背孔引线式压力传感器及其制备方法与流程

本发明涉及微电子机械系统及压力传感器领域，尤其涉及一种背孔引线式压力传感器及其制备方法。

背景技术：

随着微机电系统技术的发展，压力传感器的制造已经成为一项较为成熟的技术。压力传感器可分为压阻式、电容式、压电式等，其中压阻式压力传感器由于具有体积小、灵敏度高、线性度好等优点，被应用于航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。

压阻式压力传感器常用的制造方法是在敏感薄膜的上表面制作压阻和电极。这种方法制备的传感器，其中一种封装方式是敏感薄膜正面感压，通过金属软线将传感器芯片的电极与支撑结构(管壳)的电极连接在一起，这种封装需要金属软线与被测介质隔离，这导致封装体积大。其另一种封装是背面感压，不需要与被测介质隔离，但是传感器的压阻、电极以及金属软线都是暴露在外界环境中的，在强振动条件下金属软线易断裂，同时器件不耐腐蚀，稳定性差。还有一种使用tsv技术封装的方式，即将金属填充满通孔来引线，这通常会导致传感器的温度特性很差。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种背孔引线式压力传感器及其制备方法，其能够实现无打线贴片封装，减小了压力传感器的封装尺寸，且器件稳定性好，可用于液体或恶劣环境中压力的监测。

为了解决上述问题，本发明提供了一种背孔引线式压力传感器的制备方法，其包括如下步骤：提供一器件衬底，所述器件衬底的第一表面设置有多个压阻及多个导电垫，所述导电垫与所述压阻电连接；提供一支撑衬底，所述支撑衬底具有相对设置的第一表面及第二表面，所述支撑衬底的第一表面具有一凹槽，多个通孔自所述第一表面至所述第二表面贯穿所述支撑衬底；以所述器件衬底的第一表面及所述支撑衬底的第一表面为键合面，将所述器件衬底与所述支撑衬底键合，所述凹槽与所述器件衬底的第一表面形成一密封腔，所述压阻与所述密封腔对应，所述通孔与所述导电垫对应，所述通孔暴露出所述导电垫；在所述支撑衬底的第二表面形成多个电极，所述电极沿所述通孔的侧壁延伸并与所述导电垫电连接。

可选地，在键合步骤之前，所述制备方法还包括如下步骤：形成一绝缘层，所述绝缘层覆盖所述支撑衬底的第一表面、所述支撑衬底的第二表面、所述凹槽的内表面及所述通孔的侧壁；在键合步骤中，以所述绝缘层的上表面及所述器件衬底的第一表面为键合面将所述器件衬底与所述支撑衬底键合。

可选地，在所述支撑衬底的第二表面形成多个所述电极的方法包括如下步骤：在所述支撑衬底的第二表面形成一电极层，所述电极层覆盖所述支撑衬底的第二表面、所述通孔的侧壁及所述导电垫；图形化所述电极层，形成多个所述电极。

可选地，在所述支撑衬底的第二表面形成多个所述电极的方法包括如下步骤：在键合步骤之前，形成一电极层，所述电极层覆盖所述支撑衬底的第二表面及所述通孔的侧壁；在键合步骤之后，图形化所述电极层，形成多个初始电极；在所述导电垫的表面形成一导电过渡层，所述导电过渡层将所述导电垫与所述初始电极电连接，所述初始电极与所述导电过渡层形成所述电极。

可选地，在形成所述电极步骤之后，所述制备方法进一步包括如下步骤：形成一阻焊层，所述阻焊层覆盖所述电极并暴露出所述电极需要与外部结构电连接的焊点。

可选地，所述阻焊层充满所述通孔，或者所述阻焊层沿所述电极的表面延伸。

可选地，在形成所述阻焊层的步骤之后，所述制备方法进一步包括如下步骤：在所述电极的焊点处形成一导电凸块，所述导电凸块用于将所述电极与外部结构电连接。

本发明还提供一种采用上述的制备方法制备的背孔引线式压力传感器，其包括：一器件层，所述器件层内设置有多个压阻及多个导电垫，所述导电垫与所述压阻电连接；一支撑层，与所述器件层键合，所述支撑层具有一凹槽及多个贯穿所述支撑层的通孔，所述凹槽与所述器件层形成一密封腔，所述压阻对应所述密封腔设置，所述导电垫对应所述通孔设置；多个电极，设置在所述支撑层未键合的表面，所述电极沿所述通孔的侧壁延伸，并与所述导电垫电连接。

可选地，所述背孔引线式压力传感器还包括一绝缘层，所述绝缘层设置在所述电极与所述支撑层之间。

可选地，所述背孔引线式压力传感器还包括一导电过渡层，所述导电过渡层设置在所述导电垫表面，所述电极通过所述导电过渡层与所述导电垫电连接。

可选地，所述背孔引线式压力传感器还包括一阻焊层，所述阻焊层覆盖所述电极并暴露出所述电极需要与外部结构电连接的焊点。

可选地，所述阻焊层充满所述通孔，或者所述阻焊层沿所述电极的表面延伸。

可选地，所述背孔引线式压力传感器还包括多个导电凸块，所述导电凸块设置在所述电极上，用于将所述电极与外部结构电连接。

本发明的优点在于，使用通孔引线技术制备压力传感器，实现无打线贴片封装，减小了压力传感器的封装尺寸；同时压力传感器的压阻位于密封腔内，导电垫也通过通孔与外部结构电连接，受外界环境影响较小，器件稳定性好，可用于液体或恶劣环境中压力的监测。

附图说明

图1是本发明背孔引线式压力传感器的制备方法的第一具体实施方式的步骤示意图；

图2a～图2h是本发明背孔引线式压力传感器的制备方法的第一具体实施方式的工艺流程图；

图3a～图3d是在第一具体实施方式中形成器件衬底的工艺流程图；

图4是在本发明背孔引线式压力传感器的制备方法的第二具体实施方式中形成阻焊层的工艺流程图；

图5a～图5d是在本发明背孔引线式压力传感器的制备方法的第三具体实施方式中形成电极的工艺流程图；

图6是背孔引线式压力传感器的第一具体实施方式的结构示意图；

图7是背孔引线式压力传感器的第二具体实施方式的结构示意图；

图8是背孔引线式压力传感器的第三具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的背孔引线式压力传感器及其制备方法的具体实施方式做详细说明。

图1是本发明背孔引线式压力传感器的制备方法的第一具体实施方式的步骤示意图。请参阅图1，所述制备方法包括如下步骤：步骤s10，提供一器件衬底，所述器件衬底的第一表面设置有多个压阻及多个导电垫，所述导电垫与所述压阻电连接；步骤s11，提供一支撑衬底，所述支撑衬底具有相对设置的第一表面及第二表面，所述支撑衬底的第一表面具有一凹槽，多个通孔自所述第一表面至所述第二表面贯穿所述支撑衬底；步骤s12，以所述器件衬底的第一表面及所述支撑衬底的第一表面为键合面，将所述器件衬底与所述支撑衬底键合，所述凹槽与所述器件衬底的第一表面形成一密封腔，所述压阻与所述密封腔对应，所述通孔与所述导电垫对应，所述通孔暴露出所述导电垫；步骤s13，在所述支撑衬底的第二表面形成多个电极，所述电极沿所述通孔的侧壁延伸并与所述导电垫电连接。

图2a～图2h是本发明背孔引线式压力传感器的制备方法的第一具体实施方式的工艺流程图。

请参阅步骤s10及图2a，提供一器件衬底200，所述器件衬底200的第一表面200a设置有多个压阻201及多个导电垫202，所述导电垫202与所述压阻201电连接。

在本具体实施方式中，形成所述器件衬底200的方法包括如下步骤：

请参阅图3a，提供一第一衬底300，所述第一衬底300具有一第一表面300a，一第一绝缘层301覆盖所述第一衬底300的第一表面300a。所述第一衬底300包括但不限于单晶硅或soi片。若所述第一衬底300为soi硅片，则所述soi片的上层硅厚度需要恰好满足敏感薄膜的厚度要求。所述第一绝缘层301可通过热氧化工艺形成，其可在后续形成压阻的工艺中降低离子注入的沟道效应。

请参阅图3b，在所述第一衬底300的第一表面300a上形成多个压阻201及多个与所述压阻201电连接的浓硼导线302，其中，所述压阻201为淡硼压阻。在该步骤中所述淡硼压阻302及所述浓硼导线302可由光刻、离子注入工艺制作而成。所述压阻201是淡硼扩散形成的应变压阻，所述浓硼导线302是注入浓硼形成的浓硼欧姆接触区。在本具体实施方式中，四个压阻201(附图中绘示两个压阻201)通过浓硼导线302连接而形成惠斯通电桥。在本发明其他具体实施方式中，也可采用八个压阻201。

请参阅图3c，图形化所述第一绝缘层301，以在所述第一绝缘层301上形成多个开口301a，所述开口301a暴露出所述浓硼导线302的表面。在该步骤中，可采用光刻及刻蚀工艺形成所述开口301a。

请参阅图3d，在所述开口301a处形成多个导电垫202，所述导电垫202与所述浓硼导线302电连接，进而形成所述器件衬底200。在该步骤中，所述导电垫202为金属，其可经溅射或淀积、光刻及刻蚀、湿法腐蚀或干法刻蚀的工艺制作而成。在本发明其他具体实施方式中，所述导电垫202还可以为多晶硅，其可通过掺杂工艺而形成。

可选地，在本发明其他具体实施方式中，在形成所述导电垫202后还可以再形成一钝化层(附图中未绘示)，所述导电垫暴露于所述钝化层。在该步骤中，可先沉积一层钝化层，再采用光刻及刻蚀工艺暴露出所述导电垫。所述钝化层可用于保护所述导电垫202及所述钝化层可作为后续键合的键合层。在本具体实施方式中，未形成所述钝化层。

请参阅步骤s11及图2b，提供一支撑衬底210，所述支撑衬底210具有相对设置的第一表面210a及第二表面210b。所述支撑衬底210包括但不限于硅衬底、玻璃衬底等。在本具体实施方式中，所述支撑衬底210是厚度为400微米的硅片，在本发明其他具体实施方式中，所述支撑衬底210的厚度也可不限于400微米。

所述支撑衬底210的第一表面210a具有一凹槽211。在该步骤中，可采用光刻及刻蚀工艺在所述支撑衬底210的第一表面210a形成所述凹槽211。可以理解的是，所述凹槽211并未贯穿所述支撑衬底210。所述凹槽211的形状包括但不限于矩形、圆形或多边形。

多个通孔212自所述第一表面210a至所述第二表面210b贯穿所述支撑衬底210。在本具体实施方式中，可对所述支撑衬底210的第二表面210b进行光刻及刻蚀工艺而形成所述通孔212。进一步，所述通孔212位于所述凹槽211的外侧，即多个所述通孔212环绕所述凹槽211设置。所述通孔212的数量可与所述导电垫202的数量对应。所述通孔212的形状包括但不限于矩形、圆形或多边形。

可选地，在本具体实施方式中还包括一形成一第二绝缘层213的步骤。请参阅图2c，形成一第二绝缘层213，所述第二绝缘层213覆盖所述支撑衬底210的第一表面210a、所述支撑衬底210的第二表面210b、所述凹槽211的内表面及所述通孔212的侧壁。在该步骤中，可采用热氧化或者lpcvd工艺形成所述第二绝缘层213。所述第二绝缘层213的作用在于将所述支撑衬底210与后续形成的电极绝缘。可以理解的是，若所述支撑衬底210为非绝缘衬底，则需要形成所述第二绝缘层；若所述支撑衬底210为绝缘衬底，则可不形成所述第二绝缘层。具体地说，在本具体实施方式中，所述支撑衬底210为硅衬底，则需要形成所述第二绝缘层213，以将电极与所述支撑衬底210绝缘；在本发明另一具体实施方式中，所述支撑衬底为玻璃衬底，由于玻璃衬底本身具有绝缘特性，则可不形成所述第二绝缘层。

请参阅步骤s12及图2d，以所述器件衬底200的第一表面200a及所述支撑衬底210的第一表面210a为键合面，将所述器件衬底200与所述支撑衬底210键合。在本具体实施方式中，以所述第一绝缘层301的上表面及所述第二绝缘层213的上表面为键合面，将所述器件衬底200与所述支撑衬底210键合。

在该步骤中，所述器件衬底200与所述支撑衬底210的键合工艺包括但不限于低温si-si熔融键合、高温si-si熔融键合及si-glass阳极键合。具体地说，在本具体实施方式中，所述导电垫202为金属铝，则所述器件衬底200与所述支撑衬底210的键合工艺为低温si-si熔融键合，其键合温度不超过所述导电垫202的熔点660℃；在本发明另一具体实施方式中，所述导电垫202为多晶硅，则所述器件衬底200与所述支撑衬底210的键合工艺为高温si-si熔融键合，其键合温度不超过所述导电垫202的熔点1410℃；在本发明再一具体实施方式中，所述导电垫202为多晶硅，所述支撑衬底210为玻璃衬底，则所述器件衬底200与所述支撑衬底210的键合工艺为si-glass阳极键合。

在所述器件衬底200与所述支撑衬底210键合后，所述凹槽211与所述器件衬底200的第一表面200a形成一密封腔220。在本具体实施方式中，所述凹槽211与所述第一绝缘层301的上表面形成所述密封腔220。所述压阻201与所述密封腔220对应，即所述压阻201位于所述密封腔220的投影范围内。所述通孔212与所述导电垫202对应，所述通孔212暴露出所述导电垫202，即自所述支撑衬底210的第二表面210b的方向，能够观察到所述导电垫202。

可选地，在进行键合步骤之前，还包括一将所述器件衬底200与所述支撑衬底210对位的步骤。该步骤的作用在于，保证所述压阻201与所述密封腔220对应，所述通孔212与所述导电垫202对应。可选地，在进行键合步骤之前，还包括一抛光所述器件衬底200的表面的步骤。在本具体实施方式中，由于所述器件衬底200的键合面为第一绝缘层301的表面，则在进行键合步骤之前，抛光所述器件衬底200表面的第一绝缘层301，以使其平整度满足键合需求。

可选地，请参阅图2e，在本具体实施方式中，在键合步骤完成后，自所述器件衬底200的与所述第一表面200a相对的一表面开始对所述器件衬底200进行减薄及抛光。减薄及抛光工艺完成后所述器件衬底200的厚度可减小至几微米。若所述器件衬底200为soi片，则先进行减薄，减薄至接近soi片中间的sio2层时，湿法腐蚀掉sio2，得到顶层si膜。

请参阅步骤s13及图2f，在所述支撑衬底210的第二表面210b形成多个电极230，所述电极230沿所述通孔212的侧壁延伸并与所述导电垫202电连接。在本具体实施方式中，形成所述电极230的具体步骤为：首先在所述支撑衬底210的第二表面210b形成一电极层(附图中未绘示)，所述电极层覆盖所述支撑衬底210的第二表面210b、所述通孔212的侧壁及所述导电垫202；其次，图形化所述电极层，形成多个所述电极230，其中，可采用光刻及刻蚀等工艺图形化所述电极层形成所述电极230。

在该步骤中，所述电极230沿所述通孔212的侧壁延伸，而并非是充满所述通孔212。若所述电极230充满所述通孔212，则会使传感器的温度特性变差。在本具体实施方式中，所述电极230与所述支撑衬底210之间设置有所述第二绝缘层213。

可选地，请参阅图2g，在形成所述电极230步骤之后，所述制备方法进一步包括如下步骤：形成一阻焊层240，所述阻焊层240覆盖所述电极230并暴露出所述电极230需要与外部结构电连接的焊点230a。在本具体实施方式中，所述阻焊层为有机低聚物，其充满所述通孔212，以提高所述传感器的性能。在本发明第二具体实施方式中，请参阅图4，所述阻焊层240为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅等无机材料，其沿所述电极230的表面延伸，即所述阻焊层240以薄膜的形式覆盖所述电极230。

可选地，请参阅图2h，在所述电极230的焊点230a处形成一导电凸块250，所述导电凸块250用于将所述电极230与外部结构电连接。在本具体实施方式中，在所述焊点230a上进行植球回流，形成所述导电凸块250。所述导电凸块250可与外部的印刷电路板等结构电连接。

在第一具体实施方式中，所述电极230在键合步骤之后形成，而在第三具体实施方式中，形成电极的步骤包括在键合步骤之前进行的步骤和在键合步骤之后进行的步骤。具体说明如下：

请参阅图5a，在图2c所示的结构图之后，形成一电极层500，所述电极层500覆盖所述支撑衬底210的第二表面210b及所述通孔212的侧壁。所述电极层500的材料为多晶硅，其可通过lpcvd工艺形成。

进一步，在实际工艺中，所述电极层500还覆盖所述支撑衬底210的第一表面210a及所述凹槽211的内侧壁，则在该步骤中，可通过刻蚀工艺去除所述支撑衬底210的第一表面210a及所述凹槽211的内侧壁的电极层500，而保留覆盖所述支撑衬底210的第二表面210b及所述通孔212的侧壁的电极层500。请参阅图5b，以所述第一绝缘层301的上表面及所述第二绝缘层213的上表面为键合面，将所述器件衬底200与所述支撑衬底210键合。在该步骤中，所述键合工艺为高温si-si熔融键合，所述温度不超过多晶硅的熔点1410℃即可。

请参阅图5c，图形化所述电极层500，形成多个初始电极501。在该步骤中，可采用光刻及刻蚀工艺去除所述支撑衬底210的第一表面210a上的部分电极层500，形成所述初始电极501。所述初始电极501覆盖所述通孔212的侧壁及所述支撑衬底210的部分第二表面210b。

请参阅图5d，在所述导电垫202的表面形成一导电过渡层502，即在所述通孔212的底部形成所述导电过渡层502。所述导电过渡层502的材料包括但不限于金属材料。所述导电过渡层502将所述导电垫202与所述初始电极501电连接，即所述初始电极501与所述导电过渡层502共同形成一电极510。形成电极510后，后续步骤与第一具体实施方式的步骤相同，不再赘述。

在第三具体实施方式中，所述导电垫202及所述初始电极502的材料均为多晶硅，若是仅仅将两者直接电连接，其电连接性能不好，接触不良，而在本具体实施方式中，所述导电过渡层502与所述导电垫202及所述初始电极502均形成欧姆接触，能够加强所述导电垫202与所述初始电极502之间的电连接性能。

本发明还提供了采用上述的制备方法制备的背孔引线式压力传感器的具体实施方式。

图6是背孔引线式压力传感器的第一具体实施方式的结构示意图。请参阅图6，所述背孔引线式压力传感器包括一器件层600、一支撑层610及多个电极620。

所述器件层600内设置有多个压阻601及多个导电垫602，所述导电垫602与所述压阻601电连接。在本具体实施方式中，所述压阻601为淡硼压阻，所述淡硼压阻通过一浓硼导线603与所述导电垫602电连接。所述器件层600包括一第一衬底604及设置在所述第一衬底604上的第一绝缘层605，所述压阻601设置在所述第一衬底604内。所述第一绝缘层605具有多个开口(附图中未绘示)，所述导电垫602设置在所述开口内，即所述导电垫602暴露于所述第一绝缘层605之外。

所述支撑层610与所述器件层600键合。所述支撑层610具有一凹槽611及多个贯穿所述支撑层610的通孔612。所述凹槽611与所述器件层600形成一密封腔630，所述压阻601对应所述密封腔630设置。所述导电垫602对应所述通孔612设置，即所述通孔612暴露出所述导电垫602。

所述电极620设置在所述支撑层610未键合的表面，且所述电极620沿所述通孔612的侧壁延伸，并与所述导电垫602电连接。所述电极620沿所述通孔612的侧壁延伸，而并非是充满所述通孔612。若所述电极620充满所述通孔612，会使背孔引线式压力传感器的温度特性变差。

在本具体实施方式中，所述背孔引线式压力传感器还包括第二绝缘层640，所述第二绝缘层640设置在所述电极620与所述支撑层610之间。进一步，所述第二绝缘层640不仅设置在所述电极620与所述支撑层610之间，其还覆盖所述支撑层610全部表面、所述凹槽611的内侧壁及所述通孔612的侧壁。

进一步，所述背孔引线式压力传感器还包括一阻焊层650，所述阻焊层650覆盖所述电极620并暴露出所述电极620需要与外部结构电连接的焊点620a。在本具体实施方式中，所述阻焊层650充满所述通孔612，以提高所述传感器的性能。在本发明第二具体实施方式中，请参阅图7，所述阻焊层650为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅等无机材料，其沿所述电极620的表面延伸，即所述阻焊层650以薄膜的形式覆盖所述电极620。

进一步，在本具体实施方式中，所述背孔引线式压力传感器还包括多个导电凸块660，所述导电凸块660设置在所述电极620的焊点620a上，用于将所述电极620与外部结构电连接。

图8是本发明背孔引线式压力传感器的第三具体实施方式的结构示意图。请参阅图8，第三具体实施方式与第一具体实施方式不同之处在于，所述背孔引线式压力传感器还包括一导电过渡层800。所述导电过渡层800设置在所述导电垫602表面，所述电极620通过所述导电过渡层800与所述导电垫602电连接。在本具体实施方式中，所述导电垫602及所述电极620为多晶硅，所述导电过渡层800为金属。所述电极620并未延伸至所述导电垫602，而是通过所述导电过渡层800与所述导电垫602连接，进一步提高了所述导电垫602与所述电极620的连接性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。