一种压阻式加速度传感器及其制造方法
【专利摘要】一种压阻式加速度传感器及其制造方法。本发明公开了一种基于阳极键合封装的压阻式加速度传感器，所述的传感器具有第一键合玻璃-硅基-第二键合玻璃三明治结构；所述的硅基通过采用表面微加工技术与体微加工技术制造带有质量块、淡硼扩散压阻的悬臂梁作为压阻式加速度传感器结构，并且利用二次阳极键合技术进行圆片级封装，第一次阳极键合采用硅-玻璃阳极键合，第二次阳极键合利用非晶硅-玻璃阳极键合技术的封装解决了传统硅-玻璃阳极键合过程中容易击穿硅表面PN结和产生离子污染等缺点；本发明传感器结构新颖、重量轻、体积小、稳定性好、抗污染能力强、可靠性好，并且在航空航天、军事、汽车、环境监测等领域具有一定的应用前景。
【专利说明】一种压阻式加速度传感器及其制造方法 (一）
【技术领域】
[0001] 本发明涉及MEMS (微机电系统）传感器领域中的加速度传感器及其制造方法，具 体涉及一种基于阳极键合封装的MEMS压阻式加速度传感器及其制造方法。 (二）
【背景技术】
[0002] MEMS加速度传感器由于体积小、质量轻、成本低、可靠性高等优点，在航空航天、环 境监测、军事、汽车等领域备受关注，尤其对器件体积、质量及可靠性有很高要求的航空航 天及兵器科学领域有很大的应用前景。MEMS压阻式加速度传感器体积小，频率范围宽，测 量加速度的范围也宽，直接输出电压信号，相比电容式加速度传感器，不需要复杂的电路接 口，大批量生产时价格低廉，可重复生产性好，可直接测量连续的加速度和稳态加速度。然 而，应用环境的复杂和恶劣导致MEMS加速度传感器的可靠性逐渐成为器件设计时主要考 虑的问题之一，传感器长期稳定性和可靠性对于器件应用来说非常重要。基于此，有必要发 明一种MEMS压阻式加速度传感器芯片，以保证加速度传感器在应用时的稳定性与可靠性。 (三）
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种基于阳极键合封装技术、表面微加工、体微加工工艺的 MEMS压阻式加速度传感器芯片，以保证加速度传感器在应用时的可靠性。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0005] -种基于阳极键合封装的压阻式加速度传感器，所述的传感器具有第一键合玻 璃-硅基-第二键合玻璃三明治结构；所述的硅基内部形成有压阻式加速度传感器悬臂梁， 所述的悬臂梁带有质量块，硅基的正面形成有压阻式加速度传感器的压阻区域，所述压阻 式加速度传感器的压阻区域位于压阻式加速度传感器悬臂梁的上表面根部，并且注入有淡 硼形成4根淡硼扩散压阻，同时淡硼扩散压阻的内部注入有浓硼形成浓硼欧姆接触区，所 述压阻式加速度传感器压阻区域的上方沉积有二氧化硅层，二氧化硅层上方沉积有氮化硅 层，所述的二氧化硅层和氮化硅层一起作为绝缘钝化层，所述的绝缘钝化层开有引线孔，利 用金属导线连通压阻区域，并且压阻式加速度传感器压阻区域的4根淡硼扩散压阻通过金 属导线构成惠斯顿全桥连接，所述绝缘钝化层的上方沉积有非晶硅，并且，利用非晶硅作为 台阶，所述的非晶硅与第一键合玻璃键合后形成一个真空腔体，所述硅基的正面还形成有 浓硼导线，所述浓硼导线的上方连接有金属管脚，浓硼导线将传感器工作区与金属管脚连 通，所述硅基的背面与第二键合玻璃阳极键合。
[0006] 本发明所述的压阻式加速度传感器悬臂梁带有质量块，所述的质量块是通过体微 加工工艺中的二次掩膜腐蚀技术腐蚀得到的，用以增加传感器的加速度测量的灵敏度。
[0007] 本发明压阻式加速度传感器，优选所述的硅基为η型（100)硅片；优选所述绝缘钝 化层的上方沉积的非晶硅的厚度为2?4 μ m。
[0008] 本发明压阻式加速度传感器的工作原理如下：本发明压阻式加速度传感器主要 基于硼掺杂后单晶硅的压阻特性，压阻式加速度传感器悬臂梁上的压阻受到力的作用后， 电阻率发生变化，通过惠斯顿全桥可以得到正比于力变化的电信号输出，通过测量电信号 输出就能知道所测物理量的大小。本发明中我们向η型（100)晶向硅片注入硼来实现P 型压阻，利用ΡΝ结实现压阻的隔绝，由于压阻的压阻系数的各向异性，不同方向的应力对 压阻有不同的影响，为了尽可能增加灵敏度，本发明淡硼扩散压阻纵向沿硅基的（1，1，〇) 晶向方向、横向沿硅基的（1，_1，〇)晶向方向分布，纵向压阻系数、横向压阻系数分别为 71. 8, -66. 3〇
[0009] 本发明压阻式加速度传感器为单边单悬臂梁设计，利用惠斯顿全桥连接4根淡硼 扩散压阻，2根对桥臂淡硼扩散压阻对称分布在悬臂梁上表面根部的应力集中区域，另外2 根对称分布在零应力区。当然，根据不同的灵敏度需要也可以采用不同的梁结构，如单边单 梁、双边双梁、双边四梁、四边四梁、四边八梁等，并且，所述的淡硼扩散压阻也可以采用不 同的分布方式，4根淡硼扩散压阻（可以是4根，也可以8根对折型等）通过金属导线连接 构成惠斯顿全桥。本发明压阻式加速度传感器金属管脚的一种连接方式为：第一管脚接压 阻式加速度传感器输出正，第二管脚接地，第三管脚接压阻式加速度传感器输出负，第四管 脚接电源正极。
[0010] 本发明还提供了一种所述的基于阳极键合封装的压阻式加速度传感器的制造方 法，所述的制造方法按如下步骤进行：
[0011] a)取娃片作为娃基，双面抛光，清洗，先双面沉积一层二氧化娃，再双面沉积一层 氮化硅；
[0012] b)正面干法刻蚀氮化硅、二氧化硅至硅基顶面；
[0013] c)正面热氧长一层二氧化硅保护层，正面光刻胶作掩膜光刻出压阻式加速度传感 器的压阻区域，然后注入淡硼，形成淡硼扩散压阻，去除光刻胶；
[0014] d)正面光刻胶作掩膜光刻出浓硼导线区域，并在淡硼扩散压阻区域光刻出浓硼欧 姆接触区域，然后注入浓硼，形成硅基内部的浓硼导线，以及在淡硼扩散压阻内部形成浓硼 欧姆接触区，去除光刻胶，退火；
[0015] e)先双面沉积一层二氧化硅，再双面沉积一层氮化硅，正面的二氧化硅层和氮化 娃层一起作为绝缘钝化层；
[0016] f)正面光刻胶作掩膜光刻出分片槽区域，干法反应离子刻蚀（RIE)氮化硅、二氧 化硅至硅基顶面，露出分片槽区域硅基；
[0017] g)正面沉积一层非晶硅，在分片槽区域非晶硅与硅基直接接触；
[0018] h)正面光刻胶作掩膜光刻出传感器工作区域以及金属管脚区域图形，RIE刻蚀非 晶硅至氮化硅层，去除光刻胶；
[0019] i)正面光刻胶作掩膜光刻出引线孔，干法RIE刻蚀氮化硅、二氧化硅层至硅基顶 面，去除光刻胶，形成引线孔；
[0020] j)正面沉积金属导线层，正面光刻胶作掩膜光刻出金属导线及金属管脚图形，腐 蚀没有光刻胶覆盖区域的金属，去除光刻胶，合金化处理，形成金属导线及金属管脚；
[0021] k)背面光刻胶作掩膜光刻出第一次腐蚀硅窗口，RIE刻蚀氮化硅、二氧化硅至硅 基底面，去除光刻胶；
[0022] 1)背面氮化硅、二氧化硅层作掩膜第一次湿法腐蚀硅基形成凹槽；
[0023] m)背面光刻胶作掩膜光刻出第二次腐蚀硅窗口，RIE刻蚀氮化硅、二氧化硅至硅 基底面，去除光刻胶；
[0024] η)背面氮化硅、二氧化硅层作掩膜第二次湿法腐蚀硅基形成压阻式加速度传感器 背腔；
[0025] 〇)干法RIE刻蚀背面剩余的氮化硅、二氧化硅至硅基底面，背面进行硅-玻璃阳极 键合；
[0026] ρ)正面光刻胶作掩膜光刻出悬臂梁释放图形，深度反应离子刻蚀（DRIE)刻穿氮 化硅层、二氧化硅层以及硅基释放出压阻式加速度传感器悬臂梁结构，去除光刻胶；
[0027] q)正面进行非晶硅-玻璃阳极键合；
[0028] r)划片，实现单个芯片的封装，划片分两次完成：第一次划片，去除金属管脚上方 玻璃，第二次划片划去分片槽中结构，分离单个芯片，完成封装。
[0029] 本发明基于阳极键合封装的压阻式加速度传感器的制造方法，步骤〇)中，推荐背 面进行硅-玻璃阳极键合的工艺参数为：电压300?500V，电流15?20mA，温度300? 400°C，压力 2000 ?3000N，时间 5 ?lOmin。
[0030] 本发明基于阳极键合封装的压阻式加速度传感器的制造方法，步骤q)中，推荐 正面进行非晶硅-玻璃阳极键合的工艺参数为：电压450?1000V，电流15?25mA，温度 300 ?400°C，压力 2000 ?3000N，时间 15 ?25min。
[0031] 本发明所述的阳极键合技术是一种现有技术，该技术是本领域技术人员所熟知 的，其工作原理为：将直流电源正极接硅片，负极接玻璃片，由于玻璃在一定高温下的性 能类似于电解质，而硅片在温度升高到300°C?400°C时，电阻率将因本征激发而降至 0. 1Ω ·πι，此时玻璃中的导电粒子（如Na+)在外电场作用下漂移到负电极的玻璃表面，而 在紧邻硅片的玻璃表面留下负电荷，由于Na+的漂移使电路中产生电流流动，紧邻硅片的玻 璃表面会形成一层极薄的宽度约为几微米的空间电荷区（或称耗尽层）。由于耗尽层带负 电荷，硅片带正电荷，所以硅片与玻璃之间存在着较大的静电吸引力，使两者紧密接触，并 在键合面发生物理化学反应，形成牢固结合的Si-Ο共价键，将硅与玻璃界面牢固地连接在 一起。
[0032] 根据所述的原理，阳极键合技术并不适合在注入硼的η型硅与玻璃的键合中使 用，原因在于：注入硼的η型硅实质上是个ΡΝ结，在阳极键合过程中强电压在通过硅基的同 时轻而易举就能将其反向击穿，导致其漏电，破坏器件的电学性能。在硅-玻璃键合面附近 存在ΡΝ结或其他对高压比较敏感的电路结构时，键合过程中500?1500V的高压容易击穿 MEMS器件中尤其是键合区域附近的电路，影响器件的性能。
[0033] 针对上述现有的阳极键合技术中存在的问题，本发明第二次键合工艺利用非晶硅 作为硅基、玻璃之间的导通层，使键合电流尽可能的沿硅-非晶硅-玻璃方向通过，使所述 ΡΝ结避开强电场，最终实现上层非晶硅与玻璃的阳极键合，实验证明，这种非晶硅-玻璃阳 极键合依旧能保证接近硅-玻璃的键合强度和气密性。
[0034] 所述基于阳极键合封装的压阻式加速度传感器的封装需要经过两次阳极键合，第 一次键合是背面硅-玻璃阳极键合，相对比较容易实现，第二次键合是正面非晶硅与玻璃 的阳极键合，相对比较困难，可以适当加强键合电压，增加键合时间。本发明中，利用非晶硅 与玻璃键合还有一个非常大的优点，所述键合方法避免了玻璃与硅的直接接触，杜绝了本 来玻璃与硅键合表面可能会产生的Na+等离子的污染。
[0035] 本发明压阻式加速度传感器结构中，正面非晶硅-玻璃键合过程中，利用非晶硅 作为台阶形成压阻式加速度传感器真空腔体，这种设计使第一键合玻璃不需要进行开槽加 工直接就能进行键合，节约了键合成本。本发明压阻式加速度传感器结构中，真空腔体的厚 度直接取决于非晶硅沉积的厚度，由于非晶硅沉积得过厚其致密度、粘附性都会受到影响， 并且会加大下步光刻的难度，所以为了避免在键合过程中玻璃与氮化硅直接键合，同时保 证非晶硅良好的性能，本发明传感器中的非晶硅厚度可以取2?4μπι。
[0036] 本发明是利用阳极键合封装的压阻式加速度传感器，所述的传感器为第一键合玻 璃-硅基-第二键合玻璃三明治结构，推荐用η型（100)硅片作硅基，采用表面微加工技术 与体微加工技术制造带有质量块、淡硼扩散压阻的悬臂梁作为压阻式加速度传感器结构， 并且利用二次阳极键合技术进行圆片级封装，第一次阳极键合采用硅-玻璃阳极键合，第 二次阳极键合利用非晶硅层作为中间层使键合电流不通过ΡΝ结，保护传感器ΡΝ结，实现非 晶硅-玻璃阳极键合。利用非晶硅-玻璃阳极键合技术的封装解决了传统硅-玻璃阳极键 合过程中容易击穿硅表面ΡΝ结和产生离子污染等缺点。本发明传感器结构新颖、重量轻、 体积小、稳定性好、抗污染能力强、可靠性好。本发明传感器在航空航天、军事、汽车、环境监 测等领域具有一定的应用前景。 (四）【专利附图】
【附图说明】
[0037] 图1为本发明压阻式加速度传感器的剖面结构示意图；
[0038] 图2为本发明压阻式加速度传感器的俯视图；
[0039] 图3?图20为本发明压阻式加速度传感器的制造工艺流程剖面示意图：
[0040] 图3为双面沉积二氧化硅、氮化硅层的示意图；
[0041] 图4为正面干法刻蚀氮化硅、二氧化硅至硅基顶面的示意图；
[0042] 图5为形成淡硼扩散压阻的示意图；
[0043] 图6为形成浓硼导线以及浓硼欧姆接触区的示意图；
[0044] 图7为形成为绝缘钝化层的示意图；
[0045] 图8为正面刻蚀出分片槽区域的示意图；
[0046] 图9为正面沉积非晶硅的示意图；
[0047] 图10为形成传感器工作区域以及金属管脚区域图形的示意图；
[0048] 图11形成引线孔的示意图；
[0049] 图12为形成金属导线及金属管脚的示意图；
[0050] 图13为背面刻蚀出第一次腐蚀硅窗口的示意图；
[0051] 图14为背面第一次湿法腐蚀硅基形成凹槽的示意图；
[0052] 图15为背面刻蚀出第二次腐蚀硅窗口的示意图；
[0053] 图16为背面第二次湿法腐蚀硅基形成压阻式加速度传感器背腔的示意图；
[0054] 图17为背面进行硅-玻璃阳极键合的示意图；
[0055] 图18释放出压阻式加速度传感器悬臂梁结构的示意图；
[0056] 图19为正面进行非晶硅-玻璃阳极键合的示意图；
[0057] 图20为划片完成封装的示意图；
[0058] 图1?图20中：1 一正面绝缘钝化层中的二氧化硅层、Γ 一背面第二二氧化硅层、 2 -正面绝缘钝化层中的氮化硅层、2'一背面第二氮化硅层、3 -金属导线、4 一第一键合玻 璃、5 -非晶娃、6 -金属管脚、7 -娃基、8 -第二键合玻璃、9 一真空腔体、10 -压阻式加速 度传感器悬臂梁、11 一浓硼欧姆接触区、12 -淡硼扩散压阻、13 -浓硼导线、14 一正面第 一二氧化娃层、14' 一背面第一二氧化娃层、15 -正面第一氮化娃层、15' 一背面第一氮化娃 层、16 -分片槽；图2中：6a?6d依次表不第一?第四管脚；
[0059] 图21为本发明压阻式加速度传感器的管脚定义；
[0060] 图21中管脚定义：①一第一管脚接压阻式加速度传感器输出正、②一第二管脚接 地、③一第三管脚接压阻式加速度传感器输出负、④一第四管脚接电源正极；并且，图中， 17 -悬臂梁根部压阻；
[0061] 图22为本发明压阻式加速度传感器背面二次掩膜腐蚀的工艺所用到的版图示意 图；图中，18 -掩膜板1、19 一掩膜板II ;
[0062] 图23为本发明压阻式加速度传感器背面二次掩膜腐蚀的IntelliEtch仿真图；
[0063] 图24a为本发明压阻式加速度传感器所使用的单边单悬臂梁结构及压阻分布示 意图；图中，20 -压阻；
[0064] 图24b?图24e为本发明压阻式加速度传感器可采用的其它悬臂梁结构示意图：
[0065] 图24b为单边双梁示意图；
[0066] 图24c为双边双梁示意图；
[0067] 图24d为双边四梁示意图；
[0068] 图24e为四边四梁示意图；
[0069] 图24f为四边八梁示意图。 (五）【具体实施方式】
[0070] 以下结合附图对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
[0071] 如图1所示，本发明压阻式加速度传感器，采用了第一键合玻璃-硅基-第二键合 玻璃三明治结构，所述的传感器主要包括：硅基（7)、带有质量块的用于测量单轴加速度的 压阻式加速度传感器悬臂梁（10)、浓硼导线（13)、金属管脚（6)、与硅基（7)进行阳极键合 的第二键合玻璃（8)以及与非晶硅（5)进行阳极键合的第一键合玻璃（4)。
[0072] 其中，用于测量单轴加速度的压阻式加速度传感器悬臂梁（10)的上表面根部注 入了淡硼作为压阻式加速度传感器的淡硼扩散压阻（12)，并在淡硼扩散压阻内部注入浓硼 形成浓硼欧姆接触区（11)，压阻式加速度传感器的压阻区域上方沉积有二氧化硅层（1)与 氮化硅层（2)作为绝缘钝化层，绝缘钝化层上开有引线孔并利用金属导线（3)连通压阻区 域。压阻式加速度传感器的压阻区域包含4根淡硼扩散压阻（12)，2根对桥臂淡硼扩散压 阻对称分布在悬臂梁上表面根部的应力集中区域，另外2根对称分布在零应力区，并通过 金属导线（3)构成惠斯顿全桥连接。当存在一个垂直于器件表面的加速度后，压阻式加速 度传感器的悬臂梁弯曲，位于悬臂梁上表面根部应力集中区域的2根淡硼扩散压阻受到力 的作用，电阻率发生变化，如图2所示，悬臂梁上表面根部应力集中区域的2根淡硼扩散压 阻位于惠斯顿全桥的对桥，通过惠斯顿全桥可以得到正比于力变化的电信号输出，通过测 量电信号输出就能知道加速度的大小。利用惠斯顿全桥的设计提高了本发明加速度传感器 的灵敏度并且能保证良好的线性。
[0073] 芯片的封装采用二次阳极键合技术。第一次阳极键合是芯片背面第二键合玻璃 (8)与硅基（7)的硅-玻璃阳极键合；第二次阳极键合采用非晶硅层作为中间层使键合电 流不通过PN结，保护传感器PN结，实现正面非晶硅（5)与第一键合玻璃⑷的阳极键合， 第二次阳极键合没有采用硅-玻璃键合的原因在于：硅-玻璃阳极键合键合面上存在着PN 结，键合时的强电压容易击穿PN结，破坏电路的电学性能。
[0074] 为了避免非晶硅（5)与第一键合玻璃（4)键合面的不平整性，保证封装的气密性， 所述的压阻式加速度传感器并没有采用金属导线连接芯片工作区与金属管脚，而是利用浓 硼导线（13)作为内部导线将传感器工作区与金属管脚相连。
[0075] 如图3?图20所示，本发明所述的基于阳极键合封装的压阻式加速度传感器的制 造工艺包括如下步骤：
[0076] a)如图3所示：取硅片作为硅基（7)，双面抛光，清洗，先双面沉积一层0.8μπι厚 的二氧化硅层（14)、（14'），再双面沉积一层0. 2 μ m厚的氮化硅层（15)、（15'）；所述的硅 片为η型（100)娃片；
[0077] b)如图4所示：正面干法刻蚀氮化硅（15)、二氧化硅（14)至硅基（7)顶面；
[0078] c)如图5所示：正面热氧长一层80nm厚的二氧化硅作为注入前的保护层，正面光 刻胶作掩膜光刻出压阻式加速度传感器的压阻区域，然后进行硼离子注入（淡硼），形成淡 硼扩散压阻（12)，去除光刻胶；
[0079] d)如图6所示：正面光刻胶作掩膜光刻出浓硼导线区域，并在淡硼扩散压阻（12) 区域光刻出浓硼欧姆接触区域，然后进行硼离子注入（浓硼），形成浓硼导线（13)，以及在 淡硼扩散压阻（12)内部形成浓硼欧姆接触区（11)，去除光刻胶，退火；
[0080] e)如图7所示：先双面沉积一层0· 2 μ m厚的二氧化硅层（1)、（Γ )，再双面沉积 一层0· 2 μ m厚的氮化硅层（2)、（2'），正面的二氧化硅层（1)和氮化硅层（2) -起作为绝 缘钝化层；
[0081] f)如图8所示：正面光刻胶作掩膜光刻出分片槽区域，干法RIE刻蚀氮化硅（2)、 二氧化硅（1)至硅基（7)顶面，露出分片槽区域硅基；
[0082] g)如图9所示：正面沉积一层3μπι厚的非晶硅层（5)，在分片槽区域非晶硅（5) 与硅基（7)直接接触；
[0083] h)如图10所示：正面光刻胶作掩膜光刻出传感器工作区域以及金属管脚（6)区 域图形，RIE刻蚀非晶硅至氮化硅层（2)，去除光刻胶；
[0084] i)如图11所示：正面光刻胶作掩膜光刻出引线孔，干法RIE刻蚀氮化硅（2)、二氧 化硅（1)至硅基（7)顶面，去除光刻胶，形成引线孔；
[0085] j)如图12所示：正面磁控溅射一层1 μ m厚的铝，正面光刻胶作掩膜光刻出金属 铝导线（3)及金属管脚（6)图形，腐蚀没有光刻胶覆盖区域的铝，去除光刻胶，合金化处理， 形成金属铝导线（3)及金属管脚（6);
[0086] 下面的工艺步骤（k)?（η)为背面二次掩膜腐蚀的工艺：
[0087] k)如图13所示：背面光刻胶作掩膜光刻出第一次腐蚀硅窗口，RIE刻蚀氮化硅 (2'）、（15'），二氧化硅（Γ )、（14'）至硅基（7)底面，去除光刻胶；
[0088] 1)如图14所示：背面氮化硅层（2'）、（15'），二氧化硅层（Γ )、（14'）作掩膜第 一次湿法腐蚀硅基（7)形成凹槽；
[0089] m)如图15所示：背面光刻胶作掩膜光刻出第二次腐蚀硅窗口，RIE刻蚀氮化硅 (2'）、（15'），二氧化硅（Γ )、（14'）至硅基（7)底面，去除光刻胶；
[0090] η)如图16所示：背面氮化硅层（2'）、（15'），二氧化硅层（Γ )、（14'）作掩膜第 二次湿法腐蚀硅基（7)形成压阻式加速度传感器背腔；
[0091] 二次掩膜腐蚀的工艺完成，成功腐蚀出带有质量块的压阻式加速度传感器悬臂 梁，腐蚀过程用到的两块掩膜板版图示意图如图22所示，图23是利用IntelliEtch软件仿 真的压阻式加速度传感器背腔形貌示意图。
[0092] 〇)如图17所示：干法RIE刻蚀背面剩余的氮化硅（2'）、（15'），二氧化硅（Γ )、 (14'）至硅基（7)底面，背面进行硅-玻璃阳极键合；
[0093] p)如图18所示：正面光刻胶作掩膜光刻出悬臂梁释放图形，DRIE刻穿氮化硅层 (2)、二氧化硅层（1)以及硅基（7)释放出带质量块的压阻式加速度传感器悬臂梁（10)结 构，去除光刻胶；
[0094] q)如图19所示：正面进行非晶硅-玻璃阳极键合；
[0095] r)如图20所示：划片，实现单个芯片的封装，划片分两次完成：第一次划片，去除 金属管脚（6)上方玻璃；第二次划片划去分片槽中结构，分离单个芯片，完成封装。
[0096] 进一步地，为了保证两次阳极键合的质量，通过多次试验，本发明给出了所述压阻 式加速度传感器的最优键合参数，如表1，2所示。
[0097] 表1第一次阳极键合（硅-玻璃）参数
[0098]
【权利要求】
1. 一种基于阳极键合封装的压阻式加速度传感器，其特征在于所述的传感器具有第一 键合玻璃-硅基-第二键合玻璃三明治结构；所述的硅基内部形成有压阻式加速度传感器 悬臂梁，所述的悬臂梁带有质量块，硅基的正面形成有压阻式加速度传感器的压阻区域，所 述压阻式加速度传感器的压阻区域位于压阻式加速度传感器悬臂梁的上表面根部，并且注 入有淡硼形成4根淡硼扩散压阻，同时淡硼扩散压阻的内部注入有浓硼形成浓硼欧姆接触 区，所述压阻式加速度传感器压阻区域的上方沉积有二氧化硅层，二氧化硅层上方沉积有 氮化硅层，所述的二氧化硅层和氮化硅层一起作为绝缘钝化层，所述的绝缘钝化层开有引 线孔，利用金属导线连通压阻区域，并且压阻式加速度传感器压阻区域的4根淡硼扩散压 阻通过金属导线构成惠斯顿全桥连接，所述绝缘钝化层的上方沉积有非晶硅，并且，利用非 晶硅作为台阶，所述的非晶硅与第一键合玻璃键合后形成一个真空腔体；所述硅基的正面 还形成有浓硼导线，所述浓硼导线的上方连接有金属管脚，浓硼导线将传感器工作区与金 属管脚连通，所述硅基的背面与第二键合玻璃阳极键合。
2. 如权利要求1所述的基于阳极键合封装的压阻式加速度传感器，其特征在于所述 的压阻式加速度传感器压阻区域的淡硼扩散压阻的排布方式为：纵向沿硅基的（1，1，0) 晶向方向、横向沿硅基的（1，_1，〇)晶向方向分布，纵向压阻系数、横向压阻系数分别为 71. 8λ -66. 3〇
3. 如权利要求1所述的基于阳极键合封装的压阻式加速度传感器，其特征在于所述的 压阻式加速度传感器为单边单悬臂梁设计，利用惠斯顿全桥连接4根淡硼扩散压阻，2根对 桥臂淡硼扩散压阻对称分布在压阻式加速度传感器悬臂梁上表面根部的应力集中区域，另 外2根对称分布在零应力区。
4. 如权利要求1所述的基于阳极键合封装的压阻式加速度传感器，其特征在于所述的 金属管脚有4个，第一管脚接压阻式加速度传感器输出正，第二管脚接地，第三管脚接压阻 式加速度传感器输出负，第四管脚接电源正极。
5. 如权利要求1?4所述的基于阳极键合封装的压阻式加速度传感器，其特征在于所 述的硅基为η型（100)硅片。
6. 如权利要求1?4所述的基于阳极键合封装的压阻式加速度传感器，其特征在于所 述的绝缘钝化层上方沉积的非晶硅的厚度为2?4 μ m。
7. 如权利要求1所述的基于阳极键合封装的压阻式加速度传感器的制造方法，其特征 在于所述的制造方法按如下步骤进行： a) 取娃片作为娃基，双面抛光，清洗，先双面沉积一层二氧化娃，再双面沉积一层氮化 硅； b) 正面干法刻蚀氮化硅、二氧化硅至硅基顶面； c) 正面热氧长一层二氧化硅保护层，正面光刻胶作掩膜光刻出压阻式加速度传感器的 压阻区域，然后注入淡硼，形成淡硼扩散压阻，去除光刻胶； d) 正面光刻胶作掩膜光刻出浓硼导线区域，并在淡硼扩散压阻区域光刻出浓硼欧姆接 触区域，然后注入浓硼，形成硅基内部的浓硼导线，以及在淡硼扩散压阻内部形成浓硼欧姆 接触区，去除光刻胶，退火； e) 先双面沉积一层二氧化娃，再双面沉积一层氮化娃，正面的二氧化娃层和氮化娃层 一起作为绝缘钝化层； f) 正面光刻胶作掩膜光刻出分片槽区域，干法RIE刻蚀氮化硅、二氧化硅至硅基顶面， 露出分片槽区域硅基； g) 正面沉积一层非晶硅，在分片槽区域非晶硅与硅基直接接触； h) 正面光刻胶作掩膜光刻出传感器工作区域以及金属管脚区域图形，RIE刻蚀非晶硅 至氮化硅层，去除光刻胶； i) 正面光刻胶作掩膜光刻出引线孔，干法RIE刻蚀氮化硅、二氧化硅层至硅基顶面，去 除光刻胶，形成引线孔； j) 正面沉积金属导线层，正面光刻胶作掩膜光刻出金属导线及金属管脚图形，腐蚀没 有光刻胶覆盖区域的金属，去除光刻胶，合金化处理，形成金属导线及金属管脚； k) 背面光刻胶作掩膜光刻出第一次腐蚀硅窗口，RIE刻蚀氮化硅、二氧化硅至硅基底 面，去除光刻胶； l) 背面氮化娃、二氧化娃层作掩膜第一次湿法腐蚀娃基形成凹槽； m) 背面光刻胶作掩膜光刻出第二次腐蚀硅窗口，RIE刻蚀氮化硅、二氧化硅至硅基底 面，去除光刻胶； η)背面氮化硅、二氧化硅层作掩膜第二次湿法腐蚀硅基形成压阻式加速度传感器背 腔； 〇)干法RIE刻蚀背面剩余的氮化硅、二氧化硅至硅基底面，背面进行硅-玻璃阳极键 合； Ρ)正面光刻胶作掩膜光刻出悬臂梁释放图形，DRIE刻穿氮化硅层、二氧化硅层以及硅 基释放出压阻式加速度传感器悬臂梁结构，去除光刻胶； q) 正面进行非晶硅-玻璃阳极键合； r) 划片，实现单个芯片的封装，划片分两次完成：第一次划片，去除金属管脚上方玻 璃，第二次划片划去分片槽中结构，分离单个芯片，完成封装。
8. 如权利要求7所述的基于阳极键合封装的压阻式加速度传感器的制造方法，其特 征在于步骤〇)中背面进行硅-玻璃阳极键合的工艺参数为：电压300?500V，电流15? 20mA，温度 300 ?400°C，压力 2000 ?3000N，时间 5 ?lOmin。
9. 如权利要求7所述的基于阳极键合封装的压阻式加速度传感器的制造方法，其特 征在于步骤q)中正面进行非晶硅-玻璃阳极键合的工艺参数为：电压450?1000V，电流 I5 ?25mA，温度 3〇0 ?400°C，压力 2〇00 ?3〇OON，时间 I5 ?25min。
【文档编号】G01P15/12GK104062463SQ201410263793
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】蒋恒, 孙笠, 董健 申请人:浙江工业大学