无引线封装的SiC高温压力传感器及其制造方法与流程

本发明属于宽禁带半导体器件制备技术领域，具体涉及一种无引线封装的sic高温压力传感器及其制造方法。

技术背景

传感器技术是现代科学技术发展水平的重要标志，其中压力传感器是应用最为广泛的一类。压力传感器是一种能将压力这种模拟信号转化为电信号的半导体电子元件，随着半导体技术与mems技术的发展，人们以硅作为压力传感器的主要材料，采取电容、压阻等多种形式，其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好等。随着人们对更加极端尤其是高温环境的研究探索深入，压力传感器需要在恶劣环境下工作，例如在航天航空、核能技术、石油化工、地热勘探以及汽车电子等领域的压力测量需要在350℃甚至更高的温度环境下进行。因此以下几点原因限制了以硅材料为主的传感器在高温恶劣条件下的应用：1、由于硅材料禁带宽度窄，其耐高温和抗辐射性能较差；2、硅材料容易与介质发生化学反应，被氧化或腐蚀；3、在高温条件下硅材料容易发生机械性能退化。

碳化硅材料由于其独特的物理性质与电学特性，逐渐为人们所重视。它是第三代宽禁带半导体材料的代表，与现有的广泛用作为压力传感器材料的si相比，sic材料具有优良的宽带隙、高热导率、高机械强度、抗辐射、抗腐蚀和高温稳定性等优良的材料性能，是制作高温器件的理想材料。sic高温压力传感器因具有耐温高、体积小、使用寿命长、反应灵敏、不需维护等特点，将被广泛应用于汽车、飞机、船舶等交通工具的内燃机、石油钻井等领域的压力检测。

随着高温压力传感器制成技术的不断发展和进步，其应用温度在不断提升，而与此同时，高温压力传感器的封装结构并没有作相应的改变，从而导致高温压力传感器失效的原因往往是由于封装结构中引线的热疲劳和震荡损坏。研究者们为了进一步提高高温压力传感器的极限使用温度，努力在传感器的材料、芯片结构、芯片封装等各个环节寻找突破口。与传统压力传感器相比，无引线封装的sic高温压力传感器具有更好的可靠性、更高的工作温度。无引线封装的sic高温压力传感器是未来压力传感器发展的趋势所在。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于出一种无引线封装的sic高温压力传感器及其制造方法，确保传感器在恶劣环境下工作的可靠性更好，实际耐受工作温度更高，并切实提高灵敏度。本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

<制造方法>

本发明提供一种无引线封装的sic高温压力传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1.将p-sic晶圆片减薄，在经过减薄的sic晶圆片si面先后同质外延生长p-sic层与n-sic层；步骤2.在sic晶圆片的c面使用飞秒激光加工工艺形成具有方形浮雕结构的敏感膜片；步骤3.在n-sic层上使用光刻工艺、电子束蒸发工艺形成图形化ni金属薄掩模层，通过rie刻蚀设备进行浅刻蚀，用酸洗除去图形化ni金属薄掩模层的方式形成敏感压阻条；步骤4.通过热氧化在si面形成sio2阻挡层；再通过光刻工艺、湿法腐蚀工艺对sio2阻挡层进行选择性腐蚀，在敏感压阻条上部得到接触窗口，用boe溶液除去氧化物与样品表面的其它元素；步骤5.通过光刻工艺、电子书蒸发工艺在sic晶圆片si面形成ni/ti/ni/pt金属层；再次通过光刻工艺、湿法腐蚀工艺将ni/ti/ni/pt金属层图形化；图形化的ni/ti/ni/pt金属层通过接触窗口与敏感压阻条接触并形成电极与焊盘结构；步骤6.通过高温退火，使敏感压阻条与ni/ti/ni/pt图形化金属电极形成欧姆接触，并且敏感压阻条与图形化金属电极形成具有惠斯通电桥结构的静压力补偿单元，得到sic高温压力传感器芯片；步骤7.制造aln材料封装基体，再在sic高温压力传感器芯片的焊盘处沉积ag纳米颗粒材料，将pt接触引线穿过封装基体引线孔，并将ag纳米颗粒材料与pt接触引线烧结，将芯片与封装基体倒置连接，然后在ag纳米颗粒材料周围、sic高温压力传感器芯片与封装基体间隙处填充玻璃熔胶，以增强对芯片的固定。

优选地，本发明提供的无引线封装的sic高温压力传感器的制造方法还可以具有以下特征：在步骤1中，sic晶圆片减薄后的厚度为120～130μm，减薄过程可降低后续深腔加工的工艺难度，厚度保持在120μm以上则可以保证晶圆片加工的整体结构强度。

优选地，本发明提供的无引线封装的sic高温压力传感器的制造方法还可以具有以下特征：在步骤1中，先后同质外延生长的p-sic层厚度为4～5μm，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3(±15％)，n-sic层厚度为2μm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3(±15％)。p/n型外延层所用掺杂浓度为同时达到材料最优应变系数与满足芯片灵敏度要求的最适取值，n型外延层后期通过浅刻蚀工艺形成压阻条，压阻条的厚度为2μm且略大于n型外延层，此厚度是通过ansys软件进行芯片无封装结构热力学仿真得到的最优值。

优选地，本发明提供的无引线封装的sic高温压力传感器的制造方法还可以具有以下特征：在步骤2中，对外延生长过后的4英寸4h-sic外延片进行清洗，清洗过程包括用大于30℃小于55℃的丙酮溶液进行15分钟超声清洗，用大于30℃的乙醇溶液进行10分钟超声清洗，再用大于30℃的去离子水进行10分钟超声清洗，丙酮、乙醇与去离子水的三次超声清洗选用的超声频率范围为40-80khz，用纯n2气体于无尘环境下吹去表面去离子水，在65-75℃加热板上进行烘干处理后待样品冷却至室温；将样品至于扫描样品台，用飞秒激光器对sic晶圆片的c面进行连续扫描加工，激光器采用的二次谐波波长518nm、平均功率380mw、脉冲频率100kh、脉冲宽度350fs，激光聚焦的位置和运动轨迹由数字扫描仪控制，敏感膜片的布局情况由cad工具导入并进行预处理，加工时间根据所采用并行激光束的数目而定；敏感膜片包括：外边缘横截面为方形的凹坑，和形成在该凹坑中部、外边缘横截面为方形的浮雕结构，凹坑与浮雕结构均与sic高温压力传感器芯片具有共同对称中心，且侧壁均呈12～15°倾斜。

优选地，本发明提供的无引线封装的sic高温压力传感器的制造方法还可以具有以下特征：在步骤3中，光刻工艺为电子束蒸发工艺形成图形化ni做光刻胶掩膜，图形化ni金属薄掩模层为rie浅刻蚀过程做掩膜，刻蚀深度不小于2μm，敏感压阻条应比n-sic层厚0.05～0.15μm，浅刻蚀气体为sf6与o2的混合气，浓度依次为80sccm与20sccm，刻蚀所用功率为150w，电子束蒸发所用电子束功率为60kw，金属蒸发速率不超过

优选地，本发明提供的无引线封装的sic高温压力传感器的制造方法还可以具有以下特征：在步骤4中，热氧化的温度为1100℃～1200℃，时间为4～6h，形成的sio2阻挡层厚度为3～6μm。

优选地，本发明提供的无引线封装的sic高温压力传感器的制造方法还可以具有以下特征：在步骤6中，高温退火过程是在n2氛围下和950℃温度下快速热退火1min。

优选地，本发明提供的无引线封装的sic高温压力传感器的制造方法还可以具有以下特征：在步骤7中，在封装基体上与sic高温压力传感器芯片相对应的部分设有方形的基体空腔，该基体空腔的边长大于敏感膜片上的凹坑边长，并且小于焊盘结构所围成区域的边长。

优选地，本发明提供的无引线封装的sic高温压力传感器的制造方法还可以具有以下特征：在封装基体制造过程中基体外形、热电偶孔、基体空腔等采用铸造成型与机械加工方式，封装前将封装基体打磨、抛光，去除油污等有机杂质与毛刺；基体与芯片连接部分设有基体空腔，基体空腔为方形，边长略大于具有浮雕的方形敏感膜片凹坑顶面边长，小于焊盘所在范围；封装过程引入纳米ag连接技术和芯片直接粘合技术(dca技术)，在sic高温压力传感器芯片四个焊盘处沉积ag纳米颗粒材料，ag纳米颗粒材料包含：微粒直径≤900nm的ag颗粒，和纳米焊膏，并且，ag颗粒占比为65～80wt.％，将pt接触引线穿过封装基体引线孔，将sic高温压力传感器芯片倒置在标准大气压无尘环境下密封于基体空腔内，与外界环境完全阻隔，并将焊盘对准封装基体引线孔，将沉积ag纳米颗粒的焊盘与pt接触引线烧结(烧结温度≤300℃)进行连接，烧结过程中缓慢加压；待烧结完毕冷却至室温后在ag纳米颗粒周围、芯片与aln封装基体间隙填充耐高温玻璃熔胶，增强芯片在封装体上的固定强度。

<传感器>

另外，本发明还提供一种采用上述<制造方法>所制备的无引线封装的sic高温压力传感器，其特征在于，包括：sic高温压力传感器芯片，包含：由sic晶圆片深刻蚀形成的下部具有方形浮雕结构的敏感膜片，形成在敏感膜片上的p-sic层，形成在p-sic层上由n型外延层刻蚀而成的敏感压阻条，形成在p-sic层和敏感压阻条上的sio2阻挡层，形成在sio2阻挡层上并且位于敏感压阻条上方的接触窗口，以及通过接触窗口与敏感压阻条接触并形成电极与焊盘结构的图形化的ni/ti/ni/pt金属层；和封装部，用于封装连接倒置的sic高温压力传感器芯片，包含：封装基体，在sic高温压力传感器芯片的焊盘处沉积的ag纳米颗粒材料，形成在封装基体上、用于让pt接触引线穿过从而与ag纳米颗粒材料相连接的引线孔，填充在sic高温压力传感器芯片与封装基体间隙处的玻璃熔胶，和形成在封装基体上的热电偶孔。

进一步地，本发明提供的无引线封装的sic高温压力传感器还可以具有以下特征：敏感膜片包括：外边缘横截面为方形的凹坑，和形成在该凹坑中部、外边缘横截面为方形的浮雕结构，凹坑与浮雕结构均与sic高温压力传感器芯片具有共同对称中心，且侧壁均呈12～15°倾斜，在封装基体上朝向sic高温压力传感器芯片的未连接部分设有方形的基体空腔，该基体空腔的边长大于敏感膜片上的凹坑边长，并且小于焊盘结构所围成区域的边长，ag纳米颗粒材料包含：微粒直径≤900nm的ag颗粒，和纳米焊膏，并且，ag颗粒占比为65～80wt.％，sic高温压力传感器芯片上粘接区域总面积小于静压力补偿单元电极图形面积的四分之一。

发明的作用与效果

1、本发明针对sic高温压力传感器的制造，提出了一种全新的制造与封装工艺实现方法。即减薄sic晶圆片，在经过减薄的sic晶圆片si面先后同质外延生长层n-sic与p-sic层；在sic晶圆片的c面使用飞秒激光加工工艺形成浮雕结构方形敏感膜片；在sic晶圆片外延的n-sic层上使用光刻工艺、电子束蒸发工艺形成图形化ni金属薄掩模层，通过rie刻蚀设备进行浅刻蚀，用酸洗除去图形化ni金属薄掩模层的方式形成敏感压阻条；将sic晶圆片热氧化，在si面形成sio2阻挡层，通过光刻工艺、湿法腐蚀工艺对sio2阻挡层进行选择性腐蚀，在敏感压阻条上部得到接触窗口，用boe溶液除去氧化物与样品表面的其他元素；通过光刻工艺、电子书蒸发工艺在sic晶圆片si面形成ni/ti/ni/pt金属层，再次通过光刻工艺、湿法腐蚀工艺将金属层图形化，通过接触窗口与敏感压阻条接触并形成电极与焊盘结构；将sic晶圆片片进行高温退火，使敏感压阻条与ni/ti/ni/pt图形化金属电极形成欧姆接触，至此sic高温压力传感器芯片部分制作完成；制造aln材料封装基体，在sic高温压力传感器芯片四个焊盘处沉积ag纳米颗粒材料，将pt接触引线穿过封装基体引线孔，在sic高温压力传感器芯片焊盘处沉积ag纳米颗粒材料，将ag纳米颗粒材料与pt接触引线烧结进行连接，在ag纳米颗粒材料周围、芯片与aln封装基体间隙填充玻璃熔胶，增强了对芯片的固定。

2、本发明在sic高温压力传感器的封装过程中引入了纳米ag连接技术，实现了sic高温压力传感器芯片无引线倒置封装，使用焊盘与ag纳米颗粒直接连接，不依靠引线进行信号传输，有效地避免了因引线热疲劳与震荡损坏而引起的传感器失效，具有更高的使用温度和更强的抗震性；同时惠斯通电桥结构的静压力补偿单元的电极图形为倒置封装，在标准大气压无尘环境下密封于基体空腔内，与外界环境完全阻隔，结构紧凑，节省空间，不增加封装结构配件，并使内部压强处于稳定状态，进一步保证了传感器的测量精度。

3、本发明将静压力补偿单元设置为四边式悬浮封装在基体空腔上部，和敏感膜片形成复合式层叠结构，粘接区域(用玻璃溶胶粘合的面)仅位于芯片的四个边部，粘接区域总面积小于静压力补偿单元电极图形的四分之一，静压力补偿单元的非粘合区底面未粘附到差压敏感器件上玻璃固定极板上，不仅使静压力补偿单元的性能受外部封装结构的影响小，而且使其对振动具有很高的抵抗力，信号漂移显著降低，实现了压力信号的高稳定、高精准采集。利用静压力补偿单元的差压测量值对敏感膜片的差压测量值进行补偿，实现sic基压力传感器的压力误差补偿，有效地解决了压力误差分散的问题，提高传感器的综合精度。

4、本发明将纳米ag连接技术和芯片直接粘合技术相结合，提出了低温连接(纳米ag颗粒烧结温度≤300℃)的新方法，避免了传统封装过程中手工点胶胶膜极易溢出到电极区之外，电极成型后出现边缘毛刺或外部桥连，造成封接后极板短路，导致器件失效的问题；纳米ag连接技术对烧结温度要求较低，进一步避免了高温焊接过程中导致的传感器芯片边缘形变或由于温度过高而导致的失效问题；另外，对于封装结构件引线孔、热电偶孔、基体空腔于封装前均采用粒度1200目的金相砂纸打磨抛光焊口的方法去除焊口油污等有机杂质与毛刺，有效地解决了烧结后焊缝出现的砂眼和斑点的问题。

5、本发明采用飞秒激光工艺在sic样品的c面进行深坑结构加工，突破了传统深刻蚀工艺对于sic材料难以刻蚀的限制，解决了光刻掩膜过程中由于刻蚀选择比过小与刻蚀时间过长引起的掩膜厚度不足的问题，使敏感膜片加工深度达到60-70μm，同时激光聚焦的位置和运动轨迹由数字扫描仪控制，膜片布局情况由cad工具导入并进行预处理，更加保证了加工结构的精度，避免了金属溅射掩膜的繁琐工艺步骤，可随时监控加工深度以便调整加工参数，在此工艺上进一步优化，还可采用提高并行激光束的数目的方式，加快单个芯片的加工速度或多颗芯片同时加工。

6、本发明通过使用带有浮雕的方形敏感膜片，对于目前大多数圆形敏感膜片结构传感器来说，此种结构受力后桥输出较大，结构边缘与压阻条处于平行状态，有利于线性压力信号的线性输出，内部的方形浮雕结构质量块在选取适当的大小和敏感膜片厚度时，使敏感膜片表面的应力压缩与拉伸方向呈均匀线性变化，以此达到压力测量的理想特性。

7、本发明制造的无引线封装的sic高温压力传感器，利用微电子和微机械加工融合技术制作，精度高、稳定性好、可靠性高、一致性好，工艺合理易于大批量生产，能很好地满足了工业自动控制的高温系统对高精度压力传感器的需求，具有广阔的发展应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中无引线封装sic高温压力传感器的制造方法的流程图；

图2为本发明实施例步骤1中sic晶圆片减薄前的结构示意图；

图3为本发明实施例步骤1中sic晶圆片减薄后的结构示意图；

图4为本发明实施例步骤1中sic晶圆片si面先后同质外延生长p-sic层与n-sic层后的结构示意图；

图5为本发明实施例步骤2中加工形成敏感膜后的结构示意图；

图6为本发明实施例中敏感膜片的立体结构图

图7为本发明实施例中敏感膜片的俯视图；

图8为本发明实施例步骤3中形成图形化ni金属薄掩模层后的结构示意图；

图9为本发明实施例步骤3中形成图形化ni金属薄掩模层后的结构示意图；

图10为本发明实施例步骤3中形成敏感压阻条后的结构示意图；

图11为本发明实施例步骤3中形成敏感压阻条后的俯视图；

图12为本发明实施例步骤4中形成sio2阻挡层后的结构示意图；

图13为本发明实施例步骤4中形成接触窗口后的结构示意图；

图14为本发明实施例步骤5中形成光刻胶掩膜后的结构示意图；

图15为本发明实施例步骤5中形成图形化ni/ti/ni/pt金属层后的结构示意图；

图16为本发明实施例步骤5中洗去光刻胶形成图形化ni/ti/ni/p金属后的结构示意图；

图17为本发明实施例步骤5中形成的焊盘与电极结构的俯视图；

图18为本发明实施例步骤7中涉及的saln材料封装基体的结构示意图；

图19为本发明实施例步骤7中涉及的saln材料封装基体的俯视图；

图20为本发明实施例步骤7中在焊盘处沉积ag纳米颗粒材料后的结构图；

图21为本发明实施例步骤7中在焊盘处沉积ag纳米颗粒材料后的俯视图；

图22为本发明实施例步骤7中将sic高温压力传感器芯片倒置封装于基体空腔上方后的结构示意图；

图23为本发明实施例步骤7中将ag纳米颗粒与pt接触引线烧结进行连接并填充玻璃熔胶后的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的无引线封装的sic高温压力传感器及其制造方法的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例>

如图1所示，本实施例提供的无引线封装的sic高温压力传感器的制造方法，包括以下步骤：

(1)如图2和3所示，将p-sic晶圆片100减薄至130μm，图3中虚线所示为被减薄的部分；如图4所示，在减薄后的sic晶圆片100的si面先后同质外延生长厚度为5μm，掺杂浓度在3×10¹⁸cm^-3(±15％)的p-sic层101，生长厚度为2μm，掺杂浓度在1×10¹⁹cm^-3(±15％)的n-sic层102。

(2)如图5～7所示，在p-sic晶圆片100的c面使用飞秒激光加工工艺形成浮雕结构方形敏感膜片103；如图7和8所示，敏感膜片103呈“回字形”状，包含凹坑103a和形成在凹坑103a正中央的浮雕结构103b，其中凹坑103a顶面为边长1600μm正方形图案104(单颗sic高温压力传感器芯片s1为边长2500μm的正方体形结构)，浮雕结构103b顶面为边长600μm正方形图案105，凹坑103a深度为60-70μm(结合减薄之后的实际厚度，使凹坑103a底部的厚度达到60±0.2μm即可)，凹坑103a与浮雕结构103b与芯片s1整体具有共同对称中心且为侧壁具有12～15°倾斜的斜面106，此结构是通过ansys软件进行芯片无封装结构热力学仿真得到的优选结构，凹坑顶面边长、浮雕结构顶面边长与凹坑底部的厚度均根据预先确定芯片边长进行设计。

(3)如图9所示，在n-sic层102的表面使用光刻工艺、电子束蒸发工艺形成图形化ni金属薄掩模层107；如图10和11所示，通过rie刻蚀设备进行浅刻蚀，用酸洗除去图形化ni金属薄掩模层107的方式形成敏感压阻条108；

(4)如图12所示，将p-sic晶圆片100热氧化，在si面整个上表面形成sio2阻挡层109；如图13所示，通过光刻工艺、湿法腐蚀工艺对sio2阻挡层109进行选择性开窗腐蚀，在敏感压阻条108上部得到接触窗口110，用boe溶液除去氧化物与样品表面的其他元素；

(5)如图14所示，通过光刻工艺在p-sic晶圆片100的si面形成图形化光刻胶掩膜111；如图15所示，使用电子束蒸发工艺在si上面形成ni/ti/ni/pt金属层112；如图16所示，洗去光刻胶形成图形化金属电极113，通过接触窗口110与敏感压阻条108接触并形成如图17所示的焊盘114与电极115结构，本实施例中共设有四处焊盘114结构，分别位于方形芯片的四个角部；

(6)将p-sic晶圆片100进行高温退火，使敏感压阻条108与ni/ti/ni/pt图形化金属电极113形成欧姆接触，至此sic高温压力传感器芯片s1部分制作完成；

(7)如图18和19所示，制造aln材料封装基体116，封装基体116包含四个引线孔117、一个热电偶孔118与和一个基体空腔119，四个引线孔117分别与四个焊盘114相对应；如图20至23所示，在sic高温压力传感器芯片s1四个焊盘114处沉积ag纳米颗粒材料120，将pt接触引线121穿过封装基体引线孔117，将ag纳米颗粒材料120与pt接触引线121烧结进行连接，在ag纳米颗粒材料120周围、sic高温压力传感器芯片s1与aln封装基体116的间隙处填充玻璃熔胶122增强固定，得到无引线封装的sic高温压力传感器s。

如图23所示，本实施例中，最终制得的无引线封装的sic高温压力传感器s包括sic高温压力传感器芯片s1和封装部s2两部分。如图16所示，sic高温压力传感器芯片s1包含：由sic晶圆片深刻蚀形成的下部具有方形浮雕结构103b的敏感膜片103，形成在敏感膜片103上的p-sic层101，形成在p-sic层101上由n型外延层102刻蚀而成的敏感压阻条108，形成在p-sic层101和敏感压阻条108上的sio2阻挡层109，形成在sio2阻挡层109上并且位于敏感压阻条108上方的接触窗口110，以及通过接触窗口110与敏感压阻条108接触并形成焊盘114与电极115结构的图形化的ni/ti/ni/pt金属层113。如图23所示，封装部s2用于封装连接倒置的sic高温压力传感器芯片s1，它包含：封装基体116，在sic高温压力传感器芯片s1的焊盘114处沉积的ag纳米颗粒材料120，形成在封装基体116上、用于让pt接触引线121穿过从而与ag纳米颗粒材料相连接的引线孔117，填充在sic高温压力传感器芯片s1与封装基体116间隙处的玻璃熔胶122，和形成在封装基体116上的热电偶孔119；本实施例中，热电偶孔119形成在封装基体116正中间，并从底部向着基体空腔119延伸。

由于具有如上结构，本发明所提供的无引线封装的sic高温压力传感器s在恶劣环境下工作的可靠性更好，实际耐受工作温度超过320℃，灵敏度达到5.24μv/v/kpa。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的无引线封装的sic高温压力传感器及其制造方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。另外，文中未详述内容均为现有技术。