一种基于预制空腔SOI基片的集成压阻式加速度计与压力计的加工方法技术

本发明专利技术公开了一种基于预制空腔SOI基片的集成压阻式加速度计与压力计的加工方法。加速度计包括带有力敏电阻的弹性梁-质量块结构，压力计包括带有力敏电阻的压力敏感膜片。该方法包括：在SOI基片的器件层上制备掺杂浓度的电阻条作为力敏电阻和温敏电阻；加工金属引线层和钝化层；深刻蚀至预制空腔，释放弹性梁-质量块结构；键合盖片以保护可动结构。相对于现有技术，本发明专利技术能够在单面单步工艺中加工出对称，尺寸精确的弹性梁-质量块结构；同时加工出加速度计和压力计的单晶硅敏感电阻及温敏电阻，器件灵敏度高，工艺重复性好；省去了传统绝压压力计的真空封装步骤；所制备的弹性梁-质量块结构具有通用性。

【技术实现步骤摘要】
-种基于预制空腔SOI基片的集成压阻式加速度计与压力 计的加工方法
本专利技术涉及微电子机械（MEMS)加工领域，尤其涉及一种基于预制空腔SOI基片的 集成压阻式加速度计与压力计的加工方法。
技术介绍
通过MEMS技术制造的硅加速度计和压力计，在汽车，消费电子，导航，军事，石油 勘探，地质测试等方面均有广泛的用途。硅微传感器出现之后，具备体积小，精度高，响应速 度快，批量生产成本低，检测方便等优点，在很大程度上取代了传统传感器。特别在汽车电 子领域，利用1C工艺生产的集成压力计和加速度计的小体积多功能传感器具有广阔的市 场前景。 压阻式微传感器利用硅半导体本身的压阻效应，同时作为结构材料和传感材料。 它具备动态响应特性和输出线性好，工艺可与1C工艺兼容，接口检测电路简单的优点，自 20世纪70年代末研制成功，80年代末批量生产以来，已获得了长足的发展。传感器在应力 集中区域放置力敏电阻，惯性力或外界作用力使结构运动在力敏电阻上产生应力，通过压 阻效应使力敏电阻的阻值发生变化，从而实现对外界作用力的测量。 2009年，Quan Wang等人报道了一个集成热传导加速度计和压阻压力计的车用集 成传感器，通过各向异性腐蚀获得热对流传导加速度计中的悬臂梁和表面牺牲层工艺制备 压力计的腔体，并通过外加盖片对加速度计进行保护。该工艺的特点在于较小的加速度计 体积，但由于热对流传导检测原理导致加速度机的响应频率较低。 2011年，C. Z. Wei等人通过表面工艺，在硅上集成了一个量程550KPa的压力传感 器和一个-25g?+125g量程的压阻加速度计。该工艺通过表面牺牲层工艺制备压力计的 真空腔体和加速度计质量块的活动间隙，并通过类LIGA工艺在质量块表面电镀9um铜层增 加质量块的质量。该工艺具备小尺寸和高性能的优点，但由于表面工艺中多晶硅层较薄，需 采用大厚度镀铜工艺增加质量块质量。 2011年，Jiachou Wang等人报道了通过表面各向异性腐蚀在〈111>晶面上制备形 状，厚度可控的内埋空腔，并通过淀积多晶硅封闭腐蚀孔道获得真空腔的工艺，并通过该工 艺得到的空腔制备集成加速度计和压力计的传感器。该传感器实现了较大厚度的带单晶硅 膜空腔加工，但工艺限制为（111)晶面而非常用的（100)晶面，该晶面的横向压阻系数小导 致器件灵敏度降低。 在上述设计中，采用表面牺牲层工艺时制备压阻传感器时均采用扩散掺杂多晶硅 作为力敏电阻，一方面由于多晶硅的应变系数较小导致传感器灵敏度低，另一方面多晶硅 的特性受生长，退火过程影响大容易导致传感器性能偏离设计值，并且该方法制备的多晶 硅膜厚度受限，不利于将多晶硅膜应用于加速度计作为结构材料，而须附加镀铜等步骤增 加工艺复杂度。在（111)晶面上运用各向异性腐蚀工艺制备内埋空腔可以获得较厚的单 晶硅膜，克服多晶硅膜压阻电阻存在的缺点。但工艺的基片限制为（111)晶面而非常用的 (100)晶面，该晶面的横向压阻系数小导致器件灵敏度降低，并在工艺中难以对腐蚀进度进 行检测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种基于预制空腔SOI基片的集成压阻式加速度计，压 力计的加工方法，以至少解决上述技术问题之一。 本专利技术提供了一种基于预制空腔SOI基片的集成压阻式加速度计，压力计的加工 方法，所述加速度计包括带有力敏电阻的弹性梁-质量块结构的可动硅结构组件和硅制底 座，所述压力计包括带有力敏电阻的压力敏感膜片和硅制底座。所述方法包括如下步骤：1， 敏感电阻加工步骤，在所述预制空腔SOI基片的器件层上加工出一定掺杂浓度的电阻条， 作为加速度计和压力计的力敏电阻，并可同时加工温敏电阻；2,金属引线层加工步骤，在所 述加工有敏感电阻的SOI基片上加工金属引线层；3,加速度计质量块调整步骤（可选），在 所述加工完金属引线的SOI基片上淀积金属以增大加速度计的质量块的质量；4,加速度计 的可动悬臂梁和质量块加工步骤，，在所述加工完金属引线的S0I基片上深刻蚀至预制空 腔，释放加速度计的可动悬臂梁和质量块结构。5,键合盖片加工步骤，在完成释放后的加速 度计上键合盖片，以保护加速度计的可动悬臂梁和质量块结构。 上述集成压阻式加速度计与压力计的加工方法，优选所述敏感电阻加工步骤包 括：器件层表面电阻区掺杂步骤，通过扩散或注入在器件层表面掺杂，掺杂类型与在所述 S0I单晶硅圆片器件层掺杂类型相反，形成一定掺杂浓度的力敏电阻和温敏电阻；欧姆接 触区掺杂步骤，通过扩散或注入在S0I基片单晶硅器件层上形成重掺杂区，形成欧姆接触 区。 上述集成压阻式加速度计与压力计的加工方法的敏感电阻加工步骤中，所述S0I 单晶硅圆片器件层初始掺杂类型为N型，晶向为（100)。 上述集成压阻式加速度计与压力计的加工方法的敏感电阻加工步骤中，所述扩散 或注入掺杂类型为P型。 上述集成压阻式加速度计与压力计的加工方法，优选金属引线层加工步骤包括： 金属层生长步骤，在器件层表面生长金属，并光刻图形化形成电极和引线图形；钝化层生长 步骤，在器件层表面生长钝化层，并光刻图形化形成钝化层图形，覆盖压焊电极之外的所有 部分。 上述集成压阻式加速度计与压力计的加工方法的金属引线层加工步骤中，所述金 属层成分为铝层，生长方法为溅射。 上述集成压阻式加速度计与压力计的加工方法的金属引线层加工步骤中，所述金 属层图形化方法为剥离工艺。 上述集成压阻式加速度计与压力计的加工方法的金属引线层加工步骤中，所述钝 化层成分为氮化娃。 上述集成压阻式加速度计与压力计的加工方法的金属引线层加工步骤中，所述钝 化层图形化方法为反应离子刻蚀。 上述加速度计的加工方法，优选所述质量块调整的加工步骤包括：淀积金属并光 刻图形化，在质量块位置制备金属层，增加质量块质量。 上述加速度计的加工方法的质量块的调整步骤中，所述淀积的金属材料为铜，生 长/图形化方式为电镀；或所述淀积的金属材料为钨，生长方式为化学汽相淀积，图形化方 式为腐蚀。 上述加速度计的加工方法，优选所述可动悬臂梁和质量块加工步骤包括：悬臂 梁-质量块结构释放步骤，从所述SOI单晶硅圆片器件层正面进行深刻蚀，释放悬臂梁-质 量块结构，得到所述悬臂梁-质量块结构的可动硅结构组件。 上述加速度计的加工方法的可动悬臂梁和质量块加工步骤中，所述深刻蚀为电感 耦合等离子体刻蚀。 上述加速度计的加工方法的可动悬臂梁和质量块加工步骤中，所述深刻蚀区域位 于预制空腔上方，刻蚀穿通钝化层和器件层到达空腔。 上述加速度计的加工方法，优选所述键合盖片保护步骤包括，在完成释放后的加 速度计上键合盖片，以保护加速度计。 上述加速度计的加工方法的键合盖片保护步骤中，所述键合盖片为带有空腔的硅 片，所述键合方式为硅硅键合；或所述键合盖片为带有空腔的玻璃片，所述键合方式为阳极 键合。 相对于现有技术中，本专利技术具有如下优点： 第一，本专利技术采用带有预制空腔的单器件层SOI单晶硅圆片通过深刻蚀方法制备 加速度计和压力计的可动硅力敏结构件，该方法能够在单面单步工艺中加工出完全对称， 侧面垂直度高，厚度和尺寸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于预制空腔SOI基片的集成压阻式加速度计与压力计的加工方法，所述加速度计包括硅制底座，硅制悬臂梁，硅制敏感质量块，硅制力敏电阻，以及金属引线。所述压力计包括硅制底座，硅制敏感膜片，硅制力敏电阻，以及金属引线。其特征在于，所述方法包括以下步骤： 力敏电阻加工步骤，在所述预制空腔SOI基片的器件层上加工出一定掺杂浓度的电阻条； 金属引线层加工步骤，在所述加工有力敏电阻的SOI基片上加工金属引线层； 可动悬臂梁和质量块加工步骤，在所述加工有力敏电阻的SOI基片上深刻蚀至预制空腔，释放可动悬臂梁和质量块结构； 键合盖片加工步骤，在完成释放后的加速度计上键合盖片，以保护可动结构。

【技术特征摘要】
1. 一种基于预制空腔SOI基片的集成压阻式加速度计与压力计的加工方法，所述加速 度计包括硅制底座，硅制悬臂梁，硅制敏感质量块，硅制力敏电阻，以及金属引线。所述压力 计包括硅制底座，硅制敏感膜片，硅制力敏电阻，以及金属引线。其特征在于，所述方法包括 以下步骤： 力敏电阻加工步骤，在所述预制空腔SOI基片的器件层上加工出一定掺杂浓度的电阻 条； 金属引线层加工步骤，在所述加工有力敏电阻的SOI基片上加工金属引线层； 可动悬臂梁和质量块加工步骤，在所述加工有力敏电阻的SOI基片上深刻蚀至预制空 腔，释放可动悬臂梁和质量块结构； 键合盖片加工步骤，在完成释放后的加速度计上键合盖片，以保护可动结构。2. 根据权利要求1所述的集成压阻式加速度计与压力计的加工方法，其特征在于，所 述力敏电阻加工步骤包括： 电阻条掺杂步骤，在SOI基片单晶硅器件层上形成低掺杂电阻条； 欧姆接触区掺杂步骤，在SOI基片单晶硅器件层上形成重掺杂欧姆接触区。3. 根据权利要求2中所述的集成压阻式加速度计与压力计的加工方法，其特征在于， 所述力敏电阻加工步骤中，还可在同一步骤内加工对温度敏感的参考电阻，输出信号可供 压力计和加速度计温度补偿之用，也可作为单独的温度传感器使用。4. 根据权利要求1所述的集成压阻式加速度计...

【专利技术属性】
技术研发人员：张扬熙，杨琛琛，高成臣，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11