微纳制造与半导体器件 课件 5 SiC压力传感器

2026/03/24第11章SiC压力传感器CONTENTS目录01

SiC压力传感器02

习题SiC压力传感器01MEMS器件概述

MEMS应用领域MEMS器件广泛应用于通信、汽车电子等多领域，含多种器件类型。

压力传感器地位2019年中国MEMS传感器行业中，压力传感器占比19.2%。

压力传感器应用压力传感器在汽车电子、航空航天等领域应用广泛。Si基传感器局限

Si高温性能短板Si禁带宽度窄，200℃以上电学性能会受到极大影响。SiC材料优势

SiC核心特性SiC为第三代半导体，具宽禁带、高热导率等优异性能。

SiC应用价值SiC是恶劣环境下器件制作的理想材料，应用前景良好。SiC传感器原理

压阻效应机制压阻式SiC传感器依靠压阻效应：受力后晶格变形致电阻率变化。本章研究内容

研究核心方向本章聚焦压阻式SiC高温压力传感器的设计与制造工艺。SiC压阻式压力传感器工作原理压力传感器工作原理压力传感器：敏感元件受压形变，产生声光电参数变化，经信号调制电路得所需信息。压阻式传感器优劣势优点：结构简单，灵敏精度、线性度、动态响应佳，简化信号调理电路缺点：信号易温度漂移，需温度校准SiC压阻式压力传感器工作原理：压阻式传感器结构与测压原理传感器结构组成典型压阻式压力传感器由SiC敏感膜片、SiC压敏电阻、欧姆接触金属层和压力参考腔组成，压敏电阻可构惠斯通电桥。压力检测工作原理无压时惠斯通电桥平衡输出电压为0；受压时膜片形变改变电阻，电桥输出信号变化，以此测算压力。输出电压相关说明经测量电路推导输出电压公式，传感器输出信号取决于四个桥臂电阻的阻值及变化大小。SiC压阻式压力传感器工作原理：SiC压阻效应的理论推导压阻效应原理推导

压阻效应基础原理压阻式SiC压力传感器依靠SiC压阻效应工作，半导体晶面受压力或拉力时，晶格变形使能带、电阻率变化。

电阻公式推导过程以长l、宽b、厚h的4H-SiC为例，由电阻公式取对数、微分，结合泊松比推导得出电阻相对变化与应变的关系。

压阻系数关联推导结合半导体材料特性，忽略1+2μ后，推导出电阻相对变化与压阻系数、所受应力的关联公式。SiC压阻式压力传感器工作原理：SiC压阻效应的理论推导应力状态与压阻关系

01应力状态分量表述材料内任意一处应力状态含三个正应力、六个切应力，由切应力互等定理可简化为6个独立分量，均会引发电阻率相对变化。

02压阻效应类型界定在4H-SiC晶圆坐标系中，存在纵向、横向、剪切压阻效应，对应不同方向应力引发电阻率变化及相应压阻系数。

03压阻效应关系简化切应力不产生正向压阻效应，正应力不产生剪切压阻效应，切应力仅在剪切平面内产生压阻效应，据此可简化相关系数。SiC压阻式压力传感器工作原理：SiC压阻效应的理论推导4H-SiC压阻特性推导

压阻系数特性分析4H-SiC在(0001)面上不同晶向的压阻系数为各向同性，以此确定相关压阻系数的对应关系。

电阻率变化推导结合相关公式与压阻系数各向同性性质，推导坐标系1'-2'-3'下电阻率相对变化、压阻系数及应力的关系。

电阻变化推导依据电阻率变化公式、欧姆定律及张量变换公式，推导与1'方向夹角为θ的电阻的相对变化公式。

应力分布的作用由电阻相对变化公式可知，敏感膜片的表面应力分布对压敏电阻的排布至关重要。SiC压阻式压力传感器设计与制备：SiC压阻式压力传感器结构设计与分析

敏感膜片设计敏感膜片理论基础明确薄板定义范畴，给出敏感膜片弯曲刚度、挠度、应力、应变计算公式，规定最大挠度不超厚度1/5的要求。膜片参数确定过程结合4H-SiC材料属性、发动机工况，依据应力与小变形理论计算，确定敏感膜片厚度为100μm。膜片结构力学分析对比不同形状膜片应力分布，重点分析C形圆膜夹角、E形圆膜质量块尺寸及对应夹角对应力的影响规律。膜片模态和谐响应分析开展模态分析明确各阶固有频率，通过谐响应分析指出共振风险，验证传感器工作频率远低于固有频率。膜片瞬态动力学分析分析冲击载荷下膜片动态响应，明确稳定时间、最大偏差等参数，验证其动态响应满足工业测试要求。SiC压阻式压力传感器设计与制备：SiC压阻式压力传感器结构设计与分析4H-SiC压敏电阻分布设计

传感器基底参数与构造采用东莞天域4英寸4H-SiC外延片，衬底依次外延p型、n型4H-SiC层，明确各层掺杂浓度，加工压敏电阻条组成惠斯通电桥，pn结抑制反向漏电流，算出初始电阻值。

传感器温度适配要求压阻式压力传感器对温度敏感，需良好冷却降低热灵敏度漂移，控制桥臂电流为1mA，干路电流2mA，输入电压5V，减少压敏电阻自发热量。

膜片应力与压阻特性4H-SiC(0001)面压阻系数各向同性，横向压阻系数约为纵向两倍；C形、E形圆膜应力分布不同，最大切向拉应力可近似忽略。SiC压阻式压力传感器设计与制备：SiC压阻式压力传感器结构设计与分析压敏电阻排布与推测结合压阻系数与膜片应力，推测8种压敏电阻在10MPa下的电阻变化，部分电阻需仿真进一步分析，可将电阻条对折利用边缘应力。仿真验证排布灵敏度用COMSOL仿真验证电阻变化与推测一致，得出C形膜片方式a、b灵敏度最高，E形膜片方式e灵敏度最高，方式c、f灵敏度最低。结构参数对灵敏度影响C形膜片灵敏度基本不受参数影响，E形膜片灵敏度随d先增后降，随角度增大而降低，大尺寸质量块时角度影响更显著。传感器制备工艺要点在4H-SiC表面沉积SiO2绝缘层，开设接触窗口连接金属层，再沉积SiO2保护电路并开电极窗口，采用C形膜片，将带空腔衬底与另一衬底键合。SiC压阻式压力传感器设计与制备：4H-SiC压力传感器制造工艺流程工艺整体说明

压敏电阻制备流程清洗外延片，采用光刻和RIE工艺，以ROL-7133光刻胶、对应掩模版刻蚀n型4H-SiC层，形成2.5μm深的压敏电阻。

绝缘层与接触窗口制备用PECVD沉积200nm厚SiO₂绝缘层，再以AZ5214光刻胶、对应掩模版，经光刻和ICP工艺刻蚀出接触窗口。

欧姆接触金属制备沉积Ni/Ti/Au欧姆接触金属体系，以AZ5214光刻胶为掩膜，经光刻和IBE工艺图形化金属层，再950℃氮气环境快速热退火1min。

金属电路保护处理在完成欧姆接触的金属表面，沉积200nm厚的SiO₂层，以此实现对金属电路的保护。SiC压阻式压力传感器设计与制备：4H-SiC压力传感器制造工艺流程

敏感膜片制备9）采用飞秒激光烧蚀4H-SiC衬底背面，形成敏感膜片；SiC压阻式压力传感器设计与制备：4H-SiC压力传感器制造工艺流程键合与电极处理

衬底金属沉积工艺采用光刻和剥离工艺，以ROL-7133光刻胶、图11.26（d）掩模版，在4H-SiC衬底背面和另一块衬底表面沉积20/1000nm厚Cr/Au金属。传感器键合与电极制备将两块处理后的衬底键合形成绝压空腔，再以AZ5214光刻胶为掩膜，用光刻和ICP工艺刻蚀SiO2保护层，暴露出金属电极以便引线连接外部电路，所用掩模版如图11.26（e）所示。SiC压阻式压力传感器设计与制备：4H-SiC的浅刻蚀工艺研究浅刻蚀实验背景制作4H-SiC压力传感器需浅刻蚀形成压敏电阻条，故采用SF6/O2为刻蚀气体、Ni为掩膜开展RIE刻蚀工艺研究。实验衬底与预处理采用北京天科合达n型4H-SiC衬底，将其切割为13mm×13mm小片，经清洗、涂胶、曝光、显影等多道预处理工序。RIE刻蚀参数设置刻蚀气体总流量360sccm，O2体积分数0~70%，腔体压强4~10Pa，射频功率200~400W，完成刻蚀后去除Ni掩膜。刻蚀效果检测方式用KLA-TencorAlphaStep台阶仪测台阶高度以计算刻蚀速率与选择比，用AFM测量刻蚀表面均方根粗糙度。SiC压阻式压力传感器设计与制备：4H-SiC的浅刻蚀工艺研究刻蚀时间

刻蚀实验基础参数设置SF6/O2流量300sccm/60sccm，腔体压强9Pa，射频功率300W，温度20℃，刻蚀时间设为200s、400s、600s。

刻蚀速率与选择比计算通过图11.28的三个台阶高度，按公式计算4H-SiC、Ni掩膜的刻蚀速率及两者刻蚀选择比，明确各参数含义。

刻蚀结果初始分析4H-SiC刻蚀表面质量、刻蚀速率随时间增加而提升，Ni掩膜刻蚀速率先增后稳，刻蚀选择比随时间增大。SiC压阻式压力传感器设计与制备：4H-SiC的浅刻蚀工艺研究

偏差原因及修正公式初始刻蚀数据偏差源于衬底表面残余光刻胶，推导实际刻蚀速率与选择比的修正公式，指出数据波动原因。

氧等离子体清洗工艺在RIE刻蚀前增加氧等离子体清洗，参数为O2流量300sccm、压强1.25Pa、功率100W、温度20℃、时间500s。

改进后刻蚀效果改进后4H-SiC刻蚀速率约220nm/min，Ni掩膜约4nm/min，选择比约55，刻蚀表面无刻蚀残留物。SiC压阻式压力传感器设计与制备：4H-SiC的浅刻蚀工艺研究O2含量

刻蚀实验参数设置实验采用SF6/O2为RIE刻蚀气体，总流量360sccm，腔体压强9Pa，温度20℃，射频功率300W，O2含量从0%增至70%。O2含量影响规律随O2含量增加，4H-SiC刻蚀速率先增后减，表面RMS粗糙度先减后增，O2含量为8.3%时，刻蚀速率最大、粗糙度最小。刻蚀速率变化原因O2含量0%~8.3%时，促进SF6与4H-SiC生成挥发性产物加速刻蚀；O2过量后SF6浓度降低，F基等离子体减少，刻蚀速率减小。表面粗糙度变化原因O2含量0%~8.3%时，可防止非挥发性产物形成微掩膜，降低粗糙度；O2过量后刻蚀偏压增大，物理刻蚀加快，粗糙度上升。SiC压阻式压力传感器设计与制备：4H-SiC的浅刻蚀工艺研究腔体压强

实验参数设置实验设置SF6/O2流量为330sccm/30sccm，射频功率300W，温度20℃，腔体压强从4Pa增至9.8Pa。压强对刻蚀的影响腔体压强为4Pa时，4H-SiC刻蚀速率最大、表面RMS粗糙度最小，压强增大则速率降低、粗糙度增大。压强影响原理分析压强增大使分子平均自由行程减小，等离子体碰撞概率增加，且刻蚀偏压减小，共同减弱刻蚀方向性。SiC压阻式压力传感器设计与制备：4H-SiC的浅刻蚀工艺研究射频功率

刻蚀实验参数设置实验设置SF6/O2流量为330sccm/30sccm，腔体压强4Pa，射频功率200W至400W渐变，温度20℃。功率对刻蚀的影响随射频功率增加，4H-SiC刻蚀速率渐增但增速放缓，表面RMS粗糙度先减后增，300W时粗糙度最小，400W时速率最大。刻蚀机理分析功率低于300W时化学刻蚀主导，功率提升使等离子体密度增加，速率增粗糙度降；超300W后物理刻蚀影响变大，二者均缓慢上升。最优工艺及应用SF6/O2流量330/30sccm、腔压4Pa、功率300W时，刻蚀速率292.3nm/min，粗糙度0.56nm，依此制备压敏电阻条。SiC压阻式压力传感器设计与制备：4H-SiC的深刻蚀工艺研究

深刻蚀方案选择因4H-SiC敏感膜片刻蚀深度达250μm，等离子体刻蚀效率低，故采用飞秒激光烧蚀衬底背部开展研究。

实验基础条件说明采用天科合达n型4H-SiC衬底，切割成2cm×2cm小片，使用190fsYb：KGW-based飞秒激光系统，在20℃空气环境下开展实验。

加工参数与路径设置研究深度步进间距、扫描路径方向等参数影响，含平行线、同心圆扫描路径，圆柱形、圆台形两种材料去除方式。

后处理与检测手段加工后用无水乙醇、20%HF酸超声清洗，去离子水冲洗后N₂吹干，采用光学轮廓仪、场发射扫描电镜检测相关指标。SiC压阻式压力传感器设计与制备：4H-SiC的深刻蚀工艺研究飞秒激光能量分布

高斯光束基础定义高斯光束指横截面电场振幅或光强呈高斯函数分布的光束，涉及束腰半径、光斑尺寸等多个关键参数。还给出了光束横截面内电场振幅和光强的计算公式，明确轴处的电场振幅和光强基准值。高斯光束传输特性传输时各横截面强度分布仍为高斯函数，光斑尺寸沿光轴按规律变化，束腰处宽度最小、波前为平面波。瑞利长度处光斑面积为束腰的2倍，同时给出了桶中功率、总功率的计算公式及光强的一般分布表达式。加工面光强叠加情况因扫描线间距小于光斑直径，4H-SiC加工表面同一横截面内会产生光斑能量重合，有对应的叠加光强分布表达式。SiC压阻式压力传感器设计与制备：4H-SiC的深刻蚀工艺研究烧蚀残留物去除

样品1加工后状态激光单脉冲能量30μJ、扫描间隔2μm、加工1圈的样品1表面存在大面积烧蚀残留物。

残留物清洗效果测试无水乙醇冲洗5s使残留物龟裂剥离，超声10s基本除净，实验采用无水乙醇、20%HF酸超声各5min，去离子水冲洗30s后N₂吹干。

清洗后样品能谱分析加工后超声清洗O原子比重增加，说明生成SiO₂；经20%HF酸清洗后O元素消失，SiO₂被完全去除。SiC压阻式压力传感器设计与制备：4H-SiC的深刻蚀工艺研究激光烧蚀4H-SiC的表面形貌

单次扫描实验设置为研究激光重复扫描后4H-SiC表面形貌变化，先开展飞秒激光单次扫描实验，单脉冲能量设为10μJ，分两种晶向固定样品进行扫描。扫描后形貌特征飞秒激光加工后样品表面出现平行X轴的激光诱导条纹、垂直X轴的800nm左右微沟槽，其方向与晶向无关，分别垂直、平行于激光偏振方向。SiC压阻式压力传感器设计与制备：4H-SiC的深刻蚀工艺研究

深度方向步进间距单圈与多圈加工设置设置飞秒激光单脉冲能量30μJ、扫描线间距20μm，以路径1加工4H-SiC，单圈烧蚀深度2.9μm，再设不同∆H加工26圈得到样品2、3。加工后样品形貌差异样品2烧蚀深度超预期15.6%，表面有孔洞，密度434个/mm2、直径约13μm；样品3烧蚀深度低预期10.2%，无孔洞。深度差异原因分析样品3加工表面随平台上移远离束腰，激光光强逐渐线性减小，烧蚀深度低于预期；样品2因扫描线间距小于光斑尺寸，光强差大导致深度超预期。孔洞产生机制探究随加工圈数增加，微沟槽逐渐明显并形成凹坑，后发展为孔洞，因微沟槽随机重叠，凹坑与微沟槽重叠概率更高使其尺寸增大。加工工艺优化建议加工4H-SiC时，应尽量使样品表面激光能量分布均匀，减小微沟槽的重叠概率，以避免孔洞产生。SiC压阻式压力传感器设计与制备：4H-SiC的深刻蚀工艺研究扫描路径

激光加工参数设置实验设置飞秒激光单脉冲能量30μJ，扫描线间距20μm，深度步进间距2.9μm，以两种路径、四种θ角按指定步进方式加工4H-SiC衬底10圈。

加工表面形貌规律随θ角减小，4H-SiC样品表面粗糙度增大、孔洞增多，因微沟槽与扫描路径夹角减小，重叠概率提升。

同心圆路径加工特征同心圆扫描时，光斑路径与偏振方向夹角θ从0°变90°，孔洞集中在圆心左右45°区域，上下区域无孔洞，对应区