（微电子学与固体电子学专业论文）高温压力传感器的研制与计算机模拟.pdf

高温压力传感器的研制与计算机模拟 摘要 高温j 玉力传感器囚其特殊的应用环境而日益受到人们的重视。在石油，化工，冶金， 航空航天等领域，对高温环境下的压力测试是必要的。多品硅高温压力传感器和s o i 高温 j 玉力传感器是目前传感器市场上，用于在高温j 玉力测量领域中替代普通扩散硅压力传感器 的理想产品。 本文论述r 一种新型多晶硅a i n 薄膜高温压力传感器的研制，它综合考虑丫多晶硅高 温j 玉力传感器和s o i 高温压力传感器的优点，并结合rm e m s 制作工艺技术。其要点是 在力敏电阻条与硅弹性膜之间利用氮化销进行绝缘隔离。氮化销与硅的热膨胀系数接近， 附着力高，酬击穿性好。又具有高化学稳定性，高热导率，对于j 玉力传感器的电桥散热特 别有利，可解决压力传感器启动时的零点时漂。山于无p n 结，力敏电阻无反向漏电， 依此制造的压力传感器的特性好( 零点电漂移及热漂移小、非线性小) 。力敏电阻条山多 晶硅构成。利用a l 诱导退火能使溅射得到的非晶硅在6 0 0 。c 时转化成为多晶硅。利用湿法 刻蚀电阻l 冬形，并采用各向异性腐蚀技术制作硅杯，最后使用p b o z n o b 2 0 3 低温玻璃封 接技术进行封接。 多晶硅a 1 n 薄膜结构的压力传感器制作上艺与传统的c m o s 制作工艺兼容，易于实 现集成化。所以这是一种性能理想的高温压力传感器。 此外，利用工程上较为流行的软件a n s y s 对高温压力传感器进行j ，模拟，得山其在 高温环境下上作时的温度分布情况。比较j ，a i n ，s i o 。与a i 。o ，分别作为绝缘散热层时模型 的温度分布，并且比较r 散热层吖i 同厚度时力敏电阻中心点的温度。 关键测：压力传感器，多晶硅，氮化销薄膜，热模拟，直流磁控反应溅射 t h ed e s i g no fh i g ht e m p e r a t u r ep r e s s u r e s e n s o ra n dc o m p u t rs i m u l a t i o n a b s t r a c t p r e s s u r es e n s o ru s e df o rh i g ht e m p e r a t u r ei s r e g a r d e dh i g h l yb yp e o p l ef o r i t s s p e c i a l a p p l i c a t i o n si ti sn e c e s s a r yf o ru st om a k eap r e s s u r em e a s u r ei nh i g ht e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t s u c ha st h ef i e l do fp e t r o l e u m ，c h e m i c a li n d u s t r y ，a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s p o l y s i l i c o nh i g h t e m p e r a t u r ep r e s s u r es e n s o ra n ds o ih i g ht e m p e r a t u r ep r e s s u r es e n s o ra r et h ei d e a lp r o d u c tf o r r e p l a c i n gt h eo r d i n a r yd i f f f l s i o ns i l i c o np r e s s u r es e n s o ri nt h eh i g ht e m p e r a t u r ep re s s u r em e a s u r e a tp r e s e n tm a r k e t a p o l y s i l i c o n a i nf i l mp r e s s u r es e n s o ru s e df o rh i g ht e m p e r a t u r ei sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r i t i sd e s i g n e db yt h ec h a r a c t e r i s t i co fp o l y s i l i c o nh i g ht e m p e r a t u r ep r e s s u r es e n s o r , s o ih i g h t e m p e r a t u r ep r e s s u r es e n s o ra sw e l la sm e m st e c h n o l o g y t h ee s s e n t i a li su s i n ga i nf i l mt o s e p a r a t ep i e z o r e s i s t o r sf r o ms i l i c o ne l a s t i cf i l m t h ee x p a n s i o nc o e f f i c i e n to fa i ni sc l o s et o t h a to fs i l i c o nw i t ha g o o ds t i f f n e s sa n dh i g hb r e a k d o w nv o l t a g ea sw e l la sg o o dc h e m i c a ls t e a d y i ti sb e n e f i tt ot h e r m a ld i s s i p a t i o nf o rb r i d g ew i t hi t sh i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t y t h a tc a ns o l v e t h ep r o b l e mo fd r i f to fo f f s e tw i t ht i m ew h e ns t a r t i n ga n dp o w e r i n gs e n s o r s t h ep r o p e r t i e s ( e l e c t r i ca n dt h e r m a ld r i f tf o ro f f s e t ，n o n - l i n e a r i t y ) o fp r e s s u r es e n s o r sf a b r i c a t e db yt h e s e s u b s t r a t e sa r ep a r t i c u l a r l ye x c e l l e n tp i e z o r e s i s t o r sc o n s i s to fn a n o - p o l y c r y s t a ls i l i c o n ，w h i c hi s m a d ef r o ms p u t t e r i n ga m o r p h o u ss i l i c o nb ya ii n d u c e dc r y s t a l l i z a t i o na tt e m p e r a t u r eo f6 0 0 t h es i l i c o nc u pi s p r e p a r e dw i t ha n i s o t r o p y i c a l l ye t c h i n gt h es u b s t r a t ea n dt h er e s i s t a n c e i s p r e p a r e dw i t hp l a s m ae t c h i n g p a c k a g i n go ft h i sd e v i c ei sa l s op r e p a r e db yp b o z n o b 2 0 3 p r o c e s s i ti se a s yt or e a l i z et h ei n t e g r a t i o nb e c a u s et h ep r o c e s so fp o l y s i l i c o n a i nt h i nf i l mp r e s s u r e s e n s o ri sc o m p i l e dw i t ht h et r a d i t i o n a lc m o s p r o c e s s s oi ti sa ni d e a lh i g ht e m p e r a t u r ep r e s s u r e s e n s o rw i t hg o o dp e r f o r m a n c e a l s o ，t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h em o d e lw a ss i m u l a t e de s s e n t i a l l yb yu s i n ga n s y s s o f t w a r e ，r e s p e c t i v e l yc o m p a r i n gt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na m o n ga i n ，s i o ，a i ，0 ，a sh e a t d i s p e r s i o n l a y e r , a n dt h et e m p e r a t u r e s a tr e s i s t o rc e n t e rf o rd i f f e r e n tt h i c k n e s so ft h e s eh e a t d i s p e r s i o n l a y e r s k e yw o r d s ：p r e s s u r es e n s o r , p o l y s i l i c o n ，a i nt h i nf i l m ，t h e r m a ls i m u l a t i o n ，d cm a g n e t r o n r e a c t i v es p u t t e r i n g 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何 他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研 究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原 创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：伊青祷 日期： 二口。7 关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如 下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论 文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校 有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢 利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 耻首痨 导师签名：身叮以 矽 日期：二o 、刀7 日期： 3 - 。p 7 、t l 第1 章绪论 在当今信息化时代发展过程- - ，传感技术与信息技术、计算机技术并列为支撑整个现代信息产业的 _ 二大支柱，其水平高低是衡量一个国家科技发展水平的重要标志之一。传感器是信息采集系统的首要部 件，是实现现代测量和f 1 动控制的主要环节，足现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的 物质与技术基础。各种信息的感知、采集、转换、传输和处理都要使用传感器，可以设想如果没有高度 保真和性能可靠的传感器，没有先进的传感器技术，那么信息的准确获取就成为一句卒活，信息技术和 计算机技术就成r 无源之水。传感器足贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领 域- h 它儿乎无所不在。f 1 前，从宇宙探索、海洋开发、环境保护、灾情预报到包括生命科学在内的每 一项现代科学技术的研究以及人民群众的日常生活等等，儿乎无一不与传感器和传感技术紧密联系着。 可见，应用、研究、和开发传感器和传感技术是信息刚代的必然要求。囚此，这是一个正在蓬勃发展而 义有无限前景的技术及产业领域。 1 1 压力传感器的发展与现状 硅单晶材料具有优良的j 玉阻效应，随着微加工技术的逐步发展“1 ，其被广泛用丁制备j 玉力传感器。 现代j 玉力传感器足以半导体传感器的发明为标志，而半导体传感器的发展可以分为四个阶段0 1 ： ( 1 ) 发明阶段( 1 9 4 5 1 9 6 0 ) ：这个阶段主要是以1 9 4 7 年双极性晶体管的发明为标志。此后，半 导体及设备的特性得到：r 广泛应用。史密斯( cs s m i t h ) 丁1 9 4 5 年发现j ，硅和锗的j 玉阻效应”1 ，即当 有机械力作用丁：半导体材料时，其电阻发生变化。依据此原理制成的第一个j 玉力传感器是把硅和锗应变 电阻片粘在金属薄膜上，将力信号转化为电信号进行测量。此阶段最小尺寸大约为1c i i l 。 ( 2 ) 技术发展阶段( 1 9 6 0 1 9 7 0 ) ：随着硅扩散技术的发展，技术人员在硅的( 0 0 1 ) 或( 1 1 0 ) 晶 而选择合适的品向直接把应变电阻扩散在晶而上。然后在背面加工成凹形，形成较薄的硅弹性膜片，称 为硅杯。这种形式的硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、成水低、便丁集成化的优 点，实现_ 金属硅共晶体，为商业化发展提供j ，可能。此阶段最小加工线度为05 c m 。 ( 3 ) 商业化集成加工阶段( 1 9 7 0 - - 1 9 8 0 ) ：采用选择性的各向异性的化学腐蚀加工的工艺提高膜片 的性能。由丁：腐蚀可以在整个表而进行，囚此，数 j 个传感器膜片可以一批加工完成。这一阶段类似丁 集成电路的制作。由丁：表而光刻技术的发展，加工尺、卜_ 卜分精确，加之离子注入工艺的应用使工艺水平 进一步提高。此阶段最小加工尺寸为02 c m 。 ( 4 ) 微机械加工阶段( 1 9 8 0 令) ：上世纪末出现的纳米技术，使得微机械加工工艺成为可能。微 机械加工工艺适应丁结构型传感器，或线度在微米级( 1 0 6 p m ) 范围的其他结构。利用这一技术可 以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜，标志着传感器己进入_ ：r 微米阶段。此阶段标志传感器的最小尺寸为 0o l g i n 。 j 玉力传感器是传感器- | l 最成熟的技术之一。利用硅材料制作的半导体传感器除具有幽体传感器的一 般优点外，还可以把一些集成电路与传感器制作在一起，构成集成化传感器。此类传感器与微处理机结 合，则形成智能化传感器，它将成为令后世界传感器市场的主流。 f 1 前，压力传感器的研究主要集t i i 在如下儿个方向： l 、耐高温j 土力传感器：主要是以新型半导体材料( s i c ) 为膜片的j 玉阻式力传感器为代表。z i e r m a n n ， r e n e 和v o n b e r g ，j o c h e n 等人”1 首先1 9 9 7 年报导r 使用单品n 型b s i c 材料制成的j 玉力传感器，这种 j 玉力传感器工作温度可达5 7 3 k ，耐辐射。在窀温下，此j 土力传感器的灵敏度约为2 0 2 m u v v k p a ： r o b e r tso k o j i e 报导，可工作在5 0 0 。c 条件下的a ( 6 h ) s i c 压阻式力传感器”1 ，它的满量程输出范围( f s o a t l 0 0 0 p s i ) 可达4 06 6 m v ( 2 3 ) 和2 00 3 m v ( 5 0 0 ) ，线性度可达一01 7 ，电阻的温度系数( t c r ) 为一02 5 ( 1 0 0 ) 和一00 5 。c ( 5 0 0 ) ，t c g f ( t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to f g a u g e f a c t o r ) 为一01 9 ( 1 0 0 ) 拳j 一0 1 l ( 5 0 0 。c ) 。 2 、微机械加工传感器：在微机械加工技术逐渐完善的今天，硅微机械传感器在汽车工业- i - 的应用 也越来越多” 。而随着微机械传感器的体积越来越小，线度可以达到12 m m ，这种j 玉力传感器可以放 置丁人体的重要器官( 如：血管、眼睛等) 内进行有关数据的采集。h a c h o l ，a n d r z e j ：d z i u b a n ， j a n b o c h e n e k 5 1 1 9 9 6 年报导j ，他们研制的用丁测量眼j 土的眼j 玉计，其膜片直径为h n m 。在内眼j 玉力( i o p - - i n t r a o c u l a rp r e s s u r e ) 为6 0 m m h g 刚，静态输出为4 0 m y ，灵敏度系数亦较高。 3 、电容式真卒j 土力传感器”j ：e + h 公司的电容式j 玉力传感器足由一块基片和厚度为0 8 28 m m 的 氧化铝( a i ，o ，) 构成，其间用一个f 1 熔焊接圆环钎焊在一起。该环具有隔离作用，不需要温度补偿，可 以保持长期测量的可靠性和持久的精度。测量方法采用电容原理，基片上一电容c 。位丁位移最大的膜 片的t i ，央，而另一参考电容c 。位丁膜片的边缘，由丁边缘j h 雉产生位移，电容值不发生变化，c 。的变 化则与施加的j 玉力变化有关，膜片的位移和j 土力之间的关系是线性的。遇到过载时，膜片贴在基片上不 会被破坏，无负载刚会立刻返回原位尢任何滞后，过载量可以达到1 0 0 ，即使是破坏也不会泄漏任何 污染介质。囚此具有广泛的应用前景。 4 、光纤压力传感器：这是一类研究成果较多的传感器，但投入实际领域的并是太多。它的工作原 理足利用敏感元件受j 玉力作用刚的形变与反射光强度相关的特性，由硅框和金铬薄膜组成的膜片结构- 间夹r 一个硅光纤挡板，在有压力的情况 ，光线通过挡板的过程- i - 会发生强度的改变，通过检测这个 微小的改变量，我们就能测得压力的大小。这种敏感元件己被应用与床陕学，用来测扩张冠状动脉导管 气球内的盘力。可预见这科，j 玉力传感器在显微外科方而一定会有良好的发展前景。同时，在加工与健康 保健方而，光纤传感器也在快速发展。 5 、具有f 1 测试功能的盘力传感器：为了降低渊试与运行成本，d i r kd eb r u y k e r 等人”峙r 导_ ：r 一种 具有f 1 测试功能的j 玉阻、电容双元件传感器，它的f 1 测试功能是根据熟驱动原理进行的，该传感器尺寸 为1 2 r a m 3 m m 05 m m ，适用丁生物陕学领域。 传感器技术是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋。世界技术发达国家 对开发传感器技术都十分重视。美、日、英、法、德等国都把传感器技术列为国家重点开发关键技术之 一。美国早在8 0 年代就j h 称世界已进入传感器时代，日本对开发和利用传感器技术相当重视并列为国 家重点发展6 大核心技术之一。9 0 年代后，我国也将传感器的研究放在重要位置上，尤其是高精度( 00 5 级以上) j 玉力传感器。f 1 前我国从事传感器生产的厂家有1 3 0 0 多家，所生产的产品种类仅有3 0 0 余种 ( 大约为传感器种类的七分之一) ，产量1 亿多只。由丁众多厂家规模小，设备落后，国家投入的资金 1 i 足且比较分散，因而与世界上大的传感器厂家相比，科研水平落后5 1 0 年，而生产水平落后1 0 2 0 年，与世界上传感器更新换代的速度相比，落后儿个周期。从而导致品种不伞，产量过低，仅满足 国内需求的2 0 3 0 。虽说我国传感器技术与发达国家相比还比较落后，但并不是说我国的传感器的 特性都小如国外的好。综合近期发表的文献，国产半导体压力传感器的特性参数有所提高。以矩形双岛 膜结构的6 k p a 量程微j 玉传感器特性为例，非线性为5 1 04 f s ，分辨碍夏优丁2 0 p a ，过j 土保护范围大丁 2 0 倍量程。对量程为1 0 0 k p a 的压力传感器，j l 线性、滞后、重复性均优丁5 1 0f s 。硅一蓝宅石、高 温硅j 玉力传感器的工作温度分别达到一5 0 2 0 0 。c 和0 3 0 0 。c 。j 玉敏器件的可靠性m t t f 已达到较好水 平。元器件的品种增多，测压范围己拓展，己有微j 玉、表压、高j 玉、绝对压力、差j 玉等力敏元件及其配 套仪表世。 1 - 2 高温压力传感器的研究状况 高温硅压力传感器研制的出发点，就是解决p - n 结隔离造成的高温失效题。f 1 前，研制高温压力 传感器的主要技术可以归纳为四种：s o s ( s i l i c o n o n s a p p h i r e ) 结构：s o i ( s i l i c o n o n i n s u l a t e r ) 结构： s i c 薄膜雨1p o l y c r y s t a l l i n e s i l i c o n 薄膜结构。 l 、s o s 结构高温压力传感器 s o s 结构高温压力传感器义称硅一蓝京石压力传感器，它足以蓝宅石( 单晶a l2 0 3 ) 做绝缘衬底， 在其上外延一层薄单晶硅。此外延届异质外延，工艺方法有c v d 法，分子束外延法和吲相外延法。s o s 结构的优点是隔离漏电小，抗辐射等，它的局限性是：( 1 ) 来f 1 衬底的a 1 掺杂对外延层电性能有影响， 形成硅化铝界而；( 2 ) 外延层缺陷密度高：( 3 ) 蓝宅石的热膨胀系数接近硅的眄倍；( 4 ) 宅石衬底义硬 义脆且高度化学惰性，膜片加工困难，传感器价格昂贵。蓝宅石压力传感器主要性能指标，温区一5 0 + 4 0 0 ，线性误差05 ，灵敏度温漂00 5 f s ，零点温漂00 5 f s 。c ，输出6 0 m v ( 15 m a ) 。 2 、s o i ( s i l i c o n o n l n s u l a t e r ) 结构高温压力传感器 最近十儿年来研制出实现s o i 结构的方法有眄种：s i m o x ( s e p a r a t i o n b y l m p l a n t e d o x y g e n 沣氧隔 离) 雨is d b ( s i l i c o n w a f e r d i r e c t b o n d i n g 硅片直接键合) 。 s i m o x 技术是1 9 9 0 年法国的r t r u c h e 和bd i e m 提出来的 8 1 。它是采用高能量( 2 0 0 k e v ) 大剂 量( 1 0 “c m 2 ) 离子沣入，冉经过1 3 0 0 以上高温退火，在一薄硅层下形成s i 0 2 绝缘层。从制作工艺上看， s i m o x 技术是最理想的一种方法，但f 1 前在解决注入氧化层上方的薄硅层的品格恢复上仍有大量研究 工作要做，才能进入实用化阶段。 s d b 技术是将有s i 0 2 夹层的2 个硅片键合后，将其- h 一片减溥节儿微米。但是b o n d i n g 的成品率 和减薄的均匀件一直是难题，在批量生产上应用尚有一定距离。国内囚设备原因，还没有进行s i m o x 研究的报道，但有许多高校和研究所都进行过s d b 技术研究，如- | l 科院上海冶金所、合肥智能所等1 1 4 1 。 3 、s i c 薄膜高温压力传感器 s i c 是i v l v 族元化合物半导体，其晶体结构具有同质异构体的特征，即征相近的化学计量成分 叫具有各种不同的晶体结构，分成立方体密集结构，八角密排结构，菱形结构，这_ 二；f - 结构常用c ，h ，r 来表示。s i c 在高温、抗辐照、耐腐蚀等方面显示出明显的优越性1 ，近年来，由丁在单晶生长和薄膜 制备上的突破及刻蚀、掺杂、金属化等技术的发展，促使s i c 研究义成为热点，并取得l - 大成功。第一 代产品是3 c s i c ，新一代产品是美国库利特传感器公一j 的6 h s i c 高温压力传感器”1 ，主要技术指标： 输入5 v ，窀温1 0 0p s i ( 7 0 0 k p a ) 压力下，输出4 06 6 m v , 4 0 0 。c 下输出2 0 8 6 m v 。国内从事此项技术研 究的单位有电子部4 9 所，西安电子科技大学微电子所”1 。 4 、多晶硅高温压力传感器 多品硅最早是作为f 1 对准绝缘栅场效应晶体管的栅极材料，由r w b o w e r 和hg d i l l l 9 6 6 年在美 国华盛顿特区举行的国际电子器件会议上提出的1 。接下来的发展是极为迅速的，到1 9 8 4 年，1 m 位的 双层和_ 二层多晶硅m o s 随机存储器己开发出来。征集成电路t i ，应用多年后，8 0 年- h 期，开始在传感器 领域成为人们关注的焦点。近儿年，由丁多晶硅成为m e m st i 主要结构材料，人们对其特性的研究还 在4 i 断深入，例如，用单品一多品混合技术( h a r p s s ) 制造多晶硅振动陀螺”掺杂多品硅层的热导率， 高纵横比多晶硅微机械加工技术1 ，用高温快速退火释放多品硅薄膜- - 残余应力”“等。 多品硅压力传感器的特点是：具有较大的压阻效应，最大值可达单晶硅的7 0 ，并呈良好的线 性；适合制造由低j 玉到高压各种规格的高温压力传感器，对铝电极工作温度可达2 0 0 。c ，对多层电檄， 可以使用到4 0 0 c ；与单晶硅压力传感器结构、工艺等有良好的相容件，并有较好的工艺重复性； 通过渊整多晶硅的结晶结构和掺杂浓度，可以涮整电阻温度系数( t c r ) 和压阻系数g 的温度漂移 ( t c g ) ，使传感器的零点温漂t c o 雨i 灵敏度温漂t c s 做得很小 1 2 j 。 f 1 前国际上只有心家公一j 有同类传感器产品，这两家公司是仪表l ，头p h i l i p s 和f o x b o r o 。f o x b o r o 公司的多晶硅j 玉力传感器在1 9 9 9 年1 1 月才有产品报道。国内从事多晶硅薄膜传感器研究的单位有天津 大学、电子部4 9 所、哈尔滨工业大学等，但传感器仍然仅限丁实验窜的样品。 从以上的分析可以看到，如果采用多晶硅薄膜做高温j 玉力传感器，有两个优势：( 1 ) 工艺的兼容性， 多品硅薄膜为半导体材料，与集成电路平而工艺完伞兼容；( 2 ) 可借鉴性，两种传感器都是以单品硅做 衬底，可以采用微机械加工工艺制造j 玉力敏感膜片”“，在传感器的结构奎j 装及补偿标定等方而，可借 鉴现有的小型硅j 玉力传感器的制造工艺，缩短课题研究周期。囚此，从制造技术的成熟性、设备的基础 条件、工艺兼容性、研究成本、周期等方而综合考虑，课题组决定选择用多晶硅薄膜方案做高温j 玉力传 感器的研究。 1 - 3 本论文的牛要研究内容 j 玉力传感器经多年深入研究，r 前已能作到r 系列化、标准化，精度达1 0 _ 4 f s 量级，使用温度已 能达到微宽的范围。并且进一步向小型化、集成化、智能化方向发展。在石油，化工，冶金，航卒航天 等领域，对高温环境下的j 玉力测试是必需的。多晶硅高温j 玉力传感器和s o i 高温j 玉力传感器是f 1 前传 感器市场上，用丁在高温压力测量领域- i ，替代扩散硅压力传感器的理想产品。 本课题综合考虑了多品硅高温j 玉力传感器和s o i 高温j 玉力传感器的各f 1 优点，采用氮化铝薄膜作 为新的绝缘材料，并结合m e m s 制作工艺技术，设计f 1 标足研制出一种具有耐高温冲击能力能够满足 石油、化工、航卒航天及工业f 1 动控制的使用要求，能够实现小批量生产，具有良好的稳定性及可靠性 的新型高温j 玉力传感器。 本文第一章介绍了f 1 前j 玉力传感器的发展状况以及高温j 玉力传感器的研究进展。第二章介绍r j 玉力 传感器的结构设计和芯片设计，具体分析了多晶硅的j 土阻效应、承压弹性膜应力分布和力敏电阻的设计。 第一二章介绍了高温j 玉力传感器的制作工艺设计与试制过程，其一- 包括完整的工艺流程方案、硅片的清洗、 薄膜的溅射制备、光刻、各向异性腐蚀以及封接工艺。第四章介绍了在课题后期我们采用的研制方案。 第五章我们利用a n s y s 软件对高温j 土力传感器进行了热模拟，得出其在高温工作情况下的温度分布情 况。第人章对伞文进行了总结。 第二章高温压力传感器的设计 传感器的设计分为芯片设计和结构设计曲部分。芯片设计义包括芯片光刻版图设计和工艺设计。传 感器芯片版h 设计理论主要包括：1 、多品硅的压阻效应；2 、承压弹性薄膜的应力分析；3 、力敏电阻 条的设计。 2 - 1s 0 1 材料的结构与特点 所谓s o i 材料结构如h2 1 所示。衬底硅作为机械支撑( 厚度约为儿白微米) ，顶层硅膜用丁制造 器件( 厚度 l l _ l m ) 。- i ，间的埋层介质( 通常为s i 0 2 ) 作为隔离层，可避免或降低体硅器件- 存在的各 种寄生电容效应。 啊屉硅骥 h2 ls o l 结构 f i g21s t r u c t u r eo fs 0 1 篼特卉威 村庇聃 s o i 材料的特殊结构使它克服了传统体硅材料的不足，更充分的挖掘了硅集成技术及硅m e m s 技 术的潜力，是研究和开发高速、低功耗、高集成度、高可靠件超大规模集成电路和高性能m e m s 的基 础材料。它具有以下优点”： ( 1 ) s o i 器件由丁采用绝缘介质隔离，器件与衬底之间不存在电流通道，消除r 体硅电路- 常见 的门锁效应，提高= r 电路的可靠性。 ( 2 ) s 0 1 器件具有良好的抗辐射特性( 即抗软失效能力) 。这是因为当射线卡证子入射到体硅器件- | l 叫，沿粒子运行的轨迹，硅原子被电离，产生的电子一卒穴对。轨迹附近反偏p - n 结耗尽区发生瞬刚塌 陷，并且使耗尽区电场的等位面变形。电离产生的电子将被推举耗尽区t i ，而卒穴向下移动并产生衬底 电流。在s o i 器件- h 虽然射线粒子也将沿入射轨迹使硅原子电离。但由丁器件区与衬底之间存在绝 缘层，衬底产生的电荷无法进入器件区，只有顶层硅膜内产生的电荷才能被收集，由丁瞬时辐射顶层硅 膜产生电子一卒穴对的有效辐射体积与体硅相比减小_ r _ 二个数量级，所以顶层硅膜- i - 产生的载流子微少， 以举丁对器件的性能影响不大，因此s o i 电路具有天然抗辐射能力。 ( 3 ) s o i 技术可以抑制或消除体硅器件因特征尺寸减小而产生的各种不良效应。 s o i 技术1 i 但有效克服r 短沟道效应，而且还能够防止出现热电子效应，此外还使器件的体效应小 丁体硅器件，比体硅器件有更优异的业阀值特性。 ( 4 ) 由y - s o i 材料的特殊结构，s 0 1 电路各器件之间互相隔离，这样就可以大大缩短器件间的距 离，降低器件互连的复杂的程度，提高电路的集成度和速度，改善电路的可靠件。此外航卒航天、汽车、 油井等领域通常要求电路能在2 5 0 。c 以上的高温环境c i 工作。p - n 结漏电流的增加是电路在高温失效的 主要原囚。p - n 结漏电流正比丁结而秘。体硅c m o s 电路在1 2 0 。c 以上高温环境- i - 工作划会丧失功能。 s 0 1 器件总结面积远小丁体硅器件的总结面积，因此在高温下，仅产生很小的漏电流。在相同的尺寸条 件下，s o i 器件的p - n 结漏电流比体硅器件低3 个数量级，囚此可利用s o i 材料制作高温集成电路。 2 2 压力传感器的灵敏度分析 首先分析j 玉阻式硅j 玉力传感器的结构和工作原理。 p h2 2 压力传感器的结构示意h f i g22t h es t r u c t u r eo f p r e s s u r es e n s o r 如图2 2 所示，构成惠斯登电桥的四个扩散硅电阻，对称设计在硅体的敏感膜片的正负应力区上， 当受到压力p 作用时，膜片发生形变，而应力使载流子的运动状态产生变化，导致扩散硅电阻阻值囚 电阻率随被测介质的压力增加而增加或减小，造成惠斯登电桥的4 ；平衡电压输出与被测j 土力成线性变化 ( 小挠度条件前提下) 。 征电流i 。恒定供电条件下，见h2 3 ，电桥的输出与压阻之间的关系可写成： u ：i 竖墨! 二墨：型f 2 1 、= 。l _ 二-( 1 ) ”( r 1 + r 2 + r 3 + r 4 ) 征电压v 。恒定供电条件下，电桥的输出与j 玉阻之间的关系可写成： 变。 ( 22 ) 在传感器芯片部分，影响传感器输出信号灵敏度的主要因素是：扩散电阻的j 玉阻系数和硅膜片的应 置， m h2 3 恒流供电的惠斯登电桥 f i g 23w h e a t s t o n eb r i d g ew i t hc o n s t a n tc u r r e n t 2 - 2 1 多品硅压阻效应 首先分析单晶硅的压阻效应。晶体4 i 受应力叫其电阻与电阻率p 及长度a 乖i 截而a 有关 6 r = 9 百1 沿长度方向的拉伸产生应变= f t ，同叫截而a b 缩小。 u = ( a a a ) ( a t t ) = ( a b b ) ( a t f ) ( 23 ) ( 24 ) 被称为泊松比。义由丁应力引起能带变化，能谷能量移动，导致电阻率的变化，丁足有 r r 二( 1 + 2 u ) + a p p 。 ( 2 5 ) 电阻的变化有_ 部分组成，前者是纯儿何效应，后者足物理效应，即j 玉阻效应。对金属来说儿何效 应足主要的；对半导体来说，物理效应是主要的。对丁硅薄膜电阻，设其初始电阻率为p 。，在一定的 应力t 作用下，其电阻率的变化规律为： p = 9 0 + p o1 7t ( 26 ) 其i i i 9 = ( p ，p y r ，9 ，p ，p “，p x r ) 7 ( 2 7 ) p o = ( p o ，p o ，p o , o ，o ，o ) 7 ( 28 ) t = ( 瓦。，l ，瓦：，乇，瓦，) 7 ( 2 9 ) p 和t 是3 3 的_ 级张量，囚对称性可由6 个分量来表示。n 为j 玉阻系数( p i e z o r e s i s t a n c e c o e f f i c i e n t s ) 是一个四级张量，囚为硅晶体有3 2 个对称操作，在品体主坐标系- h 压阻系数仅有_ 二个 独立分量： 兀( 2 1 0 ) 该矩阵t i ，兀n 。，兀。分别为晶轴方向上的纵向j 玉阻系数、横向j 玉阻系数、剪切向j 玉阻系数。 也称为基本j 土阻系数。纵向j 玉阻系数是指电流方向与应力方向一致的情况：横向j 玉阻系数足指电流方向 与应力方向垂直的情况。p 型硅和n 型硅的j 玉阻系数足不相同的，可通过实验测量 3 8 o 除了材料囚素 外，决定j 玉阻系数的参量主要足温度和掺杂浓度。 多晶是由大量尺i t 大小不一，形状各异，取向不同的品粒所组成。晶粒内部还保持单晶- 原子的周 期排列。也就是说每一晶粒具有与单品一样的晶体结构，但相邻品粒问的取向存在较大的角度差。在晶 粒间的界而附近原子由一种取向逐渐过渡到另- r i , 取向。囚界面层厚度仅为儿个原子层，总体上看原子 排列极其混乱，造成大量悬挂键和卒位。这些缺陷态可以俘获多数载流子，成为多子的陷阱，并处丁带 电状态。一方而使多晶- 的多数载流子减少，更重要的足带有与多子相同符号的陷阱态排斥多数载流子， 囚此晶界成为多子的势垒，并在其附近出现相反符号的卒问电荷区。由此可见，多晶硅的j 玉阻效应涉及 两个题，其一是晶粒和晶界的j 玉阻效应有什么关系，也就是在相同的应力作用下，晶粒和晶界的电阻 率相对变化各f 1 有多大? 其是如何将不同取向的单品晶粒在某一选定方向上的j 玉阻系数迭加起来。囚 0 o o 0 o q o 0 o o q o o o o k o o q q o o o o o o 亿m m n n n 此，多晶硅的j 玉阻系数的理论计算只能采取近似的方法，并且囚晶体生长温度不同，品粒尺寸在 5 0 2 0 0 n m 之间，理论值的误差也比较大。在平而应力场下，多品硅品粒无择优取向，即在任意方向上 的分布儿牢相等、界而态密度在1 0 “c m = 数量级、掺杂浓度在5 1 0 以上的假设下，多品硅的纵向j 玉 阻系数7 r ，约在2 4 3 6 1 0 。2c h l 2 d y n e 之间。它覆盖r 应变系数实验数据的低端，但对高端却难以解释。 但是多品硅溥膜在一定生长条件下，会有一些择优品向，已经证明当温度高t - 6 0 0 ，在较高j 土力 t 0 0 m t o r r 时，儿乎所有晶向都是 ，而在较低j 玉力下，主导结构是 品向。囚此应该考虑这样 一种纯晶粒堆积的择优晶向j 土阻系数。文献”给出，择优晶向j 土阻系数的模型。该模型认为，在多品 硅薄膜的掺杂浓度高丁1 0 “c n 。以上时，品粒间界电阻随应力的变化可以忽略，所以该模型的物理蚓象 就相当丁在考虑多晶硅盘阻效应时，在多晶硅- “剔除”，晶粒问界，而纯由单品晶粒直接堆积在一起 一样，表2l 给出r 主要择优晶向多晶硅平均品粒j 玉阻系数。 表2l 各利- 择优品向多晶硅平均品粒k 阻系数( 单位：1 01 2 c n 2 2 d v n e ) t a b l e2 1a v e r a g ep r e s s u r er e s i s t a n c ec 。e f f i c i e n to fd i f f e r e n tl a t t i c e 口o l y s i l i c o n ( 1 01 2 c m 2 d y n e ) 根据此模型近似求得p 型多品硅薄膜的纵向应变系数g 的取值范围约为1 2 2 2 。虽然j 玉阻系数无 法精确计算，但是可以根据实验测试曲线，来分析电阻变化率、纵向应变、掺杂浓度、温度之间的相互 关系，指导传感器的设计。 综上所述，1 、要扶得较大的灵敏度，即应变系数，就应选择较小的掺杂浓度，但是其电阻率随温 度的变化率也大，温漂特性差：2 、多品硅j 玉敏电阻只能用纵向j 玉阻效应。在设计- h 必须综合考虑。 2 - 2 2 承j 玉弹性膜片的应力分析 j 玉力传感器。h 布置在弹性膜片上的力敏电阻器囚受应力引起阻值变化，成为检测j 玉力信号的元件。 可见，不仅要知道膜上应力与膜的大小及厚度的关系，还需要知道应力在膜- 的分布，使力敏电阻布置 在最高应力处，从而提高传感器的灵敏度。 硅j 玉力传感器常用的弹性敏感膜片主要有圆形、方型、长方形_ 二种形式。在此基础上，为了改善输 出信号的线性度和灵敏度，近儿年又出现re i 型、单岛、双岛、梁膜岛等结构的敏感膜片。选择膜片 结构的原则是弹性薄膜的应力要尽可能大，同利还要考虑制作工艺成本。表2 2 列出了不同形状膜片输 出的比较。由此表可见，矩形膜片的应变灵敏度要高丁圆形和方形膜片，且易丁用微机械加工工艺批量 生产。 这些弹件膜片的力学分析是一项j h 复杂的工作，用有限元数学方法，利用计算机建立传感器的模型， 计算出相应的应力变化曲线，足一项很重要的研究课题。已有很多沦著发表。囚建模应用的物理原理和 假设边界条件不同，模拟的准确度是有差别的。下面给出j - 儿种力学结构弹性膜片的应力分布。 河北工业大学硕士学位论文 表2 2 小同形状膜片输出的比较 t a b l e2 2t h eo u t p u tc o m p a r i s o no fd i f f e r e n tc h i p 睫片形状圆形正点形长方形 泰3 l 中心 一墨n + 。p 一景o + v p 一呈| d k = 0 8 h ” 。 h 。 l1 32 1 周边3 a 2p 尸 2 1 p 4 2 1 。 x ；a 】 132 7 桥输出 3 2 。h 2 21 3 + v h ，斋( 3 + v h ，署p 血r v 】32 4 桥输出1 0 0 m v 33 55 1 所需瞵片厚度 口 恤 挺群膜片置电阻柑喇 矧- 2 m 川5 卅忙懂f q 带宽鹰肯1 - ( o ) 吐廿柑 l 刘2 4 矩形膜片的应力分布“1 f i g24 s t r a i nd i s t r i b u t i o no fr e c t a n g l a rc h i p 蚓24 是f 1 前多晶硅溥膜j 玉力传感器常用结构。由h2 4 ( b ) - i ，可以看出，沿长度方向上负应力区 占主导。沿宽度方向，t h 山为负应力区，边缘为正应力区，两者应力绝对值大致相等。因此对多晶硅j 玉 力传感器的电阻布蚓，就不能象单品硅那样布置在膜片的- b ，而应象h2 4 ( a ) 那样沿膜片宽度方向 布置，两个布置在边缘，曲个布置在- - 心。矩形膜片上各点的挠度为： p ( 1v 2 ) ( a ! x 2 ) ( d 2y 2 ) 2 y h 3 a4 + b 4 当x = 0 ，y = 0 叫，上式给出矩形膜片t i ，心的最大挠度。 ( 21 1 ) 2 3 传感器的芯片版图设计 传感器芯片版h 设计就是根据产品预定指标的要求，以可实现的工艺装备和水平为基础，在1 i 降低 芯片过载能力的前提下，使传感器荻得较高的灵敏度，较小的零点输出，热零点漂移和热灵敏度漂移。 也就