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一種soi壓力應(yīng)變計(jì)及其制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種SOI壓力應(yīng)變計(jì)及其制作方法，所述應(yīng)變計(jì)的硅襯底為單晶硅或多晶硅材料，在硅襯底表面形成二氧化硅絕緣薄膜，在絕緣薄膜表面再形成單晶硅或多晶硅薄膜作為力敏電阻制作材料，通過(guò)半導(dǎo)體平面工藝形成2個(gè)或4個(gè)電學(xué)性能完全絕緣的力敏電阻，通過(guò)內(nèi)金屬引線把力敏電阻連接成半橋或全橋惠斯頓電路。金屬內(nèi)引線是在摻濃硼的單晶硅或多晶硅層表面行走。二氧化硅絕緣薄膜電阻率高達(dá)1015Ω-cm，保證力敏電阻之間沒(méi)有電泄漏。因此可用于工作溫度高達(dá)300℃以上的軍事工業(yè)上。由于采用了高濃度的單晶硅或多晶硅材料制作力敏電阻，所以靈敏度和零點(diǎn)的溫度系數(shù)達(dá)到了10-6VB/℃以上。具有高溫低漂移的優(yōu)良特性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種SOI壓力應(yīng)變計(jì)及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子壓力傳感器領(lǐng)域，特別是一種SOI壓力應(yīng)變計(jì)及其制作方法。【背景技術(shù)】
[0002]在中、低量程壓力傳感器領(lǐng)域中，采用背面受壓或充油體不銹鋼波紋隔膜正面受壓兩種結(jié)構(gòu)形式檢測(cè)系統(tǒng)壓力變化。但這兩種結(jié)構(gòu)形式都不耐高溫，只能在小于125°C環(huán)境下工作，而且過(guò)載能力差，只能過(guò)載3-5倍壓力下工作。在大于6-200Mpa的高壓傳感器領(lǐng)域中，封裝結(jié)構(gòu)成為突出予盾?？縊型圈密封已無(wú)法抵阻高壓情況下的泄漏問(wèn)題。采用了壓敏橋路電阻做在17-4PH不銹鋼基座上，再把基座通過(guò)氬弧焊、電子束、高能激光束等工藝燒焊在不銹鋼外殼的接口端，當(dāng)壓力從17-4PH不銹鋼基座背面引入時(shí)，就克服了泄漏和過(guò)載過(guò)小的問(wèn)題。
[0003]國(guó)內(nèi)外高壓傳感器中，目前有兩種結(jié)構(gòu)形式:一種是濺射膜結(jié)構(gòu)；另一種是超薄型應(yīng)變計(jì)的微熔結(jié)構(gòu)。在17-4PH不銹鋼基座的彈性膜區(qū)實(shí)現(xiàn)濺射膜結(jié)構(gòu)和微熔結(jié)構(gòu)，再與不銹鋼外殼燒焊接在一起，保證基座背面受壓時(shí)能經(jīng)得住幾千公斤壓力而不漏氣，而基座結(jié)構(gòu)中正面制作的力敏電阻因受到應(yīng)力作用而產(chǎn)生阻值變化。濺射膜結(jié)構(gòu)是在17-4PH不銹鋼基座彈性膜表面，采用濺射技術(shù)，先在不銹鋼彈性膜表面濺射一層絕緣的氮氧化硅薄膜作絕緣基，再在上面濺射康銅或鉬金屬薄膜，采用光刻和干法刻蝕技術(shù)，把康銅或鉬金屬層刻蝕成四個(gè)力敏電阻，再用金屬連線連接成一個(gè)惠斯頓電橋。但是這種結(jié)構(gòu)成本高、產(chǎn)量低、成品率低、一致性差、耐絕緣電壓低，不適宜于大規(guī)模生產(chǎn)。
[0004]因此近幾年己逐漸被超薄型應(yīng)變計(jì)的微熔結(jié)構(gòu)所取代。微熔結(jié)構(gòu)中用到的超薄型應(yīng)變計(jì)采用集成電路平面工藝和微機(jī)械工藝技術(shù)相結(jié)合辦法制造，可以大規(guī)摸生產(chǎn)，一致性好。但是這種超薄型應(yīng)變計(jì)目前國(guó)內(nèi)全靠進(jìn)口來(lái)維持微熔結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)。
[0005]目前一般的單晶硅壓力傳感器，橋路電阻間采用P-N結(jié)隔離，存在P-N結(jié)反向漏電流，導(dǎo)致輸出溫度漂移大，不能在高溫環(huán)境下工作。因此需要可以滿足傳感器在高溫工作環(huán)境下的要求的壓力傳感器，尤其是在航空航天軍事工業(yè)上更具有迫切需求。而且在力敏電阻之間必須通過(guò)鋁硅引線連接電阻端點(diǎn)的歐姆接觸孔，才有可能形成一個(gè)完整的惠斯頓橋路。鋁硅內(nèi)引線在常規(guī)設(shè)計(jì)中，引線從一個(gè)歐姆接觸孔到另一個(gè)歐姆接觸孔常常會(huì)垮越二個(gè)高度不等的臺(tái)階，如果臺(tái)階稍高就會(huì)造成引線的斷裂，器件失效。
[0006]因此，如何設(shè)計(jì)一種能應(yīng)用于高壓、高溫壓力傳感器中的超薄型應(yīng)變計(jì)已成為國(guó)內(nèi)企業(yè)、廠家目前的迫切需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種穩(wěn)定性好，能應(yīng)用于高壓、高溫壓力傳感器中的超薄型SOI壓力應(yīng)變計(jì)及其制作方法。
[0008]本發(fā)明解決其問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:
一種SOI壓力應(yīng)變計(jì)，包括壓力應(yīng)變計(jì)，所述壓力應(yīng)變計(jì)包括SOI絕緣硅片，所述SOI絕緣硅片從下至上依次包括硅襯底、二氧化硅絕緣薄膜和硅薄膜，所述硅薄膜上設(shè)置有兩個(gè)或四個(gè)的力敏電阻，所述力敏電阻上設(shè)有內(nèi)引線通道，所述內(nèi)引線通道內(nèi)設(shè)置有金屬內(nèi)引線，還包括用于與傳感器芯片連接的鋁電極，所述力敏電阻通過(guò)金屬內(nèi)引線相互連接和/或與鋁電極連接組成壓力測(cè)量電路。
[0009]進(jìn)一步，所述力敏電阻為單晶硅力敏電阻或多晶硅力敏電阻。
[0010]進(jìn)一步，所述硅薄膜為摻有硼原子的P型導(dǎo)電層。
[0011]進(jìn)一步，所述內(nèi)引線通道下方的硅薄膜上形成有其對(duì)應(yīng)的濃硼擴(kuò)散基體。
[0012]進(jìn)一步，所述金屬內(nèi)弓丨線為鋁硅引線或鉻鎳金弓I線。
[0013]具體地，所述硅襯底和硅薄膜由單晶硅或多晶硅組成。
[0014]進(jìn)一步地，所述硅薄膜及力敏電阻的上表面覆蓋有一層氮化硅薄膜，所述氮化硅薄膜與二氧化硅絕緣薄膜形成復(fù)合絕緣基體。
[0015]作為上述的一種改進(jìn)，包括兩個(gè)力敏電阻，所述力敏電阻之間組成半橋惠斯頓測(cè)
量電路。
[0016]作為上述的另一種改進(jìn)，包括四個(gè)力敏電阻，相互之間組成全橋惠斯頓測(cè)量電路。
[0017]作為上述的另一種改進(jìn)，包括兩個(gè)力敏電阻，每個(gè)力敏電阻的兩端分別通過(guò)金屬內(nèi)引線與鋁電極連接形成平行獨(dú)立對(duì)電阻。
[0018]進(jìn)一步地，所述壓力應(yīng)變計(jì)設(shè)置于17-4PH不銹鋼彈性基座的圓形彈性膜上，所述的力敏電阻分成兩組，其中一組力敏電阻與圓形彈性膜的切線平行，另外一組力敏電阻與上述圓形彈性膜的切線相垂直。
[0019]優(yōu)選地，所述的力敏電阻設(shè)置于圓形彈性膜邊緣的應(yīng)力峰值區(qū)。
[0020]進(jìn)一步，所述壓力應(yīng)變計(jì)通過(guò)玻璃粉的微熔技術(shù)與17-4PH不銹鋼彈性基座連為一體
一種SOI壓力應(yīng)變計(jì)的制作方法，其特征在于包括以下步驟:
步驟1、取SOI絕緣硅片，所述SOI絕緣硅片包括兩層單晶硅片和在兩層單晶硅之間的二氧化硅絕緣薄膜，將上層的單晶硅片減薄成2-5 μ m硅薄膜；
步驟2、通過(guò)熱氧化在SOI絕緣硅片的表面生成氧化層，在氧化層上光刻出濃硼區(qū)窗口，用硼乳膠源涂敷表面，通過(guò)熱擴(kuò)散形成濃硼擴(kuò)散基體；
步驟3、在硅薄膜中中摻入硼原子，使其成為P型導(dǎo)電層，并按力敏電阻的阻值設(shè)計(jì)要求，調(diào)節(jié)P型導(dǎo)電層方塊電阻的大??；
步驟4、通過(guò)熱氧化在SOI絕緣硅片上表面層的2-5 μ m硅薄膜上再生成氧化層，通過(guò)光刻和干法刻蝕技術(shù)反刻形成單晶硅力敏電阻；
步驟5、在單晶硅力敏電阻的電極引線孔處光刻出向外延伸的內(nèi)引線通道；
步驟6、在SOI絕緣硅片表面蒸鍍出鋁硅合金層，采用光刻技術(shù)，把鋁硅合金層刻蝕成金屬內(nèi)引線和鋁電極，使力敏電阻形成壓力測(cè)量電路。
[0021]進(jìn)一步，步驟6之后還包括以下步驟:采用腐蝕液將SOI絕緣硅片背面的硅襯底減薄至 10-15 μ m。
[0022]進(jìn)一步，步驟4和步驟5之間還包括以下步驟:
在硅薄膜及單晶硅力敏電阻的表面沉積一層氮化硅薄膜，所述氮化硅薄膜與硅薄膜形成復(fù)合絕緣基體，同時(shí)將單晶硅力敏電阻覆蓋起來(lái)。[0023]進(jìn)一步地，步驟5中、采用光刻技術(shù)光刻出電極引線孔窗口，先用F4C干法刻蝕氮化硅薄膜，然后用光刻腐蝕液漂凈窗口內(nèi)的二氧化硅層。
[0024]進(jìn)一步，步驟4和步驟5之間還包括以下步驟，采用光刻技術(shù)光刻出分片槽窗口，然后腐蝕出分片槽。
[0025]優(yōu)選地，所述壓力應(yīng)變計(jì)安裝于17-4PH不銹鋼彈性膜表面上，在不銹鋼彈性基座的17-4PH不銹鋼彈性膜表面選擇應(yīng)力峰值區(qū)，用絲網(wǎng)印刷法把玻璃粉乳液涂敷在應(yīng)力峰值區(qū)，然后把不銹鋼基座放在合適的高溫區(qū)進(jìn)行予處理，形成一薄層透明的玻璃層，把壓力應(yīng)變計(jì)放在玻璃層表面，進(jìn)行高溫再處理，使應(yīng)變計(jì)通過(guò)玻璃層介質(zhì)與不銹鋼彈性體表面粘結(jié)在一起。
[0026]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明采用的一種SOI壓力應(yīng)變計(jì)，通過(guò)基于SOI絕緣硅片形成的SOI薄膜型結(jié)構(gòu)，其厚度能大大減少，僅為10-15微米，而且因?yàn)楣枰r底和硅薄膜之間形成有二氧化硅絕緣薄膜，代替了 P-N結(jié)隔離，減少了器件在高溫下的漏電，因而提高了傳感器的工作溫度范圍，能適用于在高溫壓力傳感器中使用，除此之外，本發(fā)明通過(guò)在力敏電阻上設(shè)有內(nèi)引線通道，力敏電阻通過(guò)內(nèi)引線通道內(nèi)的金屬內(nèi)引線相互連接和/或與鋁電極連接組成壓力測(cè)量電路，因此從力敏電阻歐姆接觸孔到熱壓腳之間的鋁內(nèi)引線下面就不存在臺(tái)階，而且金屬內(nèi)引線和熱壓腳都作為力敏電阻的沿伸部份，在全橋設(shè)計(jì)和半橋設(shè)計(jì)中都連貫一起形成一個(gè)整體，能有效提高壓力應(yīng)變計(jì)的穩(wěn)定性。
[0027]本發(fā)明采用的一種SOI壓力應(yīng)變計(jì)的制作方法，在硅薄膜表面形成單晶硅或多晶硅薄膜作為力敏電阻制造材料。通過(guò)半導(dǎo)體平面工藝形成2個(gè)或4個(gè)電學(xué)性能完全絕緣的力敏電阻。通過(guò)金屬內(nèi)引線將力敏電阻連接成半橋或全橋惠斯頓電路。由于金屬內(nèi)引線是在摻濃硼的單晶硅或多晶硅層表面行走，二氧化硅絕緣薄膜電阻率高達(dá)1015 Ω -cm,保證力敏電阻之間沒(méi)有電泄漏。因此可用于工作溫度高達(dá)300°C以上的軍事工業(yè)上，所以靈敏度和零點(diǎn)的溫度系數(shù)達(dá)到了 10-6VB/°C以上，具有高溫低漂移的優(yōu)良特性。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0028]下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0029]圖1是本發(fā)明SOI壓力應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明SOI壓力應(yīng)變計(jì)安裝在不銹鋼壓力基座上的安裝結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明3種實(shí)施例應(yīng)變計(jì)的復(fù)合版示意圖；
圖4是本發(fā)明圓形彈性膜與力敏電阻的位置關(guān)系及應(yīng)力分布示意圖；
圖5是本發(fā)明SOI絕緣硅片的示意圖；
圖6是本發(fā)明SOI絕緣硅片上生成氧化層的示意圖；
圖7是本發(fā)明SOI絕緣硅片上光刻出濃硼區(qū)窗口的示意圖；
圖8是本發(fā)明SOI絕緣硅片上形成濃硼擴(kuò)散基體的示意圖；
圖9是本發(fā)明SOI絕緣硅片上形成單晶硅力敏電阻的示意圖；
圖10是本發(fā)明SOI絕緣硅片上沉積氮化硅薄膜的示意圖；
圖11是本發(fā)明SOI絕緣硅片上光刻分片槽的示意圖；
圖12是本發(fā)明SOI絕緣硅片上腐蝕出分片槽的示意圖； 圖13是本發(fā)明SOI絕緣硅片上光刻內(nèi)引線通道的示意圖；
圖14是本發(fā)明SOI絕緣硅片上蒸鍍鋁硅合金層的示意圖；
圖15是本發(fā)明SOI絕緣硅片上光刻鋁引線和鋁電極的示意圖；
圖16是本發(fā)明SOI絕緣硅片背面減薄只分片槽的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]參照?qǐng)D1所示,本發(fā)明的一種SOI壓力應(yīng)變計(jì)，包括壓力應(yīng)變計(jì)104,所述壓力應(yīng)變計(jì)104包括SOI絕緣硅片，所述SOI絕緣硅片從下至上依次包括厚度僅為10-15 μ m的硅襯底1、厚度為Ium的二氧化硅絕緣薄膜2和厚度為2-5 μ m硅薄膜3，所述二氧化硅薄膜2上采用硅硅健合技術(shù)和減薄技術(shù)形成2-5微米上述的硅薄膜3，其中硅襯底I和硅薄膜3為單晶硅薄膜或多晶硅薄膜，硅薄膜3上用氧化光刻干法刻蝕技術(shù)形成有兩個(gè)或四個(gè)電學(xué)性能完全絕緣的力敏電阻4，所述硅薄膜3及力敏電阻4的上表面覆蓋有一層氮化硅薄膜7，所述氮化硅薄膜7與二氧化硅絕緣薄膜2形成復(fù)合絕緣基體，所述氮化硅薄膜7及力敏電阻4上設(shè)有向外延伸的內(nèi)引線通道41，所述內(nèi)引線通道41下方的硅薄膜3上形成有其對(duì)應(yīng)的濃硼擴(kuò)散基體6，所述內(nèi)引線通道41內(nèi)設(shè)置有金屬內(nèi)引線5，其中金屬內(nèi)引線5可以為鋁硅引線或鉻鎳金引線。還包括熱壓腳105和用于與傳感器芯片連接的鋁電極51，所述力敏電阻4通過(guò)金屬內(nèi)引線5及摻濃硼擴(kuò)散基體6引線相互連接和/或與鋁電極51連接組成壓力測(cè)量電路。
[0031]進(jìn)一步，所述力敏電阻4的材料可以為單晶硅、多晶硅、康銅、鉬金銅或其他金屬層組成。
[0032]進(jìn)一步，所述硅薄膜3為摻有硼原子的P型導(dǎo)電層。
[0033]進(jìn)一步，所述壓力應(yīng)變計(jì)的邊緣設(shè)有便于在制作時(shí)進(jìn)行分片的分片槽9。
[0034]SOI絕緣硅片是一種目前國(guó)內(nèi)外能大規(guī)模生產(chǎn)的硅材料基片。它是由兩個(gè)晶圓硅片通過(guò)(SBD)硅-硅鍵合技術(shù)和減薄工藝實(shí)現(xiàn)上表層(幾微米厚度)硅膜與下部硅襯底I(0.4mm - lmm)之間固-固結(jié)合，中間通過(guò)一層I微米厚的二氧化娃絕緣薄膜2隔開(kāi)。這種SOI絕緣硅片目前國(guó)際上被廣泛應(yīng)用于高速集成電路上。而本發(fā)明卻是用于制造超薄型高溫低漂移壓力應(yīng)變計(jì)的硅襯底I基片。
[0035]在制作或定制SOI絕緣硅片時(shí)，上表層的力敏電阻4采用高濃度的體硅作材料。采用高濃度體硅作力敏電阻4材料，優(yōu)點(diǎn)是雜質(zhì)分布均勻。因?yàn)樗峭ㄟ^(guò)直拉單晶錠切片制成，沒(méi)有熱擴(kuò)散或離子束注入引起雜質(zhì)分布不均勻的現(xiàn)象。保證四個(gè)橋路的力敏電阻4阻值對(duì)稱(chēng)相等，保證了應(yīng)變計(jì)在電學(xué)性能上一致性好、惠斯頓橋路輸出零點(diǎn)小、零點(diǎn)和靈敏度溫度系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是靈活機(jī)動(dòng)性差。熱擴(kuò)散或離子束注入可以通過(guò)再分布擴(kuò)散工藝調(diào)節(jié)方塊電阻的阻值符合設(shè)計(jì)要求。
[0036]在力敏電阻4之間必須通過(guò)鋁硅引線連接電阻端點(diǎn)的歐姆接觸孔，才有可能形成一個(gè)完整的惠斯頓橋路。鋁硅內(nèi)引線在常規(guī)設(shè)計(jì)中，引線從一個(gè)歐姆接觸孔到另一個(gè)歐姆接觸孔常常會(huì)垮越二個(gè)高度不等的臺(tái)階，如果臺(tái)階稍高就會(huì)造成引線的斷裂，器件失效。本發(fā)明中采用濃硼擴(kuò)散基體6作為力敏電阻4引線的延伸基體和熱壓腳105基體，因此從力敏電阻4歐姆接觸孔到熱壓腳105之間的金屬內(nèi)引線5下面就不存在臺(tái)階了，而且金屬內(nèi)引線5和熱壓腳105都作為力敏電阻4的沿伸部份，在全橋設(shè)計(jì)和半橋設(shè)計(jì)中都連貫一起形成一個(gè)整體，能有效提高壓力應(yīng)變計(jì)的穩(wěn)定性。如圖3所示。把歐姆接觸孔從原來(lái)僅是力敏電阻4兩個(gè)端點(diǎn)上很小的兩個(gè)接觸孔擴(kuò)大為金屬內(nèi)引線5和熱壓腳105下面全是歐姆接觸孔，而金屬內(nèi)引線5設(shè)計(jì)尺寸比歐姆接觸孔尺寸大8um (假設(shè)光刻套準(zhǔn)精度為4um)，在金屬內(nèi)引線5的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)采用高濃度雜質(zhì)源進(jìn)行硼擴(kuò)散，保證表面有很高的表面雜質(zhì)濃度，這就保證金屬內(nèi)引線5與歐姆接觸孔具有非常好的歐姆接觸，保證了器件的穩(wěn)定可靠和高成品率。
[0037]二氧化硅是一種非常好的絕緣體，但它具有一種壓應(yīng)力系數(shù)，當(dāng)應(yīng)變計(jì)為超薄狀態(tài)時(shí)，這種壓應(yīng)力就成為不能忽視的變形因素。本發(fā)明在所述硅薄膜3及力敏電阻4的上表面覆蓋有一層氮化硅薄膜7，所述氮化硅薄膜7與二氧化硅絕緣薄膜2形成復(fù)合絕緣基體，在二氧化硅表面復(fù)蓋一層漲應(yīng)力的氮化硅，就可以平衡二氧化硅壓應(yīng)力，避免應(yīng)變計(jì)的變形，除此之外力敏電阻4位于氮化硅薄膜7和二氧化硅絕緣薄膜2中間，保證了力敏電阻4的穩(wěn)定可靠。
[0038]參照?qǐng)D2所示,還包括17-4PH不銹鋼基座,所述17-4PH不銹鋼基座又稱(chēng)沉淀硬化型不銹鋼彈性基座，一種17-4PH彈性系數(shù)非常好的不銹鋼材料，所述彈性基座8包括杯體82，所述杯體82頂部的中正面為較薄的不銹鋼圓形彈性膜81，所述圓形彈性膜81上通過(guò)高溫處理形成一薄層透明的玻璃層83，所述壓力應(yīng)變計(jì)104放置在玻璃層83表面通過(guò)高溫處理后與玻璃層83、圓形彈性膜81形成微熔結(jié)構(gòu)，使壓力應(yīng)變計(jì)能通過(guò)玻璃層83與不銹鋼圓形彈性膜81粘合連成一體。其中壓力基座上還設(shè)有PCB線路板84，設(shè)置于PCB線路板84上的傳感器芯片通過(guò)鋁引絲或金絲(圖中未給出)與壓力應(yīng)變計(jì)的鋁電極51連接。
[0039]進(jìn)一步，所述的力敏電阻4設(shè)置于圓形彈性膜81邊緣的應(yīng)力峰值區(qū)。
[0040]所述SOI壓力應(yīng)變計(jì)分別有三種不同結(jié)構(gòu)的【具體實(shí)施方式】，其中圖3為三種壓力應(yīng)變計(jì)的復(fù)合版示意圖:
實(shí)施例1，所述壓力應(yīng)變計(jì)為半橋應(yīng)變計(jì)，面積為1.5mm*0.5mm。適用于17-4PH彈性膜孔徑為C 3.3-3.5_的彈性基座8。包括兩個(gè)力敏電阻4，所述力敏電阻4之間組成半橋惠斯頓測(cè)量電路，當(dāng)彈性基座8背部受壓時(shí)，其中靠近圓形彈性膜81邊框的力敏電阻4受到負(fù)應(yīng)力的作用，其阻值會(huì)變小，靠近圓形彈性膜81中心的力敏電阻4收到正應(yīng)力的作用，其阻值變大。當(dāng)這兩個(gè)力敏電阻4組成的半橋惠斯頓測(cè)量電路和傳感器芯片內(nèi)的固定電阻聯(lián)結(jié)成惠斯頓全橋電路時(shí)，橋路失去平衡，在橋路輸出端產(chǎn)生一個(gè)與背部受到的壓力成正比的電信號(hào)。
[0041]設(shè)Vcc為電源電壓，Λ R1ZiR1= Δ R4/R4為邊緣電阻變化率，Λ R2/R2= Δ R3/R3為中心電阻變化率，因此受力后電橋輸出電壓為:
Δ V= ( ( Δ R1A1) — ( Δ R2/R2)) + ( ( Δ R4/R4) — ( Δ R3/R3)〕
當(dāng)電橋電阻值處于對(duì)稱(chēng)情況下，即R1=R2=R3=R4時(shí)，則受力后電橋輸出電壓為:Δ V=2 ( ( Δ R1A1) — ( Δ R2/R2)〕。
[0042]上述半橋應(yīng)變計(jì)在使用上受到圓形彈性膜81具體尺寸的限制。當(dāng)彈性膜直徑變大時(shí)，R2和R3就會(huì)偏離應(yīng)力峰值區(qū)，造成靈敏度下降及非線性系數(shù)變大。這種應(yīng)變計(jì)在大量程的高壓領(lǐng)域中廣為應(yīng)用。當(dāng)傳感器量程要求比較低時(shí)，為了保證一定的靈敏度和信號(hào)輸出幅度，在圓形彈性膜81厚度加工精度受到限制的情況下，只有依靠加大圓形彈性膜81面積才能保證有足夠的靈敏度輸出。例如把直徑放到IOmm以上甚至更大。在這種情況下，上述半橋應(yīng)變計(jì)就無(wú)法適用了。
[0043]實(shí)施例2，所述壓力應(yīng)變計(jì)為全橋應(yīng)變計(jì)，面積為lmm2。包括四個(gè)力敏電阻4，力敏電阻4相互之間組成全橋惠斯頓測(cè)量電路。如圖4所示，其中的兩個(gè)電阻R2、R3與圓形彈性膜81的切線相平行，另外二個(gè)電阻Rl、R4與上述圓形彈性膜81的切線相垂直(即圓形彈性膜的徑向方向)，這種全橋應(yīng)變計(jì)使用靈活性大，適用于中低量程的高溫微熔壓力傳感器。本發(fā)明中全橋應(yīng)變計(jì)就能彌補(bǔ)上述半橋應(yīng)變計(jì)的缺陷。把全橋應(yīng)變計(jì)用玻璃粉微熔粘貼在圓形彈性膜81邊緣應(yīng)力峰值區(qū)，這樣既避免了由于圓形彈性膜81面積過(guò)大而帶來(lái)的大繞度效應(yīng)，同時(shí)又保證了傳感器的線性度和足夠的靈敏度。上述這種杯式結(jié)構(gòu)的電阻位置和應(yīng)力分布如圖4所示。由圖中可見(jiàn)，徑向電阻越接近邊緣輸出越大，且非線性誤差領(lǐng)域越寬。
實(shí)施例3，所述壓力應(yīng)變計(jì)為自由度很大的平行雙電阻應(yīng)變計(jì)，包括兩個(gè)力敏電阻4，每個(gè)力敏電阻4的兩端分別通過(guò)金屬內(nèi)引線5與鋁電極51連接形成平行獨(dú)立對(duì)電阻。由于它是平行雙電阻應(yīng)變計(jì)，可以在圓形彈性膜81邊緣的應(yīng)力峰值區(qū)粘貼。它可以獨(dú)立粘貼成徑向應(yīng)力區(qū)，也可以獨(dú)立粘貼成切向應(yīng)力區(qū)。無(wú)論圓形彈性膜81半徑多大，都可以獲得最佳的靈敏度和線性度。
[0044]一種上述SOI壓力應(yīng)變計(jì)的制作方法，其特征在于包括以下步驟:
1、制作SOI絕緣硅片，所述SOI絕緣硅片包括厚度為0.3-0.5毫米單面拋光的兩層單晶硅片，其中一片拋光表面熱氧化生長(zhǎng)I微米厚二氧化硅絕緣薄膜2，然后在H2SO4:H2O2=1:1溶液中浸泡幾個(gè)小時(shí)，使表面形成大量的OH-原子團(tuán)，然后經(jīng)清潔處理后甩干表面，立即將二片單晶硅片的拋光面合在一起，從片中心位置加壓，使二片硅片合為一體。再放在900° C氧化爐中先濕氧氧化三小時(shí)，再干氧氧化四小時(shí)，使二片硅片牢牢地鍵合在一起。將上層的單晶硅片減薄成至2-5 μ m成硅薄膜3，并拋光表面，成為SOI絕緣硅片待用，如圖5所示。所述SOI絕緣硅片也可以采用SMOX技術(shù)或SMART-CUT技術(shù)實(shí)現(xiàn)，但設(shè)備要求相對(duì)較高。
[0045]2、通過(guò)熱氧化在SOI絕緣硅片的表面生成4000A氧化層101，如圖6所示，然后在氧化層101上光刻出濃硼區(qū)窗口 102，如圖7所示，用硼乳膠源涂敷表面，經(jīng)烘箱烘干后，在1040°C硼擴(kuò)散爐中，用氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)，熱擴(kuò)散30分鐘，形成濃硼擴(kuò)散基體6，如圖8所示；然后用稀HF溶液漂凈表面硼硅玻璃。用四探針測(cè)量備片，保證方塊電阻Rs〈10Q/ 口。
[0046]3、在900° C氧化爐中，用干氧氣體作保護(hù)氣體，活化硼原子30分鐘。然后漂凈表面氧化層，清洗烘干待用。
[0047]4、采用離子束注入技術(shù)或熱擴(kuò)散技術(shù)，在硅薄膜3中摻入硼原子，使其成為P型導(dǎo)電層，并按力敏電阻4的阻值設(shè)計(jì)要求，調(diào)節(jié)P型導(dǎo)電層方塊電阻的大小，使其符合設(shè)計(jì)要求。
[0048]5、通過(guò)熱氧化在SOI絕緣硅片上表面層的2-5 μ m硅薄膜上再生成氧化層，通過(guò)光刻和干法刻蝕技術(shù)反刻形成單晶硅力敏電阻4，，使電阻區(qū)以外廣大區(qū)暴露Ium厚的熱氧化層，如圖9所示。
[0049]6、通過(guò)LPCVD沉積技術(shù)在硅薄膜3及單晶硅力敏電阻4的表面沉積一層1500A的氮化硅薄膜7，所述氮化硅薄膜7與硅薄膜3形成復(fù)合絕緣基體，同時(shí)將單晶硅力敏電阻覆蓋起來(lái)如圖10所示，能保證力敏電阻4具有耐高溫、耐高壓、穩(wěn)定等優(yōu)良特牲。[0050]7、采用光刻技術(shù)，在氮化硅薄膜7上分片槽9的位置處光刻出分片槽窗口 91，如圖11所示，先用F4C干法刻蝕窗口內(nèi)的氮化硅薄膜7，然后用光刻腐蝕液漂凈窗口內(nèi)的二氧化硅層，腐蝕出分片槽9，如圖12所示。
[0051 ] 8、采用光刻技術(shù)在單晶硅力敏電阻的電極引線孔處光刻出向外延伸的電極引線孔窗口，先用F4C干法刻蝕氮化硅薄膜7，然后用光刻腐蝕液漂凈窗口內(nèi)的二氧化硅層，形成內(nèi)引線通道41，如圖13所示。
[0052]9、在SOI絕緣硅片表面蒸鍍鋁硅合金層103，厚度1.5-2.0um，如圖14所示，采用光刻技術(shù)，把鋁硅合金層103刻蝕成金屬內(nèi)引線5和鋁電極51，使力敏電阻4形成壓力測(cè)量電路，如圖15所示。
[0053]10、對(duì)正面進(jìn)行保護(hù)，背面采用KOH腐蝕液腐蝕硅襯底I至10-15um，使壓力應(yīng)變計(jì)分離，形成單片的SOI高溫低漂移壓力應(yīng)變計(jì)，如圖16所示。
[0054]11、在不銹鋼彈性基座8的不銹鋼彈性區(qū)表面選擇應(yīng)力峰值區(qū)，用絲網(wǎng)印刷法把玻璃粉乳液涂敷在應(yīng)力峰值區(qū)，然后把不銹鋼彈性基座8放在合適的高溫區(qū)進(jìn)行予處理，形成一薄層透明的玻璃層83，把壓力應(yīng)變計(jì)104放在玻璃層83表面，進(jìn)行高溫再處理，使應(yīng)變計(jì)通過(guò)玻璃層83與不銹鋼彈性基座8表面粘結(jié)在一起。
[0055]當(dāng)制作上述的壓力應(yīng)變計(jì)時(shí)，需要厚度為0.4-0.6mm六英寸晶圓片經(jīng)過(guò)減薄，最后分離成23500片厚度僅10-15um尺寸僅0.5*1.5mm超薄超微型的應(yīng)變計(jì)是一個(gè)難度較高的工藝操作。具體工藝流程如下:
I，在凈化環(huán)境中，先用美國(guó)進(jìn)口的Primer試劑在勻膠臺(tái)上勻涂在晶圓片的正面，在205°C熱板上烘焙5分鐘。在操作流程中，防止塵埃進(jìn)入硅片表面，否則將造成塵埃點(diǎn)周?chē)纬梢粋€(gè)針孔，腐蝕液將從針孔處進(jìn)入到硅片表面，造成塵埃周?chē)淮笃瑧?yīng)變計(jì)被破壞，造成器件失效。
[0056]2、在凈化環(huán)境中，再用美國(guó)進(jìn)口的Protex試劑在勻膠臺(tái)上勻涂晶圓片的正面，在205 °C熱板上烘焙5分鐘。
[0057]3、將該晶圓片固定在自制的特殊夾具上，倒上腐蝕劑，腐蝕硅片，直至應(yīng)變計(jì)的分片槽9暴露，終止腐蝕。
[0058]4、將腐蝕后的晶圓片放在有機(jī)溶劑中，晶圓片便自動(dòng)分離成無(wú)數(shù)個(gè)小的應(yīng)變片，再經(jīng)無(wú)水乙醇溶解附在應(yīng)變計(jì)表面的有機(jī)溶劑，再把應(yīng)變計(jì)放在自制的沖洗器皿容器中，用高凈(Ρ=18ΜΩ)去離子水沖洗應(yīng)變計(jì)，約半小時(shí)左右，直至流出的水的電阻率>10 ΜΩ，終止沖洗。
[0059]5、將自制的沖洗器皿連同應(yīng)變計(jì)一起放入干燥箱內(nèi)烘干待用。
[0060]6、將應(yīng)變計(jì)倒到干凈的濾紙上，鏡檢應(yīng)變計(jì)，報(bào)廢的去掉，留下好的計(jì)數(shù)入庫(kù)。
[0061]以上所述，只是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施方式，只要其以相同的手段達(dá)到本發(fā)明的技術(shù)效果，都應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種SOI壓力應(yīng)變計(jì)，包括壓力應(yīng)變計(jì)，其特征在于:所述壓力應(yīng)變計(jì)包括SOI絕緣硅片，所述SOI絕緣硅片從下至上依次包括硅襯底、二氧化硅絕緣薄膜和硅薄膜，所述硅薄膜上設(shè)置有兩個(gè)或四個(gè)的力敏電阻，所述力敏電阻上設(shè)有內(nèi)引線通道，所述內(nèi)引線通道內(nèi)設(shè)置有金屬內(nèi)引線，還包括用于與傳感器芯片連接的鋁電極，所述力敏電阻通過(guò)金屬內(nèi)引線相互連接和/或與鋁電極連接組成壓力測(cè)量電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種SOI壓力應(yīng)變計(jì)，其特征在于:所述內(nèi)引線通道下方的硅薄膜上形成有其對(duì)應(yīng)的濃硼擴(kuò)散基體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種SOI壓力應(yīng)變計(jì)，其特征在于:所述硅薄膜及力敏電阻的上表面覆蓋有一層氮化硅薄膜，所述氮化硅薄膜與二氧化硅絕緣薄膜形成復(fù)合絕緣基體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種SOI壓力應(yīng)變計(jì)，其特征在于:所述壓力應(yīng)變計(jì)設(shè)置于17-4PH不銹鋼彈性基座的圓形彈性膜上，所述的力敏電阻分成兩組，其中一組力敏電阻與圓形彈性膜的切線平行，另外一組力敏電阻與上述圓形彈性膜的切線相垂直。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種SOI壓力應(yīng)變計(jì)，其特征在于:所述的力敏電阻設(shè)置于圓形彈性膜邊緣的應(yīng)力峰值區(qū)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種SOI壓力應(yīng)變計(jì)，其特征在于:所述壓力應(yīng)變計(jì)通過(guò)玻璃粉的微熔技術(shù)與17-4PH不銹鋼彈性基座連為一體。
7.—種權(quán)利要求1至6任一所述SOI壓力應(yīng)變計(jì)的制作方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟1、取SOI絕緣硅片，所述SOI絕緣硅片包括兩層單晶硅片和在兩層單晶硅之間的二氧化硅絕緣薄膜，將上層的單晶硅片減薄成2-5 μ m硅薄膜； 步驟2、通過(guò)熱氧化在SOI絕緣硅片的表面生成氧化層，在氧化層上光刻出濃硼區(qū)窗口，用硼乳膠源涂敷表面，通過(guò)熱擴(kuò)散形成濃硼擴(kuò)散基體； 步驟3、在硅薄膜中中摻入硼原子，使其成為P型導(dǎo)電層，并按力敏電阻的阻值設(shè)計(jì)要求，調(diào)節(jié)P型導(dǎo)電層方塊電阻的大??； 步驟4、通過(guò)熱氧化在SOI絕緣硅片上表面層的2-5 μ m硅薄膜上再生成氧化層，通過(guò)光刻和干法刻蝕技術(shù)反刻形成單晶硅力敏電阻； 步驟5、在單晶硅力敏電阻的電極引線孔處光刻出向外延伸的內(nèi)引線通道； 步驟6、在SOI絕緣硅片表面蒸鍍出鋁硅合金層，采用光刻技術(shù)，把鋁硅合金層刻蝕成金屬內(nèi)引線和鋁電極，使力敏電阻形成壓力測(cè)量電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種SOI壓力應(yīng)變計(jì)的制作方法，其特征在于:步驟4和步驟5之間還包括以下步驟: 在硅薄膜及單晶硅力敏電阻的表面沉積一層氮化硅薄膜，所述氮化硅薄膜與硅薄膜形成復(fù)合絕緣基體，同時(shí)將單晶硅力敏電阻覆蓋起來(lái)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種SOI壓力應(yīng)變計(jì)的制作方法，其特征在于:步驟5中、采用光刻技術(shù)光刻出電極引線孔窗口，先用F4C干法刻蝕氮化硅薄膜，然后用光刻腐蝕液漂凈窗口內(nèi)的二氧化硅層。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種SOI壓力應(yīng)變計(jì)的制作方法，其特征在于:步驟4和步驟5之間還包括以下步驟，采用光刻技術(shù)光刻出分片槽窗口，然后腐蝕出分片槽。
【文檔編號(hào)】G01L1/18GK103712721SQ201310719756
【公開(kāi)日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】沈紹群, 羅小勇, 梁棟漢, 阮炳權(quán) 申請(qǐng)人:新會(huì)康宇測(cè)控儀器儀表工程有限公司