（机械电子工程专业论文）磷掺杂纳米硅薄膜压阻式压力传感器芯片研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密刮。 学位论文作者签名：茏董娲 知f f 年j 月；d 同 指导教师签名： 沙7 年f 月和日 磷掺杂纳米硅薄膜压阻式压力 传感器芯片研究 r e s e a r c ho fp i e z o r e s i s t i v ep r e s s u r es en s o rc h i pb a s e do n p h o s p h o r o u s - - d o p e dn c - - s i ：ht h i nf i l m s 江苏大学 2 0 1 1 年0 6 月 江苏大学硕士研究生学位论文 摘要 自2 0 世纪5 0 年代，半导体硅的压阻特性被发现以来，硅基压力传感器就被 广泛研究，而压阻式硅压力传感器更是很早就被商品化并大量使用。测控技术的 发展，要求压力传感器的量程越来越小，分辨率越来越高。压阻式硅微压力传感 器的发展主要围绕感压元件和转换元件展开：一方面是对感压薄膜的结构和加工 技术进行改进；另一方面是提高力敏电阻的精确性。传感器的灵敏度与压敏电阻 的压阻特性直接相关，因此有必要选择高量级的新型材料作为压敏电阻。 纳米硅薄膜( n c s i ：m 是一种结构新颖的半导体硅薄膜材料，它由各占薄膜体 积约5 0 彭j 缅微硅晶粒( 晶粒大小2 1 0 h m ) 和无序晶间界面组成。这种新颖的结构 特征使其具有诸多优良的光、电和力学性能。本论文旨在利用其良好的压敏特性 开发高灵敏度压阻式微压力传感器，并对其芯片结构进行了设计及仿真分析。 首先，采用射频等离子化学气相沉积方法，制备了不同参数的磷掺杂纳米硅 薄膜。借助原子力显微镜和激光拉曼光谱对薄膜的形貌和微结构进行了测试，并 分析了不同工艺参数对薄膜微结构的影响。研究发现，射频功率对薄膜的表面形 貌及表面粗糙度有较大影响，存在一个最佳射频功率值；薄膜的衬底温度对薄膜 晶态比和平均晶粒大小有直接影响；随着磷掺杂浓度的增加，薄膜的拉曼谱峰位 出现明显的红移现象，而且薄膜的平均晶粒尺寸逐渐减小。 其次，研究了单晶硅和多晶硅的压阻特性，并分析了其产生压阻效应的原因。 使用四点弯矩结构对磷掺杂纳米硅薄膜的压阻特性进行了实验测试，测得了薄膜 应变与电阻变化之问的关系，并得到了不同磷掺杂比例时薄膜的应变系数，而且 对纳米硅薄膜的电导机制及其产生压阻效应的原因进行了分析。 最后，对传感器弹性膜片双岛方膜结构的受力情况进行了分析。采用有限元 仿真软件对弹性膜片的应力进行了分析，结果表明，弹性膜上应力集中于中央沟 槽和边缘沟槽区域，且在靠近中心线附近的位置处取得极值；分析了不同岛间距 对芯片应力大小的影响。最后综合薄膜方块阻值、单位面积功率损耗、加工工艺 可操作性等因素，确定了压敏电阻条的参数及结构，并设计了电阻条光刻版图。 磷掺杂纳米硅薄膜压阻式压力传感器芯片研究 本文对磷掺杂纳米硅薄膜的压阻特性的研究，以及对传感器芯片双岛方膜结 构的应力分析对以后加工制作压阻式压力传感器奠定了基础。 关键字：压阻式压力传感器，磷掺杂纳米硅薄膜，压阻效应，双岛结构 江苏大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t i nt h e1 9 5 0 s ，t h e p i e z o r e s i s t i v ep r o p e r t i e so fs i l i c o nw a sf o u n d s i n c et h e n ， s i l i c o n p r e s s u r e s e n s o r sh a v eb e e nw i d e l ys t u d i e d ，a m o n gt h e m ，p i e z o r e s i s t i v e p r e s s u r e s e n s o r sa r ei n i t i a l l yc o m m e r c i a l i z e da n du s e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g y ，p r e s s u r es e n s o r sw i t hl e s sr a n g ea n dh i g h e r r e s o l u t i o na r er e q u i r e d t h ed e v e l o p m e n to f p i e z o r e s i s t i v em i c r op r e s s u r es e n s o r s i sm a i n l ya r o u n dt h e d e v e l o p m e n to fp r e s s u r ee l e m e n t sa n dc o n v e r s i o nc o m p o n e n t s o n ew a yi s t o i m p r o v et h es t r u c t u r ea n dt h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo ft h es e n s i t i v em e m b r a n e t h e o t h e rw a yi st om a k et h ep i e z o r e s i s t i v er e s i s t a n c e sm o r ea c c u r a t e t h es e n s i t i v i t y o ft h es e n s o ri sd i r e c t l yr e l a t e dw i t hc o n v e r s i o nc o m p o n e n t s ，s oi ti sn e c e s s a r yt o c h o o s ean e wm a t e r i a lw i t hh i g ho r d e ro fm a g n i t u d ea sp i e z o r e s i s t o r s n a n o c r y s t a l l i n es i l i c o n ( n c s i ：i - i ) t h i nf i l mi sak i n do fs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l w i t hn o v e ls t r u c t u r e s ，w h i c hi sc o m p o s e do fa p p r o x i m a t e5 0 n a n o c r y s t a l l i n es i l i c o n ( g r a i ns i z e2 - 1 0n m ) a n d5 0 a m o r p h o u ss i l i c o ni nt h ei n t e r f a c i a lr e g i o n ( t h i c k n e s s a b o u t2 - 3a t o m i cs p a c i n g ) b e c a u s eo ft h i sk i n do fm i c r o s t r u c t u r e s ，n c - s i ：ht h i nf i l m h a sm a n yg o o dp h o t o e l e c t r i c i t ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s c o n s i d e r i n gt h eh i g h e r p i e z o r e s i s t i v i t yo fn c - s i ：h ，t h eo b j e c to ft h i sp a p e ri s t o d e v e l o pm i c r o - p r e s s u r e s e n s o rw i t hh i g h e rs e n s i t i v i t y , i n c l u d i n gt h ed e s i g no fc h i ps t r u c t u r eo ft h es e n s o r f i r s t l y , p h o s p h o r u sd o p e dn a n o c r y s t a l l i n es i l i c o nt h i nf i l m s w i t hd i f f e r e n t p a r a m e t e r sw e r ep r e p a r e db ym e a n so fr a d i of r e q u e n c yp l a s m ac h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ( r f p e c v d ) t h es u r f a c em o r p h o l o g ya n dm i c r o s t r u c t u r e so ft h ef i l m s w i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r sw e r ea n a l y z e db ya t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( g e m ) a n d r a m a ns p e c t r u m ss e p a r a t e l y i tw a sf o u n dt h a t ，w i t h i nt h et e s tr a n g eo ft h i sc o n t e x t ， r fp o w e rh a da ne f f e c to nt h es u r f a c em o r p h o l o g ya n dr o u g h n e s s ，a n dt h e r em i g h t e x i s ta no p t i m u mv a l u e s u b s t r a t et e m p e r a t u r ed i r e c t l ya f f e c t e df i l mc r y s t a l l i n ea n d t h ea v e r a g eg r a i ns i z e w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ep h o s p h o r u sd o p e dc o n c e n t r a t i o n ， o b v i o u sr a m a ns p e c t r u mp e a kr e ds h i f tp h e n o m e n o nw a so b s e r v e d ，a n dt h ea v e r a g e g r a i ns i z eo ff i l m sd e c r e a s e d s e c o n d l y , t h ep i e z o r e s i s t i v ep r o p e r t i e s o f m o n o c r y s t a l l i n e s i l i c o na n d p o l y s i l i c o nt o g e t h e rw i t ht h e i rm e c h a n i s mw e r es t u d i e d f o u r - p o i n tb e n d i n gs t r u c t u r e w a si n t r o d u c e d ，a n db yu s i n gi t ，t h ep i e z o r e s i s t i v ep r o p e r t i e so fp h o s p h o r u sd o p e d n c s i ：ht h i nf d m sw e r ee x p e r i m e n t a l l yt e s t e d t h es t r a i nc o e f f i c i e n t so ft h ef i l m s i n 磷掺杂纳米硅薄膜压阻式压力传感器芯片研究 w i t hd i f f e r e n td o p i n gr a t i ow e r eo b t a i n e d t h e nt h ec o n d u c t i v i t ya n dp i e z o r e s i s t i v e m e c h a n i s mo ft h ef i l m sw e r ea n a l y z e d l a s t l y , t w oi s l a n d se l a s t i cd i a p h r a g mo f t h es e n s o rm e m b r a n es t r u c t u r ew a s a n a l y z e d ，b y f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r e t h ep o s i t i o no fe l a s t i cs t r e s s c o n c e n t r a t i o no no fc h i pw a sd e t e r m i n e d a n de f f e c t so ft h ed i s t a n c e sb e t w e e nt h e t w oi s l a n d so nt h es t r e s so ft h ec h i pw e r es t u d i e d a tl a s t ，t h es t r u c t u r ea n dt h e p h o t o li t h o g r a p h yp a t t e r no fp i e z o r e s i s t o r sw e r ed e s i g n e d k e y w o r d s ：p i e z o r e s i s t i v ep r e s s u r es e n s o r s ，n c s i ：h t h i n f i l m s ，p i e z o r e s i s i t i v e p r o p e r t i e s ，d o u b l ei s l a n d ss t r u c t u r e i v 江苏大学硕士研究生学位论文 目录 第一章绪论1 1 1m e m s 压力传感器介绍1 1 1 1 m e m s 概述一1 1 1 2m e m s 的发展1 1 1 3m e m s 压力传感器概述3 1 2 压阻式压力传感器概述4 1 2 1 压阻式压力传感器的工作原理4 1 2 2 压阻式压力传感器的发展6 1 3 纳米硅薄膜的特性与应用。8 1 4 本论文的主要内容1 0 第二章磷掺杂纳米硅薄膜的制备及表征1 1 2 1 纳米薄膜的制备方法1 1 2 1 1 真空蒸发镀膜1 1 2 1 2 溅射镀膜1 2 2 1 3 化学气相沉积镀膜1 3 2 1 4 纳米硅薄膜的制备方法。1 5 2 2 纳米硅薄膜的生长机制1 5 2 2 1 薄膜气相成核和生长1 5 2 2 2 纳米硅薄膜的生长机制1 6 2 3 磷掺杂纳米硅薄膜的制备1 7 2 3 1 沉积前衬底处理1 8 2 3 2 薄膜制备2 0 2 4 纳米硅薄膜的表征方法2 1 2 4 1 原子力显微镜2 1 2 4 2 激光拉曼光谱2 2 2 - 5 薄膜微结构的测试与分析2 3 2 5 1 射频功率对薄膜表面形貌的影响2 3 v 磷掺杂纳米硅薄膜压阻式压力传感器芯片研究 2 5 2 衬底温度对薄膜微结构的影响2 4 2 5 3 掺杂浓度对薄膜微结构的影响2 6 2 6 本章小结2 8 第三章磷掺杂纳米硅薄膜的压阻特性。2 9 3 1 单晶硅的压阻特性2 9 3 2 多晶硅薄膜的压阻特性3 2 3 3 纳米硅薄膜的压阻特性3 5 3 3 1四点弯矩结构介绍。3 5 3 3 2 磷掺杂纳米硅薄膜压阻特性的测试3 7 3 3 3 测试结果与讨论3 8 3 4 本章小结4 0 第四章磷掺杂纳米硅薄膜压力传感器芯片设计与研究4 1 4 1 传感器芯片结构选择4 1 4 2 传感器芯片双岛结构的应力分析4 2 4 2 1 双岛结构实体建模4 3 4 2 2 定义边界条件，划分网格4 3 4 2 3 仿真结果及讨论4 4 4 3 不同岛间距的应力分布情况4 7 4 4 电阻条的布置4 8 4 4 1电阻条参数的确定4 9 4 4 2 电阻条的结构形状4 9 4 5 本章小结5 1 第五章总结与展望5 2 5 1 论文总结5 2 5 2 工作展望5 3 参考文献。5 4 致谢5 8 攻读学位期间发表的论文。5 9 v i 江苏大学硕士研究生学位论文 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1m e m s 压力传感器介绍 1 1 1m e m s 概述 微机电系统m e m s ( m i c r oe l e c t r i c m e c h a n i c a ls y s t e m ) 是指在微米量级内 设计和制造、集成多种元件，并适于低成本大量生产的系统。m e m s 通常由传 感器、执行器和通讯接口单元等组成。各类传感器从需要观测和控制的对象中 获取压力、声、光、加速度等信息，转换成电信号并按照要求进行处理，提取信 息，通过执行器对目标实施控制或显示。同时，系统通过通讯接口单元以电、 光或磁的形式与其：皇微系统保持信息联系【1 】om e m s 是一种获取、处理和执行操 作的集成系统。 m e m s 并非单纯是宏观机械的微小化，它的研究目标在于通过微型化、集 成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新的科学技术领域和产 业。m e m s 的制作主要基于两大技术：集成电路( i c ) 技术和微机械n i 技术。 与传统的电子和机械加工技术相比，m e m s 技术具有以下几个显著的特点【2 】： ( 1 ) 微型化。m e m s 技术已经达到微米乃至亚微米量级，利用m e m s 技 术制作的器件具有耗能低、体积小、惯性小、频率高、响应时间短等特点，可携 带性得以提高。 ( 2 ) 集成化。微型化利于集成化，把不同功能、不同敏感方向和制动方向 的传感器、执行器集成于一体，形成传感器阵列，甚至可以与i c 起集成为更 复杂的微系统。 ( 3 ) 以硅为基本材料。硅力学特性良好，具有高灵敏性，强度、硬度和弹 性模量与铁相当，密度同铝，仅为钢的三分之一，热传导率接近铜和钨。 ( 4 ) 生产成本低。在一个硅片上可同时制作出成千上力的微型部件，制作 成本大幅度下降，有利于批量生产。 1 1 2m e m s 的发展 1 9 5 9 年美国物理学家，诺贝尔奖获得者r i c h a r df e y n m a n 在美国物理年会 上发表报告，提出：“如果有一天可以按照人们的意志安排一个个原子，那将会 产生什么样的奇迹呢? ，三年后，硅微压力传感器问世；1 9 8 7 年，美国u cb e r k e l e y 1 磷掺杂纳米硅薄膜压阻式压力传感器芯片研究 大学发明了基于表面牺牲层技术的微马达，是m e m s 技术的开端。1 9 9 3 年，美 国a d i 公司采用该技术成功地将微型加速度计商品化并大批量应用于汽车防 撞气囊，标志着m e m s 技术商品化的开始。此后，m e m s 技术发展迅速，特别 是深槽刻蚀技术出现后，围绕该技术发展了多种新型加工工艺【3 l 。发展到今天， m e m s 技术的触角已经延伸到生产和生活的许多角落：微泵、微阀等微流体器 件，压力、加速度、陀螺等传感器器件，电泳、d n a 探测等微生物芯片以及微 光学器件等等。当初f e y n m a n 教授的一个设想，不但引出了一个新兴学科m e m s ， 还在人类的社会生活中发挥着巨大的作用，如今m e m s 在工业和医疗领域的应 用越来越广泛，例如：微型色谱仪，喷墨打印技术，月于高清晰光学显示的微晶 阵列，分离生物细胞的反应器，以及医学导管用的压力传感器等。 短短数十年，m e m s 技术之所以能取得如此惊人的发展速度，是因为人们 意识到，m e m s 技术将是微观世界的又一次变革。在第一个十年发展中，m e m s 产品局限于压力和加速度传感器，在影响国家经济和财富方面大大落后于同类产 品。然而到了2 0 世纪的8 0 年代和9 0 年代，许多国家重金投入到m e m s 技术的 发展中，美国、日本以及德国惹人注目的投资，提高了技术水平，加速了商业化 进程，而且也帮助市场快速增长到了十亿美元。1 9 9 5 年m e m s 产品的销售额为 1 5 亿美元，到2 0 0 0 年猛增到3 9 亿美元。在2 0 0 9 年的第七届全球电子峰会 ( e l e c t r o n i c ss u m m i t ) 上，全球领先的针对电子制造领域的市场研究公司i s u p p l i 预测，在消费电子和无线应用的驱动下，2 0 1 2 年m e m s 器件的整体市场将达到 8 8 亿美元【4 1 。不仅如此，由于m e m s 系统本身具有的小巧和高度集成的特点， m e m s 将使军队的状态识别、伤员信息、精确定位功能以及武器的性能和可靠 性提高到一个新的水平。因此，m e m s 自2 0 世纪8 0 年代中后期崛起以来，受 到了发达国家国防部门的普遍高度重视。 我国自2 0 世纪8 0 年代开始涉足m e m s 领域的研究，到了9 0 年代末已经有 4 0 多家单位的5 0 多个研究小组在新原理器件、通用微器件、新工艺和测试技术， 以及初步应用等方面取得显著进展。二十几年来，我f 目已在微型惯性器件和惯性 测量组合、机械量微型传感器和制动器、微流量器件和系统、微型机器人和微操 作系统、生物传感器和生物芯片、硅和非硅制造工艺等方面取得一定成果。现有 技术条件已初步形成m e m s 设计、加工、封装、测试的一体化系统，为保证我 国m e m s 技术的进一步发展提供了较好的平台基础。但是，由于历史原因造成 2 江苏大学硕士研究生学位论文 的条块分割、力量分散，再加上投入严重不足，尽管已取得不少成果，但在质量、 性价比及产业化等方面与发达国家还有一定的差距。 1 1 3m e m s 压力传感器概述 压力传感器是m e m s 技术的最伟大的成就之一。近6 0 年来，压力传感器在 商业化器件及研究型器件领域的发展已经使整个市场受益，包括汽车行业，生物 医疗行业以及工业应用领域。压力传感器在汽车行业主要用于发动机管路、燃料 线、废气、轮胎及其他部位的压力测量。在生物医疗领域，已经投入使用的或者 即将使用的应用包括用于眼、颅或肠压力测量的装置，以及可以协助手术如血管 成形术的导管植入装置。在工业应用领域压力传感器主要用于对制造、生长的工 艺流程进行监控。在半导体应用中，许多加工工艺如等离子体刻蚀以及化学气相 沉积的过程中，对压力的监控也是非常重要的。 在m e m s 发展的历史过程中，传感器器件的设计随着技术的进步取得了长 足的发展，这就使得压力传感器在某种意义上成为一种技术示范。为了提高传感 器的性能参数如灵敏度、分辨率和动态量程等，许多专家学者致力于此项研究。 虽然有着多种选择，但是硅一直是用于微机械压力传感器结构材料的热门选择， 一方面是因为它的材料特性满足需要，另一方面是由于硅材料有着足够多的加工 储量和从集成电路工业“借来 的先进的加工工艺技术。 大多数微机械压力传感器都是将压力作用在一个周边固支的弹性膜片上，通 过弹性膜片的形变来测量压力的大小。而这个形变的测量可以由弹性膜片在压力 作用下的位移来间接测量，也可以通过作用在弹性膜片上的应力来测量。对于前 者的一个典型的方法是电容式压力传感器，把弹性膜片作为电容的一极，而电容 的另一极放置在距离弹性膜片一定距离的地方，通过测量电容的变化来测得弹性 膜片的位移量。而后者的典型例子就是压阻式压力传感器，把压敏电阻放置在弹 性膜片上面( 或内嵌其中) 的特定位置，通过测量电阻的变化来测量弹性膜片上 的应力大小。 压阻式压力传感器因其迟滞较小，重复性较好，而且压阻系数大，使用温度 范围宽，又与硅的集成电路平面工艺相兼容，因此发展极其迅速，设计和工艺也 同趋成熟，已成为目前商业化的主流微机械压力传感器。 3 磷掺杂纳米硅薄膜压阻式压力传感器芯片研究 1 2 压阻式压力传感器概述 1 2 1 压阻式压力传感器的工作原理 压阿i 式微压力传感器是基于压阻效应而产生的。压阻效应是指，材料在受到 压力作用时，其电阻率发生变化的现象。 对于均匀结构的导体或半导体，其电阻值的计算公式为 r = a ( 1 1 ) 其中，为电阻材料的长度，a 为平均横截面积，p 为材料的电阻率。当有外力作 用时，电阻阻值发生变化，电阻的相对变化包括几何尺寸的变化( 1 + 2 v ) 和电 阻率的相对变化( p p ) 两部分， r r = ( 1 + 加弦+ 6 p p ( 1 2 ) 块状材料的横截面积的减小以泊松比( d ) 的形式与纵向应变( ) 成比例， 通常金属材料的泊松比在o 2 0 3 5 之间。对于各向异性的硅材料而言，有效方向 上的泊松比在0 0 6 0 3 6 之间【5 , 6 1 。金属材料几何尺寸上的变化大约为1 4 至2 0 之间，而电阻率的改变 p ，对金属而言非常小，大约为0 3 。然而，对硅和锗 的特定方向而言，4 砌是几何尺寸项的5 0 1 0 0 倍大。对半导体，弹性和压阻特 性都是有很大的方向依赖性的，需要在特定的方向上施加负载( 应力和应变) 或 者场的作用( 电压，电流) 。 半导体硅材料优良的弹性性能和优良的压阻特性相结合，是构成半导体压阻 式压力传感器的基础。在集成传感器中，电阻变换器与硅弹性敏感元件是一体化 的，采用半导体扩散、离子注入等工艺在硅弹性敏感元件( 如硅膜片) 上制作力敏 电阻条。当被测压力作用到硅弹性敏感元件上时，将在敏感元件上建立相应的应 力分布以及产生相应的应变e = z s l l ，在应力仃及相对应的应变s 所在处的电阻条 将产生相应的电阻变化。于是该电阻条就是变换器，它可以实现将应力及对应的 应变转换为电阻的改变量。 早期的硅压阻式压力传感器是在单晶硅片的特定位置上沿特定方向用硅平 面加工工艺中的扩散或离子注入法定域掺杂制作四个电阻条，并将它们连接成惠 斯顿平衡电桥。当外加压力为零时，电桥输出为零( 四个桥臂电阻阻值相同时) ； 当有外加压力作用时，组成电桥的四个不同位置的电阻条阻值将发生不同的变 化，电桥失去平衡，这时在一定工作电流下，电桥将有电压输出，不同的压力对 4 口i 阻式压力传感器一般采用全桥差动输出形式，如图1 1 所示，分为阿压源 和恒流源两种供电方式，r l 、r 2 、r 3 、为力敏电阻。 恒流源或恒瓜源 ! _ r 一 r - lv 。mi 、r 2 r 。i 、i r 4 h v 。u 一 图1 1 压敏电阻全桥筹动输出 f i g 1 1f u l lb r i d g ed i f f e r e n t i a lo u t p u to fp i e z o r e s i s t o r s 当电桥由恒压源e 供电时，在零位( 弹性膜片无压力) 时电桥输出v o 与桥 臂阻抗的关系为 = e 雨r 面, r 3 - i 丽r 2 r 4 了 1 - 3 ) 当有压力作用时，弹性膜片发生变形，使得膜上的四个桥臂电阻值发生变化， 电桥失去平衡，此时电桥输出为： 姐等辈群蒜篙黼 q 舢 如果在微加工的过程中使得r 1 = r 2 = r 3 = r 4 = r ，而且ar 1 _ r 3 = 一ar 2 = 一a r 4 = r 。这样，电桥输出电压v o u 。可表示为 ，= e 百a r ( 1 5 ) 同理，当电桥由恒流源i 供电时，电桥零位输出为 v o ：，墨鱼二竺鱼 ( 1 - 6 ) ( r + 恐+ r + r ) 受压时电桥输出为 = a r ( 1 7 ) 又因为电阻的变化与外加压力或应力有直接关系，则公式( 1 6 ) 或者( 1 7 ) 5 磷掺杂纳米硅薄膜压阻式压力传感器芯片研究 可表示为川 = p s e + v o ( 1 8 ) 式中p 为外加压力，单位为p a ；s 为传感器的灵敏度，单位为m v ( v p a ) 。 由此可见，当压敏电阻阻值相同时，在压力作用下，电桥的电压输出与压敏 电阻阻值的变化和供电电源电压( 或电流) 有关，而与外界温度无关。 1 2 2 压阻式压力传感器的发展 随着1 9 4 7 年二极晶体管的问世，大家把视线开始投入到半导体的特性上来。 1 9 5 4 年，贝尔实验室的c h a r l e ss s m i t h 报导了采用拉伸试验法测得半导体硅和 锗的压阻效应的现象【剐，这一发现拉开了半导体基器件的序幕。而且许多人认为， 发现硅和锗的压阻效应的文章的发表即标志着m e m s 的诞生。压阻式压力传感 器将力敏电阻置于弹性横模上或嵌入其内，当弹性膜片较薄而且变形较小时，电 阻变化与所施加的应力成线性关系。 压阻式压力传感器的发展历程如图1 2 所示【9 1 。1 9 5 8 年出现了第一代商业化 压力传感器( 如图1 2 ( a ) ) ，采用的是硅应变计粘贴在金属弹性膜片上的结构【1 0 1 。 由于硅应变计和金属横模的热膨胀系数不同造成的热不匹配，使得传感器的零点 稳定性不强。而且，在金属环氧树脂硅的交界面处应力传导性较差，会引起滞 后和蠕变。早期的传感器多用于成本高，批量小的领域，如航空，生物医疗等。 以今天的标准来看，这些小型器件性能比较差。此时，传感器芯片尺寸在l c m 左右。1 9 6 2 年，t u f t e 等人第一次报导了使用扩散掺杂形成压敏电阻的硅压力传 感器【1 1 l ，而且传感器芯片尺寸减小到0 5 c m 。这种传感器消除了环氧树脂键合， 而且使用单晶硅片取代金属作为弹性膜片( 如图1 2 ( b ) ) ，减小了滞后和蠕变， 显著地提高了传感器的性能。随后，1 9 6 9 年p e a k e 等人制作了一个集成数字电 路一散硅压阻式压力传感器【1 2 1 ，并将其应用于空气数据的测量。 6 m e t a l lc m i j 一二。n 。z 一2 二一o ，一 爹：熏 l 厂 姆 ，。! ； i 、壹叠科踟b o n d e d：( a ) 江苏大学硕士研究生学位论文 p y r e x s u p p o r t d r i l l e dh o l e i o n 妇p l a n t e d s t r a i ng a u g e s 触姗 ( c )溉 o 0 2 锄 s id i r e c t b o n d ( 由 图1 2 压阻式压力传感器的发展历程( 1 9 世纪5 0 年代至今) d o l f i g 1 2t h ee v o l u t i o no fp i e z o r e s i s t a n c ep r e s s u r es e n s o r s 到了2 0 世纪6 0 年代术期和7 0 年代初期，三大微加工技术：硅的各向异性 化学腐蚀，阳极键合以及离子注入技术发展了起来。这些技术在提高微压力传感 器的性能上发挥了重大作用。各向异性腐蚀和阳极键合技术的运用使得数以百计 ( 甚至更多) 的压力传感器能够在同一基片上同时进行加工，大大降低了生产成 本。离子注入技术将压敏电阻直接置于单晶硅弹性膜片中( 如图1 2 ( c ) ) ，而且 相对于扩散掺杂，离子注入能够更精确地控制掺杂的浓度及掺杂的均匀性。1 9 7 1 年，s a m a u n 等人使用各向异性腐蚀取代纯机械加工来形成硅杯结构( 如图1 2 ( d ) ) ，显著地提高了传感器的灵敏度【1 3 】。随后，w i l n e r 把压敏电阻横向放置在 弹性膜片应力集中中心区域【1 4 】，更进一步提高了传感器的灵敏度和线性度。1 9 7 7 年美国h o n e y w e l l 公司的m a r s h a l l 申请了第一个使用离子注入技术制作硅基压力 传感器的技术专利【1 5 】。到了1 9 7 8 年k u l i t e 半导体公司的k u r t z 等人1 1 6 】提出了一 种低压，岛膜结构压力传感器，具有良好的灵敏度和线性度。c l a r k 和w i s e 使用 有限元差分方法对弹性膜片的几何尺寸和厚度进行了优化分析设计【1 7 1 ，这对后来 的传感器结构上的改进提供了理论仿真基础。 2 0 世纪8 0 年代仝今被称为微机械时代，因为弹性膜片的尺寸锐减至数百毫 米，而最小特征尺寸也降至毫米级别( 如图1 2 ( d ) ) 。同时加工工艺如各向异性 刻蚀、光刻技术、基片键合及薄膜沉积等技术的不断发展，使得芯片尺寸减小， 灵敏度增加，量程拓宽，而性能也更好。 压阻式硅微压力传感器的发展主要集中在两个方面：一方面是对感压薄膜的 结构和加工技术进行改进；另一方面，则是将力敏电阻应变计做的更加精确和稳 定。为了做好感压薄膜即弹性膜片的结构，人们发展了硅的各向异性腐蚀、自停 止腐蚀、硅一玻璃静电键合等硅微机械加工技术，而弹性膜片的结构本着应力集 7 丌圉 磷掺杂纳米硅薄膜压阻式压力传感器芯片研究 中的原则经历了平膜结构一岛膜结构一梁膜结构的大致发展阶段。平膜的设计加 工比较方便，通常用来制作中高量程的硅微压力传感器。岛膜结构中最流行的是 1 9 7 7 年美国e n d e v c o 公司制作的双岛结构，它将力敏电阻应变计制作在两个岛 之间以及岛与框之间的应力集中区域，这样，在同等情况下可以获得较高的灵敏 度。由于4 个力敏电阻应变计都受到横向的应力，具有相似的非线性特性，构成 全桥时，非线性特性可以相互抵消，因此，器件的非线性可以做的很小。岛膜结 构适用于低量程压力的测量，利用双岛结构可以研制。量程在1 0 k p a 以内的硅微 压力传感器。梁膜结构由复旦大学在1 9 8 9 年为实现量陧为l k p a 的微压力传感器 而提出的，可以看成为一个正面的哑铃形梁叠加在平膜上的结构，其结构特点是 力敏电阻应变计制作在应力集中的厚梁区，这样，膜区的厚度不受力敏电阻应变 计的限制，传感器的灵敏度就可以做的很高。 而在力敏电阻应变计的制作上，可以借鉴如离子注入、精细光刻等大规模集 成电路的现成技术，另外，随着薄膜沉积技术的发展和完善，也不断有新材料如 多晶硅薄膜【1 8 l ，金刚石薄膜【1 9 1 、硅纳米线【捌及纳米硅薄膜1 2 1 】等被指出具有很好 的压敏特性，可以用来作为压敏电阻，提高灵敏度。 1 3 纳米硅薄膜的特性与应用 材料是m e m s 领域发展的基础，它决定了器件和系统开发的前途和极限， 因而先进材料的研制一直是研究开发的重点。在m e m s 领域中，除了开发低k 介质材料、高k 介质新材料外，新的化合物和半导体材料的开发更是其重心之 所在。半个多世纪以来，硅以其独特的物理特性和在自然界中丰富的含量而在大 规模集成电路生产中一直占据着重要的地位，成为了第一代的半导体材料，为信 息科学的发展做出了巨大的贡献。由于多年来形成的硅基工艺的强大的生产能 力，相关人士预计至少在2 1 世纪上半叶m e m s 技术仍然以硅技术为主流【2 2 】。 硅薄膜材料已被深入研究并广泛应用于m e m s 器件中，其分类方法有多种， 按照薄膜中晶态成分所占的体积百分比( 简称晶态比用皿表示) 可以依次分为 单晶列( c s i ) 、多晶硅( p c s i ：i - i ) 、纳米硅( n c - s i ：h ) 和非牖硅( a s i ：h ) 薄膜。 1 9 6 8 年v e p r e k 小组首先发表了有关纳米硅薄膜( n c s i ：h ) 的报道【2 3 1 ，引起 学术界的关注。9 0 年代以来，国内外对n c s i ：h 结构特白f 与物理性质进行了富有成 效的研究，结果指出，n c s i ：h 是由具有无序结构成分的非晶硅界面和纳米硅晶粒 8 江苏大学硕士研究生学位论文 两部分组成。其中的硅晶粒大小从几个纳米到十几个纳米不等，界面组织有几个 原子层的厚度。这些具有无序排布的硅微晶粒与具有不同结构特征的晶间界面， 使得纳米硅薄膜表现出诸多不同于多晶硅和非晶硅的特异性能：如高电导率，可 达n 3 0 5 0 q j c m ；低激活能，载流子激活能下降到大约( 1 5 ) x l o e v ；在可见 光范围内光吸收系数也有所提高。纳米硅薄膜的重要特征是基于纳米尺度效应机 理下的量子尺寸效应【2 4 1 、小尺寸效应等。 量子尺寸效应是当粒子尺寸下降到纳米级时，纳米半导体颗粒存在不连续的 最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽的现象。对于纳 米颗粒，所包含原子数有限，导电电子数很少，这就导致能级间隙有一定的值， 即能级间距发生分裂，当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量 或超导态的凝聚能时，就会由于存在量子尺寸效应而导致纳米微粒磁、光、声、 热、电以及超导电性等与宏观特性有着显著的不同。 小尺寸效应是指当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干 长度或透射深度等物理尺寸相当或更小时晶体周期性的边界条件将被破坏，导致 声、光、电、热、磁、力学等特性呈现新的物理性质的变化的现象，例如：光吸 收显著增加、声子谱发生变化、超导态向正常态转变等。纳米粒子的这些小尺寸 效应为实用技术开拓了新领域。可以利用小尺寸效应，通过控制纳米颗粒大小， 控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、 隐形飞机等。 从前人大量的实验研究可知，纳米硅薄膜具有一系列优良的物性，如： ( 1 )纳米硅薄膜的导电机制是以量子隧穿为主要途径，不再是单晶硅以 热电子激发为主的传导形式，这对改善硅器件性能是至关重要的。 ( 2 )薄膜中含有适量氢原子，可改善材料的微缺陷，对提高光电稳定性， 降低漏电流具有特殊作用。 ( 3 )温度稳定性好，在约3 0 0 以下温度范围其电导率、微结构儿乎不变。 ( 4 )有人为可控掺杂能力，能按实际器件需要调整其电导率及导电类型。 ( 5 )纳米硅薄膜的沉积及相应器件的制作仍然以目前常用的半导体平面 加工艺为主，目前用于生产单晶硅器件的工艺流程皆可使用，不必另起炉灶。 当前大部分压力传感器的压敏元件是使用单晶硅和多晶硅薄膜材料制成的，这 种材料在外力作用下能引起硅晶格常数的变化，从而使其电阻率以致电阻值发生变 q 磷掺杂纳米硅薄膜压阻式压力传感器芯片研究 化。纳米