[发明专利]一种压力计芯片结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)传感器设计领域，涉及一种压力计芯片结构及其制备方法。

背景技术

MEMS(Micro Electro Mechanical System)即微电子机械系统，是新兴的跨学科的高新技术研究领域。基于MEMS技术制造压阻式压力传感器由于其出色的精准度和可靠度以及相对便宜的制造成本在现代的市场中得到广泛的应用。自从20世纪50年代中期发现了硅材料的压阻特性，硅基的压阻式压力传感器就被广泛的应用。压阻式传感器的工作原理是在一个方形或者圆形的硅应变薄膜上通过扩散或者离子注入的方式在应力集中区制作四个压力敏感电阻，四个电阻互联构成惠斯顿电桥。当有外界压力施加在硅应变膜上，压敏电阻区域由于应变膜弯曲产生应力，通过压敏电阻的压阻特性，将应力转换为电阻值的变化，最后通过惠斯顿电桥将电阻值的变化转换为输出电压，通过对输出电压与压力值进行标定可以实现对压力的测量。典型的压阻式压力传感器的结构主要包含硅应变膜、玻璃底座以及硅应变膜和玻璃底座之间的密闭空腔，在(110)晶面的硅片上通过各向异性湿法腐蚀的方式进行制作硅应变膜和空腔，并与玻璃通过阳极键合完成空腔的密闭，空腔的侧面为(111)晶面。上述压力计传感器结构具有工艺简单、技术成熟以及易于批量化生产的优点，并因此得到了广泛的应用。上述结构存在的缺点是空腔的侧面与硅应变膜存在54.7度的倾角，空腔底部所需要的尺寸远远大于硅应变膜的尺寸，芯片实际尺寸受到上述问题的限制无法做到非常小；同时芯片的厚度受到硅片厚度的限制无法变薄到理想厚度，限制了压阻式压力传感器在芯片一些厚度敏感领域的应用。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提出一种新式压阻式压力计芯片结构及其制备方法，优选采用TSV(through siliconvia-硅通孔)后通孔技术实现。该结构的压力计芯片结构相比典型器件结构具有芯片尺寸小、自封装的优点；该设计加工工艺流程与常规微纳加工技术兼容，器件加工成本低，具有较高的成品率；该结构的压力计芯片结构拥有较薄的芯片厚度而且同时适用于芯片正面向上的压焊封装方式和芯片正面向下的倒装焊封装方式，具有较广阔的应用领域。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种压力计芯片结构，包括：压敏电阻、重掺杂接触区、键合面金属引线、金属填充孔、芯片表面金属引线，硅应变膜、玻璃底座以及硅应变膜和玻璃底座之间的密封空腔，所述硅应变膜为与玻璃底座键合并在非键合面上进行了减薄处理的硅片，所述空腔为位于玻璃底座内并通过玻璃底座与硅应变膜的阳极键合形成的密封空腔，所述压敏电阻位于硅应变膜的键合面上并密封在上述空腔内，所述键合面金属引线位于硅应变膜键合面上并通过重掺杂接触区与压敏电阻实现电信号连接，所述键合面金属引线表面存在一层绝缘介质层，所述金属填充孔是硅应变膜中由金属填充的通孔，所述芯片表面金属引线位于芯片表面，并通过金属填充孔实现与键合面金属引线的电连接。

进一步地，所述减薄处理包括CMP工艺或者湿法腐蚀(各向同性腐蚀和各向异性腐蚀)工艺。

进一步地，所述绝缘介质层是在完成键合面金属引线制作后，通过PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition-等离子体增强化学气相沉积)方式淀积并通过CMP(chemical mechanical polishing-化学机械抛光)工艺进行平整化处理得到。

进一步地，所述金属填充孔是利用TSV后通孔技术完成通孔制作后，通过电镀的方式完成金属在通孔内的填充得到，通孔以外的金属通过CMP工艺去除并同时完成芯片表面平整化处理。

进一步地，所述TSV后通孔技术是指在硅片与玻璃底座阳极键合、硅片减薄处理完成后再利用DRIE(Deep Reactive Ion Etching-深反应离子刻蚀)工艺或者激光打孔工艺在硅应变膜中制作通孔的技术。

进一步地，所述硅应变膜键合面上具有引线孔，所述键合面金属引线位于引线孔中。

一种压力计芯片结构的制备方法，其步骤包括：

1)在硅片正面制作压敏电阻以及重掺杂接触区；

2)在硅片正面制作引线孔和金属引线，形成键合面金属引线，然后在硅片正面淀积绝缘介质层并通过CMP工艺进行平整化处理；

3)在玻璃片正面制作空腔；

4)将硅片的正面与玻璃片的正面进行对准阳极键合，形成硅玻璃键合片，所述压敏电阻密封在空腔内；

5)对硅片的非键合面进行减薄处理，并在减薄后的硅面上淀积绝缘介质层；