耐高温压阻力敏硅芯片及静电键合工艺

第53卷第4期2024年4月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.53㊀No.4April,2024硅基钽酸锂异质晶圆键合工艺研究陈哲明,丁雨憧,邹少红,龙㊀勇,石自彬,马晋毅(中国电子科技集团公司第二十六研究所,重庆㊀400060)摘要:5G 移动通信的发展对声表面波滤波器提出了高频㊁小型化㊁集成化的要求㊂相较于传统压电体单晶材料,采用硅基压电单晶薄膜材料制备的声表面波滤波器具有高频㊁低插入损耗㊁高温稳定性等优势,是高性能声表面波器件发展的核心基础材料㊂Smart-Cut TM 是制备硅基压电单晶薄膜材料的主要方法,键合工艺是其中的核心工序,键合质量决定了硅基压电单晶薄膜晶圆材料的质量,并影响器件性能㊂本文通过低温直接键合工艺,对等离子活化㊁兆声清洗㊁预键合㊁键合加固四道工序展开优化,最终实现了键合强度高达1.84J /m 2㊁键合面积超过99.9%的高质量硅基钽酸锂异质晶圆键合㊂关键词:硅基钽酸锂;低温直接键合;等离子活化;兆声清洗;预键合;键合加固;声表面波滤波器中图分类号:TN384;TM22;TN713㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2024)04-0634-07Study on Bonding Technology of Silicon-Based Lithium Tantalate Heterogeneous WafersCHEN Zheming ,DING Yuchong ,ZOU Shaohong ,LONG Yong ,SHI Zibin ,MA Jinyi (26th Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Chongqing 400060,China)Abstract :The development of 5G mobile communication imposes requirements of high frequency,miniaturization,and integration on surface acoustic wave pared with traditional piezoelectric bulk single crystal material,surface acoustic wave filters fabricated with silicon-based piezoelectric single crystal film materials exhibit advantages such as high frequency,low insertion loss,high temperature stability and so on,making silicon-based piezoelectric single crystal film material prime foundation material.Smart-Cut TM is the universal method for preparing silicon-based piezoelectric single crystal film materials,and bonding process is one of the most essential procedures.Bonding quality determines the quality of piezoelectric single crystal film and ultimately affects the performance of the devices.In this work,high-quality heterogeneous silicon-based LiTaO 3wafers with the bonding strength up to 1.84J /m 2and bonding area over 99.9%were achieved through optimizing low-temperature direct bonding process,which includes plasma activation,megasonic cleaning,pre-bonding,and thermal treatment.Key words :silicon-based lithium tantalate;low-temperature direct bonding;plasma activation;megasonic cleaning;pre-bonding;thermal treatment;surface acoustic wave filter㊀㊀收稿日期:2023-10-30㊀㊀基金项目:科工局项目(JPPT-XX)㊀㊀作者简介:陈哲明(1994 ),女,四川省人,博士,工程师㊂E-mail:2512791491@ ㊀㊀通信作者:丁雨憧,博士,研究员㊂E-mail:dingyuchong@0㊀引㊀㊀言滤波器作为射频系统的重要组成部分,能够精确选取所需的频率信号并有效阻隔干扰信号,在频率选择方面发挥着核心作用[1]㊂移动通信产业的飞速发展,推动声表面波(surface acoustic wave,SAW)滤波器向高频化㊁复合化㊁小型化㊁集成化方向发展[2-4]㊂传统压电体单晶制备的SAW 滤波器存在插入损耗高㊁耐受功率低㊁频率低㊁温度稳定性差等问题,无法满足5G 时代对高性能SAW 器件的需求㊂硅基压电单晶薄膜(piezo-on-insulator,POI)材料是功能晶体材料向低维化㊁复合化趋势发展的产物,与传统体单晶相比,具有抑制声㊀第4期陈哲明等:硅基钽酸锂异质晶圆键合工艺研究635㊀波损耗㊁提高散热效率㊁多功能复合㊁可与硅集成电路集成等优势,能够显著提高滤波器的频率㊁Q值㊁矩形度和温度稳定性等核心指标,实现器件性能的跨越式发展[5]㊂Smart-Cut TM最初是针对绝缘层上单晶硅(silicon-on-insulator,SOI)材料制备开发的技术[6-7]㊂该技术将离子注入剥离和晶圆键合相结合,制备先进复合单晶薄膜材料,以满足在给定衬底材料上的不同薄层材料组合需求㊂此后,Smart-Cut TM工艺被用于制备POI材料,如硅基钽酸锂单晶薄膜(lithium tantalate-on-insulator, LTOI)材料和硅基铌酸锂单晶薄膜(lithium niobate-on-insulator,LNOI)材料等[8-9]㊂晶圆键合工艺是整个Smart-Cut TM工艺的核心,对POI材料的质量和器件的性能具有决定性作用[10]㊂基于SAW器件的结构设计要求及材料性质,传统的高温键合方法及粘合剂键合方式都不适用于POI材料制备㊂低温直接键合工艺可避免高温㊁高压对晶圆造成的损害和中间材料造成的污染及不均匀性等问题,在MEMS和集成电路制造中具有广阔的应用潜力和重要的研究价值㊂在低温直接键合技术中,硅熔键合需要较高温度(>650ħ)的退火,超高真空键合和表面活化键合对设备的真空度要求极高,而等离子活化低温直接键合工艺可获得较高的表面能,实现室温环境㊁较低真空度下的原子级晶圆键合,是制备POI材料的优选方案[11-12]㊂钽酸锂(LiTaO3,LT)单晶是一种优良的压电晶体材料,具有较大的压电系数㊁小的频率温度系数和高的机电耦合系数等优势,作为衬底材料被广泛应用于制备插入损耗小㊁矩形度高㊁温度稳定性好的SAW滤波器[13]㊂本工作对硅基钽酸锂异质晶圆键合展开了等离子活化低温直接键合工艺研究,通过工艺优化获得了高质量的硅基钽酸锂异质键合晶圆,为LTOI材料的制备奠定基础㊂1㊀实㊀㊀验1.1㊀实验原料和制备方法原料:42ʎY方向㊁100mmˑ100mmˑ0.25mm的4英寸(1英寸=2.54cm)LT晶圆和<111>取向㊁100mmˑ100mmˑ0.5mm的4英寸热氧硅(硅衬底厚度0.5mm,二氧化硅层厚度为500nm)晶圆,等离子活化所用的氩气㊁氮气㊁氧气3种气体纯度均为99.999%㊂实验设备:键合机(含活化㊁清洗㊁预键合模块)为奥地利Eastern Venture Group Co.Ltd公司EVG850LT/200型号设备,退火炉为合肥科晶材料技术有限公司VBF-1200X-H8型号设备㊂实验过程:在键合机的操作系统上设置等离子活化㊁兆声清洗和预键合的工艺参数,将待键合的LT和热氧硅晶圆放进键合机,启动程序,按照设定参数展开实验,在预键合完成后将晶圆取出,放入退火炉中按照设定的工艺参数进行阶梯式退火加固,其退火模式是升降温速率均为1ħ/min,先从室温升至90ħ,在此温度下恒温5h,再继续升温至设定的退火温度,恒温10h,最后降低至室温,从退火炉中取出晶圆,实现硅基钽酸锂的异质键合,具体的工艺参数将在后面的结果与讨论中详细讨论㊂1.2㊀性能测试与表征晶圆表面的浸润角用德国Dataphysics公司OCA25-HTV型表面接触角测试仪进行表征㊂测试所用液体为去离子水,液滴大小为1μL/次,润湿角的测量范围和精度分别为0ʎ~180ʎ和ʃ0.1ʎ㊂测量时对晶圆圆心和上下左右四个区域分别采样测量,再计算平均值,以降低仪器测量误差㊂粗糙度用德国Bruker公司Dimension Fastscan原子力扫描探针显微镜测量㊂扫描模式为轻敲模式,扫描尺寸为5μmˑ5μm,扫描速度为0.70~0.99Hz㊂测量时对晶圆圆心和上下左右四个区域分别采样测量,再计算平均值,以降低仪器测量误差㊂键合强度用双悬臂梁测试法表征㊂通过对同一工艺参数下制备的同一批次5片键合对晶圆进行键合强度测试并计算平均值,以降低测量方法误差㊂键合效果用德国PVA公司的超声扫描仪SAM301进行测试㊂扫描尺寸为110mmˑ110mm,分辨率为30μm/Pixel㊂透射电子显微镜用美国Talos公司F200s进行观测㊂为了制备键合界面的透射样品,采用聚焦离子束技术(focused ion beam,FIB)对键合界面进行切割和减薄㊂FIB制样过程中所采用的实验设备为美国Strata公司的400S型号,工作电压为30kV,透射电镜的加速电压为200kV㊂636㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷2㊀结果与讨论2.1㊀等离子活化等离子活化是对LT和热氧硅晶圆进行表面活化处理的有效方式,利用等离子源的能量输入,使表面杂质被击碎和剥离,从而消除晶圆表面的有机物和金属颗粒等杂质,提高洁净度[14]㊂同时改变晶圆表面的结构和化学性质,获得特定的表面化学状态和表面终止,提高待键合晶圆的亲水性和表面活性,促进晶圆临界界面的形成和强化[15]㊂为了确定硅基钽酸锂异质晶圆键合工艺的等离子活化氛围,将LT和热氧硅晶圆分别放置在氧气(O2)㊁氮气(N2)㊁氩气(Ar)的活化气氛下进行处理[16],并对活化前后的接触角进行测量,结果如表1所示㊂表1㊀LT和热氧硅晶圆在不同氛围下活化前后接触角变化Table1㊀Contact angle changes of LT and thermally oxidized silicon wafers before and after activation underdifferent atmospheresAtmosphere LTθbefore/(ʎ)LTθafter/(ʎ)SiO2θbefore/(ʎ)SiO2θafter/(ʎ)O260.24 4.4629.14 4.43N253.25 3.5525.67 3.14Ar57.387.6230.50 6.23根据数据分析,LT和热氧硅晶圆的O2㊁N2等离子活化效果比Ar等离子活化效果好,前者体现了活化后接触角小于5ʎ的强亲水性,为后续的亲水键合打下基础[17-18]㊂研究表明,O2和N2气氛下的等离子活化具有物理和化学作用,可以通过等离子体的物理轰击去除晶圆表面的颗粒杂质,破坏待键合晶圆表面的亚表层稳定原子结构,使晶圆表面部分化学键断裂,形成悬空键,利用设备空腔内残留的微量水(H2O),与O2㊁N2等离子体互相作用,在晶圆表面形成羟基和氢键,强化晶圆表面的亲水性㊂而Ar等离子活化以物理作用为主,相同活化条件下晶圆表面的羟基密度更小,不利于促发分子间的反应连接㊂在键合工艺中,晶圆表面的粗糙度是决定键合效果的关键因素㊂为了探究活化气氛对晶圆表面粗糙度的影响,对LT和热氧硅晶圆在不同氛围下活化前后的粗糙度(数值以Ra表示)进行表征(见表2),测量数据显示热氧硅片在不同氛围活化后的粗糙度都略有降低,而LT晶圆在N2和Ar氛围下活化后的粗糙度略微降低,在O2氛围下活化后的粗糙度轻微增大,这可能是不同的活化氛围使LT晶圆表面引入了不同的化学键和官能团,导致晶圆表面纳米级阶梯状结构的密度不同[18]㊂表2㊀LT和热氧硅晶圆在不同氛围下活化前后粗糙度变化Table2㊀Roughness changes of LT and thermally oxidized silicon wafers before and after activation underdifferent atmospheresAtmosphere LT Ra before/nm LT Ra after/nm SiO2Ra before/nm SiO2Ra after/nmO20.5480.5610.4610.448N20.5430.5160.4370.398Ar0.5150.4910.4550.439总结来说,N2氛围下的等离子活化既可以显著提高LT和热氧硅晶圆的表面亲水性,又可以去除晶圆表面的颗粒,降低粗糙度,最适合作为硅基钽酸锂异质晶圆键合工艺中等离子活化的气体氛围㊂2.2㊀兆声清洗兆声清洗技术利用换能器发出兆赫兹级高能声波,通过声压梯度和声流作用对溶液分子施加加速运动,从而产生高速流体力学层连续冲击,实现对微细颗粒地有效解吸清洗,避免污染物残留,为高质量键合打下基础[19]㊂此外,兆声清洗还可以进一步提高晶圆表面的羟基密度,显著增强晶圆表面的亲和性㊂由于兆声清洗的声波频率高,相比于会产生驻波的超声波清洗,不容易损伤清洗对象,这对键合工艺来说至关重要㊂等离子活化提高了晶圆表面活性,获得了特定的表面状态,接下来的工作需要进一步提高晶圆表面的羟基密度,促使预键合过程自发完成,提高键合对的键合强度㊂为此,探究了硅基钽酸锂键合对在不同兆声清洗功㊀第4期陈哲明等:硅基钽酸锂异质晶圆键合工艺研究637㊀率㊁时间下达到的键合强度,测试结果如图1所示㊂从数据分析,当清洗功率在100或200W时,随着清洗功率㊁时间的增大,晶圆表面的羟基密度逐步增加,促使键合过程中通过化学作用实现热氧硅晶圆上的硅原子和LT上的金属原子形成更多的连接,键合强度也随之提高[20]㊂当兆声清洗功率增加到300W时,键合强度随着清洗时间的增加先提高后降低,这是由于清洗时间过长导致晶圆表面的羟基密度太大,从而使同一晶圆表面相邻羟基直接发生了化学反应,减少了LT和热氧硅晶圆之间的原子连接,同时反应形成的大量H2O分子无法在退火过程中全部扩散到空气或渗透进SiO2层,部分H2O分子残留于界面,综合导致了键合强度的降低[21-22]㊂经过工艺优化,同时基于工作效率的考虑,最终确定在300W功率下兆声清洗120s是实现高强度晶圆键合的理想参数㊂2.3㊀预键合将经过活化㊁清洗处理的LT和热氧硅晶圆的活化面对齐接触,此时LT和热氧硅晶圆的表面都具有合适的羟基密度,通过施压使两个晶圆表面的羟基足够接近,从而自发形成脱水缩合反应(见式1),实现原子级的晶圆键合[20,23]㊂LiTaO3 OH+HO SiO2ңLiTaO3 O SiO2+H2O(1)如果预键合工艺在升温环境下进行,将促进同一晶圆表面的羟基互相之间脱水,大幅度减少晶圆表面的亲水官能团密度,使预键合强度严重衰减,甚至键合失效㊂因此,常温常压是实现预键合的有效环境㊂将经过等离子活化和兆声清洗工艺优化处理后的LT和热氧硅晶圆在室温的大气环境下接触,利用界面的作用力,将两表面贴合,可以自发完成预键合过程,预键合后的硅基钽酸锂晶圆如图2所示㊂图1㊀不同兆声清洗功率㊁时间对键合强度的影响Fig.1㊀Influence of different megasonic cleaning power andtime on bondingstrength图2㊀预键合后的硅基钽酸锂晶圆照片Fig.2㊀Photograph of a pre-bonded silicon-basedlithium tantalate wafer2.4㊀退火加固研究表明,把预键合后的晶圆放置室温存贮较长一段时间,界面能会逐渐增强,这主要是因为H2O分子会沿着键合界面逐渐扩散到空气或SiO2层中[24]㊂高温退火可以加快H2O分子的扩散过程,并使被等离子活化处理破坏的晶圆亚表层结构元素发生相互扩散,形成稳定的扩散连接层,进一步增强界面间的键合强度,减少键合界面处形成的气泡或空洞[25]㊂如果采用常规退火工艺,将预键合后的硅基钽酸锂晶圆放置在150ħ的温度下退火10h,容易造成晶圆裂片,如图3所示㊂通过调研发现LT晶圆的面内热膨胀系数为16.1ˑ10-5K-1,热氧硅片中SiO2层厚度相比于硅衬底可忽略不计,其受热后的膨胀主要由硅晶体决定,而硅的热膨胀系数为2.6ˑ10-6K-1[26]㊂LT 晶体与硅晶体的热膨胀系数差异大,两者在快速升降温过程中积累了不同程度的应力无法及时释放,从而导致了晶圆的碎裂㊂可通过设置阶梯式升降温退火工艺,抑制应力快速累积,缓慢实现应力释放,在提高晶圆键合强度的同时保障晶圆的完整性㊂基于阶梯式升降温退火加固工艺,本工作对不同退火温度下硅基钽酸锂晶圆的键合强度展开了研究(见图4)㊂数据表明,随着温度的升高,原子间的扩散作用逐渐增强,键合强度也逐步增加,在一定温度后,638㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷扩散作用达到极限状态,键合强度则维持在固定数值附近[24]㊂图3㊀常规退火工艺处理后的硅基钽酸锂晶圆照片Fig.3㊀Photograph of silicon-based lithium tantalate wafer after conventional annealingprocess 图4㊀硅基钽酸锂晶圆在不同退火温度下的键合强度Fig.4㊀Bonding strength of silicon-based lithium tantalate wafers at different annealing temperatures 2.5㊀性能表征键合强度是键合工艺中最重要的测定特征之一,是衡量键合质量优劣的核心技术指标[27]㊂制造过程中参数的微小变动,都会直接影响键合界面的强度性能,低的键合强度反应了键合工艺过程中的某一环节或某些环节出现问题,在后续加工过程中键合晶圆很有可能会开裂失效;键合强度足够大,证明两晶圆接触紧密,键合界面裂缝㊁空洞的影响微乎其微,利用LTOI 材料制作的微器件也较不容易受到温度㊁湿度等环境因素的破坏而失效[28-29]㊂双悬臂梁测试法是测量晶圆键合强度的有效方法[29-31]㊂通过在键合界面插入一个薄刀片将两 梁 (实际为两晶圆)分开,最终获得的裂缝长度反应了键合强度的强弱,测量公式如式(2)γ=3y 2E 1t 31E 2t 3216L 4(E 1t 31+E 2t 32)(2)式中:E 1㊁E 2分别为LT 晶圆的弹性模量(253GPa)和硅晶圆的弹性模量(170GPa),t 1㊁t 2分别为LT 晶圆厚度(0.25mm)和热氧硅晶圆厚度(0.52mm),y 为刀片厚度(0.109mm),L 为刀片插入后形成的裂纹长度,γ为比表面能,即晶圆的键合强度㊂图5㊀双悬臂梁测试法测量硅基钽酸锂晶圆的键合强度Fig.5㊀Measurement of bonding strength of silicon-based lithium tantalate wafer by double cantilever beam test 基于优化的等离子活化低温直接键合工艺,通过双悬臂梁测试法对制备好的硅基钽酸锂晶圆实行测量,其刀片插入后形成的裂纹长度约为8mm,如图5所示,则晶圆键合强度约为1.84J /m 2,此键合强度足以承受后续的机械加工和微纳加工过程中所产生的机械应力㊁热应力及水对键合界面的应力腐蚀,为后期的晶圆剥离㊁器件制备工艺奠定基础[32-33]㊂键合面积也是衡量键合工艺水平的核心指标之一[34]㊂通过超声扫描仪对硅基钽酸锂异质晶圆进行表征,图6的扫描数据直观清晰地反应了LT 与热氧硅晶圆的键合(灰色)与未键合(白色)区域㊂利用Image-Pro Plus 软件对超声扫描数据做进一步处理,在扣除距离晶圆边缘3mm 以内的区域后,分别统计键合和未键合区域的像素点个数,从而计算得到硅基钽酸锂异质晶圆的键合面积高达99.9%以上,实现了近乎完整的硅基钽酸锂异质键合㊂利用透射电子显微镜(TEM)对硅基钽酸锂晶圆的截面进行观测,如图7所示㊂照片清晰展示了LT(黑色)和SiO 2层(灰色)之间的键合界面处存在几个纳米尺度的过渡区,表明SiO 2和LT 层之间发生了原子的互相渗透,形成了强大的作用力,这与之前测量的高键合强度相吻合,同时键合界面的平整均匀性也得到了验证㊂㊀第4期陈哲明等:硅基钽酸锂异质晶圆键合工艺研究639㊀通过对键合强度㊁键合面积两个关键指标的表征和键合区域的观测,反映出经过等离子活化低温直接键合工艺的优化,可以实现高强度㊁大面积的原子级硅基钽酸锂异质晶圆键合㊂图6㊀超声扫描仪表征硅基钽酸锂晶圆的键合效果Fig.6㊀Bonding effectiveness of silicon-based lithium tantalate wafer by ultrasonicscanninginstrument图7㊀硅基钽酸锂晶圆键合界面的TEM照片Fig.7㊀TEM image of bonding interface of silicon-based lithium tantalate wafer3㊀结㊀㊀论本文通过对硅基钽酸锂低温直接键合工艺的研究,展开等离子活化㊁兆声清洗㊁预键合㊁退火加固等工序优化,实验结果表明,将LT和热氧硅晶圆先放置在N2氛围下等离子活化60s,再在300W功率下兆声清洗120s,室温下将经过活化㊁清洗处理的LT和热氧硅晶圆的活化面对齐接触,通过施压使两个晶圆表面足够接近,可自发形成脱水缩合反应实现原子级预键合,然后将预键合对进行阶梯式退火加固,从室温以1ħ/min的速率升至90ħ,在此温度下恒温5h,再继续以1ħ/min的速率升至150ħ并保持10h,最后以1ħ/min的速率降至室温,解决了LT和热氧硅晶圆的亲水性差㊁晶格常数不匹配㊁应力翘曲㊁晶圆碎裂等问题,实现了键合强度高达1.84J/m2,键合面积超过99.9%的4英寸硅基钽酸锂异质晶圆键合㊂后续工作将进一步拓展低温直接键合工艺的应用范围,在更多领域制备高质量的多功能复合材料㊂参考文献[1]㊀LU X M,MOUTHAAN K,SOON Y T.Wideband bandpass filters with SAW-filter-like selectivity using chip SAW resonators[J].IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques,2014,62(1):28-36.[2]㊀RUPPEL C C W.Acoustic wave filter technology-a review[J].IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,2017,64(9):1390-1400.[3]㊀SU R X,SHEN J Y,LU Z T,et al.Wideband and low-loss surface acoustic wave filter based on15ʎYX-LiNbO3/SiO2/Si structure[J].IEEEElectron Device Letters,2021,42(3):438-441.[4]㊀刘㊀宏,桑元华,孙德辉,等.信息时代的铌酸锂晶体:进展与展望[J].人工晶体学报,2021,50(4):708-715.LIU H,SANG Y H,SUN D H,et 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常见的25种传感器类型介绍“蓝⾊字”传感器的作⽤实际上是⼀种功能块，其作⽤是将来⾃外界的各种信号转换成电信号。

例如，⽇常⽣活中使⽤的话筒，⼿机中的麦克风，它将声⾳转换成电信号，然后放⼤到最佳范围。

然后，在扬声器的o / p处将电信号变成⾳频信号。

如今传感器所检测的信号近来显著地增加，因⽽其品种也极其繁多。

今天我们来看看传感器的种类吧：1.电阻式传感器电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、⼒、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的⼀种器件。

主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、⽓敏、湿敏等电阻式传感器件。

2.变频功率传感器变频功率传感器通过对输⼊的电压、电流信号进⾏交流采样，再将采样值通过电缆、光纤等传输系统与数字量输⼊⼆次仪表相连，数字量输⼊⼆次仪表对电压、电流的采样值进⾏运算，可以获取电压有效值、电流有效值、基波电压、基波电流、谐波电压、谐波电流、有功功率、基波功率、谐波功率等参数。

3.称重传感器称重传感器是⼀种能够将重⼒转变为电信号的⼒→电转换装置，是电⼦衡器的⼀个关键部件。

能够实现⼒→电转换的传感器有多种，常见的有电阻应变式、电磁⼒式和电容式等。

电磁⼒式主要⽤于电⼦天平，电容式⽤于部分电⼦吊秤，⽽绝⼤多数衡器产品所⽤的还是电阻应变式称重传感器。

电阻应变式称重传感器结构较简单，准确度⾼，适⽤⾯⼴，且能够在相对⽐较差的环境下使⽤。

因此电阻应变式称重传感器在衡器中得到了⼴泛地运⽤。

4.电阻应变式传感器传感器中的电阻应变⽚具有⾦属的应变效应，即在外⼒作⽤下产⽣机械形变，从⽽使电阻值随之发⽣相应的变化。

电阻应变⽚主要有⾦属和半导体两类，⾦属应变⽚有⾦属丝式、箔式、薄膜式之分。

半导体应变⽚具有灵敏度⾼(通常是丝式、箔式的⼏⼗倍)、横向效应⼩等优点。

5.压阻式压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基⽚上经扩散电阻⽽制成的器件。

其基⽚可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基⽚内接成电桥形式。

doi: 10.11857/j.issn.1674-5124.2020100066适用于无引线封装的SOI 压力敏感芯片总体结构李 村1， 杨鑫婉1， 赵玉龙1， 程 鑫2， 田 雷2(1. 西安交通大学机械工程学院，陕西 西安 710049; 2. 中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 100048)摘　要: 无引线封装技术能够将采用SOI 技术的MEMS 压力传感器的工作温度提高到300 ℃以上，解决传统充油封装无法耐受高温的问题，然而，无引线封装亦对SOI 压力敏感芯片结构提出新的挑战。

为应对此问题，该文提出适用于无引线封装的压力敏感芯片总体结构，主要研究压敏电阻掺杂浓度选择、重掺杂引线盘和金属点电极、键合玻璃结构、硅玻键合静电密封环等内容。

通过大面积重掺杂的引线盘及金属点电极的设计解决硅-玻璃在电路器件层的静电键合问题。

在键合玻璃上设计通孔，其位置对应金属点电极，解决电极厚度对键合的影响问题，同时实现欧姆接触。

设计静电密封环结构，解决压力敏感膜片及测量电路的密封问题。

最后，研制适用于无引线封装的SOI 压力敏感芯片样片，证明该文压力敏感芯片总体结构有效。

关键词: 耐高温; SOI; 压力传感器; 无引线封装; MEMS; 压阻效应中图分类号: TP212.1文献标志码: A文章编号: 1674–5124(2020)12–0054–06SOI pressure sensor chip suitable for leadless packageLI Cun 1, YANG Xinwan 1, ZHAO Yulong 1, CHENG Xin 2, TIAN Lei 2(1. School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China;2. The 49th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Harbin 100048, China)Abstract : Leadless package technology can increase the operating temperature of MEMS pressure sensors using SOI technology to above 300 ℃, which can replace traditional oil-filled package. However, leadless package also proposes new challenges for the design of SOI pressure sensor chips. In order to solve this problem, this paper proposes a new pressure sensor chip which is suitable for leadless package. This paper mainly studies the doping concentration of piezoresistor, heavily doped lead pads, metal point electrodes,bonding glass structure, and seal ring. The design of large-area heavily doped lead plates and metal point electrodes solve the problem of silicon-glass bonding in the top device layer. Through holes are designed on the bonding glass, and their position corresponds to the metal point electrode, which solves the influence of electrode thickness on the bonding and realizes ohmic contact at the same time. The sealing ring is designed to solve the sealing problem of pressure sensitive diaphragm and measuring circuit. Finally, a sample of SOI pressure sensor chip suitable for leadless package is developed, which proves the effectiveness of the pressure收稿日期: 2020-10-20；收到修改稿日期: 2020-11-20基金项目: 国家重点研发计划(2018YFB2002900)作者简介: 李　村（1986-），男，山东潍坊市人，讲师，博士，研究方向为微纳传感与制造技术。

微电子机械系统陈迪微电子机械系统（Micro Electro Mechanical System）简称MEMS，是集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理控制电路、接口、电源等于一体的机械装置。

它将自然界各种物理量，如声、光、压力、加速度、温度以及生物、化学物质的浓度信息转化为电信号，并将电信号送入微处理器得到指令，指令被随即发送到微执行器上，对自然界的变化做出相应反应。

MEMS的特点是体积小、重量轻、能耗低、可靠性高和可批量制造。

微电子机械系统技术微电子机械系统技术在欧洲也称为微系统技术（Microsystem Technology，MST），是近年来飞速发展的一门高新技术，它综合集成了微电子工艺和其他微加工工艺，加工制造各种微型传感器和微型执行器，并将其综合集成。

微电子机械系统技术包含了材料、设计与模拟、加工制造、封装、测试五个方面。

MEMS的材料包括导体、半导体和绝缘材料几类。

根据不同的使用环境，MEMS材料要求耐高温、耐低温、耐腐蚀和耐辐射。

在微传感器和微执行器的制造中，MEMS需要使用具有各种功能的材料，如压电材料、压阻材料、磁性材料和形状记忆合金等。

MEMS设计与模拟技术包括了专用集成电路（application specific integrated circuit，ASIC）设计、机械微结构设计、加工工艺流程设计、掩模板设计，以及微传感器和微执行器结构参数优化与性能模拟等。

MEMS加工技术主要分为硅微加工技术和非硅微加工技术两类。

MEMS硅微加工技术应用了微电子常规工艺，包括氧化、薄膜制备、光刻、刻蚀、电镀、离子注入等。

MEMS技术与微电子技术的区别是，前者可以制造悬空或可活动的微结构，以及具有高深宽比的三维立体微结构，它主要采用硅表面工艺和体硅工艺技术（包括牺牲层工艺，湿法、干法各向同性和各向异性刻蚀工艺以及键合工艺等）来实现。

非硅MEMS微加工技术包括LIGA、激光、电火花等微加工技术。

基于MEMS工艺的SOI高温压力传感器设计李丹丹;梁庭;李赛男;姚宗;熊继军【摘要】利用MEMS(微机电系统)工艺中的扩散,刻蚀,氧化,金属溅射等工艺制备出SOI高温压力敏感芯片,并通过静电键合工艺在SOI芯片背面和玻璃间形成真空参考腔,最后通过引线键合工艺完成敏感芯片与外部设备的电气连接.对封装的敏感芯片进行高温下的加压测试,高温压力测试结果表明,在21℃(常温)至300℃的温度范围内,传感器敏感芯片可在压力量程内正常工作,传感器敏感芯片的线性度从0.9 985下降为0.9 865,控制在较小的范围内.高温压力下的性能测试结果表明,该压力传感器可用于300℃恶劣环境下的压力测量,其高温下的稳定性能为压阻式高温压力芯片的研制提供了参考.%By using the process ofdiffusion,etching,oxidation,sputtering in MEMS(micro electro mechanical sys-tem)process,the SOI high temperature pressure sensor chip is prepared,and the vacuum chamber is formed be-tween the back of sensor chip with the glass through the electrostatic bonding process,finally the sensor chip and the peripheral equipment is connected through the wire bonding process. Test the packaged sensor chip under high temperature with high pressure,the test results shows that in the temperature range 21℃(at room temperature)to 300℃,the sensor chip can work normally in the pressure scale,the linearity of the sensor chip is decreased from 0.9 985 to 0.9 865,controlled in a small range. The performance test results under high temperature pressure shows that the pressure sensor can be used for pressure measurement in 300℃harsh environment,the stable performanceunder high temperature has provided reference for the development of piezoresistive pressure chip.【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2015(028)009【总页数】6页(P1315-1320)【关键词】高温压力传感器;压阻;敏感薄膜;SOI(绝缘体上硅);MEMS(微机电系统)【作者】李丹丹;梁庭;李赛男;姚宗;熊继军【作者单位】中北大学电子测试技术重点实验室,太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试技术重点实验室,太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试技术重点实验室,太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试技术重点实验室,太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试技术重点实验室,太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051【正文语种】中文【中图分类】TN305.1EEACC:7110；7230 doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2015.09.009高温MEMS敏感器件由于可靠性高，在军事上广泛被采用［1］。

环保型耐高温集成电路封装用导电银胶的研究马红雷【摘要】采用E-51型环氧树脂做基体,甲基纳迪克酸酐做固化剂,1～3 μm片状银粉做导电填料,2-乙基-4甲基咪唑做促进剂,按照一定的质量配比,采用混合工艺制备出了一款电学性能、力学性能、耐高温性能都很好的绿色环保型导电银胶.经过性能测试,该产品的体积电阻率为72 mΩ·m,剪切强度为16.1 MPa,满足集成电路封装使用.%Using E-51 epoxy resin as the matrix,methyl nadic anhydride as the curing agent,1 to 3 μm flake silver powders as the conductive filler,2-Ethyl-4-methyl imidazole as the accelerator,under a particular mass ratio a green and environment-friendly conductive silver adhesive with good electrical,mechanical,and high temperature resistance properties was prepared by a mixed process.After the performance test,the volume resistivity of the product was 7.2mΩ· m and the shear strength was 16.1 MPa,which can meet the use of integrated circuit packaging.【期刊名称】《电镀与精饰》【年(卷),期】2017(039)009【总页数】5页(P19-23)【关键词】导电银胶;集成电路封装;环保涂料;环氧树脂【作者】马红雷【作者单位】永城职业学院机电工程系,河南永城476600【正文语种】中文【中图分类】TM241;TQ437.6Abstract: conductive silver adhesive; integrated circuit package; environmental coatings; epoxy resin随着社会生产力的进步，电子技术也发生着日新月异的变化，绿色环保、多功能、微型化、便携式及低成本是微电子产品的主流发展趋势[1-2]。

三层硅加速度敏感芯片BCB键合工艺研究刘智辉;田雷;李玉玲;尹延昭【摘要】采用非光敏苯并环丁烯(BCB)进行MEMS压阻式加速度敏感芯片三层结构制作.BCB键合具有工艺温度低、键合表面要求低等特点,适用于芯片的圆片级封装.但是固化过程中BCB粘度随温度升高而下降,流动性变大,在毛细作用的影响下沿着微小间隙流淌,导致可动部件粘连,器件失效.通过控制BCB厚度、增加BCB阻挡槽解决了可动部件粘连问题,制作了三层硅结构的加速度敏感芯片.样品漏率小于1.0×10-10pa.m3/s,键合剪切强度大于20 MPa,能够满足航天、工业、消费电子等各领域的应用需求.【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2015(034)003【总页数】4页(P37-39,43)【关键词】微机电系统;三层硅;加速度计;苯并环丁烯;键合;毛细作用【作者】刘智辉;田雷;李玉玲;尹延昭【作者单位】中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150001;中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150001;中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150001;中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TN305.9加速度传感器广泛应用于汽车、航天、航空、兵器等领域[1]。

通常，加速度敏感芯片包含质量块、弹性梁等可动部件，环境中的灰尘、气流、水汽会降低敏感结构可靠性，甚至导致敏感芯片失效，圆片级封装是解决该问题的有效方法[2]。

常用的圆片级封装技术有：阳极键合、硅直接键合(SDB)、共晶键合、黏合剂表面键合[3]。

阳极键合强度高,密封性好，但是由于异质材料间的热膨胀系数不同而引入的应力会影响器件性能的稳定性。

共晶键合和SDB对键合面的状态要求非常高，所以，工艺难度大。

黏合剂键合是指通过环氧树脂、玻璃粉等中间材料完成圆片的结合，对表面状态要求不高，工艺难度小。

一，简答题1，微机电制造工艺及每种工艺的用途、技术特征或者步骤微电子集成工艺是基础。

此外，它们主要是体微加工技术、微表面加工技术、高深度比微加工技术、组装与键合技术、超微精密加工技术。

（1），体微加工技术是为制造三维结构而发展起来的，即按照设计图形在硅片上有选择的去除一部分硅材料，形成微机械结构。

体微加工技术的关键技术是刻蚀，它包括干法和湿法刻蚀。

（2），表面微加工技术是以硅为基片，通过淀积与光刻形成多层薄膜图形，再把下层的牺牲层经刻蚀去除，保留上面的结构图形的加工方法。

表面微加工不同于体加工，它不对基片本身进行加工。

在基片上有淀积的薄膜，它们被有选择的保留或者去除以形成所需的图形。

表面微加工的主要工艺是湿法刻蚀、干法刻蚀和薄膜淀积。

牺牲层的刻蚀是表面微加工的基础。

表面微加工技术的步骤：首先在基片上淀积绝缘层和牺牲层，然后淀积结构层，经光刻得到微结构图形。

对此进行湿法刻蚀，把牺牲层sio2去除，便可得到无支撑的微结构。

（3），高深度比微加工技术LIGA技术被认为是最佳高深度比的微加工技术，加工宽度为几微米，深度高达1000um.且可实现微器件的批量生产。

该技术的优点是能制造三维微结构器件，获得的微结构具有较大的深度比和精细的结构，侧壁陡峭，表面平整，它是X光深层光刻、微电铸和微塑铸三种工艺的有机结合。

LIGA技术的主要工艺：X光掩膜制造、X光深度光刻技术和微铸电技术。

(4).键合技术上述工艺制造的微构件都是通过键合技术来制成微机械的器件，键合技术组要分为硅熔融键合和静电键合两种2．微机电制造过程中常用的材料及其优缺点。

陶瓷、金属、硅材料。

常用的是硅。

硅的优点？回答出主要特征。

根据应用场所，微机电系统的制作材料分为微结构材料、微制动材料和微传感器材料。

根据材料性能，微机电系统的制作材料分为结构材料功能材料智能材料MEMS 常用材料半导体材料：硅及其化合物等。

硅：特殊的晶体结构使其具有各项异性，通过掺杂获得的p型硅和n型硅具有不同的导电性能和机械性能。

无引线封装的SOI压阻式压力传感器设计李俊龙;朱平【摘要】在SOI晶圆材料的基础上,设计了压力敏感结构,提高了传感器的高温稳定性;采用敏感芯片背孔引线技术,将硅敏感芯片的正面和硼玻璃进行气密性阳极键合,通过在硼玻璃对应位置加工电极连接孔,实现芯片电极与外部管脚的电气连接,形成无引线封装结构;利用ANSYS软件对敏感芯片进行了力学仿真,对高温敏感芯体进行了热应力分析,完成了无引线封装结构的优化及制作.通过性能测试,该传感器测量范围为0~0.2 MPa,灵敏度为55.0 mV/MPa,非线性误差小于0.2%.%The structure of the pressure sensitive chip based on SOI wafer material was designed.SOI was applied to improve the stability of the sensor.The technology of the novel pressure sensor with back-side direct exposure packaging was presented.A hermetical connection between the active side of the Si-wafer and the glass cover was realized by anodic bonding.Sealed through-glass was drilled in the right site of the glass capping.Then the vias connected pads on the front side of Si-wafer with electrodes of the sensor header.This process formed the leadless packaging.The mechanical simulation of the sensitive chip and the thermal stress of high-temperature sensitive core was analyzed by ANSYS software.The optimization and the fabrication of leadless packa-ging were completed upon the simulation results.After performance test,the measuring range of the sensor is 0~0.2 MPa,the sen-sitivity is 55.0 mV/MPa,and the nonlinear error is less than 0.2%.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2017(000)012【总页数】5页(P20-24)【关键词】无引线封装;绝缘体上硅(SOI);压阻式压力传感器;背孔引线;有限元分析(FEA);耦合仿真【作者】李俊龙;朱平【作者单位】中北大学仪器与电子学院,山西太原 030051;中北大学仪器与电子学院,山西太原 030051【正文语种】中文【中图分类】TP2120 引言随着MEMS技术的发展，在微小型硅高温压力传感器领域，SOI晶圆材料因其优良的高温特性成为制作高温器件的首选材料[1]。