具有帽蓋限定的隔膜的壓力傳感器的制造方法
【專利摘要】保護壓力傳感器上的隔膜的結構和方法。一個示例可以提供具有限定框架并且在裝置層中形成的隔膜下的背側腔的壓力傳感器。壓力傳感器還可以包括由接合層連結至裝置層的帽蓋。可以在帽蓋、接合層和隔膜或者其它裝置層部分中的一個或者多個中形成基準腔的凹槽。凹槽的寬度可以在至少一個方向上比背側腔的寬度窄。在其它示例中，凹槽的形狀可以設定為使得凹槽具有在背側腔的外邊緣內的外邊緣。這可以加強裝置層與框架的連結。凹槽可以限定與裝置層和背側腔的連結間隔開的有源隔膜。
【專利說明】具有帽蓋限定的隔膜的壓力傳感器
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請是要求2014年7月29日提交的編號為62/030604以及2014年12月10日提交 的62/090306的美國臨時專利申請的優先權的PCT申請，通過引用將其并入本申請。
【背景技術】
[0003] 由于壓力感測裝置找到了它們加入許多類型的產品中的方式，因此過去幾年壓力 感測裝置變得十分普遍。在汽車產品、工業產品、消費產品和醫療產品中利用，對壓力感測 裝置的需求激增并且沒有顯示消退的跡象。
[0004] 壓力感測裝置可以包括壓力傳感器以及其它部件。壓力傳感器可以典型地包括膜 片或者隔膜。典型地，通過在娃晶片中創建惠斯通電橋(Wheatstone bridge)，隨后從相對 表面將硅蝕刻掉直到在惠斯通電橋下面形成薄硅層以形成該隔膜。該薄層是可以由形成框 架的較厚的未蝕刻硅晶片部分圍繞的隔膜。當壓力感測裝置中的壓力傳感器經受壓力時， 隔膜可以通過改變形狀進行響應。該形狀變化使得隔膜上的電子部件的一個或者多個特征 改變。可以對這些變化特征進行測量，以及從這些測量結果可以確定壓力。
[0005] 通常，電子部件是配置為位于隔膜上的惠斯通電橋的電阻器。隨著隔膜在壓力下 變形，電阻器的電阻也改變。該變化引起惠斯通電橋的輸出。可以通過附接至電阻器的電線 或者引線測量該變化。
[0006] 常規壓力傳感器可以由附接至框架并且被框架圍繞的膜片或者隔膜形成。在一些 壓力傳感器中，傳感器可以測量兩個不同位置(諸如濾波器的兩側）之間的壓力差。這些可 以被稱為表壓傳感器。在其它類型的傳感器中，輸出可以與已知的一致的壓力(典型地可以 是真空）進行比較。這種類型的傳感器可以被稱為絕對壓力傳感器。在絕對壓力傳感器中， 隔膜的第一側可以暴露于要測量的介質，而第二側可以與基準腔接觸，該基準腔可以是真 腔。隔膜暴露于介質的第一側可以經受高壓。
[0007] 隔膜上的該高壓可以在框架-隔膜連結處產生高度集中的拉伸力。該應力可能在 隔膜的硅晶體結構中造成裂縫或者其它損壞。該損壞可能導致壓力傳感器的功能失效或者 壓力測量中的誤差。
[0008] 因此，所需要的是保護壓力傳感器上的隔膜免受由于高壓造成的損壞的結構和方 法。

【發明內容】

[0009] 相應地，本發明的實施例可以提供保護壓力傳感器上的隔膜免受由于高壓造成的 損壞的結構和方法。例示性示例可以提供具有第一晶片部分的壓力傳感器，該第一晶片部 分包括承載晶片或者層以及裝置晶片或者層，承載晶片或者層具有背側腔，背側腔在裝置 晶片或者層中限定隔膜。壓力傳感器還可以包括在隔膜上方的接合層和在接合層上方或者 附接至接合層的帽蓋。接合層可以是裝置晶片、帽蓋晶片或者以上兩者上形成的氧化物層。 在本發明的各種實施例中，可以在隔膜、接合層、帽蓋或者壓力傳感器的其它層或者一部分 中的一個或者多個中形成基準腔。無論基準腔位于哪個層或者哪些層，基準腔可以在至少 一個方向上具有比背側腔的寬度窄的橫向寬度或者平面寬度。在其它實施例中，基準腔的 形狀可以設定為使得基準腔的外邊緣在背側腔的外邊緣內。這可以在隔膜和框架的連結處 提供強化并且減小應力。此外，較窄的基準腔可以限定隔膜的有源部分以使得隔膜的有源 部分與裝置層和背側腔的連結處間隔開。（如此處使用的，隔膜可以由背側腔和框架限定， 而隔膜的一部分(有源隔膜)可以由基準腔限定。同樣如此處使用的，特別是在區別并不緊 要的情況下，更一般性的術語隔膜可以意指隔膜或者有源隔膜。）在本發明的各種實施例 中，裝置晶片或者層可以由硅晶片部分或者其它材料制成，接合層可以包括二氧化硅或者 玻璃或者其它材料，而帽蓋或者帽蓋層可以由硅晶片部分、二氧化硅或者玻璃或者其它玻 璃或者其它材料制成，所述其它玻璃包括具有低溫度系數或者溫度系數接近硅的溫度系數 的耐熱玻璃，諸如包括由Corning Incorporated許可的Pyrex?的硼娃酸鹽玻璃。
[0010]本發明的實施例可以提供簡化制造的傳感器。再次，可以通過首先在硅晶片中創 建惠斯通電橋以及隨后在惠斯通電橋下面將硅蝕刻掉以形成包括惠斯通電橋的薄的硅隔 膜來制造傳感器上的隔膜。影響裝置靈敏度的一個因素可以是惠斯通電橋的電阻器與有源 隔膜的邊緣的接近度。本發明的實施例可以提供壓力傳感器，所述壓力傳感器中隔膜的有 源部分的邊緣由基準腔的位置確定而不是由從硅的背面切割的背側腔的位置確定。由于基 準腔比從硅的背側切割的腔薄得多，因此可以在制造期間使惠斯通電橋與有源隔膜的邊緣 更容易對準。基準腔的相對薄度還可以有助于控制腔的大小。另外，基準腔和惠斯通電橋可 以在裝置的同一側，而不是相對側，這可以使它們更容易對準。此外，由于該第二配置可以 在接合期間需要兩個晶片的對準，因此通過將基準腔設置在裝置晶片或者裝置晶片上的接 合層中，與將基準腔蝕刻到帽蓋層或者晶片中相比接合期間的對準可能并不那么關鍵。 [0011]本發明的實施例還可以提供以至少兩種方式被保護而免受高壓力損壞的壓力傳 感器。在常規壓力傳感器中，隔膜的大小可以由蝕刻到晶片背側中的腔的大小確定。在本發 明的各種實施例中，可以除去對背側腔大小的該限制。顯著地，隔膜的有源部分的大小不再 由背側腔的大小確定，并且因此可以使得背側腔的大小比隔膜的有源部分的大小大得多。 當背側腔的大小增大時，可以減小背側腔的拐角處生成的拉伸應力。此外，生成最大應力的 有源隔膜的邊緣不再與背側腔的拐角接近。因此，不僅可以減小最高應力，而且最高應力的 位置可以轉移至有源隔膜的頂側拐角，以及該應力可以是壓縮的而不是拉伸的。硅可以在 斷裂之前承受比拉伸應力更高的壓縮應力，進一步地保護裝置免受損壞。
[0012] 本發明的實施例還可以通過限制隔膜可以撓曲的量限制由背側腔中的流體的高 壓引起的損壞。具體地，隔膜有源部分上方的基準腔可以具有使得其可以限制隔膜撓曲的 高度或者厚度。這可以防止隔膜撓曲超過由于高壓或者過度高壓而可能發生損壞的量。在 本發明的具體實施例中，隔膜在正常操作期間撓曲第一距離是期望的。還可以預料到如果 允許隔膜撓曲第二距離，則可能發生損壞，第二距離大于第一距離。在該示例中，基準腔可 以具有使得防止隔膜撓曲超過第三距離的厚度或者高度，第三距離大于第一距離以允許期 望操作，但小于第二距離以防止損壞。
[0013] 在本發明的各種實施例中，可以在本發明的實施例中包括或者省略各種層。例如， 可以在裝置的背部或者底部上放置可選的可共晶接合的金屬層或者其它材料層。該層可以 在裝置的背部或者底部上形成為薄金層以用于接合目的。該層可以便于接合到第二集成電 路裝置、裝置封裝、裝置外殼或者印刷電路板或者柔性電路板或者其它襯底。可以在裝置層 或者晶片的頂表面上放置或者形成可選的多晶硅層或者其它材料層。該可選層可以位于裝 置層的頂表面上以及接合層或者氧化物層下。即，可選層可以位于裝置層或者晶片與接合 層或者氧化物層之間。
[0014] 本發明的各種實施例可以并入本文描述的這些特性和其它特性中的一個或者多 個。通過參照下列詳細說明和附圖可以獲得對本發明的本質和優點的更好理解。
【附圖說明】
[0015] 圖1圖示了根據本發明實施例的壓力傳感器的側視圖；
[0016] 圖2圖示了根據本發明實施例的壓力傳感器的俯視圖；
[0017]圖3圖示了根據本發明實施例正在制造的壓力傳感器的一部分；
[0018] 圖4圖示了根據本發明實施例正在制造的壓力傳感器的一部分；
[0019] 圖5圖示了根據本發明實施例正在制造的壓力傳感器的一部分；
[0020] 圖6圖示了根據本發明實施例正在制造的壓力傳感器的一部分；
[0021] 圖7圖示了根據本發明實施例的壓力傳感器的一部分的側視圖；
[0022] 圖8圖示了根據本發明實施例的壓力傳感器的側視圖；
[0023]圖9圖示了根據本發明實施例正在制造的壓力傳感器的一部分；
[0024]圖10圖示了根據本發明實施例正在制造的壓力傳感器的一部分；
[0025] 圖11圖示了根據本發明實施例的壓力傳感器的一部分的側視圖；
[0026] 圖12圖示了根據本發明實施例的壓力傳感器的一部分的側視圖；
[0027] 圖13圖示了根據本發明實施例的另一個壓力傳感器的側視圖；
[0028]圖14圖示了根據本發明實施例的壓力傳感器的俯視圖；
[0029]圖15圖示了根據本發明實施例正在制造的壓力傳感器的一部分；
[0030]圖16圖示了根據本發明實施例的另一個壓力傳感器的側視圖；
[0031]圖17圖示了根據本發明實施例的壓力傳感器的俯視圖；
[0032]圖18圖示了根據本發明實施例正在制造的壓力傳感器的一部分；
[0033]圖19圖示了根據本發明實施例正在制造的壓力傳感器的一部分；
[0034]圖20圖示了根據本發明實施例正在制造的壓力傳感器的一部分；以及 [0035]圖21圖示了根據本發明實施例的另一個壓力傳感器的側視圖。
【具體實施方式】
[0036]圖1圖示了根據本發明實施例的壓力傳感器的側視圖。如同其它所包括的圖一樣， 該圖出于例示性目的示出并且不限制本發明可能的實施例或者權利要求。
[0037]此壓力傳感器可以包括附接至壓力傳感器的第一晶片部分的頂部的帽蓋160,其 中第一晶片部分還包括裝置晶片或者層130以及承載晶片或者層110。裝置晶片或者層130 可以由承載晶片或者層110支撐。承載晶片或者層110可以包括限定側壁邊緣112的背側腔 114。背側腔114可以從承載晶片或者層110的底表面延伸到氧化物層120的底部122。裝置層 130可以具有在裝置層130的頂表面中形成的一個或者多個電子部件132。電子部件132可以 由氧化物層140保護。
[0038] 盡管帽蓋160可以包括底表面上的氧化物層150,但是在本發明的各種實施例中可 以省略氧化物層150。可以通過將氧化物層150熔融接合至氧化物層140以將帽蓋160附接至 裝置層130。在省略了一個或者多個氧化物層140或者150的實施例中，可以通過將帽蓋160 熔融接合至氧化物層140、將氧化物層150熔融接合至裝置層130或者將帽蓋層160直接地熔 融接合至裝置層130以將帽蓋160附接至裝置層130。可以在熔融接合之前對氧化物層150進 行蝕刻以形成凹槽，該凹槽可以形成基準腔152。可以由外邊緣154限定基準腔152。盡管在 氧化物層150中形成基準腔152，但是，在本發明的此實施例和其它實施例中，可以在氧化物 層150和帽蓋層160中、在氧化物層150和氧化物層140中、在裝置層130中或者在它們的任何 組合中形成基準腔152。
[0039] 基準腔152可以在至少一個方向上具有比背側腔114的寬度窄的寬度。具體地，從 壓力傳感器的中心線到基準腔152的邊緣154的距離192可以比從中心線到背側腔114的邊 緣112的距離194短。以這種方式，由邊緣154限定的隔膜的有源部分可以比由邊緣112限定 的隔膜窄。在本發明的各種實施例中，基準腔152的外邊緣可以在背側腔114的邊緣內部，其 中在此實施例和其它實施例中認為所述邊緣是垂直的。
[0040] 在常規壓力傳感器中，可以不存在帽蓋160。在這種情況下，當由背側腔形成的隔 膜或者膜片撓曲時，膜片與框架之間的連結點可能經受大的拉伸力。在該圖中，如果不存在 帽蓋160,則該力將集中在位置124處。該力的集中可以在位置124處或者附近引起裂縫或者 其它損壞。
[0041] 相應地，本發明的實施例可以提供帽蓋或者其它加強結構(諸如帽蓋160)，其中基 準腔(諸如基準腔152)可以比背側腔(諸如背側腔114)窄。在該情況下，位置124可以由帽蓋 160加強。此外，最高應力的位置可以從位置124移動到位置159。當對隔膜122的下側施加壓 力時，位置159處的應力是壓縮的而不是拉伸的。此外，即使在位置124處或者附近出現一個 或者多個裂縫或者其它損壞時，裂縫也遠離由基準腔152限定的有源膜片區域。
[0042]此外，在常規壓力傳感器中，隔膜或者膜片可以撓曲可能對壓力傳感器造成損壞 的量。這可能由于背側腔中未預見的高壓流體的存在或者其它原因而發生。
[0043] 相應地，本發明的實施例可以提供具有限制有源隔膜的最大撓度的高度或者厚度 的基準腔。在本發明的各種實施例中，該高度或者厚度可以使得有源隔膜能夠撓曲得足以 期望地操作，但不足以對壓力傳感器造成損壞。具體地，邊緣154可以具有允許有源隔膜撓 曲得足以適當地操作壓力傳感器但不足以對隔膜造成損壞或者破裂的高度。替代地，有源 隔膜撓曲以使得其到達基準腔152的頂部并且即使壓力繼續增大也不能進一步撓曲，從而 防止造成損壞。即，基準腔152的頂部可以充當撓曲止擋件，用以防止對壓力傳感器的損壞。 在本發明的各種實施例中，基準腔152的頂側、帽蓋160的下側可以包括一個或者多個凸臺 或者可以確定基準腔152的高度和有源隔膜的最大撓度的其它結構。
[0044] 在本發明的各種實施例中，壓力傳感器中使用的結構可以具有各種大小和寬度。 例如，盡管承載晶片或者一部分可以具有250微米到600微米的厚度，但是它可以比250微米 薄或者比600微米厚。由于裝置晶片或者層130形成隔膜，因此裝置晶片或者層130可以薄得 多。該厚度可以是15-25微米，但該厚度可以比15微米薄或者比25微米厚。帽蓋晶片或者層 160和其它帽蓋晶片或者層可以具有至少大約150微米的厚度，但是它可以比150微米窄或 者厚。掩埋氧化物層或者接合氧化物層120、140和150可以具有在0.1微米與3微米之間的厚 度，但是它們可以比該范圍薄或者厚。如同本發明的其它實施例中的其它基準腔一樣，基準 腔136可以具有lOOnm到500nm的厚度或者高度，但是在其它實施例中，基準腔136的厚度或 者高度可以從50nm到lOOOnm。本發明的具體實施例可以具有高度為4000A的基準腔。
[0045] 在本發明的此實施例和其它實施例中，可以在承載晶片110的背部或者底部上放 置可共晶接合的金屬或者其它材料的可選層117。該層可以在裝置的背部或者底部上形成 為薄金層以用于接合目的。層117可以便于接合到第二集成電路裝置、裝置封裝、裝置外殼 或者印刷電路板或者柔性電路板或者其它襯底。為了清楚起見已經從其它附圖省略了可選 層 117。
[0046] 在本發明的此實施例和其它實施例中，可以在裝置層或者晶片110的頂表面上放 置或者形成多晶硅或者其它材料的可選層137。可選層137可以位于裝置層130的頂表面上 以及接合層或者氧化物層140下。即，可選層137可以位于裝置層或者晶片130與接合層或者 氧化物層140之間。多晶硅層137可以提供場屏蔽以使裝置層130的頂表面上的電阻器或者 其它部件132的電性能穩定。為了清楚起見已經從其它圖省略了可選層137。
[0047] 再次，基準腔152可以在至少一個方向上具有比背側腔114的寬度窄的寬度。在此 實施例和其它實施例中，基準腔152可以被設定大小并且對準以使得基準腔152在背側腔 114的外邊界內適配。如常規的那樣，結果可以是裝置隔膜在大小上由帽蓋160中的凹槽152 限定而不是由背側腔114限定。在下列圖中示出了示例。
[0048] 圖2圖示了根據本發明實施例的壓力傳感器的俯視圖。再次，可以將帽蓋160放置 在包括承載晶片或者層110以及裝置晶片或者層130的第一晶片部分上。在該示例中，凹槽 152可以具有布置為在背側腔114的邊緣112內適配的邊緣154。在該示例中，凹槽152可以限 定壓力傳感器的有源隔膜的區域。在本發明的各種實施例中，有源隔膜可以具有各種大小。 例如，有源隔膜在大小上可以為240微米乘240微米。有源隔膜的厚度可以是20微米的數量 級。這種隔膜或者膜片可以支撐并且能夠測量高達20巴(bar)、120巴或者更高的壓力。
[0049] 可以省略這里示出的各種層，并且可以包括與本發明實施例一致的其它層。在下 列圖中示出了制造本發明實施例的方法的具體示例。
[0050] 圖3圖示了根據本發明實施例的第一晶片部分。該晶片部分可以包括由氧化物層 120連結并且隨后減薄的裝置晶片或者層130和承載晶片或者層110。在本發明的各種實施 例中，可以在市場上獲得這種結構。在本發明的其它實施例中，可以在第一晶片110上生長 氧化物層120。第二晶片或者裝置晶片130可以熔融接合到氧化物層120的頂側。裝置晶片 130還可以包括氧化物層(未示出），或者可以在裝置晶片130的底側上生長氧化物層120。在 本發明的其它實施例中，裝置層130可以作為外延層在氧化物層120上生長。
[0051 ] 在圖4中，可以形成背側腔114。可以通過蝕刻（例如通過使用深反應離子蝕刻 (DRIE))、顯微機械加工或者其它技術形成背側腔114。背側腔114可以從承載晶片或者層 110的底部延伸到掩埋氧化物層120的底部122。可以在裝置晶片130的頂表面上放置一個或 者多個電子部件132或者可以在裝置晶片130的頂表面中或者頂表面上形成一個或者多個 電子部件132。例如，可以在裝置晶片或者層130的頂表面中注入或者擴散壓電電阻器。可以 在裝置晶片或者層130的頂表面上形成互連跡線。可以在裝置層130上方生長氧化物層或者 接合層140。該氧化物層140可以有助于保護部件132。
[0052]在圖5中，可以提供帽蓋160。可以在帽蓋160的底側上生長氧化物層150。
[0053] 在圖6中，可以在帽蓋160的底側上的氧化物層150中蝕刻開口 152。可以將產生的 帽蓋附接至圖4中的結構以產生圖1所示的壓力傳感器。
[0054] 圖7圖示了根據本發明實施例的壓力傳感器的一部分的側視圖。再次，承載晶片 110可以支撐裝置層晶片130。掩埋氧化物層120可以位于承載晶片部分110與裝置晶片部分 130之間。背側腔114可以從承載晶片110的底側延伸到氧化物層120的底側122。可以在裝置 晶片130的頂部上生長氧化物層140,以及可以在帽蓋晶片或者層160的底側上生長氧化物 層150,但是在本發明的各種實施例中，可以省略一個或者多個氧化物層140或者150。可以 使氧化物層140和150熔融接合以將帽蓋160連結到裝置晶片層130。帽蓋160可以包括由側 壁或者邊緣154限定的凹槽152。邊緣154可以是平的或者具有其它形狀。
[0055] 再次，本發明的其它實施例可以提供具有在至少一個方向上比背側腔114窄的凹 槽的壓力傳感器。在下列圖中示出了示例。
[0056]圖8圖示了根據本發明實施例的壓力傳感器的側視圖。在該示例中，帽蓋810可以 附接至裝置晶片層130的頂側。帽蓋810可以包括限定邊緣814的凹槽812。凹槽812可以在第 一方向上具有比相同方向上的背側腔114的寬度窄的寬度。即，從壓力傳感器的中心線到凹 槽812的外邊緣814的距離892可以比從中心線到背側腔114的邊緣112的距離短。再次，從垂 直角度來看，在本發明的此實施例和其它實施例中，邊緣814可以被布置為使得它們在背側 腔114的邊緣112內適配。此外，盡管在該示例中，可以在帽蓋810中形成凹槽812,但是在本 發明其它實施例中，可以在帽蓋810、氧化物層140、裝置層130或它們的任何組合中形成凹 槽 812。
[0057]如前所述，可以利用各種技術來制造這些壓力傳感器。可以利用與圖3至圖6中所 示的步驟類似的步驟以形成承載晶片或者層110、氧化物層120、裝置層或者晶片130和氧化 物層140。在下列圖中示出了可以如何形成帽蓋810的示例。
[0058] 在圖9中，在帽蓋810的底側上沉積氮化硅層910。可以在氮化硅層910中形成開口 912。隨后可以生長氧化物層。該氧化物層可以在氮化硅910上有限地生長，但是可能消耗不 受保護以及被開口 912暴露的硅。可以在圖10中去除該氧化物以形成凹槽812。還可以去除 氮化硅層910,并且在那里產生的帽蓋810可以熔融接合至裝置晶片層130的頂部上的氧化 物層140以形成圖8所示壓力傳感器。在本發明的其它實施例中，可以省略氧化物層140,以 及帽蓋810可以接合至裝置層130。
[0059] 圖11圖示了根據本發明實施例的壓力傳感器的一部分的側視圖。如前所述，承載 晶片或者層110可以用于支撐裝置晶片或者層130。承載晶片110可以具有從承載晶片或者 層110的底部延伸到氧化物層120的底側的背側腔114。可以在裝置晶片130的頂部上生長氧 化物層140。帽蓋810可以熔融接合至氧化物層140。具體地，帽蓋810的底側上的硅可以熔融 接合至可以已經在裝置晶片或者層130上生長的氧化物層140。再次，凹槽812可以由邊緣 814限定。邊緣814可以是平的（如圖所示)或者具有其它形狀。
[0060] 再次，腔812的邊緣814可以具有其它形狀。在下列圖中示出了示例。
[00611圖12圖示了腔812的邊緣814可以彎曲的示例。該彎曲可以由在帽蓋810的底側上 生長氧化物層時帽蓋810中的單向硅消耗引起。
[0062]圖13圖示了根據本發明實施例的另一個壓力傳感器的側視圖。如前所述，該壓力 傳感器可以包括附接至第一晶片部分的頂部的帽蓋160,該第一晶片部分包括裝置晶片或 者層130和承載晶片或者層110。裝置晶片或者層130可以由承載晶片或者層110支撐。承載 晶片或者層110可以包括限定側壁邊緣112的背側腔114。背側腔114可以從承載晶片或者層 110的底表面延伸到氧化物層120的底部122。裝置層130可以具有在其頂表面中形成的一個 或者多個電子部件132。電子部件132可以由氧化物層140保護。
[0063] 盡管帽蓋160可以包括底表面上的氧化物層150,但是在本發明的此實施例和其它 實施例中，可以省略氧化物層150。可以通過將氧化物層150熔融接合至氧化物層140以將帽 蓋160附接至裝置層130。在不使用氧化物層150的情況下，帽蓋160可以直接地熔融接合至 氧化物層140。可以在熔融接合之前對氧化物層140進行蝕刻以形成凹槽，該凹槽是基準腔 142。對氧化物層140或者其它氧化物層進行蝕刻提供的優勢在于氧化物刻蝕在傳統上是控 制得很好的工藝步驟。此外，基準腔的厚度可以由熱氧化物層140的厚度精確地控制，這也 是控制得很好的工藝。可以由外邊緣144限定基準腔142。盡管在該示例中，基準腔被示出為 延伸穿過氧化物層140,但是在本發明的各種實施例中，基準腔142可以僅部分延伸穿過氧 化物層140。與在帽蓋160中形成基準腔(如圖1所示)相比，在氧化物層140中形成基準腔可 以簡化帽蓋160與隔膜的對準。這可能至少部分地由于以下事實：帽蓋160僅用于覆蓋基準 腔并且其本身不限定基準腔或者有源隔膜。此外，盡管可以在氧化物層140中形成基準腔 142,但是在本發明其它實施例中，可以在氧化物層140、氧化物層150、氧化物層140、帽蓋 160或者它們的任何組合中形成基準腔142。
[0064] 基準腔142可以在至少一個方向上具有比背側腔114的寬度窄的寬度。具體地，從 壓力傳感器的中心線到基準腔142的邊緣144的距離192可以比從中心線到背側腔114的邊 緣112的距離194短。以這種方式，由邊緣144限定的隔膜的有源部分可以比由邊緣112限定 的有源隔膜窄。
[0065] 在常規壓力傳感器中，可以不存在帽蓋160,或者帽蓋160可以具有形成比對應的 背側腔寬的開口的凹槽。在這種情況下，當由背側腔形成的隔膜或者膜片撓曲時，膜片與框 架之間的連結點可以經受大的拉伸力。在該圖中，如果不存在帽蓋160,則該力將集中在位 置124處。該力的集中可能在位置124處或者附近引起裂縫或者其它損壞。
[0066] 相應地，如上所述，本發明的實施例可以提供帽蓋或者其它加強結構（諸如帽蓋 160)，其中基準腔(諸如基準腔142)可以比背側腔(諸如，背側腔114)窄。在該情況下，位置 124可以由帽蓋160加強。此外，最高應力位置可以從位置124移動到位置149。當對隔膜122 的下側施加壓力時，位置149處的應力是壓縮的而不是拉伸的。此外，即使在位置124處或者 附近出現一個或者多個裂縫或者其它損壞時，裂縫也遠離由基準腔142限定的膜片區域。 [0067]此外，在常規壓力傳感器中，隔膜或者膜片可以撓曲可能對壓力傳感器造成損壞 的量。這可能由于背側腔中存在未預見的來自流體的高壓或者其它原因而發生。
[0068]相應地，本發明的實施例可以提供具有限制隔膜的最大撓度的高度或者厚度的基 準腔。在本發明的各種實施例中，該高度或者厚度可以使得隔膜能夠撓曲得足以期望地操 作，但不足以對壓力傳感器造成損壞。具體地，邊緣144可以具有允許隔膜撓曲得足以適當 地操作壓力傳感器但不足以對隔膜造成損壞或者破裂的高度。替代地，隔膜撓曲以使得其 到達基準腔142的頂部并且在造成損壞之前不能進一步撓曲。即，基準腔142的頂部可以充 當撓曲止擋件，用以防止對壓力傳感器的損壞。在本發明的此實施例和其它實施例中，一個 或者多個表面(諸如，基準腔142的頂表面)可以包括一個或者多個凸臺或者可以充當止擋 件或者對有源隔膜可以撓曲的量進行限制的其它結構。
[0069] 再次，在本發明的各種實施例中，壓力傳感器中使用的結構可以具有各種大小和 寬度。例如，承載晶片或者部分可以具有250微米到600微米的厚度，但是它可以比250微米 薄或者比600微米厚。由于裝置晶片或者層130形成隔膜，因此裝置晶片或者層130可以薄得 多。該厚度可以是15-25微米，但是該厚度可以比15微米薄或者比25微米厚。帽蓋晶片或者 層160和其它帽蓋晶片或者層可以具有至少大約150微米的厚度，但是它可以比150微米窄 或者厚。掩埋氧化物層或者接合氧化物層120、140和150可以具有在0.1微米與3微米之間的 厚度，但是它們可以比該范圍薄或者厚。盡管如同本發明的其它實施例中的其它基準腔一 樣，基準腔142可以具有100nm到500nm的厚度或者高度，但是在其它實施例中，基準腔142的 厚度或者高度可以從50nm到lOOOnm。本發明的具體實施例可以具有高度為4000A的基準腔。
[0070] 再次，基準腔142可以在至少一個方向上具有比背側腔114的寬度窄的寬度。在此 實施例和其它實施例中，基準腔142可以被設定大小并且對準以使得基準腔142在背側腔 114內適配。如常規的那樣，結果可以是裝置隔膜在大小上由氧化物層140中的凹槽142限定 而不是由背側腔114限定。在下列圖中示出了示例。
[0071] 圖14圖示了根據本發明實施例的壓力傳感器的俯視圖。再次，可以將帽蓋160放置 在包括承載晶片或者層110和裝置層或者晶片130的第一晶片部分上。在該示例中，基準腔 142可以具有布置為在背側腔114的邊緣112內適配的邊緣144。在該示例中，基準腔142可以 限定壓力傳感器的有源隔膜的區域。在本發明的各種實施例中，有源隔膜可以具有各種大 小。例如，有源隔膜在大小上可以為240微米乘240微米。隔膜的厚度可以是20微米的數量 級。這種隔膜或者膜片可以支撐并且能夠測量高達20巴、120巴或者更高的壓力。
[0072] 可以省略這里示出的各種層，并且可以包括與本發明實施例一致的其它層。在下 列圖中示出了制造本發明實施例的方法的具體示例。
[0073] 圖15圖示了正在制造的壓力傳感器的一部分。可以以與圖4所示部分相同或者相 似的方式形成該部分。另外，可以在將形成基準腔142的層140中形成凹槽。再次，盡管基準 腔142被示出為延伸穿過氧化物層140,但是在本發明的其它實施例中，基準腔142可以僅部 分地延伸穿過氧化物層140。可以在基準腔142上放置帽蓋160(有或者沒有氧化物層150)以 形成圖13的壓力傳感器。
[0074]圖16圖示了根據本發明實施例的另一個壓力傳感器的側視圖。如前所述，該壓力 傳感器可以包括附接至第一晶片部分的頂部的帽蓋160,該第一晶片部分包括裝置晶片或 者層130和承載晶片或者層110。裝置晶片或者層130可以由承載晶片或者層110支撐。承載 晶片或者層110可以包括限定側壁邊緣112的背側腔114。背側腔114可以從承載晶片或者層 110的底表面延伸到氧化物層120的底部122。裝置層130可以具有在其頂表面中形成的一個 或者多個電子部件132。電子部件132可以由氧化物層140保護。
[0075]帽蓋160可以包括底表面上的氧化物層150,但是在本發明的此實施例和其它實施 例中，可以省略氧化物層150。可以通過將氧化物層150熔融接合至氧化物層140以將帽蓋 160附接至裝置層130。在不使用氧化物層150的情況下，帽蓋160可以直接地熔融接合至氧 化物層140,或者帽蓋160可以直接地接合至裝置層130。可以在熔融接合之前對氧化物層 140進行蝕刻以形成凹槽的頂部部分，該凹槽是基準腔142。還可以對裝置層130進行蝕刻以 形成基準腔134的底部部分。可以由外邊緣144和136限定基準腔134。與在帽蓋160中形成基 準腔(如圖1所示)相比，在氧化物層140和裝置層130中形成基準腔可以簡化帽蓋160與隔膜 的對準。這可以至少部分地由于以下事實：帽蓋160僅用于覆蓋基準腔并且其本身不限定基 準腔。此外，盡管在氧化物層140和裝置層130中形成基準腔134,但是在本發明的其它實施 例中，可以省略氧化物層140以及可以在裝置層130中形成基準腔134。
[0076]基準腔136可以在至少一個方向上具有比背側腔114的寬度窄的寬度。具體地，從 壓力傳感器的中心線到基準腔134的邊緣144和136的距離192可以比從中心線到背側腔114 的邊緣112的距離194短。以這種方式，由邊緣144和136限定的隔膜的有源部分可以比由邊 緣112限定的隔膜窄。
[0077]此外，在常規壓力傳感器中，隔膜或者膜片可以撓曲可能對壓力傳感器造成損壞 的量。這可能由于背側腔中存在未預見的來自流體的高壓或者其它原因而發生。
[0078] 相應地，本發明的實施例可以提供具有限制隔膜的最大撓度的高度或者厚度的基 準腔。在本發明的各種實施例中，該高度或者厚度可以使得隔膜能夠撓曲得足以期望地操 作，但不足以對壓力傳感器造成損壞。具體地，邊緣136和144可以具有允許隔膜撓曲得足以 適當地操作壓力傳感器但不足以對隔膜造成損壞或者破裂的高度。替代地，隔膜撓曲以使 得其到達基準腔142、134的頂部并且在造成損壞之前不能進一步撓曲。即，基準腔134的頂 部可以充當撓曲止擋件，用以防止對壓力傳感器的損壞。在本發明的此實施例和其它實施 例中，一個或者多個表面(諸如，基準腔134的頂表面)可以包括一個或者多個凸臺或者可以 充當止擋件或者對有源隔膜可以撓曲的量進行限制的其它結構。
[0079] 再次，在本發明的各種實施例中，壓力傳感器中使用的結構可以具有各種大小和 寬度。例如，承載晶片或者部分可以具有250微米到600微米的厚度，但是承載晶片或者部分 可以比250微米薄或者比600微米厚。由于裝置晶片或者層130形成隔膜，因此裝置晶片或者 層130可以薄得多。該厚度可以是15-25微米，但是該厚度可以比15微米薄或者比25微米厚。 帽蓋晶片或者層160和其它帽蓋晶片或者層可以具有至少大約150微米的厚度，但是它可以 比150微米窄或者厚。掩埋氧化物層或者接合氧化物層120、140和150可以具有在0.1微米與 3微米之間的厚度，但是它們可以比該范圍薄或者厚。盡管如同本發明的其它實施例中的其 它基準腔一樣，基準腔134可以具有100nm到500nm的厚度或者高度，但是在其它實施例中， 基準腔134的厚度或者高度可以從50nm到lOOOnm。本發明的具體實施例可以具有高度為 4000A的基準腔。
[0080] 再次，基準腔134可以在至少一個方向上具有比背側腔114的寬度窄的寬度。在此 實施例和其它實施例中，基準腔134可以被設定大小并且對準以使得基準腔134在背側腔 114內適配。如常規的那樣，結果可以是裝置有源隔膜在大小上由氧化物層140和裝置層130 中的基準腔限定而不是由背側腔114限定。在下列圖中示出了示例。
[0081] 圖17圖示了根據本發明實施例的壓力傳感器的俯視圖。再次，可以將帽蓋160放置 在包括承載晶片或者層110和裝置層130的第一晶片部分上。在該示例中，基準腔142可以具 有布置為在背側腔114的邊緣112內適配的邊緣144。在該示例中，基準腔142可以限定壓力 傳感器的有源隔膜的區域。在本發明的各種實施例中，有源隔膜可以具有各種大小。例如， 有源隔膜在大小上可以為240微米乘240微米。隔膜的厚度可以是20微米的數量級。這種隔 膜或者膜片可以支撐并且能夠測量高達20巴、120巴或者更高的壓力。
[0082] 可以省略這里示出的各種層，并且可以包括與本發明實施例一致的其它層。在下 列圖中示出了制造本發明實施例的方法的具體示例。
[0083] 可以以與圖3的壓力傳感器部分相同或者相似的方式形成圖18中的壓力傳感器部 分。另外，可以在裝置層130的頂部中蝕刻凹槽以形成基準腔134的下部分。在圖19中，可以 在裝置層130上方形成氧化物層140。可以將該氧化物層保持在適當位置以保護裝置132,或 者如圖20所示，可以對氧化物層140進行蝕刻以形成由側邊144和136限定的基準腔134。
[0084] 在本發明其它實施例中，可以通過在裝置層130上方生長氧化物層140,隨后蝕刻 穿過氧化物層140到裝置層130的頂部中以形成由側邊144和136限定的基準腔134,來形成 圖20的壓力傳感器部分。
[0085] 在本發明其它實施例中，隔膜可以包括諸如凸臺、軌道的結構和其它結構。可以在 美國專利No. 8，381，596中找到示例，通過引用合并該專利。在下列圖中示出了示例。
[0086]圖21圖示了根據本發明實施例的另一個壓力傳感器的側視圖。如前所述，該壓力 傳感器可以包括附接至第一晶片部分的頂部的帽蓋160,該第一晶片部分包括裝置晶片或 者層130和承載晶片或者層110。裝置晶片或者層130可以由承載晶片或者層110支撐。承載 晶片或者層110可以包括限定側壁邊緣112的背側腔114。背側腔114可以從承載晶片或者層 110的底表面延伸到氧化物層120的底部122。裝置層130可以具有在凸臺138中形成的一個 或者多個電子部件，其中凸臺138是在裝置層130中形成的示例結構。電子部件132可以由氧 化物層140保護，但是為了清楚起見沒有在這里示出。
[0087] 帽蓋160可以包括底表面上的氧化物層150,但是在本發明的此實施例和其它實施 例中，可以省略氧化物層150。可以通過將氧化物層150熔融接合至氧化物層140以將帽蓋 160附接至裝置層130。在不使用氧化物層150的情況下，帽蓋160可以直接地熔融接合至氧 化物層140。可以在熔融接合之前對氧化物層140進行蝕刻以形成凹槽的頂部部分，該凹槽 是基準腔142。還可以對裝置層130進行蝕刻以形成軌道、凸臺或者可以形成基準腔134的一 部分的其它結構。由于背側腔114中高壓的存在或者其它原因，這些結構可以限制有源隔膜 的最大撓度以防止對裝置的損壞。可以由外邊緣144和136限定基準腔134。與在帽蓋160中 形成基準腔(如圖1所示)相比，在氧化物層140和裝置層130中形成基準腔可以簡化帽蓋160 與隔膜的對準。這可以至少部分地由于以下事實：帽蓋160僅用于覆蓋基準腔并且其本身不 限定基準腔。
[0088] 基準腔136可以在至少一個方向上具有比背側腔114的寬度窄的寬度。具體地，從 壓力傳感器的中心線到基準腔134的邊緣144和136的距離192可以比從中心線到背側腔114 的邊緣112的距離194短。以這種方式，由邊緣144和136限定的隔膜的有源部分可以比由邊 緣112限定的隔膜窄。
[0089] 在本發明的以上示例和其它實施例中，可以在帽蓋層810或者160、氧化物層150和 140以及裝置層130中的任何一個或者多個中形成基準腔。可以省略這些層中的一個或者多 個，例如氧化物層150。此外，可以包括一個或者多個其它未示出的層。
[0090]為了圖示和描述的目的，已經提供了本發明實施例的上述描述。它并不旨在窮舉 或者將本發明限制于所描述的精確形式，而可以根據上述教導進行許多修改和變型。為了 最好地解釋本發明的原理和其實際應用以由此使其它本領域技術人員能夠最好地利用各 種實施例中以及具有如適合于構想的特定用途的各種修改的本發明，對實施例進行了選擇 和描述。因此，將理解，本發明旨在覆蓋下述權利要求的范圍內的所有修改和等同物。
【主權項】
1 · 一種壓力傳感器，包括： 第一晶片部分，具有從所述第一晶片部分的底側延伸到所述第一晶片部分中的背側 腔，所述背側腔限定框架的內部表面，所述內部表面包括隔膜； 所述第一晶片部分上方的接合層；以及 所述第一晶片部分上方的帽蓋， 其中基準腔在所述隔膜的與所述背側腔相對的一側上，其中所述基準腔在至少第一維 度上的寬度比所述背側腔在所述第一維度上的寬度窄。2. 根據權利要求1所述的壓力傳感器，其中所述帽蓋在所述底側中具有凹槽，以形成所 述基準腔。3. 根據權利要求1所述的壓力傳感器，其中所述基準腔在所述接合層中。4. 根據權利要求1所述的壓力傳感器，其中所述隔膜在所述頂側中具有凹槽，以形成所 述基準腔。5. 根據權利要求1所述的壓力傳感器，其中所述基準腔在所述第一晶片部分、所述接合 層和所述帽蓋中的多于一個中。6. 根據權利要求1所述的壓力傳感器，其中所述基準腔被定位以使得所述基準腔的垂 直邊緣在所述背側腔的垂直邊緣內。7. 根據權利要求1所述的壓力傳感器，其中所述基準腔具有限制所述隔膜的撓曲以防 止損壞的高度。8. 根據權利要求1所述的壓力傳感器，其中所述帽蓋由硅制成。9. 根據權利要求1所述的壓力傳感器，其中所述帽蓋由硼硅酸鹽玻璃制成。10. 根據權利要求8所述的壓力傳感器，其中所述接合層是氧化物層。11. 根據權利要求1所述的壓力傳感器，還包括位于所述第一晶片部分與所述接合層之 間的多晶娃層。12. 一種壓力傳感器，包括： 第一晶片部分，具有從所述第一晶片部分的底側延伸到所述第一晶片部分中的背側 腔，所述背側腔限定框架的內部表面，所述內部表面包括隔膜； 所述第一晶片部分的頂表面上的接合層；以及 所述第一晶片部分上方的帽蓋， 其中基準腔在所述帽蓋之下并且其中所述基準腔在至少第一維度上的寬度比所述背 側腔在所述第一維度上的寬度窄。13. 根據權利要求12所述的壓力傳感器，其中所述基準腔在所述接合層中。14. 根據權利要求12所述的壓力傳感器，其中所述基準腔在所述接合層和所述第一晶 片部分中。15. 根據權利要求12所述的壓力傳感器，其中所述基準腔在所述接合層和所述第一晶 片部分中的至少一個中。16. 根據權利要求15所述的壓力傳感器，其中所述基準腔被定位以使得所述基準腔的 垂直邊緣在所述背側腔的垂直邊緣內。17. 根據權利要求12所述的壓力傳感器，其中所述基準腔具有限制所述隔膜的撓曲以 防止損壞的高度。18. 根據權利要求12所述的壓力傳感器，還包括位于所述第一晶片部分與所述接合層 之間的多晶硅層。19. 一種壓力傳感器包括： 承載晶片； 裝置晶片，由第一接合層連結至所述承載晶片，其中所述承載晶片具有從底表面延伸 到所述第一接合層的背側腔；以及 帽蓋，由第二接合層連結至所述裝置晶片， 其中基準腔在所述帽蓋之下并且其中所述基準腔具有在所述背側腔的外邊緣內適配 的外邊緣。20. 根據權利要求19所述的壓力傳感器，其中所述第二接合層是所述裝置層的所述頂 表面上的氧化物層。21. 根據權利要求19所述的壓力傳感器，其中所述基準腔在所述第二接合層中。22. 根據權利要求19所述的壓力傳感器，其中所述基準腔在所述第二接合層和所述第 一晶片部分中。23. 根據權利要求19所述的壓力傳感器，其中所述基準腔在所述第二接合層和所述第 一晶片部分中的至少一個中。24. 根據權利要求19所述的壓力傳感器，其中所述基準腔具有限制所述隔膜的撓曲以 防止損壞的高度。25. 根據權利要求19所述的壓力傳感器，還包括位于所述裝置晶片與所述接合層之間 的多晶硅層。
【文檔編號】G01L7/08GK105874311SQ201580003470
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2015年2月13日
【發明人】O·阿貝德
【申請人】硅微結構股份有限公司