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TW201813918A - 用於製造微機械壓力感測器的方法 - Google Patents

用於製造微機械壓力感測器的方法 Download PDF

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TW201813918A
TW201813918A TW106134909A TW106134909A TW201813918A TW 201813918 A TW201813918 A TW 201813918A TW 106134909 A TW106134909 A TW 106134909A TW 106134909 A TW106134909 A TW 106134909A TW 201813918 A TW201813918 A TW 201813918A
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cavity
pressure sensor
etching process
wafer
sensor
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TW106134909A
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阿娜 丹那柏格
托斯頓 克拉莫
尤阿辛 福列茲
湯瑪士 弗烈德利希
Original Assignee
德商羅伯特博斯奇股份有限公司
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Abstract

本發明提供一種用於製造一微機械壓力感測器(100)之方法，該方法包含以下步驟：- 提供一MEMS晶圓(10)，其包含一矽基板(11)及在一感測器膜(12)下方形成於該矽基板(11)中之一第一空腔(13)；- 提供一第二晶圓(30)；- 將該MEMS晶圓(10)接合至該第二晶圓(30)；及- 自後側釋放一感測器核心(12、13、13a)，其中一第二空腔(18)形成於該感測器核心(12、13、13a)與該矽基板(11)之表面之間，其中該第二空腔(18)藉助於一蝕刻製程形成，該蝕刻製程運用以一經定義方式改變之蝕刻參數來加以執行。

Description

用於製造微機械壓力感測器的方法
本發明係關於一種用於製造微機械壓力感測器之方法。本發明此外係關於一種微機械壓力感測器。
壓力差係依據感測器膜之變形而量測的微機械壓力感測器已例如自DE 10 2004 006 197 A1為吾人所知。
在已知微機械壓力感測器中用作機電換能器之半導體電阻器不僅承受產生於壓力對膜之影響的機械應力，而且承受產生於機械干擾影響之應力。此處兩個最重要干擾影響如下：- 由於以下各者就構造與連接技術(Construction and Connection Technology，CCT)而言之耦接應力：- 上面安裝有感測器之印刷電路板的變形- 外殼之由於溫度，例如由於焊接之變形- 所使用黏合劑之溫度特性- 由於覆蓋層之溫度特性之來自感測器元件的固有應力
在一些情況下，可例如在介電覆蓋層之狀況下藉由合適調整 來控制所提及影響。金屬化物及亦就CCT而言之耦接應力的影響受制於對組件之歷史的相當大的相依性(例如由於金屬之漏電，詳言之在焊接期間/之後)。此無法藉由在遞送組件之前進行調整來得以補償。
DE 10 2015 116 353 A1揭示一種具有機械解耦(decoupling)之微整合囊封式MEMS感測器及一種其製造方法。在此狀況下，藉由蝕刻出內埋氧化物層，例如藉助於HF氣相蝕刻自後側釋放在SOI基板上製造之壓力感測器。在此狀況下，蝕刻氣體經由進入孔饋入，該些進入孔是藉由溝槽製程先前地引入至晶圓後側之矽中。
本發明之一目標係提供一種用於具有一改良式操作特性之一微機械壓力感測器的替代性製造方法。
根據一第一態樣，該目標藉由一種用於製造微機械壓力感測器(100)之方法來達成，該方法包含以下步驟：- 提供一MEMS晶圓，其包含一矽基板及在一感測器膜下方形成於該矽基板中之一第一空腔；- 提供一第二晶圓；- 將該MEMS晶圓接合至該第二晶圓；- 在該矽基板中形成一感測器膜；及- 自後側釋放一感測器核心，其中一第二空腔形成於該感測器核心與該矽基板之表面之間，其中該第二空腔藉助於一蝕刻製程形成，該蝕刻製程運用以一經定義方式改變之蝕刻參數來加以執行。
以此方式，提供一種微機械壓力感測器，其包含在所有側上 釋放之一壓力感測器膜，由於該操作，實現了一有效率應力解耦結構。藉由改變一蝕刻方案，有可能提供在該矽基板內出於此目的所需之該第二空腔。以此方式同時提供針對污染的有效保護措施及對該些微機械壓力感測器的介質存取。可以此方式極大地減少該微機械壓力感測器之錯誤信號，由於該操作，改良了該壓力感測器之一操作特性。藉助於接合至該MEMS晶圓之該第二晶圓的支撐效應，可以一便利方式自該後側執行該整個製程。
根據一第二態樣，該目標藉由一種微機械壓力感測器來達成，該微機械壓力感測器包含：- 一壓力感測器核心，其包含一感測器膜，該壓力感測器核心形成於一矽基板中，其中一第一空腔形成於該感測器膜中；- 一第二空腔，其在該感測器核心上方形成於該矽基板中；- 其中該第二空腔藉助於一蝕刻製程製造，該蝕刻製程之蝕刻參數在該蝕刻製程期間以一經定義方式改變。
附屬申請專利範圍係關於用於製造一微機械壓力感測器之該方法的較佳具體實例。
在該方法之一個有利發展中，為了形成該第二空腔，其提供了該蝕刻製程係具有一各向異性開始及經定義各向同性連續之一深度反應性離子蝕刻製程。以此方式，本身已知之蝕刻製程宜用於形成該第二空腔。
在該方法之另一有利發展中，其限制條件係為了藉助於一垂直蝕刻製程形成該第二空腔，在該矽基板中製造進入開口，其中該垂直蝕刻製程改變成一側向蝕刻製程，其中由該側向蝕刻製程所產生之球形蝕刻前部合併。結果，本身已知之蝕刻製程的具體屬性宜用於形成該第二空腔。
該方法之另一有利發展由以下事實得以區別：在該深度反應性離子蝕刻製程之後切斷該蝕刻製程之一鈍化及濺鍍部分。結果，以一有效方式實施用於產生該第二空腔之調整本身已知之蝕刻製程的措施。
在該方法之另一有利發展中，其提供了該整個蝕刻製程自該開始以一經定義各向同性方式體現。宜以此方式提供一替代性製造方法。
在該方法之另一有利發展中，其提供了自該開始時就藉由該蝕刻製程形成向下加寬的梯形蝕刻前部藉助於。宜以此方式提供被實施為向下且加寬的一梯形化方式的一蝕刻方案，由於該操作，蝕刻氣體之引入是有利的。此外，結果，可降低蝕刻時間，且可較佳地控制該整個製程。
在該方法之另一有利發展中，其提供了該第二晶圓係一被動式基板晶圓或一ASIC晶圓。結果，宜實現形成該第二晶圓之不同可能性。
在該方法之另一有利發展中，其提供了該微機械壓力感測器形成為一壓阻式壓力感測器或形成為一電容式壓力感測器。可以此方式實現不同技術類型之微機械壓力感測器。
在下文參考若干圖式運用另外特徵及優點詳細描述本發明。相同或功能上相同之元件具有相同參考標識。詳言之，該些圖式意欲說明本發明之基本原理且不一定以真實比例繪製。出於較佳清晰性起見，並非所有提供的圖式皆描繪所有參考標識。
所揭示的方法特徵明顯類似於對應的所揭示的裝置特徵，且反之亦然。詳言之，此意謂關於用於製造一微機械壓力感測器之該方法的特徵、技術優點及解釋明顯類似於對應的該微機械壓力感測器之解釋、特徵及技術，且反之亦然。
10‧‧‧MEMS晶圓/第一晶圓
11‧‧‧矽基板
12‧‧‧感測器核心/感測器膜/感測器矽膜
13‧‧‧感測器核心/第一空腔
13a‧‧‧感測器核心/塊材矽
14‧‧‧第一進入開口
15‧‧‧介電覆蓋層
16‧‧‧金屬化元件
17‧‧‧第二進入開口/進入孔
18‧‧‧第二空腔
19‧‧‧彈簧
20‧‧‧共晶接合連接件
30‧‧‧第二晶圓
31‧‧‧ASIC基板
32‧‧‧功能層
41‧‧‧電鍍通孔
50‧‧‧焊球
100‧‧‧微機械壓力感測器
200‧‧‧步驟
210‧‧‧步驟
220‧‧‧步驟
240‧‧‧步驟
在圖式中：圖1至圖4顯示用於闡明用於製造微機械壓力感測器之所提議方法的橫截面圖；圖5及圖6顯示用於闡明用於製造微機械壓力感測器之替代方法的橫截面圖；圖7及圖8顯示所提議微機械壓力感測器之可能的最終處理的結果；且圖9顯示用於製造微機械壓力感測器之方法之一個具體實例的基本順序。
本發明之中心概念係提供一種用於製造微機械壓力感測器之改良式方法。為此，可提供運用簡單、具成本效益的Si基板來執行之特定設計的蝕刻方法。以此方式，達成有效率應力解耦結構，其亦為微機械壓力感測器相對於外部顆粒及/或外部濕氣實現保護性裝置。
出於較佳清晰性起見，並不在下文更詳細地解釋對於本發明必不可少之結構及/或元件。
圖1展示包含矽基板11之第一晶圓10的橫截面圖，介電覆蓋層15配置於矽基板11上。第一進入開口14且此外第一空腔13形成於矽基板11內。塊材矽13a可見於第一空腔13下方。金屬化元件16作為隨後形成至第二晶圓30之共晶接合連接件20。
圖2展示以180度旋轉之來自圖1的配置，其中第一晶圓 10現在較佳地共晶接合至第二晶圓30，由於此操作，產生接合連接件20。第二晶圓30可體現為ASIC晶圓或替代地體現為被動式基板晶圓(未說明)。在ASIC晶圓之狀況下，第二晶圓30包含ASIC基板31及配置於ASIC基板31上之功能層32。以此方式形成之堆疊可為反向薄化的(例如藉由研磨)，以便縮短後續結構化步驟中之處理時間及以便降低組件高度。
圖3展示穿透兩個接合之晶圓10、30的橫截面圖。在下一步驟中，藉由光微影製程以在矽基板11中製造孔圖案。該孔圖案隨後經蝕刻，較佳地藉助於垂直或各向異性蝕刻製程，較佳地以深度反應性離子蝕刻(deep reactive ion etching，DRIE)形式。結果，第二進入開口17形成於矽基板11中。第二進入開口17之蝕刻在矽基板11之塊材矽中停止。此結構化步驟亦可用以在其他區域中製造大面積蝕刻孔，該些蝕刻孔例如提供用於接合區域(被稱作接合焊盤)或鋸割溝槽之用途。
以另外的次序，藉由在第二進入開口17之基底處運用非方向性或各向同性其他蝕刻切斷該DRIE蝕刻製程中之鈍化及濺鍍部分來達成底切。以此方式，具有盲孔之區域變成不與感測器核心機械接觸之獨立晶格。導線接合或鋸割溝槽區域可在此步驟中自由蝕刻。
圖4展示在形成第二進入開口17期間提及之已改變蝕刻方案的後果。明顯的是，由於矽基板11中之已改變蝕刻參數，現在球形蝕刻前部已合併，且以此方式形成第二空腔18。第二空腔18藉由晶格與基板之其餘部分分離，晶格穿過第一進入開口17形成於矽基板11中。壓力感測器核心藉助於具有電引線(未說明)之彈簧19連結至基板之其餘部分。
結果，現在連續之第一進入開口14、第二空腔18及感測器 膜12之連續第二進入開口17已因此在所有側上產生釋放，且因此針對在外部起作用之機械應力產生機械解耦結構。結果，除壓力感測器核心之電氣接取及機械固定之外，產生所有側上之壓力感測器核心的機械解耦，以便宜最小化來自晶片邊緣對壓力感測器核心之機械影響。
在此狀況下，第二進入開口17之直徑較佳地設定尺寸，使得產生適合於對壓力感測器之介質存取的存取通道。以此方式，第二進入開口17亦實現壓力感測器核心針對顆粒及/或濕氣(例如由於噴霧水)之有效保護。
以簡單方式，上述結構所需之中空空間因此藉助於蝕刻製程以第二空腔18之形式提供，蝕刻製程具有在其執行期間改變之蝕刻參數。可看到的，部分球形的表面由於各向同性蝕刻相位而形成於第二空腔18內。
圖5展示穿過根據替代方法製造之微機械壓力感測器100的橫截面圖。明顯的是，在此狀況下，第二進入開口17用均勻加寬之蝕刻前部形成，該些蝕刻前部自矽基板11之表面以梯形方式向下加寬。此可藉由控制上述DRIE製程來達成，使得由基板後側上之第二進入開口17界定的個別蝕刻前部在製程過程中合併，且作為均勻蝕刻前部，使壓力感測器核心與矽基板11之後側或頂部側分離。
結果，因此，如可見於圖6中，第二空腔18朝向矽基板11之表面形成且由梯形蝕刻前部側向地形成。結果，以此方式，可更易於引入蝕刻氣體，且整個蝕刻製程可較好地控制。
圖7及圖8展示微機械壓力感測器100之後續最終處理步驟的結果。在圖7中指示微機械壓力感測器100藉助於電鍍通孔41及焊球50 之電氣連接。
圖8展示用模製化合物囊封之微機械壓力感測器100，由於此操作，為微機械壓力感測器100提供穩定且耐用之外殼。宜以此方式提供包含具成本效益的第一晶圓10之應力解耦壓力感測器，第一晶圓10包含矽基板11。以此方式，例如以SOI基板形式將成本密集型(cost-intensive)基板用於第一MEMS晶圓10並非必需的。結果，可宜在製造應力解耦微機械壓力感測器時達成成本優點。
微機械壓力感測器100較佳地體現為壓阻式壓力感測器，但作為電容性微機械壓力感測器實現係亦可設想的。
圖9展示用於製造微機械壓力感測器100之方法的基本序列。
步驟200涉及提供MEMS晶圓10，MEMS晶圓10包含矽基板11及在感測器矽膜12下方形成於矽基板11中之第一空腔13。
步驟210涉及提供第二晶圓30。
步驟220涉及執行將MEMS晶圓10接合至第二晶圓30。
最後，步驟240涉及執行自後側釋放感測器核心12、13、13a，其中第二空腔18形成於感測器核心12、13、13a與矽基板11之表面之間，其中第二空腔18藉助於蝕刻製程形成，該蝕刻製程運用以經定義方式改變之蝕刻參數來加以執行。
總而言之，本發明提議一種用於製造微機械壓力感測器之方法，應力解耦結構能夠藉由該方法以具成本效益之方式提供。此藉由當在壓力感測器膜上方在第一晶圓內形成第二空腔時改變蝕刻方案來達成。
儘管上文已基於具體應用實例而描述本發明，但熟習此項技術者可實現上文未揭示或上文僅部分揭示之本發明之具體實例，而不背離本發明之本質。

Claims (11)

  1. 一種用於製造一微機械壓力感測器(100)之方法，該方法包含以下步驟：提供一MEMS晶圓(10)，其包含一矽基板(11)及在一感測器膜(12)下方形成於該矽基板(11)中之一第一空腔(13)；提供一第二晶圓(30)；將該MEMS晶圓(10)之一下側接合至該第二晶圓(30)之一頂部側；及自該MEMS晶圓(10)之該頂部側釋放一感測器核心(12、13、13a)，該感測器核心包含塊材矽(13a)、該感測器膜(12)及該第一空腔(13)，其中一第二空腔(18)形成於該感測器核心(12、13、13a)與該矽基板(11)之表面之間，其中該第二空腔(18)是藉由一蝕刻製程的方法而形成，該蝕刻製程是以一經定義方式而改變之蝕刻參數來執行，該經定義方式是與用於在該第二空腔(18)中形成進入孔(17)之蝕刻參數有關。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中為了形成該第二空腔(18)，該蝕刻製程係具有一各向異性開始及經定義各向同性連續之一深度反應性離子蝕刻製程。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其中為了藉由一垂直蝕刻製程形成該第二空腔(18)，在該矽基板(11)中製造進入開口(17)，其中該垂直蝕刻製程改變成一側向蝕刻製程，其中由該側向蝕刻製程所產生之球形蝕刻前部合併。
  4. 如申請專利範圍第2項或第3項之方法，其中在該深度反應性離子蝕刻製程之後切斷該蝕刻製程之鈍化及濺鍍部分。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該整個蝕刻製程自該開始是以一經定義各向同性方式體現。
  6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中向下加寬的梯形蝕刻前部是藉由該蝕刻製程所形成。
  7. 如前述申請專利範圍第1或2項之方法，其中該第二晶圓(30)係被動式基板晶圓或ASIC晶圓。
  8. 如前述申請專利範圍第1或2項之方法，其中該微機械壓力感測器(100)形成為壓阻式壓力感測器或形成為電容式壓力感測器。
  9. 一種微機械壓力感測器(100)，其包含：一MEMS晶圓(10)，其包含一矽基板(11)及在一感測器膜(12)下方形成於該矽基板(11)中之一第一空腔(13)；一第二晶圓(30)，其在該MEMS晶圓(10)之一下側處接合至該MEMS晶圓(10)；一感測器核心(12、13、13a)，其包含塊材矽(13a)及一感測器膜(12)，該感測器核心形成於一矽基板(11)中，其中一第一空腔(13)形成於該感測器膜(12)中；一第二空腔(18)，其形成在該矽基板(11)中且在該感測器核心(12、13、13a)上方；其中該第二空腔(18)是藉由一蝕刻製程的方法而製造，該蝕刻製程之蝕刻參數是以一經定義方式改變，該經定義方式是與用於在該 第二空腔(18)中形成進入孔(17)之蝕刻參數有關。
  10. 如申請專利範圍第9項之微機械壓力感測器(100)，其中為了形成該第二空腔(18)，該微機械壓力感測器(100)是藉由具有各向同性開始及經定義各向同性連續的深度反應性離子蝕刻製程所形成。
  11. 如申請專利範圍第10項之微機械壓力感測器(100)，其中該微機械壓力感測器(100)之該第二空腔(18)係壓阻式壓力感測器或電容式壓力感測器。
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