基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器及其制造方法与流程

本公开涉及电子元件技术领域，具体而言，涉及一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器及其制造方法。

背景技术：

到目前为止，mems加速度传感器已经在市场中占据相当大的比例，并被广泛运用。例如国内青岛智腾公司自主研发制造的mems加速度传感器，其通过刻蚀、封装等mems工艺流程完成产品制造，实现偏值稳定性0.24～6，工作温度-40℃～125℃，量程±2～±50g，并已成功用于航空航天飞行器。同时利用高温性能优良得掺杂碳化硅材料作为敏感元件衬底，便能实现高温状态下工作性能较好得传感器敏感元件。

目前可以被用于mems工艺加工的材料绝大多数在高温环境中会发生性质变化，甚至失效破坏，从而限制了mems器件的工作可耐受环境温度。传感器对于其敏感元件的工作性能要求极高，故在高温环境中进行加速度检测一直是传感器领域极具挑战性的难题，再者，在mems加工工艺流程中，对于碳化硅材料的加工处理极其制造方法，也是限制碳化硅衬底的元器件发展的主要问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的技术问题，本公开实施例提供了一种基于实时数据和step-nc数据推测数控加工状态的方法和装置，该方法提出一种可以在高温环境中工作的mems加速度传感器而完成的，目的在于解决碳化硅材料加工难点，提供一种可在高温下正常工作的传感器敏感元件。

第一方面，本公开实施例提供了一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器，所述压阻式加速度传感器包括：敏感元件基材、电阻以及表面走线材料；所述敏感元件基材为碳化硅，所述电阻为通过预设阈值程度掺杂的碳化硅材料构成的元器件，所述表面走线材料为金。

在其中一个实施例中，所述压阻式加速度传感器还包括：玻璃上盖、底部硅基衬底以及陶瓷管壳。

在其中一个实施例中，所述压阻式加速度传感器还包括：硅基内部管壳衬底，所述硅基内部管壳衬底被配置用于提供预设精度的振动裕度与保护限位。

在其中一个实施例中，所述压阻式加速度传感器基于压阻效应，采用双悬臂梁设计完成。

第二方面，本公开实施例提供了一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法，包括以下步骤：通过正面干法刻蚀机对sic晶片外延层进行电阻光刻刻蚀，并形成电阻图形；使用sio2保护隔离件，并在预设位置刻蚀窗口完成介质孔光刻操作；将元器件镂空部分的通过正面深槽光刻方式正面刻蚀预设深度，并通过预设深度控制电阻条所在的悬臂梁位置厚度；在所述电阻条sio2窗口位置通过lift-off工艺形成欧姆接触；通过金属布线光刻方法将元器件做成pad，并与所述欧姆接触形成金属互联；对所述金属互联部分依次通过清洗操作、正面匀胶操作、正面键合操作完成背面减薄；再对经过处理的所述金属互联部分依次通过溅射操作、光刻操作、显影操作、坚膜操作、打底膜操作、腐蚀金属操作、刻蚀操作完成背孔光刻操作。

在其中一个实施例中，还包括：制备碳化硅的掩膜版；所述制备碳化硅的掩膜版包括：对碳化硅进行加工，并对多块掩膜版进行套刻操作。

在其中一个实施例中，还包括：对所述金属互联部分依次通过清洗操作、正面匀胶操作、正面键合操作完成背面减薄的次数为两次。

本发明提供的一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器及其制造方法，压阻式加速度传感器核心敏感元件是基于压阻效应，其采用双悬臂梁设计，并将电阻随应力变化的电阻条及线路进行布置位置设计，形成完整的惠通斯电桥。敏感元件基材为碳化硅，电阻为通过高度掺杂的碳化硅材料，表面走线材料为金。进一步地，提出了整个器件的封装设计方案，包括用作限位的玻璃上盖和底部硅基管壳，以及陶瓷管壳封装设计。采用硅加工工艺，得到的高精度的硅基内部管壳衬底，可以提供精准的振动裕度与保护限位。通过金丝球焊工艺，将传感器芯片的四个pad的输入与输出信号引到金属管壳的侧边四个金属管脚上，采用50微米金线进行信号传输，保证信号传输的稳定性与芯片的高温安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍：

图1为本发明一个实施例中的一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法的步骤流程示意图；

图2(a)-(c)为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的碳化硅加速度敏感元件俯视图及线路设计示意图；

图3为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的碳化硅加速度敏感元件剖面示意图；

图4为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的底部硅基管壳三维示意图；

图5为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的陶瓷管壳封装方案示意图；

图6为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的碳化硅加工掩膜版示意图；

图7为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的碳化硅加工掩膜版套刻示意图；

图8为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的碳化硅加工流程示意图；

图9为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的碳化硅电阻光刻板实物示意图；

图10为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的碳化硅电阻加工流程示意图；

图11为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的sem观测碳化硅电阻刻蚀图形示意图；

图12为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的绝缘介质孔光刻板示意图；

图13为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的绝缘介质孔光刻示意图；

图14为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的绝缘介质孔刻蚀后光学显微镜观测示意图；

图15为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的正面深槽刻蚀光刻板示意图；

图16为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的正面深槽刻蚀示意图；

图17为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的正面深槽刻蚀后光学显微镜观测示意图；

图18为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的欧姆接触光刻板示意图；

图19为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的欧姆接触光刻示意图；

图20为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的显微镜观测欧姆接触图形示意图；

图21为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的光学显微镜观测欧姆接触图形示意图；

图22为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的sem观测欧姆接触图形示意图；

图23为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的光学显微镜观测金属布线光刻后图形示意图；

图24为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的光学显微镜观测金属布线剥离后图形示意图；

图25为本发明一个实施例中实现一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法中的悬臂梁工艺简易截面示例图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请进行进一步的详细介绍。

在下述介绍中，术语“第一”、“第二”仅为用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下述介绍提供了本公开的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本申请也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征a、b、c，另一个实施例包含特征b、d，那么本申请也应视为包括含有a、b、c、d的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器及其制造方法的具体实施方式进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在一个实施例中，公开了一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器。具体的，压阻式加速度传感器包括：敏感元件基材、电阻以及表面走线材料；所述敏感元件基材为碳化硅，所述电阻为通过预设阈值程度掺杂的碳化硅材料构成的元器件，所述表面走线材料为金。此外，还需要说明的是，压阻式加速度传感器还包括：玻璃上盖、底部硅基管壳以及陶瓷管壳。

进一步地，在一个实施例中，压阻式加速度传感器还包括：硅基内部管壳衬底，所述硅基内部管壳衬底被配置用于提供预设精度的振动裕度与保护限位。更进一步地，在一个实施例中，压阻式加速度传感器基于压阻效应，采用双悬臂梁设计完成。

如图1所示，为一个实施例中的一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法的流程示意图，具体包括以下步骤：

步骤101，通过正面干法刻蚀机对sic晶片外延层进行电阻光刻刻蚀，并形成电阻图形。

步骤102，使用sio2保护隔离件，并在预设位置刻蚀窗口完成介质孔光刻操作。

步骤103，将元器件镂空部分的通过正面深槽光刻方式正面刻蚀预设深度，并通过预设深度控制电阻条所在的悬臂梁位置厚度。

步骤104，在所述电阻条sio2窗口位置通过lift-off工艺形成欧姆接触。

步骤105，通过金属布线光刻方法将元器件做成pad，并与所述欧姆接触形成金属互联。

步骤106，对所述金属互联部分依次通过清洗操作、正面匀胶操作、正面键合操作完成背面减薄。

步骤107，再对经过处理的所述金属互联部分依次通过溅射操作、光刻操作、显影操作、坚膜操作、打底膜操作、腐蚀金属操作、刻蚀操作完成背孔光刻操作。

此外，在一个实施例中，还包括：制备碳化硅的掩膜版。制备碳化硅的掩膜版包括：对碳化硅进行加工，并对多块掩膜版进行套刻操作。

此外，在一个实施例中，还需要说明的是，对所述金属互联部分依次通过清洗操作、正面匀胶操作、正面键合操作完成背面减薄的次数为两次。

为了更加清楚地理解与应用本公开所提出的基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法，进行以下示例。需要说明的是，本公开所保护的范围不限于以下示例。

结合图2-图25所示，具体的，本公开设计的压阻式加速度传感器核心敏感元件是基于压阻效应，其采用双悬臂梁设计，如图2(a)-(c)所示，并将电阻随应力变化的电阻条及线路如图2(a)-(c)所示进行布置，形成惠通斯电桥。此外，如图3所示，敏感元件基材为碳化硅，电阻条为通过先后通过碳化硅重n掺杂与碳化硅低p掺杂完成，导线材料为金。

进一步地，本公开提出了整个器件的封装设计方案，包括用作限位的玻璃上盖和底部硅基管壳，以及陶瓷管壳封装设计，如图4与5所示。采用硅加工工艺，得到的高精度的硅基内部管壳衬底，可以提供精准的振动裕度与保护限位。通过金丝球焊工艺，将传感器芯片的四个pad的输入与输出信号引到金属管壳的侧边四个金属管脚上，采用50微米金线进行信号传输，保证信号传输的稳定性与芯片的高温安全性。

更进一步地，本公开同时公开了一种以碳化硅为基底的加速度传感器核心敏感元件制造方法，包括：电阻光刻，介质孔光刻，正面深槽光刻，欧姆接触光刻，金属布线光刻，背面减薄和背孔光刻共六道mask加一次减薄。

首先为耐高温碳化硅加速度传感器前期图形准备和加工准备，制备碳化硅的掩膜版如图6所示。再次，图7为6块掩膜版套刻以后的示意图；碳化硅的加工流程示意图如图8所示。需要进一步对加工精度进行说明：正面套刻精度不小于2um，背部套刻精度不小于5um；图形线宽误差不大于2um；薄膜沉积厚度以能够输出电信号为基础，可以随加工方调节，误差上不做要求；.刻蚀深度误差不大于2um，垂直度不做要求，尽量接近90°。此外，关于切割封装要求为：芯片能够独立封装，能够在芯片管脚输出电压信号。

具体的，电阻光刻主要目标为正面刻蚀sic材料外延层，并形成电阻图形。光刻板及简易流程图如图9-图11所示。具体的，使用干法刻蚀机对sic晶片外延层进行刻蚀，获得形态完好符合工艺要求的图形，如图11所示。

介质孔光刻的工艺阶段主要目的是使用sio2保护隔离器件，并在需要的位置刻蚀窗口，以备后续工艺的展开，光刻板及简易流程图如图12-图14所示。具体的，使用法刻蚀机对sio2进行刻蚀，得到符合工艺要求的图形，如图14所示。

正面深槽光刻的工艺阶段主要目的是将器件镂空部分正面刻蚀一定深度，同时依靠该深度控制电阻条所在的悬臂梁位置厚度。光刻板及简易流程图如图15-图17所示。此外，欧姆接触光刻工艺阶段主要目的是在在电阻条sio2窗口位置lift-off工艺形成欧姆接触。光刻板及简易流程图如图18-图22。进一步地，金叔布线光刻工艺阶段主要目的是做成pad并与欧姆接触形成金属互联。具体流程图如图23-图24。

进一步地，背面减薄的工艺阶段主要包括清洗、正面匀胶保护、正面键合。具体的，关于清洗操作，即进行工艺前，需要保证材料正面及背面的清洁度。sic晶片正面工艺已经完成，残留正面的杂质沾污会导致正面器件在后续工艺中遭到损坏，并且会直接影响后续背面曝光工艺的进行；晶片背面为本工艺需要减薄面，应避免较大颗粒杂质沾污，以防影响后续减薄效果。经过nmp浸泡，乙醇冲洗，去离子水冲洗的流程，对sic进行清洗。保证了材料的清洁度。

关于正面匀胶保护，即进行键合工艺前，需要对sic晶片正面正面器件进行匀胶保护。在使用低温蜡(熔点约85°)进行键合时，可简单的选用粘度适中的光刻胶进行匀胶保护胶。进行sic晶片正面旋凃时，防止絮状物的沾污。匀胶后应及时清理匀胶台，防止沾污,同时晶片背面边角处需清理，保证晶片的匀胶均一性。匀胶完成后将sic晶片置于热台进行烘烤，冷却后使用厚度测试仪进行面内5点厚度测量。正面5点厚度测量差值小于10um的情况下可继续进行下一步键合工艺。

关于正面键合，即选取均一性符合工艺的蓝宝石托，使用高温蜡将sic晶片与蓝宝石托进行键合。键合后使用厚度测试仪进行面内5点厚度测量。正面5点厚度测量差值小于10um的情况下可继续进行下一步工艺。继续将蓝宝石托背面与专用的玻璃托进行键合，键合后再次对晶片正面进行厚度测量，一般来说本步骤对之前晶片键合均一性影响较小，本次测量值应与前次前次基本一致。

此外，需要说明的是，本公开提出的一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法包括：电阻光刻，介质孔光刻，正面深槽光刻，欧姆接触光刻，金属布线光刻，背面减薄和背孔光刻共六道mask加一次减薄。具体的，背面减薄为将sic晶片待减薄面朝上放置在夹具上，确认背面玻璃托被真空吸附后，选用适当的研磨液，使用减薄机开始进行晶片减薄。经多次试验及调整后，本工艺确保sic晶片背面减薄，且晶片结构完好，无明显划痕。为后续背孔刻蚀工艺的开发打下坚实的基础。

更进一步地，背孔光刻工艺阶段包括溅射、光刻、显影、坚膜、打底膜、腐蚀金属以及刻蚀。具体的，关于溅射流程，即经过本此外加工流程前部对sic深槽刻蚀的研究，在进行本工艺sic背面刻蚀时主要沿用深槽刻蚀经验，并结合背面刻蚀的特点，适当调整工艺，以达到预期效果。本工艺仍然选择金属作为sic刻蚀的掩膜，按照前段工艺已调研完成的sic/金属刻蚀选择比，使用ks-400进行溅射，获得本次背面刻蚀需要的掩膜。

此外，关于光刻流程，即与正面深槽刻蚀工艺一致，采用光刻工艺使金属掩膜图形化。匀胶：在溅射好金属的sic晶片上旋凃一层均匀的光刻胶，与正面刻蚀工艺不同的是，本工艺晶片为1/4大小4英寸晶片，且经过键合，减薄及溅射工艺后，仍固定在蓝宝石托上，其内部应力已产生一定变化，在匀胶过程中，应格外小心，并严格对心准确，防止在匀胶高速旋转中产生裂片，掉片等异常的发生。前烘：将匀好光刻胶的sic晶片置于热板上烘烤。曝光：使用光刻机对sic片进行曝光，工艺参数同正面深槽刻蚀，采用接触式曝光应降低光刻板对晶片的压力，防止压碎晶片。另外本工艺为双面曝光，对准标记在蓝宝石托背面一侧的sic晶片上，透过透明的蓝宝石托，高温蜡的多层结构才能观测到。这就需要前段工艺在键合前保证sic晶片正面的充分清洁。杂质会遮挡对准标记，造成对准困难，曝光歪等异常。

进一步地，关于显影流程，即使用显影液对曝光结束后的sic进行显影，工艺参数同正面深槽刻蚀，需要注意的是减薄后的sic晶片比较脆弱，应注意操作防止碎片。尤其在使用氮气吹扫晶片时，应适当控制氮气枪压力。此外，关于坚膜流程，即光刻胶图形转移完毕后，将sic晶片置于热盘上进行坚膜，工艺参数同正面深槽刻蚀。由于较正面深槽刻蚀，背面刻蚀采用的金属掩膜更厚,腐蚀时间为正面刻蚀的1，5倍，更易产生的侧向钻蚀，可适当增加坚膜时间，或采用烘箱烘烤进行坚膜。此外，关于打底膜流程，即使用trymax，对sic晶片进行打底膜工艺，工艺参数同同正面深槽刻蚀。

更进一步地，关于腐蚀金属流程，即光刻工艺完成后，我们对sic晶片的金属掩膜进行湿法腐蚀工艺，工艺参数基本与正面深槽刻蚀相同。此外，关于刻蚀流程，即使用s干法刻蚀机对sic进行刻蚀，刻蚀菜单与正面深槽刻蚀相同。经多次试验，使用正面深槽刻蚀工艺菜单进行本工艺背面刻蚀。可稳定获得深槽孔图形。与正面深槽刻蚀工艺不同的地方在于背面刻蚀需要对刻蚀终点进行较为精确的判断和控制。刻蚀流程如图25所示。即如图25所示，经过正面深槽刻蚀及背面孔刻蚀，器件形成一个回字型结构，中间部分仅靠2根悬臂梁支撑。而悬臂梁结构厚度则由正面刻蚀深度及背面刻蚀深度共同决定。则如何控制背面刻蚀深度对于本工艺至关重要。在接近刻蚀终点时降低刻蚀速率，可以较为精确的控制悬臂梁的厚度。

综上所述，本公开提出的基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器的制造方法，能够实时检测被测量物体的振动情况及运动加速度数据，碳化硅基底敏感元件耐受极高温度，并且量程范围较大。可以实现碳化硅衬底材料的完整加工工艺流程，并且合理解决加工工艺中存在的刻蚀、欧姆接触、引线键合等工艺难点，为压阻式碳化硅基材料的加速度传感器加工制造提供准确的工艺信息。

本发明提供的一种基于碳化硅材料的压阻式加速度传感器及其制造方法，压阻式加速度传感器核心敏感元件是基于压阻效应，其采用双悬臂梁设计，并将电阻随应力变化的电阻条及线路进行布置位置设计，形成完整的惠通斯电桥。敏感元件基材为碳化硅，电阻为通过掺杂的碳化硅材料，表面走线材料为金。进一步地，提出了整个器件的封装设计方案，包括用作限位的玻璃上盖和底部硅基管壳，以及陶瓷管壳封装设计。采用硅加工工艺，得到的高精度的硅基内部管壳衬底，可以提供精准的振动裕度与保护限位。通过金丝球焊工艺，将传感器芯片的四个pad的输入与输出信号引到金属管壳的侧边四个金属管脚上，采用50微米金线进行信号传输，保证信号传输的稳定性与芯片的高温安全性。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该程序被图1中处理器执行。

本发明实施例还提供了一种包含指令的计算机程序产品。当该计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行上述图1的方法。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本公开为必须采用上述具体的细节来实现。

本公开中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为示例性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

另外，如在此使用的，在以“至少一个”开始的项的列举中使用的“或”指示分离的列举，例如“a、b或c的至少一个”的列举意味着a或b或c，或ab或ac或bc，或abc(即a和b和c)。此外，措辞“示例的”不意味着描述的例子是优选的或者比其他例子更好。

为了示例和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本公开的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。