压力传感器装置和用于制造压力传感器装置的方法转让专利
申请号 : CN201780060256.3
文献号 : CN110073191B
文献日 : 2021-04-09
发明人 : 耶格·西格特 , 威廉·弗雷德里克·阿德里亚努斯·贝斯林 , 昆拉德·科内利斯·塔克 , 马丁·施雷姆斯 , 弗朗茨·施兰克
申请人 : 希奥检测有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种压力传感器装置(10),包括:-衬底主体(11),
-压力传感器(12),其包括膜(13),和-盖体(14),其包括至少一个开口(15),其中:-所述压力传感器(12)沿垂直方向(z)布置在所述衬底主体(11)和所述盖体(14)之间,所述垂直方向(z)垂直于所述衬底主体(11)的主延伸平面,并且-所述衬底主体(11)的质量至少为所述盖体(14)的质量的80%,至多为所述盖体(14)的质量的120%。
2.根据权利要求1所述的压力传感器装置(10),其中,所述衬底主体(11)的质量至少为所述盖体(14)的质量的95%,至多为所述盖体(14)的质量的105%。
3.根据权利要求1或2所述的压力传感器装置(10),其中,所述压力传感器(12)包括电容式压力传感器,所述电容式压力传感器包括位于所述膜(13)下方的腔(16)。
4.根据权利要求1或2所述的压力传感器装置(10),其中所述衬底主体(11)包括至少一个垂直的导电通孔(17),和/或其中,所述压力传感器装置(10)是能够表面安装的。
5.根据权利要求1或2所述的压力传感器装置(10),其中,所述压力传感器(12)定位在集成电路(21)之上。
6.根据权利要求1或2所述的压力传感器装置(10),其中,顶层(20)在所述压力传感器(12)的朝向所述盖体(14)的一侧覆盖所述压力传感器(12),并且所述顶层(20)和所述盖体(14)通过直接接合连接。
7.根据权利要求6所述的压力传感器装置(10),其中,所述顶层(20)包括至少一个导电壁(29),所述导电壁(29)
-布置在所述压力传感器(12)之上,-围绕所述开口(15),并且
-与所述压力传感器(12)和所述盖体(14)直接接触。
8.根据权利要求1或2所述的压力传感器装置(10),其中,所述盖体(14)中的开口(15)在垂直方向(z)上定位在所述压力传感器(12)的上方,并且在所述压力传感器(12)的整个横向延伸上延伸。
9.根据权利要求1或2所述的压力传感器装置(10),其中,所述盖体(14)中的开口(15)在垂直方向(z)上定位在所述压力传感器(12)的上方,并且所述开口(15)的横向延伸小于所述压力传感器(12)的横向延伸。
10.一种用于制造压力传感器装置(10)的方法,所述方法包括:-在衬底主体(11)上设置压力传感器(12),所述压力传感器(12)包括膜(13),-在所述压力传感器(12)和所述衬底主体(11)之上沉积顶层(20),-将盖体(14)与所述顶层(20)连接,所述衬底主体(11)的质量至少为所述盖体(14)的质量的80%,至多为所述盖体(14)的质量的120%,并且-在所述盖体(14)中形成至少一个开口(15)。
11.根据权利要求10所述的用于制造压力传感器装置(10)的方法,其中,所述衬底主体(11)的质量至少为所述盖体(14)的质量的95%,至多为所述盖体(14)的质量的105%。
12.根据权利要求10或11所述的用于制造压力传感器装置(10)的方法,其中,-在所述衬底主体(11)的背离所述盖体(14)的一侧,通过能够被移除的粘附材料(37)将处理晶片(36)连接到所述衬底主体(11),并且-移除所述处理晶片(36)和所述粘附材料(37)。
13.根据权利要求10或11所述的用于制造压力传感器装置(10)的方法,其中,-在所述衬底主体(11)的背离所述盖体(14)的一侧,通过能够被图案化的粘附材料(37)将处理晶片(36)连接到所述衬底主体(11),-移除所述处理晶片(36),并且
-不移除所述粘附材料(37)。
14.根据权利要求10或11所述的用于制造压力传感器装置(10)的方法,其中,在释放所述膜(13)之前,在所述衬底主体(11)中蚀刻垂直的导电通孔(17)。
15.根据权利要求10或11所述的用于制造压力传感器装置(10)的方法,其中,在释放所述膜(13)之后,在所述衬底主体(11)中蚀刻垂直的导电通孔(17)。
说明书 :
压力传感器装置和用于制造压力传感器装置的方法
而引起应力。而且,如果压力传感器的处理涉及加热和凝固步骤,则可能会在压力传感器上
施加附加应力。作为另一示例,如果压力传感器布置在装置中,则可能出现装置的机械力并
在压力传感器上引起应力。期望保持压力传感器的校准条件,这意味着应该避免附加应力,
以保证压力传感器的正确压力读数。
且装置的包装通常大于压力传感器的占位面积。
半导体装置和衬底。压力传感器装置还包括压力传感器,该压力传感器包括膜。压力传感器
布置在衬底主体之上,例如布置在互补金属氧化物半导体装置之上。压力传感器还能够包
括膜下方的腔。
材料。盖体和衬底主体能够包括具有相似热膨胀系数的材料。盖体能够是布置在压力传感
器之上的晶片、衬底或松散材料。这意味着盖体布置在压力传感器的背离衬底主体的一侧
上。盖体中的开口能够通过深反应离子蚀刻结合研磨形成。开口的直径或横向延伸能够达
到,例如约800μm。有利地,与盖体的横向延伸相比,开口的直径或横向延伸较小。
的质量。衬底主体的主延伸平面在衬底主体的横向方向上延伸。衬底主体的厚度在垂直方
向上给出,并且与衬底主体的横向延伸相比,衬底主体的厚度较小。这意味着,垂直方向对
应于压力传感器装置的堆叠方向。这意味着,压力传感器在堆叠方向上布置在衬底主体之
上,并且盖体在堆叠方向上布置在压力传感器之上。衬底主体的质量例如能够至少达到盖
体质量的80%,至多能够达到盖体质量的120%。优选地,衬底主体的质量能够至少达到盖
体质量的90%,至多能够达到盖体质量的110%。更优选地,衬底主体的质量能够至少达到
盖体质量的95%,至多能够达到盖体质量的105%。这意味着,衬底主体和盖体的质量在制
造公差内大致相等。
最小应力平面。有利地,压力传感器的膜位于压力传感器装置中的最小应力平面中。
盖体的质量大致相等,由于盖体中的开口,盖体需要比衬底主体更厚。盖体的开口能够具有
盖体横向延伸的大约三分之一的横向延伸。在这种情况下,盖体需要比衬底主体更厚,以将
压力传感器定位在压力传感器装置的最小应力平面中。盖体的开口的横向延伸也可以大于
压力传感器的膜的横向延伸。因此,盖体的厚度取决于盖体中的开口的横向延伸。
的应变。压力传感器还能够被保护以免受由压力传感器装置的其他部分或压力传感器装置
的周围环境引起的附加应力。如果通过将压力传感器设置在最小应力平面中来最小化压力
传感器上的附加应力,则压力传感器能够在与压力传感器校准期间相同的条件下运行,因
此保证了正确和更精确的压力读数。
感器。这意味着能够在衬底主体中蚀刻硅通孔,以从压力传感器的背离盖体的背面电接触
压力传感器。此外,可以在处理步骤之后释放压力传感器的膜,该处理步骤能够包括蚀刻硅
通孔,这避免了在处理步骤期间潜在的膜破裂。另外,采用盖体和衬底主体允许有效地包装
压力传感器,因为不需要柔性层或胶层来使膜脱离。因此,能够减小包装的厚度以及包装的
占位面积。例如,包装的厚度能够为300μm至600μm,并且包装的占位面积能够为1mm2至2mm2。
此外,能够降低包装的组装成本。
垂直于衬底主体的主延伸平面,并且衬底主体的质量大约等于盖体的质量。
力传感器装置的最小应力平面中。衬底主体的质量也可以至少达到盖体质量的80%,至多
达到盖体质量的120%。优选地,衬底主体的质量至少达到盖体质量的90%,至多达到盖体
质量的110%。
导电通孔来制成,所述导电通孔围绕应该是压力传感器的腔的区域布置。顶部电极能够沉
积在牺牲层和导电通孔之上,并且顶部电极能够被图案化以形成膜。通过膜中的蚀刻孔蚀
刻掉牺牲层,使得在膜的下方形成腔。膜能够通过氮化硅的等离子体增强化学气相沉积来
密封,氮化硅能够是富硅的、或氮化硅和氧化硅,使得在膜之上形成压缩膜。有利地,压缩膜
对于气体从周围进入腔具有低渗透性。
通孔从衬底主体的底侧延伸,该底侧在压力传感器的方向上背离压力传感器。导电通孔电
接触压力传感器或另一电接触部,例如,互补金属氧化物半导体装置的接触部。导电通孔能
够是硅通孔,其通过对衬底主体进行图案化而形成,例如通过蚀刻。在衬底主体中图案化的
沟槽能够涂覆有隔离材料并且能够涂覆有导电材料以接触压力传感器。
力传感器之上,因此可以使衬底主体变薄,使得能够形成导电通孔。这样,压力传感器装置
能够是可表面安装的。可表面安装意味着能够从衬底主体的底侧电接触压力传感器装置。
能够通过焊球在衬底主体的底侧电接触导电通孔。
小装置的总尺寸。
能够包括,例如接合氧化物,并且其能够是例如2μm至3μm厚。顶层能够包括二氧化硅和/或
氮化硅。直接接合的优点在于,能够在盖体和顶层之间形成非常刚性的连接,并且接合与能
够在压力传感器装置的加工过程中采用的高温相容。
于压力传感器的膜平面中的应力补偿是重要的。如果顶层和盖体之间的连接刚性不够大,
则应变不能传递到盖体上,并且最小应力平面的限定不太明确。因此,连接的刚性也能够影
响盖体和衬底主体的所需厚度。顶层和盖体也可以通过胶连接。
体中形成具有钨的导电通孔是可能的。
导电壁。导电壁布置成保护顶层免受腔的蚀刻,使得顶层布置在盖体和衬底主体之间不会
被蚀刻掉。这意味着导电壁围绕压力传感器的膜布置并围绕腔被蚀刻的区域布置。这样,避
免了在盖体下方的顶层被蚀刻掉。因此,能够在膜被释放之前形成导电壁。导电壁还能够用
于稳定压力传感器装置。
够测量压力传感器装置的周围环境的压力。因此,具有密封的膜需要与压力传感器装置周
围的空气或气体直接接触。
的延伸。开口能够成形为圆形。也可以在盖体中形成一个以上的开口。
较小,因此也有利地保持盖体的厚度较小,以减少压力传感器装置的总高度。开口也可以不
在垂直方向上定位在膜的上方,而是在垂直方向上位于膜的旁边。
制造压力传感器装置的方法也公开了同样的所有特征,反之亦然。
将盖体与顶层连接,盖体的质量大致等于衬底主体的质量,并在盖体中形成至少一个开口。
地,衬底主体的质量至少达到盖体质量的90%,至多达到盖体质量的110%。这意味着,衬底
主体和盖体的质量在制造公差内大致相等,使得压力传感器定位在最小应力平面中。
或氮化硅,其需要是形貌平坦的。盖体和顶层能够通过直接接合、通过胶合或通过共晶接合
连接。能够通过深反应离子蚀刻或通过研磨在盖体中形成开口。盖晶片还可以在与顶层,例
如与用于膜的凹部连接之前被图案化,使得盖体不与膜直接接触。
器装置的其他部分或压力传感器装置的周围环境引起的附加应力。如果通过将压力传感器
设置在最小应力平面中最小化了压力传感器上的附加应力,则压力传感器能够在与压力传
感器校准期间相同的条件下运行,因此保证了正确和更精确的压力读数。
的80%,至多达到盖体质量的120%。优选地,衬底主体的质量至少达到盖体质量的90%,至
多达到盖体质量的110%。这意味着盖体和衬底主体的质量大致相等,使得压力传感器位于
压力传感器装置的最小应力平面中。
片能够连接到衬底主体,以保护衬底主体中的导电通孔免受机械损坏或蚀刻步骤的损坏。
例如,在使盖体变薄或蚀刻开口的期间,衬底主体中的导电通孔能够被处理晶片保护。粘附
材料能够是高温兼容的并且能够被移除。这些特征对于压力传感器装置的处理是有利的,
因为在一些处理步骤中,可能需要高温。如果在处理过程中仅需要较低的温度,也可以使用
临时接合剂或胶带作为粘附剂,其仅与低温相容并且能够被移除。
剂材料。有利地,粘附剂材料与高温相容。如果不能移除粘附剂材料,则需要对其进行图案
化,使得能够从衬底主体的底侧电接触压力传感器以及,例如互补金属氧化物半导体装置。
力传感器装置中的其他装置。如果在释放膜之前在衬底主体中蚀刻垂直的导电通孔,在蚀
刻导电通孔和其他处理步骤期间,膜被牺牲层保护。因此,避免了处理过程中潜在的膜破
裂。
晶片与顶层接合。这样,由于不需要通过盖体的开口蚀刻腔,所以可以将盖体中的开口保持
较小。
的附图来进行描述。不一定在连续的图中重复对它们的描述。
过两个导电通孔17电接触。导电通孔17从衬底主体11的底侧18朝向压力传感器12延伸穿过
衬底主体11。隔离材料19使导电通孔17彼此电隔离,并且使导电通孔与衬底主体11电隔离。
顶层20定位在压力传感器12之上,该顶层20连接压力传感器12与盖体14。因此,压力传感器
12在垂直方向z上布置在衬底主体11和盖体14之间。盖体14和顶层20能够通过直接接合连
接。盖体14包括开口15,该开口15布置在压力传感器12上方。最小应力平面大致位于压力传
感器12的平面中并且有利地位于压力传感器12的膜13的平面中。为了将最小应力平面设置
在膜13的平面中,衬底主体11的质量大约等于盖体14的质量。在其他实施例中,例如,这意
味着衬底主体11的质量至少等于盖体14的质量的95%,至多等于盖体14的质量的105%。
电路板的不同热膨胀系数,装置主体44弯曲,使得顶部被压缩并且底部经受拉伸应力。拉伸
应力和压缩应力用箭头表示。穿过装置主体44的一个平面中的应力是最小的,该平面由虚
线表示。
最佳厚度x位于零应力处。针对盖体14中的开口15的两个不同直径绘制了应力变化。在实线
情况下,开口15的直径为500μm,在虚线情况下,开口15的直径为250μm。图3中的插图示出了
压力传感器装置10的示意图,其中在盖体14中具有开口15。
被释放。
括硅。在集成电路21之上布置压力传感器12。通过将压力传感器12布置在集成电路21之上
而不是布置在集成电路21的旁边,减小了装置的占位面积。在该示例性实施例中,压力传感
器12包括底部电极22,在底部电极22上布置有介电蚀刻停止层23。牺牲层24沉积在介电蚀
刻停止层23之上。为了形成压力传感器12的腔16,牺牲层24被图案化,使得在牺牲层24中形
成沟槽。沟槽填充有导电材料34,例如钨。为了形成膜13,在牺牲层24之上沉积导电层25。在
导电层25下方存在粘附层26,并且在导电层25之上存在另一粘附层27。导电层25和粘附层
26和粘附层27包括几个蚀刻开口28。压力传感器12的底部电极22通过导电壁29与集成电路
21电连接。集成电路21包括后接触部30。
壁29围绕膜13形成。另一导电壁29也通过导电层25连接,粘附层26和粘附层27围绕导电层
25布置。掩膜31位于顶层20之上,以在另一导电壁29上方图案化顶层20。
平面化,例如通过化学机械抛光进行平面化。为了在顶层20和盖体14之间实现刚性连接,顶
层20的表面必须是形貌平坦的。
膜31。
电壁29用作蚀刻停止部,使得不会蚀刻掉整个顶层20。
积,并且因此在冷却后密封层32是压缩的。这样,密封层32对于气体从周围进入腔16具有低
渗透性。
坦的,以实现与盖体14的刚性连接。
接,该高温能够是例如约450℃。如图4H所示,在膜13之上的密封层32不与盖体14直接接触。
因此,膜13仍然是释放的,并且盖体14没有施加附加应力到膜13上。在盖体14与压力传感器
12和衬底主体11连接的情况下,将压力传感器装置10上下颠倒,并且通过例如研磨将衬底
43减薄至所需的厚度。衬底43所需的厚度能够是100μm至200μm。
中,集成电路21底部的氧化物也被蚀刻掉,使得能够电接触集成电路21的后接触部30。在下
一步骤中,隔离层33沉积在衬底主体11的底侧18上并且在衬底43的沟槽中。
沉积在衬底主体11的底侧18上的沟槽中并围绕沟槽。导电材料34能够通过物理气相沉积或
通过化学气相沉积来沉积。例如,导电材料34能够包括钛、钽、氮化钽或铜。通过在衬底主体
11的底侧18上施加掩膜31,导电材料34被图案化并被蚀刻掉,使得衬底主体11的底侧18的
一部分不含导电材料34。
致相等,这意味着压力传感器12的膜13定位在压力传感器装置10的最小应力平面中。
于压力传感器12上的膜13旁边。这意味着,开口15在垂直方向z上延伸,但是它不位于膜13
的正上方。由于膜13已经被释放,所以不再需要蚀刻牺牲层24,因此,开口15能够很小,并且
开口15不必位于膜13的正上方。如果开口15很小,则压力传感器装置10中的应力补偿相比
较大开口15中的应力补偿更为明确。
底主体11的底侧18处形成底部接触部35,焊球38焊接在该底部接触部35处。因此,压力传感
器装置10是可表面安装的。作为最后一步骤,通过切割将压力传感器装置10单个分离。
13之上有另外的顶层20,膜13的横向范围必须足够大以能够用更厚和更硬的膜13进行压力
感测。
更大量的顶层20被蚀刻掉。这降低了盖体14和衬底主体11之间的连接的刚度,并且降低了
整个压力传感器装置10的稳定性。
或密封层32,以气密地密封膜13。
机械损坏。因此,有利地,仅在释放膜13之后才移除处理晶片36。在研磨或蚀刻盖体14的期
间也保护导电通孔17。如果压力传感器装置10在进一步处理期间被加热到高温,则粘附剂
37能够是高温相容材料,其在处理之后被移除。粘附剂37也可以是保持在衬底主体11上的
高温相容材料。然而,在这种情况下,粘附剂37需要被图案化,使得能够从衬底主体11的底
侧18电接触导电通孔17。如果在进一步处理过程中仅使用较低的温度,则粘附剂37能够是
接合剂或胶带,其仅与较低温度相容并且能够被移除。也可以采用永久接合剂。
下方,顶层20的一部分也被蚀刻掉。优选地,在盖体14下方,顶层20被蚀刻的横向距离小于
10μm。在蚀刻之后,压力传感器装置10在高温下退火,以移除所有残留物和水。
10的底部接触部35。
且在切割步骤之后不必清洁膜13。此外,由于盖体14的厚度,切割箔42不会粘附到膜13。因
此,能够在不损坏膜13的情况下移除切割箔42。
29通过粘附层26和粘附层27布置在导电层25之上。处理晶片36通过粘附剂37附接到衬底主
体11,并且处理晶片36能够在处理期间被移除。有利地,粘附剂37与高温相容。如果不能移
除粘附剂37,则需要对其进行图案化,使得能够从衬底主体11的底侧18电接触压力传感器
12和集成电路21。
体14中的较小开口15增加了压力传感器装置10的机械刚度。
整个膜13。
少的蚀刻开口28,以保证膜13的所有蚀刻开口28都被密封层32覆盖。
用掩膜31对胶层39进行图案化,使得膜13的区域不被胶层39覆盖。胶层39例如能够通过光
刻进行图案化。
13类似的横向延伸。图案化的盖体14位于胶层39之上,使得凹部在垂直方向z上位于膜13的
上方。例如在250℃的高温下,盖体14与胶层39连接。
蚀刻从后接触部30移除隔离层33,同时隔离层33的其余部分被抗蚀剂层40保护。接下来,移
除抗蚀剂层40。
积铜。接下来,沉积并图案化另一抗蚀剂层40。然后,通过电镀穿过抗蚀剂层沉积另一种能
够是铜的导电材料34。
14的质量。
传感器装置10施加到切割箔42,并且能够通过切割将其单个分离。