一種高溫cmut壓力傳感器及其製備方法

2023-09-20 22:24:55 1

專利名稱：一種高溫cmut壓力傳感器及其製備方法
技術領域：
本發明屬於MEMS技術領域，涉及一種壓力檢測裝置，特別是一種涉及一種高溫CMUT壓力傳感器及其製備方法。
背景技術：
低壓力檢測在工業控制、太空探索、醫療衛生以及半導體加工等領域都有廣泛的應用需求，是壓力檢測技術的一個極限挑戰。目前，基於MEMS技術的矽微壓力傳感器研究較多，主要可分為壓阻式、電容以及諧振式微壓力傳感器。相對於電容式和壓阻式微壓力傳感器，諧振式更具有優勢；如測量精度、穩定性和分辨力都優於其他兩種；另外諧振式傳感器輸出為數位訊號，抗幹擾能力強，便於傳輸。諧振式娃微壓力傳感器又可分為常見的懸臂梁式和近年來出現的基於CMUT結構的微壓力傳感器。CMUT微壓力傳感器除了具有諧振式壓力傳感器的共同優點外，相對於懸臂梁式微壓力傳感器有更堅固、可靠的結構，更適合用於惡劣環境中壓力檢測。由於高溫惡劣環境是目前矽微壓力傳感器傳感器的研究難點之一，常見的微壓力傳感器多在常規溫環境(如小於120°C)下實現低壓力檢測。由於CMUT是以矽及矽基化合物作為基本材料，以靜電驅動作為基本驅動方式，以壓力引起的頻率變化來實現微小壓力檢測的傳感器，其在高溫環境中的應用必須要考慮到以下因素的影響:第一，常見單晶矽、多晶矽材料的電性能和機械性能分別在250°C和600°C以上變差；第二，隨著溫度的升高，絕緣層、空腔支柱的雜質離子遷移率變大，CMUT寄生電容變大，因而會降低檢測靈敏度；第三，隨著溫度升高，電絕緣層充電現象增強，擊穿電壓會變小，電絕緣層擊穿可能性增大；第四，由於CMUT結構組成部分的熱膨脹係數不同，因而會引起較大的溫度應力，從而會導致壓力檢測的誤差增大，因而需要合理的材料選擇和結構設計儘量減小溫度應力的對傳感器測量性能的影響。

發明內容
本發明的目的在於提出一種高溫CMUT壓力傳感器及其製備方法，能有效減少高溫環境中溫度應力，寄生電容以及電絕緣層充電現象對傳感器工作性能的影響，實現高溫環境下的低壓(<10kPa)檢測。為實現上述目的，本發明採用的技術方案如下:一種高溫CMUT壓力傳感器，其整體結構從上至下依次為:第一碳化矽層、第一氮化娃層、第二碳化娃層、第二氮化娃層、和第三碳化娃層；第一氮化娃層、第二碳化娃層和第二氮化矽層均分為中間部分和周圍部分，且周圍部分和中間部分均被空腔在橫向方向上隔開；第一氮化娃層、第二碳化娃層、第二氮化娃層的周圍部分形成空腔的側壁，第一碳化娃層和第三碳化矽層分別為空腔的頂部和底部，空腔側壁與空腔底部、頂部一道將空腔密封；第一碳化矽層經離子摻雜形成上電極，第二碳化矽層的中間部分經離子摻雜形成下電極；所述第一氮化娃層中間部分的橫向尺寸遠小於第二碳化娃層中間部分的橫向尺寸，第三碳化矽層中間設置有通孔，通孔貫穿第三碳化矽層，通孔橫向尺寸小於下電極的橫向尺寸；所述第二氮化矽層中間部分覆蓋在第三碳化矽層上側和通孔的內表面；在通孔中的氮化矽層內表面上覆蓋有電連接金屬層，電連接金屬層頂部與下電極形成電連接；所述第一碳化矽層、第二碳化娃層和第三碳化娃層的材料可換為金剛石，第一氮化娃層和第二氮化娃層的材料可換為二氧化矽。所述第一氮化矽層中間部分厚度小於第一氮化矽層的周圍部分的厚度。所述第一氮化矽層中間部分的中心點對應第一碳化矽層的中心點。所述第二氮化矽層周圍部分的橫向尺寸與第一氮化矽層周圍部分的橫向尺寸相同，且對稱分布在第二碳化矽層的兩側。所述第二氮化矽層中間部分為環狀，其外部橫向尺寸小於下電極的橫向尺寸。所述第一氮化矽層中間部分、第二碳化矽層中間部分、第二氮化矽層中間部分、通孔、金屬電連接層關於同一中心軸對稱。所述第一、第二碳化矽層可換為相應的金剛石層或其他類似材料，所述氮化矽層可換為相應的二氧化矽層或其他類似材料。一種高溫CMUT壓力傳感器的製備方法，包括以下步驟:(I)取一 P或N型碳化矽片，採用深反應離子刻蝕技術在該碳化矽中部刻蝕通孔，該通孔貫穿該碳化矽片，此時形成第三碳化矽層；(2)在第三碳化娃層上表面及其中部通孔內表面沉積氮化娃層；同時取一單晶娃或多晶娃片作為第一襯底娃，在其上表面沉積碳化娃層；(3)光刻、刻蝕第三碳化娃層上表面的氮化娃層形成第二氮化娃層,它分為周圍部分和中間部分，中間部分為覆蓋在第三氮化矽層上表面中部和整個通孔內表面部分；採用局部摻雜技術金屬化第一襯底娃上表面的碳化娃層中部區域；米用化學機械拋光技術拋光第二氮化娃層及第一襯底娃上的碳化娃層上表面；(4)將第三碳化娃層上表面的第二氮化娃層與第一襯底娃上的碳化娃層鍵合,其中第一襯底矽上的碳化矽層在上，第二氮化矽層在下；(5)刻蝕掉第一襯底娃,釋放第一襯底娃上的碳化娃層,並米用化學機械拋光技術拋光其表面；(6)在源於第一襯底娃的碳化娃層上沉積氮化娃層；( 7 ) 二次光刻、刻蝕源於第一襯底矽的碳化矽層上的氮化矽層，使其形成第一氮化矽層，其中間部分為較小區域，且厚度小於周圍部分氮化矽層的厚度，周圍部分氮化矽層的橫向尺寸與第二氮化矽周圍部分的橫向尺寸相同；同時取另一單晶矽或多晶矽片作為第二襯底娃，在其上表面沉積碳化娃層；(8)光刻、刻蝕源於第一襯底娃的碳化娃層，使其形成第二碳化娃層,其中部區域為電極，周圍部分為未摻雜碳化娃；米用離子摻雜技術摻雜第二襯底娃上的碳化娃層，使其形成第一碳化娃層；(9)米用化學機械拋光技術拋光第一碳化娃層及第一氮化娃層上表面,並將二者真空鍵合，其中第一碳化娃層在上，第一氮化娃層在下，此時第一氮化娃層、第二碳化娃層及第二氮化矽層的周圍部分組成空腔側壁，第一碳化矽層和第三碳化矽層分別為空腔頂部和底部，側壁與頂部、底部一道將空腔密封；(10)刻蝕掉用於沉積第一碳化娃層的第二襯底娃,釋放第一碳化娃層，同時在通孔中的氮化矽層內表面濺射耐高溫金屬層，金屬層頂部與第二碳化矽層的中部區域形成電連接，金屬層側壁覆蓋在通孔內氮化矽層的內壁上。步驟(10)中通孔內濺射的耐高溫金屬層為鎳層或錳層。本發明的高溫CMUT壓力傳感器及其製備方法至少有以下優點:( I)常規CMUT結構中，因電絕緣層覆蓋整個下電極上表面，當上、電極形成強電場時在電絕緣層表面或其與下電極的交界面或電絕緣層內部出現電荷層，也即電絕緣層充電現象，它會影響CMUT的直流偏置電壓工作點及工作性能；而本發明中電絕緣層橫向尺寸遠小於下電極橫向尺寸，有效減小了充電現象對傳感器工作性能的影響。(2)常規CMUT結構中，因用整個單晶矽基底作為下電極或金屬電極層覆蓋整個基底作為下電極，下電極與上電極之間的空腔側壁部分則形成寄生電容，且高溫時因單晶矽或多晶矽材料導電能力增強，寄生電容變大。而本發明中，下電極位於空腔內部，且與側壁、第三碳化矽層之間完全電隔絕，有效減小了高溫環境中寄生電容及其對傳感器檢測靈敏度的影響。(3)本發明採用碳化矽層和氮化矽層交替的對稱式結構設計能有效減小高溫環境中溫度應力對傳感器測 量精確度的影響。


圖1為本發明的結構示意圖；圖2為本發明的製備方法流程圖；圖中標號具體表示如下:
權利要求
1.一種高溫CMUT壓力傳感器，其特徵在於:其整體結構從上至下依次為:第一碳化矽層(I)、第一氮化娃層(4)、第二碳化娃層(2)、第二氮化娃層(5)、和第三碳化娃層(3);第一氮化矽層(4)、第二碳化矽層(2)和第二氮化矽層(5)均分為中間部分和周圍部分，且周圍部分和中間部分均被空腔(14)在橫向方向上隔開；第一氮化娃層(4)、第二碳化娃層(2)、第二氮化矽層(5)的周圍部分形成空腔(14)的側壁，第一碳化矽層(I)和第三碳化矽層(3)分別為空腔的頂部和底部，空腔側壁與空腔底部、頂部一道將空腔(14)密封；第一碳化矽層(I)經離子摻雜形成上電極，第二碳化矽層的中間部分(7)經離子摻雜形成下電極；所述第一氮化矽層中間部分(11)的橫向尺寸遠小於第二碳化矽層中間部分(7)的橫向尺寸，第三碳化矽層(3 )中間設置有通孔(9 )，通孔(9 )貫穿第三碳化矽層(3 )，通孔(9 )橫向尺寸小於下電極的橫向尺寸；所述第二氮化矽層中間部分(12)覆蓋在第三碳化矽層(3)上側和通孔(9)的內表面；在通孔(9)中的氮化矽層內表面上覆蓋有電連接金屬層(15)，電連接金屬層(15 )頂部與下電極形成電連接；所述第一碳化矽層(I)、第二碳化矽層(2 )和第三碳化矽層(3)的材料可換為金剛石，第一氮化矽層(4)和第二氮化矽層(5)的材料可換為二氧化矽。
2.根據權利要求1所述的高溫CMUT壓力傳感器，其特徵在於:所述第一氮化矽層中間部分(11)厚度小於第一氮化矽層(4)的周圍部分(10)的厚度。
3.根據權利要求1所述的高溫CMUT壓力傳感器，其特徵在於:所述第一氮化矽層中間部分(11)的中心點對應第一碳化娃層(I)的中心點。
4.根據權利要求1所述的高溫CMUT壓力傳感器，其特徵在於:所述第二氮化矽層周圍部分(13)的橫向尺寸與第 一氮化娃層周圍部分(10)的橫向尺寸相同,且對稱分布在第二碳化娃層(6 )的兩側。
5.根據權利要求1所述的高溫CMUT壓力傳感器，其特徵在於:所述第二氮化矽層中間部分(12)為環狀，其外部橫向尺寸小於下電極的橫向尺寸。
6.根據權利要求1所述的高溫CMUT壓力傳感器，其特徵在於:所述第一氮化矽層中間部分(11)、第二碳化矽層中間部分(7)、第二氮化矽層中間部分(12)、通孔(9)、金屬電連接層(15)關於同一中心軸對稱。
7.—種高溫CMUT壓力傳感器的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟: (I)取一 P或N型碳化矽片，採用深反應離子刻蝕技術在該碳化矽中部刻蝕通孔(9)，該通孔(9)貫穿該碳化矽片，此時形成第三碳化矽層(3)； (2 )在第三碳化矽層(3 )上表面及其中部通孔(9 )內表面沉積氮化矽層(16 );同時取一單晶娃或多晶娃片作為第一襯底娃(17),在其上表面沉積碳化娃層(18); (3)光刻、刻蝕第三碳化娃層(16)上表面的氮化娃層形成第二氮化娃層(5),它分為周圍部分(13)和中間部分(12)，中間部分(12)為覆蓋在第三氮化矽層(3)上表面中部和整個通孔(9)內表面部分；米用局部摻雜技術金屬化第一襯底娃(17)上表面的碳化娃層(18)中部區域；米用化學機械拋光技術拋光第二氮化娃層(5)及第一襯底娃(17)上的碳化娃層(19)上表面； (4)將第三碳化娃層(3)上表面的第二氮化娃層(5)與第一襯底娃(17)上的碳化娃層(19)鍵合,其中第一襯底娃上的碳化娃層(19)在上,第二氮化娃層(5)在下； (5)刻蝕掉第一襯底娃(17),釋放第一襯底娃上的碳化娃層(19),並米用化學機械拋光技術拋光其表面； (6)在源於第一襯底娃的碳化娃層(18)上沉積氮化娃層(20)； (7)二次光刻、刻蝕源於第一襯底矽的碳化矽層上的氮化矽層(20)，使其形成第一氮化矽層(4)，其中間部分(11)為較小區域，且厚度小於周圍部分(10)氮化矽層的厚度，周圍部分氮化娃層(10)的橫向尺寸與第二氮化娃周圍部分(13)的橫向尺寸相同；同時取另一單晶矽或多晶矽片作為第二襯底矽(21 )，在其上表面沉積碳化矽層(22); (8)光刻、刻蝕源於第一襯底娃的碳化娃層(19),使其形成第二碳化娃層(2),其中部區域(7)為電極，周圍部分(6)為未摻雜碳化矽；採用離子摻雜技術摻雜第二襯底矽(21)上的碳化娃層(22),使其形成第一碳化娃層(I)； (9)米用化學機械拋光技術拋光第一碳化娃層(I)及第一氮化娃層(4)上表面,並將二者真空鍵合，其中第一碳化娃層(I)在上，第一氮化娃層(4)在下,此時第一氮化娃層(4)、第二碳化矽層(2)及第二氮化矽層(5)的周圍部分組成空腔(14)側壁，第一碳化矽層(I)和第三碳化矽層(3)分別為空腔(14)頂部和底部，側壁與頂部、底部一道將空腔(14)密封； (10)刻蝕掉用於沉積第一碳化娃層(I)的第二襯底娃(21),釋放第一碳化娃層(I),同時在通孔(9)中的氮化矽層內表面濺射耐高溫金屬層形成下電極電連接金屬層(15)，下電極電連接金屬層(15)頂部與第二碳化矽層(2)的中部區域形成電連接，金屬層側壁覆蓋在通孔(9)內氮化矽層的內 壁上。
8.根據權利要求8所述的高溫CMUT壓力傳感器的製備方法，其特徵在於:步驟(10)中通孔(9)內濺射的耐高溫金屬層為鎳層或錳層。
全文摘要
本發明公開了一種高溫CMUT壓力傳感器及其製備方法，其整體結構從上至下依次為第一碳化矽層、第一氮化矽層、第二碳化矽層、第二氮化矽層、和第三碳化矽層；第一氮化矽層、第二碳化矽層和第二氮化矽層周圍部分和中間部分均被空腔在橫向方向上隔開；通孔貫穿第三碳化矽層；所述第二氮化矽層中間部分覆蓋在第三碳化矽層上側和通孔的內表面；在通孔中的氮化矽層內表面上覆蓋有電連接金屬層與下電極形成電連接；有效減小了充電現象對傳感器工作性能的影響；有效減小了高溫環境中寄生電容及其對傳感器檢測靈敏度的影響；採用碳化矽層和氮化矽層交替的對稱式結構設計能有效減小高溫環境中溫度應力對傳感器測量精確度的影響。
文檔編號G01L9/00GK103196613SQ201310084858
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月15日 優先權日2013年3月15日
發明者趙立波, 李支康, 蔣莊德, 葉志英, 王久洪, 王苑, 趙玉龍, 苑國英 申請人:西安交通大學