專利名稱：嵌入式單晶硅腔體的六邊形硅膜壓阻式壓力傳感器及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種嵌入式單晶硅腔體的六邊形硅膜片壓阻式壓力傳感器及制作方 法，屬于硅微機械傳感器領域。
背景技術：
壓阻式壓力傳感器出現(xiàn)于上世紀六十年代，隨著MEMS技術的不斷發(fā)展，硅微機械 加工工藝的日趨成熟使得敏感元件微型化，實現(xiàn)了傳感器生產(chǎn)的批量化、低成本化，確立了 其在壓力測量領域的主導地位，較之傳統(tǒng)的膜合電位計式、變電感式、力平衡式、金屬應變 片式、變電容式及半導體應變片式傳感器技術上要先進得多，其不僅具有靈敏度高、響應速 度快、可靠性好、精度較高、低功耗、且易于微型化與集成化等一系列優(yōu)點。在以大規(guī)模集成 電路和計算機軟件技術介入為特色的智能傳感器中，由于它能做成單片式多功能復合敏感 元件而構成智能傳感器的基礎。當前壓力傳感器主要是用(100)硅片通過硅微機械工藝加工制造而成，壓力膜片 主要有方形和圓形兩種形式并通過在膜片上分布壓敏電阻組成惠斯頓電橋實現(xiàn)對外部壓 力的檢測。這種結構的壓力傳感器的最大特點在于需要依靠硅_玻璃或者硅_硅鍵合方式 來形成壓力腔體和提供襯底框架[Tsung-Lin Chou，Chen-Hung Chu, Chun-Te Lin, Kuo-Ning Chiang. Sensitivity analysis of packaging effect of silicon-basedpiezoresistive pressure sensor, Sensor and Actuators, 2009, A152 :29_38]。因此，這這種結構的壓力 傳感器不僅結構尺寸較大，制作成本較高并且工藝比較復雜。傳統(tǒng)壓力傳感器都是從硅片 背面腐蝕減薄硅片來加工壓力膜片，由于硅圓片厚度不可能做到處處一致，再加上KOH濕 法刻蝕速率難以做到各處相同，因此，加工后的膜片厚度均勻性存在一定的問題。尤其是 加工薄膜片，均將導致壓力傳感器靈敏度不一致和成品率難以進一步提高，同時，這種從硅 片背面減薄加工薄膜的方法也使得加工后傳感器芯片尺寸偏大。再者，以體硅微機械加工 的壓力傳感器多般采用高溫鍵合方式構成壓力傳感器的密封腔體，這種方式不僅使加工 后的傳感器尺寸不宜進一步縮小，而且大大提高生產(chǎn)成本。另外，鍵合過程中不同材料間 的熱不匹配所導致的殘余應力對傳感器零漂會產(chǎn)生較大的影響[Kovacs GTA, Maluf Ni， PetersenKE. Bulk micromachining of silicon, P IEEE,1998,86(8) :1536 1551]。當前，以表面微機械加工的壓力傳感器技術得以廣泛應用，這種結構的傳感器 主要采用氮化硅、多晶硅或其他材料作為壓力膜片材料[H S Ko, C ffliu, C Gau. Novel fabrication of a pressure sensor with polymer materialand evaluation of its performance, J. Micromech. Microeng.，2007，17 :1640_1648]，并通過在薄膜上方沉積多 晶硅電阻組成壓阻檢測電路，壓力腔體主要通過腐蝕犧牲層來實現(xiàn)。由于這些薄膜材料在 力學性能方面劣于單晶硅薄膜材料，并且表面微機械加工出來的壓力膜片也不能太厚，因 此不能加工大量程的壓力傳感器，還有沉積薄膜的內(nèi)在應力也影響到傳感器輸出特性等問 題，再者，表面微機械加工的壓力傳感器也不易在膜片上集成壓阻器件。而本發(fā)明擬提出一 種嵌入式單晶硅腔體的六邊形硅膜片壓阻式壓力傳感器及其單一硅片單面制作方法，采用單晶硅六邊形薄膜作為壓力薄膜，壓力腔體被巧妙地嵌入到硅基襯底內(nèi)部，取代了傳統(tǒng)通 過鍵合封裝來形成腔體的方法。使發(fā)明提供的傳感器不僅結構新穎實用，工藝簡單，而且避 免了采用體硅微機械或表面微機械加工壓力傳感器所帶來的不足，可實現(xiàn)小型化、低成本 和大批量生產(chǎn)要求。從而構筑成本發(fā)明的主要構思。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供嵌入式單晶硅腔體的六邊形硅膜壓阻式壓力傳感器及方 法，以克服傳統(tǒng)壓阻式壓力傳感器及其相應硅微機械加工方法所存在的不足，也即本發(fā)明 提供一種新型三維體硅微機械加工技術，通過單一硅片單面實現(xiàn)嵌入式單晶硅腔體的六邊 形硅膜片壓阻式壓力傳感器以及制作方法。具體地說，所提供的微機械壓力傳感器由(111)單晶硅片通過單一硅片單面體 硅微機械加工而成，所提供的傳感器主要包括以下幾個部分(1)六邊形單晶硅壓力薄膜； (2)嵌入式單晶硅參考壓力腔體；(3)釋放窗口 ； (4)檢測電阻；(5)引線。傳感器采用單晶 硅薄膜作為壓力傳感器的感壓微機械膜片，所述的感壓微機械膜片設計成規(guī)則六邊形且相 鄰兩邊夾角均為120° (如圖1所示)，膜片最終厚度由硅片正面干法刻蝕不同深度的槽 決定，因此可大大提高傳感器的一致性和成品率。參考壓力腔體位于壓力膜片正下方，采用 直接嵌入到單晶硅片內(nèi)部方式，參考壓力腔體的加工分別采用長條式溝槽側壁刻蝕(如圖 3(a))或柵格式溝槽側壁刻蝕(如圖3(b))兩種不同的刻蝕掏空腔體方式，側壁掏空后的腔 體采用LPCVD工藝沉積低應力多晶硅實現(xiàn)壓力腔體的密封，同時完成壓力膜片的縫合。根 據(jù)膜片區(qū)域應力分布情況，利用壓阻的縱向效應和橫向效應，分別在壓力膜片上表面設計 兩種不同類型的壓阻排布方式。一種壓阻排布是利用電阻條的縱向壓阻效應，把四個敏感 電阻條分別布置在規(guī)則六邊形的上下位置和左右位置(如圖3(a))；具體地說上下兩個電 阻位于壓應力區(qū)域，左右兩個電阻位于張應力區(qū)域；另一種壓阻排布同時考慮電阻條的縱 向壓阻效應和橫向壓阻效應，把四個敏感電阻沿規(guī)則六邊形豎直平行對立的兩條邊所構成 的長方形的長邊方向并排布置(如圖3(b))，四個等值的電阻條組成惠斯頓全橋檢測電路。 該傳感器的微機械結構以往一般要用表面微機械工藝加工，但是表面微機械加工出來的壓 力膜片厚度有限，存在膜片內(nèi)在應力影響傳感器特性等問題，且膜片上不易集成壓阻元件。 本發(fā)明采用深槽刻蝕、側向腔體掏空和薄膜縫合等體硅微機械工藝來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的表面微機 械工藝，既克服了傳統(tǒng)體硅微機械壓力傳感器從硅片背面腐蝕減薄來形成壓力膜片所導致 了膜片厚度不均，使得壓力傳感器靈敏度不一致和成品率難以提高等問題，又具有單一硅 片單面加工壓力傳感器的低成本優(yōu)勢，且單晶硅無內(nèi)在應力，膜片厚度不受限制，可利用半 導體摻雜來形成壓阻敏感元件。本發(fā)明的基本制作過程如下(1)在熱氧化硅片上采用硼離子注入方法制作敏感電阻，注入傾斜角取7° 10°之間，其方塊電阻值在72-90歐姆范圍內(nèi)。(2) LPCVD沉積低應力氮化硅或二氧化硅作為已加工電阻及單晶硅薄膜表面抗深 度反應離子刻蝕和腔體濕法刻蝕掏空的鈍化保護層。(3)采用硅深度反應離子刻蝕工藝加工制作腔體釋放窗口圖形(如長條式溝槽 釋放窗口尺寸為300 μ mX 4 μ m，柵格式溝槽釋放窗口每小格尺寸為4 μ mX 6 μ m，相鄰兩小格間距為1.5 μ m)，釋放窗口的刻蝕深度即為壓力膜片的厚度。(4) LPCVD沉積低應力氮化硅(或氮化硅和二氧化硅)作為腔體刻蝕掏空過程中膜 片側壁濕法刻蝕時的側壁鈍化保護層。(5)利用反應離子刻蝕工藝(或深度反應離子刻蝕工藝)剝離溝槽釋放窗口底 部的鈍化保護層，然后再利用硅反應離子刻蝕工藝繼續(xù)刻蝕出腔體的深度(這里深度取 IOym),這兩步驟干法刻蝕均不需要任何掩模。(6)利用KOH溶液或者TMAH腐蝕溶液刻蝕加工壓力傳感器腔體。(7)利用LPCVD工藝沉積低應力多晶硅縫合釋放窗口，同時密封傳感器的絕壓腔 體。(8)采用深度反應離子刻蝕技術去除硅表面多余的多晶硅。(9)采用150°C，85%磷酸腐蝕硅片表面殘余的氮化硅鈍化保護層(氮化硅也可保 留用作絕緣層)。制作歐姆接觸區(qū)和引線孔。(10)在硅片表面濺射鋁薄膜，并形成引線和焊盤。(11)劃片、測試并封裝。綜上所述，為實現(xiàn)嵌入式單晶硅腔體的六邊形硅膜片壓阻式壓力傳感器，本發(fā)明 采用(111)單晶硅片，充分利用其晶向腐蝕的特點，發(fā)明了體硅微機械加工方法，實現(xiàn)了該 傳感器的結構加工。同時，發(fā)明了壓阻元件集成的方法，實現(xiàn)了壓力傳感器高靈敏度的檢 測。本發(fā)明的壓力傳感器結構新型實用，制作工藝簡單，通過對膜片厚度的調(diào)整，可以制作 量程從IKPa 50MPa，具有靈敏度高、量程大、尺寸小等特點的絕對和相對壓力傳感器，具 有廣闊的應用前景。


圖1為本發(fā)明提供的嵌入式單晶硅腔體的六邊形硅膜片壓阻式壓力傳感器芯片 三維結構示意圖。圖2為圖1的A-A截面示意圖。圖3(a)為本發(fā)明提供的長條式溝槽側壁釋放窗口結構示意圖，(b)為本發(fā)明提供 的柵格式溝槽側壁釋放窗口結構示意圖。圖4為本發(fā)明提供的嵌入式單晶硅腔體的六邊形硅膜片壓阻式壓力傳感器芯片 工藝流程圖，其中(a)為硅片熱氧化；(b)為硼離子注入制作壓阻；(c)為刻蝕薄膜釋放槽 并確定薄膜厚度；(d)刻蝕壓力腔體高度；(e)腔體加工；(d)腔體縫合并制作引線。圖5采用長條式溝槽釋放窗口的壓力傳感器實物照片。圖6采用柵格式溝槽釋放窗口的壓力傳感器實物照片。圖7加工后傳感器腔體SEM截面圖。圖8為加工后傳感器輸出電壓及壓力的測試曲線圖。圖中1——硼摻雜后形成的敏感電阻；2——六邊形單晶硅薄膜； 3——柵格式溝槽腔體釋放窗口 ；
4——壓力傳感器的腔體；
5——N型(111)單晶硅；6——長條式溝槽腔體釋放窗口 ；7——引線焊盤；8——引線。
具體實施例方式下面通過具體實施進一步說明本發(fā)明的實質性特點和顯著的進步，但本發(fā)明決非 僅僅限于所述的實施例。本發(fā)明提供的壓力傳感器采用(111)單晶硅薄膜作為傳感器的感壓膜片，感壓膜 片設計成規(guī)則六邊形且相鄰兩邊的夾角均為120°，膜片厚度由硅片正面干法刻蝕不同深 度的槽決定。壓力腔體直接嵌入到硅襯底內(nèi)部，分別采用長條式溝槽側壁刻蝕(如圖3 (a)) 或柵格式溝槽側壁刻蝕(如圖3(b))兩種不同的掏空腔體方式，側壁掏空后的腔體采用低 應力多晶硅來實現(xiàn)壓力腔體的密封，同時完成壓力膜片的縫合。根據(jù)膜片應力分布情況，充 分利用壓阻的縱向效應和橫向效應，分別設計兩種不同類型的壓阻排布方式。一種壓阻排 布利用電阻條的縱向壓阻效應，把四個敏感電阻條分別布置在規(guī)則六邊形的上下位置和左 右位置(如圖3(a))；另一種壓阻排布同時考慮電阻條的縱向壓阻效應和橫向壓阻效應，把 四個敏感電阻沿規(guī)則六邊形豎直平行對立的兩條邊所構成的長方形的長邊方向并排布置 (如圖3(b))，四個等值的電阻條組成惠斯頓全橋檢測電路。同時，對于不同量程的傳感器 設計，單晶硅壓力薄膜的厚度可根據(jù)有限元分析結果來確定。以量程為lKPa-700KPa的嵌入式單晶硅腔體的六邊形硅膜片壓阻式壓力傳 感器芯片和制作方法所設計的單晶硅壓力薄膜厚度為6 μ m，相鄰兩條邊的夾角為 120 °，兩條豎直平行邊的長度均為56 μ m,間距為300 μ m,長條式溝槽釋放窗口尺寸為 300 μ mX4 μ m(如果采用柵格式溝槽釋放窗口，則每小格尺寸為4 μ mX6 μ m，相鄰兩小格 間距為1. 5 μ m)，參考壓力腔體尺寸高度取10 μ m。具體工藝實施步驟如下(1)采用硼離子注入方法制作敏感電阻，注入傾斜角取7° -10°之間，其方塊電 阻值在72-90歐姆范圍(如圖4(b))。(2) LPCVD沉積低應力氮化硅和二氧化硅作為已加工電阻及單晶硅薄膜表面深度 反應離子刻蝕和腔體濕法刻蝕掏空時的鈍化保護層。(3)采用硅深度反應離子刻蝕工藝加工制作腔體釋放窗口圖形(如長條式溝槽 釋放窗口尺寸為300 μ mX 4 μ m，柵格式溝槽釋放窗口每小格尺寸為4 μ mX 6 μ m，相鄰兩小 格間距為1. 5 μ m)，溝槽的刻蝕深度為薄膜的厚度(如圖4(c))。(4) LPCVD沉積低應力氮化硅(或為氮化硅和二氧化硅復合層)作為加工腔體時溝 槽釋放窗口側壁濕法刻蝕時的側壁鈍化保護層。(5)利用反應離子刻蝕工藝(或深度反應離子刻蝕工藝)剝離釋放窗口底部的鈍 化保護層，然后再利用硅反應離子刻蝕工藝繼續(xù)刻蝕出腔體的深度(這里深度取10 μ m)， 這兩步驟干法刻蝕均不需要任何掩模(如圖4(d))。(6)利用KOH溶液或者TMAH腐蝕溶液刻蝕加工壓力傳感器的腔體(如圖4 (e))。(7)利用LPCVD工藝沉積低應力多晶硅縫合溝槽釋放窗口，同時密封傳感器的壓力腔體。(8)采用深度反應離子刻蝕技術去除硅表面多余的多晶硅。(9)采用150°C，質量百分濃度為85%磷酸腐蝕硅片表面殘余的氮化硅鈍化保護 層。制作歐姆接觸區(qū)和引線孔。(10)在硅片表面濺射鋁薄膜，并形成引線和焊盤(如圖4(f))，加工后的傳感器實 物圖如圖5、圖6和圖7所示。
權利要求
一種基于嵌入式單晶硅腔體的六邊形硅膜片壓阻式壓力傳感器，其特征在于所述的壓力傳感器由(111)單晶硅片單片單面體硅微機械加工而成，所述的壓力傳感器的感壓微機械膜片設計成規(guī)則六邊形且相鄰兩邊的夾角均為120°，在所述的壓力傳感器的感壓微機械膜片正下方的參考壓力腔體直接嵌入到單晶硅片內(nèi)部；壓力傳感器腔體是分別采用長條式溝槽側壁刻蝕或柵格式溝槽側壁刻蝕兩種不同的掏空腔體方式加工而成的；側壁掏空后的腔體密封的同時完成感壓微機械壓力膜片的縫合；壓阻排布是將四個敏感電阻條分別布置在規(guī)則六邊形的上下位置和左右位置；或將四個敏感電阻沿規(guī)則六邊形豎直平行對立的兩條邊所構成的長方形的長邊方向并排布置，四個等值的電阻條組成惠斯頓全橋檢測電路。
2.按照權利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于所述的壓力傳感器的感壓微機械膜 片的厚度由硅片正面干法刻蝕不同深度的槽決定。
3.按照權利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于側壁淘空后的腔體密封是采用低應 力多晶硅實現(xiàn)的。
4.按照權利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于四個敏感電阻條分別布置在規(guī)則六 邊形薄膜的上下位置和左右位置是上下兩個電阻位于壓應力區(qū)域，左右兩個電阻位于張應 力區(qū)域。
5.制作如權利要求1-4任一項所述的壓力傳感器的方法，其特征在于工藝步驟如下(a)在熱氧化的硅片上采用硼離子注入方法制作敏感電阻，注入傾斜角取7°-10°之 間，其方塊電阻值在72-90歐姆范圍內(nèi)；(b)LPCVD沉積低應力氮化硅或二氧化硅作為已加工電阻及單晶硅薄膜表面深度反應 離子刻蝕和后續(xù)濕法刻蝕釋放的鈍化保護層；(c)采用硅深反應離子刻蝕工藝加工制作腔體釋放窗口圖形，釋放窗口的刻蝕深度即 為感壓微機械膜片的厚度；(d)使用LPCVD沉積低應力氮化硅作為腔體刻蝕掏空過程中膜片側壁濕法刻蝕時的側 壁鈍化保護層；(e)利用反應離子刻蝕工藝剝離釋放窗口底部的鈍化保護層，然后再利用硅反應離子 刻蝕工藝繼續(xù)刻蝕出腔體的深度；(f)利用K0H溶液或者TMAH腐蝕溶液刻蝕加工釋放壓力傳感器腔體；(g)利用LPCVD工藝沉積低應力多晶硅縫合溝槽釋放窗口，同時密封傳感器的參考壓 力腔體；(h)采用深反應離子刻蝕技術去除硅表面多余的多晶硅；(i)采用150°C，質量百分濃度為85%磷酸腐蝕硅片表面殘余的氮化硅鈍化保護層，制 作歐姆接觸區(qū)和引線孔；(j)在硅片表面濺射鋁薄膜，并形成引線和焊盤；(k)劃片、測試并封裝。
6.按權利要求5所述的方法，其特征在于長條式溝槽釋放窗口尺寸為300y mX 4 y m ； 柵格式溝槽釋放窗口每小格為4 y mX 6 y m，相鄰兩小格間距為1. 5 y m，溝槽的刻蝕深度為 傳感微機械膜片的厚度。
7.按權利要求5所述的方法，其特征在于步驟d沉積低應力氮化硅或為氮化硅和二氧化硅的復合層。
8.按權利要求5所述的方法，其特征在于步驟e在干法刻蝕時不需要掩膜。
9.按權利要求5所述的方法，其特征在于保留步驟i中表面殘余的氮化硅鈍化保護層， 將它作為絕緣層。
10.按權利要求5所述的方法，其特征在于適用于制作lKpa-50Mpa的壓力傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種嵌入式單晶硅腔體的六邊形硅膜片壓阻式壓力傳感器及方法。其特征是所述微機械壓力傳感器由(111)單晶硅片單片單面體硅微機械加工而成，采用單晶硅薄膜作為壓力傳感器的感壓膜片，膜片設計成規(guī)則六邊形且相鄰兩邊夾角均為120°，壓力腔體位于膜片正下方且直接嵌入硅片內(nèi)部，腔體加工分別采用長條和柵格兩種結構方式通過橫向刻蝕掏空以及縫合而成。根據(jù)膜片區(qū)域應力分布，利用壓阻的縱向效應和橫向效應分別設計兩種不同類型的壓阻排布方式。采用單一硅片單面的體硅微機械加工技術，實現(xiàn)了該傳感器的結構加工，并發(fā)明了壓阻元件集成的方法，可以制作量程從1kPa-50MPa靈敏度高、量程大、尺寸小等特點的壓力傳感器，具有廣闊的應用前景。
文檔編號G01L1/20GK101881676SQ20101020561
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月22日 優(yōu)先權日2010年6月22日
發(fā)明者李昕欣, 王家疇 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所