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高端装备—硅微超微压传感器设计

时间:2014-10-31  来源:高端装备发展研究中心  声明:原创报告 版权保护 禁止转载

进行硅微超微压传感器的研制,关键点在于提高传感器的灵敏度和分辨率。综合比较压阻式、电容式和谐振式各自优缺点,主要是考虑到灵敏度、分辨率和结构复杂程度,电容式有着较强的优势。对于电容式硅微超微压传感器的制作,主要解决的问题存在于以下四个方面:

 (1)高灵敏度要求的大面积平整超薄感压薄膜的制备;

 (2)高分辨率要求的高真空压力参考腔的获得与维持;

 (3)在不破坏高真空压力参考腔气密性的前提下进行电容电极的引线;

 (4)研发对寄生电容有着很好抑制能力的pf级电容变化的检测电路。

针对设计难点,两种差动结构方案的硅微超微压传感器的结构与工艺设计叙述如下。

1、方案一:方形平膜差动结构

利用平膜结构进行硅微超微压传感器的研制,可以直接利用Michigan研发的晶片溶解工艺来进行传感器的制作,其主要工艺流程(图)

(1)硅衬底热氧化生长Si02层,光刻后用KOH腐蚀出压力腔。KOH腐蚀的厚度由所需要的电容器的极距确定。

(2)第二次热氧化生长Si02层并开出扩散窗口,再进行浓硼的深扩散。

(3)腐蚀掉中间部分的Si02层,进行浓硼的浅扩散,然后淀积Si3N4。浅浓硼扩散的厚度由所需要的感压薄膜的厚度确定,而淀积Si3N4的作用有三:一是利用Si3N4薄膜的较大的张应力去补偿由于浓硼扩散所带来的感压薄膜的内应力,形成符合需要的平整的感压薄膜。二是利用Si3N4高的介电常数来提高电容器的电容值从而来提高灵敏度。三是通过Si3N4薄膜去隔离电容器的两个电极,防止短路。

(4)腐蚀掉Si02层,在真空环境中对薄膜内壁溅射NanoGetter,并将正面静电键合封接到己淀积有电极的玻璃上。

5)将整个结构放到EPW中进行腐蚀。这样原来的硅衬底全部腐蚀掉后,只保留了表面浓硼扩散的部分,浅浓硼扩散的部分即是所需要的感压薄膜。

6)在感压薄膜表面进行氮化硅的淀积,然后进行二次键合,形成差动结构。

图表: 平膜差动结构超微压传感器工艺流程

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资料来源:太阳谷

2、方案二:方形带岛薄膜结构

方形带岛感压薄膜的岛厚与膜厚比值超过一定值之后,均布压力作用下的岛的位移为一常量,这样便可以与下图e中的上下淀积上铝电极的玻璃形成差动式的平行板电容器,对外界压力进行检测。

图表:岛膜差动结钩超微压传感器工艺流程

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资料来源:太阳谷

3、传感器制作的主要工艺步骤

 (1)硅衬底上下面热氧化生长Si02层,光刻后用KOH进行腐蚀。腐蚀的厚度由电容器的极距决定。

 ( 2)在衬底腐蚀出的上窗口中进行浓硼扩散,定义带岛薄膜中薄膜的厚度。

 ( 3)在衬底腐蚀出的下窗口中热氧化生长Si02层,光刻后用KOH腐蚀出带岛薄膜。

 详情请咨询或参见高端装备发展研究中心推出的相关报告《高精度硅微压力传感器工艺、性能分析报告》。 

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