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

(西北工業大學陜西省微/納米系統重點實驗室，西安710072)

基于MEMS技術的硅諧振式壓力傳感器具有體積小、重量輕、功耗低、動態響應快以及抗干擾能力強，穩定性高等諸多優點，更重要的是，其直接輸出頻率量，測量精確度更高，測試電路簡單，比硅基壓阻式和電容式傳感器有更為優良的性能指標，同時便于與IC集成化，獲得高精度的智能化測控系統，對于人造衛星、飛機的導航和飛行控制系統以及飛行器本身的微型化有著舉足輕重的推動作用［1］，因此諧振式壓力傳感器在航空航天技術特別是機載大氣數據系統、飛行參數記錄儀等航空設備的應用有著廣闊的應用前景。

國外對硅基MEMS諧振式壓力傳感器進行了較早研究［2－3］。英國Greenwood等人利用濃硼自停止技術的各向異性腐蝕［4］，制作了扭轉振動的諧振式傳感器，并且利用靜電激振、拾振的方式，制作了高精密的氣壓計，但是其應用局限在傳統的領域，并且其容易被周圍的環境如流體等原因造成能量損失，諧振困難［5］，而且濃硼擴散引入很高的內應力［6］;1988 年，日本IKEDA等人提出了利用外延生長和犧牲層技術制作內置于真空腔中的諧振梁技術［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，研制成一種光纖訪問式諧振式壓力傳感器。國內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］，但是其諧振子結構采用10 μm的氮化硅梁，殘余應力較大;北京航空航天大學樊尚春等對熱激勵諧振式壓力傳感器進行了一定的研究［13］，但是對基于MEMS技術的微諧振式壓力傳感器沒有進行具體的加工。

本文提出了一種基于MEMS技術的新型硅微諧振式壓力傳感器，設計了該結構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，為了解決諧振子在長時間濕法刻蝕中的側壁保護問題而造成的結構設計的限制，提出了一種基于三層薄膜保護以釋放諧振子的工藝新方法，效果明顯。最后對加工的傳感器進行了初步的性能測試，得到諧振頻率和Q值，并且將實驗結果與采用有限元方法計算得到的諧振頻率進行了比較。

1 諧振式壓力傳感器的設計

硅諧振壓力傳感器主要由上層玻璃、硅敏感結構和下層玻璃三部分構成。其中上層玻璃上布置有激勵與檢測電極;下層玻璃上制作有導壓孔;硅敏感結構主要由諧振子、硅島、壓力敏感膜片及其四周鍵合臺階四部分構成。諧振子通過四個對稱支撐梁及四個硅島懸置于壓力敏感膜片上，支撐梁與硅島四邊成45°夾角，其結構如圖1所示。當待測壓力為零時，壓力敏感膜片不受力，沒有發生變形，硅島處于原始位置，諧振子受到的縱向應力為零，其諧振頻率為原始固有頻率;當待測壓力不為零時，壓力敏感膜片上下表面因存在壓力差將發生變形，此時硅島位置將發生變化，通過硅島的傳遞與放大，諧振子也會感受到縱向應力的作用，相應的諧振子的固有頻率將發生變化，通過檢測諧振子頻率的改變，達到壓力檢測的目的。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構示意圖

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，整個工藝流程共使用了4張掩膜版，主要包括硅微細加工工藝、陽極鍵合、錯位劃片以及真空封裝等。其中，SOI硅片的規格為: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)標準清洗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壓孔和對準標記，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，形成三層保護膜保護諧振子及其側壁，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，而側壁有氧化硅和氮化硅兩層保護，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膜，如圖2(e)所示。

(6)在 PYREX玻璃上打孔，形成導壓孔，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動電極、檢測電極和屏蔽電極，，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，并錯位劃片，完成整個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 諧振子側壁保護工藝

諧振式壓力傳感器硅敏感結構部分主要采用濕法腐蝕工藝完成對諧振子的釋放，也可采用硅－硅鍵合工藝完成，但是金屬Al在高溫下表面會產生氧化現象，增大了接觸電阻，同時也容易發生Al－Si共熔而導致失效［15］。然而在采用濕法腐蝕對諧振子進行鏤空釋放的過程中，如果側壁保護不好，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，導致器件性能下降，甚至造成整個工藝的失敗。針對上述問題，提出了一種類似SCREAM工藝的方法［16］，利用三層薄膜保護結合硅深刻蝕工藝對諧振子進行釋放，工藝過程更加簡單。首先，在完成正面臺階刻蝕以后，低壓化學氣相沉積(LPCVD)低應力氮化硅薄膜，然后以光刻膠為掩膜，反應離子刻蝕(RIE)氮化硅，刻蝕出硅島、諧振子和支撐梁的位置;其次，采用感應耦合等離子體刻蝕機(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，目的是使三層保護膜徹底保護好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，而溝槽側壁有氧化硅和氮化硅保護，中間的氧化硅不僅起到了緩沖氮化硅薄膜應力的作用，同時也對氮化硅保護不好的地方起到了二次保護的作用，將整個諧振子完全的保護起來。

圖4所示為采用三層保護膜保護在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、實用，為要求深刻蝕鏤空釋放結構提供了重要的技術基礎。

圖4 釋放后的諧振子SEM圖片

3 測試及結果

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

圖5 諧振式壓力傳感器輸出幅頻特性曲線

在標準大氣壓力下，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準大氣壓力下的品質因數為34，完全能夠滿足一般的應用需求。

4 結論

利用SOI材料，基于MEMS技術研制了一種新型三明治結構的硅微諧振式壓力傳感器，其主要包括上層玻璃、硅敏感結構和下層玻璃三部分構成。通過工藝改進解決了常規工藝過程中的側壁保護問題，提出了一種基于氮化硅、氧化硅和氮化硅三層薄膜的保護工藝，解決了微細加工工藝中要求采用濕法刻蝕鏤空釋放可動結構的問題，對MEMS工藝具有較高的實用價值。測試結果表明，采用三層薄膜保護工藝制作的這種諧振式壓力傳感器具有良好的性能，完全能夠應用于航空航天以及工業等進行壓力檢測的領域。

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