硅壓阻式微傳感器的制造工藝研究

1、硅壓阻式壓力微傳感器的設(shè)計與制造工藝研究指導(dǎo)老師：來五星作者：勇杰挺周晶晶渝佳易偉銘昆硅壓阻式壓力微傳感器的設(shè)計與制造工藝研究摘要：硅壓阻式壓力傳感器是最早開始研究并實用化的微傳感器之一，它結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、應(yīng)用圍廣，且已經(jīng)實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，在某些領(lǐng)域已經(jīng)取代傳統(tǒng)傳感器。進一步研制小體積高精度的微傳感器，擴大其適用圍是未來的趨勢。本文首先敘述了壓阻式壓力微傳感器的原理和設(shè)計方法，然后針對硅壓阻式壓力微傳感器的制造，給出了兩種不同的制造工藝流程，并接著對其優(yōu)缺點進行了橫向比較，以期優(yōu)化該種傳感器的工藝。關(guān)鍵詞：微傳感器；壓阻式；制造工藝；設(shè)計一、引言壓力傳感器是用來測量流體或氣體壓力，大規(guī)

2、模生產(chǎn)的計量或傳感單元。傳統(tǒng)的壓力傳感器體積大、笨重、輸出信號弱、靈敏度低。應(yīng)用微電子技術(shù)，在單晶硅片的特定晶向上，制成應(yīng)變電阻構(gòu)成的惠施頓電橋，同時利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)和硅的彈性力學(xué)特性，用集成電路工藝和微機械加工技術(shù)研制固態(tài)壓阻壓力傳感器，它們具有體積小、靈敏度高、動態(tài)特性好、耐腐蝕和靈敏度系數(shù)好等優(yōu)點。二、壓阻式壓力微傳感器原理圖2-1硅杯式壓力傳感器原理結(jié)構(gòu)由圖2-1可知，當(dāng)壓力作用于微型硅膜片上時，硅膜片將發(fā)生彎曲和應(yīng)變（應(yīng)力）?；诠璧膲鹤栊?yīng)，當(dāng)其應(yīng)變化時，必將引起相應(yīng)的電阻變化。當(dāng)壓力P按圖示方向作用在膜片上，橋路上的壓敏電阻R1和R3的值增加，R2和R4的值將下降。若橋路

3、由恒壓壓源V8供電時，其輸出電壓V0可用下式表示，即：V。SppVs（2-1）或?qū)懗桑篠p（2-2）ppVs'）式中，Sp稱為壓力靈敏度。式（2-2）表明，輸出電壓與被測壓力成正比，測量V。，即可得被測的對應(yīng)壓力pO因為電阻變化通常在0.01%0.1%量級，故電橋輸出電壓很小，需要配置放大電路。圖2-2給出測量3種壓力的原理方案：圖（a）是測量絕對壓力的；圖（b）是測量差壓的；圖（c）是測量表壓的圖2-2硅壓阻式壓力微傳感器測量原理方案三、壓阻式壓力微傳感器的設(shè)計壓力傳感器的設(shè)計，就是為得到線性度好、靈敏度高、輸出穩(wěn)定性好的傳感器而進行力學(xué)結(jié)構(gòu)的選擇、晶向和晶面的選擇,掩模版圖的設(shè)計和

4、工藝參數(shù)的設(shè)計等。1、材料的選擇壓力傳感器硅杯材料的選擇是極為重要的，它是決定傳感器靈敏度的因素之一。為了提高滿量程輸出，減小零點溫度漂移及提高線性度，膜片上的電阻連成應(yīng)變?nèi)珮螂娐?。硅杯上電阻變化率由下式表示R二11tt（3-1）其中：i,t分別為縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力；t分別為縱向壓阻系數(shù)和橫向壓阻系數(shù)。由式1知電阻變化與應(yīng)力和壓阻系數(shù)有關(guān)。在相同表面濃度下，P型硅的壓阻系數(shù)比N型的高，而溫度系數(shù)比N型的小，所以選用；型硅作為力敏電阻有利于提高靈敏度和減少溫度影響?？紤]到硅杯制作工藝，N型硅在堿性溶液（如KOH）具有各向異性腐蝕的特性，可利用終點腐蝕技術(shù)控制硅膜片的厚度，所以硅杯材料選用N型（1

5、00）品面或（110）品面，在其上擴散；型雜質(zhì)，形成電阻條，電阻與襯底以PN結(jié)隔離。2、掩膜版的設(shè)計傳感器設(shè)計的重要一步為掩膜版的設(shè)計，傳感器上的各種圖形都是掩膜版圖形的轉(zhuǎn)印，所以傳感器性能的好壞，很大程度上取決于掩膜版的設(shè)計。掩膜版的設(shè)計是保證傳感器靈敏度及線性度的重要因素之一。本工作主要討論掩膜版設(shè)計中的重要問題，即是指在不降低膜片的過載能力同時，使傳感器獲得較高的靈敏度和線性度、較小的零點輸出和靈敏度溫漂。2.1 膜片形狀的選取由式（1）可知電阻的變化不僅與壓阻系數(shù)有關(guān)，還與應(yīng)力有關(guān)，而應(yīng)力大小及分布情況與膜片的形狀有關(guān)。由力學(xué)分析知，在相同條件下（芯片尺寸相同、同一壓力等），E型結(jié)構(gòu)的

6、應(yīng)力極值大于C型硅杯的應(yīng)力極值，故選用E型結(jié)構(gòu)，傳感器可獲得更高的靈敏度。E型結(jié)構(gòu)平膜背面有硬心，所以在有高靈敏度的同時可實現(xiàn)過壓保護和較高的線性度。從提高傳感器性能考慮，E型膜片優(yōu)于C型硅杯（圓形平膜片、方形或矩形平膜片）。計算表明，3mmX3mm芯片的/E型膜片的靈敏度已滿足預(yù)定設(shè)計量程目標(biāo)050kp井口0100kPa的要求，故更復(fù)雜的梁膜復(fù)合應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)不再考慮。2.2 電阻條位置的確定E型硅杯上的力敏電阻構(gòu)成惠斯頓電橋。為使傳感器具有較高輸出靈敏度弁減小溫度影響，四個橋臂電阻應(yīng)盡可能滿足以下四個條件：（1）等應(yīng)力（絕對值）。（2）等壓阻系數(shù)，盡量避免縱橫壓阻效應(yīng)的相互影響。（3）等阻值

7、。（4）等溫度系數(shù)和靈敏度系數(shù)。四、兩種不同的硅壓阻式壓力微傳感器的制造工藝1、硅杯式壓阻壓力微傳感器圖4-1給出了硅杯式壓阻壓力微傳感器的制造工藝主要流程。圖4-1硅杯式壓阻壓力微傳感器制造工藝主要流程1.1 生成N型外延層外延生長【epitaxialgrowth在單晶襯底（基片）上生長一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶層的方法。外延生長技術(shù)發(fā)展于20世紀(jì)50年代末60年代初，為了制造高頻大功率器件，需要減小集電極串聯(lián)電阻。生長外延層有多種方法，但采用最多的是氣相外延工藝，常使用高頻感應(yīng)爐加熱，襯底置于包有碳化硅、玻璃態(tài)石墨或熱分解石墨的高純石墨加熱體上，然后放進石英反應(yīng)器中，也可采用紅

8、外輻照加熱。為了克服外延工藝中的某些缺點，外延生長工藝已有很多新的進展：減壓外延、低溫外延、選擇外延、抑制外延和分子束外延等。外延生長可分為多種，按照襯底和外延層的化學(xué)成分不同，可分為同質(zhì)外延和異質(zhì)外延；按照反應(yīng)機理可分為利用化學(xué)反應(yīng)的外延生長和利用物理反應(yīng)的外延生長；按生長過程中的相變方式可分為氣相外延、液相外延和固相外延等。外延的過程中可以有不同類型的雜質(zhì)和濃度進行摻雜。因為電化學(xué)刻蝕自動終止的需求，在許多微機械器件中都有使用N型硅在P型基底上。本步驟即是在雙面拋光的P型Si(100)晶面上，用CVD外延反應(yīng)器和氣體源生成一層N型外延層(圖4-2)。圖4-2生成N型外延層1.2 光刻顯影光

9、刻是一種復(fù)印圖象同化學(xué)腐蝕相結(jié)合的綜合技術(shù)，它采用照相復(fù)印的方法，將光刻版上的圖形精確地復(fù)印在涂有感光膠的SiO2層或金屬蒸發(fā)層上，然后利用光刻膠的保護作用，對SiO2層或金屬蒸發(fā)層進行有選擇的化學(xué)腐蝕，從而在SiO2層或金屬蒸發(fā)層上得到與光刻版相應(yīng)的圖形。光刻工藝流程：光刻需要經(jīng)過涂膠、曝光、顯影與烘片、刻蝕、剝膜等步驟。把光致抗蝕劑（光刻膠）涂覆在氧化膜上的過程稱為涂膠。由光源發(fā)出的光束，經(jīng)掩膜在光致抗蝕劑涂層上成像，或?qū)⒐馐劢剐纬杉?xì)小束斑通過掃描在光致抗蝕劑圖層上繪制圖形，統(tǒng)稱之為曝光。曝光后的光致抗蝕劑，其分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生化學(xué)變化，在特定溶劑或水中的溶解度也不同，利用曝光區(qū)和非曝光區(qū)的這

10、一差異，可在特定溶劑中把曝光圖形顯現(xiàn)出來，這就是顯影。有的光致抗蝕劑在顯影干燥后，要進行200度左右高溫處理，使它發(fā)生熱聚合作用，以提高強度，叫做烘片。利用化學(xué)或物理方法，將沒有光致抗蝕劑部分的氧化膜去除，稱之為刻蝕。剝膜與檢查用剝膜液去除光之抗蝕劑的處理為剝膜。在本工藝流程中，由于光刻顯影之后要進行離子注入形成壓阻，而光刻膠本身就可以很好的充當(dāng)離子注入時的掩膜，所以在光刻顯影的最后并沒有剝離光刻膠。光刻顯影后后如圖4-3所示。圖4-3第一次光刻顯影1.3 離子注入形成電阻離子注入法是一種采用加速離子轟擊硅片，然后加速離子穿入硅片，之后加速離子通過晶格碰撞和隨機過程慢下來，最后在飛秒之停留在硅

11、片表面微米圍之的一種工藝步驟。離子注入的方法就是在真空中、低溫下，把雜質(zhì)離子加速（對Si,電壓n105V）,獲得很大動能的雜質(zhì)離子即可以直接進入半導(dǎo)體中；同時也會在半導(dǎo)體中產(chǎn)生一些晶格缺陷，因此在離子注入后需用低溫進行退火或激光退火來消除這些缺陷。離子注入的雜質(zhì)濃度分布一般呈現(xiàn)為高斯分布，并且濃度最高處不是在表面，而是在表面以的一定深度處。離子注入的優(yōu)點是能精確控制雜質(zhì)的總劑量、深度分布和面均勻性，而且是低溫工藝（可防止原來雜質(zhì)的再擴散等），同時可實現(xiàn)自對準(zhǔn)技術(shù)（以減小電容效應(yīng)）。離子注入形成壓阻后，去除光刻膠，如圖4-4所示圖4-4離子注入形成壓阻1.4 金屬化和鈍化在制有壓敏電阻的表面，淀

12、積絕緣層，敷設(shè)導(dǎo)電金屬和鈍化層,以及刻蝕接觸孔。如圖4-5所示圖4-5金屬化和鈍化1.5 干氧熱氧化氧化在硅外延平面中是很重要的。熱生長氧化法是在硅片表面生長SiO2膜的常用方法，其方法是將硅片放入高溫爐，在氧氣中使硅片表面生成SiO2薄膜。氧化可分為干氧氧化和濕氧氧化。干氧氧化是在高溫下使氧分子與硅片表面的硅原子反應(yīng)，生成SiO2起始層，然后氧分子以擴散方式通過SiO2層生成新的SiO2層，使SiO2薄膜繼續(xù)增厚。濕氧氧化是在氧氣通入爐子前，先通過加熱的高純?nèi)ルx子水，使氧氣中攜帶一定量的水汽。在濕氧氧化中，既有氧的氧化作用，又有水的氧化作用。氧化層的生長速率與氧化溫度及氧氣流中的水汽含量均有

13、關(guān)系。本步驟采用干氧氧化法，氧化后的硅片如圖4-6所示圖4-6干氧熱氧化1.6 光刻顯影在硅片背面的氧化層表面涂覆光刻膠，通過光刻將方形梢圖案轉(zhuǎn)移到氧化層上。如圖4-7所示圖4-7第二次光刻顯影1.7 各向異性腐蝕腐蝕是硅微機械加工的最主要的技術(shù)，各種硅微機械幾乎都要用腐蝕成型。腐蝕法分濕法腐蝕和干法腐蝕兩大類，濕法腐蝕又分為溶液法及陽極法，干法腐蝕分為離子刻蝕、激光加工等。溶液腐蝕法由于使用簡便、成本低、加工效果好、加工圍寬，因而是微機械加工中使用最廣的技術(shù)。溶液腐蝕主要依賴于硅的掩蔽性、各向異性和選擇性。掩蔽性指一定的腐蝕液對硅和生長在硅上的某種掩蔽膜的腐蝕速率顯著不同，據(jù)此可用此膜作掩膜

14、在硅表面腐蝕出所需的形狀。各向異性是指硅的不同晶面具有不同的腐蝕速率，各向異性腐蝕利用硅的不同晶向具有不同的腐蝕速率這一腐蝕特性對硅材料進行加工，在硅襯底上加工出各種各樣的微結(jié)構(gòu)。各向異性腐蝕劑一般分為有機腐蝕劑和無機腐蝕劑兩類。選擇性指硅在摻濃硼時對一定的腐蝕液的腐蝕速率將陡降趨于零，可按需要在硅中預(yù)擴散一濃硼層作為腐蝕終止層，使腐蝕作用到此層即自行停止本步驟采用各向異性腐蝕。保護有壓敏電阻的正面，使用KOH溶液腐蝕窗口區(qū)域的硅，腐蝕后的硅膜片如圖4-8所示。圖4-8各向異性腐蝕1.8 刻蝕去除氧化層保護硅片的其它地方，使用氫氟酸（HF）刻蝕掉二氧化硅層，形成空腔，如圖4-9所示。圖4-9刻

15、蝕去除氧化層1.9 硅-玻璃鍵合鍵合是指不利用任何黏合劑，只通過化學(xué)鍵和物理作用將硅片與硅片、硅片與玻璃或其他材料緊密結(jié)合在一起。在MEMS技術(shù)中,最常用的是硅與硅直接鍵合和硅與玻璃靜電鍵合技術(shù)，還有硅化物鍵合、有機物鍵合等等。在微機械加工中，硅與玻璃或硅與硅的鍵合迄今都采用陽極鍵合技術(shù)，即將兩鍵合面一起加熱，并在鍵合面間施加一定的電壓，在高溫、高電場下兩鍵合面形成熱密封。常規(guī)的硅與硅鍵合工藝需要在鍵合面淀積0.5wm1wm厚的玻璃膜，然后按硅與玻璃鍵合的工藝鍵合。靜電鍵合技術(shù)主要用于玻璃與硅（或金屬）之間的鍵合，其鍵合界面具有良好的氣密性和長期穩(wěn)定性，可用于微機械系統(tǒng)的封裝硅-玻璃直接鍵合后

16、即完成傳感器的制作（圖4-10）圖4-10硅-玻璃直接鍵合2、超微型壓阻式壓力傳感器利用體微加工技術(shù)，從硅背面形成硅膜片的硅杯式傳感器，存在的主要問題是傳感器所需芯片的表面積相當(dāng)大，限制了傳感器尺寸更加微型化。利用面微加工技術(shù)，可有效減小所需芯片表面積。圖4-11給出了超微型壓阻式壓力傳感器的主要制造工藝流程。日總圖4-11超微型壓阻式壓力傳感器制造工藝主要流程2.1 淀積氧化膜薄膜淀積是硅表面微加工中的一項主要工藝，它包括化學(xué)氣相淀積（CVD）和物理氣相淀積（PVD）。化學(xué)氣相淀積，指把含有構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)反應(yīng)劑或液態(tài)反應(yīng)劑的蒸氣及反應(yīng)所需其它氣體引入反應(yīng)室，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成薄膜

17、的過程。在超大規(guī)模集成電路中很多薄膜都是采用CVD方法制備。物理氣相沉積是通過蒸發(fā)，電離或濺射等過程，產(chǎn)生金屬粒子并與反應(yīng)氣體反應(yīng)形成化合物沉積在工件表面。物理氣象沉積方法有真空鍍，真空濺射和離子鍍?nèi)N，目前應(yīng)用較廣的是離子鍍。本步驟是在硅片表面淀積一層氧化膜。淀積之后的硅片如圖4-12所示。圖4-12淀積氧化膜2.2 光刻顯影在氧化層表面涂覆光刻膠，通過光刻將方形梢圖案轉(zhuǎn)移到氧化層上。光刻后的硅片如圖4-13所示。圖4-13第一次光刻顯影2.3 刻蝕硅片形成方梢采用各向異性腐蝕，使用KOH溶液在窗口區(qū)域腐蝕出空腔，然后使用HF溶液將氧化層腐蝕掉。刻蝕后的硅片如圖4-14所示圖4-14刻蝕硅片

18、形成方梢2.4 鍵合并減薄硅-硅直接鍵合技術(shù)(Silicondirectbonding,SDB)是鍵合技術(shù)中提出較晚，但是發(fā)展最為迅速，人們研究最多，應(yīng)用最廣泛和最為重要的鍵合技術(shù)之一。硅-硅直接鍵合技術(shù)就是將兩個拋光硅片經(jīng)化學(xué)清洗和活化處理后在室溫下粘貼在一起，再經(jīng)過高溫退火處理，使鍵合界面發(fā)生劇烈的物理化學(xué)反應(yīng)，形成強度很大的化學(xué)共價鍵連接，增加鍵合強度而形成統(tǒng)一整體。硅-硅直接鍵合技術(shù)工藝簡單，兩鍵合片的晶向、電阻率、導(dǎo)電類型可自由選擇，且與半導(dǎo)體工藝完全兼容，因此迅速引起了人們的研究興趣并得到了迅速的發(fā)展。如今，硅-硅直接鍵合技術(shù)已經(jīng)從制備SOI材料發(fā)展到親水鍵合、疏水鍵合、低溫鍵合等

19、新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于SOI材料，功率器件和MEMS器件等領(lǐng)域6,是一項充滿活力的高新技術(shù)。具體做法是，將上下兩硅片洗凈，貼合后高溫(700-800度)處理，使上下兩硅片直接見合成一個整體，然后將上硅片減薄至所需要的厚度。如圖4-15所示。圖4-15鍵合、減薄2.5 光刻顯影在上硅片表面涂覆光刻膠，通過掩膜版將圖形轉(zhuǎn)移到硅片上，如圖4-16所示。圖4-16第二次光刻顯影2.6 離子注入形成壓阻用光刻膠作掩膜，在硅膜片上通過離子注入雜質(zhì)(如摻硼)形成壓敏電阻，即可制成超微型壓力傳感器。如圖4-17所示。/X圖4-17離子注入形成壓阻五、兩種制造工藝的比較硅杯式壓阻壓力微傳感器采用的是雙面加工的體微加工技術(shù)，而超微型壓阻式壓力傳感器采用的是單面加工的面微加工技術(shù)。兩種工藝對比如下：(1)面微加工技術(shù)為單面加工，克服了硅杯式需雙面加工的一些缺點；(2)單面加工的優(yōu)