一种硅硅玻璃硅四层结构谐振式MEMS压力传感器制备方法技术

本公开提供了一种硅硅玻璃硅四层结构谐振式MEMS压力传感器制备方法，该方法包括：在硅片上制作凸台型阳极键合用锚定区，并在硅片用于阳极键合的面上做掺杂；在玻璃片上制作金属功能电极，将硅片与玻璃片对准阳极键合；在硅片的面上制作出谐振子；制作封装盖板，将玻璃片带有谐振子的面与封装盖板对准键合，形成贴片元器件的功能电极；制作玻璃感压薄膜和带导压孔的硅保护盖板，并将二者对准键合，制成压力传感器芯片。该制备方法完全与CMOS工艺兼容，利用本发明专利技术可以大批量制造无引线高真空封装的谐振式MEMS压力传感器，该传感器在工业自动化控制、航空航天、机器人、气象、环境等领域拥有广泛应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种硅硅玻璃硅四层结构谐振式MEMS压力传感器制备方法
本公开涉及微纳电子器件加工、圆片级高真空无引线封装、MEMS制作及压力测量领域，尤其涉及一种硅硅玻璃硅四层结构谐振式MEMS压力传感器制备方法。
技术介绍
谐振式MEMS压力传感器的工作原理为，作用在感压膜片上的压力引起感压薄膜形变，感压膜上刚性固支岛将形变传递到谐振子的固支腿上，引起谐振子在受力下振动，其谐振频率变化，通过测量谐振频率间接测量压力。与传统压力传感器相比，它具有体积小、功耗低、精度高、稳定性好和输出准数字信号等优点。谐振子是谐振式MEMS压力传感器的核心，它的材料、构型、尺寸、激励检出方式等直接决定了谐振式MEMS压力传感器的性能。单晶硅的微纳加工工艺丰富，单晶硅结构与众多微电子器件兼容性好，是制作谐振子的最佳材料。英国德鲁克公司最早制备出单晶硅谐振式MEMS压力传感器，产品型号为RPT系列，谐振子是两个矩形板中间用耦合梁联接，4组V形梁将谐振子固支在2个联接硅岛上，采用静电激励电容检测面外振动方式工作。经过不断改进，谐振子变成类似蝴蝶形，用玻璃浆料键合，结合玻璃管进行真空密封，其Q值大于40000，满量程精度达到0.01％，年稳定性也达100ppm，使用温度范围为-40-60℃，量程为0-350kPa。美国GE公司收购德鲁克公司后，发展了面内振动式单晶硅谐振子，主要采用硅的沟槽深刻蚀及硅硅键合技术。封装真空度在0.1Pa左右，仍能保持较高的Q值，约30000，满量程精度达0.004％，两年稳定性优于0.01％FS，使用温度范围是-54-125℃。2010年，GE公司批量生产该高精度压力传感器，即RPS/DPS8000系列产品，这也是目前世界上标称精度最高的压力传感器。由于制作工艺复杂，产品成本较高，目前，每个传感器对外售价约2000美元，并且购买过程中有诸多限制条件。日本横河电机株式会开发出一款电磁激励电磁检测的谐振式高精度压力传感器。利用单晶硅外延生长的自对准选择性和选择性腐蚀技术，在感压薄膜上表面不同应力区制作了两个H形谐振器，并密封在真空腔中，通过差分输出降低温度引起的漂移。谐振子Q值达到50000，满量程精度达0.01％，温度系数10ppm/℃，年稳定性为100ppm满量程，该Dpharp系列压力变送器于1991年开始批量生产。重庆川仪与日本横河电机株式会有所合作，但是，没有高精度压力传感器在中国市场上出售。法国Thales公司从20世纪90年代初开始硅微机械谐振压力传感器研究，利用三层硅硅真空键合技术制作谐振子，单晶硅双端固支梁，Q值达25000，精度为0.01％FS，重复性优于0.001％FS，温度范围-40-85℃，未见产品在市场上公开发售。美国Schlumberger航空传感器分公司研制过多种高精度压力传感器，代表性器件有一种利用硅硅键合技术制备的静电驱动压阻检测硅微机械传感器，器件表面集成二极管温度传感器，谐振子为单晶硅双端固支梁，真空中Q值达60000，满量程精度0.01％，使用温度范围：-55-125℃。美国Honeywell公司利用表面加工工艺制作了一种静电激励压阻检测的谐振式压力传感器，谐振子为多晶硅双端固支梁，Q值在20000-40000之间，工作温度-60-180℃。新西兰工业研究有限公司报道了一种静电激励电容检测的硅谐振式压力传感器，其振动膜工作在待测压力环境中，利用振动膜与电极平面之间气体的压膜刚度效应改变振动膜的固有频率，间接测量待测压力。瑞典查尔姆斯理工大学和瑞典皇家理工学院合作研制出一种硅谐振式压力传感器，该传感器工作原理类似传统的谐振筒式压力传感器，谐振子通过硅硅键合制作，真空密封在上下两层玻璃片中，谐振子采用面外扭摆振动，真空中Q值达14000，工作的谐振频率约35kHz。在0.1-1500mbar量程内，传感器灵敏度为15ppm/mbar，温度漂移为-34ppm/℃。国内从20世纪90年代开始逐步研究谐振式MEMS压力传感器，如，西北工业大学空天微纳系统实验室、中科院电子学研究所传感技术国家重点实验室、北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院微传感技术实验室、厦门大学物理与机电工程学院、沈阳工业大学信息科学与工程学院、中国电子科技集团公司第49研究所、国防科学技术大学机电工程与自动化学院、西安励德微系统科技有限公司等单位，都报道过谐振式MEMS压力传感器研究工作。但是，至今未有报道显示制备出具备高精度性能的压力传感器芯片。MEMS封装是MEMS产品开发应用中的一项重要关键技术，据国外多项统计表明，MEMS封装的成本占MEMS产品的70％-90％，之所以出现这种情况，主要是由于MEMS器件的复杂性所造成的。与已拥有标准封装规范的微电子器件不同，MEMS系统是一个含有三维微结构和活动组件，多种材料组成，并且常常被使用在各种高温、高湿或酸碱性恶劣环境下，复杂的结构及苛刻的应用环境对封装技术提出很高的要求。真空封装能大大的提高谐振式MEMS器件性能，例如，一些基于谐振原理的MEMS加速度计或陀螺仪，在大气环境下的品质因子约为几十，而在真空环境下，其品质因数可高达几万，3-4个量级的提高决定了器件能不能正常工作，以及器件性能的优越程度。MEMS圆片级的真空封装是以硅圆片为单位进行封装操作，芯片与封装外壳之间的连接等所有封装工序，全部都以硅圆片为单位进行操作。与器件级的一个一个封装相比，圆片级封装大大节省了成本，并且使芯片性能的一致性大大提高。在前道工序完成包封，保护了芯片不受后道工序的影响，增强了芯片性能的稳定性。圆片级的真空封装常用的方法有阳极键合、金-硅共晶键合等。阳极键合是一种被广泛应用于低温连接单晶硅与玻璃的一种方法，阳极键合腔室真空一般在1E-3Pa左右，但是，键合反应过程中，随着化学键形成，同时生成一些气体，降低了密封腔内真空度。一般通过直接阳极键合，形成的密封腔内压强在几帕至几百帕，这对一些谐振式器件，还达不到工作条件需求。为了获得较高真空，通常需要采用增加吸气剂工艺，相应的封装盖板制作工艺及封装流程变得十分复杂。无引线封装就是在芯片中不再使用金丝压焊互联，这不仅仅大大简化工艺，减低成本，还大大提高了器件的可靠性及综合性能。目前的无引线封装主要用在微电子器件封装中，多数采用硅通孔技术。一般利用硅通孔技术进行的无引线封装还不能进行真空封装。公开内容(一)要解决的技术问题本公开提供了一种基于硅硅玻璃硅四层结构谐振式MEMS压力传感器的制备方法，可以高可靠性、低成本制作出高真空封装的无引线贴装的高精度谐振式MEMS压力传感器芯片，有望在MEMS传感器、微电子器件加工生产中得到广泛应用。(二)技术方案本公开提供了一种硅硅玻璃硅四层结构谐振式MEMS压力传感器制备方法，包括：步骤S101：在硅片上制作凸台型阳极键合用锚定区，并在硅片用于阳极键合的面上做掺杂；步骤S201：在玻璃片上制作金属功能电极，将硅片与玻璃片对准阳极键合；步骤S301：在硅片的面上制作出谐振子；步骤S401：制作封装盖板，将玻璃片带有谐振子的面与封装盖板对准键合，形成贴片元器件的功能电极；步骤S501：制作玻璃感压薄膜和带导压孔的硅保护盖板，并将二者对准键合，制成压力传感器芯片。在本公开的一些实施例中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅硅玻璃硅四层结构谐振式MEMS压力传感器制备方法，其特征在于，包括：步骤S101：在硅片上制作凸台型阳极键合用锚定区，并在硅片用于阳极键合的面上做掺杂；步骤S201：在玻璃片上制作金属功能电极，将硅片与玻璃片对准阳极键合；步骤S301：在硅片的面上制作出谐振子；步骤S401：制作封装盖板，将玻璃片带有谐振子的面与封装盖板对准键合，形成贴片元器件的功能电极；步骤S501：制作玻璃感压薄膜和带导压孔的硅保护盖板，并将二者对准键合，制成压力传感器芯片。

【技术特征摘要】
1.一种硅硅玻璃硅四层结构谐振式MEMS压力传感器制备方法，其特征在于，包括：步骤S101：在硅片上制作凸台型阳极键合用锚定区，并在硅片用于阳极键合的面上做掺杂；步骤S201：在玻璃片上制作金属功能电极，将硅片与玻璃片对准阳极键合；步骤S301：在硅片的面上制作出谐振子；步骤S401：制作封装盖板，将玻璃片带有谐振子的面与封装盖板对准键合，形成贴片元器件的功能电极；步骤S501：制作玻璃感压薄膜和带导压孔的硅保护盖板，并将二者对准键合，制成压力传感器芯片。2.如权利要求1所述硅硅玻璃硅四层结构谐振式MEMS压力传感器制备方法，其特征在于，所述步骤S101包括：利用光刻、刻蚀工艺，在硅片的表面上制作凸台型阳极键合用锚定区；在硅片用于阳极键合的表面上做掺杂，同时在硅片和阳极键合用锚定区上形成高导电硅层。3.如权利要求1所述硅硅玻璃硅四层结构谐振式MEMS压力传感器制备方法，其特征在于，所述步骤S201包括：在玻璃片上制作金属功能电极；将硅片的阳极键合用锚定区面与玻璃片的金属功能电极面对准阳极键合。4.如权利要求1所述硅硅玻璃硅四层结构谐振式MEMS压力传感器制备方法，其特征在于，所述步骤S301包括：将硅片减薄、抛光，剩余硅片厚度为谐振子层厚度；在抛光的硅片面上做光刻、刻蚀，制作出谐振子。5.如权利要求1所述硅硅玻璃硅四层结构谐振式MEMS压力传感器制备方法，其特征在于，所述步骤S401包括：用单晶硅制作封装盖板，预留出电学互联通孔；通过阳极键合，将玻璃片带有谐振子的面与封装盖板对准键合，形成组合结构；在组合结构的封装盖板上淀积金属，形成高真空封装；图形化封装盖板上的金属，形成贴片元器件的功能电极层。6.如权利要求1所述硅硅玻璃硅四层结构谐振式MEMS压力传感器制备方法，其特征在于，所述步骤S501包括：在玻璃片的表面做光刻、刻蚀，制作出玻璃空腔，形成玻璃感压薄膜；制作带导压孔的硅保护盖板，与玻璃感压膜的凹腔面对准键合，形成硅硅玻璃硅四层机构圆片；在硅硅玻璃硅四层机构圆片的双面贴粘性膜保护，划片成分离压力传感器芯片。7.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明亮，季安，王晓东，杨富华，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11