CN101881676B - 嵌入式单晶硅腔体的六边形硅膜压阻式压力传感器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种嵌入式单晶硅腔体的六边形硅膜片压阻式压力传感器及方法。其特征是所述微机械压力传感器由(111)单晶硅片单片单面体硅微机械加工而成，采用单晶硅薄膜作为压力传感器的感压膜片，膜片设计成规则六边形且相邻两边夹角均为120°，压力腔体位于膜片正下方且直接嵌入硅片内部，腔体加工分别采用长条和栅格两种结构方式通过横向刻蚀掏空以及缝合而成。根据膜片区域应力分布，利用压阻的纵向效应和横向效应分别设计两种不同类型的压阻排布方式。采用单一硅片单面的体硅微机械加工技术，实现了该传感器的结构加工，并发明了压阻元件集成的方法，可以制作量程从1KPa-50MPa灵敏度高、量程大、尺寸小等特点的压力传感器，具有广阔的应用前景。

Description

嵌入式单晶硅腔体的六边形硅膜压阻式压力传感器及方法

技术领域

本发明涉及一种嵌入式单晶硅腔体的六边形硅膜片压阻式压力传感器及制作方法，属于硅微机械传感器领域。

背景技术

压阻式压力传感器出现于上世纪六十年代，随着MEMS技术的不断发展，硅微机械加工工艺的日趋成熟使得敏感元件微型化，实现了传感器生产的批量化、低成本化，确立了其在压力测量领域的主导地位，较之传统的膜合电位计式、变电感式、力平衡式、金属应变片式、变电容式及半导体应变片式传感器技术上要先进得多，其不仅具有灵敏度高、响应速度快、可靠性好、精度较高、低功耗、且易于微型化与集成化等一系列优点。在以大规模集成电路和计算机软件技术介入为特色的智能传感器中，由于它能做成单片式多功能复合敏感元件而构成智能传感器的基础。

当前压力传感器主要是用(100)硅片通过硅微机械工艺加工制造而成，压力膜片主要有方形和圆形两种形式并通过在膜片上分布压敏电阻组成惠斯顿电桥实现对外部压力的检测。这种结构的压力传感器的最大特点在于需要依靠硅-玻璃或者硅-硅键合方式来形成压力腔体和提供衬底框架[Tsung-Lin Chou，Chen-Hung Chu，Chun-Te Lin，Kuo-Ning Chiang.Sensitivity analysis of packaging effect of silicon-basedpiezoresistive pressure sensor，Sensor and Actuators，2009，A152：29-38]。因此，这这种结构的压力传感器不仅结构尺寸较大，制作成本较高并且工艺比较复杂。传统压力传感器都是从硅片背面腐蚀减薄硅片来加工压力膜片，由于硅圆片厚度不可能做到处处一致，再加上KOH湿法刻蚀速率难以做到各处相同，因此，加工后的膜片厚度均匀性存在一定的问题。尤其是加工薄膜片，均将导致压力传感器灵敏度不一致和成品率难以进一步提高，同时，这种从硅片背面减薄加工薄膜的方法也使得加工后传感器芯片尺寸偏大。再者，以体硅微机械加工的压力传感器多般采用高温键合方式构成压力传感器的密封腔体，这种方式不仅使加工后的传感器尺寸不宜进一步缩小，而且大大提高生产成本。另外，键合过程中不同材料间的热不匹配所导致的残余应力对传感器零漂会产生较大的影响[Kovacs GTA，Maluf NI，PetersenKE.Bulk micromachining of silicon，P IEEE，1998，86(8)：1536～1551]。

当前，以表面微机械加工的压力传感器技术得以广泛应用，这种结构的传感器主要采用氮化硅、多晶硅或其他材料作为压力膜片材料[H S Ko，C Wliu，C Gau.Novel fabrication of a pressure sensor with polymer materialand evaluation of its performance，J.Micromech.Microeng.，2007，17：1640-1648]，并通过在薄膜上方沉积多晶硅电阻组成压阻检测电路，压力腔体主要通过腐蚀牺牲层来实现。由于这些薄膜材料在力学性能方面劣于单晶硅薄膜材料，并且表面微机械加工出来的压力膜片也不能太厚，因此不能加工大量程的压力传感器，还有沉积薄膜的内在应力也影响到传感器输出特性等问题，再者，表面微机械加工的压力传感器也不易在膜片上集成压阻器件。而本发明拟提出一种嵌入式单晶硅腔体的六边形硅膜片压阻式压力传感器及其单一硅片单面制作方法，采用单晶硅六边形薄膜作为压力薄膜，压力腔体被巧妙地嵌入到硅基衬底内部，取代了传统通过键合封装来形成腔体的方法。使发明提供的传感器不仅结构新颖实用，工艺简单，而且避免了采用体硅微机械或表面微机械加工压力传感器所带来的不足，可实现小型化、低成本和大批量生产要求。从而构筑成本发明的主要构思。

发明内容

本发明的目的在于提供嵌入式单晶硅腔体的六边形硅膜压阻式压力传感器及方法，以克服传统压阻式压力传感器及其相应硅微机械加工方法所存在的不足，也即本发明提供一种新型三维体硅微机械加工技术，通过单一硅片单面实现嵌入式单晶硅腔体的六边形硅膜片压阻式压力传感器以及制作方法。

具体地说，所提供的微机械压力传感器由(111)单晶硅片通过单一硅片单面体硅微机械加工而成，所提供的传感器主要包括以下几个部分：(1)六边形单晶硅压力薄膜；(2)嵌入式单晶硅参考压力腔体；(3)释放窗口；(4)检测电阻；(5)引线。传感器采用单晶硅薄膜作为压力传感器的感压微机械膜片，所述的感压微机械膜片设计成规则六边形且相邻两边夹角均为120°(如图1所示)，膜片最终厚度由硅片正面干法刻蚀不同深度的槽决定，因此可大大提高传感器的一致性和成品率。参考压力腔体位于压力膜片正下方，采用直接嵌入到单晶硅片内部方式，参考压力腔体的加工分别采用长条式沟槽侧壁刻蚀(如图3(a))或栅格式沟槽侧壁刻蚀(如图3(b))两种不同的刻蚀掏空腔体方式，侧壁掏空后的腔体采用LPCVD工艺沉积低应力多晶硅实现压力腔体的密封，同时完成压力膜片的缝合。根据膜片区域应力分布情况，利用压阻的纵向效应和横向效应，分别在压力膜片上表面设计两种不同类型的压阻排布方式。一种压阻排布是利用电阻条的纵向压阻效应，把四个敏感电阻条分别布置在规则六边形的上下位置和左右位置(如图3(a))；具体地说上下两个电阻位于压应力区域，左右两个电阻位于张应力区域；另一种压阻排布同时考虑电阻条的纵向压阻效应和横向压阻效应，把四个敏感电阻沿规则六边形竖直平行对立的两条边所构成的长方形的长边方向并排布置(如图3(b))，四个等值的电阻条组成惠斯顿全桥检测电路。该传感器的微机械结构以往一般要用表面微机械工艺加工，但是表面微机械加工出来的压力膜片厚度有限，存在膜片内在应力影响传感器特性等问题，且膜片上不易集成压阻元件。本发明采用深槽刻蚀、侧向腔体掏空和薄膜缝合等体硅微机械工艺来代替传统的表面微机械工艺，既克服了传统体硅微机械压力传感器从硅片背面腐蚀减薄来形成压力膜片所导致了膜片厚度不均，使得压力传感器灵敏度不一致和成品率难以提高等问题，又具有单一硅片单面加工压力传感器的低成本优势，且单晶硅无内在应力，膜片厚度不受限制，可利用半导体掺杂来形成压阻敏感元件。

本发明的基本制作过程如下：

(1)在热氧化硅片上采用硼离子注入方法制作敏感电阻，注入倾斜角取7°～10°之间，其方块电阻值在72-90欧姆范围内。

(2)LPCVD沉积低应力氮化硅或二氧化硅作为已加工电阻及单晶硅薄膜表面抗深度反应离子刻蚀和腔体湿法刻蚀掏空的钝化保护层。

(3)采用硅深度反应离子刻蚀工艺加工制作腔体释放窗口图形(如：长条式沟槽释放窗口尺寸为300μm×4μm，栅格式沟槽释放窗口每小格尺寸为4μm×6μm，相邻两小格间距为1.5μm)，释放窗口的刻蚀深度即为压力膜片的厚度。

(4)LPCVD沉积低应力氮化硅(或氮化硅和二氧化硅)作为腔体刻蚀掏空过程中膜片侧壁湿法刻蚀时的侧壁钝化保护层。

(5)利用反应离子刻蚀工艺(或深度反应离子刻蚀工艺)剥离沟槽释放窗口底部的钝化保护层，然后再利用硅反应离子刻蚀工艺继续刻蚀出腔体的深度(这里深度取10μm)，这两步骤干法刻蚀均不需要任何掩模。

(6)利用KOH溶液或者TMAH腐蚀溶液刻蚀加工压力传感器腔体。

(7)利用LPCVD工艺沉积低应力多晶硅缝合释放窗口，同时密封传感器的绝压腔体。

(8)采用深度反应离子刻蚀技术去除硅表面多余的多晶硅。

(9)采用150℃，85％磷酸腐蚀硅片表面残余的氮化硅钝化保护层(氮化硅也可保留用作绝缘层)。制作欧姆接触区和引线孔。

(10)在硅片表面溅射铝薄膜，并形成引线和焊盘。

(11)划片、测试并封装。

综上所述，为实现嵌入式单晶硅腔体的六边形硅膜片压阻式压力传感器，本发明采用(111)单晶硅片，充分利用其晶向腐蚀的特点，发明了体硅微机械加工方法，实现了该传感器的结构加工。同时，发明了压阻元件集成的方法，实现了压力传感器高灵敏度的检测。本发明的压力传感器结构新型实用，制作工艺简单，通过对膜片厚度的调整，可以制作量程从1KPa～50MPa，具有灵敏度高、量程大、尺寸小等特点的绝对和相对压力传感器，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明提供的嵌入式单晶硅腔体的六边形硅膜片压阻式压力传感器芯片三维结构示意图。

图2为图1的A-A截面示意图。

图3(a)为本发明提供的长条式沟槽侧壁释放窗口结构示意图，(b)为本发明提供的栅格式沟槽侧壁释放窗口结构示意图。

图4为本发明提供的嵌入式单晶硅腔体的六边形硅膜片压阻式压力传感器芯片工艺流程图，其中(a)为硅片热氧化；(b)为硼离子注入制作压阻；(c)为刻蚀薄膜释放槽并确定薄膜厚度；(d)刻蚀压力腔体高度；(e)腔体加工；(d)腔体缝合并制作引线。

图5采用长条式沟槽释放窗口的压力传感器实物照片。

图6采用栅格式沟槽释放窗口的压力传感器实物照片。

图7加工后传感器腔体SEM截面图。

图8为加工后传感器输出电压及压力的测试曲线图。

图中：

1——硼掺杂后形成的敏感电阻；

2——六边形单晶硅薄膜；

3——栅格式沟槽腔体释放窗口；

4——压力传感器的腔体；

5——N型(111)单晶硅；

6——长条式沟槽腔体释放窗口；

7——引线焊盘；

8——引线。

具体实施方式

下面通过具体实施进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅仅限于所述的实施例。

本发明提供的压力传感器采用(111)单晶硅薄膜作为传感器的感压膜片，感压膜片设计成规则六边形且相邻两边的夹角均为120°，膜片厚度由硅片正面干法刻蚀不同深度的槽决定。压力腔体直接嵌入到硅衬底内部，分别采用长条式沟槽侧壁刻蚀(如图3(a))或栅格式沟槽侧壁刻蚀(如图3(b))两种不同的掏空腔体方式，侧壁掏空后的腔体采用低应力多晶硅来实现压力腔体的密封，同时完成压力膜片的缝合。根据膜片应力分布情况，充分利用压阻的纵向效应和横向效应，分别设计两种不同类型的压阻排布方式。一种压阻排布利用电阻条的纵向压阻效应，把四个敏感电阻条分别布置在规则六边形的上下位置和左右位置(如图3(a))；另一种压阻排布同时考虑电阻条的纵向压阻效应和横向压阻效应，把四个敏感电阻沿规则六边形竖直平行对立的两条边所构成的长方形的长边方向并排布置(如图3(b))，四个等值的电阻条组成惠斯顿全桥检测电路。同时，对于不同量程的传感器设计，单晶硅压力薄膜的厚度可根据有限元分析结果来确定。

以量程为1KPa-700KPa的嵌入式单晶硅腔体的六边形硅膜片压阻式压力传感器芯片和制作方法：所设计的单晶硅压力薄膜厚度为6μm，相邻两条边的夹角为120°，两条竖直平行边的长度均为56μm，间距为300μm，长条式沟槽释放窗口尺寸为300μm×4μm(如果采用栅格式沟槽释放窗口，则每小格尺寸为4μm×6μm，相邻两小格间距为1.5μm)，参考压力腔体尺寸高度取10μm。

具体工艺实施步骤如下：

(1)采用硼离子注入方法制作敏感电阻，注入倾斜角取7°-10°之间，其方块电阻值在72-90欧姆范围(如图4(b))。

(2)LPCVD沉积低应力氮化硅和二氧化硅作为已加工电阻及单晶硅薄膜表面深度反应离子刻蚀和腔体湿法刻蚀掏空时的钝化保护层。

(3)采用硅深度反应离子刻蚀工艺加工制作腔体释放窗口图形(如：长条式沟槽释放窗口尺寸为300μm×4μm，栅格式沟槽释放窗口每小格尺寸为4μm×6μm，相邻两小格间距为1.5μm)，沟槽的刻蚀深度为薄膜的厚度(如图4(c))。

(4)LPCVD沉积低应力氮化硅(或为氮化硅和二氧化硅复合层)作为加工腔体时沟槽释放窗口侧壁湿法刻蚀时的侧壁钝化保护层。

(5)利用反应离子刻蚀工艺(或深度反应离子刻蚀工艺)剥离释放窗口底部的钝化保护层，然后再利用硅反应离子刻蚀工艺继续刻蚀出腔体的深度(这里深度取10μm)，这两步骤干法刻蚀均不需要任何掩模(如图4(d))。

(6)利用KOH溶液或者TMAH腐蚀溶液刻蚀加工压力传感器的腔体(如图4(e))。

(7)利用LPCVD工艺沉积低应力多晶硅缝合沟槽释放窗口，同时密封传感器的压力腔体。

(8)采用深度反应离子刻蚀技术去除硅表面多余的多晶硅。

(9)采用150℃，质量百分浓度为85％磷酸腐蚀硅片表面残余的氮化硅钝化保护层。制作欧姆接触区和引线孔。

(10)在硅片表面溅射铝薄膜，并形成引线和焊盘(如图4(f))，加工后的传感器实物图如图5、图6和图7所示。

Claims (10)

1.一种基于嵌入式单晶硅腔体的六边形硅膜片压阻式压力传感器，其特征在于所述的压力传感器由(111)单晶硅片单片单面体硅微机械加工而成，所述的压力传感器的感压微机械膜片设计成规则六边形且相邻两边的夹角均为120°，在所述的压力传感器的感压微机械膜片正下方的参考压力腔体直接嵌入到单晶硅片内部；参考压力腔体是采用长条式沟槽侧壁刻蚀或栅格式沟槽侧壁刻蚀不同的掏空腔体方式加工而成的；侧壁掏空后的腔体密封的同时完成感压微机械膜片的缝合；压阻排布是将四个敏感电阻条分别布置在规则六边形的上下位置和左右位置；或将四个敏感电阻条沿规则六边形竖直平行对立的两条边所构成的长方形的长边方向并排布置，四个等值的电阻条组成惠斯顿全桥检测电路。

2.按照权利要求1所述的压力传感器，其特征在于所述的压力传感器的感压微机械膜片的厚度由硅片正面干法刻蚀不同深度的槽决定。

3.按照权利要求1所述的压力传感器，其特征在于侧壁掏空后的腔体密封是采用低应力多晶硅实现的。

4.按照权利要求1所述的压力传感器，其特征在于四个敏感电阻条分别布置在规则六边形薄膜的上下位置和左右位置是上下两个电阻条位于压应力区域，左右两个电阻条位于张应力区域。

5.制作如权利要求1-4任一项所述的压力传感器的方法，其特征在于工艺步骤如下：

(a)在热氧化的硅片上采用硼离子注入方法制作敏感电阻条，注入倾斜角取7°-10°之间，其方块电阻值在72-90欧姆范围内；

(b)LPCVD沉积低应力氮化硅和二氧化硅作为已加工电阻及单晶硅薄膜表面深度反应离子刻蚀和后续湿法刻蚀释放的钝化保护层；

(c)采用硅深反应离子刻蚀工艺加工制作腔体沟槽释放窗口图形，释放窗口的刻蚀深度即为感压微机械膜片的厚度；

(d)使用LPCVD沉积低应力氮化硅作为腔体刻蚀掏空过程中膜片侧壁湿法刻蚀时的侧壁钝化保护层；

(e)利用反应离子刻蚀工艺剥离释放窗口底部的钝化保护层，然后再利用硅反应离子刻蚀工艺继续刻蚀出腔体的深度；

(f)利用KOH溶液或者TMAH腐蚀溶液刻蚀加工释放参考压力腔体；

(g)利用LPCVD工艺沉积低应力多晶硅缝合腔体沟槽释放窗口，同时密封传感器的参考压力腔体；

(h)采用深反应离子刻蚀技术去除硅表面多余的多晶硅；

(i)采用150℃，质量百分浓度为85％磷酸腐蚀硅片表面残余的氮化硅钝化保护层，制作欧姆接触区和引线孔；

(j)在硅片表面溅射铝薄膜，并形成引线和焊盘；

(k)划片、测试并封装。

6.按权利要求5所述的方法，其特征在于长条式沟槽释放窗口尺寸为300μm×4μm；栅格式沟槽释放窗口每小格为4μm×6μm，相邻两小格间距为1.5μm，沟槽的刻蚀深度为感压微机械膜片的厚度。

7.按权利要求5所述的方法，其特征在于步骤d沉积低应力氮化硅或为氮化硅和二氧化硅的复合层。

8.按权利要求5所述的方法，其特征在于步骤e在干法刻蚀时不需要掩膜。

9.按权利要求5所述的方法，其特征在于保留步骤i中表面残余的氮化硅钝化保护层，将它作为绝缘层。

10.按权利要求5所述的方法，其特征在于适用于制作1Kpa-50Mpa的压力传感器。

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