基于SOI的硅微諧振式壓力傳感器芯片制作*

馬志波，姜澄宇，任 森，苑偉政

(西北工業(yè)大學(xué)陜西省微/納米系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710072)

基于MEMS技術(shù)的硅諧振式壓力傳感器具有體積小、重量輕、功耗低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快以及抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，更重要的是，其直接輸出頻率量，測(cè)量精確度更高，測(cè)試電路簡單，比硅基壓阻式和電容式傳感器有更為優(yōu)良的性能指標(biāo)，同時(shí)便于與IC集成化，獲得高精度的智能化測(cè)控系統(tǒng)，對(duì)于人造衛(wèi)星、飛機(jī)的導(dǎo)航和飛行控制系統(tǒng)以及飛行器本身的微型化有著舉足輕重的推動(dòng)作用［1］，因此諧振式壓力傳感器在航空航天技術(shù)特別是機(jī)載大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、飛行參數(shù)記錄儀等航空設(shè)備的應(yīng)用有著廣闊的應(yīng)用前景。

國外對(duì)硅基MEMS諧振式壓力傳感器進(jìn)行了較早研究［2－3］。英國Greenwood等人利用濃硼自停止技術(shù)的各向異性腐蝕［4］，制作了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的諧振式傳感器，并且利用靜電激振、拾振的方式，制作了高精密的氣壓計(jì)，但是其應(yīng)用局限在傳統(tǒng)的領(lǐng)域，并且其容易被周圍的環(huán)境如流體等原因造成能量損失，諧振困難［5］，而且濃硼擴(kuò)散引入很高的內(nèi)應(yīng)力［6］;1988 年，日本IKEDA等人提出了利用外延生長和犧牲層技術(shù)制作內(nèi)置于真空腔中的諧振梁技術(shù)［7］，然而由于犧牲層厚度的限制，諧振子的諧振范圍受到一定的限制;90年代以后，英國Angelidis等人［8］利用硅－硅直接鍵合技術(shù)，研制成一種光纖訪問式諧振式壓力傳感器。國內(nèi)也有多家單位開展了MEMS諧振式壓力傳感器的研究［9－11］，中科院電子所提出了一種基于氮化硅的諧振式壓力傳感器［12］，但是其諧振子結(jié)構(gòu)采用10 μm的氮化硅梁，殘余應(yīng)力較大;北京航空航天大學(xué)樊尚春等對(duì)熱激勵(lì)諧振式壓力傳感器進(jìn)行了一定的研究［13］，但是對(duì)基于MEMS技術(shù)的微諧振式壓力傳感器沒有進(jìn)行具體的加工。

本文提出了一種基于MEMS技術(shù)的新型硅微諧振式壓力傳感器，設(shè)計(jì)了該結(jié)構(gòu)的體硅加工工藝流程并且基于SOI硅片完成了樣品的制備。同時(shí)，為了解決諧振子在長時(shí)間濕法刻蝕中的側(cè)壁保護(hù)問題而造成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制，提出了一種基于三層薄膜保護(hù)以釋放諧振子的工藝新方法，效果明顯。最后對(duì)加工的傳感器進(jìn)行了初步的性能測(cè)試，得到諧振頻率和Q值，并且將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與采用有限元方法計(jì)算得到的諧振頻率進(jìn)行了比較。

1 諧振式壓力傳感器的設(shè)計(jì)

硅諧振壓力傳感器主要由上層玻璃、硅敏感結(jié)構(gòu)和下層玻璃三部分構(gòu)成。其中上層玻璃上布置有激勵(lì)與檢測(cè)電極;下層玻璃上制作有導(dǎo)壓孔;硅敏感結(jié)構(gòu)主要由諧振子、硅島、壓力敏感膜片及其四周鍵合臺(tái)階四部分構(gòu)成。諧振子通過四個(gè)對(duì)稱支撐梁及四個(gè)硅島懸置于壓力敏感膜片上，支撐梁與硅島四邊成45°夾角，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)待測(cè)壓力為零時(shí)，壓力敏感膜片不受力，沒有發(fā)生變形，硅島處于原始位置，諧振子受到的縱向應(yīng)力為零，其諧振頻率為原始固有頻率;當(dāng)待測(cè)壓力不為零時(shí)，壓力敏感膜片上下表面因存在壓力差將發(fā)生變形，此時(shí)硅島位置將發(fā)生變化，通過硅島的傳遞與放大，諧振子也會(huì)感受到縱向應(yīng)力的作用，相應(yīng)的諧振子的固有頻率將發(fā)生變化，通過檢測(cè)諧振子頻率的改變，達(dá)到壓力檢測(cè)的目的。諧振式壓力傳感器芯體尺寸為7.20 mm×7.20 mm×1.06 mm，由上下兩層 PYREX玻璃和中間SOI硅敏感單元組成。

圖1 諧振式壓力傳感器整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 諧振式壓力傳感器工藝

2.1 工藝流程

MEMS諧振式壓力傳感器采用SOI硅片，整個(gè)工藝流程共使用了4張掩膜版，主要包括硅微細(xì)加工工藝、陽極鍵合、錯(cuò)位劃片以及真空封裝等。其中，SOI硅片的規(guī)格為:4 inch，電阻率為0.01 Ω·cm ～0.02 Ω·cm，器件硅的厚度為20 μm，中間氧化層為0.3 μm，基底硅的厚度為500 μm，工藝流程如圖2所示。

圖2 諧振式壓力傳感器的工藝流程圖

主要的工藝流程為:

(1)標(biāo)準(zhǔn)清洗SOI硅片，LPCVD沉積氮化硅薄膜，背面涂膠光刻，RIE刻蝕背面氮化硅，刻蝕出臺(tái)階位置，以氮化硅為掩膜，在濃度為30%、溫度為80℃的TMAH溶液中濕法刻蝕出導(dǎo)壓孔和對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，刻蝕深度為30 μm。LPCVD氮化硅，正面光刻，RIE刻蝕氮化硅，濕法刻蝕單晶硅10 μm，刻蝕出臺(tái)階、金屬引線槽，最后去除氮化硅薄膜。如圖2(a)所示。

(2)LPCVD沉積氮化硅薄膜，正面涂膠光刻，RIE刻蝕氮化硅，刻蝕出諧振子，接著ICP刻蝕器件硅10 μm至中間氧化層，用 BOE刻蝕液刻蝕0.3 μm的中間氧化層，繼續(xù)ICP刻蝕單晶硅一定的厚度(約2 μm)，并去除光刻膠，如圖2(b)所示。

(3)LPCVD氧化硅和氮化硅，形成三層保護(hù)膜保護(hù)諧振子及其側(cè)壁，如圖2(c)所示。

(4)采用ICP將溝槽底部的氧化硅和氮化硅去掉，這樣，諧振子上層有一層氮化硅保護(hù)，而側(cè)壁有氧化硅和氮化硅兩層保護(hù)，完全滿足工藝要求，如圖2(d)所示。

(5)TMAH各向異性濕法刻蝕單晶硅10 h，鏤空諧振子以及形成諧振子與敏感膜片之間的空腔，刻蝕深度為250 μm，然后依次去除三層保護(hù)膜，如圖2(e)所示。

(6)在 PYREX玻璃上打孔，形成導(dǎo)壓孔，如圖2(f)所示。

(7)在PYREX玻璃上通過磁控濺射金屬Cr和Au，通過剝離工藝形成驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極和屏蔽電極，，如圖2(g)所示，其中金屬Cr層將增加金屬電極在玻璃表面的附著力［14］。

最后，通過兩次硅/玻璃陽極鍵合，將有導(dǎo)壓孔的玻璃片與SOI硅片的背面鍵合，將有金屬電極的玻璃片一面與SOI硅片的正面鍵合，并錯(cuò)位劃片，完成整個(gè)硅敏感單元的工藝過程。圖3所示為加工完成的微諧振式壓力傳感器的照片。

圖3 諧振式壓力傳感器芯片照片

2.2 諧振子側(cè)壁保護(hù)工藝

諧振式壓力傳感器硅敏感結(jié)構(gòu)部分主要采用濕法腐蝕工藝完成對(duì)諧振子的釋放，也可采用硅－硅鍵合工藝完成，但是金屬Al在高溫下表面會(huì)產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，增大了接觸電阻，同時(shí)也容易發(fā)生Al－Si共熔而導(dǎo)致失效［15］。然而在采用濕法腐蝕對(duì)諧振子進(jìn)行鏤空釋放的過程中，如果側(cè)壁保護(hù)不好，將造成諧振子釋放的失敗，如圖2所示，諧振子部分葉片已被完全刻蝕掉或邊緣被刻蝕掉，導(dǎo)致器件性能下降，甚至造成整個(gè)工藝的失敗。針對(duì)上述問題，提出了一種類似SCREAM工藝的方法［16］，利用三層薄膜保護(hù)結(jié)合硅深刻蝕工藝對(duì)諧振子進(jìn)行釋放，工藝過程更加簡單。首先，在完成正面臺(tái)階刻蝕以后，低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)低應(yīng)力氮化硅薄膜，然后以光刻膠為掩膜，反應(yīng)離子刻蝕(RIE)氮化硅，刻蝕出硅島、諧振子和支撐梁的位置;其次，采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕機(jī)(ICP)刻蝕單晶硅至SOI硅片中間氧化層，接著RIE刻蝕0.3 μm的中間氧化層，之后ICP刻蝕一定深度的單晶硅，目的是使三層保護(hù)膜徹底保護(hù)好SOI硅片中的氧化層上下部分的單晶硅在隨后的濕法刻蝕中不被刻蝕掉，去除光刻膠，ICP刻蝕溝槽底部的氮化硅，RIE刻蝕氧化硅，這樣，硅片表面有氮化硅、氧化硅和氮化硅保護(hù)，而溝槽側(cè)壁有氧化硅和氮化硅保護(hù)，中間的氧化硅不僅起到了緩沖氮化硅薄膜應(yīng)力的作用，同時(shí)也對(duì)氮化硅保護(hù)不好的地方起到了二次保護(hù)的作用，將整個(gè)諧振子完全的保護(hù)起來。

圖4所示為采用三層保護(hù)膜保護(hù)在TMAH刻蝕液中刻蝕10 h以后的SEM圖片，刻蝕深度為250 μm，從圖4可以看出，諧振子完整釋放。此方法簡單、實(shí)用，為要求深刻蝕鏤空釋放結(jié)構(gòu)提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

圖4 釋放后的諧振子SEM圖片

3 測(cè)試及結(jié)果

在一定范圍內(nèi)，諧振子固有頻率的改變與縱向應(yīng)力以及外加壓力三者之間有很好的線性關(guān)系。因此，通過檢測(cè)諧振子的固有諧振頻率的變化，就可達(dá)到壓力檢測(cè)的目的。在器件封裝前，對(duì)加工完成的MEMS諧振式壓力傳感器芯片進(jìn)行了相應(yīng)的初步測(cè)試，測(cè)試中采用直流5 V和交流5 V電壓對(duì)傳感器供電激勵(lì)，測(cè)量溫度為20℃，在大氣壓力下進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 諧振式壓力傳感器輸出幅頻特性曲線

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下，諧振式壓力傳感器的諧振頻率為9.92 kHz，如上圖5所示，由此得到了傳感器芯片在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下的品質(zhì)因數(shù)為34，完全能夠滿足一般的應(yīng)用需求。

4 結(jié)論

利用SOI材料，基于MEMS技術(shù)研制了一種新型三明治結(jié)構(gòu)的硅微諧振式壓力傳感器，其主要包括上層玻璃、硅敏感結(jié)構(gòu)和下層玻璃三部分構(gòu)成。通過工藝改進(jìn)解決了常規(guī)工藝過程中的側(cè)壁保護(hù)問題，提出了一種基于氮化硅、氧化硅和氮化硅三層薄膜的保護(hù)工藝，解決了微細(xì)加工工藝中要求采用濕法刻蝕鏤空釋放可動(dòng)結(jié)構(gòu)的問題，對(duì)MEMS工藝具有較高的實(shí)用價(jià)值。測(cè)試結(jié)果表明，采用三層薄膜保護(hù)工藝制作的這種諧振式壓力傳感器具有良好的性能，完全能夠應(yīng)用于航空航天以及工業(yè)等進(jìn)行壓力檢測(cè)的領(lǐng)域。

［1］ Greenwood J C.Resonant Pressure Sensors［J］.IEEE Colloquium on Measurement Using Resonant Sensing，1993:1－2.

［2］ Kinnell P K，Craddock R.Advances in Silicon Resonant Pressure Transducers［J］.Procedia Chemistry，2009，1(1):104－107.

［3］ Wen Teng Chang，Christian Zorman.Electrical Characterization of Microelectromechanical Silicon Carbide Resonators［J］.Sensors，2008，8(9):5759－5774.

［4］ Reenwood J，Wray T.High Accuracy Pressure Measurement with a Silicon Resonant Sensor［J］，Sensors and Actuators A，1993:82－85.

［5］ Kinji Harada，Kyoichi Ikeda b，Hideki Kuwayama.Various Applications of Resonant Pressure Sensor Chip Based on 3-D Micromachining［J］.Sensors and Actuators，1999，73:261－266.

［6］ Christopher J Welham a，Julian W.A Laterally Driven Micromachined Resonant Pressure Sensor［J］.Sensors and Actuators A，1996，52:86－91.

［7］ Kyoichi Ikeda.Silicon Pressure Sensors Integrates Resonant Strain Gauge on Diaphragm［J］，Sensors and Actuators A，1990:21－23.

［8］ Linder C，Zimmermann E，De Rooij N F.Capacitive Polysilicon Resonator with MOS Detection Circuit［J］.Sensors and Actuators A，1991，27:591－595.

［9］ 荊振國，于清旭.用于高溫油井測(cè)量的光纖溫度和壓力傳感器系統(tǒng)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，6(6):2450－2452.

［10］楊川，郭燦.MEMS氮化鈦諧振式壓力傳感器研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，29(1):36－38.

［11］史曉晶，陳德勇，王軍波，等.一種新型微機(jī)械諧振式壓力傳感器研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，22(6):790－793.

［12］ Chen Deyong，Cui Dafu，Wang Li.SIN Beam Resonant Pressure Sensors with a Novel Structure［J］.IEEE，2002:994－997.

［13］ FAN Shang-chun，LIU Guang-yu.Thermal Excited Silicon Microstructure Resonator Pressure Sensor［J］.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2000，21(5):474－476.

［14］ Xu Jingbo，Zhao Yulong，Jiang Zhuangde.Fabrication of Monolithic Silicon Multi-Sensor on SOI Wafer［J］.Chinese Journal of Semiconductors，2007，28(2):302－307.

［15］ Sze S M，VLSI Technology(McGraw-Hill，New York，ed)，1988，2:184－232.

［16］ Kevin A Shaw，Lisa Zhang Z.SCREAM I:Single Mask，Single-Crystal Silicon Process for Microelectromechanical Structures［J］.Sensors and Actuators A，1994，40:63－70.