絕緣體上的矽高溫超高壓力傳感器的製作方法
2024-01-25 14:38:15
專利名稱：絕緣體上的矽高溫超高壓力傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及絕緣體上的矽(Silicon on insulator縮寫為SOI)高溫超高壓力傳感器的製作方法，這種傳感器又稱為SOI矽高溫超高壓力傳感器；屬電子信息領域。
壓力傳感器普遍應用於汽車工業、石油工業、航空航天工業、食品工業、醫藥衛生以及日產生活等各個領域。這其中很多需要在高溫狀態下使用，如石油工業中的井下壓力計，要求傳感器在150℃的環境下工作並在超高壓力(600～1000Kg/cm2)條件下使用。作為代用品的金屬濺射薄膜壓力傳感器又存在輸出信號小和溫漂大等缺點，這是該傳感器本身特性所決定了的；而採用SOI技術是目前國際上用來解決矽電子技術中的抗高溫和抗輻照的主要途徑。根據Electrochemical Society Proceedings(Volume99-3P.23)報導，至1999年1月，除Kulite公司的高溫壓力傳感器之外，還沒有SOI工業產品傳感器。又如文獻Measurement of the Cylinder Pressure in Combustion Engineswith a Piezoresistive SiC-on-SOI Pressure Sensor Proceedings of the HITEC 8.Albuquerque，NM，USA，June 14-18，1998，pp.245-249報導用高溫高壓(400℃，100MPa)傳感器控制燃燒引擎是可能的。擴散矽固態壓力傳感器以其高輸出、高精度和便於批量製作受到普遍歡迎。
本發明的目的是提供一種絕緣體上的矽高溫超高壓力傳感器的製作方法，其關鍵點是用SOI技術解決敏感元件和彈性元件的高溫電隔離；以矽和玻璃環的靜電鍵合為邊界的鉗制條件來實現高量程和高線性輸出。
本發明可以通過以下方法實現首先對用於作為彈性元件的矽襯底(下稱下矽片)和敏感元件的矽片(下稱上矽片)分別進行高溫熱氧化，氧化層的厚度分別為1微米(μm)和0.1微米(μm)；下矽片的厚度根據所製作的壓力傳感器的量程而定。然後上、下矽片貼合在一起在1000℃下進行鍵合形成SOI材料，然後去除上矽片表面的氧化矽，對上矽片用KOH溶液腐蝕減薄至2-3μm厚的敏感膜，再用離子注入的方法對其摻雜，於900℃活化。利用半導體光刻和刻蝕的方法將敏感膜刻蝕成浮雕電阻全橋即形成敏感元件，接著腐蝕去除除敏感元件下面的氧化矽之外的下矽片上的其他區域的氧化矽，實現敏感元件與彈性元件間高溫隔離，同時讓矽片與玻璃的靜電鍵合形成良好的邊界鉗制條件，以實現高量程測量條件下的高線性輸出測量。鍵合溫度為350～450℃，所加電壓為1000V，最後按照傳統壓力傳感器的封裝工藝便可製作出SOI高溫超高壓力傳感器。由於依本發明方法製作傳感器的結構是採用和敏感元件背面受壓方式，即壓力方向與引線布局方向是相對的，這與傳統的敏感元件正面受壓方式的高壓傳感器有所不同，使其應用領域更加廣泛。另外，該傳感器是以鍵合封接的耐熱玻璃環為邊界條件，使傳感器獲得高的線性輸出。
下面結合附圖及實施例進一步闡明本發明的實質性特點和顯著進步。
圖1是作為彈性元件的矽襯底(又稱下矽片)；圖2是上、下矽片在1000℃形成的鍵合；圖3是薄層SOI材料示意圖；圖4是高溫電隔離和靜電鍵合為邊界鉗制條件的示意圖。
圖中1為矽襯底用的單晶矽，其厚度隨量程而定，通常壓力傳感器的量程在40～100Mpa範圍，其厚度為500～750μm(又稱下矽片)，2為高溫熱氧化生成的氧化層，3為作為敏感元件的矽片(又稱上矽片)，4為用作敏感元件製作層，減薄至2-3μm的上矽片並經硼(B+)注入摻雜、活化。5為耐熱玻璃環。
本發明可以通過下述實施例得到實施實施例1量程為40Mpa的壓力傳感器的製作方法是1、作為彈性元件的矽襯底用的單晶矽片(下矽片)高溫熱氧化是在1150℃下先通15分鐘幹氧，接著通3小時溼氧，最後通15分鐘幹氧條件下進行的，氧化層的厚度為1μm以上(圖1)；另一作為敏感元件的單晶矽片(又稱上矽片)熱氧化在1150℃下通幹氧1小時條件下進行的，得到0.1μm厚的氧化層；下矽片的厚度為500μm。
2、將1.中氧化的兩矽片用H2SO4清洗後再用去離子水衝洗；然後將兩矽片緊密貼合在一起，送入1000℃的高溫保溫3小時鍵合(圖2)；3、去除上矽片上表面的氧化層，然後用KOH溶液腐蝕減薄上矽片至2-3μm，再B+離子注入摻雜，在900℃活化退火(圖3)；用金屬Al作掩模，光刻出電阻全橋圖形，用幹法刻蝕出矽浮雕電阻全橋，形成敏感元件。
4、然後用10％的HF溶液腐蝕去除除敏感元件下面之外的氧化矽，以便留下光亮的矽表面，從而實現敏感元件和彈性元件間隔離；同時讓矽與耐熱玻璃環靜電鍵合，形成良好的鉗制邊界條件(圖4)；鍵合溫度為350℃，所加電壓為1000V。
5、最後按照傳統的壓力傳感器製作工藝進行後續的封裝工藝，便可得到性能優異的SOI矽高溫超高壓力傳感器。壓力方向與引線布局方向相對(圖4中箭頭方向即為加壓方向)，從而達到優於0.14％的非線性輸出。
實施例2量程為100Mpa的壓力傳感器製作方法，下矽片的厚度為750μm，矽與耐熱玻璃環鍵合溫度為450℃，其餘條件同實施例1。
採用本發明提供的方法所製作的高溫壓力傳感器與其他高溫壓力傳感器相比較的優點是用SOI技術實現了傳感器高溫下工作時的敏感元件和彈性元件的電學隔離，整個工藝與半導體工藝十分兼容，便於批量製作。與藍寶石型高溫壓力傳感器相比較降低了成本，而且由於矽襯底的使用，使得能在傳感器的封裝工藝中用矽和玻璃的靜電鍵合形成邊界條件來改善由於超高壓力所帶來的非線性。與金屬敏感元件所製備的壓力傳感器相比較，矽壓阻式傳感器的輸出大。用本發明的方法製作出的量程在40Mpa～100Mpa範圍的以上的高溫超高壓力傳感器具有優於0.14％的非線性和大於100mV的滿量程輸出，以及小於0.1％的遲滯。
權利要求
1.一種絕緣體上的矽高溫超高壓力傳感器的製作方法，包括採用傳統壓力傳感器封裝工藝，其特徵在於用絕緣體上的矽(SOI)技術解決敏感元件和彈性元件的高溫隔離，以矽和耐熱玻璃環的靜電鍵合為邊界的鉗制條件實現高量程和高線性輸出。
2.按權利要求1所述的製作方法，其特徵在於高溫隔離和靜電鍵合方法是(1)、作為彈性元件的矽襯底用的單晶矽片(下矽片)和作為敏感元件的單晶矽片(上矽片)分別進行氧化；(2)、將上述氧化的兩矽片用濃H2SO4清洗後再用去離子水衝洗；然後二者在1000℃高溫保溫3小時鍵合；(3)、去除上矽片表面的氧化層，然後用KOH溶液腐蝕減薄上矽片至2-3μm，再B+離子注入摻雜，於900℃活化退火；用金屬鋁作掩模，光刻出電阻全橋圖形，用幹法刻蝕出矽浮雕電阻全橋，形成敏感元件；(4)、最後用10％的HF溶液腐蝕去除除敏感元件下面以外的氧化矽，實現敏感元件和彈性元件間隔離，同時使耐熱玻璃環與矽靜電鍵合，鍵合溫度為350～450℃，所加電壓為1000V，形成良好的鉗制邊界條件。
3.按權利要求1所述的製作方法，其特徵在於下矽片高溫熱氧化是在1150℃下，先通15分鐘幹氧，接著通3小時溼氧，最後通15分鐘幹氧條件下進行的。
4.按權利要求1所述的製作方法，其特徵在於所述的上矽片熱氧化是在1150℃下通幹氧1小時條件下進行的。
5.按權利要求1、2、3所述的製作方法，其特徵在於上矽片的氧化層厚度為0.1μm，下矽片氧化層厚度為1μm以上。
6.按權利要求1、2、3所述的製作方法，其特徵在於作為彈性元件的單晶矽片厚度隨量程而定，通常壓力傳感器的量程在40～100Mpa範圍下的矽片厚度為500～750μm。
全文摘要
本發明涉及絕緣體上的矽高溫超高壓力傳感器的製作方法,這種傳感器又稱為S01矽高溫超高壓力傳感器,屬於電子信息領域,本發明提供的方法最關鍵的點採用S01技術解決敏感元件和彈性元件的高溫電隔離,以矽和耐熱玻璃環的靜電鍵合為邊界的鉗制條件實現高量程和高線性輸出。用本方法製作的壓力量程在40～100MPa以上的高溫超高壓力傳感器具有優於0.15%的非線性和大於100mv的滿量程輸出,以及小於0.1%的遲滯。
文檔編號G01L1/20GK1254833SQ99124238
公開日2000年5月31日 申請日期1999年12月10日 優先權日1999年12月10日
發明者張軒雄, 陸德仁, 王文襄, 揚根慶 申請人:中國科學院上海冶金研究所