一种体硅谐振式压力传感器的圆片级真空封装方法
【专利摘要】本发明涉及一种应用于体硅谐振式压力传感器的圆片级封装方法，其步骤包括：1)根据谐振式压力传感器的结构选取合适的SOI硅片和进行阳极键合的玻璃片；2)对SOI硅片的器件层进行台阶刻蚀，形成器件结构；3)去除部分埋氧层，释放器件结构；4)将SOI片和玻璃片进行真空阳极键合；5)对硅片进行减薄；6)通过光刻定义引线窗口，然后刻蚀硅，露出埋氧层；7)去除引线窗口内的埋氧层；8)在硅片表面淀积二氧化硅，形成电学隔离；9)对淀积的二氧化硅进行刻蚀，形成pad孔；10)淀积金属pad。本发明采用圆片级封装，工艺流程简单，能够大大降低体硅谐振式压力传感器的真空封装成本。
【专利说明】一种体硅谐振式压力传感器的圆片级真空封装方法【技术领域】
[0001]本发明属于微电子机械系统(MEMS)制造和封装领域，涉及一种圆片级真空封装方法，主要采用的是台阶刻蚀与阳极键合等工艺，特别应用在对体硅谐振式压力传感器的圆片级封装领域。
【背景技术】
[0002]九十年代以来，微电子机械系统(MEMS)技术进入了高速发展阶段，不仅是因为概念新颖，而且是由于MEMS器件跟传统器件相比，具有小型化、集成化以及性能更优的前景特点。如今MEMS已经广泛用于汽车、航空航天、信息控制、医学、生物学等领域。
[0003]而压力传感器则是应用最为广泛的传感器之一，广泛用于科学技术、工业控制、航空航天、生物医学等领域。根据不同的原理和形式可将压力传感器分为压阻式、电容式、压电式、谐振式、真空微电子式等等。压阻式压力传感器结构简单，后续处理电路简单，但性能的温度漂移大；电容式压力传感器灵敏度高，但后续处理电路相对复杂；谐振式压力传感器精度高，稳定性好，且输出为谐振频率，易与数字电路相结合。压力传感器在应用的过程中，往往需要进行真空封装。芯片级真空封装(如To级真空封装)的成本比较大，从而增加了压力传感器的成本，而圆片级真空封装的方法则可以大大地降低真空封装的成本。目前已经出现了不少圆片级真空封装的方法，这些方法通常与器件的制作流程结合在一起。但由于MEMS器件的工艺制作流程并不相同，不能将这些圆片级真空封装的方法直接复制到每种器件上去，并且不同的方法也有着各自的缺点。
【发明内容】
[0004]本发明针对上述问题，提出一种应用于体硅谐振式压力传感器的圆片级封装方法，能够大大地降低体硅谐振式压力传感器的封装成本。整个工艺制造流程(包含压力传感器的制造与圆片级真空封装)的主要步骤包括台阶刻蚀、阳极键合、硅片减薄等等。
[0005]具体来说，本发明采用的技术方案如下:
[0006]一种体硅谐振式压力传感器的圆片级真空封装方法，其步骤包括:
[0007]I)备片:根据谐振式压力传感器的结构选取合适的SOI (silicon on insulator)硅片和用于进行阳极键合的玻璃片；
[0008]2)台阶刻蚀(两次光刻):对SOI硅片的器件层进行台阶刻蚀，形成器件结构(刻蚀的深度应与器件设计的尺寸相吻合)；
[0009]3)释放:去除部分埋氧层，释放器件结构；
[0010]4)阳极键合:将SOI片和玻璃片进行真空阳极键合；
[0011]5)娃片减薄:对娃片进行减薄，剩余厚度与器件设计尺寸相吻合；
[0012]6)刻蚀引线窗口:通过光刻(第三次光刻)定义引线窗口，然后刻蚀硅，露出埋氧层；
[0013]7)去除引线窗口内的埋氧层；[0014]8)在硅片表面淀积二氧化硅，形成电学隔离；
[0015]9)对淀积的二氧化娃进行刻蚀,形成pad孔；
[0016]10)淀积金属 pad。
[0017]进一步地，步骤I)选用器件层重掺杂的SOI硅片，器件层厚度和埋氧层厚度依据传感器的应用范围而选定；以及选用适合与硅进行阳极键合的玻璃片(如B33玻璃等)。
[0018]进一步地，步骤3)和步骤7)采用湿法腐蚀或者干法刻蚀的方法去除所述埋氧层。采用湿法腐蚀时，可以利用氢氟酸溶液进行腐蚀；采用干法刻蚀时，可以采用等离子体刻蚀，或者用气态HF进行刻蚀。
[0019]进一步地，步骤5)利用KOH溶液、TMAH(四甲基氢氧化铵)对硅片进行减薄。
[0020]进一步地，步骤8)采用LPCVD方法、PECVD等方法淀积二氧化硅。
[0021]进一步地，步骤9)首先通过光刻(第四次光刻)形成pad孔，然后刻蚀孔内二氧化硅。
[0022]进一步地,步骤10)利用剥离工艺形成金属pad。
[0023]本发明的应用于体硅谐振式压力传感器的圆片级真空封装方法，与现有的真空封装方法相比，其优点是:1)圆片级封装，大大地降低了真空封装成本；2)整套工艺流程包含了谐振式压力传感器的制造和真空自封装，工艺流程简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是备片剖面图；其中I为重掺杂单晶硅，2为埋氧层(氧化硅)，3为轻掺杂单晶硅衬底，4为玻璃片。
[0025]图2是台阶刻蚀后剖面图。
[0026]图3是释放后剖面图。
[0027]图4是阳极键合后剖面图。
[0028]图5是硅片减薄后剖面图。
[0029]图6是刻蚀引线窗口后剖面图。
[0030]图7是腐蚀引线窗口埋氧后剖面图。
[0031]图8是PECVD 二氧化硅后剖面图，其中5为PECVD的二氧化硅。
[0032]图9是形成pad孔后剖面图。
[0033]图10是淀积金属后剖面图，其中6为金属层。
【具体实施方式】
[0034]本发明提出了一种适用于体硅谐振式压力传感器的圆片级真空封装方法。下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
[0035]本实施例制造基于音叉式谐振器的压力传感器，采用的圆片级封装的工艺流程如图1至图10所示:
[0036]a)备片
[0037]SOI片的器件层I (重掺杂单晶硅)的厚度为30 μ m,电阻率为0.01 Ω.αιι，埋氧层2的厚度为2 μ m，3为氢掺杂单晶硅衬底，玻璃片4为B33玻璃，如图1所示。
[0038]b)台阶刻蚀(两次光刻)[0039]对SOI硅片的器件层I进行台阶刻蚀，形成音叉式谐振器结构，刻蚀后形貌如图2所示。台阶的刻蚀深度分别为5 μ m和30 μ m。
[0040]c)释放
[0041]利用氢氟酸腐蚀器件结构下面的埋氧层，释放器件结构，进行工艺时应注意释放的合理时间，释放后剖面图如图3所示。
[0042]d)阳极键合
[0043]将SOI片和玻璃片进行真空阳极键合，如图4所示。
[0044]e)硅片减薄
[0045]利用KOH溶液对硅片进行减薄，整个SOI片剩余厚度为42 μ m，如图5所示。
[0046]f)刻蚀引线窗口
[0047]通过第三次光刻定义引线窗口，大小为200 μ mX200 μ m，然后刻蚀硅，露出埋氧层，如图6所示。
[0048]g)腐蚀引线窗口埋氧
[0049]利用氢氟酸腐蚀引线窗口里面埋氧层，如图7所示。
[0050]h) PECVD 二氧化硅
[0051]在硅片上面采用PECVD方法淀积二氧化硅5，厚度为I μ m，形成电学隔离，如图8所示。
[0052]i)刻蚀二氧化硅，形成pad孔
[0053]进行第四次光刻，形成pad孔，大小为180 μ mX 180 μ m，并刻蚀孔内二氧化硅，如图9所示。
[0054]h)淀积金属pad
[0055]利用剥离工艺形成金属pad,金属层6采用Cr(30nm)/Au(180nm)复合结构，如图10所示。
[0056]以上通过一个实施例描述了本发明方法的一个应用，即应用于音叉谐振式压力传感器的制造和圆片级真空封装。但需要说明的是，本发明方法适合其他谐振结构的压力传感器的圆片级封装，在进行台阶刻蚀时，通过调整版图结构，即可形成不同类型的器件结构，比如音叉梳齿式，双端固支梁式，等等。本领域的技术人员应当理解，在不脱离本专利实质的范围内，可对结构做一定的变化和修改，其工艺制备方法也不限于本实施例中的制备工艺。本发明的保护范围应以权利要求所述为准。
【权利要求】
1.一种体硅谐振式压力传感器的圆片级真空封装方法，其步骤包括: 1)根据体硅谐振式压力传感器的结构选取SOI硅片和用于进行阳极键合的玻璃片； 2)对SOI硅片的器件层进行台阶刻蚀，形成器件结构； 3)去除SOI硅片的部分埋氧层，释放器件结构； 4)将SOI硅片和玻璃片进行真空阳极键合； 5)对硅片进行减薄，剩余厚度与器件设计尺寸相吻合； 6)通过光刻定义引线窗口，然后刻蚀娃，露出埋氧层； 7)去除引线窗口内的埋氧层； 8)在硅片表面淀积二氧化硅，形成电学隔离； 9)对淀积的二氧化娃进行刻蚀，形成pad孔； 10)淀积金属pad。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于:步骤I)所述SOI硅片为器件层重掺杂的SOI娃片。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于:步骤3)和步骤7)采用湿法腐蚀或者干法刻蚀的方法去除所述埋氧层。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于:采用氢氟酸溶液进行所述湿法腐蚀，采用等离子体刻蚀或者气态HF进行所述干法刻蚀。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于:步骤5)利用KOH溶液或者TMAH对硅片进行减薄。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于:步骤8)采用LPCVD或者PECVD方法淀积二氧化硅。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于:步骤9)首先通过光刻形成pad孔，然后刻蚀孔内二氧化硅。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于:步骤10)利用剥离工艺形成金属pad。
【文档编号】G01L1/10GK104003350SQ201410205595
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2014年5月15日
【发明者】何军, 张大成, 黄贤, 张立, 赵丹淇, 王玮, 杨芳, 田大宇, 刘鹏, 李婷, 罗葵 申请人:北京大学