CN202075068U - 高稳定高灵敏单片硅基微压传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种高稳定高灵敏单片硅基微压传感器，包括硅基片，所述硅基片正面光刻出背岛窗口，背岛窗口内单晶硅腐蚀形成一凹坑，凹坑的表面生长有二氧化硅层，凹坑内填有多晶硅层，所述硅基片的正面键合连接表面热生长二氧化硅层的单晶硅弹性薄膜层，单晶硅弹性薄膜层表面制作有惠斯顿电桥，所述硅基片背面光刻出方形窗口，所述方形窗口内单晶硅直至腐蚀到二氧化硅层，所述背岛窗口区形成背岛结构；本实用新型有益效果：芯片面积小，成本降低；克服了自重效应；由于背岛底面离玻璃表面距离很大，在与玻璃静电键合时产生的静电库仑力要小很多，从而不会产生粘结现象；在弹性硅膜底部有二氧化硅层，因此具有腐蚀自终止效果，保证了弹性硅膜厚度的一致性。
Description
[技术领域]
本实用新型属于传感技术领域，具体涉及一种高稳定高灵敏单片硅基微压传感器。
[背景技术]
微压传感器通常是指小于10Kpa量程的压力传感器。这类传感器要求灵敏度很高。即在很小压强作用下就要有很大的电信号输出。例如用作呼吸传感器时，就要把人体微弱的呼吸信号检测出来。为了达到这个目的，微压传感器中的核心部份-弹性硅膜制作得很薄。把厚度为400微米的圆片经过集成电路平面工艺，在背面光刻出腐蚀窗口，正面保护，放在硅单晶腐蚀液中腐蚀，使窗口内硅单晶厚度从400微米减小到仅2-30微米左右。因此在工艺制作上难度较高，传统的工艺制作，产出率也低，成本高，卖价也就较其它大量程传感器高。
目前国际或国内市场销售的微压传感器有二种结构型式：一种称为C型结构，即正面也用平面工艺在特定区域制作四个P型电阻和铝引线，形成一个惠斯顿电桥。当正面或背面受压时，电桥中电阻二个变大，二个变小，产生与压强成正比的电信号输出。如图2所示，这种结构的最大缺点是当传感器量程小到一定程度时，硅膜必须很薄，才能保证足够高的灵敏度，这时这种结构的大绕度效应成为突出的矛盾，使传感器的非线性指标变大，测量精度迅速下降。这种传感器只能用在要求不高的场合。为了克服这种弊病，产生了第二种E型结构。如图3所示，即在背面形成一个大岛。岛的顶面与边框平面低5-10微米。由于岛是一个坚硬结构，当传感器弹性膜受压时岛不会变形，因此认为背岛区域内应力不发生变化，而在岛的周围弹性膜区域内应力形成一个线性变化，保证桥路在应力作用下产生线性的电信号输出。这种结构不仅有非线性内补偿作用，而且背面有过载限位作用。因此成为目前国际上微压传感器的主打产品。但是这种结构还存在如下三方面缺点：其一是背岛因侧面存在形成一个梯形结构，底角为54.74°，所以背岛将占据很大面积。尤其在园片厚度很厚时，矛盾更为突出。使微压传感器芯片面积很大，产出率变低。其二是背岛的自重效应不能忽略。背岛的重力作用在周边弹性膜的压敏电阻上，形成一个较大的固有零点输出信号。当传感器位置发生变化时，零位输出电压也跟着发生变化。这给测量带来很大的不稳定性。其三是芯片与玻璃进行阳极键合时，岛顶部与玻璃间隙仅5-10微米，会产生很大的静电库仑力，把岛拉向坡璃表面，造成岛与玻璃键合在一起，使器件失效。其四是腐蚀硅膜时没有腐蚀自终止结构，所以很难控制硅膜厚度。产出率低，不适宜大规模生产。
[发明内容]
本实用新型的目的在于提供一种高稳定高灵敏单片硅基微压传感器。取代进口芯片，节省外汇，创造巨大的经济效益和社会效益。解决了目前国内外市场上微压传感器存在的问题，无论从芯片面积、电学性能、产出率、生产工艺都优于传统的微压传感器。本实用新型的工艺完全与传统的集成电路平面工艺兼容，没有增添任何新设备，即可完成本实用新型的单片硅基微压传感器。
为实现上述目的设计一种高稳定高灵敏单片硅基微压传感器，包括一N型硅基片，所述硅基片的两面均设有二氧化硅层，所述硅基片正面光刻出背岛窗口，所述背岛窗口内单晶硅腐蚀形成一凹坑，所述凹坑的表面生长有二氧化硅层，所述凹坑内填有多晶硅层，所述硅基片的正面键合连接表面热生长二氧化硅层的单晶硅弹性薄膜层，所述单晶硅弹性薄膜层表面采用集成电路平面工艺制作有四个P型电阻和铝引线组成一个惠斯顿电桥，所述硅基片背面光刻出方形窗口，所述方形窗口内单晶硅直至腐蚀到二氧化硅层，所述背岛窗口区形成背岛结构。
所述凹坑深度为60-100微米，所述凹坑的表面二氧化硅层的厚度为6000
所述背岛结构的厚度为60-80微米。
所述单晶硅弹性薄膜层厚度为2-30微米。
本实用新型同现有技术相比，明显的区别就是新结构中的背岛比现有微压传感器中的背岛显得薄而且面积小很多。其效果1、新结构微压传感器与现有微压传感器在相同的弹性硅膜条件下，芯片面积小很多，同一片晶圆的差出率高很多，从而降低了成本；2、克服了自重效应，增加了微压传感器的稳定性；3、由于背岛底面离玻璃表面距离很大，达300微米以上，在与玻璃静电键合时产生的静电库仑力要小很多，从而不会产生粘结现象；4、在这种新结构中，由于在弹性硅膜底部有6000埃抗腐蚀的二氧化硅层，因此具有腐蚀自终止效果。大大提高了成品率。5、弹性硅膜厚度是由硅单晶减薄抛光精密设备加工决定膜厚大小，保证了弹性硅膜厚度的一致性。这使新结构微压传感器在生产工艺过程中，其灵敏度一致性比现有微压传感器高很多倍。
[附图说明]
图1为本实用新型的整体结构示意图；
图2为现有的C型结构微压传感器示意图；
图3为现有的E型结构微压传感器示意图；
图4为本实用新型的工艺流程实施剖面图；
图中：1、氧化 2、光刻背岛 3、腐蚀背岛区 4、氧化 5、反外延 6、减薄抛光 7、硅-硅键合 8、氧化 9、光刻电阻 10、离子注入、退火兼分布 11、光刻引线孔 12、光刻大背膜 13、蒸铝 14、光刻铝引线 15、腐蚀背大膜区，实现新结构 21、二氧化硅层 22、硅基片 23、单晶硅弹性薄膜层 24、铝引线 25、桥路电阻 26、背岛结构 27、二氧化硅层。
[具体实施方式]
下面结合附图对本实用新型作以下进一步说明：
如图1所示，本实用新型包括一个厚度为400微米的N型硅基片；在硅基片的两面热氧化覆盖耐KOH腐蚀的绝缘层二氧化硅；用光刻技术在正面刻蚀背岛窗口区；用TMAH四甲基氢氧化铵腐蚀液腐蚀窗口区内暴露的单晶硅层，形成深度为60-100微米的凹坑；用热氧化工艺，在凹坑的表面生长一层6000
厚度的二氧化硅层，用反外延工艺在二氧化硅层表面淀积厚度大于100微米的多晶硅层填满凹坑。再用减薄抛光工艺，使硅基片表面形成平整光洁的表面。用另外一片硅基片表面热生长二氧化硅层后与上面加工后的硅基片键合(硅-硅键合工艺)，经减薄抛光工艺后，仅留2-30微米左右厚的单晶硅弹性薄膜层。在该单晶硅弹性薄膜层表面采用集成电路平面工艺，在特定区域制作四个P型电阻和铝引线组成一个惠斯顿电桥。在该基片背面通过光刻工艺开出方形窗口，正面保护，背面用40％浓度的KOH腐蚀液腐蚀窗口内单晶硅，直至腐蚀到氧化层，自然终止腐蚀。而在特定区域的背岛表面均有二氧化层保护不被腐蚀，形成厚度60-80微米的背岛结构。
具体实施过程如下：
1、硅片准备：4英寸或6英寸双面抛光大圆片，厚度400微米左右，晶向为(100)，电阻率2-8Ω-cm；
2、氧化：在硅基片的两面热氧化覆盖耐KOH腐蚀的绝缘层二氧化硅；
3、光刻背岛区：背面光刻胶保护，正面用光刻技术刻蚀背岛窗口区；
4、腐蚀背岛窗口区：用TMAH四甲基氢氧化铵腐蚀液腐蚀窗口区内暴露的单晶硅层，形成深度为60-100微米的凹坑；
5、氧化：用热氧化工艺，在凹坑的表面生长一层6000厚度的二氧化硅层；
6、外延：用反外延工艺在二氧化硅层表面淀积厚度大于100微米的多晶硅层填满凹坑；
7、减薄抛光：用减薄抛光工艺，使硅基片表面形成平整光洁的表面；
8、硅-硅键合：用另外一片硅基片表面热生长氧化层后与上面加工后的硅基片键合；
9、减薄抛光：把键合上的硅基片经减薄抛光工艺后，仅留2-30微米左右厚的单晶硅弹性薄膜层；
10、氧化：在2-30微米左右厚的单晶硅弹性薄膜层表面热生长二氧化硅层，厚度为3000
11、光刻桥路电阻区：在特定区域光刻四个P型电阻区；
12、离子注入：在四个电阻区的窗口内，用离子束注入P型杂质硼离子，能量100Kev，剂量为1.4E14/cm2；
13、退火兼再分布：把离子注入后的硅片放在1000℃的高温扩散炉内通氮气退火30分钟，激活注入的硼离子取代硅原子晶格中的空格点，提供空穴载流子。再提升炉温至1100，通干氧进行再分布，时间120分钟，P型电阻区的结深达2.8∽3.0微米，用四探针测试仪测得电阻区的薄层电阻为240Ω/□；
14、光刻引线孔：在四个桥路电阻的端头，用光刻工艺光刻出引线孔；
15、浓硼扩散：在引线孔内用离子注入或热扩散工艺扩散入高浓度的硼离子，使引线孔内的薄层电阻为8∽20Ω/□；
16、LPCVD汽相淀积氮化硅薄膜：正反面同时淀积1500
17、光刻引线孔：重新套刻引线孔表面的氮化硅和氧化层，暴露引线孔内硅单晶硅表面；
18、正面光刻胶保护，背面光刻方形开孔区(俗称背大膜区)；
19、蒸铝：在基片正面采用真空镀膜机淀积厚度1.2微米的铝膜；
20、光刻铝引线：把不需要的铝层用热磷酸腐蚀掉，把需要的铝引线用光刻胶保护被保留下来，通过一定的联接方式，把四个桥路电阻连接成一个完整的惠斯顿电桥；
21、实现弹性硅膜和背岛：正面保护，背面用40％浓度的KOH腐蚀液腐蚀窗口内单晶硅，直至腐蚀到氧化层，自然终止腐蚀，形成2-30微米左右厚的单晶硅弹性薄膜。而在特定区域的背岛表面均有二氧化层保护不被腐蚀，形成厚度60-80微米的背岛结构。
本实用新型并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种高稳定高灵敏单片硅基微压传感器，包括一N型硅基片，所述硅基片的两面均设有二氧化硅层，其特征在于：所述硅基片正面光刻出背岛窗口，所述背岛窗口内单晶硅腐蚀形成一凹坑，所述凹坑的表面生长有二氧化硅层，所述凹坑内填有多晶硅层，所述硅基片的正面键合连接表面热生长二氧化硅层的单晶硅弹性薄膜层，所述单晶硅弹性薄膜层表面采用集成电路平面工艺制作有四个P型电阻和铝引线组成一个惠斯顿电桥，所述硅基片背面光刻出方形窗口，所述方形窗口内单晶硅直至腐蚀到二氧化硅层，所述背岛窗口区形成背岛结构。
2.如权利要求1所述的高稳定高灵敏单片硅基微压传感器，其特征在于：所述凹坑深度为60-100微米，所述凹坑的表面二氧化硅层的厚度为6000 
所述背岛结构的厚度为60-80微米。
3.如权利要求1或2所述的高稳定高灵敏单片硅基微压传感器，其特征在于：所述单晶硅弹性薄膜层厚度为2-30微米。
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