表面微機械加工的高長寬比矩形薄膜壓力傳感器

張艷敏，王 權，2，李昕欣

(1．江蘇大學機械工程學院，江蘇鎮(zhèn)江　212013；2．傳感技術國家重點實驗室，上?！?00050；3．中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所，上?！?00050)

0　引言

壓阻式壓力傳感器由于微機械加工技術的發(fā)展使其敏感元件微型化，生產批量化、低成本化，確立了在壓力測量領域的主導地位，較之傳統(tǒng)的膜合電位計式、力平衡式、變電感式、變電容式、金屬應變片式及半導體應變片式傳感器技術上先進得多，具有靈敏度高、響應速度快、可靠性好、精度較高、低功耗、易于微型化與集成化等一系列優(yōu)點，在工業(yè)、汽車和醫(yī)學等領域有著廣泛的應用[1-3]。

傳統(tǒng)的壓阻式壓力傳感器采用擴散或離子注入的方法，摻雜獲得4個硅應變電阻，在單晶硅片正面上構成惠斯登電橋的應力敏感檢測模式，電阻和襯底之間一般形成PN結隔離。為了滿足測試量程的需要，背面一般采用氫氧化鉀腐蝕減薄，也常稱為體微機械加工[4-6]。為制作絕對壓力傳感器，必須先采用兩塊硅片預加工后，高溫鍵合形成真空腔，然后拋光減薄到所需要的厚度，再在鍵合體的正面通過體微機械加工，形成所需要的圖形，以構成檢測電路。然而，當器件溫度在100 ℃以上時，電阻和襯底之間形成的PN結漏電流很大，使器件無法工作，無法滿足在高溫度環(huán)境下壓力測試的使用。對硅片背部進行濕法深腐蝕，減薄形成膜片，又浪費了硅片上大量的面積，使得硅片的利用面積降低。獲得絕對壓力測試的真空參考腔的過程，初始成本高，工序繁多。最后，體微機械加工的壓力傳感器芯片為滿足封裝的需要，還必須和專用的玻璃進行靜電鍵合以增加封裝強度，才能滿足實際測試需要。

表面微機械加工技術[7-9]是以基底材料作機械支撐，然后在其表面上利用薄膜沉積和腐蝕犧牲層等技術進行微機械元件的加工制作。表面微機械加工的壓力傳感器芯片面積可以很小，更與現有微電子封裝技術兼容，使得無論是芯片制作成本，還是后期的封裝成本都遠遠小于體微機械加工的壓力傳感器芯片。最為重要的是：表面微機械加工的壓力傳感器芯片工藝與IC工藝相兼容，可以將信號調節(jié)電路，微處理器等集成在一起，而且可以將其他測試功能用同樣的工藝集成在一起，如加速度測試、溫度測試等，使得芯片多功能化，更符合目前測試系統(tǒng)集成化、小型化和低成本化的發(fā)展要求。

文中設計了不同測試量程的狹長型矩形薄膜絕對壓力傳感器芯片，芯片制造基于表面微機械加工工藝，采用低應力氮化硅(LS SiN)薄膜作為壓力傳感器芯片的核心結構層，多晶硅薄膜淀積在LS SiN 薄膜上，干法腐蝕制作形成力敏電阻條，電阻通過金屬鋁的連接形成惠斯登檢測電路。封裝后對制備的壓力傳感器的穩(wěn)定性進行了測試，結果顯示此傳感器可用于半導體大工廠兼容的工藝規(guī)?；统杀局圃欤⑶揖哂泻芎玫拈L期穩(wěn)定性。

1　芯片結構設計

壓阻式壓力傳感器利用硅電阻的壓阻效應[10]來檢測外加壓力的大小。如圖1所示，硅電阻是應力敏感原件，通常制備在承壓彈性膜上。當膜區(qū)受到外加壓力作用時，產生變形，根據壓阻效應，膜上的應力變化引起硅電阻的阻值變化，4個硅電阻構成惠斯登電橋，在電壓的激勵下，電橋失衡，輸出端有電壓差，通過檢測輸出的電壓可以檢測出外加壓力的大小。

圖1　高長寬比矩形薄膜表面微機械加工壓力傳感器示意圖

為提高輸出靈敏度，將彈性膜設計為長矩形。根據膜區(qū)的應力分布圖，充分利用多晶硅電阻的縱向壓阻效應，盡量利用膜上張應力的部分[11]，將一對電阻條的一部分放到了薄膜的外面，另一對電阻布置在膜的中心位置，這樣既保證了4個等值的電阻構成惠斯登測試電橋，又使得一對電阻完全處于張應力區(qū)域，電阻條被拉伸，電阻變大，另一對電阻處于壓應力區(qū)域，電阻條被壓縮，電阻變小。通過對薄膜結構關鍵尺寸進行適當的修改，可以獲得量程從1 kPa～1 MPa的絕對壓力傳感器芯片。

2　芯片制造

設計中的絕對壓力傳感器硅芯片，工藝制作流程如圖2所示。

圖2　壓力傳感器芯片制作流程圖

(a)將清洗烘干后的硅片在氧化爐中熱氧化，后進入低壓汽相化學沉積(LPCVD)爐淀積低應力氮化硅(LS SiN)。

(b)在LPCVD爐中淀積低溫氧化硅(LTO)。第一次光刻LTO，在38 ℃緩沖的氫氟酸中腐蝕LTO，后在120 ℃的濃硫酸中去膠，去離子水沖洗后，烘干。

(c)進入LPCVD爐中生長摻磷的低溫氧化硅(PSG)。第二次光刻定義PSG的形狀。

(d)將清洗烘干后的硅片進入LPCVD 爐中生長LS SiN。

(e)在LPCVD爐中淀積多晶硅薄膜(Poly)，通過硼擴散或硼離子注入使多晶硅薄膜摻雜，并將硅片在高溫950 ℃～1 200 ℃氮氣保護下，退火40 min。第三次光刻Poly電阻條的形狀，采用干法電感耦合的等離子體刻蝕。

(f)將烘干后的硅片第四次光刻定義腐蝕孔，采用活動離子腐蝕RIE刻蝕LS SiN，再在40%HF 犧牲層腐蝕。

(g)進入LPCVD爐中生長由四乙氧基硅烷(Si(OC2H5)4)為硅源分解的氧化硅(TEOS)封住腐蝕孔。第五次光刻定義TEOS栓。

(h)烘干后的片子進入LPCVD爐中，生長LS SiN絕緣層。第六次光刻定義接觸孔，用RIE刻 LS SiN。

(i)濺射鋁Al薄膜，第七次光刻Al，在Al腐蝕液中腐蝕Al，烘干。在合金爐中高溫450 ℃，氮氣保護下合金。

最后劃片，貼片和檢測。劃片后的芯片照片如圖3所示。

(a)60 kPa

(b)200 kPa

(c)450 kPa

(d)700 kPa

3　測試

對封裝后的絕對壓力傳感器硅芯片長期輸出穩(wěn)定性進行測試。試驗設備為GE DP1 104數字式標準壓力表，精度為0.05%FS，具有5位數字分辨率；數字萬用表為ESCORT 3146A型；直流穩(wěn)壓電源型號JC2733；烘箱等。以60 kPa設計量程的壓力傳感器為例，測試了該壓力傳感器九個月內在周圍環(huán)境下及16 kPa和65 kPa兩組外加壓力下的輸出電壓，測試結果如圖4所示，圖中結果顯示輸出電壓值是上下隨機波動，沒有朝著一個方向漂移，表明密封的真空參考壓力腔沒有泄漏，因此穩(wěn)定性得到了保證。

圖4　壓力傳感器長期穩(wěn)定性

4　結束語

設計了表面微機械加工的高長寬比矩形薄膜壓力傳感器芯片，采用由低應力氮化硅(LS SiN)薄膜作為芯片的核心結構層，多晶硅薄膜淀積在LS SiN 薄膜上，經干法腐蝕形成力敏電阻條。4類不同壓力量程的壓力傳感器芯片經制備、封裝后，以量程60 kPa壓力傳感器為例，測量其長期穩(wěn)定性，試驗結果表明，隨著時間的推移和溫度的變化，壓力傳感器輸出結果變化不大，具有較強的抗干擾能力。該壓力傳感器工作穩(wěn)定，準確性好，可以用于汽車輪胎壓力監(jiān)控(TPMS)和電腦硬盤保護等領域，具有很高的實用價值和應用前景。

參考文獻：

[1]LI X，LIU Q，PANG S X，et al．High-temperature piezoresistive pressure sensor based on implantation of oxygen into silicon wafer．Sensors and Actuators A：Physical，2012，179：277-282．

[2]WEI C Z，ZHOU W，WANG Q，et al．TPMS (tire-pressure monitoring system) sensors：Monolithic integration of surface-micromachined piezoresistive pressure sensor and self-testable accelerometer．Microelectronic Engineering，2012，91：167-173．

[3]JACQ C，MAEDER T，HAEMMERLE E，et al．Ultra-low pressure sensor for neonatal resuscitator．Sensors and Actuators A：Physical，2011，172(1)：135-139．

[4]TUFTE N，CHAPMAN P W，LONG D．Silicon diffused-element piezoresistive diaphragms．Journal of Applied Physics，1962，33(11)：3322-3327．

[5]KANNDA Y．A graphical representation of the piezoresistance coefficients in silicon．IEEE Transactions on Electron Devices，1982，29(1)：64-70．

[6]KOVACS G T A，MALUF N I，PETERSEN K E．Bulk micromachining of silicon．Proceedings of the IEEE，1998，86(8)：1536-1551．

[7]GUCKEL H．Surface micromachined pressure transduers．Sensors and Actuators A：Physical，1991，28(2)：133-146．

[8]LISEC T，KREUTZER M，WAGNER B．Surface micromachined piezoresistive pressure sensors with step-type bent and flat membrane structure．IEEE Transactions on Electron Devices，1996，43(9)：1547-1552．

[9]HOWE R T．Surface micromachining for microsensors and microactuators．Journal of Vacuum Science & Technology B，1988，6(6)：1809-1813．

[10]BAO M H．Micro mechanical transducers-pressure sensors，accelerometers and gyroscopes．Elsevier：Amsterdam，the Neitherlands，2000：265-267．

[11]BAO M H．Analysis and design principles of MEMS devices．Elsevier：Amsterdam，the Neitherlands 2005：247-304．