一種高溫壓力傳感器及其加工方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及微電子機械加工領域，尤其涉及一種高溫壓力傳感器及其加工方法。
【背景技術】
[0002] 基于微電子機械加工技術制造的耐高溫傳感器在航空航天、工業生產等高溫極端 環境中有非常廣泛的應用。傳統的壓力傳感器難以在高溫環境中工作的一個原因是，傳統 的壓阻式壓力傳感器是以單晶硅為基片，在N型硅襯底上制作P型擴散電阻，依靠反偏PN 結隔離，當環境溫度超過120°C時，PN結漏電流加劇，隔離失效；制約壓力傳感器最高工作 溫度的另一個重要因素是傳統的電極結構在高溫環境中會因為金屬層擴散而電阻率明顯 升高，難以在400°C?500°C長期工作；封裝材料及工藝對壓力傳感器的高溫性能也有非常 顯著的影響。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于提供一種高溫壓力傳感器及其加工方法，解決傳統的硅基傳感 器難以在高溫環境中長期工作的問題。
[0004] 本發明提供了一種高溫壓力傳感器及其加工方法，所述壓力傳感器包括：硅敏感 膜片，底座，TO管殼。所述加工方法包括：硅敏感膜片加工步驟：采用SOI單晶硅圓片作為 基片，在器件層加工電阻及引線互連組成惠斯登電橋，在襯底層進行各向異性腐蝕形成所 述對壓力敏感的膜片結構；鍵合步驟：以玻璃片或單晶硅圓片為基片，加工所述底座；封裝 步驟：以所述TO型金屬管殼為外殼實現芯片級封裝。
[0005] 上述高溫壓力傳感器的加工方法，優選硅敏感膜片加工步驟包括：電阻加工步驟： 選取N型（100)雙面拋光的SOI單晶硅圓片，在器件層表面進行P型重摻雜并退火，提高 摻雜濃度可以有效提高硅電阻的本征激發溫度；電阻圖形化及隔離步驟：刻蝕基片的器件 層形成惠斯登電橋的橋臂電阻，用低壓化學氣相淀積的方法在基片表面淀積二氧化硅/氮 化硅鈍化層，電阻被鈍化層和SOI片的埋氧層包裹隔離起來，消除高溫時的漏電流；金屬層 生長步驟：用磁控濺射的方法在電阻上濺射多層耐高溫歐姆接觸電極及互連線，多層電極 結構自下而上依次為：硅/二硅化鈦歐姆接觸，鈦粘附層，氮化鈦阻擋層，鉑粘附層，金導電 層，圖形化所述金屬電極及互連線的方法是剝離。背腔腐蝕步驟：基片正面旋涂保護膠，基 片背面以二氧化硅/氮化硅鈍化層為掩膜，對窗口區域的硅襯底進行各向異性腐蝕，形成 對壓力敏感的膜片結構，硅腐蝕劑為氫氧化鉀溶液或四甲基氫氧化銨溶液。
[0006] 上述高溫壓力傳感器的加工方法，優選鍵合加工步驟包括：硅玻璃鍵合步驟：選 取應變溫度在500°C?550°C以上且含有鈉離子的硼硅玻璃片為基片與所述硅敏感膜片背 面的硅襯底進行陽極鍵合。硅硅鍵合步驟：當采用單晶硅圓片加工底座時，用焊料鍵合的方 法將硅敏感膜片與底座鍵合，焊料鍵合的加工方法可以是玻璃焊料鍵合也可以是基于瞬態 液相擴散技術的金屬焊料鍵合，所采用的金屬焊料或玻璃焊料應該能夠在500°C?550°C 以上保持良好的氣密性和封接強度。
[0007] 上述高溫壓力傳感器的加工方法，優選封裝加工步驟包括：芯片與管殼封裝步驟： 選取定制的耐高溫TO管殼，選用耐高溫玻璃焊料或金屬焊料將芯片底座與管殼的管座封 接。管座與蓋帽封裝步驟：管殼的管座和管殼的蓋帽之間可以用儲能焊封接。
[0008] 相對于現有技術，本發明具有如下優點：
[0009] 第一，用SOI圓片的埋氧層和淀積的二氧化硅/氮化硅鈍化層將硅電阻包裹隔離， 消除高溫時的漏電流；
[0010] 第二，濺射生長二硅化鈦/鈦/氮化鈦/鉑/金多層耐高溫歐姆接觸電極結構，二 硅化鈦/硅歐姆接觸具有良好的熱穩定性，氮化鈦阻擋層能夠有效阻擋高溫環境中各層之 間的相互擴散；
[0011] 第三，選用應變溫度高的硼硅玻璃基片為底座與硅敏感膜片進行陽極鍵合，提高 器件的工作溫度；
[0012] 第四，選用耐高溫TO管殼，實現壓力傳感器的耐高溫芯片級封裝。
【附圖說明】：
[0013] 圖1(a)?（h)為本發明所加工的高溫壓力傳感器的主要加工工藝的示意圖；
[0014] 圖2為本發明所加工的硅敏感膜片正面電阻和金屬互連線的版圖；
[0015] 圖3(a)?（b)為本發明所加工的高溫壓力傳感器的兩種封裝方案；
[0016] 圖4為工作環境溫度500°C時本發明所加工的高溫壓力傳感器的輸出電壓隨氣壓 變化的正反行程曲線；
【具體實施方式】：
[0017] 為使本發明的上述目的，特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖及具體實 施方式對本發明作進一步詳細的說明。
[0018] 圖1 (a)?圖1 (h)為本發明所加工的高溫壓力傳感器的主要加工工藝的示意圖；
[0019] 圖1 (a)所示為加工本發明所述高溫壓力傳感器使用的雙面拋光的SOI單晶硅圓 片，器件層1為N(100)單晶硅，埋氧層2厚度為4000A,襯底層3厚度為400um。
[0020] 如圖1(b)所示，進行硼離子注入并退火，刻蝕基片的器件層形成惠斯登電橋的橋 臂電阻4。由于提高摻雜濃度可以有效提高硅電阻的本征激發溫度，因此應盡量選擇較高的 摻雜濃度。
[0021] 如圖1 (c)所示，用低壓化學氣相淀積的方法在基片表面淀積二氧化硅5/氮化硅6 鈍化層，電阻4被鈍化層5/6和SOI片的埋氧層2包裹隔離起來，消除高溫時的漏電流，鈍 化層的厚度以2000?5000A/ 1000~2000A為宜。
[0022] 如圖1 (d)所示，分別用干法刻蝕和濕法腐蝕的方法去掉歐姆接觸區域表面的氮 化硅、二氧化硅露出器件層的硅7，二氧化硅腐蝕劑為緩沖氫氟酸。
[0023]如圖1(e)所示，用磁控濺射的方法在基片表面濺射多層耐高溫歐姆接觸電極及 互連線8,多層電極結構自下而上依次為二硅化鈦/鈦/氮化鈦/鉑/金，其中鈦層起到粘 附的作用，厚度以200?500A為宜；氮化鈦阻擋層是所述電極中的關鍵結構，如果薄膜的厚度 不夠難以達到阻擋效果，如果薄膜厚度過厚在多層結構中的應力過大，根據不同器件工作 性能的