，其特征在于所述的(111)晶面硅片和(100)晶面硅片的初始厚度均为280μπι 525μπι。
4.如权利要求1所述的基于晶圆键合技术的黏度传感器芯片的制备方法，其特征在于所述的采用感应耦合等离子刻蚀技术所释放的硅微悬臂梁的长为0. Imm 2mm，宽度为 0. Imm 2mm，厚度为 15 μ m 30 μ m。
5.根据权利要求1所述的方法制备的基于晶圆键合技术的黏度传感器芯片，其特征在于所述的惠斯通电桥是半开环的。
6.根据权利要求5所述的基于晶圆键合技术的黏度传感器芯片，其特征在于所述芯片中的焊盘沿芯片固定端三侧布置。
全文摘要
本发明提供了一种基于晶圆键合技术的黏度传感器芯片及其制备方法，本发明所述芯片的硅微悬臂梁厚度具有易控制的特点，同时，由该芯片封装而成的传感器可以应用在高温场合下，整套工艺流程避免了SOI硅片的使用，降低了芯片制造成本；该MEMS黏度传感器黏度测量范围为1mPa·s～100mPa·s、精度优于±10％FS，可以实现在静压值小于100MPa、环境温度-50℃～250℃下在线和小样品量地测量。
文档编号B81C1/00GK102259824SQ20111015611
公开日2011年11月30日 申请日期2011年6月10日 优先权日2011年6月10日
发明者刘志刚, 张桂铭, 王晓坡, 蒋庄德, 赵立波, 黄恩泽 申请人:西安交通大学