SOI壓力傳感器高壓失效分析

王 韜，萬 江，張萬里

(電子科技大學 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川 成都 610054)

0 引 言

微機電系統（micro-electro-mechanical system,MEMS）傳感器是采用微機械加工技術制造的新型傳感器，主要有微型化、多樣化、集成化、批量化等鮮明的技術特點。MEMS傳感器在軍工，商業領域有著廣泛應用[1]，如壓力傳感器[2-4]、光學傳感器[5-6]、麥克風[7-9]等。其中，MEMS壓力傳感器在航空發動機、火箭腔體、油井等都有著廣泛的應用[10]。近幾年涌現了大量對可耐高溫的SOI（silicon-oninsulator）壓力傳感器的研究[11]，但對于可耐高壓的SOI壓力傳感器的報道還比較缺乏。張曉莉[12]等報道了一種通過注氧隔離（separation by implantation of oxygen,SIMOX）技術研制的SOI壓力傳感器，可在-30～250 ℃環境中測量1 000 MPa以下壓力，但沒有對傳感器的設計進行詳細報道。在壓力傳感器的設計過程中，由于膜片的形狀、厚度、尺寸決定著壓力傳感器的耐壓能力、信號靈敏度，所以膜片是大部分MEMS器件的主要機械部件，常用的3種膜片形狀有圓形、方形和矩形。王韜[13]等研究了應用于惡劣環境下的基于SOI的聲表面波壓力傳感器膜片形狀對靈敏度的影響，研究表明為提高壓力傳感器信號靈敏度，應該選擇大長寬比的矩形膜片。陳勇[14]等針對高溫高壓環境的壓力傳感器的應用，使用MEMS工藝制備了基于SOI的壓力傳感器，通過增加膜厚，使得器件耐壓值達到150 MPa，但在文獻中并沒有對如何提高壓力傳感器的耐高壓能力與原理進行報道。

器件的耐高壓能力（過載壓力）指器件發生損壞失效前能承受的最大壓力，所以器件的壓力傳感量程是低于器件的過載能力的。通過對市面上壓力傳感器調研可知，通常壓力傳感器的線性壓力響應范圍是其耐高壓能力的2/3甚至更低。而傳感器的量程在壓力傳感器的線性壓力響應范圍內，所以耐壓能力一般是量程的1.5倍或更高。為了研究如何提高壓力傳感器的耐高壓能力，進而提升器件的量程，需對壓力傳感器耐壓失效的機理進行分析。本文面向基于MEMS技術的SOI壓力傳感器高壓失效問題，以SAW（聲表面波）器件為對象，通過實驗測量器件的耐壓極限并對器件內部應力進行仿真，對器件的耐高壓失效特性進行了研究與分析。

1 壓力傳感器的制備與測試

1.1 器件制備

本文制備了一種MEMS聲表面波壓力傳感器，器件示意圖如圖1(a)所示。器件的工作原理是基于聲表面波器件在基底壓電材料(AlN)受到外界作用力作用時，材料內部的應力發生變化，使材料的彈性常數、密度等發生變化，從而導致聲表面波的傳播速度發生變化。同時壓電材料受到作用力后，器件的結構尺寸發生變化，從而導致聲表面波的波長改變。聲表面波諧振器的諧振頻率fr=ν/λ(其中，ν是聲表面波的傳播速度，m/s；λ為聲表面波的波長，μm)，ν和λ的變化導致諧振頻率fr（MHz）的變化。通過測量頻率大小，就可以知道外界作用力的大小[15]。圖1(b)所示為器件的截面圖，器件為Mo/AlN/Si/SiO2/Si/SiO2的復合層結構。壓力傳感器的膜片厚度是器件的關鍵參數：膜片的厚度越厚，耐高壓能力越強，但是對于壓力的響應也越弱，壓力傳感器的靈敏度也越低。因此，需要在壓力靈敏度與耐高壓能力之間進行平衡。本文選取了10 μm器件硅層(Device Si)的SOI晶圓，期望在滿足器件耐壓要求的同時，保證器件的靈敏度。

圖1 器件結構、截面、背腔示意圖

使用SOI并基于MEMS工藝制備了一款聲表面波壓力傳感器，通過對體硅層進行刻蝕制作背腔；由于大長寬比的矩形有利于提高壓力傳感器的靈敏度，所以采用大長寬比的矩形作為膜片的形狀。所設計的矩形背腔的形狀如圖1(c)所示。背腔的尺寸為 1 600 μm×800 μm。制備的具體工藝流程如下：

1)首先在潔凈的SOI wafer上利用物理氣相沉積生長出AlN(1 μm)/Mo(0.2 μm)。其中，AlN作為器件的壓電薄膜，膜的質量將決定整個器件的性能的有無與好壞，金屬Mo將在后續制作插指電極與布拉格反射柵。

2)在鍍好膜的晶圓上涂敷光刻膠，通過光刻技術將掩模版上的插指電極(inter-digital transducer,IDT)圖案與布拉格反射柵圖案轉移到器件上，此時光刻膠的圖案為插指電極與反射柵的圖案。

3)利用反應離子刻蝕（RIE）技術對金屬Mo進行刻蝕，由于光刻膠的阻擋，只有未被遮擋的Mo會被刻蝕，留下來的金屬形成了插指電極與布拉格反射柵；使用丙酮將剩余的光刻膠去除，并利用無水乙醇和去離子水對晶圓進行清洗。

4)使用PECVD（等離子體增強化學氣相沉積）技術，在器件的底部表面（底層硅表面）生長出一層0.8 μm厚的SiO2薄膜，然后在生長出來的SiO2薄膜上進行光刻，將背腔的形狀轉移到SiO2表明，此時非光刻膠部分為背腔圖案。

5)利用背對準技術，通過深反應離子刻蝕技術(deep reactive iron etching,DRIE)先對底層硅下的SiO2進行刻蝕，將SiO2刻蝕完后再對Si進行刻蝕，一直刻蝕到器件硅下的SiO2層停止，完成隔膜結構的釋放。

1.2 器件測試

使用安捷倫矢量網絡分析儀(vector network analyzer,VNA)對器件進行測試，器件的封接方法與測試方法如圖2所示，圖中還展示了測試系統操控界面；圖3展示了常壓下器件的測試結果，器件的諧振頻率為468.76 MHz。聲表面波壓力傳感器的諧振頻率可以由 fr=ν/λ得出。器件的λ=10 μm，由測得的諧振頻率可以得出在復合層間的聲表面波速度為4 687.6 m/s。

圖2 器件封接測試方法與測試操作界面

圖3 壓力傳感器S11頻率響應曲線

從實驗結果可知器件的耐壓能力未能超過1 MPa。為了進一步提升器件的耐壓能力，制作出具有更高耐壓強度的壓力傳感器，本文采用了兩種方式增加器件的耐壓能力：1）增加器件硅層的厚度至50 μm；2）減小背腔尺寸至1 400 μm×350 μm。器件的正、反面如圖4所示。圖4(a)展示了器件的正面形貌，包括IDT部分與用于連線的焊盤部分，圖4(b)、(c)、(d)展示了背腔的形狀與大小。

從實驗結果可知器件的耐壓能力未能超過1 MPa。為了進一步提升器件的耐壓能力，制作出具有更高耐壓強度的壓力傳感器，本文采用了兩種方式增加器件的耐壓能力：1）增加器件硅層的厚度至50 μm；2）減小背腔尺寸至 1 400 μm×350 μm。器件的正、反面如圖4所示。圖4(a)展示了器件的正面形貌，包括IDT部分與用于連線的焊盤部分，圖4(b)、(c)、(d)展示了背腔的形狀與大小。

圖4 器件正面、反面、大、小尺寸背腔形貌

按照圖2的方式對改進后的器件的耐壓能力進行測試，3種器件的測試結果如表1所示。其中器件A的器件硅層厚度為10 μm，背腔尺寸為1 600 μm×800 μm；器件B的器件硅層厚度為10 μm，背腔尺寸為1 400 μm×350 μm；器件C的器件硅層厚度為50 μm，背腔尺寸為1 600 μm×800 μm。由表1的數據可知，提升膜厚與減小背腔尺寸提升了器件的耐壓能力。

表1 3種器件耐壓測試結果 MPa

2 仿真分析

有限元方法(finite element method,FEM)是一種利用數學方法對實際的物理模型與物理問題進行精確近似模擬計算的一種方法。由于近幾年來的計算機計算能力的快速發展，FEM也得到了越來越多的應用[16]。COMSOL Multiphysics是一款利用有限元方法、專用于多物理場耦合的仿真軟件，應用領域十分廣泛，其中包括了電、聲、光、熱、機械等諸多模塊。為了對器件的失效機理進行分析，使用COMSOL搭建物理模型對不同器件的最大耐壓壓力下的內部應力進行分析，模型如圖5所示，展示了器件的多層結構與背腔結構。

圖5 有限元仿真模型（單位：μm）

同時由于器件的對稱性，只需要搭建1/4的器件模型，可將軟件內置的物理場下的對稱功能添加到模型上，可在減小計算量的情況下實現與完整模型相同的計算結果。圖6展示了仿真結果中3種器件在最大應力點對應厚度方向上器件硅層的應力大小情況。3種器件的最大應力強度分別為器件A：408 MPa、器件B：250 MPa、器件C：128 MPa。在材料力學中，材料的破裂考察的是內部的最大應力。由于3個器件的材料相同，理論上3個器件的最大應力值應該相同，但仿真結果表示3個器件在不同的最大應力情況下發生了破裂。根據Tsai M Y[17]等對硅片強度的研究，硅片破裂時的最大內部應力應該大于400 MPa，所以器件B、C在內部應力小于預期值時發生了破裂現象，將這種現象概括為耐壓的提前失效，即器件B、C發生了提前失效，器件B和器件C并未完全發揮出其應有的耐壓性能。

圖6 3種器件的厚度方向上的應力分布

3 失效分析

Tsai M Y[17]等的研究表明硅材料表面的光滑平整度會影響材料的強度。Tsai M Y使用原子力顯微鏡（AFM）對材料表面進行了分析，通過不同的方法測試結果均顯示在相同的測試條件下，表面較粗糙硅片相比表面較光滑硅片破碎時的內部應力最大值均更小。圖7展示了DRIE技術刻蝕的本文器件硅溝道側壁SEM照片。由圖可以看出刻蝕表面的平整度較差，這是降低器件的耐壓程度的一個原因。器件加工過程中需要將底層硅刻蝕出槽形結構且刻蝕到埋氧層為止，為了保證刻蝕完全，在工藝中會存在一定的過刻行為。圖8展示了DRIE刻蝕槽結構后底部的示意圖，圖中標注處表示刻蝕槽底部由于過刻形成的楔形結構。

圖7 DRIE刻蝕硅的側壁SEM圖

圖8 DRIE刻蝕槽底部示意圖

圖9展示了破碎后器件的表面形貌。圖中器件斷面附近呈現藍紫色與青色，由于AlN與金屬電極呈灰白與銀灰色，而單晶硅呈銀灰色，所以藍紫色與青色只能是二氧化硅薄膜所呈現的顏色。不同厚度的二氧化硅層呈現不同的顏色[18]，藍紫色應該是由于撕裂導致的二氧化硅膜厚變化而引起的；器件B大范圍裸露出的青色（二氧化硅）表明破裂發生在器件硅與底層二氧化硅的撕裂之后。所以對器件的耐壓提前失效提出假設：由于背腔刻蝕后的粗糙度較高，且刻蝕槽的底部的楔形結構導致了器件背腔根部側二氧化硅的切應力集中，導致了二氧化硅層與器件硅層的脫落。由于器件的耐壓強度與背腔受力面積呈負相關，當脫落面積逐漸增大時將導承壓面積增大，導致器件的耐壓強度下降，最終導致了器件的提前失效。

圖9 破裂后的器件表面圖

4 提前失效機理驗證

由于猜想背腔的楔形與平整度不夠會導致二氧化硅層與器件硅層的脫落從而造成器件的提前失效。為了解決該問題，采用新的方式對聲表面波MEMS壓力傳感器進行封裝，如圖10所示。采用正面加壓的方式測量器件的極限耐壓，傳感器隔膜結構的最大應力點不再作用于SOI晶圓的埋氧層部位。這樣可以避免器件由于埋氧層脫落而導致的提前失效。

圖10 正面加壓測試方法與新的封裝方式

采用新的方式封裝后再進行極限耐壓測試，3種器件的極限耐壓測試結果分別如表2所示。兩種測試方法的測試結果對比如圖11所示，3種器件的正面耐壓能力均大于背腔耐壓能力。對于器件C，由于加壓設備的限制(極限加壓為2 MPa)，未能得到器件C的最大耐壓值。所以僅將測得器件A、B的極限壓力添加到COMSOL模型中，同時改變加壓方式進行計算，仿真得到的應力最大值厚度方向上的應力分布如圖12所示。器件A的最大內部壓力為408.6 MPa，器件B的最大內部應力為415.2 MPa；圖13展示了兩種不同加壓方式下器件A、B極限耐壓值對應仿真的應力最大值厚度方向上的應力分布對比。

表2 正面加壓器件極限耐壓測試結果 MPa

圖11 背腔與正面加壓耐壓極限測試結果

圖12 正面加壓厚度方向應力仿真結果

圖13 正、反面加壓應力仿真結果

從仿真結果看，背腔加壓方式下器件A破裂時內部最大應力為408 MPa。正面加壓方式下器件A、B破裂時的內部最大應力為408.6 MPa、415.2 MPa，3個數據之間的波動在1.23%。在Tsai M Y[17]的研究中，表面平整度較高的硅片破碎時的內部最大應力值的波動在8%～10%之間，所以可以認為數據之間的差別是可接受的，所以當器件內部最大應力到達410 MPa附近時器件應該會發生破裂現象。器件A在正面加壓與反面加壓兩種方式下斷裂時的內部應力相同，但采用正面加壓的耐壓能力更強，說明正面加壓的方式可以作為提高器件耐壓能力的一種方式。

按照器件提前失效的假設，二氧化硅與器件硅層的脫落增大了受壓面積而導致了器件的破裂，并且認為器件內部最大應力在410 MPa附近才會發生破裂，所以按照破裂面的形狀進行建模，以器件B破裂時的壓力作為仿真時的壓力參數，仿真結果如圖14所示。脫落面可以按照橢圓處理，橢圓的長寬都已經在圖9標注出。仿真得到的最大應力為392 MPa，由于仿真模型與真實模型存在一定的差異，且392 MPa已經較為接近410 MPa，所以可以認為器件確實是由于二氧化硅面與器件硅層脫落而導致的破裂。

圖14 脫落面對應模型應力仿真結果

5 結束語

本文面向基于MEMS技術的SOI壓力傳感器高壓失效問題，以SAW器件為對象開展了研究。針對基于SOI的MEMS壓力傳感器的耐高壓能力進行了分析，通過仿真驗證了由于工藝導致的的背腔結構的表面粗糙度與楔形結構會導致器件二氧化硅層與器件硅層的脫落，進而導致器件的提前失效，使器件的耐高壓能力降低的假設。在此基礎上改進了器件的封裝形式，使器件進行正面受壓。相比于背腔加壓的方式，正面加壓避免了器件的提前失效問題。同時當器件內部最大應力達到410 MPa附近時，將會導致器件破裂失效。本文可為設計耐高壓壓力傳感器提供一定指導。