本发明专利技术公开了一种基于硅硅键合的高精度压力传感器的制造方法，它包括敏感硅片层及衬底硅片层，其技术要点是：在敏感硅片层背面连接有衬底硅片层，所述敏感硅片层和衬底硅片层采用硅硅键合工艺形成压力密封腔。所述的衬底硅片层采用和敏感硅片层同质的单晶硅材料，中心具有导压通孔；本发明专利技术的压力传感器的敏感硅片层及衬底硅片层都采用单晶硅材料为基底制作，并通过硅硅键合工艺实现气密性连接，形成“硅‑硅”同质材料结构的压力密封腔，避免了常规压力传感器“硅‑玻璃”异质材料结构的压力密封腔由于两种不同材料特性的差异对传感器性能带来的各类影响，有效地减小静压误差，降低传感器的温漂，提高传感器的综合精度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于硅微机械传感器
，具体地说是一种利用单晶硅材料，基于硅硅键合的高精度压力传感器的制造方法。
技术介绍
压阻式压力传感器作为微机械加工技术获得巨大成功的典型代表，在工业控制、环境监控和测量、汽车系统、航空航天、军事、生物医学等众多领域都有着广泛的应用。压阻式压力传感器敏感芯片采用单晶硅材料，利用微电子和微机械加工融合技术制作，具有线性度好、信号易于测量等特点。但是由于压阻式传感器压敏电阻本身的温度特性以及封装结构的特点，使其不仅对待测应力敏感，还对热应力、封装应力敏感。目前，硅压阻压力传感器核心部件一般都是由硅和玻璃组成的微结构，由于玻璃和硅为异质材料，其特性存在差异，因材料的热不匹配在封装过程中势必引入封装应力，而传感器的敏感区域的任何形式的应力都会对传感器的精度、温漂、静压影响乃至稳定性产生影响，对于高精度MEMS传感器而言，这种由于封装材料与MEMS传感器芯片的热膨胀系数失配造成的热应力对传感器的精度影响很大，会导致最终形成的传感器温漂和静压影响都比较大，使测量精度降低，因此，为了提高传感器的精度和抑制温度漂移和静压影响，减小在封装过程中由于热不匹配带来的热应力及封装应力，对MEMS加工工艺提出了新的考验，而硅硅键合技术是通过化学和物理的作用将硅片与硅片、氧化层等材料紧密连接在一起形成一个整体的方法，它以同质材料替代异质材料实现器件的封装，能显著的减小封装应力，并能有效的解决了上述关键技术问题，在高精度传感器的制造中得到了越来越广泛的应用，在微机械加工中占有重要的地位。专利号为CN201410329796.5中公开了一种集成温度的高性能压力传感器及制造方法，包括对SOI硅片热氧化，形成薄氧化层，然后LPCVD淀积低应力氮化硅；在SOI硅片背面进行光刻，湿法腐蚀出压力敏感膜，并在压力敏感膜区域处形成空腔；去除SOI硅片上的氮化硅和氧化硅；对单晶硅衬底硅片进行热氧化，并在背面上光刻，腐蚀出对准标记，去除氧化层；对SOI硅片和单晶硅衬底进行硅硅键合，使SOI硅片上的空腔形成密封空腔；对SOI硅片顶层硅进行离子注入，并进行光刻、刻蚀、形成8个掺杂单晶硅体电阻；溅射金属，并光刻、腐蚀，形成金属导线，连接各体电阻，形成测量电路，实现同时测量压力与温度，而且克服压力传感器在高温下PN结反向漏电流造成器件性能恶化的缺点。该专利给出集成温度的高性能压力传感器的制造方法，先在硅片背面湿法腐蚀出压力敏感膜，再和单晶硅衬底进行硅硅键合，形成绝压密封腔，最后在硅片顶层硅上制作压敏电阻，金属导线等。其特点是衬底硅片无孔，和上层SOI敏感硅片硅硅键合后形成的是绝压密封腔，因此只能用于绝压测量，无法实现表压和差压测量。该专利中先对顶层硅湿法腐蚀出膜区后再加工压敏电阻，真空腔的存在及后部工序都可能造成较薄的膜片变形，对敏感电阻的光刻精度及外观尺寸的精确控制都可能带来影响。专利号为CN200810036214.9中公开了一种硅硅键合的绝缘体上硅的高温压力传感器芯片及制作方法，其特征在硅衬底上的浅槽和导气孔都是通过各项异性腐蚀形成，通过腐蚀时间获得适当的浅槽深度可以实现器件的过压保护。将衬底与倒扣的SOI片进行键合，对SOI片的背面进行减薄和抛光后，在剩余的顶层硅上制备力敏电阻。由于采用SOI的氧化埋层来实现敏感元件和弹性元件的隔离，器件在高温环境下仍能正常工作。该专利先采用各项异性腐蚀在硅衬底上形成浅槽和导气孔，之后将衬底硅和顶层硅实现硅硅键合，再对顶层硅进行减薄和化学机械抛光，最后在顶层硅上制备压敏电阻及金属引线。该专利中先对顶层硅减薄加工应力膜区后再加工压敏电阻，后部工序可能造成薄膜片变形，对敏感电阻的光刻精度及外观尺寸的精确控制都可能带来影响。另外底层硅通孔的存在，使得压敏电阻和金属引线的制作更多的局限于干法制作，限制了光刻、清洗、湿法化学腐蚀等常规的操作工艺实施，否则有机溶剂、腐蚀液等会通过导气孔进入密封腔，导致对传感器微结构的影响。这种制造方法存在着工艺难度大，设备要求高，和常规半导体平面工艺兼容性差等问题。基于硅硅键合技术的压力传感器，多是绝压型结构，即在硅硅键合片之间形成真空腔，键合后的敏感芯片可实现绝压测量。而对于具有更加广泛应用的表压型及差压型传感器，需要键合底硅带通孔，该通孔的存在为硅硅键合后的后部工艺实施带来了很大的限制，一些常规的工艺手段难以实施。另外，基于硅硅键合的传感器通常采用的先进行顶层硅减薄加工成应力膜区，之后再加工压敏电阻，真空腔的存在及后部工序都可能造成较薄的膜片变形，敏感电阻的光刻精度及外观尺寸的精确控制都可能带来影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用单晶硅材料，基于硅硅键合技术制作的高精度压力传感器。1、本专利技术的目的是这样实现的：一种基于硅硅键合的压力传感器，它包括有敏感硅片层及衬底硅片层，其特征是：敏感硅片层结构如下：凹形敏感硅片层的上表面设置有隔离层，隔离层上表面设置有焊盘、金属引线、屏蔽层、衬底焊盘，隔离层下表面设置有N+隔离区、P+连结区和压敏电阻，屏蔽层与N+隔离区通过引线孔连通，焊盘与金属引线连结在一起，金属引线与P+连结区通过引线孔连通，P+连结区之间设置有压敏电阻，凹形敏感硅片层的底部设置有截面为倒凹字形的硅杯，该硅杯区域为压力膜片；敏感硅片层的硅杯杯口与衬底硅片层键合在一起，衬底硅片层的中心位置制备有导压通孔。本专利技术还包括有：所述压敏电阻和P+连接区外侧隔离有一圈N+隔离区层。本专利技术目的还包括：基于硅硅键合的压力传感器的加工方法,具体制备过程包括以下步骤：(1)清洗敏感硅片，清洗液如下：SPM（硫酸过氧化氢混合液）：H2SO4:H2O2=4:1RCA1（1号液）：NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5RCA2（2号液）：HCL:H2O2:H2O=1:1:6；(2)在敏感硅片层单晶硅材料上生长氧化层；(3)使用光刻、扩散浓磷或注入使氧化层上形成N+隔离区；光刻、注入浓硼形成P+连接区；(4)用离子注入工艺形成压敏电阻；(5)生长氧化隔离层；(6)腐蚀背腔制作出硅杯；(7)清洗衬底硅片，清洗液同步骤1；(8)氧化，在衬底硅片上形成掩蔽膜；(9)光刻，在衬底硅片上刻出腐蚀窗口；(10) 在衬底硅片上腐蚀盲孔；(11) 清洗敏感硅片、衬底硅片，清洗液同步骤1；(12) 采用等离子体处理，对硅片表面进行进一步清洗和表面活化，活化参数：O2：300 ml/min；N2：300 ml/min；射频功率:300W；曝光时间：3min；(13) 预键合：真空度： 5×10-4Pa；键合温度：420℃～450℃；键合时间：0.5hr升温至420℃～450℃，恒温2hr，然后2.5hr降至室温；键合压力：2000mbar；(14) 退火；随炉升温至1100℃，保温2hr，停止加热等待自然冷却至室温，退火过程中N2保护；(15) 形成硅硅键合绝压腔体；(16) 在敏感硅片层采用光刻制出引线孔；(17) 溅射金属、光刻形成引线及焊盘；(18) 合金化形成芯片内部的电气连接；(19) 溅射金属、光刻形成屏蔽层；(20) 深反应离子刻蚀（或机械研磨）将衬底硅片减薄直至盲孔通透，加工成导压通孔，形成压力传感器微结构；(21) 芯片中测，检测敏感电阻、击穿、漏电、表本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于硅硅键合的压力传感器，它包括有敏感硅片层及衬底硅片层，其特征是：敏感硅片层结构如下：凹形敏感硅片层的上表面设置有隔离层，隔离层上表面设置有焊盘、金属引线、屏蔽层、衬底焊盘，隔离层下表面设置有N+隔离区、P+连结区和压敏电阻，屏蔽层与N+隔离区通过引线孔连通，焊盘与金属引线连结在一起，金属引线与P+连结区通过引线孔连通，P+连结区之间设置有压敏电阻，凹形敏感硅片层的底部设置有截面为倒凹字形的硅杯，该硅杯区域为压力膜片；敏感硅片层的硅杯杯口与衬底硅片层键合在一起，衬底硅片层的中心位置制备有导压通孔。
【技术特征摘要】
1.一种基于硅硅键合的压力传感器，它包括有敏感硅片层及衬底硅片层，其特征是：敏感硅片层结构如下：凹形敏感硅片层的上表面设置有隔离层，隔离层上表面设置有焊盘、金属引线、屏蔽层、衬底焊盘，隔离层下表面设置有N+隔离区、P+连结区和压敏电阻，屏蔽层与N+隔离区通过引线孔连通，焊盘与金属引线连结在一起，金属引线与P+连结区通过引线孔连通，P+连结区之间设置有压敏电阻，凹形敏感硅片层的底部设置有截面为倒凹字形的硅杯，该硅杯区域为压力膜片；敏感硅片层的硅杯杯口与衬底硅片层键合在一起，衬底硅片层的中心位置制备有导压通孔。2.根据权利要求1所述的基于硅硅键合的压力传感器，其特征在于：所述压敏电阻和P+连接区外侧隔离有一圈N+隔离区层。3.一种基于硅硅键合的压力传感器的制造方法，它包括有敏感硅片层及衬底硅片层，其特征是：敏感硅片层结构如下：凹形敏感硅片层的上表面设置有隔离层，隔离层上表面设置有焊盘、金属引线、屏蔽层、衬底焊盘，隔离层下表面设置有N+隔离区、P+连结区和压敏电阻，屏蔽层与N+隔离区通过引线孔连通，焊盘与金属引线连结在一起，金属引线与P+连结区通过引线孔连通，P+连结区之间设置有压敏电阻，凹形敏感硅片层的底部设置有截面为倒凹字形的硅杯，该硅杯区域为压力膜片；敏感硅片层的硅杯杯口与衬底硅片层键合在一起，衬底硅片层的中心位置制备有导压通孔；制造方法包括以下步骤：(1)清洗敏感硅片，清洗液如下：SPM（硫酸过氧化氢混合液）：H2SO4:H2O2=4:1RCA1（1号液）：NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5RCA2（2号液）：HCL:H2O2:H2O=1:1:6；(2)在敏感硅片层单晶硅材料上生长氧化层；(3)使用光刻、扩散浓磷或注入使氧化层上形成N+隔离区；光刻、注入浓硼形成P+连接区；(4)用离子注入工艺形成压敏电阻；(5)生长氧化隔离层；(6)腐蚀背腔制作出硅杯；(7)清洗衬底硅片，清洗液同步骤1；(8)...
【专利技术属性】
技术研发人员：李颖，张治国，郑东明，梁峭，祝永峰，
申请(专利权)人：沈阳仪表科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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