一种多硅片叠层式差频谐振压力敏感芯片及其制作方法与流程

本发明属于mems传感器，具体是一种多硅片叠层式差频谐振压力敏感芯片及其制作方法。

背景技术：

1、频率敏感芯片是本征数字敏感芯片，是传感器领域公认的原理最健壮的敏感芯片。谐振器永久性地工作在真空氛围中，谐振敏感芯片能够长期稳定保持高精度和理想的品质因子q值，是高精度传感器不可或缺的敏感芯片。

2、目前，尽管硅基压阻式、电容式mems压力传感器因其成本优势和技术成熟的优势已成为市场占有率极高的压力传感器领域的主流产品，但受制于芯片敏感原理的本征局限性，电压、电容等模拟量输出信号类型传感器的分辨率、准确度和长期稳定性都难于满足计量、气象、航空大气数据等领域的压力测量高精度、高稳定性的要求。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种多硅片叠层式差频谐振压力敏感芯片及其制作方法，硅同质、微尺度真空腔包封谐振器构造的差频谐振压力敏感芯片的敏感信号为差分频率模式，初始分辨率、准确度和稳定性高，满足表压、差压、绝压0.05％以上精度高端敏感芯片长期稳定的测试需求。

2、本发明的技术方案为：

3、一种多硅片叠层式差频谐振压力敏感芯片，包括有从下往上顺次叠层的下硅片、soi硅片和上硅片，下硅片、soi硅片和上硅片晶面晶向均为(100)，下硅片参考面的晶向为<100>，soi硅片和上硅片参考面的晶向均为<110>；所述的下硅片的顶端开设有两个长方形且槽口朝上的下凹槽，两个下凹槽均位于下硅片的横向中轴线处，且其中一个下凹槽位于下硅片横向中轴线的中部，另一个下凹槽位于下硅片横向中轴线的端部，每个下凹槽两长边沿下硅片的横向中轴线对称；所述的上硅片的底端开设有两个长方形且槽口朝下的上凹槽，且两个上凹槽与两个下凹槽上下一一对应且完全重叠，soi硅片的顶层硅上位于中部的上凹槽和下凹槽重叠的区域处刻蚀有中央谐振器，soi硅片的顶层硅上位于端部的上凹槽和下凹槽重叠的区域处刻蚀有角端谐振器，中央谐振器和角端谐振器均为工字梁结构，soi硅片位于中部的上凹槽和下凹槽重叠的区域处和位于端部的上凹槽和下凹槽重叠的区域处除工字梁结构外，均为镂空结构，中央谐振器两根平行梁的四个端头和角端谐振器两根平行梁的四个端头分别与其对应的外周侧壁固定连接，使得中央谐振器和角端谐振器分别被固定于对应的上凹槽和下凹槽对接形成的真空腔中；

4、所述的下硅片的底端向上开槽形成感压腔体，感压腔体的正方形顶面即为感压膜片的底面，感压腔体的槽顶面与下硅片顶面间的厚度即为感压膜片的厚度，感压膜片横向对角线与下硅片的横向中轴线重叠，且感压膜片两个对角线的交点与下硅片两个对角线的交点重合；

5、所述的soi硅片的顶层硅上设置有八条扩散硅电连接线及八个扩散硅同质焊盘，每条扩散硅电连接线的内端与中央谐振器或角端谐振器的其中一根梁的一端连接，每条扩散硅电连接线的外端与对应的一个扩散硅同质焊盘连接，连接于中央谐振器或角端谐振器同一根梁两端上的两条扩散硅电连接线相互平行形成一组电连接线，连接于中央谐振器或角端谐振器上的两组扩散硅电连接线形成双翼形结构；扩散硅同质焊盘正上方处均淀积一层金属膜焊盘。

6、所述的中央谐振器或角端谐振器的两根平行梁分别为激振梁和拾振梁，中央谐振器的两根平行梁或角端谐振器的两根平行梁均沿感压膜片的横向对角线对称，且中央谐振器和角端谐振器的激振梁均位于感压膜片横向对角线的其中一侧，中央谐振器和角端谐振器的拾振梁则均位于感压膜片横向对角线的另一侧。

7、所述的每条扩散硅电连接线与其对应连接的激振梁或拾振梁之间的夹角均为45度，沿soi硅片(100)晶面上零压阻效应方向排布。

8、所述的下硅片的顶面设置有第一二氧化硅层，所述的soi硅片仅保留顶层硅和二氧化硅埋层且为倒置结构，从下往上，下硅片、第一二氧化硅层、soi硅片的顶层硅和soi硅片的二氧化硅埋层为完全重叠的叠层结构，第一二氧化硅层和soi硅片的顶层硅熔融封接，上硅片制作成两片带有上凹槽的封盖，其中一片封盖位于中央谐振器的正上方，另一片封盖位于角端谐振器的正上方。

9、所述的下硅片的底端静电封接于玻璃片上，所述的玻璃片选用带有通孔的玻璃片或无通孔的玻璃片，所述的通孔上下贯通玻璃片且与感压腔体连通。

10、一种多硅片叠层式差频谐振压力敏感芯片的制作方法，具体包括有以下步骤：

11、(1)、选取下硅片、soi硅片和上硅片，下硅片、soi硅片和上硅片晶面晶向均为(100)，下硅片参考面的晶向为<100>，soi硅片和上硅片参考面的晶向均为<110>，且保证叠层后的下硅片、soi硅片和上硅片的参考面弦线上下相互平行且重叠；

12、(2)、上硅片和下硅片均进行高温热氧化后，上硅片和下硅片的顶面和底面均生成一层二氧化硅层，上硅片顶面和底面的二氧化硅层分别为第三二氧化硅层和第二二氧化硅层，下硅片顶面和底面的二氧化硅层分别为第一二氧化硅层和第四二氧化硅层；

13、(3)、在同批次下硅片的顶面和上硅片的底面上分别干法刻蚀下凹槽和上凹槽，保证上凹槽和下凹槽刻蚀的一致性和均匀性；

14、(4)、将soi硅片倒置，并进行soi硅片与下硅片间的无氧氛围熔融叠层，然后剥离soi硅片的衬底硅、仅保留soi硅片的顶层硅和二氧化硅埋层，再在soi硅片的顶层硅上且位于两个下凹槽上方的区域处干法镂空刻蚀中央谐振器和角端谐振器，在中央谐振器和角端谐振器两根平行梁的顶面处，轻掺杂p型硼杂质并进行无氧氛围热处理，制作淡硼浅结扩散硅电阻，分别作为激振梁和拾振梁，每个淡硼浅结扩散硅电阻即为p区梁，中央谐振器或角端谐振器两根p区梁之间的垂直连接部分为n区中央连杆，两根p型梁与n型中央连杆交界面形成负极并联的两个pn结；然后在soi硅片顶层硅的顶面处，固溶浓度掺杂p型硼杂质并进行无氧氛围热处理，制作八条扩散硅电连接线及八个扩散硅同质焊盘，八条扩散硅电连接线的轴线与所连接的激振梁或拾振梁的轴线之间呈45°夹角；

15、(5)、剥离上硅片底面的第二二氧化硅层后，将上硅片叠置于soi硅片的二氧化硅埋层上并真空熔融成一体硅，两个上凹槽和两个下凹槽上下一一对应且完全重叠，中央谐振器和角端谐振器分别被固定于对应的上凹槽和下凹槽对接形成的真空腔中；

16、(6)、剥离上硅片顶面的第三二氧化硅层，并将上硅片厚度减薄后，在上硅片两个上凹槽处刻蚀出对应的封盖，在soi硅片的二氧化硅埋层上且位于每个扩散硅同质焊盘上方的位置处制作金属膜焊盘；

17、(7)、从下硅片的底面向上各相异性湿法腐蚀制作感压腔体，控制腐蚀深度至感压腔体的槽顶面与第一二氧化硅层底面之间的厚度等于感压膜片的设定厚度；

18、(8)、选用带有通孔或无通孔且与硅热线胀系数匹配的玻璃片，将玻璃片与下硅片的底面进行晶圆级静电键合，构成测量表压、差压或绝压类型的差频谐振压力敏感芯片。

19、所述的上硅片和soi硅片的二氧化硅埋层真空熔融后，在第四二氧化硅层的底面上lpcvd淀积氮化硅层；在金属膜焊盘制作后、感压腔体腐蚀前，在第四二氧化硅层和氮化硅层上双面光刻腐蚀窗口，控制腐蚀窗口与中央谐振器、角端谐振器结构尺度和排布方位的上下对准，然后再各相异性湿法腐蚀出感压腔体，在感压腔体和感压膜片制作完成后，将第四二氧化硅层和氮化硅层均腐蚀剥离去除，再进行玻璃片与下硅片底面的晶圆级静电键合。

20、本发明的优点：

21、(1)、本发明多硅片叠层式差频谐振式压力敏感芯片的工作原理本征数字化，固有分辨率和准确度高，频率信号输出采用差分频率信号模式，进一步优化压力敏感芯片高端性能；

22、(2)、本发明采用晶面晶向相同、参考面晶向不同的三片硅片(下硅片、soi硅片和上硅片)通过叠层界面原子结合力构成硅同质敏感芯片，敏感功能材料的硅同质化保持硅材料理想的弹性模量的同时，利于规避异质间能量损耗、机械迟滞和工艺的力、热特性失配对频率敏感原理健壮性的弱化。

23、(3)、本发明用于包封中央谐振器和角端谐振器的硅同质微尺度真空腔利于抑制谐振器振子与空气间的对流传热和阻尼现象，避免电热驱动产生的能量耗散退化芯片q值，高分辨率和高精度的长期稳定。

24、(4)、本发明封盖和上凹槽的二维表面积占感压膜片二维表面积的比例很小，芯片双面都向环境大气呈开口状态，避免芯片使用仅能测量绝对或密封表压的局限性，可覆盖静态表压、差压和绝压等所有类型压力的测量。

25、(5)、本发明中央谐振器和角端谐振器在感压膜片随着被测压力的变化发生挠度时，受到符号相反的应力作用，导致工字梁固有振动频率发生符号相反的变化，即一个谐振器拾振梁的振动频率增大、而另一个谐振器拾振梁的振动频率减小；压力敏感芯片输出信号组成差分频率模式，利于敏感芯片灵敏度、线性等重要性能指标的优化，同时两频率信号代数和可用于温度测量和热漂移内补偿。