CN1223832C - 梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片及制造方法 - Google Patents

梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片及制造方法 Download PDF

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Abstract

一种梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片及制造方法，特点是在单一硅片正面制作谐振梁在背面制作压力敏感膜，谐振梁由两个半岛结构支撑，通过多孔硅牺牲层技术实现，材料选用低应力厚氮化硅。这样不仅简化微谐振式压力传感器的制作工艺，而且提高了压力灵敏度。

Description

梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片及制造方法
技术领域
本发明涉及微结构传感器的制造方法，特别是一种梁膜一体结构的谐振式压力传感器芯片的制造方法。
背景技术
微机械谐振式压力传感器因其精度高、稳定性好、体积小、易批量生产等一些优良的特性，被誉为新一代的压力传感器，是微电子机械(MEMS)技术继压阻式压力传感器之后的又一项典型应用。为了隔离待测介质及增加了压力灵敏度，微谐振式压力传感器通常并不直接反映压力的变化，即外加待测压力并不直接作用于谐振器，而是通过压力膜间接改变谐振器的刚度，从而改变谐振频率，属于二次敏感原理。其制造方法有两大类，一类是梁膜分体，需要两块硅片，通过减薄键合等工艺再结合成一整体，缺点是涉及键合，工艺复杂，成品率不高；另一类应用表明微机械技术，在单一硅片上完成梁膜的制作，常用牺牲层技术释放谐振梁，牺牲层可以是二氧化硅、多晶硅、多孔硅等，其中多孔硅因制作、去除相对容易，而且厚度可以达到几百微米，而受到广泛的关注。在牺牲层厚度的选择上存在矛盾，如果牺牲层太薄，横向钻蚀释放谐振梁就比较困难，还存在粘连现象，就是梁与下面的衬底层粘在一起，影响梁的振动。而如果牺牲层太厚，压力膜的厚度就不能很小，至少大于牺牲层的厚度，这就限制的传感器灵敏度的提高。
发明内容
本发明的目的是克服上述方法的缺点，提供一种梁膜一体结构谐振式压力传感器芯片及制造方法，设法改变传感器的结构，消除了牺牲层厚度限制灵敏度提高的影响，既简化工艺，降低工艺难度，同时又能保证有较高的压力灵敏度。
本发明的目的是通过以下方法实现的：
本发明一种梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片，其特征在于，其中包括：
一硅片，硅片上制作有一层氮化硅薄膜；
在氮化硅薄膜和硅片上开有一凹槽，该凹槽概似一工字形，形成两矩形半岛，该两矩形半岛上的氮化硅连通为谐振梁；
该硅片上开的凹槽周围为矩形框架，该凹槽的底部为矩形压力膜。
其中所述的硅片为低电阻率单晶硅片。
其中所述的氮化硅薄膜是低压化学气相沉积生长的低应力厚氮化硅，厚度2微米以上。
其中所述的半岛是长方体形，宽度是谐振梁的3倍以上。
本发明一种梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在P型(100)晶向低电阻率的双面抛光单晶硅片上，采用低压化学气相沉积方法沉积低应力厚氮化硅薄膜，用于制作谐振梁；
2)应用光刻剥离方法溅射铂电阻，制作激振、拾振及测温电阻，蒸发或溅射金作电极引线；
3)反应离子刻蚀氮化硅，制作氮化硅梁及半岛结构，阳极氧化生长多孔硅，利用多孔硅生长的横向钻蚀特性，使氮化硅梁底下的硅都变成多孔硅；
4)在硅片背面各向同性或各向异性腐蚀C型硅杯感压膜形成硅框架，用稀氢氧化钾溶液腐蚀多孔硅以释放出氮化硅梁，完成压力传感器芯片的制造。
其中所述的硅片为低电阻率单晶硅片。
其中所述的氮化硅薄膜是低压化学气相沉积生长的低应力厚氮化硅，厚度2微米以上。
其中所述的激振、拾振电阻及测温电阻均采用铂薄膜电阻。
其中所述的氮化硅谐振梁由两个半岛结构支撑。
其中通过多孔硅阳极氧化技术制作正面半岛型结构。
其中多孔硅的生长深度保证氮化硅梁底下的单晶硅全部多孔化。
其中所述的半岛是长方体形，宽度是梁宽的3倍以上，厚度与多孔硅深度相同。
附图说明
图1是本发明新型梁膜一体结构谐振式压力传感器芯片结构示意图；
图2是本发明梁膜一体结构谐振式压力传感器芯片制造工艺流程图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明一种梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片，其中包括：
一硅片11，硅片11上制作有一层氮化硅薄膜12，所述的硅片11为低电阻率单晶硅片；所述的氮化硅薄膜12是低压化学气相沉积LPCVD生长的低应力厚氮化硅，厚度2微米以上。
在氮化硅薄膜12和硅片11上开有一凹槽17，该凹槽17概似一工字形，形成两矩形半岛14，该两矩形半岛14上的氮化硅12连通为谐振梁13；所述的半岛14是长方体形，宽度是谐振梁13的3倍以上。
该硅片11上开的凹槽17周围为矩形框架16，该凹槽17的底部为矩形压力膜15。
请参阅图2，本发明一种梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片的制造方法，包括以下步骤：
1)在晶向低电阻率的双面抛光单晶硅片21上，采用低压化学气相沉积方法沉积低应力厚氮化硅薄膜22，用于制作谐振梁(图2a)；所述的硅片21为低电阻率单晶硅片；所述的氮化硅薄膜22是低压化学气相沉积生长的低应力厚氮化硅，厚度2微米以上；
2)应用光刻剥离方法溅射铂电阻，制作激振、拾振及测温电阻23，蒸发或溅射金作电极引线24(图2b)；所述的激振、拾振电阻及测温电阻23均采用铂薄膜电阻；
3)反应离子刻蚀氮化硅22，制作氮化硅梁及半岛结构，阳极氧化生长多孔硅25，利用多孔硅生长的横向钻蚀特性，使氮化硅梁底下的硅都变成多孔硅25(图2c)；多孔硅25的生长深度保证氮化硅梁底下的单晶硅全部多孔化；所述的半岛是长方体形，宽度是梁宽的3倍以上，厚度与多孔硅深度相同；所述的氮化硅谐振梁由两个半岛结构支撑；该半岛结构是通过多孔硅阳极氧化技术制作正面半岛型结构；
4)在硅片背面各向同性或各向异性腐蚀C型硅杯感压膜26形成硅框架27，用稀氢氧化钾(KOH)溶液腐蚀多孔硅以释放出氮化硅梁，完成压力传感器芯片的制造(图2d)。
本发明改进谐振梁结构设计，使梁仅由两个半岛支撑，并通过多孔硅牺牲层技术实现梁的释放，无需键合与减薄工艺即可完成谐振式压力传感器芯片的制造，同时保证有较高的灵敏度。这对提高成品率，降低成本，实现批量生产有重要的意义。有限元模拟分析及实验结果证实了采用这种新型结构的有效性。

Claims (12)

1、一种梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片，其特征在于，其中包括：
一硅片，硅片上制作有一层氮化硅薄膜；
在氮化硅薄膜和硅片上开有一凹槽，该凹槽概似一工字形，形成两矩形半岛，该两矩形半岛上的氮化硅连通为谐振梁；
该硅片上开的凹槽周围为矩形框架，该凹槽的底部为矩形压力膜。
2、按权利要求1所述的梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片，其特征在于，其中所述的硅片为低电阻率单晶硅片。
3、按权利要求1所述的梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片，其特征在于，其中所述的氮化硅薄膜是低压化学气相沉积生长的低应力厚氮化硅，厚度2微米以上。
4、按权利要求1所述的梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片，其特征在于，其中所述的半岛是长方体形，宽度是谐振梁的3倍以上。
5、一种梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在P型(100)晶向低电阻率的双面抛光单晶硅片上，采用低压化学气相沉积方法沉积低应力厚氮化硅薄膜，用于制作谐振梁；
2)应用光刻剥离方法溅射铂电阻，制作激振、拾振及测温电阻，蒸发或溅射金作电极引线；
3)反应离子刻蚀氮化硅，制作氮化硅梁及半岛结构，阳极氧化生长多孔硅，利用多孔硅生长的横向钻蚀特性，使氮化硅梁底下的硅都变成多孔硅；
4)在硅片背面各向同性或各向异性腐蚀C型硅杯感压膜形成硅框架，用稀氢氧化钾溶液腐蚀多孔硅以释放出氮化硅梁，完成压力传感器芯片的制造。
6、按权利要求5所述的梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片的制造方法，其特征在于，其中所述的硅片为低电阻率单晶硅片。
7、按权利要求5所述的梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片的制造方法，其特征在于，其中所述的氮化硅薄膜是低压化学气相沉积生长的低应力厚氮化硅，厚度2微米以上。
8、按权利要求5所述的梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片的制造方法，其特征在于，其中所述的激振、拾振电阻及测温电阻均采用铂薄膜电阻。
9、按权利要求5所述的梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片的制造方法，其特征在于，其中所述的氮化硅谐振梁由两个半岛结构支撑。
10、按权利要求5所述的梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片的制造方法，其特征在于，其中通过多孔硅阳极氧化技术制作正面半岛型结构。
11、按权利要求5所述的梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片的制造方法，其特征在于，其中多孔硅的生长深度保证氮化硅梁底下的单晶硅全部多孔化。
12、按权利要求5所述的梁膜一体结构谐振梁压力传感器芯片的制造方法，其特征在于，其中所述的半岛是长方体形，宽度是梁宽的3倍以上，厚度与多孔硅深度相同。
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