硅压阻式微传感器的制造工艺研究

硅压阻式压力微传感器的设计与制

造工艺研究

指导老师：来五星

作 者：张勇杰 潘 挺 周 晶 张晶渝

魏 佳 易伟铭 杨 昆

硅压阻式压力微传感器的设计与制造工艺

研究

摘要：硅压阻式压力传感器是最早开始研究并实用化的微传感器之一，它结构简单、体积小、成本低、应用范围广，且已经实现大批量生产，在某些领域已经取代传统传感器。进一步研制小体积高精度的微传感器，扩大其适用范围是未来的趋势。本文首先叙述了压阻式压力微传感器的原理和设计方法，然后针对硅压阻式压力微传感器的制造，给出了两种不同的制造工艺流程，并接着对其优缺点进行了横向比较，以期优化该种传感器的工艺。

关键词：微传感器；压阻式；制造工艺；设计

一、引言

压力传感器是用来测量流体或气体压力，大规模生产的计量或传感单元。传统的压力传感器体积大、笨重、输出信号弱、灵敏度低。应用微电子技术，在单晶硅片的特定晶向上，制成应变电阻构成的惠施顿电桥，同时利用半导体材料的压阻效应和硅的弹性力学特性，用集成电路工艺和微机械加工技术研制固态压阻压力传感器，它们具有体积小、灵敏度高、动态特性好、耐腐蚀和灵敏度系数好等优点。

二、压阻式压力微传感器原理

图2-1 硅杯式压力传感器原理结构

由图2-1可知，当压力作用于微型硅膜片上时，硅膜片将发生弯曲和内应变（应力）。基于硅的压阻效应，当其内应变化时，必将引起相应的电阻变化。当压力P按图示方向作用在膜片上，桥路上的压敏电阻R1和R3的值增加，R2和R4的值将下降。 若桥路由恒压压源V8供电时，其输出电压V0可用下式表示，即：

?V0?Sp?pVs

（2-1）

或写成：

Sp??V01?pVs （2-2）

式中，Sp称为压力灵敏度。

式（2-2）表明，输出电压与被测压力成正比，测量?V0，即可得被测的对应压力?p。因为电阻变化通常在0.01%~0.1%量级，故电桥输出电压很小，需要配置放大电路。

图2-2给出测量3种压力的原理方案：图（a）是测量绝对压力的；图（b）是测量差压的；图（c）是测量表压的。

图2-2 硅压阻式压力微传感器测量原理方案

三、压阻式压力微传感器的设计

压力传感器的设计，就是为得到线性度好、灵敏度高、输出稳定性好的传感器而进行力学结构的选择、晶向和晶面的选择，掩模版图的设计和工艺参数的设计等。 1、材料的选择

压力传感器硅杯材料的选择是极为重要的，它是决定传感器灵敏度的因素之一。为了提高满量程

输出，减小零点温度漂移及提高线性度，膜片上的电阻连成应变全桥电路。硅杯上电阻变化率由下式表示

?R??l?l??t?t R （3-1）

其中：?l，?t分别为纵向应力和横向应力；

?l，?t分别为纵向压阻系数和横向压阻系数。

由式1知电阻变化与应力和压阻系数有关。在相同表面浓度下，P型硅的压阻系数比N型的高，而温度系数比N 型的小，所以选用; 型硅作为力敏电阻有利于提高灵敏度和减少温度影响。考虑到硅杯制作工艺,N型硅在碱性溶液（如KOH）具有各向异性腐蚀的特性，可利用终点腐蚀技术控制硅膜片的厚度，所以硅杯材料选用N型（100）晶面或（110）晶面，在其上扩散; 型杂质，形成电阻条，电阻与衬底以PN结隔离。 2、掩膜版的设计

传感器设计的重要一步为掩膜版的设计，传感器上的各种图形都是掩膜版图形的转印，所以传感器性能的好坏，很大程度上取决于掩膜版的设计。掩膜版的设计是保证传感器灵敏度及线性度的重要因素之一。本工作主要讨论掩膜版设计中的重要问题，即是指在不降低膜片的过载能力同时，使传感器获得较高的灵敏度和线性度、较小的零点输出和灵敏度温漂。 2.1 膜片形状的选取

由式（1）可知电阻的变化不仅与压阻系数有关，还与应力有关，而应力大小及分布情况与膜片的形状有关。由力学分析知，在相同条件下（芯片尺寸相同、同一压力等），E型结构的应力极值大于C 型硅杯的应力极值，故选用E型结构，传感器可获得更高的灵敏度。E型结构平膜背面有硬心，所以在有高灵敏度的同时可实现过压保护和较高的线性度。从提高传感器性能考虑，

图4-7 第二次光刻显影

1.7 各向异性腐蚀

腐蚀是硅微机械加工的最主要的技术,各种硅微机械几乎都要用腐蚀成型。腐蚀法分湿法腐蚀和干法腐蚀两大类,湿法腐蚀又分为溶液法及阳极法,干法腐蚀分为离子刻蚀、激光加工等。溶液腐蚀法由于使用简便、成本低、加工效果好、加工范围宽,因而是微机械加工中使用最广的技术。溶液腐蚀主要依赖于硅的掩蔽性、各向异性和选择性。掩蔽性指一定的腐蚀液对硅和生长在硅上的某种掩蔽膜的腐蚀速率显著不同,据此可用此膜作掩膜在硅表面腐蚀出所需的形状。各向异性是指硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率,各向异性腐蚀利用硅的不同晶向具有不同的腐蚀速率这一腐蚀特性对硅材料进行加工,在硅衬底上加工出各种各样的微结构。各向异性腐蚀剂一般分为有机腐蚀剂和无机腐蚀剂两类。选择性指硅在掺浓硼时对一定的腐蚀液的腐蚀速率将陡降趋于零,可按需要在硅中预扩散一浓硼层作为腐蚀终止层,使腐蚀作用到此层即自行停止

本步骤采用各向异性腐蚀。保护有压敏电阻的正面，使用KOH溶液腐蚀窗口区域的硅，腐蚀后的硅膜片如图4-8所示。

图4-8 各向异性腐蚀

1.8 刻蚀去除氧化层

保护硅片的其它地方，使用氢氟酸（HF）刻蚀掉二氧化硅层，，形成空腔，如图4-9所示。

图4-9 刻蚀去除氧化层

1.9 硅-玻璃键合

键合是指不利用任何黏合剂,只通过化学键和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密结合在一起。在MEMS 技术中,最常用的是硅与硅直接键合和硅与玻璃静电键合技术,还有硅化物键合、有机物键合等等。在微机械加工中,硅与玻璃或硅与硅的键合迄今都采用阳极键合技术,即将两键合面一起加热,并在键合面间施加一定的电压,在高温、高电场下两键合面形成热密封。常规的硅与硅键合工艺需要在键合面淀积0. 5μm～1μm 厚的玻璃膜,然后按硅与玻璃键合的工艺键合。

静电键合技术主要用于玻璃与硅（或金属）之间的键合，其键合

界面具有良好的气密性和长期稳定性，可用于微机械系统的封装。 硅-玻璃直接键合后即完成传感器的制作（图4-10）。

图4-10 硅-玻璃直接键合

2、超微型压阻式压力传感器

利用体微加工技术，从硅背面形成硅膜片的硅杯式传感器，存在的主要问题是传感器所需芯片的表面积相当大，限制了传感器尺寸更加微型化。利用面微加工技术，可有效减小所需芯片表面积。 图4-11给出了超微型压阻式压力传感器的主要制造工艺流程。

图4-11 超微型压阻式压力传感器制造工艺主要流程

2.1 淀积氧化膜

薄膜淀积是硅表面微加工中的一项主要工艺，它包括化学气相淀积（CVD）和物理气相淀积（PVD）。化学气相淀积，指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程。在超大规模集

成电路中很多薄膜都是采用CVD方法制备。物理气相沉积是通过蒸发，电离或溅射等过程，产生金属粒子并与反应气体反应形成化合物沉积在工件表面。物理气象沉积方法有真空镀，真空溅射和离子镀三种，目前应用较广的是离子镀。

本步骤是在硅片表面淀积一层氧化膜。淀积之后的硅片如图4-12所示。

图4-12 淀积氧化膜

2.2 光刻显影

在氧化层表面涂覆光刻胶，通过光刻将方形槽图案转移到氧化层上。光刻后的硅片如图4-13所示。

图4-13 第一次光刻显影

2.3 刻蚀硅片形成方槽

采用各向异性腐蚀，使用KOH溶液在窗口区域腐蚀出空腔，然后使用HF溶液将氧化层腐蚀掉。刻蚀后的硅片如图4-14所示。

图4-14 刻蚀硅片形成方槽

2.4 键合并减薄

硅-硅直接键合技术（Silicon direct bonding, SDB）是键合技术中提出较晚，但是发展最为迅速，人们研究最多，应用最广泛和最为重要的键合技术之一。硅-硅直接键合技术就是将两个抛光硅片经化学清洗和活化处理后在室温下粘贴在一起，再经过高温退火处理，使键合界面发生剧烈的物理化学反应，形成强度很大的化学共价键连接，增加键合强度而形成统一整体。硅-硅直接键合技术工艺简单，两键合片的晶向、电阻率、导电类型可自由选择，且与半导体工艺完全兼容，因此迅速引起了人们的研究兴趣并得到了迅速的发展。如今，硅-硅直接键合技术已经从制备SOI材料发展到亲水键合、疏水键合、低温键合等新技术，广泛应用于SOI材料，功率器件和MEMS器件等领域[6]，是一项充满活力的高新技术。

具体做法是，将上下两硅片洗净，贴合后高温（700-800度）处理，使上下两硅片直接见合成一个整体，然后将上硅片减薄至所需要的厚度。如图4-15所示。

图4-15 键合、减薄

2.5 光刻显影

在上硅片表面涂覆光刻胶，通过掩膜版将图形转移到硅片上，如图4-16所示。

图4-16 第二次光刻显影

2.6 离子注入形成压阻

用光刻胶作掩膜，在硅膜片上通过离子注入杂质（如掺硼）形成压敏电阻，即可制成超微型压力传感器。如图4-17所示。

图4-17 离子注入形成压阻

五、两种制造工艺的比较

硅杯式压阻压力微传感器采用的是双面加工的体微加工技术，而超微型压阻式压力传感器采用的是单面加工的面微加工技术。两种工艺对比如下：

（1） 面微加工技术为单面加工，克服了硅杯式需双面加工的一些

缺点；

（2） 单面加工的优点是膜片的支撑可以很小，从而可以有效的减

小芯片面积，芯片尺寸小可以使每个硅片上的芯片数增多，相对可降低造价；

（3） Si-Si键合工艺避免了不同材料匹配的热应力，有利于提高传

感器的稳定性。

六、结语

硅压阻式压力微传感器结构简单，制造不难，桥路直接输出电压，阻抗低，接口电路简单，输出线性度高。压敏电阻一般用离子注入法制作在膜表面内，也可以淀积在膜表面上。相对于硅杯式压阻压力微传感器，超微型压阻式压力传感器采用面加工技术，制造工艺相对简单，芯片面积小，造价低，而且稳定性高。

参考文献：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3m5.html