單晶硅高溫壓阻式壓力傳感器

吳沛珊，劉 沁，李 新，張治國，鄭東明

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽 110870；2.沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司，遼寧沈陽 110043)

0 引言

隨著半導(dǎo)體材料和工藝的進(jìn)步，人們在解決常規(guī)擴(kuò)散硅壓力傳感器不能滿足高溫環(huán)境測壓的要求這一難題時，提出了多種結(jié)構(gòu)的高溫壓阻式壓力傳感器[1]，包括：多晶硅壓力傳感器、SOS(藍(lán)寶石上硅)壓力傳感器、SiC壓力傳感器和SOI (silicon on insulator，絕緣體上單晶硅)壓力傳感器[2]等。SOI單晶硅壓力傳感器通過SiO2實現(xiàn)應(yīng)變電阻間的電氣隔離[3-4]，解決了PN結(jié)隔離壓力傳感器工作溫度高于125 ℃時的失效問題。同時可以利用SOI材料頂層單晶硅膜優(yōu)越的壓阻效應(yīng)及SOI材料底層襯底單晶硅良好的各向異性腐蝕特性進(jìn)行MEMS感壓膜結(jié)構(gòu)制造。高溫壓阻式壓力傳感器制作工藝與常規(guī)擴(kuò)散硅壓力傳感器工藝相兼容，易于批量生產(chǎn)，成本低、適應(yīng)溫度寬。此外，傳感器不需外圍設(shè)施降溫，具有體積小、質(zhì)量輕和易于二次裝配等優(yōu)點。因為沒有PN結(jié)隔離問題，傳感器不易受光、電磁和ESD(靜電放電)干擾，與PN結(jié)相關(guān)的噪聲被排除，有利于提高傳感器的穩(wěn)定性和可靠性。

1 傳感器芯片設(shè)計

傳感器芯體采用方形膜片結(jié)構(gòu)，膜片在外界壓力的作用下發(fā)生形變，將壓力信號傳遞給膜片上的力敏電阻，力敏電阻隨應(yīng)力膜片的形變而發(fā)生電阻值的改變，將力信號轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出。電阻的變化不僅與壓阻系數(shù)有關(guān)，還與應(yīng)力大小及分布情況[5]有關(guān)。壓力傳感器的應(yīng)變電阻排布如圖1所示，受力后，電阻的相對變化量為：

式中：π為壓阻系數(shù)；σ為應(yīng)力。

圖1 應(yīng)變電阻排布

硅膜片受力作用后，2組電阻值相對變化量相反。

2 傳感器制備

在傳感器國家工程研究中心硅基壓力傳感器制作工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計高溫壓力傳感器芯片工藝流程。同OEM壓力傳感器工藝相比，不同點主要體現(xiàn)在晶圓材料、電極工藝和封裝工藝等方面。

2.1 注氧隔離技術(shù)(SIMOX)SOI晶圓

SIMOX技術(shù)SOI晶圓工藝如圖2所示，主要包括：

(1)氧離子注入，利用高能離子注入設(shè)備在硅表層下產(chǎn)生一個高濃度的注氧層；

(2)高溫退火，注入的氧與硅反應(yīng)，在高濃度注氧層附近形成隱埋SiO2層，并消除離子注入引入的損傷。形成氧化物埋層的臨界劑量大約為1.4×1018cm-2，典型的注入劑量約為2×1018cm-2。為避免高劑量注入工藝中缺陷和應(yīng)力引入問題，工藝改進(jìn)為多重注入。注入的氧劑量為中等，低于形成氧化埋層的閾值劑量。一次注入并退火后沒能形成連續(xù)的氧化物埋層，僅在氧離子射程附近形成氧化物沉淀。如果把注入和退火過程重復(fù)2～3次，使總劑量達(dá)到閾值劑量。這樣既能形成連續(xù)的氧化物埋層，又減少了注入時在硅膜引入的缺陷和應(yīng)力，獲得高質(zhì)量的SOI材料。SIMOX技術(shù)制作SOI材料的頂部硅層較薄[6]，也可以通過外延工藝獲得足夠厚度的器件層。

圖2 SIMOX技術(shù)SOI晶圓工藝

2.2 傳感器芯片工藝

傳感器芯片制作工藝截面如圖3所示，工藝包括：硅片清洗→氧化→光刻電阻條→離子注入→退火→LPCVD淀積氮化硅→光刻引線孔、背面硅杯→多層復(fù)合電極制備→合金→正面圖形保護(hù)→背面腐蝕硅杯→芯片與玻璃陽極鍵合→分割芯片。

圖3 傳感器工藝示意圖

常規(guī)壓力傳感器采用Al電極引線系統(tǒng)，工藝簡單，成本低廉。對于高溫敏感芯片來說，電橋電阻之間良好的歐姆接觸是敏感芯片電性能參數(shù)可靠性的保證。壓力傳感器的工作電流在mA級，電極通常較寬，工作溫度低于200 ℃時，Al電極可以保證可靠工作。但是，當(dāng)工作溫度超過200 ℃時，由于熱電應(yīng)力作用，Al/Si界面退化產(chǎn)生溶坑，在接觸處易形成空洞，引起脫鍵合或虛鍵合。同時，Al向Si的熱電遷移造成歐姆接觸變壞，導(dǎo)致Al電極引線系統(tǒng)不能保證傳感器穩(wěn)定工作，必須采用復(fù)合電極系統(tǒng)作為高溫壓力傳感器電極引線。采用Ti-Pt-Au多層金屬化電極，用Ti做接觸層及粘附層，用Pt做阻擋層，用Au做導(dǎo)電層，工作溫度可以高達(dá)400 ℃，Cr-Ni-Au多層金屬化電極的關(guān)鍵是各層膜的應(yīng)力匹配。

2.3 壓力傳感器裝配

芯片直接與被測介質(zhì)或大氣環(huán)境接觸，會被黏污或吸附潮氣，影響器件的穩(wěn)定性；而背面加壓封裝結(jié)構(gòu)的傳感器非線性大，同時信號傳導(dǎo)引線的固定和絕緣結(jié)構(gòu)既復(fù)雜，又會引發(fā)不可預(yù)見的問題。借助于隔離膜片和隔離液的作用將敏感元件或傳感器芯片與外界環(huán)境隔離，以保護(hù)硅芯片免受外界環(huán)境中不良因素如灰塵、潮氣等不良影響。借鑒傳感器國家工程研究中心OEM壓力傳感器結(jié)構(gòu)，采用低應(yīng)力的剛性連接和保護(hù)液填充封裝工藝技術(shù)。為減小因保護(hù)液的熱膨脹造成的壓力附加，減小保護(hù)液充灌量，縮短內(nèi)引線的長度，提高內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可靠性，選用可伐合金材料制作的深孔燒結(jié)管座，管座采用凹形結(jié)構(gòu)，陶瓷填充物嵌于底座上的凹槽內(nèi)，芯片與外引線的內(nèi)端面處于同一平面。

高溫壓力傳感器封裝的工藝流程如圖4所示。傳感器能否在高溫下使用，并經(jīng)受長期的溫度循環(huán)沖擊，封裝是傳感器設(shè)計和開發(fā)成功的關(guān)鍵。為確保壓力傳感器的準(zhǔn)確度和性能的長期穩(wěn)定性，消除彈性敏感元件在機(jī)械加工和熱處理中產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力以及裝配形成的應(yīng)力集中等不穩(wěn)定因素，采用溫度沖擊、器件通電老化、感壓膜片反復(fù)加載和機(jī)械振動等老化工藝消除殘余內(nèi)應(yīng)力，加速內(nèi)應(yīng)力的釋放，使壓力傳感器性能趨于穩(wěn)定。

圖4 封裝工藝流程

3 測試結(jié)果與分析

在高溫條件下的性能檢測，要解決壓力標(biāo)定裝置工作介質(zhì)的耐高溫能力，又要解決工裝卡具與敏感器件的密封和熱膨脹系數(shù)的匹配技術(shù)，使測試過程不因測試加壓的泄漏和隨機(jī)干擾而引入系統(tǒng)誤差。鑒于氣體優(yōu)良的滲透效應(yīng)，通常微壓、中高壓采用氣體壓力計進(jìn)行加壓，高溫氟膠圈超過250 ℃時，密封效果會出現(xiàn)降低，采用氬弧焊或電子束焊焊接工藝將傳感器和卡具焊接在一起，以保證高溫(高壓、超高壓)條件下測試的安全性。

傳感器裝到卡具上后，放入高溫烘箱中，分別在50、100、150、200、250、300 ℃條件下，對4只傳感器的靜態(tài)特性進(jìn)行多次重復(fù)測試，并采用最小二乘法對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。結(jié)果表明，在50～300 ℃溫度范圍內(nèi)，設(shè)計制作的SOI結(jié)構(gòu)單晶硅壓力傳感器具有較好的靜態(tài)特性，靈敏度在29～33 mV/MPa，非線性誤差小于0.25%F·S，重復(fù)性優(yōu)于0.2%F·S，可在高溫環(huán)境或針對高溫壓力進(jìn)行準(zhǔn)確測量。傳感器靈敏度與溫度關(guān)系曲線如圖5所示，在50～100 ℃溫度范圍內(nèi)，傳感器靈敏度基本保持不變，表明在這個溫度范圍內(nèi)，力敏電阻正溫度系數(shù)和壓阻系數(shù)負(fù)溫度系數(shù)實現(xiàn)了很好互補(bǔ)，設(shè)計的摻雜濃度在恒流供電情況下，實現(xiàn)了自補(bǔ)償。不過，在100～300 ℃范圍內(nèi)，傳感器靈敏度隨溫度升高而增大。傳感器靈敏度受壓阻系數(shù)、力敏電阻溫度系數(shù)和封裝結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力等多種因素影響，傳感器靈敏度隨溫度升高，可以采用溫度補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行修正。

圖5 傳感器靈敏度與溫度關(guān)系

圖6 傳感器非線性與溫度關(guān)系

圖7 電阻與溫度關(guān)系

4 結(jié)論

依托于傳感器國家工程研究中心硅基壓力傳感器生產(chǎn)線，以注氧隔離(SIMOX)技術(shù)SOI晶圓為基礎(chǔ)，完成單晶硅高溫壓力傳感器研制與測試。結(jié)果表明，在50～300℃溫度范圍，傳感器具有很好的靜態(tài)特性，可以對高溫環(huán)境下壓力或高溫壓力進(jìn)行準(zhǔn)確測量。隨著SOI晶圓材料質(zhì)量的提高和制作工藝的發(fā)展，高穩(wěn)定性SOI單晶硅高溫壓力傳感器必將成為高溫壓力傳感器的主流產(chǎn)品，也將成為常規(guī)PN結(jié)隔離壓力傳感器的換代產(chǎn)品。