多传感器层的制作方法、多传感器芯片及其制作方法与流程

本发明涉及mems传感器技术领域，具体为一种多传感器层的制作方法、多传感器芯片及其制作方法。

背景技术：

随着硅基微加工技术的发展，硅基压力传感器、加速度计和温度传感器在工业和商业应用中得到了很好的发展和广泛的应用。

现有技术中，存在着具有多种传感器功能的芯片，但只是将各种功能简单地集成，无法保证重复性和一致性，不利于批量化生产，而且性能不佳，无法适应要求更高的测量环境；另外集成的功能不齐全，不能满足技术发展的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多传感器层的制作方法、多传感器芯片及其制作方法，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种多传感器层的制作方法，包括如下步骤：

s1，于硅衬底的上表面制作第一电阻、第二电阻以及第三电阻，所述第一电阻用于检测外界温度；

s2，再处理所述硅衬底，得到硅膜，所述硅膜配合所述第二电阻检测外界压力；

s3，在所述硅衬底的上表面和下表面均制作质量块和悬臂，所述质量块和所述悬臂配合所述第三电阻检测外界加速度。

进一步，在所述s1步骤中，所述第一电阻的制备方法具体为：在所述硅衬底的上表面旋涂负性光刻胶并进行光刻图形化，暴露金属铂沉积区域；接着在所述金属铂沉积区域溅射沉积一层金属铂作为所述第一电阻。

进一步，在所述s1步骤中，所述第二电阻和所述第三电阻的制备方法均为：在所述硅衬底的上表面旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，以形成硼离子注入窗口；从所述硼离子注入窗口注入浓度为4×10¹⁴cm^-2的硼离子，形成轻掺杂的压阻。

进一步，在所述s1步骤中，还在所述硅衬底的上表面制作连线、焊盘、多晶硅以及导线。

进一步，在所述s2步骤中，采用双面对准光刻，对所述硅衬底进行深硅刻蚀以及rie刻蚀埋氧层，得到所述硅膜。

进一步，在所述s3步骤中，采用光刻，对所述硅衬底进行深硅刻蚀，得到所述悬臂和所述质量块。

进一步，在所述s1步骤前，将硅衬底依次在丙酮、乙醇以及去离子水中超声清洗，然后吹干后在热板上烘烤至干燥。

本发明实施例提供另一种技术方案：一种多传感器芯片的制作方法，具有上述的多传感器层的制作方法制作的多传感器层，包括如下制作步骤：

sa，在所述多传感器层的上表面和下表面均通过键合工艺键合玻璃层；

sb，第一次切割，去除所述多传感器层的上表面上的部分的玻璃层至露出所述多传感器层；

sc，再进行第二次切割将所述多传感器层切开，释放出所述硅衬底上的第一电阻、第二电阻、第三电阻、硅膜、质量块以及悬臂。

进一步，在所述sb步骤和所述sc步骤中，第一次切割为激光切割，第二次切割为机械切割。

本发明实施例提供另一种技术方案：一种多传感器芯片，包括第一玻璃层、位于所述第一玻璃层上的多传感器层、位于所述多传感器层上的多晶硅阳极键合层以及位于所述多晶硅阳极键合层上的第二玻璃层，所述多传感器层由上述的多传感器层的制作方法制得。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过制作的多类电阻再配合制作的结构，实现了温度检测、压力检测以及加速度检测的多功能集成方案。

2、使用硅作为衬底，通过埋氧层刻蚀停止方法可以实现对硅膜和悬臂的厚度的精确控制，进而可以灵活调整压力和加速度的测量范围，实现较大范围的压力和加速度测量。

3、在硅衬底边缘采用高功率溅射沉积一层金实现硅衬底正反面的导通，从而保证键合过程中的电压能够有效施加到键合界面，同时也避免压阻被击穿。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种多传感器芯片的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种多传感器芯片的俯视图；

图3为本发明实施例提供的一种多传感器芯片的仰视图；

附图标记中：2-多晶硅阳极键合层；3-多传感器层；4-第一玻璃层；5-压阻r5；6-压阻r6；7-压阻r7；8-压阻r8；9-压阻r1；10-压阻r2；11-压阻r3；12-压阻r4；13-热电阻r9；14-连线；15-焊盘；16-多晶硅；17-导线；18-第一背面腔室；19-第二背面腔室；20-质量块；21-悬臂；22-通孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1、图2和图3，本发明实施例提供一种多传感器层的制作方法，包括如下步骤：s1，于硅衬底的上表面制作第一电阻、第二电阻以及第三电阻，所述第一电阻用于检测外界温度；s2，再处理所述硅衬底，得到硅膜，所述硅膜配合所述第二电阻检测外界压力；s3，在所述硅衬底的上表面和下表面均制作质量块20和悬臂21，所述质量块20和所述悬臂21配合所述第三电阻检测外界加速度。在本实施例中，制作的第一电阻为热电阻r913，其可以检测外界温度，具体地是当外界温度变化时，热电阻r913的阻值随之变化，通过检测热电阻r913的阻值改变引起电桥输出电压的变化可以推算出外界温度的大小。而制作的第二电阻为压阻r19、压阻r210、压阻r311以及压阻r412，四个压阻设于硅膜上，形成惠斯通电桥，当外界压力变化时，硅膜的形变引起四个压阻的阻值发生变化并导致电桥的输出电压变化。而制作的第三电阻为压阻r55、压阻r66、压阻r77以及压阻r88，四个压阻与悬臂21形成惠斯通电桥，悬臂21有两个，其中压阻r55和压阻r66设在其中一个悬臂21上，压阻r77和压阻r88设在另外一个悬臂21上，当加速度变化时，悬臂21的形变引起压阻的阻值变化并导致电桥的输出电压变化，通过检测电桥输出电压的大小即可推算出外界加速度的大小。

作为本发明实施例的优化方案，在所述s1步骤中，所述第一电阻的制备方法具体为：在所述硅衬底的上表面旋涂负性光刻胶并进行光刻图形化，暴露金属铂沉积区域；接着在所述金属铂沉积区域溅射沉积一层金属铂作为所述第一电阻。在本实施例中，通过旋涂负性光刻胶、光刻、溅射沉积金属铂，具体再通过在丙酮中进行金属剥离工艺，将铂图形化成热电阻，可以实现该热电阻与上述的压阻的单片集成。

作为本发明实施例的优化方案，在所述s1步骤中，所述第二电阻和所述第三电阻的制备方法均为：在所述硅衬底的上表面旋涂一层正性光刻胶并进行光刻图形化，以形成硼离子注入窗口；从所述硼离子注入窗口注入浓度为4×10¹⁴cm^-2的硼离子，形成轻掺杂的压阻。在本实施例中，第二电阻和第三电阻均为压阻，它们都是由低浓度的硼掺杂硅形成，具体是旋涂正性光刻胶、光刻、注入硼离子，这其中会先光刻出硼离子注入窗口，以便于硼离子的注入。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1、图2和图3，还在所述硅衬底的上表面制作连线14、焊盘15、多晶硅16以及导线17。在本实施例中，连线14用来连接加速度功能处的压阻和压力功能处的压阻，连线14具体是铝连线，焊盘15、多晶硅16以及导线17均用于连接导电，其中焊盘15为铝焊盘，导线17为重掺杂导线。优选的，压力功能处的真空腔室以及加速度功能处的自由激励腔室是由深硅刻蚀后的硅衬底和两块pyrex7740玻璃进行双面阳极键合形成；硅衬底正面通过沉积多晶硅16与玻璃进行阳极键合，硅衬底背面直接与玻璃进行阳极键合；硅衬底的边缘通过高功率溅射一层金属来实现正反面之间的导电通路，从而避免阳极键合过程的失败或者击穿压阻。压阻之间的连线14由蒸发沉积的铝构成，通过铝与掺杂硅之间的欧姆接触来实现导通；经过多晶硅16且连接压阻\热电阻与焊盘15之间的导线17由重掺杂硅形成，采用重掺杂硅作为导线17可以保证多晶硅16的平整从而确保正面阳极键合成功。

作为本发明实施例的优化方案，采用双面对准光刻，对所述硅衬底进行深硅刻蚀以及rie刻蚀埋氧层，得到所述硅膜。在本实施例中，硅膜隔在背面腔室和正面腔室之间的隔膜，该背面腔室为第一玻璃与多传感器层3之间的腔室，该正面腔室为第二玻璃与多晶硅阳极键合层2、第二玻璃之间的腔室，第二玻璃层为正面阳极键合玻璃层，它与多晶硅阳极键合层2通过阳极键合工艺键合在一起，形成所述正面腔室，第一玻璃为背面阳极键合玻璃层，它与多传感器层3的下表面通过阳极键合工艺键合在一起，形成所述背面腔室，质量块20处的背面腔室为第二背面腔室19。压阻r19、压阻r210、压阻r311以及压阻r412均设于硅膜上。硅膜下方的玻璃通过激光切割形成直径为300微米的通孔22，使得硅膜与外部环境形成压力接触，通孔22处的背面腔室为第一背面腔室18。压阻r19、压阻r210、压阻r311以及压阻r412的长和宽分别为260微米和20微米。压阻r19与压阻r210以及压阻r311与压阻r412的中心间距均为155微米，压阻r210与压阻r311的中心间距为70微米。硅膜的长、宽、厚分别为950、450、60微米。硅膜上方的玻璃通过rie刻蚀出凹槽，确保硅膜有±6微米的振动幅度。

作为本发明实施例的优化方案，采用光刻，对所述硅衬底进行深硅刻蚀，得到所述悬臂21和所述质量块20。在本实施例中，质量块20仅通过悬臂21与传感器芯片相连，其余边界部分均通过深硅刻蚀去除。优选的，质量块20和悬臂21是通过双面深硅刻蚀形成的。质量块20通过两个悬臂21与硅衬底相连，每个悬臂21上分别设置两个压阻来检测应变。压阻的长度为140微米，宽度为20微米，两个压阻的一端通过蒸发的铝串联在一起形成压阻r77和r8。压阻r55、压阻r66的形状和结构与压阻r77、压阻r88一致，但分布在非应变区域。两个悬臂21的宽度为均为100微米，长度为565微米，间隔为60微米。质量块20的长、宽、厚分别为300微米、300微米、440微米。质量块20上方和下方的玻璃上通过rie刻蚀出凹槽，确保质量块20有±6微米的摆动幅度。

作为本发明实施例的优化方案，在所述s1步骤前，将硅衬底依次在丙酮、乙醇以及去离子水中超声清洗，然后吹干后在热板上烘烤至干燥。在本实施例中，具体地，分别在丙酮、乙醇以及去离子水中超声清洗5分钟，用氮气吹干后在180摄氏度的热板上烘烤15分钟效果最佳。

图1、图2和图3，本发明实施例提供一种多传感器芯片的制作方法，具有如上述的多传感器层3的制作方法制作的多传感器层3，包括如下制作步骤：sa，在所述多传感器层3的上表面和下表面均通过键合工艺键合玻璃层；sb，第一次切割，去除所述多传感器层3的上表面上的部分的玻璃层至露出所述多传感器层3；sc，再进行第二次切割将所述多传感器层3切开，释放出所述硅衬底上的第一电阻、第二电阻、第三电阻、硅膜、质量块20以及悬臂21。在本实施例中，采用上述的多传感器层3，可以实现温度、加速度以及压力的检测，具体地：制作的第一电阻为热电阻r913，其可以检测外界温度，具体地是当外界温度变化时，热电阻r913的阻值随之变化，通过检测热电阻r913的阻值改变引起电桥输出电压的变化可以推算出外界温度的大小。而制作的第二电阻为压阻r19、压阻r210、压阻r311以及压阻r412，四个压阻设于硅膜上，形成惠斯通电桥，当外界压力变化时，硅膜的形变引起四个压阻的阻值发生变化并导致电桥的输出电压变化。而制作的第三电阻为压阻r55、压阻r66、压阻r77以及压阻r88，四个压阻与悬臂21形成惠斯通电桥，悬臂21有两个，其中压阻r55和压阻r66设在其中一个悬臂21上，压阻r77和压阻r88设在另外一个悬臂21上，当加速度变化时，悬臂21的形变引起压阻的阻值变化并导致电桥的输出电压变化，通过检测电桥输出电压的大小即可推算出外界加速度的大小。

作为本发明实施例的优化方案，在所述sb步骤和所述sc步骤中，第一次切割为激光切割，第二次切割为机械切割。

图1、图2和图3，本发明实施例提供一种多传感器芯片，包括第一玻璃层4、位于所述第一玻璃层4上的多传感器层3、位于所述多传感器层3上的多晶硅阳极键合层2以及位于所述多晶硅阳极键合层2上的第二玻璃层(未示出)，所述多传感器层3由上述的多传感器层3的制作方法制得。在本实施例中，第一玻璃4和第二玻璃1均为透明玻璃。采用上述的多传感器层3，可以实现温度、加速度以及压力的检测，具体地：制作的第一电阻为热电阻r913，其可以检测外界温度，具体地是当外界温度变化时，热电阻r913的阻值随之变化，通过检测热电阻r913的阻值改变引起电桥输出电压的变化可以推算出外界温度的大小。而制作的第二电阻为压阻r19、压阻r210、压阻r311以及压阻r412，四个压阻设于硅膜上，形成惠斯通电桥，当外界压力变化时，硅膜的形变引起四个压阻的阻值发生变化并导致电桥的输出电压变化。而制作的第三电阻为压阻r55、压阻r66、压阻r77以及压阻r88，四个压阻与悬臂21形成惠斯通电桥，悬臂21有两个，其中压阻r55和压阻r66设在其中一个悬臂21上，压阻r77和压阻r88设在另外一个悬臂21上，当加速度变化时，悬臂21的形变引起压阻的阻值变化并导致电桥的输出电压变化，通过检测电桥输出电压的大小即可推算出外界加速度的大小。

以下为多传感器芯片的制作方法的两个具体实施例：

实施例一：

sa1：采用soi作为衬底，利用光刻，离子注入，等离子体增强化学气相沉积(pecvd)，反应离子刻蚀(rie)，蒸发沉积，湿法腐蚀以及剥离等微加工工艺，形成压阻，热电阻，连线14，多晶硅16键合层，绝缘层等平面结构。

sb1：采用双面对准光刻，背面深硅刻蚀，rie刻蚀埋氧层以及背面硅-玻璃阳极键合工艺，形成加速度计的质量块20以及压力传感器的硅膜。

sc1：采用光刻，正面深硅刻蚀以及正面多晶硅-玻璃阳极键合工艺，形成加速度计的悬臂21、真空腔室以及压力传感器的压力参考腔室。

sd1：采用激光切割，去除焊盘15上方的玻璃，暴露出焊盘15区域，接着，采用机械切割将整个片子切透，释放衬底上的传感器芯片。

具体地，上述sa1步骤包括：

使用soi硅片作为衬底，将soi分别在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗5分钟、用氮气吹干后在180摄氏度热板上烘烤15分钟。

在soi正面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化，此步形成硼离子注入窗口。

硼离子注入，注入浓度4×10¹⁴cm^-2，形成轻掺杂的压阻结构。

在soi正面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化，形成二次硼离子注入窗口。

硼离子注入，注入浓度2×10¹⁵cm-2，形成重掺杂的接触点和导线17。

pecvd沉积一层0.5微米厚的氧化硅作为绝缘层。

低压化学气相沉积(lpcvd)0.8微米厚的多晶硅16作为正面与玻璃的阳极键合层。

在soi正面旋涂一层5微米厚正性光刻胶并进行光刻图形化，形成多晶硅16刻蚀窗口。

干法刻蚀多晶硅16，深度为0.8微米，形成多晶硅16键合层。

在soi正面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化，形成氧化硅刻蚀窗口。

rie刻蚀氧化硅，深度为0.5微米，暴露出离子注入区域和铝导线的接触点。

蒸发沉积一层0.7微米厚的金属铝作为导电金属层。

在soi正面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化，形成湿法腐蚀铝的掩模。

湿法腐蚀铝金属层，形成金属连线14和焊盘15。

在soi正面旋涂一层5微米厚的负性光刻胶并进行光刻图形化，暴露金属铂沉积区域。

溅射沉积一层金属cr/pt作为温度传感器的热电阻，cr/pt的厚度分别为20nm/200nm。

在丙酮中进行lift-off(金属剥离)工艺，将铂图形化成热电阻。

上述步骤sb1的具体过程如下：

采用pecvd在soi背面沉积一层2微米厚的氧化硅作为深硅刻蚀的掩膜层。

在soi背面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行双面对准光刻图形化，暴露出刻蚀区域。

使用rie清除氧化硅层，然后使用drie刻蚀硅至埋氧层。

使用rie刻蚀背面氧化层以及埋氧层，暴露背面硅层。

利用聚酰亚胺(pi)作为芯片区域的掩模，在soi边缘高功率溅射一层200nm厚的金，用于导通soi正反面的硅层。

使用pyrex7740玻璃作为衬底，旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化。

使用rie刻蚀pyrex7740玻璃，深度为6微米，此步形成质量块20下方的凹槽。

使用激光切割在pyrex7740玻璃上形成硅膜下方腔室与外部环境的通孔22。

对背面硅进行抛光后，进行背面硅-玻璃阳极键合，键合温度350℃，电压800v，电流20ma，压力1600n，时间20min。

上述步骤sc1的具体过程如下：

在soi正面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化，暴露出刻蚀区域。

使用rie刻蚀氧化硅0.5微米，随后使用drie刻蚀硅至穿透。

使用pyrex7740玻璃作为衬底，旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化。

使用rie刻蚀pyrex7740玻璃，深度为6微米，此步形成加速度计和压力传感器上方的凹槽。

对正面非晶硅抛光后，进行正面非晶硅-玻璃阳极键合，键合温度400℃，电压1000v，电流20ma，压力1600n，时间20min。

上述步骤sd1的具体过程如下：

采用激光切割，去除焊盘15上方的玻璃，切割深度应略小于玻璃实际厚度以避免切到焊盘15引线，此步暴露出焊盘15区域。接着，采用机械切割将整个片子切透，释放衬底上的传感器芯片.

实施例二：

sa2：采用soi作为衬底，利用光刻，离子注入，等离子体增强化学气相沉积(pecvd)，反应离子刻蚀(rie)，蒸发沉积，湿法腐蚀以及剥离等微加工工艺，形成压阻，热电阻，连线14，多晶硅16键合层，绝缘层等平面结构。

sb2：采用双面对准光刻，背面深硅刻蚀，rie刻蚀埋氧层以及背面硅-玻璃阳极键合工艺，形成加速度计的质量块20以及压力传感器的硅膜。

sc2：采用光刻，正面深硅刻蚀以及正面多晶硅-玻璃阳极键合工艺，形成加速度计的悬臂21、真空腔室以及压力传感器的压力参考腔室。

sd2：采用激光切割，去除焊盘15上方的玻璃，暴露出焊盘15区域；接着，采用机械切割将整个片子切透，释放衬底上的传感器芯片。

上述步骤sa2的具体过程如下：

使用soi硅片作为衬底，将soi分别在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗5分钟、用氮气吹干后在180摄氏度热板上烘烤15分钟。

使用pecvd在soi正面沉积一层300nm厚的氧化硅作为绝缘层。

使用lpcvd在soi正面沉积一层200nm厚的多晶硅16作为注入层。

在soi正面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化，形成硼离子注入窗口。

硼离子注入，注入浓度4×10¹⁴cm^-2，形成轻掺杂的压阻结构。

在soi正面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化，形成二次硼离子注入窗口。

硼离子注入，注入浓度2×10¹⁵cm-2，形成重掺杂的接触点和导线17。

pecvd沉积一层0.5微米厚的氧化硅作为绝缘层。

低压化学气相沉积(lpcvd)0.8微米厚的多晶硅16作为正面与玻璃的阳极键合层。

在soi正面旋涂一层5微米厚正性光刻胶并进行光刻图形化，形成多晶硅16刻蚀窗口。

干法刻蚀多晶硅16，深度为0.8微米，形成多晶硅16键合层。

在soi正面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化，形成氧化硅刻蚀窗口。

rie刻蚀氧化硅，深度为0.5微米，暴露出离子注入区域和铝导线的接触点。

蒸发沉积一层0.7微米厚的金属铝作为导电金属层。

在soi正面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化，形成湿法腐蚀铝的掩模。

湿法腐蚀铝金属层，形成金属连线14和焊盘15。

在soi正面旋涂一层5微米厚的负性光刻胶并进行光刻图形化，暴露金属铂沉积区域。

溅射沉积一层金属cr/pt作为温度传感器的热电阻，cr/pt的厚度分别为20nm/200nm。

在丙酮中进行lift-off(金属剥离)工艺，将铂图形化成热电阻。

上述步骤sb2的具体过程同实施例一。

上述步骤sc2的具体过程如下：

在soi正面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化，暴露出刻蚀区域。

使用rie刻蚀氧化硅0.5微米，使用干法刻蚀多晶硅0.2微米，使用rie刻蚀氧化硅0.3微米，最后使用drie刻蚀硅至穿透。

使用pyrex7740玻璃作为衬底，旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化。

使用rie刻蚀pyrex7740玻璃，深度为6微米，此步形成加速度计和压力传感器上方的凹槽。

对正面非晶硅抛光后，进行正面非晶硅-玻璃阳极键合，键合温度400℃，电压1000v，电流20ma，压力1600n，时间20min。

上述步骤sd2的具体过程同实施例一。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。