压力传感器的制作方法

本发明涉及压力传感器以及制造压力传感器的方法。

背景技术：

压力传感器以及制造压力传感器的方法是众所周知的。例如，在美国专利第us7,704,774b2号中，描述了一种压力传感器，其通过结合两个基底来进行制造，第一基底包括cmos电路，而第二基底是soi基底。腔室形成在第一基底的顶部材料层内，其由第二基底的硅层覆盖。将第二晶片部分的或全部的基底去除，以由硅层形成隔膜。或者，该专利还进一步描述了腔室可形成在第二基底内。第二基底电连接到第一基底上的电路。已知的设计允许使用标准的cmos过程以将电路集成到第一基底上。

在压力传感器中，隔膜是可感应应力的。当压力传感器安装在载体上并电连接到该载体时，机械应力可被唤起并通过钎焊球传输到第一基底，具体来说，传输到诸如隔膜那样的压力传感器的应力感应结构上。

技术实现要素：

因此，根据本发明的第一方面，提供一种压力传感器，尤其是绝对压力传感器，其具有可变形隔膜以提供腔室和开口之间的分离，在绝对压力传感器的情形中，腔室有基本上恒定的压力，而开口通向传感器的外部。腔室形成在盖内，该盖附连到第一基底，可变形隔膜面向第一基底，且在可变形隔膜和第一基底之间有间隙。该盖还包括处理电路。可变形隔膜的变形由合适的感应装置转换为信号，信号供应到盖内的处理电路并由该处理电路处理。

第一基底包括盖附连于其上的支承部分。提供第一基底的接触部分，使压力传感器电连接到外界。支承部分由一个或多个悬置元件从接触部分悬置出来。

在该设置中，作为感应应力的元件的可变形隔膜，本质上用机械方式与第一基底的接触部分脱离，应力可通过该接触部分由外部载体产生，或在安装压力传感器过程中，假定该接触部分较佳地是压力传感器通过该部分电和机械地连接到外部载体的唯一部分，应力则引到外部载体，该外部载体例如可以是外部装置。不仅可变形隔膜不再附连到第一基底，取而代之的是集成到盖中。此外，第一基底部分，即，支承部分与接触部分机械上已经脱离。另一方面，盖附连且较佳地是单独地附连到第一基底的支承部分上，但不是附连到接触部分，这样，隔膜与第一基底的基础部分没有直接的机械连接。因此，通过第一基底的接触部分朝向隔膜产出的应力的传播大大地被减弱。

盖布置成让可变形隔膜面向第一基底，较佳地面向第一基底的前侧。间隙设置在可变形隔膜和第一基底的前侧之间，以允许隔膜沿着正交于盖平面的方向挠曲。在如此设置中，假定可变形隔膜不直接面向传感器的环境，则可变形隔膜受到保护。

在一优选的实施例中，盖至少部分地由第二基底制造而成。较佳地，第二基底是半导体基底，诸如是硅基底。因此，第二基底例如可含有由硅制成的材料块以及堆叠在材料块上的不同层，诸如是一层或多层的金属层、绝缘层以及钝化层。较佳地是，处理电路集成到第二基底中。同样较佳地是，腔室只形成在第二基底的堆叠层内，而不到达材料块内。

在一优选的实施例中，可变形隔膜由第三基底构成，第三基底附连到第二基底的顶层。例如，第三基底可以是soi(绝缘体上硅)基底，其中，具体来说，可变形隔膜可由soi基底的硅层构成，而绝缘层和soi基底的材料块在处理过程中被移去。

在第一基底中，接触部分和支承部分较佳地通过施加一个或多个垂直地通过第一基底的槽而构造。藉由制造一个或多个槽，第一基底的一个或多个小的部分保持将支承部分机械地连接到接触部分。这个小部分/这些小部分起作悬置元件的作用，用来从接触部分中悬置出支承部分。较佳地，一个或多个槽垂直地设置在第一基底中，即，正交于第一基底的平面延伸部分。该悬置元件可包括突脊，例如，保持住支承部分的四个突脊。较佳地，悬置元件(多个)与支承部分和接触部分一体地形成，假定在优选的实施例中，支承部分、接触部分以及一个或多个悬置元件是由第一基底构成。在一优选的实施例中，悬置元件不代表接触部分和支承部分之间的最短路径，但却具有这样的形状，该形状允许支承部分相对于接触部分作一个或多个挠曲或转动，例如，沿第一基底的平面的至少一个方向的挠曲。这样，通过盖施加到支承部分上的平移和/或转动力可被衰减，而不抑制悬置元件。悬置元件可包括用于此用途的弹簧部分。

一个或多个悬置元件较佳地作为减弱刚度的部件，用以减小否则会转移到盖上的应力。一个或多个槽在很大程度上使盖与第一基底的接触部分脱离，且较佳地包围除一个或多个悬置元件之外的接触部分。总而言之，应力感应的可变形隔膜在机械上与第一基底的接触部分脱离，该接触部分在安装到载体上时是接受应力的部件。

在一个实施例中，感应装置可含有自身起作第一电极作用的可变形隔膜，这样，含有导电的材料。另一方面，第二基底可布置在靠近静止位置处的腔室，或布置在该腔室内，这样，该电极布置可允许感应第二电极和可挠曲的隔膜之间的电容量，该电容量取决于电极之间的距离。例如，倘若诸如气体那样的介质以限定的压力施加到腔室中并唤起隔膜的挠曲，则电极之间的距离可改变并导致电容量的改变。在一个实施例中，第二电极可以是金属层，或在另一个实施例中，第二电极可以是多晶硅层。

在一优选的实施例中，电极电连接到集成在第二基底内的处理电路上。

为了将盖电连接到第一基底，电连接可设置在盖和第一基底之间，例如，呈钎焊隆起或钎焊球的形式，或同时还可起作定位元件(间隔元件)作用的其它导电元件，以在第一基底和可变形隔膜之间提供间隙。为了连接第二基底中的导电层，可将接触窗设置到第二基底内，且如果合适的话，则通过第三基底。另一方面，定位元件可连接到第一基底上的接触垫，其可以是从第一基底露出来的导电层的区域。

根据本发明另一方面，该方面独立于有关压力传感器的实施例，提供一种传感器，其包括第一基底、附连到第一基底的盖，其中，该盖包括处理电路和感应元件，该元件将待要探测的测量值转换为信号，该信号能被处理电路处理。

第一基底包括附连盖的支承部分、将传感器电连接到外部装置的接触部分，以及用于从接触部分悬置出支承部分的一个或多个悬置元件。

在一优选实施例中，盖附连到第一基底，使感应元件面向第一基底，从而在感应元件和第一基底之间提供间隙。

根据本发明的另一方面，提供制造压力传感器的方法。提供第一基底、第二基底以及第三基底。在第二基底中，集成了处理电路并制造腔室，例如，通过蚀刻进行制造。在另一实施例中，第二基底可与处理电路和/或腔室一起进行预加工。接着，第三基底安装到第二基底上，由此，覆盖第二基底中的腔室以构成可变形隔膜以感应施加到其上的压力。

随后，将第二基底和第三基底的组件安装到第一基底的支承部分上，且可变形隔膜面向的第一基底。可提供用于离开第一基底的表面安装可变形隔膜的定位元件，以提供可变形隔膜和第一基底之间的间隙。

围绕用于将压力传感器电连接到外部装置的接触部分，将一个或多个槽制造到第一基底内。制造一个或多个槽的结果，借助于悬置元件，使支承部分从接触部分悬置出来。

制造一个或多个槽可以不同的方式进行：例如，通过从第一基底的前侧中蚀刻出沟槽，来将第一基底在附连到第二基底和第三基底的组件之前，较佳地对第一基底进行预处理。假定第一基底足够薄，并应用蚀刻过程，该过程允许在第一基底中蚀刻出沟槽，沟槽到达通过第一基底。

在另一替代的实施例中，沟槽的深度制造得不足以到达通过第一基底全部材料块。因此，可有需要的另一处理步骤，以从第一基底背侧，即，相对于面向可变形隔膜的前侧打开沟槽。在该实施例中，较佳地是，在组装第一基底以及组装第二基底和第三基底之前，同时，在将组件已经附连到第一基底上之后，沟槽从第一基底背侧露出，由此制造该构造。

在一优选的实施例中，第一基底的材料块首先横贯第一基底全部减薄，以便能够一次蚀刻通过整个第一基底，或促使先前蚀刻的沟槽从背侧开口。

在第一基底中，可形成导电通路以将盖(具体来说，其处理电路)电连接到第一基底背侧处的电触头上。较佳地是，可在将第二基底和第三基底的组件安装到第一基底上之后，以及在打开第一基底中的沟槽(如果需要的话)之前，在第一基底中构成通路。在本发明的另一较佳变型中，使用tsv(通过硅的通路)工艺过程来制造一个或多个通路。在为通路将孔蚀刻到第一基底中之前，可将第一基底厚度例如减小到150μm(微米)或更小，使它更适合于tsv或类似工艺过程。当减小第一基底厚度时，第二基底可保护可变形隔膜和其它感应结构。

倘若第二基底包括诸如硅那样的材料块和堆叠到材料块上的诸层，则较佳地是，腔室只延伸到一层或多层内，但不延伸到材料块内。

在一优选的步骤中，第三基底包括soi(绝缘体上硅)基底。第三基底较佳地附连到第二基底的顶层上。然后，soi基底的材料块和其绝缘层较佳地除去，由此留下跨越第二基底中腔室的、作为可变形隔膜的硅层。

较佳地，在先前将第三基底施加到第二基底的步骤之后的步骤中，一个或多个接触窗蚀刻通过可变形隔膜区域之外的第三基底，且较佳地蚀刻到第二基底的至少某些层内，以提供通向其中导电层的通路。一方面，这些导电层又可连接到电极上，另一方面，连接到处理电路。在下一步骤中，接触窗较佳地进行金属化。

压力传感器堆叠的总高度最好可在350至500微米之间。

较佳地是，通过众所周知的步骤之后进行的cmos过程，在第二基底内制造处理电路。

在一非常优选的实施例中，在晶片规格上执行该方法，即，在同一晶片上，多个压力传感器在相同制造步骤中进行制造。在某一时间点，例如，在最后，各个压力传感器通过晶片堆叠的切片而彼此分离。在分离步骤之前，第二晶片设置有多个在其上预处理过的处理电路，以及对应于第一和第三基底的第一和第三晶片。处理电路和腔室在第二晶片内制造，以此方式准备的第二晶片附连到第三晶片以处理可变形隔膜。第二和第三晶片的组件然后可安装到第一晶片上，且可变形隔膜面对第一晶片。第一晶片可预处理，使沟槽到达或通过第一晶片。返回到组装好的第一、第二和第三晶片，第一晶片然后可继续从其背侧进行处理，例如，通过制造通路进行处理。较佳地是，如果在第一基底中预备的沟槽不达到通过基底，则在制造好通路之后，从基底背侧露出沟槽，然而，仍然在晶片的规格上进行。在最后，晶片堆叠可被分离为单个压力传感器芯片。

根据本发明另一方面，该方面独立于有关压力传感器制造的实施例，提供制造传感器的方法，该方法包括如下步骤：提供第一基底、提供第二基底，以及将第二基底安装到第一基底的支承部分上。围绕将压力传感器电连接到外部装置的接触部分，使槽形成到第一基底中，由此，借助于悬置元件使支承部分从接触部分中悬置出来。

在一优选的实施例中，感应元件布置第二基底上，且感应元件面对第一基底。间隙可设置在感应元件和第一基底之间。

所描述的实施例同样地适合于传感器和方法。从各种实施例的不同组合中，尽管实施例可能没有详细描述，但可得到协同作用的效果。

尽管较佳地是在权利要求书中列出了方法步骤的次序，但如果技术上合适的话，则主题方法的权利要求将包括不同的次序。

其它有优点的实施例列出在从属权利要求书中以及下面的描述中。

附图说明

从以下对本发明的详细描述中，本发明的实施例、各个方面和诸多优点将会变得明了。如此的描述参照了附图，附图中：

图1在a)示意的剖视图，b)代表性的水平剖视图，以及c)代表性的仰视图中示出了根据本发明一实施例的压力传感器；

图2在a)至d)的示意剖示图中示出了处理过程中的根据本发明实施例的压力传感器，由此，图示出根据本发明实施例的方法诸处理步骤；以及

图3在a)至c)的示意图中示出了对用于本发明实施例的压力传感器的第一基底预处理的示意剖视图。

具体实施方式

如这里所使用的术语“压力传感器”是指测量参数的任一类型传感器，所述参数等于流体的压力或从流体压力导出的参数。尤其是，术语是指相对的(即，差值)以及绝对的压力传感器，该术语还涵盖静态的以及动态的压力传感器。如此传感器的典型应用实例例如是科学检测仪表、气象学、海拔高度测量、声音记录、移动的或便携式的计算机以及电话等。

图1a)示出根据本发明一实施例的压力传感器的示意剖视图。如图所示的压力传感器是倒置的，其钎焊球18向上，而当压力传感器安装到载体上时，其钎焊球是坐落在该载体上的。

压力传感器包括第一基底1和用于第一基底1的盖4。

盖4最好由第二基底2和第三基底3构成。第二基底2较佳地是半导体基底，最好是硅基底，并具有前侧21和背侧22。第二基底2含有大块诸如硅的材料23和在大块材料23上的堆叠层24。这些堆叠层24可为第二基底2的cmos处理而布置，于是，也可被称作cmos层或材料层。具体来说，层24例如可包括多个sio2层、金属或多晶硅层。大块材料23可在硅内含有掺杂的区域，其用附图标记241表示。这些组分可形成有源电路，诸如放大器、a/d转换器或其它模拟和/或数字信号处理单元。堆叠层24的顶层246可以是氧化硅和/或氮化硅的绝缘层，用以保护下面的结构。在本例中，假定统称为241的处理电路藉由cmos处理而集成到第二基底2的前侧21上。

在盖4内，从一个或多个堆叠层24中、现在是从顶层246中略去或除去材料来形成腔室41。腔室41由可变形隔膜42关闭。隔膜42足够薄而可根据隔膜42顶部处压力和其下面的压力之间的压差发生变形。金属层243可用作为电极，这样，其可布置在腔室41的底部。

隔膜42较佳地由掺杂质的导电硅层形成，布置成位于腔室41上以作为密封盖，并可用作为另一电极，基于该原因，可变形隔膜42可含有导电材料。因此，一旦压力改变，隔膜42就偏转，这样，两个电极之间的距离改变，这导致两个电极之间的电容量改变。

在本例中，可变形隔膜42由第三基底3构成。如图1所示的该第三基底3可以是soi基底的其余部分，具体来说，是它在某些制造步骤之后的器件层。该第三基底3不仅仅是可能有助于可变形隔膜42。第三基底3可含有接触窗244，通过该窗达到的深度还可到达一个或多个层24。

对应的信号可从电极(即，可变形隔膜42和金属层243)通过导电路径242传输到处理电路241，这些信号在处理电路中被处理。处理电路241处理过的信号可提供到第一基底1。

第一基底1可以是半导体基底，例如，硅基底或玻璃基底，例如，带有前侧11和背侧12。半导体基底1包括诸如硅那样的大块材料13，以及诸如大块材料13上的氧化层那样的一层或多层14。一层或多层14例如还可包括多个sio2层、金属层或多晶硅层。

第一基底1含有垂直通过第一基底1到达的通路15。这些通路15确保从基底1的前侧11到其背侧12的电气连接。这些通路15的制造是通过以下方法实现：从基底背侧12向第一基底1内蚀刻或钻孔，即对孔施加氧化物151，以及对氧化物151施加导电材料152。在第一基底1的背侧12处，通路15电连接到接触垫16，该接触垫驻留在施加到大块材料13的氧化物层17上，该接触垫16用作对于钎焊球18的支承物，或用作将压力传感器电连接到外界(即，另一器件)的其它接触装置。替代于通路15和钎焊球18，还存在有其它方法来将压力传感器互连到外界，例如，借助于导线联结、粘结垫或导电结构，导电结构从第一基底1的前侧11沿着该侧面引线到背侧12。与外界的电连接也可通过以下的一种或多种方式来实现：landgridarray(栅格阵列)，pingridarray(针栅阵列)或导线框架。

含有第二和第三基底2、3的组件附连到第一基底1的前侧11。该附连可包括粘结或其它融合技术。在本例中，定位器元件5设置在第三基底3和第一基底1之间。该定位器元件5可具有不同的功能：一方面，定位器元件5确保可变形隔膜42和第一基底1之间的间隙6，其是将压力介质提供给隔膜42所需要的。另一方面，某些定位器元件5，但不必要是所有定位器元件5，可以是导电的，以将接触窗244连接到第一基底1。其它的或相同的定位器元件5可对基底1、3的堆叠提供机械的稳定性，和/或可对压力传感器内部提供机械性保护，具体来说，对隔膜42实施保护。为此原因，较佳地是可将定位器元件51以环的形式布置在基底1、3的边缘处，以提供机械稳定性、机械的保护以及电气的连接，同时定位器元件52有点像柱子状，并提供电气连接。

处理电路241提供的信号因此可通过一个或多个电气路径242以及通过一个或多个接触窗244传输到一个或多个定位器元件5。如图1所示，定位器元件52终止在第一基底1的通路15处，并与其电连接。因此，信号通过通路15传输到接触垫16和钎焊球18。

第一基底1含有支承部分7和接触部分8。本图中未示出的悬吊元件被提供用来从接触部分8悬吊支承部分7。支承部分7较佳地在第一基底1的平面内环绕该接触部分8。

接触部分8通过一个或多个槽10与支承部分7分离。由于接触部分8和支承部分7从公共的第一基底1中制造，因此两个部分可包括由第一基底1形成的大块材料13。

盖4较佳地通过定位器元件5专有地附连到第一基底1的支承部分7。另一方面，较佳地是，接触部分独自对外界提供机械和电接触。因此，通过压力传感器的该部分(即，接触部分8)产生出机械应力，该部分与压力传感器的其余部分是结构分离的，具体来说，通过悬吊元件与可变形隔膜42分离。

本例中，用于将介质传导到可变形隔膜42的端口包括槽10和间隙6，或至少它们的一部分。

本例中压力传感器的全长约为400μm.

图1b)示出压力传感器的代表性的水平剖切面，例如，根据图1a)中的线a-a’剖切的，该图不必要匹配于图1a)中提供的所有元件。机械支承物32保持住第三基底3。在该第三基底3中，设置多个接触窗244，其内部含有导电材料2441。第三基底3还构成了可变形隔膜42。然后，水平剖切面切换到一不同平面，即，电极243的平面。该电极243被腔室41包围。

图1c)示出压力传感器的第一基底1的仰视图。第一基底1包含支承部分7和接触部分8，其中，借助于悬吊元件9使支承部分7从接触部分8悬吊出来，其代表的是两个部分7和8之间的机械连接。槽10布置成垂直地通过第一基底1。通路15布置在支承部分7内，而钎焊球18布置在接触部分8内。接触部分8借助于诸如接触垫16那样的导电结构电连接到支承部分7，该导电结构一般地可称作重新分配层。

图2在其示意图a)至d)中示出制造过程中根据本发明一实施例的压力传感器的示意剖视图，由此示出各个处理步骤。在图2a)中，预处理的第二基底2显示为具有前侧21和背侧22，其包括大块材料23和堆叠在大块材料23上的层24，该层24仅示意地显示，且可含有氧化层，例如，sio2、金属层和/或诸如层243那样的用作电极的多晶硅层，以及用作钝化层的顶层246。处理电路241集成到第二基底2，例如，通过掺杂大块材料23和/或通过构造堆叠层24来集成。此外，腔室41蚀刻到层24内，且最好蚀刻到顶层246内。

在下一步骤中，可变形隔膜42形成在预处理过的基底2上。为此原因，例如，通过融合粘结，将呈soi形式的第三基底3附连到其前侧21处的第二基底2的层24上。soi基底可含有大块材料、呈box层形式的绝缘层，以及作为器件层的硅层。其结果，腔室41闭合。在附图中未明确示出的另一步骤中，大块材料和soi基底的绝缘层可被移去，这样，硅层保持为覆盖腔室41的第三基底3，该硅层足够薄以响应于施加的压力而偏转。

在下一步骤中，接触窗244通过第三基底3蚀刻到第二基底2的层24内。接触窗244被金属化，而定位器元件51和52被施加到第三基底3。

在图2b)所示的下一步骤中，预处理过的第一基底1附连到第二和第三基底2、3的组件。例如，第一基底1根据图3的图示进行预处理。

在图3a)的图示中，提供第一基底1，例如，诸如硅基底那样的半导体基底。在其顶侧布置了一个或多个层14，诸如cmos层，或简单地诸如氧化硅层那样的隔绝层。在图3b)所示的另一步骤中，定位器元件51和52布置在第一基底1的前侧11上。在图3c)所示的步骤中，例如，通过深度反应离子蚀刻，使沟槽101蚀刻到第一基底的大块材料13内，由此，穿透层14。

然后，将根据图3c)预处理过的第一基底1施加到根据图2a)预处理过的第二和第三基底2、3的组件上，由此，生成根据图2b)的组件。

在如图2c)所示的下一步骤中，第一基底1从其背侧11起减薄到范围在100至200微米的厚度。该处理可使用打磨、蚀刻或铣削工艺来进行。

在图2d)所示的步骤中，继续处理第一基底1：通过第一基底1制造通路15。最好在制造通路15的步骤中，第一基底1中的沟槽101从第一基底1的背侧12打开，例如，借助于蚀刻来进行，这样，现提供一个或多个槽10，直通达到第一基底1。在最后步骤中，钎焊球18或其它接触结构可附连到第一基底1的背侧12。结果图示在图1中。

通过制造了一个或多个槽10，第一基底1分离为支承部分7和接触部分8，盖4附连到支承部分7，压力传感器通过接触部分8电连接到另一器件。

应该指出的是，本发明不局限于这样的实施例，其中，检测元件是如上所述的电容性传感器。相反，可使用任何类型的压力传感器，其使用可变形隔膜以根据隔膜上的压降来测量变形量。尤其是，本发明还可用于这样的传感器，其中，隔膜的变形通过压阻装置来测量。

还应该进一步指出的是，在制造过程中，在材料的任何移除中，可使用化学(湿的)蚀刻处理、等离子蚀刻处理、激光切割、机械铣削，或任何这些处理的组合(如果合适的话)来形成对应的结构。

尽管以上图示和描述了本发明的实施例，但应该理解到，本发明不局限于这些实施例，而是在附后权利要求书的范围之内，还可以其它方式多样化地实施和实现。