CN1052538C - 半导体式差压测量装置 - Google Patents

Abstract

一种含有其两侧设有测量室的测量膜片的半导体式差压测量装置，包括第一室与第一室连通的第一连通孔、凹形部分、第二连通孔、应变检出元件，还包括设置在硅基片上的第二室及一个支承基片。该装置在允许的测量检限内检出差压，但当施加过压时，测量膜片直接由测量室的壁支持以防止膜片被过压所损坏。因此，该装置不需要抗过压的附加保护机构。

Description

半导体式差压测量装置

本发明涉及一种小巧而廉价的差压测量装置，该装置具有一种简单的结构并且仍然很精致，可以制成不带任何耐压壳体或任何抗过压的保护机构，并且没有耐压的气密性端子。

本发明还涉及一种半导体式差压测量装置，该装置包括一个测量膜片，膜片两侧设有两个各有一个预定间隔的测量室，以致当过压施加于测量膜片时，它们可以立即被测量室壁所支持；该装置直接把测量压差的应变检出器用作过压的检出元件，因而是一种简单而廉价的半导体式差压测量装置而且对于检测过压是高度可靠的。

图1是先有技术结构的说明图。例如，可参见JP-A-59-56137(这里引用的“JP-A-”字样意指“一项公布的未审查日本专利申请”)的图1。

参见图1，一个法兰2和另一个法兰3借助于焊接或类似方法装配组合于一个壳体1的两侧，而一个用来引入具有压力P_H的高压流体的进口5和一个用来引入具有压力P_L的低压流体的进口4设于两个法兰2和3上。在壳体1内部形成配备了中心膜片7和硅膜片8的压力测量室6。

中心膜片7和硅膜片8各单独固定于压力测量室6的壁上，把室6分成两部分。支承板6A和6B以这样的方式设置在压力测量室6的壁上，即它们面向中心膜片7。中心膜片7的周边焊接于壳体1。

硅膜片8是整体地由单晶基片制成的。通过如像硼之类的杂质的选择性扩散在硅基片的一侧形成四个应变电阻80，而另一侧接受机械加工和蚀刻而形成凹形膜片。当硅膜片8承受一个差压ΔP时，两个这样形成的应变电阻80受拉而其余两个应变电阻受压。应变电阻接成一个惠斯登电桥，以电阻变化的形式检出差压ΔP的变化。引线81的一端连接应变电阻80，而另一端连接气密性端子82。

气密性端子由支架9支持。支架9面向压力测量腔6的端部用低熔点玻璃或类似的东西固定粘接硅膜片8。

压力引入室10和11设在壳体1与每个法兰2和3之间。液体隔离膜片12和13进一步设置在压力引入室10和11内部，而具有与液体隔离膜片12和13类似的形状的支承板10A和11A以这样的方式形成在壳体1的壁上，即它们面向液体隔离膜片12和13。

液体隔离膜片12和13连同支承板10A和11A划定一个经由连通孔14和15与压力测量室6连通的空间。充满如像硅油之类的密封的液体的部分101和102以这样的方式设置在液体隔离膜片12和13之间，即密封的液体可以经由连通孔16和17达到硅膜片的上平面和下平面。密封的液体被中心膜片7和硅膜片8这样地隔离成部分101和102，即两部分中的液体量大体上相等。

上述结构得以传递从高压侧施加的压力，办法是把施加于液体隔离膜片13的压力经由密封的液体部分102传递到硅膜片8。另一方面，当一个压力从低压侧施加时，施加于液体隔离膜片12的压力经由密封的液体部分101传递到硅膜片8。

因此，可以看到硅膜片8是被高压侧的压力与低压侧的压力之间的压差弄变形的。此变形量，即应变，被应变电阻80以电学方法取出以便测量差压。

然而，上面所描述的装置有下列缺点：

(1)由于差压测量装置一侧的压力P_H作用在传感器的周围，传感器的外部必须由一个耐压容器包围起来；

(2)需要一个耐压的气密性密封端子以便把电信号取出到装置之外；

(3)制造传感器必须用一种复杂的制造方法，因为硅晶片两面都要机械加工；以及

(4)应单独设置一个过压保护机构，因为传感器独自没有这种抗过压的保护手段。

另外，Thomas A.Kencht等人申请的于1988年12月13日授权的美国专利No.4,790,192，文献“Silicon Side by Side coplanarpressure sensors”公开了一种多压传感器。该多压传感器可以按需要传感差分的或绝对的压力，它包括多个介质分离的传感元件并提供表示传感液体介质压力的二个输出。该传感器包括压力传感膜片，合适的封装基以及足够的附加层，用以提供检测压力介质的所需室。该传感装置还可包括应变检出器，连接装置、参考装置及封装装置等。该文件列于此作为参考。

还有，Kensall D.Wise等人申请的于1993年5月4日授权的美国专利No.5,207,107，文献，“Ultraminiature Single CrystalSensor with movable member”公开了一种固态压力传感器，它用于高传感，低压力地进行测量。该固态压力传感器有一个硅膜片和凸缘结构。该文件在列于此也作为参考。

另外，Kyoichi Ikeda等人申请的于1992年6月23日授权的美国专利No.5,123,282，文献“Vibrating type pressure measuringdevice”公开了一压力测量装置，其中传感器部分包括一外壳部分，一支持体，一硅基片，一硅芯片，一硅振荡杆，-DC磁场施加装置，一间隔器以及一装填液体。该文件列于此也作为参考。

本发明的一个目的在于经济地提供一种没有任何特制的耐压壳体或单独的抵抗过压的保护机构，而且不用任何耐压的气密性密封端子的、高性能的小巧的差压测量装置。

一种含有其两侧设有测量室的测量膜片的半导体式差压测量装置，包括：

一个由设置在一个硅基片和一个在所述的硅基片上形成的膜片之间的预定间隔所划定的第一室；

一个设置在所述的硅基片上的第一连通孔，其一端与所述的第一室连通；

一个设置在所述的膜片上、在与上面设置所述的第一室的面对置的侧面上的凹形部分；

一个设置在所述的硅基片上的第二连通孔；

一个设置在所述的膜片上，在其上形成所述的凹形部分的面上的应变检出元件；以及

其特征在于还包括：

一个设置在所述的硅基片上的带有外伸部分的第二室，所述的第二室与所述的凹形部分连通并且安装成除所述的第一连通孔处之外以环形方式包围所述的膜片，其中所述第二连通孔的一端与所述外伸部分连通；

一个支承基片，其表面与所述的硅基片的具有上面形成的所述的凹形部分的表面相接合，所述的支承基片与所述的凹形部分一起划定第二室和另一室。

一种含有其两侧设有测量室的测量膜片的半导体式差压测量装置，包括：

一个由设置在一个硅基片和一个在所述的硅基片上形成的膜片之间的预定间隔所划定的第一室；

一个设置在所述的硅基片上的第一连通孔，其一端与所述的第一室连通；

一个设置在所述的膜片上、在与上面设置所述的第一室的侧面对置的侧面上的凹形部分；

一个设置在所述的硅基片上的第二连通孔；

一个设置在所述的膜片上在上面形成所述的凹形部分的面上的应变检出元件；

其特征在于还包括：

一个设置在所述的硅基片上的带有外伸部分的第二室，所述的第二室与所述的凹形部分连通并且安装成除所述的第一连通孔处之外以环形方式包围所述的膜片，其中所述第二连通孔的一端与所述外伸部分连通；

一个支承基片，表面与所述的硅基片的具有上面形成的所述的凹形部分的表面相接合，所述的支承基片与所述的凹形部分一起划定所述的第二室和另一室；

一个布置在所述的膜片的边缘部分在上面形成所述的凹形部分的面上的第一应变检出元件；

一个布置在所述的测量膜片上的形成所述的凹形部分的面上，并且布置在稍微偏离所述的测量膜片中心的位置上的第二应变检出元件，所述的第二应变检出元件以这样的方式布置，以致至少在允许的测量极限之内它能输出相对于所述的第一应变检出元件的输出信号的一个反相信号，只要所述的第一和所述的第二应变检出元件的输出信号的信号差表现为所施压力的单值函数；以及

一个用来检出过压的装置，它通过检出所述的第一和所述的第二应变检出元件的输出信号之差来判断究竟过压施加了没有。

根据本发明，可以得到一种能以高可靠度检出过压的半导体式差压测量装置。

此外，按照本发明，可以制造出不带单独的用来检出过压的应变检出元件的装置。因此，能以良好的经济性获得一种简单的高度可靠的半导体差压测量。

图1是表示一种普通装置的结构的说明图；

图2是表示按照本发明的一个实施例的重要结构的说明图；

图3是沿图2的线A-A所取的剖视图；

图4是沿图2的线B-B所取的剖视图；

图5是表示图2中一个重要部分的详细说明图；

图6是表示图2中一个重要部分的详细说明图；

图7是表示图2中所示结构的蚀刻步骤的说明图；

图8是图7中所示结构的俯视图；

图9是表示图2中所示结构中外延生长步骤的说明图；

图10是表示图2中所示结构的抛光步骤的说明图；

图11是表示图2中所示结构中形成凹形部分的步骤的说明图；

图12是表示图2中所示结构的穿孔步骤的说明图；

图13是表示图2中所示结构的蚀刻步骤的说明图；

图14是表示图2中所示结构的接合步骤的说明图；

图15是表示按照本发明的另一实施例的重要结构的说明图；

图16是表示图2中一个重要部分的详细说明图；

图17是表示图16中所示结构的一种操作的说明图；

图18是表示图16中所示结构的一种操作的说明图。

图19是表示图16中所示结构的一种操作的说明图；

图20是表示图16中所示结构的一种操作的说明图；

图21是表示图16中所示结构的一种操作的说明图；

图22是表示图16中所示结构的一种操作的说明图；

图23是表示图16中所示结构的一种操作的说明图；

图24是表示图16中所示结构的一种操作的说明图；

图25是表示图16中所示结构的一种操作的说明图；

图26是表示按照本发明的另一实施例的重要结构的说明图；

图27是沿图26的线C-C所取的剖视图；

图28是表示图27中一个重要部分的详细说明图；

图29是针对图26中所示结构的判断过压的装置的实施例的重要部分的说明图；

图30是表示图26中所示结构的一种操作的说明图；

图31是表示图26中所示结构的一种操作的说明图；

图32是表示按照本发明的另一实施例的蚀刻步的说明图；

图33是表示按照本发明形成另一外延生长层205的步骤的说明图；

图34是表示按照本发明形成另一氧化硅层206的步骤的说明图；

图35是表示按照本发明形成另一外延生长层207的步骤的说明图；

图36是表示按照本发明的另一抛光步骤的说明图；

图37是表示按照本发明去除氧化硅层206的另一步骤的说明图；

图38是表示按照本发明形成凹形部分208的另一步骤的说明图；

图39是表示按照本发明穿出孔209的另一步骤的说明图；

图40是表示按照本发明通过蚀刻去除氧化硅层203的另一步骤的说明图；

图41是表示按照本发明的另一接合步骤的说明图；

图42是表示按照本发明的又一实施例的蚀刻步骤的说明图；

图43是图42中所示结构的俯视图；

图44是表示按照本发明形成又一个外延生长层305的步骤的说明图；

图45是表示按照本发明的又一抛光步骤的说明图；

图46是表示按照本发明形成凹形部分306的又一步骤的说明图；

图47是表示按照本发明穿出孔307的又一步骤的说明图；

图48是表示按照本发明通过蚀刻去除氧化硅层303的又一步骤的说明图；

图49是表示按照本发明的又一接合步骤的说明图；

图50是表示按照本发明的再一实施例的蚀刻装置的说明图；

图51是表示按照本发明的再一实施例的一种操作的说明图；

图52是表示按照本发明的还一实施例的操作的说明图；以及

图53是表示按照本发明的又一实施例的操作的说明图。

图2是按照本发明的一个实施例的重要部分的说明图。图3画出沿图2的线A-A所取的剖视图，而图4是沿图2的线B-B所取的剖视图。

在这些图中，具有与图1中所示者相同的功能的部分用相同的符号表示。下面仅解释与图1中所示者不同的部分。

参见图2，具有一个极窄的预定间隔的第一室21设置在硅基片22上以形成一个膜片23。

在其一端与第一室21连通的第一连通孔24在基片22上形成，而一个薄膜凹形部分25设置在膜片23中并位于形成第一室21的面的反面。

与凹形部分25连通的第二室26设置在硅基片22上，而膜片23被此第二室以环形方式包围，但第一连通孔24处除外。

一个应变检出元件27设置在膜片23的面向凹形部分25的侧面上。

一个支承基片28通过它的一个表面与硅基片22的上面设置凹形部分的表面接合，而且支承基面与凹形部分25一起划定室29和第二室26。

还参见图5，通过向硅基片22与支承基片28之间的接合表面内引入杂质而形成连线31，并在其一端把它接到应变检出元件27。

再参见图5，一个触头32设置于支承基片28在与硅基片22的接合侧面上，而且在一端接到连线31。

如图5中所示，在硅基片22上在触头32附近形成一个槽33。槽33给与硅基片22与触头32之间的接触部分一个适当的推斥力以保证触头32与连线31之间稳定的接触。

还参见图6，一个过滤部分41设置于硅基片22以防止流体即压力介质中所含的杂物进入第一室21或室29。在此实施例中，在结构中形成两个过滤部分。

不利的粉末或颗粒杂质是通过运用半导体制造工艺为过滤部分41提供一个足够小的间隙d来避免的。也就是说，过滤部分41的间隙d是以这样的方式形成的，即该间隙可以小得足以满足关系式d≤(A-B)，式中A代表第一室21的间隔，而B代表膜片23的位移。过滤部分41的一侧连到第一连通孔24，而另一侧经由第二连通孔42连到室29。

用来引进压力的第一连接孔51在支承基片28上形成并连到过滤部分41的一侧。此孔51的另一端保持通大气。

用来引进压力的第二连接孔52在支承基片28上形成并连到过滤部分41的一侧。此孔52的另一端保持通大气。

伸出部分53连到第二室26。伸出部分53这样设置，以致在这样一种高压作用于伸出部分53的情况下它可以承受高压，借此防止在硅基片22与支承基片28之间的接合部分产生很大的应力。

在如上的结构中，高压侧的测量压力作用于第一室21而低压侧的测量压力作用于室29。

结果，硅膜片23按照高压侧与低压侧之间的压差来变形，而如此产生的应变被应变检出元件27以电学方法检出。于是，通过把应变作为电信号经由引线31和触头32取出到外部，可以测量差压。

当过压作用于第一室21时，室29的壁支持膜片23。当过压作用于室29时，第一室21的壁支持膜片23。

制造具有上述结构的装置的工艺过程在下面对照图7至14所画的顺序步骤来描述。

参见图7，想要的图形102是在SOI(绝缘体上外延硅)晶片101上通过RIE(增强的反应性离子)蚀刻一个氧化硅层103和一个硅层104而蚀刻出的。图7中所画结构的俯视图在图8中给出。

一个外延生长层105在SOI晶片101的表面上形成，如图9中所示。

外延生长层105的表面被抛光如图10以得到镜面。

参见图11，外延生长层105的表面被RIE蚀刻法蚀刻以形成一个凹形部分106。

如图12中所示，用来蚀刻埋入的氧化硅层103的孔107是用RIE蚀刻法或氢氧化钾湿法蚀刻而形成的。

氧化硅层103的表面是用氟化氢水溶液或氟化氢气体来蚀刻的，如图13中所示。

一个硅基片22用阳极法接合于由派热克斯玻璃制成的支承基片28。得到的结构示于图14中。

这样得到的结构使装置具有以下优点：(1)可以得到没有任何特制的耐压容器的装置，因为差压传感器的外部可以暴露于大气压；(2)为了把电信号取出到外面，装置不需要耐高压的气密性密封端子；(3)因为硅晶片只从一侧加工，制造工艺可以简化；(4)装置不需要单独的抗过压的保护机构，因为传感器本身配备了这样一个机构；以及(5)可以有利地得到没有噪声的差压测量装置，因为靠第一室21、室29和环绕膜片23的第二室26可以有效地避免外界的干扰应变向膜片23的传播。

从以上可以看出，本发明经济地提供一种没有任何特制的耐压壳体或单独的抗过压的保护机构，而且不用任何耐压的气密性密封端子的、高性能的小巧的压差测量装置。

图15是表示按照本发明的另一实施例的装置的重要部分的说明图，下面参见图15描述该装置的结构。

按照本实施例的装置，其特征在于在支承基片28上设有用来引入压力并直接连通到室29的第三连接孔54。

支承基片28可以用硅或多晶硅代替派热克斯来制造。

当然不仅SOI基片，而且上面有构图的氧化硅膜和进一步在上面生长了多晶硅的硅基片可用于制造工艺过程。

在图16中画出的装置里，应变检出元件271和272一般以这样的方式布置在膜片23上，即达到最大的灵敏度。更具体地说，一个元件布置在膜片23的中心而另一个布置在膜片23的边缘，以致它们可能经受反相的操作。

图2中所示的差压测量装置用膜片23直接承受过压。因此，测量膜片23位移并且如果位移超过预定间隔则立即支撑于起测量室作用的第一室21或室29的壁。

由此可见，在应变检出元件271和272上产生的应变经受一种非线性的变化。

由应变检出元件271和272所检出的应变与所施加的压力之间的关系示于图17。图中A和B所表示的曲线分别是由检出元件271和272所得到的应变曲线，而C所表示的曲线对应着由检出元件271和272所得到的应变之差。

下面描述用应变检出元件271和272检出过压的过程。

(1)参见如图18中所示布置在膜片23中心的应变检出元件272，当过压从箭头D所示方向施加时在膜片23碰到第一室21的壁之前可以检出拉应变。

从图19可以看出，一旦膜片与第一室21的壁面接触则检出压应变而不是拉应变。在接下来的膜片23靠着第一室21的壁扩展的过程中，应变再次转变为拉应变，第一室21的壁如图20中所示支持膜片23。因此，施加过压时由应变检出元件272所检出的应变从上升变到下降，然后再次变到上升。检出的应变的这种变化画在图21的曲线图中。

从以上可以看出，在所施加的压力与单由应变检出元件272所检出的应变之间没有一一对应的关系。因此，如在图22的曲线图中所见，所检出的应变ε不能明确地表明一个过压，因为应变读数既能被看成允许量程内的压力P1，又能被看成属于过压范围的压力P2。

(2)由布置在膜片23边缘的应变检出元件271所检出的应变随着所施压力的上升而单调上升。这意味着所施压力与应变之间的关系是一一对应的关系而过压可以根据所检出的应变来判断。

然而，考虑检出元件271的实际使用时可以看到，它易受各种条件变化的影响，比如说静压力和温度方面的变化。例如，当除了差压外还作用着静压力时，由应变检出元件271所检出的应变包含一个附加偏移。因此，由图23的曲线图中的E所示的真实的应变特性曲线可能被平移而给出如同一曲线图中所示的曲线F。如果在过压下的初始应变应该被测定成ε，则实际过压可能从P3滑到P4，使它的检出变成不可能的。

(3)于是，为了消除静压力、温度等的影响，可以计算出来自应变检出元件271与272的输出信号之差并用它来判断过压。

然而，这种方法是不可行的，因为从应变检出元件271和272所得到的信号差仍然没有与所施压力一一对应的关系。这可在图24中清楚地看出。在所施压力与所检出的应变信号差之间的关系中缺乏一一对应的原因据信如下。也就是说，应变检出元件271从受压变形状态恢复得过快，以致即使是检出了检出元件271和272之间的信号差，也不能得到在这样一种过压条件下作为单调下降或单调上升信号的输出。

在图25中给出所施加的过压与由应变检出元件272所检出的应变之间的关系(曲线G)和所施压力与由应变检出元件271所检出的应变之间的关系(曲线H)。

从以上可见，用上述三种方法中的任何一种不可能足够准确地检出过压。

此外，可以考虑除应变检出元件271和272之外设置一个用来检出过压的检出元件的装置。然而，用来检出过压的附加应变检出元件的设置需要包括新的结构和电路。这不可避免地引起制造成本的增加并在制造方法中包括附加的工艺步骤。

在图26中画出按照本发明的另一实施例的重要结构的说明图。图27画出沿图26的线C-C取的剖视图。

在这些图中，具有与图2中所示者相同的功能的部分用相同的符号表示。下面仅解释与图2中所示者不同的部分。

第一应变检出元件61布置在测量膜片23的边缘部分。第二应变检出元件62以这样的方式布置在稍微偏离膜片23中心的位置，以致该检出元件的输出信号与来自第一应变检出元件61的输出信号之间的差可以作为一个单值函数变化(即信号差与所施压力是一一对应的)。

提供一种用来检出过压的装置63以便判断究竟过压施加了没有，该装置检出来自第一应变检出元件61与第二应变检出元件62的信号之间的信号差。例如，参见图29，用来检出过压力的装置63可能包括一个CPU(中央处理单元)65，以便对来自第一应变检出元件61和第二应变检出元件62的信号进行求差计算，且将用比较器66把该信号差与一个标准信号67作比较之后得出的判断信号作为过压判断信号68输出。

从通过在CPU65中的计算所得到的结果，还输出一个被测压力之差的检出信号71。

在具有上述结构的装置中，高压侧的测量压力和低压侧的测量压力分别作用于设置在测量膜片23两侧的测量室21和29。于是，硅膜片23变形与所施高压和低压之间的压差相对应。由膜片的变形产生的应变被应变检出元件61和62以电学方法检出，而与应变相对应的信号经由引线31和触头32输出到外部，以给出差压。

当过压作用于膜片23时，测量室21和29之一的壁支撑变形的膜片。

在图30中给出所施加的过压与由应变检出元件61所检出的应变之间的关系(曲线I)和所施压力与由应变检出元件62所检出的应变之间的关系(曲线J)。图31中所示的曲线图表示过压与由检出元件61和62所检出的应变之差的关系。

当应变检出元件272像普通结构中那样布置在膜片23的中心时，应变差信号产生一个特性曲线，此曲线表现出从膜片23与测量室21和29的壁接触时刻开始突然下降。关于这样一种特性曲线可以参见图24。当普通装置的这种特性对照，按照本发明，检出应变之差装置的特性产生如图31中所示的单调上升的曲线。由于应变可用所施压力的单值函数来表达(即所检出应变之差与所施压力是一一对应的)，所以可以很容易判断究竟过压施加了没有。

按照本发明的装置中的这个优点据信是由于对应变检出元件62而言所检出的应变的下降与普通的应变检出元件272中的应变突然恢复相比有所缓和这一事实。更具体地说，据信应力恢复仅出现在应变检出元件62的固定部分的一部分里而在其他固定部分并不发生。

从以上可见，来自应变检出元件61和62的所检出应变之差在相对于所施压力的特征应变曲线中不产生下降，因而它可以用来检出过压。

综上所述，可以得到一种能以高可靠度检出过压的半导体式差压测量装置。利用配备有一个能很快地由室21和29的壁支持的测量膜片23的半导体差压测量装置，能以高可靠度检出过压，只要应变检出元件之一即元件62布置得稍微偏离膜片23的中心，并借以计算出由应变检出元件62与在膜片23的边缘部分上形成的应变检出元件61所检出的应变之差就可以了。

此外，按照本发明可以制造出不带单独的用来检出过压的应变检出元件的装置，因此，能以良好的经济性经济地获得一种简单的高度可靠的半导体式差压测量装置。

把应变检出元件的位置从普通装置中的位置稍微移开可得到按照本发明的装置。因此按照本发明的装置可通过半导体制造工艺中的轻微变化，如像改变蚀刻图形之类，即制造出来。于是，半导体制造中的传统知识完全可以用来获得高成品率。

总之，本发明实现了一种能以高可靠度检出过压的简单而经济的半导体式差压测量装置。

参见图2中画出的装置，把膜片23精加工成想要的厚度的精度取决于图10中所示的抛光步骤。抛光法一般对于500μm的最终厚度产生大约±5μm的精度，无法达到更高的精度。用于按照本发明的装置中的膜片的厚度约为20μm。然而，±5μm的尺寸精度过于大了并且损害成品率。成品率低提高了制造成本。

下面参见图32至41描述用来克服以上问题的按照本发明的另一实施例。更具体地说，解释一种制造图2中所画的半导体式差压测量装置的方法。本方法提供一种配备一个膜片的装置，该膜片的厚度被高精度地控制，同时又是经济的。

参见图32，具有一个氧化硅层203和一个硅层204的SOI晶片接受RIE蚀刻以去除预定的图形202。在这种情况下，例如，硅基片201厚度约为600μm，其上包含厚约1μm的氧化硅层203和厚约0.5μm的硅层204。

然后一个外延生长层205在SOI晶片201的表面上生长到20μm左右的厚度。所得到的结构示于图33。膜片23的厚度取决于此外延生长层205的厚度。

然后在外延生长层205的周边表面上构图一个氧化硅膜206。此结构示于图34。这样构图的氧化硅膜206在选择性抛光中起阻挡层的作用。

参见图35，在前面得到的外延生长层205的表面上以预定的厚度生长出一个外延生长层207。外延生长层207可以形成例如约5μm的厚度。

参见图36，所得的结构用氧化硅膜206作阻挡层经受选择性抛光。使用由含有悬浮于其中的胶态硅石(一种氧化硅细粉末)的弱碱性溶液组成的抛光液，通过机械抛光来进行此步骤。因为硅的抛光速度与氧化硅的抛光速度之比约为100，故抛光的进行不超过氧化硅膜206。

然后靠蚀刻去除氧化硅膜206以给出图37中所示的结构。

用RIE蚀刻法在外延生长层205上蚀刻出凹形部分208以给出图38中所示的结构。

参见图39，用来蚀刻在SOI晶片内的氧化硅层203的孔208是用RIE蚀刻或氢氧化钾通过蚀刻在外延生长层205中穿孔的。

参见图40，氧化硅层203是用氟化氢水溶液或氟化氢气体来蚀刻的。

一个硅基片22用阳极法接合于由派热克斯玻璃制成的支承基片28以得到图41中所示的结构。

这样得到的结构很容易产生包含一个有高精度厚度控制的膜片23的半导体式差压测量装置。具有高尺寸精度的膜片是通过在外延生长层205的周边表面上构图一个氧化硅膜206及此后把氧化硅膜206用作阻挡层进行选择性抛光而实现的。因此，此方法有大为降低的制造成本。此外，在这种情况下得到厚度为20μm而精度高达±0.5μm的膜片23。

当然SOI基片可以被上面形成构图的氧化硅膜片在上面进一步形成外延层而得到的硅基片所代替。

从以上可见，本发明提供一种能经济地实现高尺寸精度的膜片的用来制造半导体式差压测量装置的方法。

参见图2中画出的装置，在形成膜片23与硅基片22之间的第一室21时可运用一种牺牲层蚀刻法。

牺牲层蚀刻法是这样一种方法，其中先在基片与一个结构层(起结构要素作用的一层)之间设置一个牺牲层，最后用选择性蚀刻仅去除牺牲层以给出结构与基片之间的开口。关于此工艺的细节可以参见比如说“用于牺牲层蚀刻工艺的新冻结和干燥法”，日本电气学会年会议录，1992，第4卷，No.397。

然而，如图2中所示装置的制造遇到以下问题。

在漂洗之后干燥膜片23时，膜片23倾向于被漂洗液的表面张力吸附于硅基片22，并且往往出现膜片不能很容易地从硅基片22分离的情况。

作为克服此问题的一种手段，曾提出一种冻结和干燥法，它包括干燥之前使漂洗液冻结和使冻结的漂洗液升华。然而，在这种方法中必须控制晶片的温度以防止在升华期间漂洗液融化。升华完成后把晶片取出到开放空气中时必须防止发生结露现象。因此，该方法重复性很差并需要复杂的工艺步骤。

在氧化硅层103被蚀刻后，膜片23和硅基片22的表面变成粘附性的，因为羟离子(OH^-)团仍然附着在表面硅原子的悬空键上。因为这些OH^-团很容易互相化合而生成H₂O，硅原子因而被氧原子化合。

下面参见图42至49描述克服以上问题的按照本发明的另一实施例。更具体地说，下面描述制造没有膜片23与硅基片22的相互粘附的半导体式差压测量装置的一种方法。

参见图42，具有氧化硅层303再加上硅层304的SOI晶片经受RIE蚀刻以去除预定部分302，图43给出图42中所示结构的俯视图。

然后在SOI晶片301表面上形成外延生长层305。所得到的结构示于图44。

参见图45，外延生长层305经受抛光以得到镜面。

然后，这样得到的外延生长层305经受RIE蚀刻以给出凹形部分306。所得到的结构示于图46。

参见图47，用来蚀刻埋入SOI晶片的氧化硅层303的孔307是用RIE蚀刻法或氢氧化钾，通过蚀刻在外延生长层306穿孔的。

参见图48，该结构在含有氟化氢气体和微量水蒸气的混合气体中经受气相蚀刻，用氧化硅层303作为牺牲层。牺牲层的气相蚀刻可以在比如说含有95％的氮气、4.99％的氟化氢气和0.01％的水蒸气的混合气体中进行。然而，气体成分的混合比当然仅作为例子给出，只要气相蚀刻能在其中进行，可使用其他的气体混合物。

一个硅基片22用阳极法接合于由派热克斯玻璃制成的支承基片28，以得到图49中所示的结构。

一种按照本发明的蚀刻装置示意地表示于图50中。参见图50，该装置包含一个室K，一个样品座L，带有一个装在座上的被蚀刻的晶片M。

气相蚀刻在此装置中按照如下表达的反应原理进行 氮气(N₂)以足够的数量循环以便从系统中带走气态的氟化硅(SiF₄)和水(H₂O)，从而防止发生液化作用。

这样一来，可以防止膜片23和硅基片22被残余液体的表面张力相互粘附。

湿法蚀刻工艺在蚀刻氧化硅(SiO₂)时产生如图51所示的硅表面。可以很容易地理解，如图52中示意地表示的那样，膜片23和硅基片22很容易通过紧密的化学键接而相互化合。

在按照本发明的方法中，与上面湿法蚀刻加工明显不同，硅表面结束处带氟原子，给出甚至耐受900℃的热处理的极不活动的表面。关于细节可参见“用无水HF气净化一5.用HF气净化的表面的评价”，此文载于《应用物理》，Vol.59，No.11(1990)，第1508页。

从以上可见，用气相蚀刻法来蚀刻氧化硅牺牲层303，不仅避免在蚀刻步骤中结构件的粘附，而且在蚀刻之后提供一个惰性表面。因此，此工艺在防止粘附方面是极有效的。

最后，运用使用氟化氢气的气相蚀刻工艺来蚀刻氧化硅防止蚀刻液的表面张力引起的结构件表面粘附，并且通过用氟原子蚀刻去结束所生成的硅原子表面而使表面成非粘附性的。

按照上面参见图42至49所描述的制造方法，按照本发明的另一实施例实现没有膜片23与硅基片22相互粘附的半导体式差压测量装置。

虽然已经详细地并参照发明的实施例描述了本发明，但对于该领域的专业人员来说显然可以在发明之内进行变更和修改而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种含有其两侧设有测量室的测量膜片的半导体式差压测量装置，包括：

一个由设置在一个硅基片和一个在所述的硅基片上形成的膜片之间的预定间隔所划定的第一室；

一个设置在所述的硅基片上的第一连通孔，其一端与所述的第一室连通；

一个设置在所述的膜片上、在与上面设置所述的第一室的面对置的侧面上的凹形部分；

一个设置在所述的硅基片上的第二连通孔；

一个设置在所述的膜片上，在其上形成所述的凹形部分的面上的应变检出元件；

其特征在于，还包括：

一个设置在所述的硅基片上的带有外伸部分的第二室，所述的第二室与所述的凹形部分连通并且安装成除所述的第一连通孔处之外以环形方式包围所述的膜片，其中所述第二连通孔的一端与所述外伸部分连通；

一个支承基片，其表面与所述的硅基片的具有上面形成的所述的凹形部分的表面相接合，所述的支承基片与所述的凹形部分一起划定第二室和另一室。

2.如权利要求1中所述的一种半导体式差压测量装置，其特征在于，所述的支承基片由派热克斯玻璃制成。

3.如权利要求1中所述的一种半导体式差压测量装置，其特征在于，所述的支承基片由硅制成。

4.如权利要求1中所述的一种半导体式差压测量装置，其特征在于，所述的支承基片由多晶硅制成。

5.如权利要求1中所述的一种半导体式差压测量装置，其特征在于进一步包括：

一个由导体制成的并通过向所述的硅基片与所述的支承基片之间的接合面内引入杂质而形成的连线，它在其一端被连接到所述的应变检出元件；

一个设置在所述的支承基片上在与所述的硅基片接合的侧面上，并在其一端连接到所述的连线的触头；以及

一个在所述的硅基片上在所述的触头附近形成的槽，该槽给与所述的硅基片与所述的触头之间的接触部分一个适当的推斥力。

6.如权利要求1中所述的一种半导体式差压测量装置，其特征在于进一步包括：

各在所述的第一和第二连通孔的对置端设置于一个间隙d处的过滤器，所述的间隙小得足以满足关系式d≤(A-B)，式中A代表所述的第一室的间隔，而B代表所述的膜片的位移。

7.一种含有其两侧设有测量室的测量膜片的半导体式差压测量装置，包括：

一个由设置在一个硅基片和一个在所述的硅基片上形成的膜片之间的预定间隔所划定的第一室；

一个设置在所述的硅基片上的第一连通孔，其一端与所述的第一室连通；

一个设置在所述的膜片上、在与上面设置所述的第一室的侧面对置的侧面上的凹形部分；

一个设置在所述的硅基片上的第二连通孔；

一个设置在所述的膜片上在上面形成所述的凹形部分的面上的应变检出元件；

其特征在于，还包括：

一个设置在所述的硅基片上的带有外伸部分的第二室，所述的第二室与所述的凹形部分连通并且安装成除所述的第一连通孔处之外以环形方式包围所述的膜片，其中所述第二连通孔的一端与所述外伸部分连通；

一个支承基片，表面与所述的硅基片的具有上面形成的所述的凹形部分的表面相接合，所述的支承基片与所述的凹形部分一起划定所述的第二室和另一室；

一个布置在所述的膜片的边缘部分在上面形成所述的凹形部分的面上的第一应变检出元件；

一个布置在所述的测量膜片上的形成所述的凹形部分的面上，并且布置在稍微偏离所述的测量膜片中心的位置上的第二应变检出元件，所述的第二应变检出元件以这样的方式布置，以致至少在允许的测量极限之内它能输出相对于所述的第一应变检出元件的输出信号的一个反相信号，只要所述的第一和所述的第二应变检出元件的输出信号的信号差表现为所施压力的单值函数；以及

一种用来检出过压的装置，它通过检出所述的第一和所述的第二应变检出元件的输出信号之差来判断究竟过压施加了没有。

Images