谐振式压力传感器及制造其的方法

专利名称：谐振式压力传感器及制造其的方法
技术领域：
本发明涉及谐振式压力传感器。更具体地，本发明涉及测量精度高、制造简单、且成本低的谐振式压力传感器。本发明要求于2011年8月25日提交的日本专利申请No. 2011-183857的优先权，通过引用的方式将其整体并入本文。
背景技术：
在本申请的下文中将要引用或识别的所有专利、专利申请、专利公开、科技文章等的全部内容将通过引用的方式并入本文，以更充分地描述本发明所属技术领域的状态。
图13是示出例如在日本未审查实用新型申请、首次公开第H01-171337号中披露的根据现有技术的谐振式压力传感器的主要部分的说明示意图。参照图13，硅膜片11和硅膜片11的固定部分111布置在预定流体112中。在此情况下，硅油被用作流体112。在此情况中，每一个谐振型应变计12为H形。图13示出了谐振型应变计12的H形固定端附近部分的截面图。磁体13包括轭铁131和永磁体132。轭铁131用作振动抑制器。振动抑制器(轭铁131)被设置为使得膜片11的至少一个表面靠近振动抑制器(轭铁131)的一个表面，从而硅膜片11不会由于膜片11和振动抑制器(轭铁131)之间的流体112的密度和粘度而与谐振型应变计12谐振。硅膜片11和硅膜片的固定部分111形成了凹陷部分113。硅衬底40与凹陷部分113 —起形成了腔室114。硅衬底40的一个表面固定至硅膜片的固定部分111的一个表面。压力传导孔141设置在硅衬底40中，并用于将压力导入腔室114中。压力传导接头50的一个表面邻近并经由设置在压力传导孔141的外部开口部分中的垫片42固定至娃衬底40,从而娃膜片的固定部分111不会由于娃衬底40与压力传导接头50之间的流体112的密度和粘度而与谐振型应变计12谐振。在此情况中，垫片42与硅衬底40整体构成。通孔51形成在压力传导接头50中，并与硅衬底40的压力传导孔141连接。盖60被构造为覆盖磁体13、膜片11、固定部分111、衬底40、和垫片42，并被附接至压力传导接头50。盖60的内部填充有流体112。在上述构造中，当向膜片11施加外部压力时，谐振型应变计12的固有频率根据该外部压力而改变。谐振型应变计12的振动由振动检测单元进行检测，并且提取检测频率作为输出信号。因此，可以检测施加给膜片11的外部压力。此外，由于提供了振动抑制器131，并且该振动抑制器131的一个表面被设置为邻近膜片11的至少一个表面，因此硅膜片11不与谐振型应变计12谐振。换言之，膜片11的谐振频率取决于其形状，而其谐振振幅被膜片11和轭铁131之间的间隙中的硅油112抑制。从而，即使在谐振型应变计12的震荡频率与膜片11的谐振频率匹配时，也可以防止膜片11谐振。例如，在该示例中，当在IOOcs的硅油的情况下轭铁131和膜片11之间的间隙小于0. Imm时，足以满足该条件。图14示出了在各种流体中实际测量到的Q与膜片11的间隙a之间的关系的示例。可以看出，当Q小于0. 7时，对膜片11的谐振基本没有影响。此处，A代表流体112为空气的情况，B代表流体为二氯二氟代甲烷(Freon)的情况，而C代表流体112为硅油的情况。图15是示出根据例如日本未审查专利申请、首次公开第H02-032224号披露的现有技术的谐振式压力传感器的主要部分的说明示意图。参照图15，由单晶硅制成的阻尼基板19容纳在凹陷部分11中。在中央形成了导流孔20。导流孔20的底部以热氧化方式与基底芯片(base chip) 16接合以与通孔15连接。在阻尼基板19的上部与膜片13的底部之间保持预定间隙A。由于硅油21密封在凹陷部分11的内部，因此该窄间隙△可以抑制并进而消除了谐振型应变计14的影响。
图16至图23是示出根据例如日本未审查专利申请、首次公开第H06-244438号披露的现有技术的谐振式压力传感器的主要部分的说明示意图。首先，如图16所示，在半导体衬底11的一个表面侧上形成了尖晶石外延层12。接下来，如图17所不,在半导体衬底11和尖晶石外延层12之间形成氧化硅膜13。在1987 年 10 月 23 日 Sangyotosho 发表的、由 Seijiro Furukawa 所写的 “SOIStructure Forming Technique, ”p. 259中描述了尖晶石外延层。尖晶石外延层12是代替半导体衬底11的晶体结构的膜。接下来，如图18所示，在尖晶石外延层12的表面上形成多晶硅层14，并利用退火处理将多晶硅层14转化为单晶硅层。然后，如图19所示，通过光刻技术和蚀刻技术(诸如反应离子蚀刻(RIE)技术)去除多晶娃层14、尖晶石外延层12、和氧化娃膜13的一些部分。参考标号15表不抗蚀剂。接下来，如图20所示，在半导体衬底11和多晶硅层14的表面上形成硅外延生长层16。接下来，如图21所示，在硅外延生长层16上形成应变检测传感器17。在此情况下，形成了压阻元件。接下来，如图22所示，蚀刻半导体衬底11的另一表面直达氧化硅膜13，以形成传导孔18。接下来，如图23所示，通过传导孔18执行选择性蚀刻来去除氧化硅膜13。结果，形成了膜片和间隙室。简言之，在此类型的谐振式压力传感器中，在向膜片施加了压力时，该膜片变形。在膜片变形时，在谐振型应变计中发生变形，从而谐振型应变计的谐振频率改变。施加至膜片的压力可以通过检测该频率变化来测量得到。在利用谐振型应变计的谐振式压力传感器中，谐振型应变计利用外部电路自激，从而有利地将从外部电路提供的能量仅用于谐振型应变计的振动。然而，输入至谐振型应变计的部分能量作为膜片在某一频率处的谐振能被消耗，其中在该频率处，该膜片的谐振频率与谐振型应变计的自激频率相同。因此，由于谐振型应变计的Q值降低，诸如输入/输出特性的特性变坏。作为解决该问题的一种方法，已经提出了利用填充有油的窄隙来抑制膜片的谐振的技术。作为实现该技术的具体示例，已经提出了如下方法在布置谐振型应变计的一侧布置加工件并形成间隙的方法(日本未审查实用新型申请、首次公开第ffi)l-171337号)、在面向膜片的凹陷部分的一部分中布置凸出部分的方法(日本未审查专利申请、首次公开第H02-032224号)、和蚀刻氧化层并形成间隙的方法(日本未审查专利申请、首次公开第H06-244438 号)。作为根据相关技术的制造方法，具体地讲，作为形成膜片的方法，存在日本未审查实用新型申请、首次公开第H01-171337号和日本未审查专利申请、首次公开第H02-032224号中描述的利用深度碱性蚀刻形成膜片的方法、和利用日本未审查专利申请、首次公开第H06-244438号中描述的氧化膜作为蚀刻终止层形成膜片的方法。图24是示出根据相关技术的谐振式压力传感器的主要部分的说明示意图。在利用深度碱性蚀刻形成膜片的方法中，对单晶晶片101进行各向异性湿法蚀刻以将膜片102形成为期望厚度。该厚度基于蚀刻速率和蚀刻时间来控制。在该技术中，如图24所示，形成了构造有表面(111) 103的凹陷部分。在利用日本未审查专利申请、首次公开第H06-244438号中描述的氧化膜作为蚀刻终止层形成膜片的方法中，使用了利用碱性溶液的蚀刻和等离子体蚀刻，但是由于可以 将氧化膜用作蚀刻终止层，因此可以以比利用深度碱性蚀刻的方法高的精度来控制膜厚度。然而，上述方法具有下列问题。在日本未审查实用新型申请、首次公开第H01-171337号中公开的技术中，由于利用深度碱性蚀刻形成膜片，因此难以控制以为单位的几U m到几十ii m的厚度，从而难以抑制灵敏度的变化。此外，由于利用加工件形成间隙，因此难以以高精度形成几十Pm以下的小间隙，从而对抑制膜片的谐振存在限制。此外，由于使用了加工件，因此在形成间隙时会混入外来物质。在此情况下，限制了膜片的移动范围，从而会影响到诸如输入/输出特性的特性。此夕卜，由于在形成膜片时晶体表面取向受碱性蚀刻的影响而难以自由选择膜片的形状。为此，对膜片的形状存在设计限制，从而难以灵活地设计膜片形状。在日本未审查专利申请、首次公开第H02-032224号公开的技术中，由于利用深度碱性蚀刻形成了膜片，因此难以控制以Pm为单位的几Pm到几十Pm的厚度。此外，当形成间隙时，难以以高精度利用碱性蚀刻来处理凹陷部分，并且面对的凸出部分的处理误差也会降低该精度。从而，难以以高精度形成几Pm的间隙，从而对抑制膜片的谐振存在限制。此外，由于在形成膜片时晶体表面取向受碱性蚀刻的影响而难以自由选择膜片的形状。从而，在设计膜片时，对膜片的形状存在限制，从而难以设计灵活形状的膜片。在日本未审查专利申请、首次公开第H06-244438号公开的技术中，由于利用氧化膜来形成间隙，因此在氧化膜和硅之间的边界处出现应力，从而晶片可能会弯曲或使氧化膜破裂。为了避免该状态，氧化膜厚度的限制为约3 y m至约4 y m，从而难以形成约3 y m至约4 iim或以上的间隙。为此，膜片的移动范围受间隙的制约，从而对具有需要4 或更大的位移的压力范围的传感器的设计存在制约。此外，膜片利用外延生长形成并受晶体表面的影响。从而，为了形成破裂应力高、在衬底和膜片之间的边界部分无晶体缺陷的膜片，需要考虑晶体表面来进行设计。为此，难以设计具有不受晶体取向制约的灵活形状的膜片。接下来，特别地，将描述根据相关技术的制造方法中的形成膜片的方法的问题。日本未审查实用新型申请、首次公开第mi-171337号和日本未审查专利申请、首次公开第H02-032224号中描述的深度碱性蚀刻具有下列问题。首先，深度碱性蚀刻易受到化学物温度的影响，从而难以控制厚度。此外，即使蚀刻量较大，对膜片的膜厚度的精度要求也很高，从而难以控制。此外，在蚀刻时，需要保护元件表面不受化学物影响。同时，在日本未审查专利申请、首次公开第H06-244438号中描述的利用氧化膜作为蚀刻终止层的方法中，根据氧化膜的厚度形成间隙。为此，难以形成约3 y m至约4 y m或以上的间隙，这造成了晶片弯曲或氧化膜破裂。在此情况中，膜片与相对结构接触，从而制约了膜片的移动范围。换言之，在具有需要4pm或更大的位移的压力范围的传感器的设计方面具有较大限制。图25是示出根据相关技术的谐振式压力传感器的主要部分的说明示意图。在深度碱性蚀刻中，如图25所示，在以相同形状的掩模以相同的膜片厚度执行膜片形成处理时，在由于平面取向上的蚀刻速度差造成的不同厚度的晶片中形成了具有不同最终形状的膜片。为此，在英制尺寸上不同的晶片具有不同的厚度，从而需要改变蚀刻条件或掩模 图案。这意味着在研究开发阶段制造诸如4英寸这样的小英制尺寸的原型晶片之后，为了使具有大英制尺寸(诸如8英寸或12英寸)的晶片商业化和大规模生产，需要再次形成掩模并改变制造条件。从而，为了从试制转变为商业化，不可避免地要花费格外多的时间。此外，在压力传感器中，需要再次根据压力范围设计膜片的形状和厚度。为了利用深度碱性蚀刻实现对应于多种压力范围的多种厚度的膜片，需要针对膜片的每个厚度来分别管理和制造掩模图案和制造条件。此外，甚至日本未审查专利申请、首次公开第H06-244438号中所述的利用外延生长制造的膜片也受平面取向的影响，从而难以设计不受晶体取向制约的灵活形状。

发明内容
本发明提供了谐振式压力传感器及其制造方法。这种包括谐振型应变计的谐振式压力传感器的结构具有下列特征I)其中可以抑制灵敏度的变化以及膜片厚度的可控性极好的结构。2)其中可以以亚微米级精度实现用于防止膜片谐振的间隙(亚微米至几十U m以上)的结构。3)其中可以设计没有晶体表面制约形状的膜片的结构。制造包括谐振型应变计的谐振式压力传感器的方法包括以下特征I)不依赖于晶片英制尺寸的谐振式压力传感器的制造方法。2)其中甚至不同厚度的膜片也可以利用同一掩模制造的谐振式压力传感器的制造方法。3)包括厚度变化很小的、灵敏度一致的膜片的谐振式压力传感器的制造方法。4)能够制造小间隙以抑制膜片谐振的谐振式压力传感器的制造方法。5)其中完成谐振型应变计元件的现有工艺不包括在研磨/抛光工艺和接合工艺之后的工艺中的简单工艺的谐振式压力传感器的制造方法。包括布置在膜片上的一个或多个谐振型应变计的谐振式压力传感器可以包括传感器衬底，其由硅制成，且包括在其上布置一个或多个谐振型应变计元件的一个表面和被抛光成厚度与膜片相应的另一表面；基底衬底，其由硅制成，且包括与所述传感器衬底的所述另一表面直接接合的一个表面；凹陷部分，其形成在所述基底衬底的与所述传感器衬底接合的部分中、在传感器衬底中基本上形成了所述膜片、且包括预定间隙，该预定间隙不会由于外来物质而限制膜片的移动范围，并且该预定间隙对由谐振型应变计元件的振动而激发的膜片的振动进行抑制；一个或多个传导孔，其将测量压力导入所述凹陷部分；以及流体，其通过传导孔将压力传播至所述凹陷部分并抑制膜片的振动。包括布置在膜片上的一个或多个谐振型应变计的谐振式压力传感器可以包括传感器衬底，其由硅制成，且包括在其上布置一个或多个谐振型应变计元件的一个表面和被抛光成具有与膜片相应厚度的另一表面；基底衬底，其由硅制成，且包括与所述传感器衬底的所述另一表面直接接合的一个表面；凹陷部分，其形成在所述传感器衬底的与所述基底衬底接合的部分中、基本上在传感器衬底中形成了所述膜片、且包括预定间隙，该预定间隙不会由于外来物质而限制膜片的移动范围，并且该预定间隙对由谐振型应变计元件的振动而激发的膜片的振动进行抑制；一个或多个传导孔，其将测量压力导入所述凹陷部分；以及流体，其通过传导孔将压力传播至所述凹陷部分并抑制所述膜片的振动。可以在不利用氧化膜或任何其他异种材料的情况下来在所述传感器衬底和所述 基底衬底之间进行接合。凹陷部分可以通过等离子体蚀刻和湿法蚀刻之一形成。凹陷部分的形状可以是四边形、圆形和多边形中的一种。凹陷部分可以是小于I U m至几十m以下尺寸的小间隙。—种制造其中在膜片中形成有一个或多个谐振型应变计的谐振式压力传感器的方法可以包括在传感器晶片的一个表面上形成多个谐振型应变计元件；将该传感器晶片的所述表面附接至支撑晶片的一个表面；将传感器晶片的另一表面研磨并抛光为具有与膜片相应的厚度；在基底晶片的一个表面中形成具有预定间隙的凹陷部分；将传感器晶片的所述另一表面直接接合至基底晶片的一个表面；从所述传感器晶片分离支撑晶片；以及切割接合的晶片。一种制造其中在膜片中形成有一个或多个谐振型应变计的谐振式压力传感器的方法可以包括在传感器晶片的一个表面上形成多个谐振型应变计元件；将该传感器晶片的所述表面附接至支撑晶片的一个表面；将传感器晶片的另一表面研磨并抛光为具有与膜片相应的厚度；在传感器晶片的一个表面中形成具有预定间隙的凹陷部分；将传感器晶片的所述另一表面直接接合至基底晶片的一个表面；从所述传感器晶片分离支撑晶片；以及切割接合的晶片。可以在不利用氧化膜或任何其他异种材料的情况下来执行将传感器晶片接合至基底晶片。可以通过等离子体蚀刻和湿法蚀刻之一来执行凹陷部分的形成。凹陷部分的形状可以是四边形、圆形和多边形中的一种。凹陷部分可以是小于I U m至几十m以下尺寸的小间隙。根据本发明，获得了如下效果。可以在考虑每个晶片的厚度变化的情况下针对每个晶片调整抛光量。从而，例如可以以亚微米至微米的精度来容易地控制膜片的厚度。从而，提供了能够抑制灵敏度变化的谐振式压力传感器。由于未使用异种材料进行接合，因此接合部分的破裂强度可以等于硅基底材料强度。从而，提供了具有耐破裂压力(breakagepressure-resistance)特性的谐振式压力传感器。此外，由于抑制了由热膨胀系数不同造成的热变形，因此提供了具有优良温度特性的谐振式压力传感器。此外，提供了这样的一种谐振式压力传感器其中抑制了由温度和压力变化历程造成的异种材料之间的内部残余应变，并且可以实现没有迟滞的结构。可以在基底衬底的凹陷部分和膜片之间形成几十Pm或更小的间隙。从而，可以提供这样的一种谐振式压力传感器其中，可以防止膜片的谐振，膜片的移动范围不会由于外来物质而受到限制，并且诸如输入输出特性的特性优良。由于形成基底衬底的凹陷部分的间隙的蚀刻量很小，因此提供了一种精度高且间隙可控性优良的谐振式压力传感器。基底衬底的凹陷部分(例如，几十Pm或更小)的形状变为膜片的形状。从而，与通过利用碱性溶液从形成有元件的晶片的背面进行深度各向异性蚀刻形成膜片时相比，膜片的尺寸或形状不受晶体表面(111)限制。因此，可以制造不受晶体取向限制的灵活形状，诸如圆形。特别是，当使用了利用等离子体的各向同性蚀刻时，提供了一种制造工艺简单、成本低、且灵敏度高的谐振式压力传感器。 根据本发明，获得了如下效果。可以在考虑每个晶片的厚度变化的情况下针对每个晶片调整抛光量。从而，例如可以以亚微米至微米的精度来容易地控制膜片的厚度。从而，提供了能够抑制灵敏度变化的谐振式压力传感器。由于未使用异种材料进行接合，因此接合部分的破裂强度可以等于硅基底材料强度。从而，提供了具有耐破裂压力特性的谐振式压力传感器。此外，由于抑制了由热膨胀系数不同造成的热变形，因此提供了具有优良温度特性的谐振式压力传感器。此外，提供了这样的一种谐振式压力传感器其中抑制了由温度和压力随时间变化历程造成的异种材料之间的内部残余应变，并且可以实现没有迟滞的结构。例如，可以在形成于膜片的抛光表面侧上的传感器衬底的凹陷部分与基底衬底之间形成几十Pm或更小的间隙。从而，提供了这样的谐振式压力传感器其中可以防止膜片谐振、不会由于外来物质而限制膜片的移动范围、且诸如输入输出特性的特性优良。由于用于形成传感器衬底的凹陷部分的间隙的蚀刻量很小，因此提供了一种精度高且间隙可控性优良的谐振式压力传感器。传感器衬底的凹陷部分(例如，几十Pm或更小)的形状变为膜片的形状。从而，与通过利用碱性溶液从形成有元件的晶片的背面进行深度各向异性蚀刻形成膜片时相比，膜片的尺寸或形状不受晶体表面(111)限制。因此，可以制造不受晶体取向限制的灵活形状，诸如圆形。特别是，当使用了利用等离子体的各向同性蚀刻时，可以简化制造工艺，并且可以使膜片外周的应力集中部分变圆，从而提高了耐破裂压力特性。因此，提供了一种成本低且灵敏度高的谐振式压力传感器。根据本发明，获得了下列效果。由于膜片的厚度基本由研磨/抛光处理决定，因此与利用深度碱性蚀刻不同，不需要针对由碱性蚀刻的深度造成的膜片形状不同进行掩模变化。与碱性蚀刻不同，即使在使用利用小的英制尺寸的晶片(4英寸晶片等)得到的试制结果来对大英制尺寸(8英寸、12英寸等)的晶片进行商业化时，可以应用相同的掩模图案和相同的处理，从而可以有效地执行向大规模生产的转化。从而，提供了一种不依赖于英制尺寸的谐振式压力传感器的制造方法。
考虑到每个晶片的厚度变化，可以针对每个晶片调整抛光量。从而，不同于深度碱性蚀刻，可以以几Pm单位的精度来容易地控制厚度。为此，提供了一种其中膜片具有一致灵敏度的谐振式压力传感器的制造方法。由于间隙根据蚀刻量很小的基底晶片的凹陷部分的深度来决定，因此，例如，可以容易的制造几十Pm至小于Iym的间隙。此外，由于蚀刻量很小，因此可以将精度控制在亚微米级的高精度。因此，提供了一种谐振式压力传感器的制造方法该方法能够在可控性优良状态下制造小的间隙来抑制膜片的谐振。制造其中各硅晶片彼此在接近室温下直接接合的膜片的处理(诸如室温直接接合处理或金属扩散接合处理)在低于形成在传感器晶片上的金属互连的耐热温度的温度下执行。从而，接合处理可以在其中谐振型应变计元件的金属互连处理已经完成的状态下执行。此外，即使要求根据压力范围改变膜片的形状或厚度，也可以在不依赖于膜片的形状或厚度的情况下利用相同的掩模和相同的处理来形成利用上述接合处理的膜片。低温接合具有许多其他优点。通常，当在谐振型应变计形成之后执行800°C以上的·高温处理时，会出现杂质元素的重分布、原子的重排列、或再结晶，从而传感器的器件特性会劣化。可以在例如约400°C以下的温度下执行制造膜片的处理(诸如室温直接接合处理或金属扩散接合处理)，从而不存在不利地影响压力传感器的特性的硅蠕变(creep)或热变形。从而，可以实现具有优良特性的谐振式压力传感器的制造方法。根据本发明，获得了下列效果。由于膜片的厚度基本由研磨/抛光处理决定，因此与深度碱性蚀刻不同，不需要针对深度蚀刻深度造成的膜片形状不同进行掩模变化。与碱性蚀刻不同，即使在使用利用小的英制尺寸的晶片(4英寸晶片等)得到的试制结果来对大英制尺寸(8英寸、12英寸等)的晶片进行商业化时，也可以应用相同的掩模图案和相同的处理，从而可以有效地执行向大规模生产的转化。从而，提供了一种不依赖于英制尺寸的谐振式压力传感器的制造方法。考虑到每个晶片的厚度变化，可以针对每个晶片调整抛光量。从而，不同于深度碱性蚀刻，可以以微米级的精度来容易地控制厚度。为此，提供了一种其中膜片具有一致灵敏度的谐振式压力传感器的制造方法。由于间隙根据蚀刻量很小的传感器晶片的凹陷部分的深度来决定，因此，例如，可以容易的制造几十Pm至小于Iym的间隙。此外，由于蚀刻量很小，因此可以将精度控制在亚微米级的高精度。因此，提供了一种谐振式压力传感器的制造方法该方法能够在可控性优良的状态下制造小的间隙来抑制膜片的谐振。此外，当使用了利用等离子体的各向同性蚀刻时，可以简化制造工艺，以及可以使膜片外周上的应力集中部分变圆，从而提高了耐破裂压力特性。因此，提供了一种成本低且灵敏度高的谐振式压力传感器。制造其中各硅晶片彼此在接近室温下直接接合的膜片的处理(诸如室温直接接合处理或金属扩散接合处理)在低于形成在传感器晶片上的金属互连的耐热温度的温度下执行。从而，接合处理可以在其中谐振型应变计元件的金属互连处理已经完成的状态下执行。此外，即使要求根据压力范围改变膜片的形状或厚度，也可以在不依赖于膜片的形状或厚度的情况下来利用相同的掩模和相同的处理来形成利用上述接合处理的膜片。通常，当在形成谐振型应变计之后执行800°C以上的高温处理时，会出现杂质元素的重分布、原子的重排列、或再结晶，从而传感器的器件特性会劣化。可以在例如约400°C以下的温度下执行制造膜片的处理(诸如室温直接接合处理或金属扩散接合处理)，从而不存在不利地影响压力传感器的特性的硅蠕变(ere印)或热变形。从而，可以实现具有优良特性的谐振式压力传感器的制造方法。


从下面结合附图对一些优选实施例的描述，本发明的上述特征和优点将变得更加明显，附图中图I是示出根据本发明第一优选实施例的谐振式压力传感器的构造的说明示意图；
图2是示出图I所示膜片的多种形状的说明示意图；图3 (a)至图3 (g)是示出制造根据本发明第一优选实施例的图I所示谐振式压力传感器的工艺的说明示意图；图4是示出图3所示的制造工艺的工艺流程的说明示意图；图5是示出根据本发明第二优选实施例的谐振式压力传感器的构造的说明示意图；图6是示出图5所示膜片的多种形状的说明示意图；图7 (a)至图7 (h)是示出制造根据本发明第二优选实施例的图5所示谐振式压力传感器的工艺的说明示意图；图8是示出图7所示的制造工艺的工艺流程的说明示意图；图9是示出根据本发明第三优选实施例的谐振式压力传感器的构造的说明示意图；图10是示出图9所示膜片的多种形状的说明示意图；图11 (a)至图11 (h)是示出制造根据本发明第三优选实施例的图9所示谐振式压力传感器的工艺的说明示意图；图12是示出图11所示的制造工艺的工艺流程的说明示意图；图13是示出根据相关技术的谐振式压力传感器的主要部分的说明示意图；图14示出以各种流体实际测量到的Q和膜片11的间隙a之间的关系的示例；图15是示出根据相关技术的谐振式压力传感器的主要部分的说明示意图；图16至图23是根据相关技术的谐振式压力传感器的主要部分的说明示意图；图24是示出根据相关技术的谐振式压力传感器的主要部分的说明示意图；以及图25是示出根据相关技术的谐振式压力传感器的主要部分的说明示意图。
具体实施例方式下文中将参照示例性优选实施例描述本发明。本领域技术人员将会意识到可以利用本发明的教导完成许多替代优选实施例，并且本发明不限于本发明所示出的优选实施例，其仅用于说明的目的。第一优选实施例图I是示出根据本发明第一优选实施例的谐振式压力传感器的构造的说明示意图。图2是示出图I所示膜片的多种形状的说明示意图。谐振式压力传感器包括传感器衬底410和基底衬底430。传感器衬底410和基底衬底430由娃制成。多个谐振型应变计兀件411设置在传感器衬底410的一个表面上,而传感器衬底410的另一表面在对应于膜片412的厚度处保持抛光。传感器衬底410的另一表面与基底衬底430的一个表面直接接合。在基底衬底430的与传感器衬底410接合的一部分中形成了凹陷部分435。凹陷部分435实质上在传感器衬底410中形成膜片412。凹陷部分435具有预定间隙，其中膜片412的移动范围不受外来物质的制约，并且其中对结合了流体446 (稍后描述)的谐振型应变计元件411的振动所激励的膜片412的谐振施加阻尼效应。传导孔445将测量压力导向凹陷部分435。流体446通过传导孔445将压力传播至凹陷部分435，并抑制膜片412的振动。
换言之，谐振式压力传感器400构造有传感器衬底410和基底衬底430。传导孔445通过等离子体蚀刻、碱性蚀刻等形成在基底衬底430中。该孔具有传导孔意义上的任何形状。谐振型应变计元件411制造在膜片412的上表面415上。膜片的厚度420根据传感器衬底410的厚度来决定。为此，调整膜片的厚度420以执行研磨/抛光达期望厚度。由于可以对每个晶片微调抛光量，因此每个晶片的厚度可以控制在以Pm为单位的高精度。传感器衬底410和基底衬底430由硅制成，并且不利用氧化膜或任何其他异种材料来执行这两种衬底的接合。为此，甚至在接合界面上也可以实现等于硅基底材料强度的破裂强度。此外，可以实现具有优良温度特性的谐振式压力传感器 400。基底衬底430的凹陷部分435用作通过接合形成的间隙435。凹陷部分435通过等离子蚀刻、湿法蚀刻等形成。由于凹陷部分435无需利用碱性溶液(K0H、TMAH等)进行深度蚀刻，因此可以以高精度形成小于I Pm至几十Pm以下的间隙。从而，可以给予其中考虑了外来物质的间隙的设计以自由度，或者给予其中考虑了膜片412的移动范围的间隙设计以自由度。膜片412的尺寸可以设置为基底衬底430的凹陷部分435的尺寸440。如图2所示，可以将四边形460、圆形465、多边形470等用作凹陷部分435的具体形状。由于基底衬底430的凹陷部分435是小于I 至几十U m以下的小间隙，因此，与通过利用碱性化学物(K0H、TMAH等)的深度蚀刻形成膜片的方法不同，蚀刻表面对衬底面内方向上的尺寸没有限制。从而，可以不受膜片晶体取向限制而自由设计凹陷部分435的形状。图3是示出制造根据本发明第一优选实施例的图I所示谐振式压力传感器的工艺的说明示意图。图4是示出图3所示的制造工艺的工艺流程的说明示意图。图3中的(a)至(g)分别代表与图4中的(a)至(g)相同的工艺。图3(a)代表制造传感器晶片510的工艺。已经进行了该工艺的传感器晶片510包括形成在其一个表面上的谐振型应变计元件411。即，传感器晶片510是其上已经形成了谐振型应变计元件411和金属互连的晶片。换言之，由于已经完成了布置谐振型应变计元件411的表面的处理，因此后续工艺中的该处理是不必要的。此外，由于谐振型应变计元件411太小而不能显示出，因此通过与传感器晶片510不同的阴影来指示谐振型应变计元件411的布置区域。图3 (b)示出了附接传感器晶片的处理。利用附接材料522将支撑晶片521附接至传感器晶片510的元件表面。附接材料522的示例包括热塑性粘合剂、化学溶液型粘合齐U、UV粘合剂、双面胶带、以及WAX。由于附接精度影响随后的研磨/抛光处理中厚度的变化，因此需要控制总厚度变化(TTV)(晶片平面厚度的最小值与最大值之间的差)和弯曲。支撑晶片521由诸如蓝宝石、玻璃、硅等的材料制成。支撑晶片的形状没有特别限制。图3 (C)示出了研磨/抛光传感器晶片的背面的处理。附接至支撑晶片521的传感器晶片510的作为与谐振型应变计元件411相反侧的表面531被研磨/抛光达到期望厚度。此时，应该执行抛光直到在研磨工艺时形成的破裂层或研磨标记消失。在减少了厚度的传感器晶片510中，在进行了研磨/抛光的研磨/抛光表面上呈现谐振型应变计元件411的凹凸图案来作为凹凸图案。研磨/抛光表面的凹凸图案导致接合时的非接合部分或导致传感器中的接合变形。从而，期望传感器晶片510的元件表面的凹凸图案平坦化。此外，当传感器晶片510被研磨/抛光成lOOym以下厚度时，在以晶片为单位进行处理时晶片易于破裂。然而，在附接了支撑晶片521的情况下，即使在传感器晶片510为几十m以下厚度时也可以进行处理。 在研磨/抛光之后，优选地执行清洁处理(未示出)以提高研磨/抛光表面的洁净度。例如，执行物理清洁(CO2清洁或双流体清洁)或酸及碱清洁来作为清洁处理。清洁处理可以在小于等于附接材料的耐热温度的温度下执行，从而有必要使用一种对该材料具有耐化学性的化学物。图3 (d)不出了制造基底晶片的处理。在基底晶片540中形成压力传导孔541和凹陷部分542。可以对基底衬底540实施能够形成压力传导孔541的任何技术，诸如等离子体蚀刻或湿法蚀刻。该孔可以具有适于传导孔的任何形状。类似地，凹陷部分542利用等离子体蚀刻、湿法蚀刻等形成。图3 (e)示出了直接接合晶片的处理。形成有压力传导孔541和凹陷部分542的基底衬底540与附接至支撑晶片521的研磨/抛光的传感器晶片510接合在一起。此时，需要在小于等于附接材料的耐热温度的温度下将基底晶片540与传感器晶片510接合在一起。具体地，粘合剂的最高温度为约100°C到约200°C，并且在双面胶带的情况下为约150°C。从简化处理的角度来看，期望在还未对研磨/抛光表面执行薄膜形成工艺或改性工艺(modifying process)的状态下执行接合处理。满足该条件的接合处理的示例包括室温直接接合处理和金属扩散接合处理。利用离子枪或快速原子束FAB枪对晶片的表面进行蚀刻以提高接合表面的活性，然后在高真空条件下执行室温直接接合处理。该技术的特征在于在室温下进行接合处理，并且该表面适于进行硅接合。此外，从附接材料放出的气体被再次附至该表面，从而使接合力显著降低。从而，应该选择不放出气体的材料作为附接材料。金属扩散接合处理是指将原子级金属层附接在衬底表面上的技术，而不是像室温直接接合处理那样通过蚀刻提高表面活性。类似于室温直接接合处理，在高真空下执行该接合处理。在该接合处理中，由于在原子层等级下非常薄地附接异种材料，因此可以不劣化压力传感器的特性地来执行接合。除了上述技术，还可以将等离子体活化接合技术用作低温接合技术。执行等离子体活化接合以使得在其中通过利用诸如Ar，N2,和O2气体的等离子体将OH基团布置在表面上的状态下，将各表面临时彼此接合(简单附接)，然后在约400°C的温度下通过退火增加接合强度。在该技术中，接合时产生的H2O造成了空隙。然而，在具有小接合面积的结构(诸如膜片)中，H2O脱离了接合界面，而即使在硅与硅之间进行接合时也可以实施不会造成空隙的优良接合。图3 (f)示出了分离支撑晶片的处理。基底晶片540和被抛光成具有薄的厚度并且随后直接接合至基底晶片540的传感器晶片510与支撑晶片521分离。分离支撑晶片521的方法根据使用的粘合剂而不同。例如，在热塑性粘合剂的情况中，通过在加热的状态下滑动支撑晶片来进行分离。此外，在热分离型双面胶带的情况中，可以简单地通过加热来进行分离。尽管未示出，但是在分离后，为了去除附接材料的残留，期望通过旋转清洗、化学浸泡等方法清洁传感器元件表面。图3 (g)示出了切割处理。作为对晶片进行的最终处理，对已经去除了支撑晶片521的接合晶片560进行切割处理。结果，完成了谐振式压力传感器400。
因此，由于膜片412的厚度根据研磨/抛光量进行调整，因此可以对每个晶片的厚度进行微调。例如，可以以微米至亚微米的精度容易地控制膜片的厚度。相应地，提供了一种其中能够抑制灵敏度变化的谐振式压力传感器。由于未使用异种材料进行接合，因此接合部分可以具有与硅基底材料强度相同的破裂强度。从而，提供了一种具有优良耐破裂压力特性的谐振式压力传感器。此外，由于抑制了由不同热膨胀系数造成的热变形，提供了一种具有优良温度特性的谐振式压力传感器。此外，提供了一种其中抑制了由温度和压力历程造成的异种材料之间的内部残余应变、以及可以实施不具有迟滞的结构的谐振式压力传感器。由于可以根据基底衬底540的凹陷部分的深度决定间隙，例如，可以在基底衬底的凹陷部分435和膜片412之间形成几十Pm或以下的间隙。从而，提供了这样的一种谐振式压力传感器其中可以防止膜片412的谐振、膜片的移动范围不会由于外来部物质而受限，以及诸如输入输出特性的特性优良。基底衬底430的(例如，几十Pm或以下的)凹陷部分的形状变为和膜片412—样的形状。从而，相比于通过从形成有谐振型应变计411的晶片背面执行利用碱性溶液的深度各向异性蚀刻形成膜片的情况，膜片的形状或尺寸不受晶体表面(111)的限制。因此，可以制造不受晶体取向限制的灵活形状(诸如圆形)。特别是，当使用了利用等离子体的蚀刻时，实现了制造工艺简单、成本低、且灵敏度高度一致的谐振式压力传感器。此外，与深度碱性蚀刻不同，由于膜片412的厚度基本由研磨/抛光处理决定，因此提供了这样一种制造谐振式压力传感器的方法其不需要针对由蚀刻深度造成的膜片形状不同来进行掩模变化。与碱性蚀刻不同，即使在利用通过具有小英制尺寸的晶片(4英寸晶片等)的试制结果来对具有大英制尺寸(8英寸、12英寸等)的晶片进行商业化时，也可以使用相同的掩模图案和相同的处理，从而可以有效执行向大规模生产的转化。从而，提供了一种不依赖于晶片的英制尺寸来制造谐振式压力传感器的方法。类似地，即使要求根据压力范围改变膜片412的形状或厚度，也可以在不依赖于膜片412的形状或厚度的情况下利用相同的掩模和相同的工艺来形成利用上述接合处理的膜片。在低于形成在传感器晶片510上的金属互连的耐热温度的温度下执行其中各硅晶片彼此直接接合的制造膜片的处理，诸如室温直接接合处理或金属扩散接合处理。从而，可以在其中已经首先完成了谐振型应变计元件的金属互连处理的状态下执行接合处理。
此外，可以在例如约400°C或以下的温度下执行制造膜片的处理，诸如室温直接接合处理或金属扩散接合处理。从而，不会保留影响压力传感器特性的硅蠕变或热变形。从而，可以实现制造具有优良特性的谐振式压力传感器的方法。第二优选实施例图5是示出根据本发明第二优选实施例的谐振式压力传感器的构造的说明示意图。图6是示出图5所示的膜片的多种形状的说明示意图。谐振式压力传感器包括传感器衬底610和基底衬底630。传感器衬底610和基底衬底630由娃制成。多个谐振型应变计兀件611设置在传感器衬底610的一个表面上,而传感器衬底610的另一表面在对应于膜片612的厚度处被抛光以形成凹陷部分635。传感器衬底610的另一表面与基底衬底630的一个表面直接接合。在传感器衬底610的与基底衬底630接合的一部分中形成了凹陷部分635。凹陷 部分635实质上在传感器衬底610中形成膜片612。凹陷部分635具有预定间隙，其中膜片612的移动范围不受外来物质的制约，并且其中对由于流体646 (稍后描述)造成的谐振型应变计元件611的振动所激励的膜片612的谐振施加阻尼效应。传导孔645将测量压力导向凹陷部分635。流体646通过传导孔645将压力传播至凹陷部分635，并抑制膜片612的振动。换言之，谐振式压力传感器600构造有传感器衬底610和基底衬底630。传导孔645通过等离子体蚀刻、碱性蚀刻等形成在基底衬底630中。该孔可以具有适于传导孔的任何形状。谐振型应变计元件611制造在膜片612的上表面615上。膜片的厚度620由通过从传感器衬底610的厚度减去为了形成凹陷部分635而对传感器衬底610的背面进行的蚀刻量而得到的值来决定。为此，膜片612的厚度的精度以研磨/抛光的微米精度和蚀刻的亚微米精度之和来表达，从而具有微米级处理精度。传感器衬底610和基底衬底630由硅制成，并且不利用氧化膜或任何其他异种材料来执行这两种衬底的接合。因此，甚至在接合界面上也可以实现等于硅基底材料强度的破裂强度。此外，可以实现具有优良温度特性的谐振式压力传感器。此外，为了蚀刻传感器衬底610的凹陷部分635，使用了利用各向同性蚀刻形成的倒圆部分(rounding portion)650,从而可以分散膜片612的应力集中。结果,提高了传感器的耐破裂压力性能。传感器衬底的凹陷部分635与基底衬底630接合，从而形成了间隙。凹陷部分635通过等离子蚀刻、湿法蚀刻等形成。由于凹陷部分635无需进行利用碱性化学物(K0H、TMAH等)的深度蚀刻，因此可以以高精度形成小于I Pm至几十Pm以下的间隙。从而，可以给予其中考虑了外来物质的间隙的设计以自由度，或者给予其中考虑了膜片612的移动范围的间隙设计以自由度。膜片612的尺寸可以设置为基底衬底630的凹陷部分635的尺寸640。如图6所示，可以将四边形660、圆形665、多边形670等用作凹陷部分635的具体形状。由于传感器衬底610的凹陷部分635是小于I 至几十Pm以下的小间隙，因此，与通过利用碱性化学物(K0H、TMAH等)的深度蚀刻形成膜片的方法不同，蚀刻表面对衬底面内方向上的尺寸没有限制。从而，可以不受膜片晶体取向限制而自由设计凹陷部分635的形状。图7是示出制造根据本发明第二优选实施例的图5所示谐振式压力传感器的工艺的说明示意图。图8是示出图7所示的制造工艺的工艺流程的说明示意图。图7中的(a)至(h)代表与图8中的(a)至(h)相同的工艺。图7(a)代表制造传感器晶片710的处理。已经进行了该处理的传感器晶片710包括形成在其一个表面上的谐振型应变计元件611。即，传感器晶片710是其上已经形成了谐振型应变计元件611和金属互连的晶片。换言之，由于已经完成了对在其上布置谐振型应变计元件611的表面的处理，因此随后工艺中的该处理是不必要的。图7 (b)示出了附接传感器晶片710的处理。利用附接材料722将支撑晶片721附接至传感器晶片710的元件表面。附接材料722的示例包括热塑性粘合剂、化学溶液型粘合剂、UV粘合剂、双面胶带、以及WAX。由于附接精度影响随后的研磨/抛光处理中厚度的变化，因此需要控制TTV(晶片面内厚度的最小值与最大值之间的差)和弯曲。支撑晶片721由诸如蓝宝石、玻璃、硅等的 材料制成。支撑晶片721的形状没有特别限制。图7 (C)示出了研磨/抛光传感器晶片的背面的处理。附接至支撑晶片721的传感器晶片710的与作为谐振型应变计元件611相对侧的表面731被研磨/抛光达到期望厚度。此时，应该执行抛光直到破裂层或在研磨工艺时形成的研磨标记消失。在减少了厚度的传感器晶片710中，在进行了研磨/抛光的研磨/抛光表面上呈现谐振型应变计元件611的凹凸图案来作为凹凸图案。研磨/抛光表面的凹凸图案导致接合时的非接合部分或导致传感器中的接合变形。从而，期望使传感器晶片710的元件表面的凹凸图案平坦化。此外，当传感器晶片710被研磨/抛光成lOOym以下厚度时，在以晶片为单位进行处理时晶片易于破裂。然而，在附接了支撑晶片721的情况下，即使在传感器晶片710为几十y m以下厚度时也可以进行处理。在研磨/抛光之后，优选地执行清洁处理(未示出)以提高研磨/抛光表面的洁净度。例如，执行物理清洁(CO2清洁或双流体清洁)或酸及碱清洁来作为清洁处理。清洁处理可以在小于等于附接材料的热分解温度的温度下执行，从而需要使用该材料对其具有耐化学性的化学物。图7 (d)示出了在传感器晶片的背面上形成图案的处理。利用抗蚀剂通过光刻技术在研磨/抛光面上形成凹陷部分742，然后利用诸如干法蚀刻的技术对该凹陷部分742进行蚀刻。蚀刻后，去除抗蚀剂，从而在传感器晶片中形成了凹陷部分742。图7 (e)示出了制造基底晶片的处理。在基底晶片740中形成压力传导孔741。可以利用能够形成压力传导孔的任何技术(诸如等离子体蚀刻或湿法蚀刻)来形成压力传导孔741。该孔可以具有适于传导孔的任何形状。图7 (f)示出了直接接合晶片的处理。形成有压力传导孔741的基底晶片740与形成有凹陷部分742的传感器晶片710接合在一起。此时，需要在小于等于附接材料的耐热温度的温度下将基底晶片与传感器晶片接合在一起。具体地，粘合剂的最高温度为约100°C到约200°C，并且在双面胶带的情况下为约150°C。从简化工艺的角度出发，期望在还未对研磨/抛光表面执行薄膜形成处理或改性处理的状态下执行接合处理。满足该条件的接合处理的示例包括室温直接接合处理和金属扩散接合处理。在利用离子枪或FAB枪蚀刻晶片的表面来提高接合表面活性之后，在高真空下执行室温直接接合处理。该技术的特征在于在室温下进行接合处理，并且该表面适于进行硅与硅之间的接合。此外，从附接材料放出的气体被再次附至该表面，从而使接合力显著降低。从而，应该选择不放出气体的材料作为附接材料。金属扩散接合处理是指将原子级层附接在衬底表面上的技术，而不是像室温直接接合处理那样通过蚀刻提高表面活性。类似于室温直接接合处理，在高真空下执行该接合处理。在该接合处理中，由于在原子层等级下非常薄地附接异种材料，因此可以在不劣化压力传感器的特性的情况下执行接合。除了上述技术，还可以将等离子体活化接合技术用作低温接合技术。等离子体活化接合是指这样一种技术，其中在利用诸如Ar，N2,和O2的气体的等离子体将OH基团布置在表面上的状态下，将各表面临时彼此接合(简单附接)，然后在约400°C的温度下通过退火增加接合强度。在该技术中，接合时由OH基团产生的H2O造成了空隙。然而，在具有小接合面积的结构(诸如膜片)中，H2O脱离了接合界面，从而可以实现不会造成空隙的优良接合。
图7 (g)示出了分离支撑晶片的处理。基底晶片和被抛光成具有薄的厚度并且随后直接接合至基底晶片740的传感器晶片与支撑晶片721分离。分离支撑晶片721的方法根据使用的粘合剂而不同。例如，在热塑性粘合剂的情况中，通过在加热的状态下滑动支撑晶片来进行分离。此外，在热分离型双面胶带的情况中，可以简单地仅通过加热来进行分离。尽管未示出，但是在分离后，为了去除附接材料的残留，期望通过旋转清洗、化学浸泡等清洁传感器兀件表面。图7 (h)示出了切割处理。作为对晶片进行的最终处理，对已经分离了支撑晶片的接合晶片760进行切割处理。结果，完成了谐振式压力传感器600。因此，通过研磨/抛光量以及干法蚀刻的精细调整来针对每个晶片调整膜片612的厚度，从而可以以微米至亚微米的精度容易地控制膜片的厚度。相应地，提供了一种其中抑制了灵敏度变化的谐振式压力传感器。由于未使用异种材料进行接合，因此接合部分可以具有与硅基底材料强度相同的破裂强度。从而，提供了一种具有优良的耐破裂压力特性的谐振式压力传感器。此外，由于抑制了由不同热膨胀系数造成的热变形，从而提供了一种具有优良温度特性的谐振式压力传感器。此外，提供了一种其中抑制了由温度和压力历程造成的异种材料之间的内部残余应变、以及可以实现不具有迟滞的结构的谐振式压力传感器。由于可以根据传感器衬底的凹陷部分的深度决定间隙，因此可以在传感器衬底的凹陷部分635和基底衬底之间以微米至亚微米级精度来容易地控制膜片的厚度。此外，由于蚀刻量很小，因此可以将精度控制在亚微米级的高精度。因此，提供了这样的一种谐振式压力传感器其中可以防止膜片612的谐振、膜片的移动范围不会由于外来物质而受限，以及诸如输入输出特性的特性优良。此外，当使用了利用等离子体的各向同性蚀刻时，可以简化制造工艺，并且可以使膜片外周上的应力集中部分变圆，从而提高了耐破裂压力特性。相应地，提供了一种成本低灵敏度高的谐振式压力传感器。传感器衬底610的(例如，几十Pm或以下)凹陷部分635的形状变为与膜片412一样的形状。从而，相比于通过从形成有谐振型应变计元件611的衬底背面执行利用碱性溶液的深度各向异性蚀刻形成膜片的情况，膜片的形状或尺寸不受晶体表面(111)的限制。因此，可以制造不受晶体取向限制的灵活形状(诸如圆形)。特别是，当使用了利用等离子体的各向同性蚀刻时，可以简化制造工艺，并且可以使膜片外周上的应力集中部分变圆，从而提高了耐破裂压力特性。相应地，提供了一种成本低灵敏度高的谐振式压力传感器。此外，与深度碱性蚀刻不同，由于膜片的厚度由研磨/抛光处理以及等离子蚀刻决定，因此提供了一种这样的制造谐振式压力传感器的方法该方法不需要针对由于蚀刻深度造成的膜片形状的不同进行掩模变化。换言之，与碱性蚀刻不同，即使在利用通过具有小英制尺寸的晶片(4英寸晶片等)的试制结果来对具有大英制尺寸(8英寸、12英寸等)的晶片进行商业化时，也可以使用相·同的掩模图案和相同的工艺，从而可以有效执行向大规模生产的转化。从而，提供了一种不依赖于晶片的英制尺寸制造谐振式压力传感器的方法。类似地，即使要求根据压力范围改变膜片的形状或厚度，也可以在不依赖于膜片的形状或厚度的情况下利用相同的掩模和相同的工艺来形成利用上述接合处理的膜片。在低于形成在传感器晶片710上的金属互连的耐热温度的温度下执行其中各硅晶片彼此直接接合的制造膜片的处理，诸如室温直接接合处理或金属扩散接合处理。从而，可以在其中已经完成了谐振型应变计元件611的金属互连处理的状态下执行接合处理。此夕卜，由于可以在例如约400° C或以下的温度下执行制造膜片的处理(诸如室温直接接合处理或金属扩散接合处理)，从而，不会保留影响压力传感器特性的硅蠕变或热变形。从而，提供了一种制造具有优良特性的谐振式压力传感器的方法。第三优选实施例图9是示出根据本发明第三优选实施例的谐振式压力传感器的构造的说明示意图。图10是示出图9所示的膜片的多种形状的说明示意图。谐振式压力传感器800包括传感器衬底810和基底衬底830。传导孔845通过等离子体蚀刻、碱性蚀刻等形成在基底衬底830中。传导孔845可以具有适于传导孔的任何形状。谐振型应变计元件811制造在膜片812的上表面815上。膜片的厚度根据传感器衬底810的厚度来决定。为此，调整膜片的厚度820以执行研磨/抛光达期望厚度。由于可以对每个晶片微调研磨/抛光量，因此每个晶片的厚度可以以Pm为单位进行高精度的控制。传感器衬底810和基底衬底830由硅制成，并且不利用氧化膜或任何其他异种材料来执行这两种衬底的接合。为此，甚至在接合界面上也可以实现等于硅基底材料强度的破裂强度。此外，可以实现具有优良温度特性的传感器。基底衬底830的凹陷部分835被设置为通过接合形成的间隙。该间隙通过等离子蚀刻、湿法蚀刻等形成。由于该间隙无需利用碱性化学物(KOH、TMAH等)进行深度蚀刻，因此可以以高精度形成小于I Pm至几十Pm以下的间隙。从而，可以给予其中考虑了外来物质的间隙的设计以自由度，或者给予其中考虑了膜片812的移动范围的间隙设计以自由度。膜片812的尺寸可以设置为基底衬底830的凹陷部分的尺寸840。如图10所示，可以将四边形860、圆形865、多边形870等用作凹陷部分835的具体形状。由于基底衬底830的凹陷部分835是小于I 至几十U m以下的小间隙，因此，与通过利用碱性化学物(KOH、TMAH等)的深度蚀刻形成膜片的方法不同，蚀刻的平面取向对掩模图案的形状没有限制。从而，可以不受膜片晶体取向限制地自由设计凹陷部分835的形状。形成在传感器衬底810中的环状倒圆部分850可以减轻膜片上的应力集中，从而可以提高耐破裂压力特性。图11是示出制造根据本发明第三优选实施例的图9所示谐振式压力传感器的工艺的说明示意图。图12是图11所示的制造工艺的工艺流程图的说明示意图。图11 (a)代表制造传感器晶片910的处理。已经进行了该处理的传感器晶片910包括形成在其一个表面911上的谐振型应变计元件811。即，传感器晶片910是其上已经形成了谐振型应变计元件811和金属互连的晶片。换言之，由于已经完成了对在其上布置谐振型应变计元件811的表面911的处理，因此后续工艺中的该处理是不必要的。 图11 (b)示出了附接传感器晶片910的处理。利用附接材料922将支撑晶片921附接至传感器晶片910的元件表面。附接材料922的示例包括热塑性粘合剂、化学溶液型粘合剂、UV粘合剂、双面胶带、以及WAX。由于附接精度影响随后的研磨/抛光处理中厚度的变化，因此需要控制TTV(晶片面内厚度的最小值与最大值之间的差)和弯曲。支撑晶片921由诸如蓝宝石、玻璃、硅等的材料制成。支撑晶片的形状没有特别限制。图11 (C)示出了研磨/抛光传感器晶片的背面的处理。附接至支撑晶片921的传感器晶片910的与作为谐振型应变计元件811相对侧的表面931被研磨/抛光达到期望厚度。此时，应该执行抛光直到破裂层或研磨时形成的研磨标记消失。在减少了厚度的传感器晶片910中，在进行了研磨/抛光的研磨/抛光表面上呈现谐振型应变计元件811的凹凸图案来作为凹凸图案。研磨/抛光表面的凹凸图案导致接合时的非接合部分或导致传感器中的接合变形。从而，期望使传感器晶片910的元件表面的凹凸图案平坦化。此外，当传感器晶片910被研磨/抛光成lOOym以下厚度时，在以晶片为单位进行处理时晶片易于破裂。然而，在附接了支撑晶片921的情况下，即使在晶片为几十Pm以下厚时也可以进行处理。在研磨/抛光之后，优选地执行清洁处理(未示出)以提高研磨/抛光表面的洁净度。例如，执行物理清洁(CO2清洁或双流体清洁)或酸及碱清洁来作为清洁处理。清洁处理可以在小于等于附接材料的耐热温度的温度下执行，从而需要使用该材料对其具有耐化学性的化学物。图11 (d)示出了在传感器晶片的背面上形成图案的处理。利用抗蚀剂通过光刻技术在研磨/抛光面上形成凹陷部分，然后利用诸如干法蚀刻的技术对该凹陷部分进行蚀亥IJ。蚀刻后，去除抗蚀剂，从而形成传感器晶片中的倒圆部分932。图11 (e)示出了制造基底晶片的处理。在基底晶片940中形成压力传导孔941和凹陷部分942。可以对基底晶片940实施能够形成压力传导孔的任何技术(诸如等离子体蚀刻或湿法蚀刻)。该孔可以具有适于传导孔的任何形状。类似地，凹陷部分942利用等离子体蚀刻、湿法蚀刻等形成。
图11 (f)示出了直接接合晶片的处理。形成有压力传导孔941和凹陷部分942的基底衬底940与形成有倒圆部分932的传感器晶片910接合在一起。此时，需要在小于等于附接材料的耐热温度的温度下将基底晶片940与传感器晶片910接合在一起。具体地，粘合剂的最高温度为约100°C到约200°C，并且在双面胶带的情况下为约150°C。从简化工艺的角度出发，期望在还未对研磨/抛光表面执行薄膜形成处理或改性处理的状态下执行接合处理。满足该条件的接合处理的示例包括室温直接接合处理和金属扩散接合处理。在利用离子枪或FAB枪蚀刻晶片的表面来提高接合表面的活性之后，在高真空条件下执行室温直接接合处理。该技术的特征在于在室温下进行接合处理，并且该表面适于进行硅与硅之间的接合。此外，从附接材料放出的气体被再次附至该表面，从而使接合力显著降低。从而，应该选择不放出气体的材料作为附接材料。金属扩散接合处理是指将原子级金属层附接至衬底表面上的技术，而不是像室温直接接合处理那样通过蚀刻提高表面活性。类似于室温直接接合处理，在高真空下执行该 接合处理。在该接合处理中，由于在原子层等级下非常薄地附接异种材料，因此可以在不劣化压力传感器的特性的情况下来执行接合。除了上述技术，还可以将等离子体活化接合技术用作低温接合技术。执行等离子体活化接合以使得在其中利用诸如Ar，N2,和O2的气体的等离子体将OH基团布置在表面上的状态下，将各表面彼此临时接合(简单附接)，然后在约400°C的温度下通过退火增加接合强度。在该技术中，由于OH基团产生的H2O会造成空隙。然而，在具有小接合面积的结构(诸如膜片)中，H2O脱离了接合界面，能够实现不会造成空隙的优良接合。图11 (g)示出了分离支撑晶片921的处理。基底晶片940和被抛光成具有薄的厚度并且随后直接接合至基底晶片940的传感器晶片910与支撑晶片921分离。分离支撑晶片921的方法根据使用的粘合剂而不同。例如，在热塑性粘合剂的情况中，通过在加热的状态下滑动支撑晶片来进行分离。此外，在热分离型双面胶带的情况中，可以简单地通过加热来进行分离。尽管未示出，但是在分离后，为了去除附接材料的残留，期望通过旋转清洗、化学浸泡等清洁传感器元件表面。图11 (h)示出了切割处理。作为对晶片进行的最终处理，对已经分离了支撑晶片921的接合晶片960进行切割处理。结果，完成了谐振式压力传感器800。因此，在图9所示的第三优选实施例中，在未减少图I所示的第一优选实施例的效果的情况下，可以实现其中能够抑制应力集中在膜片812上的结构。根据本发明，获得了如下技术效果。可以在接合处理之前通过研磨/抛光处理调整膜片812的厚度。从而，可以容易地以微米至亚微米的精度控制膜片的厚度。相应地，提供了一种其中抑制了灵敏度变化的谐振式压力传感器。由于未使用异种材料进行接合，因此接合部分可以具有与硅基底材料强度相同的破裂强度。从而，提供了一种具有优良的耐破裂压力特性的谐振式压力传感器。此外，由于抑制了由不同热膨胀系数造成的热变形，从而提供了一种具有优良温度特性的谐振式压力传感器。此外，提供了一种其中抑制了由温度和压力历程造成的异种材料之间的内部残余应变、以及可以实施不具有迟滞的结构的谐振式压力传感器。由于可以根据基底晶片的凹陷部分835的深度决定间隙，例如，可以在基底衬底的凹陷部分835和膜片812之间形成几+ Um至小于I m的间隙。此外，由于蚀刻量很小，因此可以将精度控制在亚微米级的高精度。因此，提供了这样的一种谐振式压力传感器其中可以防止膜片812的谐振、膜片的移动范围不会由于外来物质而受限，以及诸如输入输出特性的特性优良。此外，当使用了利用等离子体的各向同性蚀刻时，可以简化制造工艺，并且可以使膜片外周上的应力集中部分变圆，从而提高耐破裂压力特性。相应地，提供了一种成本低灵敏度高的谐振式压力传感器。基底衬底830的(例如，几十Pm或以下的)凹陷部分835的形状变为与膜片812一样的形状。从而，相比于通过从形成有元件的晶片背面执行利用碱性溶液 的深度各向异性蚀刻形成膜片的情况，膜片的形状或尺寸不受晶体表面(111)的限制。因此，可以制造不受晶体取向限制的灵活形状(诸如圆形)。特别是，当使用了利用等离子体的各向同性蚀刻时，提供了一种制造工艺简单、成本低和灵敏度高的谐振式压力传感器。此外，与深度碱性蚀刻不同，由于膜片812的厚度由研磨/抛光处理决定，因此不需要针对由蚀刻深度造成的膜片形状不同进行掩模变化。换言之，与碱性蚀刻不同，即使在利用通过具有小英制尺寸的晶片(4英寸晶片等)的试制结果来对具有大英制尺寸(8英寸、12英寸等)的晶片进行商业化时，也可以使用相同的掩模图案和相同的处理，从而可以有效执行向大规模生产的转化。从而，提供了一种不依赖于晶片的英制尺寸制造谐振式压力传感器的方法。类似地，即使要求根据压力范围改变膜片812的形状或厚度，也可以在不依赖于膜片812的形状或厚度的情况下利用相同的掩模和相同的工艺来形成利用上述接合处理(例如上述的室温直接接合工艺或者金属扩散接合工艺)的膜片812。在低于形成在传感器晶片910上的金属互连的耐热温度的温度下执行其中各硅晶片彼此直接接合的制造膜片812的处理，诸如室温直接接合处理或金属扩散接合处理。从而，可以在其中已经完成了谐振型应变计元件的金属互连处理的状态下执行接合处理。此外，可以在例如约400°C或以下的温度下执行制造膜片的处理(诸如室温直接接合处理或金属扩散接合处理)。从而，不会保留影响压力传感器特性的硅蠕变或热变形。从而，提供了一种制造具有优良特性的谐振式压力传感器的方法。如本文中所使用的，下面的方向性术语“向前、向后、上、下、左、右、垂直、水平、下方、横向、行和列”以及其他类似的方向性术语是指配备了本发明的设备的这些方向。因此，用来描述本发明的这些术语应该针对配备了本发明的设备来解释。术语“被构造为”用于描述一个装置的部件、单元或部分，包括被构建和/或被编程来执行期望功能的硬件和/或软件。此外，在权利要求书中表达为“装置加功能”的术语应该包括可以用来执行本发明那部分的功能的任何结构。术语“单元”用于描述被构建和/或被编程来执行期望功能的硬件和/或软件的部件、单元或部分。硬件的典型示例可以包括，但不限于，装置和电路。
尽管以上已经描述和示出了本发明的优选实施例，但是应该理解，这些实施例仅是本发明的示例，而不应该将其理解为对本发明的限制。在不背离本发明范围的情况下可以进行添加、省略、替代和其他改变。因此，本发明不应被看作由前述说明书限定，而是应仅 由权利要求书的范围限定。
权利要求
1.ー种包括布置在膜片上的一个或多个谐振型应变计的谐振式压カ传感器，所述谐振式压カ传感器包括 传感器衬底，其由硅制成，且包括布置有一个或多个谐振型应变计元件的ー个表面和被抛光成具有与所述膜片相应的厚度的另ー表面； 基底衬底，其由硅制成，且包括与所述传感器衬底的所述另ー表面直接接合的ー个表面； 凹陷部分，其形成在所述基底衬底的与所述传感器衬底接合的部分中、在所述传感器衬底中实质上形成了所述膜片、并且包括预定间隙，所述预定间隙不会由于外来物质而限制所述膜片的移动范围，并且所述预定间隙对由所述谐振型应变计元件的振动而激发的所述膜片的振动进行抑制； ー个或多个传导孔，其将测量压カ导向所述凹陷部分；以及 流体，其通过传导孔将压力传播至所述凹陷部分并对所述膜片的振动进行抑制。
2.根据权利要求I所述的谐振式压カ传感器，其中， 在不利用氧化膜或任何其他异种材料的情况下执行所述传感器衬底和所述基底衬底之间的接合。
3.根据权利要求I所述的谐振式压カ传感器，其中， 通过等离子体蚀刻和湿法蚀刻之一来形成所述凹陷部分。
4.根据权利要求I所述的谐振式压カ传感器，其中， 所述凹陷部分的形状是四边形、圆形和多边形中的ー种。
5.根据权利要求I所述的谐振式压カ传感器，其中， 所述凹陷部分是小于I U m至几十y m以下的小间隙。
6.ー种包括布置在膜片上的一个或多个谐振型应变计的谐振式压カ传感器，所述谐振式压カ传感器包括 传感器衬底，其由硅制成，且包括布置有一个或多个谐振型应变计元件的ー个表面和被抛光成具有与膜片相应的厚度的另ー表面； 基底衬底，其由硅制成，且包括与所述传感器衬底的所述另ー表面直接接合的ー个表面； 凹陷部分，其形成在所述传感器衬底的与所述基底衬底接合的部分中、在所述传感器衬底中实质上形成了所述膜片、且包括预定间隙，所述预定间隙不会由于外来物质而限制所述膜片的移动范围，并且所述预定间隙对由所述谐振型应变计元件的振动而激发的所述膜片的振动进行抑制； ー个或多个传导孔，其将测量压カ导向所述凹陷部分；以及 流体，其通过所述传导孔将压カ传播至所述凹陷部分并抑制所述膜片的振动。
7.根据权利要求6所述的谐振式压カ传感器，其中， 在不利用氧化膜或任何其他异种材料的情况下执行所述传感器衬底和所述基底衬底之间的接合。
8.根据权利要求6所述的谐振式压カ传感器，其中， 通过等离子体蚀刻和湿法蚀刻之一来形成所述凹陷部分。
9.根据权利要求6所述的谐振式压カ传感器，其中，所述凹陷部分的形状是四边形、圆形和多边形中的一种。
10.根据权利要求6所述的谐振式压力传感器，其中， 所述凹陷部分是小于I U m至几十y m以下的小间隙。
11.一种制造其中在膜片中形成有一个或多个谐振型应变计的谐振式压力传感器的方法，所述方法包括 在传感器晶片的一个表面上形成一个或多个谐振型应变计元件； 将所述传感器晶片的所述表面附接至支撑晶片的一个表面； 将所述传感器晶片的另一表面研磨并抛光为具有与膜片相应的厚度； 在基底晶片的一个表面中形成具有预定间隙的凹陷部分； 将所述传感器晶片的所述另一表面直接接合至所述基底晶片的一个表面； 从所述传感器晶片分离所述支撑晶片；以及 切割接合的晶片。
12.根据权利要求11所述的制造谐振式压力传感器的方法，其中， 在不利用氧化膜或任何其他异种材料的情况下执行将所述传感器衬底接合至所述基底晶片。
13.根据权利要求11所述的制造谐振式压力传感器的方法，其中， 通过等离子体蚀刻和湿法蚀刻之一来形成所述凹陷部分。
14.根据权利要求11所述的制造谐振式压力传感器的方法，其中， 所述凹陷部分的形状是四边形、圆形和多边形中的一种。
15.根据权利要求11所述的制造谐振式压力传感器的方法，其中， 所述凹陷部分是小于I U m至几十y m以下的小间隙。
16.一种制造其中在膜片中形成有一个或多个谐振型应变计的谐振式压力传感器的方法，所述方法包括 在传感器晶片的一个表面上形成一个或多个谐振型应变计元件； 将所述传感器晶片的所述表面附接至支撑晶片的一个表面； 将所述传感器晶片的另一表面研磨并抛光为具有与膜片相应的厚度； 在所述传感器晶片的一个表面中形成具有预定间隙的凹陷部分； 将所述传感器晶片的所述另一表面直接接合至所述基底晶片的一个表面； 从所述传感器晶片分离所述支撑晶片；以及 切割接合的晶片。
17.根据权利要求16所述的制造谐振式压力传感器的方法，其中， 在不利用氧化膜或任何其他异种材料的情况下来执行将所述传感器衬底接合至所述基底晶片。
18.根据权利要求16所述的制造谐振式压力传感器的方法，其中， 通过等离子体蚀刻和湿法蚀刻之一来形成所述凹陷部分。
19.根据权利要求16所述的制造谐振式压力传感器的方法，其中， 所述凹陷部分的形状是四边形、圆形和多边形中的一种。
20.根据权利要求16所述的制造谐振式压力传感器的方法，其中， 所述凹陷部分是小于I U m至几十y m以下的小间隙。
全文摘要
本发明提供了谐振式压力传感器及制造其的方法。包括布置在膜片上的一个或多个谐振型应变计的谐振式压力传感器可以包括传感器衬底，其由硅制成，且包括其上布置有一个或多个谐振型应变计元件的一个表面和被抛光成厚度与膜片相应的另一表面；基底衬底，其由硅制成，且包括与所述传感器衬底的所述另一表面直接接合的一个表面；凹陷部分，其形成在所述基底衬底的与所述传感器衬底接合的部分中，以便基本上在传感器衬底中形成所述膜片，且包括预定间隙，该预定间隙不会由于外来物质而限制膜片的移动范围，并且该预定间隙对由谐振型应变计元件的振动而激发的膜片的振动进行抑制；一个或多个传导孔；以及流体。
文档编号G01L9/00GK102954852SQ20121030284
公开日2013年3月6日 申请日期2012年8月23日 优先权日2011年8月25日
发明者吉田勇作, 吉田隆司, 铃木广志, 吉田周平, 寺下久志 申请人:横河电机株式会社