專利名稱：壓力傳感器膜片及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及壓力傳感器(pressure transducers)。
背景技術：
微機電壓力傳感器典型情況下包括由框架支撐的膜片(即隔 膜)。眾所周知，在制造膜片時會包括稱之為凸臺(boss)的較薄和較 厚區(qū)域。見此處以引用方式結合的美國專利No. 6,140,143。較厚的 凸臺區(qū)域集中了由膜片撓曲而形成的應力。凸臺在壓力傳感壓敏電 阻器或電容元件中可用于集中彎曲應力。通過制造緊鄰的結構，還 可以用凸臺來生成感應電容或靜電驅動間隙(electrostatic drive gap )。典型情況下，凸臺是實心結構，該結構通過將材料擴散到不同 深度的基底上，然后對基底進行蝕刻而成。見以上引用的專利No. 6,140,143?，F(xiàn)有技術的凸臺具有相當大的質量，對于低壓傳感器而言，所 述質量可產(chǎn)生定向敏感性。凸臺的厚度也被材料能夠注入基底的深 度所限制。通常，較深的注入深度會伴隨著增加的成本和增長的時 間。并且，由于擴散在基底上同時垂直和橫向地發(fā)生，因此會使得 到的凸臺結構寬度增加。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種制造壓力變送膜片的新方法。所述方法可以 形成質量較小的凸臺。所得到的凸臺優(yōu)選為中空的。所述方法形成 的凸臺剛性較大。所得到的凸臺可使用較低成本的處理技術制造。 所述凸臺與同等剛性的凸臺相比質量更輕。所提供的壓力傳感器g 敏感性(g-sensitivity)較小?？缮扇我鈱挾群蛣傂缘耐古_。提供了按期望改變凸臺結構的能力。本發(fā)明始于一種制造壓力傳感器膜片的更好的方法。所述方法 沒有與擴散以及批量蝕刻(包括在基底上蝕刻一條溝槽從而限定質 量更小但依然相對剛性的中空凸臺)相關的限制。但是，本發(fā)明在其它實施例中，不需達成所有的這些目的，而 由此產(chǎn)生的權利要求也不應被限于能夠達成這些目的的結構或方 法。本發(fā)明的特征是一種制造壓力傳感器膜片的方法。在第一基底 的第一表面中形成一條或多條溝槽(例如通過蝕刻)。所述溝槽然 后被變成具有抗蝕刻性。在第一基底的相反的第二表面中形成空腔 (例如通過蝕刻)，從而限定由框架支撐的膜片，所述膜片具有一 個或多個用來加強隔膜的中空凸臺。干式蝕刻和濕式蝕刻均可用于形成溝槽。在一個示例中，所述一條或多條溝槽有成角度傾斜的側壁。在另一個示例中，所述一條 或多條溝槽具有平的底部。通過給溝槽上涂料(doping)并對溝槽進行擴散處理(diffusing)，或 向溝槽添加抗蝕刻材料，而使得所述溝槽能夠變成具有抗蝕刻性。 并且，可以向溝槽添加材料。例如，在溝槽中可以生長多晶硅或外 延硅層。在一個示例中，第二基底被結合到第一基底的第一表面上。所 述第二基底可熔合結合到第 一基底的第 一表面上?？涨豢赏ㄟ^干式 或濕式蝕刻技術形成。在一個實施例中，壓力傳感器膜片是這樣制成的在第一基底 的第一表面上蝕刻一條或多條溝槽，然后將所述溝槽和第一表面變 成具有抗蝕刻性，并在第一基底的相反的第二表面中蝕刻出空腔， 從而限定了由框架支撐的膜片，所述膜片具有一個或多個用來加強 隔膜的中空凸臺。


通過下列對一個優(yōu)選實施例及其附圖的描述，本領域的技術人 員將想到其它目的、特征和優(yōu)勢，其中圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個壓力傳感器膜片示例的頂視示意圖；圖2是圖1所示壓力傳感器膜片的示意性三維立體圖；圖3是圖2所示壓力傳感器膜片一部分的示意性剖視圖，取了 圖2的一條長線3-3;圖4是一個示意性部分截面圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明的壓力傳感 器膜片的另 一個示例的 一部分；圖5是根據(jù)本發(fā)明的壓力傳感器膜片的又一示例的示意性橫截 面局部視圖；圖6A-6G是描述根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，與制作壓力傳感器 膜片相關的主要步驟的高度示意性截面圖。圖7A-7F是顯示根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，與制作壓力傳感器 膜片相關的另一個方法的主要步驟的高度示意性截面圖；且圖8是顯示根據(jù)本發(fā)明一個完整的MEMS壓力傳感器示例的示 意性三維剖視圖。
具體實施方式
除了以下公開的優(yōu)選實施例或實施例，本發(fā)明還包括其它以不 同方式實行或實施的實施例。因此，應該理解本發(fā)明不限于應用在 以下描述或附圖示意中所闡述的構造和布置細節(jié)。如果此處僅描述 了一個實施例，則由此而來的斥又利要求不限于該實施例。此外，除 非有清楚而令人信服的證據(jù)表明某種排除，限制或放棄，否則由此 而來的權利要求不應#皮以限制性的方式加以理解。圖1 -2描述了根據(jù)本發(fā)明的壓力傳感器膜片(又稱隔膜)10的 示例。膜片10由框架12支撐，并包括中空凸臺或臺地14?？赡苓€有跨過膜片10的另外的凸臺。典型情況下有多個凸臺，但為了顯示 清楚，附圖中僅顯示了一個凸臺。在一個特定的示例中，膜片10具 有2.4mm的邊長，厚5微米。圖3中凸臺14有成角度傾斜的側壁16a 和16b，壁厚為5微米。不過，凸臺14可以以不同的結構形成，如 圖4所示，其中凸臺14，較小，而在圖5中，凸臺14"有一個平坦表 面20和兩個成角度傾斜的側壁22a和22b。不管任何構造，.中空凸臺的質量都小于實心凸臺，但依然能夠 提供高剛性。結果是，在一個示例中，壓力傳感器的g敏感性較小。如圖6A-6G所示，圖6A中的基底50 (典型情況下是硅晶片)， 在圖6B中位置52被掩蔽(masked)，在圖6C中蝕刻出溝槽54。千式 蝕刻或濕式蝕刻均可以使用。溝槽54和基底50的表面63然后都被 變成具有抗蝕刻性，典型情況下，它們是通過圖6D中56所示的注 入的磷而變得具有抗蝕刻性的。由注入的磷形成的連接和電化學蝕 刻阻擋層一起就阻擋了對注入?yún)^(qū)域的蝕刻。參見通過引用而結合于 本發(fā)明中的美國專利No. 6,140,143。然后在圖6E中晶片被翻轉，并 如圖所示在位置58處被掩蔽。然后，晶片的這一表面被蝕刻，從而 形成空腔60，由框架12支撐的隔膜10，以及中空凸臺14。在另一個示例中，圖7A中的晶片70在位置72如圖所示被掩蔽， 在圖7B中使用干式或濕式蝕刻技術蝕刻出溝槽74。溝槽74有如圖 所示的成角度傾斜的側壁。然后通過給溝槽涂上涂料(例如用硼)， 或用n型擴散在溝槽上進行擴散處理，并使用以上所述的電化學蝕 刻阻擋層，或向溝槽添加抗蝕刻材料如抗蝕刻介質或金屬，來形成 抗蝕刻的側壁。如果要求增加所得到的凸臺的側壁厚度，則可在抗 蝕刻層上生成多晶硅或外延硅層。在圖7D中，晶片72(典型情況 下也是硅晶片)然后通過熔合結合或通過使用本領域已知的中間層， 結合到基底70上，其位置位于溝槽74之上。在圖7E中，此結構然 后被翻轉，并進行掩蔽76。通過濕式或干式蝕刻，可形成帶凸臺14 和框架12的隔膜10，以及空腔78。在一個示例中，膜片是圖8中MEMS壓力傳感器80的一個部 件。此處在膜片10 (n型)上還顯示了兩個凸臺14，該膜片還包括 擴散的壓敏電阻器82?？蚣?2是P型的，并位于具有孔86的硼硅 酸玻璃支座84上。但是，本發(fā)明的這種方法不限于任何特別的壓力 傳感器設計。本發(fā)明的中空凸臺技術允許在典型情況下用于壓力傳感器的隔 膜片上制造出中空殼型特征，從而在否則即為柔性的隔膜上形成具 有局部剛性的區(qū)域。中空凸臺的壁典型情況下和隔膜本身尺寸相同， 但是，中空波狀結構可以使這些壁的剛性大大增加。通過形成(例 如通過蝕刻)硅晶片的前面并在蝕刻溝槽的基礎上生成蝕刻阻擋層， 當所述晶片的后面被蝕刻并生成隔膜結構時，所述凸臺不會被蝕刻。 溝槽的蝕刻阻擋層可以是高摻雜的P +擴散層，低摻雜的n型擴散層 (用于電化學蝕刻阻擋層)，或諸如二氧化硅層的蝕刻阻擋層。在 一些示例中，如圖7D所示，在溝槽上再結合一層硅有助于進一步強 化該結構。此技術還具有可重新造出平坦晶片表面以用于更進一步 的晶片處理的優(yōu)勢。所述附加的硅層可通過中間層(如用于電化學 結合的玻璃)或硅熔合結合(也即硅直接結合)進行結合。濕法蝕 刻的優(yōu)勢在于可以在與晶片表面成約54.7°角的位置形成側壁。通 過這種方式，可生成最小寬度約為晶片厚度1.4倍的凸臺。由于典型 的傳感器晶片的厚度為380 ym,這樣就可以生成532|Lim寬的凸臺。 千式蝕刻的優(yōu)勢在于可進行垂直側壁蝕刻。還可能形成狹窄或任意 凸臺形狀。得到的凸臺可比實心凸臺淺，或質量更小，并且和實心 凸臺具有同樣的剛性。結果是，就實現(xiàn)了不會受到因凸臺質量而造成的方向性敏感性 影響的低壓傳感器。凸臺厚度不受與現(xiàn)有技術相關聯(lián)的約30 ym的 擴散深度的限制。本發(fā)明的中空凸臺所具有的剛性比用相同數(shù)量材 料制成的具有相同表面形狀和面積的實心凸臺要高得多。如果需要避免使用更昂貴的DRIE技術。在最終隔膜結構上形成空腔的背面蝕 刻可以是任何能夠形成框架結構并蝕刻成最終隔膜的技術，例如濕 式蝕刻，但是也可在帶有氧化物涂層的側壁上使用DRIE蝕刻。典型 情況下，與其他技術相'比，本發(fā)明的技術可以生成尺寸更小的剛性 凸臺結構，且成本更低，而得到更輕且g敏感性更小的凸臺結構。 在一個示例中，凸臺結構的壁厚為15ym，而底部為20pm寬到130 ium寬。雖然本發(fā)明的特定特征在一些附圖中有顯示而在其它附圖中沒 有顯示，但這只是為了方便，因為每個特征都可以和根據(jù)本發(fā)明的 任何一個或其它所有特征組合。此處所用的用詞"包括"，"組成"， "有"，以及"具有，，應寬泛而全面地解釋，而不限于任何物理的 相互聯(lián)系。此外，本發(fā)明所公開的任何實施例不應被當作唯一可能要求范圍內(nèi)。例如，本發(fā)明的所述方法可證明有助于制造用于壓力 傳感器之外其它裝置的膜片。此外，在本專利申請的訴訟過程中提出的對本專利的任何更改 并不是對所提交的本申請中存在的任何權利要求要件的棄權不能 預期本領域技術人員能夠寫出在字面上包括所有本發(fā)明的可能等同 特征的權利要求，許多等同特征在進行更改時可能無法預計，并超 出哪些應被放棄(如果有的話)的合理解釋，所述更改的合理的潛 在意義可和許多等同特征之間僅存在些微的關系，并且/或者有許多 其他原因而使得不能期望申請人對任何修改的權利要求要件的某些 非實質性替代物進行描述。
權利要求
1.一種制造壓力傳感器膜片的方法，所述方法包括在第一基底的第一表面中蝕刻出一條或多條溝槽；使所述溝槽變得具有抗蝕刻性；以及在所述第一基底的相反的第二表面中蝕刻出空腔，從而限定由框架支撐的膜片，所述膜片具有一個或多個用來加強所述隔膜的中空凸臺。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，對所述一條或多條溝槽進行的蝕刻包括干式蝕刻和濕式蝕刻。
3. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述一條或多條溝槽具有成角度傾斜的側壁。
4. 如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述一條或多條溝 槽具有平的底部。
5. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，使所述溝槽變得具 有抗蝕刻性的步驟包括，給所述溝槽上涂料并對所述溝槽進行擴散 處理，或向所述溝槽添加抗蝕刻材料。
6. 如權利要求1所述的方法，還包括向所述溝槽添加材料的步驟。
7. 如權利要求6所述的方法，其特征在于，在所述溝槽中生長 多晶硅或外延硅層。
8. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，第二基底結合在所 述笫一基底的第一表面上。
9. 如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二基底被熔 合結合到所述第一基底的第一表面上。
10. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，對所述空腔進行的 蝕刻包括干式蝕刻或濕式蝕刻。
11. 一種制造壓力傳感器膜片的方法，所述方法包括在第一基底的第一表面中蝕刻出一條或多條溝槽； 使所述溝槽和所述第一表面變得具有抗蝕刻性；以及 在所述第一基底的相反的第二表面中蝕刻出空腔，從而限定由框架支撐的膜片，所述膜片具有一個或多個用來加強所述隔膜的中空凸臺。
12. —種制造壓力傳感器膜片的方法，所述方法包括 在第 一基底的第 一表面中蝕刻 一條或多條溝槽； 使所述溝槽變得具有抗蝕刻性； 將第二基底結合到所述第一表面上，以及在所述第 一基底的相反的第二表面中蝕刻出空腔，從而限定由 框架支撐的膜片，所述膜片具有一個或多個用來加強所述隔膜的中 空凸臺。
13. —種制造膜片的方法，所述方法包括 在第一基底的第一表面中形成一條或多條溝槽； 使所述溝槽變得具有抗蝕刻性；以及在所述第一基底的相反的第二表面中形成空腔，從而限定由框 架支撐的膜片，所述膜片具有一個或多個用來加強所述隔膜的中空 凸臺。
全文摘要
一種制造壓力傳感器膜片的方法。在第一基底的第一表面蝕刻出一條或多條溝槽。所述溝槽被變成具有抗蝕刻性。然后在第一基底地相反的第二表面形成空腔，從而限定由框架支撐的膜片，所述膜片具有一個或多個用來加強隔膜的中空凸臺。
文檔編號B81C1/00GK101264859SQ20071030726
公開日2008年9月17日 申請日期2007年12月28日 優(yōu)先權日2006年12月29日
發(fā)明者P·K·金尼爾, R·W·克拉多克 申請人:通用電氣公司