專利名稱：靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器及制作工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種壓力傳感器，尤其是一種采用靜電鍵合工藝密封電容腔體制作的電容式微型壓力傳感器及其制造方法。
由于硅材料具有很好的力學性能，隨著半導體工藝的成熟，就有了用硅材料制作傳感器的手段。首先，進行研究、制作的是硅壓阻式壓力傳感器。硅壓阻式壓力傳感器具有尺寸小、結構與制作工藝簡單、傳感靈敏度高等特點，不足之處是傳感器的抗干擾能力差，溫度影響大。由硅和玻璃鍵合制作的電容式壓力傳感器與硅壓阻式壓力傳感器除具有尺寸小、結構與制作工藝簡單、傳感靈敏度高的特點外，還具有結構穩定性好、強度高，抗干擾能力強、測量穩定性好、溫度影響小等優點。且有理想的零壓特性和過載保護，過載達20000％不會損壞。硅和玻璃鍵合的電容式壓力傳感器通常采用一片硅和一片玻璃鍵合的結構，由于電極要從電容密封腔引出，因而就心須在硅面刻蝕一個槽來引出電極，從而產生了電容密封腔密封這個問題。為了解決這個問題，人們選用各種不同的材料來密封引出電極的槽，效果都不理想，原因是要使密封粘接材料同時對玻璃、硅和金屬都有很好的粘接性能非常困難，甚至是不可能的。CN1011074D號專利申請公開一種可成批生產的電容壓力傳感器，它使檢測元件和引線與壓力媒質隔離并提供應力隔離。該傳感器制成多層夾心結構。一個硅晶片的一側蝕刻成一系列腔形成撓曲膜片，其一個表面作為電容器極板。一個玻璃層在兩側金屬化并有孔。玻璃層粘接到晶片上形成數微米的電容間隙。該組件夾在2個附加層之間，在真空中粘接。將4層夾心結構做成單個傳感器。初始組件可制成一定形狀以衰減膜片的響應次數，并在高頻輸入時降低虛假信號。
本發明的目的在于提供一種結構簡單、尺寸小、穩定性好、強度高、有理想的零壓特性、過載保護能力強、線性度和靈敏度高，可用于-150～250℃惡劣環境，工藝通用性好的靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器及其制作工藝。
本發明設有一具有感受膜的上硅片、一帶電極的玻璃襯底、一用于密封電容腔體的硅片(以下稱密封硅片)和一對輸出極。上硅片的下表面為壓力感受膜片。壓力感受膜片周邊設保護墻，在壓力感受膜片一側的上硅片上設敞開口。上硅片的下表面設電容腔體。玻璃襯底的上下表面均為拋光面，上拋光面上設有電容腔電極和膜片電極，下拋光面上設有接觸電極，上下拋光面之間設貫通小孔，貫通小孔分別與電容腔電極和接觸電極連通，貫通小孔的表面設導電膜，電容腔電極與壓力感受膜片之間設絕緣層。密封硅片的上表面與接觸電極通過靜電鍵合連接在一起。在密封硅片和膜片電極上分別設傳感器輸出極，膜片電極上的傳感器輸出極穿過上硅片的敞開口。
靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器的制造方法如下1、上硅片清洗、甩干，在氧化爐中氧化，并刻蝕電容腔。
2、去除做好電容腔體的上硅片的下表面氧化層。
3、將刻蝕好電容腔的上硅片用固態源擴散，形成膜片的P+層或PN結。
4、將密封硅片清洗、甩干、擴散，使表面生成具有歐姆接觸的擴散層。
5、將雙面拋光的玻璃襯底片打通孔，再制作電容腔電極、膜片電極和通孔金屬化以及接觸電極。
6、在電容腔電極上制作一層絕緣層。
7、將玻璃襯底片的電容腔電極對準上硅片上的電容腔，利用加熱加靜電的靜電鍵合工藝將上硅片的下表面與玻璃襯底片的上表面鍵合連接。
8、將玻璃襯底片的下表面與密封硅片的上表面靜電鍵合連接。
9、分別在密封硅片和膜片電極上制作傳感器的輸出極。
上硅片的清洗可選用硅電清洗液進行標準清洗，其氧化爐的溫度可不低于800℃，氧化層的厚度宜控制在0.5～2μm。電容腔的刻蝕采用光刻工藝，刻蝕后的上硅片可放入擴散爐用固態源擴散，形成的膜片厚度與擴散時間有關，一般厚度為1～8μm，擴散時間為3～6h，擴散爐溫度宜選用1100～1250℃。密封硅片作雙面濃擴散，使表面具有歐姆接觸特性。玻璃襯底上的通孔孔徑可為100～800μm，通孔的金屬化在利用濺射鍍膜技術制作電容腔電極和膜片電極過程中一起完成。在電容腔電極上表面或感受膜的下表面鍍或涂一層玻璃絕緣層的目的在于對電容腔電極與膜片之間起絕緣作用，當膜片碰到電容腔體真空室底部時，電容腔電極與膜片不會接觸。采用靜電鍵合工藝時，可在超靜環境中利用加熱(溫度為350～600℃)、加靜電(電壓為600～1200V)將其鍵合在一起。
靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器是一種電容式微型壓力傳感器，它具有很好的電容腔密封特性，因而具有很穩定的工作特性，耗能低、結構穩定，承受過壓能力強，線性度和靈敏度高。其性能指標達到(1)測量環境的溫度范圍為-150～250℃；(2)壓力范圍10-4～103psi；(3)過壓保護滿量程的200～200000％或500psi；
(4)可在幾小時內承受高達500psi的壓力作用，在溫度為300℃環境下進行測量；(5)準確度在5～10年內保持±1.5％的準確度；(6)遲滯在5～10年內保持滿量程1％的遲滯；(7)電源3～30V，5～15mw。
其次，靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器結構簡單、尺寸小，傳感器安裝后尺寸約為400μm×400μm。結構穩定性好，強度高；測量穩定性好，性能指標優異；有理想的零壓特性、過載保護和高靈敏度，過載達20000％不會損壞。能用于惡劣環境，溫度條件達-150～250℃。同時靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器的硅材料加工工藝具有通用性，易于規模生產。
利用靜電鍵合工藝密封電容腔體制作電容式微型壓力傳感器的方法有效地避開了密封粘接這個難題。利用玻璃打孔、孔金屬化和靜電鍵合密封電容腔體工藝，將電容式壓力傳感器的電容腔電極密封在真空腔中，電容腔電極則由密封在玻璃下方的密封硅片引出。
圖1為靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器的結構示意圖。
圖2為靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器的安裝圖。
圖3為圖2的A-A剖視圖。
圖4為圖2的B-B剖視圖。
圖5為圖2的C-C剖視圖。
圖6為靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器的制作工藝和安裝流程示意圖。
如圖1所示，靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器設有一是具有感受膜的上硅片12，二是有電極的玻璃襯底14，三是用來密封電容腔體的硅片(稱密封硅片)13。在上硅片12下表面有一層由P+刻蝕技術或PN結化學刻蝕技術形成的膜片15，硅膜片可為方形或圓形，壓力感受膜片16就在這一層上，它是膜片15的一部分。上硅片12上的感覺膜片16被一個隔離墻20包圍。在上硅片12上還設有一敞開口18。壓力感受膜片16與敞開口18之間被隔離墻20分開。電容腔體22在上硅片12的下表面由光刻、腐蝕制成。玻璃襯底14有兩個拋光面28，30，上拋光面28上有電容腔電極26和膜片電極24；下拋光面30上有接觸電極11。玻璃襯底14上有一個貫穿上拋面28和下拋光面30并分別與電容腔電極26和接觸電極11連通的小孔19，小孔19的表面鍍有導電膜，電極與孔表面的導電膜由金屬鍍膜而成，鍍膜工藝要保證既有良好的粘接性能又有良好的導電性。接觸電極11與電容腔電極26由金屬化小孔19連通。當上硅片12的下表面23與玻璃襯底14的上表面28鍵合時，膜片電極24與膜片15連接在一起，膜片電極24置于敞開口18的下方。接觸電極11與密封硅片13的上表面10通過靜電鍵合連接在一起。在密封硅片13和膜片電極24上分別設傳感器輸出極。
圖2是傳感器的安裝圖，圖3為A-A剖視圖，圖4為B-B剖視圖，圖5為C-C剖視圖，從圖2～5可看出，傳感器的電容腔電極26和膜片電極24直接做在玻璃襯底14上，濺鍍在電容腔電極26上的絕緣層32用于防止膜片16變形時碰到電容腔電極26。為了保證靜電鍵合質量，玻璃絕緣層32的尺寸要小于感受膜16的尺寸a和b(參見圖1)。電容腔電極26從電容腔體22延伸并覆蓋金屬化小孔19，金屬化小孔19同時被接觸電極11覆蓋。密封硅片13的上表面10與下表面都需要做擴散，以使其與金屬具有歐姆接觸的特性。當玻璃襯底14下表面30與密封硅片13的上表面10鍵合時，接觸電極11在與密封硅片13連接。傳感器的結構設計要考慮在一定工作溫度條件下，傳感器的工格壓力范圍和能承受的最大壓力，根據這個條件，壓力傳感器的結構尺寸要作相應的改變。隔離墻20的尺寸根據傳感器受力情況而定，顯然，隔離墻要足夠厚，足夠牢固。這種結構設計的優點是傳感器能承受在制造、安裝、測量過程中的溫度變化，特別是在比較惡劣的環境下可利用這種傳感器進行測量，通過電子儀表對電容變化或電壓變化進行監測，配置傳輸裝置和電子儀表可進行遠距離測量。顯然，其電容器由膜片16、電容腔電極26和膜片底下的真空室22(電容腔體)與其隔離作用的絕緣層玻璃32構成，其電容量為C＝∫∫ε0dxdy/[d-dmin(εg-ε0)/εg]，其中dxdy為膜片的微面積元，d為膜片和襯底間的距離，ε0為真空的介電常數，εg為玻璃的介電常數。在膜片和襯底相互接觸的地方，d＝dmin則d-dmin(εg-ε0)/εg＝dminε0/εg，有C＝∫∫εgdxdy/dmin，d是通過硅蝕刻技術形成的深度，dmin是電容腔電極26上面的絕緣層32的厚度，即d-dmin是襯底絕緣層頂端到膜片的距離。由于硅膜片15是利用P+刻蝕技術或PN結點化學刻蝕技術形成的，因此膜片的厚度h取決于P+層或PN的厚度，這個厚度可以進行精確控制。真空密封腔(電容腔體)22位于膜片16的正下方，被絕緣層32覆蓋的電容腔電極26，即公式中的dxdy，在真空腔中并被做在玻璃襯底14上面。因此，膜片16受壓力作用時，電容值就發生變化。
圖3～5給出了電容腔電極26與膜片電容24的相對位置，電容腔電極26上面是絕緣層，膜片電極24則與膜15連接。電極24有一部分埋在隔離墻20底下，但并不穿過隔離墻20，這樣利用鍵合力就把電極24與感受膜16連接起來，因為感受膜16是膜15的一部分。玻璃襯底上拋光面28上的電容腔電極26穿過隔離墻20底下的腔體21與金屬化小孔19和玻璃襯底14的下拋光面30上的接觸電極11連通，腔體21與真空密封腔電容腔體22是連通的。膜片電極24被密封在隔離墻20底下，從而保持密封腔22的真空狀態。
另外，電容腔電極26是通過接觸電極11與密封硅片13連接，從而徹底保證了密封腔22的真空度，并解決了主要的密封技術難題。精心選擇電容腔電極26的厚度和絕緣層厚度dmin，利用適當的粘結方法或熱循環方法可以使電容腔電極26與絕緣層32的表面粘合在一起。
以下實施例給出靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器的制作工藝過程。
圖6(a～l)是靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器的加工工藝和安裝流程示意圖，圖6(a)中的上硅片12和圖6(e)中的密封硅片13為雙面拋光的P型或N型半導體摻雜硅片，圖6(d)中的玻璃襯底14是雙面拋光的玻璃；靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器的工藝流程如下1、首先將上硅片12先后在1號(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5)、2號(HCl∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5)洗液中煮進行標準清洗、甩干后，將其放在1000～1100℃的氧化爐中氧化至氧化層25的厚度為0.5～0.6μm，如圖6(a)。然后雙面涂光刻膠、前烘、單面曝光、顯影、后烘，在氟化氫溶液中去氧化層后刻出如圖6(b)所示圖形27后，去膠。
2、當濃度為25％或10％的TMAH溶液加熱到溫度為80～110℃時，把在氧化層上刻出圖形的上硅片12放入溶液中刻蝕3～5min，然后，在氟化氫溶液中去氧化層，刻蝕后電容腔22的圖形如圖6(c)所示。
3、刻蝕好電容腔22后，去除做好電容腔體上硅片的下氧化層，將上硅片12放入擴散爐用固態源擴散，在溫度1125℃條件下，擴散時間3～6h，以便形成膜片15的P+層或PN結，如圖6(d)所示，其厚度為1～8μm，它與擴散時間有關。
4、將密封硅片13在1號(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5)、2號(HCl∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5)洗液中煮進行標準清洗、甩干后，將其放在800～1200℃的擴散爐中雙面都做濃擴散，使表面具有歐姆接觸的特性，如圖6(e)中的擴散層41與40。
5、將雙面拋光的玻璃襯底14按設計好的尺寸用激光或超聲或腐蝕的方法在玻璃上打100～600μm的孔19，如圖6(f)。在給玻璃襯底14上鍍電容腔電極26和膜片24之前，分別用甲苯、丙酮、無水酒精超聲3～5min，然后用去離子水沖洗。烘干后在玻璃上用濺射鍍膜技術制作電容腔電極26和膜片電極24后，然后再做接觸電極11，孔19的金屬化在濺射鍍膜過程中完成。電容腔電極26、膜片電極24和接觸電極11的形狀、大小由反刻技術或剝離技術來完成。
6、在完成了金屬電極的制作后，需要在電容腔電極26上鍍或涂一層絕緣玻璃層32，見圖6(g)，絕緣層的目的在于當膜片碰到真空室底部時，電容腔電極26和膜片不會接觸。絕緣玻璃層32可以通過濺射鍍膜或沉積完成，絕緣玻璃層32的形狀由反刻技術或剝離技術來完成。圖6(g)所示的這一道工序還要對玻璃襯底、電容腔電極26、絕緣層32的連接體進行熱循環處理，先把連接體加熱到合適溫度，持續大約40min，使電容腔電極26周圍的絕緣層發生變形。接著，把溫度降低100～150℃，持續一段時間，以使玻璃松弛，產生合適的溫度系數。
7、將做好電容腔體的上硅片12雙面涂膠，下表面23曝光、顯影，然后用氫氟酸溶液去除下表面的硼硅玻璃層。隨后，雙面去膠后將硅片12放在1號(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5)、2號(HCl∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5)洗液中標準清洗、甩干后，待用。
8、將做好電極的玻璃襯底14，分別用甲苯、丙酮、無水酒精超聲3～5min，然后用去離子水沖洗、烘干。隨后，在超靜環境中將玻璃襯底14上的電容腔電極26對準上硅片12上的電容腔22，并使上硅片12的下表面23與玻璃襯底14的上表面28接觸在一起，然后利用加熱(加熱溫度為350～600℃)、加靜電(電壓為600～1200V)的鍵合工藝將上硅片12的下表面23與玻璃襯底14的上表面28鍵合在一起，最后降溫冷卻約1h。
9、將密封硅片13放在1號(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5)、2號(HCl∶H2O2∶H2O＝1∶2∶5)洗液中標準清洗、甩干后，將密封硅片13的上表面10與玻璃襯底14的下表面30在真空中進行靜電鍵合，鍵合過程同工藝步驟8，這道工序也完成了電極26與硅片13的接通。
10、對上硅片12上表面進行光刻、顯影、在氫氟酸溶液中去氧化層、去膠后形成要深度刻蝕的圖形，然后將靜電鍵合的如圖6(i)所示的器件放入濃度為25％或10％的加熱到溫度為90℃的TMAH溶液中進行深度刻蝕(5～7h)，最后形成膜片16和墻20。圖6(j)是深刻蝕后的器件。
11、膜電極24在靜電鍵合過程中與膜16連接。電容腔電極26通過金屬化小孔19與電極11接通，在靜電鍵合過程中又與密封硅片13表面摻雜擴散面10連接。密封硅片13的下摻雜表面33是電容的一個電極。
12、圖6(k)表示深度刻蝕后電極24在被膜35覆蓋時的情況，圖6(1)所示的是通過切割工序打開窗口18之后的情況，這時電極24就會置于開口18下面。
13、靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器的有膜片電極24由密封硅片13的下表面33引出。
權利要求
1.靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器，其特征在于設有一具有感受膜的上硅片、一帶電極的玻璃襯底、一用于密封電容腔體的硅片和一對輸出極；上硅片的下表面為壓力感受膜片，壓力感受膜片周邊設保護墻，在壓力感受膜片一側的上硅片上設敞開口，上硅片的下表面設電容腔體；玻璃襯底的上下表面均為拋光面，上拋光面上設有電容腔電極和膜片電極，下拋光面上設有接觸電極，上下拋光面之間設貫通小孔，貫通小孔分別與電容腔電極和接觸電極連通，貫通小孔的表面設導電膜，電容腔電極與壓力感受膜片之間設絕緣層；密封硅片的上表面與接觸電極通過靜電鍵合連接在一起；在密封硅片和膜片電極上分別設傳感器輸出極，膜片電極上的傳感器輸出極穿過上硅片的敞開口。
2.如權利要求1所述的靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器的制造方法，其特征在于1)上硅片清洗、甩干，在氧化爐中氧化，并刻蝕電容腔；2)去除做好電容腔體的上硅片的下表面氧化層；3)將刻蝕好電容腔的上硅片用固態源擴散，形成膜片的P+層或PN結；4)將密封硅片清洗、甩干、擴散，使表面生成具有歐姆接觸的擴散層；5)將雙面拋光的玻璃襯底片打通孔，再制作電容腔電極、膜片電極和通孔金屬化以及接觸電極；6)在電容腔電極上制作一層絕緣層；7)將玻璃襯底片的電容腔電極對準上硅片上的電容腔，利用加熱加靜電的靜電鍵合工藝將上硅片的下表面與玻璃襯底片的上表面鍵合連接；8)將玻璃襯底片的下表面與密封硅片的上表面靜電鍵合連接；9)分別在密封硅片和膜片電極上制作傳感器的輸出極。
3.如權利要求2所述的靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器的制造方法，其特征在于氧化爐的溫度不低于800℃，氧化層的厚度宜控制在0.5～2μm。
4.如權利要求2所述的靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器的制造方法，其特征在于電容腔的刻蝕采用光刻工藝，刻蝕后的上硅片放入擴散爐用固態源擴散，厚度為1～8μm，擴散時間為3～6h，擴散爐溫度選用1100～1250℃。
5.如權利要求2所述的靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器的制造方法，其特征在于密封硅片作雙面濃擴散，使表面具有歐姆接觸特性。
6.如權利要求2所述的靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器的制造方法，其特征在于玻璃襯底上的通孔孔徑為100～800μm，通孔的金屬化在利用濺射鍍膜技術制作電容腔電極和膜片電極過程中一起完成。
7.如權利要求2所述的靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器的制造方法，其特征在于在電容腔電極上表面或感受膜的下表面鍍或涂一層玻璃絕緣層。
8.如權利要求2所述的靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器的制造方法，其特征在于采用靜電鍵合工藝時，在超靜環境中加熱、加靜電，溫度為350～600℃，電壓為600～1200V，將其鍵合在一起。
全文摘要
涉及靜電鍵合工藝密封電容腔體制作的電容式微型壓力傳感器及其制造方法。設有上硅片、玻璃襯底、密封硅片和輸出極;上硅片的下表面設電容腔體;玻璃襯底的上拋光面上設有電容腔電極和膜片電極,下拋光面上設有接觸電極,上下拋光面之間設貫通小孔,貫通小孔分別與電容腔電極和接觸電極連通,密封硅片的上表面與接觸電極通過靜電鍵合連接在一起;在密封硅片和膜片電極上分別設輸出極,膜片電極上的傳感器輸出極穿過上硅片的敞開口。具有很好的電容腔密封特性,因而具有很穩定的工作特性,耗能低、結構穩定,承受過壓能力強,線性度和靈敏度高,其方法有效地避開了密封粘接這個難題。
文檔編號G01L9/12GK1379228SQ02118299
公開日2002年11月13日 申請日期2002年5月13日 優先權日2002年5月13日
發明者馮勇建 申請人:廈門大學