CN1485599A - 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P型(100)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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