способ изготовления датчиков давления

Формула изобретения

1.Способ изготовления датчиков давления, включающий формирование локальным ионным легированием через окна в пленке диоксида кремния на пластине кремния тензочувствительных элементов с контактными площадками, травление под элементами профилей до образования воспринимающих давление мембран, соединение пластины кремния со стороны профилей с несущей пластиной, разделение полученной структуры на датчики, отличающийся тем, что после формирования тензочувствительных элементов со стороны, противоположной профилям, формируют на поверхности пластины второй слой диоксида кремния, одновременно с травлением профилей под тензочувствительными элементами проводят формирование травлением зон толщиной 0,05 0,3 толщины исходной пластины по периметру тензочувствительных элементов с выходом на края пластины, а формирование контактных площадок осуществляют после присоединения пластины к несущей пластине.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе соединения осуществляют прижим кремниевой пластины к несущей пластине через покрытую двуокисью кремния дополнительную кремниевую пластину, содержащую сквозные отверстия, соответствующие профилю тензочувствительных элементов, и совмещенную с первой кремниевой пластиной.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при изготовлении малогабаритных полупроводниковых датчиков давления.

Известен способ изготовления датчиков давления, включающий формирование на пластине кремния тензочувствительных схем, разделение пластины на отдельные элементы и соединение отдельного элемента с основанием (Ko W.H. Suminto I. T. and Leh G.I. "Bonding Techniques for Microsensors", Micromachining and Micropackaging of Transducers, Elsevier. Science Publichers B.V. Amsterdam, 1985, p. 41-61.

Недостатками данного способа являются низкая производительность, обусловленная единичной сборкой чувствительного элемента с основанием, и необходимость применения сложной оснастки для сборки, обеспечивающей центрирование деталей.

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности является способ изготовления датчиков давления, предусматривающий формирование в кремниевой пластине углублений в областях чувствительных элементов до образования воспринимающих давление мембран, соединение пластины со сформированными мембранами с несущей пластиной и разрезка полученной структуры на отдельные датчики (пат. США N 4384899, 09.11.81, H 01 L 21/02, НКИ 148/15).

Недостатком известного способа является низкий процент выхода годных, обусловленный локальными участками несоединившегося кремния с несущей, возникающими из-за наличия дефектов выступающего характера на пластине кремния и несущей пластине, скапливания в областях соединений газов, выделяющихся при температурной обработке в процессе соединения, и неплотным прижатием пластины кремния и несущей вследствие наличия реальной неплоскостности данных пластин. Реализация способа требует также приложения значительных усилий прижатия пластин, что усложняет технологическую оснастку и дополнительно снижает выход из-за возможных разрушений пластин.

В изобретении повышение выхода годных изделий достигается за счет формирования на пластине кремния вокруг отдельных датчиков зон с уменьшенной толщиной и локализации тем самым усилий прижатия в требуемых участках соединений пластин, снижения вероятности попадания выступающих дефектов в участки соединений, более полного прижатия соединяемых поверхностей с реально существующей неплоскостностью и отвода выделяющихся газов по данным зонам.

Согласно изобретению в способе изготовления датчика давления, включающим формирование локальным легированием через окна в пленке диоксида кремния тензочувствительных элементов с контактными площадками, травление под элементами профилей до образования воспринимающих давление мембран, соединения пластины кремния со стороны профилей с несущей пластиной и разделение полученной структуры на отдельные датчики, после формирования тензочувствительных элементов со стороны противоположной профилям формируют на поверхности пластины второй слой диоксида кремния, одновременно с травлением профилей под тензочувствительными элементами проводят формирование травлением зон с толщиной до 0,05.0,3 толщины исходной пластины по периметру тензочувствительных элементов с выходом на края пластины, а формирование контактных площадок осуществляют после присоединения пластины к несущей пластине. Дополнительно в процессе соединения прижим кремниевой пластины к несущей пластине осуществляют через покрытую диоксидом кремния дополнительную кремниевую пластину, содержащую сквозные отверстия, соответствующие профилю элементов и совмещенную с первой кремниевой пластиной.

На фиг. 1 изображен фрагмент пластины кремния (1) со сформированными травлением под тензочувствительными элементами профилями (2) и зон (3) с толщиной 0,05.0,3 исходной толщины пластины по периметру тензочувствительных элементов с выходом (4) данных зон на край пластины (5). На фиг. 2-6 изображены сечения данного фрагмента на отдельных стадиях способа.

На фиг. 2 изображена пластина кремния (1) толщиной h_исх. со сформированными локальным легированием тензочувствительными элементами (6) и созданной на поверхности пленкой SiO₂ (7).

На фиг. 3 изображена пластина кремния после травления с непланарной стороны профилей (2) до воспринимающих давление мембран (8) и одновременно зон (3), охватывающих периметр тензочувствительных элементов, соединенных между собой и выходящих на край пластины ( ). Оставшаяся толщина пластины в зонах (3) составляет 0,05.0,3 исходной толщины пластины. Толщина 0,05 h_исх. выбирается в обеспечение сохранения жесткости пластины. Так при толщине пластины 400 мкм и толщине зон не менее 20 мкм отдельные датчики будут выламываться из пластины в процессе технологических операций. Толщина 0,3 h_исх. определяется необходимостью получения гибкости участков зон, обеспечивающей в процессе соединения передачу давления на основания датчиков (9).

На фиг. 4 изображена структура, полученная после соединения пластины кремния с несущей пластиной (10).

На фиг. 5 изображена структура после вскрытия окон (11) под контакт с металлизацией и формирования металлизации (12). Линия разделения (13) структуры на отдельные датчики проходит по зонам с уменьшенной толщиной.

На фиг. 6 изображена структура в процессе соединения с дополнительным прижимом через кремниевую пластину (14), покрытую пленкой SiO₂ (15) и имеющую отверстия (16), соответствующие профилю элементов. Пластина наложена на первую кремниевую пластину таким образом, чтобы отверстия совмещались с профилем тензочувствительных элементов и давления при прижиме локализовались по их периметру.

Пример. На кремниевой пластине КЭФ4, 5(100) толщиной 400 мкм термическим окислением создают пленку SiO₂, фотолитографией формируют в пленке окна под тензорезисторы, ионным легированием внедряют в кремний бор и проводят термическую разгонку бора в окислительной среде до требуемого сопротивления тензорезисторов, создавая при этом пленку SiO₂ над тензорезисторами. На противоположной тензорезисторам стороне пластины в пленке SiO₂ формируют окна под профили и углубления в зонах по периметру элементов вытравливают в растворе КОН при 98^oС кремний в профиле толщины мембран 10 мкм и последовательно пленку SiO₂ в растворе HF и кремний в растворе КОН в зонах по периметру элементов до толщины 40 мкм. В качестве несущей пластины возможно использовать стеклянную или кремниевую пластину. Пластина из щелочносодержащего стекла соединяется с кремниевой пластиной электростатическим способом при подаче напряжения 1. 1,5 кВ при 400.500^oС. Несущая пластина из кремния с кремниевой пластиной со сформированными датчиками соединяются методом диффузионной сварки через напыленный слой алюминия толщиной 2 мкм при 600^oС или методом прямого сращивания кремния при 800.1000^oС. В процессе соединения в вакууме образуется герметичный спай оснований датчика с частью несущей пластины с формированием вакуумной полости для реализации измерений абсолютного давления. Фотолитографией вскрывают окна в диоксиде кремния, напыляют металлическую пленку, например алюминий и фотолитографией формируют контактные площадки. Разделяют структуру резкой алмазными дисками на отдельные датчики. Прижимную кремниевую пластину изготавливают методом сквозного анизотропного травления.

Дополнительными преимуществами предложенного способа являются

использование несущих пластин с менее жесткими требованиями по классу механической обработки по всей поверхности пластин за счет локализации областей соединения;

использование контактов, не выдерживающих температуры сборки с несущей пластиной, например контактов на основе олова под пайку внешних выводов, за счет формирования контактов на завершающем этапе;

исключение разрушения мембран датчиков за счет прижима при сборке через упорную пластину с отверстиями.