CN102539055B - 基于智能剥离硅隔离芯片的耐高温抗腐蚀压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于智能剥离硅隔离芯片的耐高温抗腐蚀压力传感器，用于检测压力介质的压力，其包括依次设置的压力传感器芯片、金锗合金膜层、弹性膜片；压力传感器芯片为采用智能剥离技术形成的硅隔离芯片；弹性膜片具有第一面和第二面；压力传感器芯片为两片且对称地设置于弹性膜片的第一面的应力最大处；弹性膜片的第二面面向压力介质。本发明采用了基于智能剥离技术形成的硅隔离芯片，能够耐受较高的温度，适用于高温场合；采用了压力传感器芯片不与压力介质接触，具有防腐蚀功能；本发明的压力传感器电阻值控制精确，长期稳定性好，成本低，灵敏度高，可在高温且具有化学腐蚀气氛的恶劣条件下可靠的工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力传感器，具体地说，涉及一种耐高温、抗腐蚀的基于智能剥离硅隔离芯片的压力传感器。
背景技术
高温压力传感器在飞机引擎控制、化学工业、石油化工以及能源电力等领域有着非常广泛的应用。
近年来，人们把注意力集中在开发基于宽能带材料的高温压力传感器，如碳化硅、氮化镓等，这些材料虽然有着优良的抗腐蚀耐高温性能，但其加工工艺还不成熟，加工成本很高，离实现应用还有较大的距离。因此，基于SOI硅材料的的低成本压阻式高温压力传感器仍然具有很大的吸引力。
SOI硅材料采用二氧化硅作为介质隔离，没有扩散硅压力传感器的PN结隔离的高温漏电现象，因此可以耐受较高的温度，用SOI制作的压力传感器的工作温度可达500℃，最高工作温度甚至高达600℃。目前，市场上的SOI晶圆片主要有三种类型：一种是采用硅-二氧化硅键合再减薄的方式形成的SOI晶圆片，这类晶圆片的激活硅层厚度较厚，一般大于2微米，较难形成高温压阻式传感器所需要的掺杂均匀的激活层；第二种是采用氧离子注入方式形成的SOI晶圆片（SIMOX），这类晶圆片的氧化层很难做厚，最厚不过0.4微米，难以次年工程超高温传感器所需的较厚的较高温低漏电流的绝缘层，最高耐温350℃左右，而氧化层上的硅单晶层的厚度只有0.2微米左右，需要再做硅外延以增加厚度；第三种是采用智能剥离技术（SMART-CUT）形成的SOI晶圆片，这类晶圆片的硅激活层厚度约为0.3-0.4微米，可以容易通过离子注入或高温扩散方法形成掺杂均匀的激活层，而且氧化硅埋层厚度可以做得比较厚，在1-3微米之间任意选定，因此这种基于SMART-CUT技术的SOI硅晶圆片最适合于压阻式超高温压力传感器（350-500℃）。
抗腐蚀压力传感器一般采用不锈钢作为应变膜片，其中，不充油式传感器通过共晶键合技术将电阻条芯片与不锈钢压力膜片粘连在一起形成，由于其面向压力介质的一面为不锈钢应变膜片的另一面，电阻条本身并不与外界接触，因此具有抗腐蚀功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐高温、抗腐蚀的基于智能剥离技术（SMART-CUT）技术形成的SOI芯片的压力传感器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于智能剥离硅隔离芯片的耐高温抗腐蚀压力传感器，用于检测压力介质的压力，其包括依次设置的压力传感器芯片、金锗合金膜层、弹性膜片；
所述的压力传感器芯片为采用智能剥离技术形成的硅隔离芯片；所述的弹性膜片具有第一面和第二面；所述的压力传感器芯片为两片且对称地设置于所述的弹性膜片的第一面的应力最大处；所述的弹性膜片的第二面面向所述的压力介质。
优选的，所述的压力传感器芯片包括依次设置的对压力敏感的高掺杂单晶硅层、二氧化硅埋层、衬底硅层；所述的单晶硅层包括电阻条。
优选的，所述的压力传感器芯片与所述的弹性膜片通过短暂液相过渡共晶键合工艺封装；所述的压力传感器芯片上依次淀积有粘附层、硅扩散阻挡层、金扩散阻挡层、第一金膜层、超薄锗层；所述的弹性膜片上电镀有第二金膜层；当所述的压力传感器芯片与所述的弹性膜片相键合时，所述的超薄锗层与所述的第一金膜层和所述的第二金膜层的界面处的金原子和锗原子发生共晶熔化，所述的超薄锗层中的锗原子向周围扩散而使锗原子浓度逐渐下降，最终金锗共晶由液态转变为固态形成所述的金锗合金膜层，所述的金锗合金膜层中锗原子的浓度低于3%。
优选的，所述的压力传感器芯片与所述的弹性膜片的键合温度为360℃-450℃。
优选的，所述的压力传感器芯片采用如下工艺制成：向第一片硅晶圆片中注入氢离子形成微气泡层，再将该第一片硅晶圆片与含有所述的二氧化硅埋层和所述的衬底硅层的第二片硅晶圆片直接键合后加高温退火裂变，所述的第一片硅晶圆片与所述的第二片硅晶圆片之间形成激活层，向所述的激活层中注入硼离子形成所述的高掺杂单晶硅层，再采用等离子刻蚀方法将所述的高掺杂单晶硅层刻蚀成所述的电阻条。
优选的，所述的高掺杂单晶硅层上形成有欧姆接触金属层和氮化硅钝化层。
优选的，所述的弹性膜片为金属膜片，且所述的弹性膜片为圆形膜片。
优选的，其还包括温度补偿芯片，所述的温度补偿芯片设置于所述的弹性膜片的第一面的应力最小处。
优选的，所述的温度补偿芯片包括依次设置的温度补偿电阻条层、温度补偿二氧化硅埋层、温度补偿衬底硅层；所述的温度补偿电阻条层具有温度补偿电阻；所述的温度补偿芯片通过共晶键合方式粘贴于所述的弹性膜片上。
优选的，其还包括外壳，所述的外壳与所述的弹性膜片采用相同材料且一体加工而成，所述的外壳包括具有中心孔的边框，所述的弹性膜片通过悬臂梁与所述的边框相连接于同一平面上，且所述的弹性膜片位于所述的中心孔中。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、本发明采用了基于智能剥离技术形成的硅隔离芯片，能够耐受较高的温度，适用于高温场合；
2、本发明采用了压力传感器芯片不与压力介质接触，具有防腐蚀功能；
3、本发明的压力传感器电阻值控制精确，长期稳定性好，成本低，灵敏度高，可在高温且具有化学腐蚀气氛的恶劣条件下可靠的工作。
附图说明
附图1为本发明的基于智能剥离硅隔离芯片的耐高温抗腐蚀压力传感器的压力传感器芯片的结构剖视图。
附图2为本发明的基于智能剥离硅隔离芯片的耐高温抗腐蚀压力传感器的结构示意图。
附图3为本发明的基于智能剥离硅隔离芯片的耐高温抗腐蚀压力传感器的结构剖视图。
附图4为60MPa压力施加于弹性膜片时的有限元分析应力三维分布图。
附图5为60MPa压力施加于弹性膜片时沿弹性膜片表面中心线的应力分布图。
附图6为本发明的基于智能剥离硅隔离芯片的耐高温抗腐蚀压力传感器在短暂液相过渡共晶键合前的结构剖面图。
附图7为本发明的基于智能剥离硅隔离芯片的耐高温抗腐蚀压力传感器在短暂液相过渡共晶键合后的结构剖面图。
附图8为金锗合金二元相图。
以上附图中：1、外壳；11、压力进口；12、悬臂梁；13、边框；2、弹性膜片；3、金锗合金膜层；4、压力传感器芯片；401、高掺杂单晶硅层；402、二氧化硅埋层；403、衬底硅层；404、氮化硅钝化层；405、欧姆接触金属层；406、粘附层；407、硅扩散阻挡层；408、金扩散阻挡层；409、第一金膜层；410、超薄锗层；5、第二金膜层；6、温度补偿芯片。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：参见附图2、附图3和附图7所示。
一种基于智能剥离硅隔离芯片的耐高温抗腐蚀压力传感器，用于检测压力介质的压力。其包括具有压力进口11的外壳1、与外壳1采用同种材料并一体成型的弹性膜片2、金锗合金膜层3、压力传感器芯片4、温度补偿芯片6。
外壳1和弹性膜片2采用thermo-span高温合金或Hanye230高温合金制成，上述材料的热膨胀系数比一般的不锈钢材料低。弹性膜片2为圆形膜片，外壳1包括具有圆形中心孔的边框13，边框13设置于压力进口11的一端并与压力进口11相垂直。弹性膜片2通过四个悬臂梁12与边框13相连接于同一平面上，且弹性膜片2位于边框13的中心孔中。弹性膜片2具有第一面和第二面，其第二面与压力进口11的一端部相对，以面向压力介质。
压力传感器芯片4为采用智能剥离技术形成的硅隔离芯片。压力传感器芯片4为两片且对称地设置于弹性膜片2的第一面的应力最大处。弹性膜片2的第一面上的应力最小处还设置有四个温度补偿芯片6。
由附图4和附图5可以看出，弹性膜片2的应力最大处在其中心处，而在弹性膜片2的边缘处，应力由负值变为正值，而弹性膜片2的外围处应力最小。因此，将两片压力传感器芯片4沿弹性膜片2的中心对称的设置，而温度补偿芯片6设置于弹性膜片2外围的圆环处，这样，温度补偿芯片6几乎不受外加压力的影响，而只对温度反应。
参见附图1所示，压力传感器芯片4包括依次设置的对压力敏感的高掺杂单晶硅层401、二氧化硅埋层402、衬底硅层403；单晶硅层包括电阻条。其中，衬底硅层403厚度约为20-40微米，可通过机械抛光法得到；二氧化硅埋层402厚度约为1-3微米；高掺杂单晶硅层401的厚度约为0.32-0.7微米。高掺杂单晶硅层401上形成有欧姆接触金属层405和氮化硅钝化层404。氮化硅钝化层404的厚度约为0.1-0.3微米，欧姆接触金属层405的厚度约为0.8-1.2微米。
采用SMART-CUT技术制成该压力传感器芯片4。首先向第一片硅晶圆片中注入氢离子形成微气泡层，再将该第一片硅晶圆片与含有二氧化硅埋层402和衬底硅层403的第二片硅晶圆片直接键合后加高温退火裂变，第一片硅晶圆片与第二片硅晶圆片之间形成激活层。向激活层中注入硼离子形成高掺杂单晶硅层401，掺杂浓度越高，电阻热温度系数越低。最后采用等离子刻蚀方法将高掺杂单晶硅层401刻蚀成沿晶向分布的电阻条。每两个电阻条形成一个半桥结构压力传感器芯片4，每个压力传感器芯片4的尺寸为1500微米×500微米，厚度约为20-50微米。其中，电阻条的宽度为10-20微米，长度约为1000-1500微米。电阻条形成后，用真空溅射和LIFT-OFF相结合的方法形成耐高温的欧姆接触金属层405，然后用DRIE深度刻蚀法在衬底硅层403刻出的深槽，并在衬底硅层403的背面减薄至深槽露出，这样可以不用划片就得到单个的压力传感器芯片4。
压力传感器芯片4与弹性膜片2通过短暂液相过渡共晶键合工艺封装。参见附图6所示，首先在压力传感器芯片4上，即衬底硅层403的背面用真空溅射依次淀积粘附层406、硅扩散阻挡层407、金扩散阻挡层408、第一金膜层409、超薄锗层410。相对于通常采用的金锡焊片共晶键合的方法来说，这种方法可以使衬底硅层403上同时淀积厚度均匀的各层，而不需单片操作，既节省时间和成本，又有很好的重复性和一致性。另一方面，在弹性膜片2上电镀第二金膜层5。然后，将压力传感器芯片4对准贴在弹性膜片2的相应位置上，加上一定的压力放到高温炉中加热到所需的键和温度，键合温度为360℃-450℃，在本实施例中，采用450℃。当压力传感器芯片4与弹性膜片2相键合时，二者通过一种叫作短暂液相过渡共晶键合的过程形成固态键合。参见附图8所示，该键合过程可以通过金锗合金二相图来描述。图中A点是金锗合金的共晶熔点，温度为361℃，这里金原子浓度为72%，锗原子浓度为28%。当上述压力传感器芯片4和弹性膜片2放入高温炉中，超薄锗层410与第一金膜层409和第二金膜层5的界面处的部分金原子和锗原子达到上述条件时发生共晶熔化。随着温度保持在450℃，超薄锗层410中的锗原子向周围扩散而使锗原子浓度逐渐下降，共晶条件转移至附图8中的B点。随着锗的继续扩散，共晶点又慢慢转移到C点，此时锗原子的浓度降到3%左右，金锗共晶由液态向固态转变；当所有区域的锗原子的浓度降到3%以下时，所有的液态区域转化为固态，共晶键合完成，形成金锗合金膜层3。参见附图7所示，金锗合金膜层3中锗原子的浓度低于3%。由附图8可以看出，若共晶键合后的锗原子的浓度越低，则压力传感器芯片4的工作温度越高，理论上工作温度可以达到1000℃。实际操作中，超薄锗层410的厚度控制极为关键。若太厚则锗原子的浓度难以降到3%以下，太薄又不容易形成液相共晶过渡层。此外，金的杨氏模量是79GP，金锗合金的杨氏模量为81GP左右，而金锡合金的杨氏模量为60GP，低温玻璃浆料的杨氏模量是70GP左右。因此，采用这种键合技术的压力传感器比现有的键合方法（采用金锡焊片共晶键合和采用玻璃浆料键合）可以有更大的应力传递。
将两片半桥结构的压力传感器芯片4对称的设置于弹性膜片2中心的两侧，可以形成一个全桥电路。
传统的温度补偿方法是采用有源电路（三极管或集成电路）进行灵敏度补偿。然而在高温环境下这些补偿元件不能与压力传感器芯片4处于同一温区，因此要进行温度补偿，需要一种耐高温温度补偿元件并能与压力传感器芯片4处于同一温区并具有良好的补偿作用。参见附图2和附图3所示，在弹性膜片2的外围处，即边框13上设置四个温度补偿芯片6。温度补偿芯片6包括依次设置的温度补偿电阻条层、温度补偿二氧化硅埋层、温度补偿衬底硅层，温度补偿电阻条层具有温度补偿电阻，温度补偿电阻的阻值大小根据补偿方法是恒流源还是恒压源而定。温度补偿芯片6采用与压力传感器芯片4相同的工艺制作，则温度补偿电阻与压力传感器的电阻条具有相同的温度系数。温度补偿芯片6通过共晶键合方式粘贴于弹性膜片2的外周上，此处不受施加的压力影响，热应力也最小，温度补偿电阻只对温度变化起反应，而不对外加压力起反应。温度补偿电阻与压力传感器芯片4的电阻条处于同一温区，可以精确测量电桥工作温度的变化。
若温度补偿采用恒流源供电，则将温度补偿电阻与惠斯顿电桥并联；若采用恒压源供电，则将温度补偿电阻与惠斯顿电桥串联。这种补偿方法的优点是方法简单、成本低，缺点是补偿精度不高，一般能达到的精度是满量程的1%左右。还有一种温度补偿方法是数字补偿法。首先通过对压力传感器进行压力和温度输出信号进行校准调试，而得到一组压力和温度的输出数据，再对数据用最小二乘法进行高阶多项式曲面拟合，由此得到一组多项式的拟合系数。在实际应用中，只要把桥路输出电压信号的温度补偿电阻的信号转变为数值信号，通过含有相应补偿系数的多项式计算实际压力值。例如，一个5阶多项式的计算公式如下：
其中，C0、C1、…、C20为5阶多项式的补偿系数，VP和VT由以下二式确定：
其中，VmeasP为传感器的桥路输出电压信号；VmeasT为温度补偿电阻的电压信号；Vref为参考电压。
采用数字补偿法的优点是可以得到更高的精度，一般可以达到满量程的0.1-0.5%，缺点是需要复杂的校准调试过程和较为复杂的数字处理电路，成本较高。
通常根据实际应用的条件和要求来决定采用何种补偿方法。
上述基于智能剥离硅隔离芯片的耐高温抗腐蚀压力传感器能够耐受较高的温度，且具有防腐蚀功能，其电阻值控制精确，长期稳定性好，成本低，灵敏度高，可在高温且具有化学腐蚀气氛的恶劣条件下可靠的工作。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于智能剥离硅隔离芯片的耐高温抗腐蚀压力传感器，用于检测压力介质的压力，其特征在于：其包括依次设置的压力传感器芯片、金锗合金膜层、弹性膜片；
所述的压力传感器芯片为采用智能剥离技术形成的硅隔离芯片；所述的弹性膜片具有第一面和第二面；所述的压力传感器芯片为两片且对称地设置于所述的弹性膜片的第一面的应力最大处；所述的弹性膜片的第二面面向所述的压力介质；
所述的压力传感器芯片与所述的弹性膜片通过短暂液相过渡共晶键合工艺封装；所述的压力传感器芯片上依次淀积有粘附层、硅扩散阻挡层、金扩散阻挡层、第一金膜层、超薄锗层；所述的弹性膜片上电镀有第二金膜层；当所述的压力传感器芯片与所述的弹性膜片相键合时，所述的超薄锗层与所述的第一金膜层和所述的第二金膜层的界面处的金原子和锗原子发生共晶熔化，所述的超薄锗层中的锗原子向周围扩散而使锗原子浓度逐渐下降，最终金锗共晶由液态转变为固态形成所述的金锗合金膜层，所述的金锗合金膜层中锗原子的浓度低于3%；
所述的压力传感器芯片采用如下工艺制成：向第一片硅晶圆片中注入氢离子形成微气泡层，再将该第一片硅晶圆片与含有所述的二氧化硅埋层和所述的衬底硅层的第二片硅晶圆片直接键合后加高温退火裂变，所述的第一片硅晶圆片与所述的第二片硅晶圆片之间形成激活层，向所述的激活层中注入硼离子形成所述的高掺杂单晶硅层，再采用等离子刻蚀方法将所述的高掺杂单晶硅层刻蚀成所述的电阻条。
2.根据权利要求1所述的基于智能剥离硅隔离芯片的耐高温抗腐蚀压力传感器，其特征在于：所述的压力传感器芯片包括依次设置的对压力敏感的高掺杂单晶硅层、二氧化硅埋层、衬底硅层；所述的单晶硅层包括电阻条。
3.根据权利要求1所述的基于智能剥离硅隔离芯片的耐高温抗腐蚀压力传感器，其特征在于：所述的压力传感器芯片与所述的弹性膜片的键合温度为360℃-450℃。
4.根据权利要求2所述的基于智能剥离硅隔离芯片的耐高温抗腐蚀压力传感器，其特征在于：所述的高掺杂单晶硅层上形成有欧姆接触金属层和氮化硅钝化层。
5.根据权利要求1所述的基于智能剥离硅隔离芯片的耐高温抗腐蚀压力传感器，其特征在于：所述的弹性膜片为金属膜片，且所述的弹性膜片为圆形膜片。
6.根据权利要求1所述的基于智能剥离硅隔离芯片的耐高温抗腐蚀压力传感器，其特征在于：其还包括温度补偿芯片，所述的温度补偿芯片设置于所述的弹性膜片的第一面的应力最小处。
7.根据权利要求6所述的基于智能剥离硅隔离芯片的耐高温抗腐蚀压力传感器，其特征在于：所述的温度补偿芯片包括依次设置的温度补偿电阻条层、温度补偿二氧化硅埋层、温度补偿衬底硅层；所述的温度补偿电阻条层具有温度补偿电阻；所述的温度补偿芯片通过共晶键合方式粘贴于所述的弹性膜片上。
8.根据权利要求1所述的基于智能剥离硅隔离芯片的耐高温抗腐蚀压力传感器，其特征在于：其还包括外壳，所述的外壳与所述的弹性膜片采用相同材料且一体加工而成，所述的外壳包括具有中心孔的边框，所述的弹性膜片通过悬臂梁与所述的边框相连接于同一平面上，且所述的弹性膜片位于所述的中心孔中。
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