王 婧,雷 程,梁 庭,冀鵬飛,劉潤鵬

(中北大學(xué),省部共建動態(tài)測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051)

0 引言

隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展,壓力傳感器被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、國防以及人類生活各方面[1-2]。以PN結(jié)進(jìn)行隔離的常溫壓力傳感器可以滿足大部分壓力測量[3],而在一些特殊場合,例如各種輪船和汽車發(fā)動機(jī)、航空航天飛行器等高溫高壓環(huán)境,常規(guī)的壓力傳感器會因高溫下PN結(jié)漏電而失效[4-5]。絕緣體上硅(SOI)壓力傳感器采用氧化硅作為隔離層,彌補(bǔ)了以PN結(jié)隔離的常溫壓力傳感器在高溫環(huán)境下失效的不足,可以同時(shí)滿足常溫和高溫環(huán)境下的壓力測量[5-6]。相對于壓電式、電容式、諧振式、光纖式壓力傳感器而言,壓阻式壓力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、便于測量的優(yōu)點(diǎn)[7-8]。因此,SOI壓阻式壓力傳感器具有良好的應(yīng)用價(jià)值和研究意義。

壓阻式壓力傳感器通過壓阻效應(yīng)產(chǎn)生電阻的變化從而輸出電壓,關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為位于敏感膜上的壓敏電阻,而壓敏電阻的尺寸在μm級別,極易在工藝制備過程中引入工藝誤差,造成傳感器輸出靈敏度和輸出量程的偏差[8-10]。本文基于SOI壓阻式壓力傳感器的制備過程,對敏感芯片的工藝步驟中壓敏電阻的相關(guān)工藝進(jìn)行實(shí)際測量,分析這些工藝過程中產(chǎn)生偏差的原因以及引入的工藝偏差對壓力傳感器造成的影響,為今后壓阻式壓力傳感器的制造工藝的優(yōu)化提供了方向,同時(shí)對壓阻式壓力傳感器的設(shè)計(jì)工作具有工程指導(dǎo)意義。

1 工藝誤差的引入

1.1 壓敏芯片工作原理

基于硅的壓阻效應(yīng)原理制備的壓敏芯片采用4個(gè)等值硅摻雜電阻連接成惠斯登電橋,當(dāng)外界的壓力作用于硅薄膜上時(shí),膜片表面產(chǎn)生形變,表面應(yīng)力分布發(fā)生變化,使得基于電阻組成的電橋失去平衡,從而輸出電信號,實(shí)現(xiàn)了從壓力信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換[11]。圖1中Uin為電橋供電電壓,R1～R4為壓敏電阻,Uout為輸出電壓。

輸出電壓和電阻的關(guān)系表達(dá)式為

(1)

1.2 敏感芯片的制備過程

壓力敏感芯片的制備過程如圖2所示[12]。首先,選擇SOI晶圓進(jìn)行無機(jī)清洗,對基片的頂層硅進(jìn)行整面硼元素?fù)诫s,通過濕法腐蝕電極孔并對歐姆接觸區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s,重?fù)诫s完成后,濺射鈦-鉑-金金屬層,通過剝離工藝形成金屬引線和金屬焊盤,至此形成歐姆接觸,然后利用反應(yīng)離子刻蝕方法(RIE)刻蝕壓敏電阻,刻蝕完成后在其表面沉積氧化硅,通過濕法腐蝕氧化硅將金屬焊盤暴露,鈍化層制備完成,背面通過深硅刻蝕形成壓力敏感膜,最后,晶圓背腔面與玻璃通過陽極鍵合工藝形成密閉絕壓腔。

圖2 壓敏芯片制備工藝流程圖

晶圓制備完成后進(jìn)行劃片,使用丙酮等有機(jī)溶液去除背面的膠,最終完成器件制作。制備完成的芯片如圖3所示。

圖3 壓敏芯片實(shí)物圖

1.3 壓敏電阻的制備工藝

敏感元件壓敏電阻的相關(guān)工藝步驟包括歐姆接觸區(qū)開孔、壓敏電阻條RIE刻蝕和背腔刻蝕,引入的工藝誤差也集中在這3部分。歐姆接觸區(qū)開孔過程中對準(zhǔn)的偏差及硼離子擴(kuò)散范圍變大從而壓縮電阻阻值;刻蝕電阻過程中無法保證完全垂直,因此實(shí)際長寬比與預(yù)期存在一定偏差。背腔刻蝕產(chǎn)生的誤差會使得壓敏電阻在敏感膜上的位置發(fā)生偏差,從而改變輸出量程的范圍。

上述3個(gè)工藝過程均會引入誤差,其中,在歐姆接觸區(qū)開孔和電阻條刻蝕過程引入的誤差主要是通過改變電阻條形貌使得電阻值偏離設(shè)計(jì)值,背腔刻蝕過程中引入的誤差通過改變壓敏電阻的位置使得電阻變化率偏離預(yù)期值,造成傳感器輸出靈敏度和輸出量程的偏差。

2 工藝誤差的分析

2.1 歐姆接觸區(qū)開孔過程的誤差分析

在歐姆接觸區(qū)開孔過程中引入的誤差主要因?yàn)榕痣x子的擴(kuò)散范圍變大,其擴(kuò)散方式為各向同性,向四周擴(kuò)散導(dǎo)致電阻阻值變小,此過程無法避免,設(shè)計(jì)的開孔尺寸為30 μm×30 μm,中間電阻條尺寸為20 μm×80 μm,局部開孔區(qū)域如圖4所示,使用共聚焦顯微鏡對整片晶圓的676個(gè)芯片的開孔尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如表1所示。

表1 歐姆接觸開孔區(qū)域偏差尺寸

圖4 歐姆接觸區(qū)開孔圖

由表1可知,在歐姆接觸區(qū)開孔過程中,尺寸偏差位于(2.25,3.00]μm區(qū)間內(nèi)誤差最大,占整個(gè)晶圓的56.15%。由于歐姆接觸區(qū)開孔范圍擴(kuò)大,使得電阻阻值縮小,導(dǎo)致敏感芯片靈敏度下降,當(dāng)尺寸偏差在(2.25,3.00]μm時(shí),單個(gè)電阻阻值會縮小5.6%～7.5%,使得傳感器輸出電壓減小,靈敏度降低。

2.2 電阻條刻蝕過程的誤差分析

以光刻膠作為掩模進(jìn)行干法刻蝕是實(shí)現(xiàn)壓阻式壓敏芯片的一項(xiàng)主要技術(shù)。壓敏電阻的刻蝕精度和質(zhì)量直接影響壓力傳感器的精度。

通過共聚焦顯微鏡對壓敏電阻在x向(寬度)和y向(長度)上的刻蝕尺寸進(jìn)行具體的測量,y向尺寸變化誤差不大,寬度的測量結(jié)果如表2所示,表中數(shù)據(jù)為多次測量后的平均值。由表2可知,在壓敏電阻寬度方向的刻蝕工藝誤差中,RIE干法刻蝕引入的誤差最大,約為0.95 μm,導(dǎo)致電阻值縮小4.75%,使得傳感器輸出電壓減小,靈敏度降低。掩模版制作和光刻的誤差很小,基本可以忽略。圖5為掃描電鏡下電阻條刻蝕形貌圖。

表2 干法刻蝕引入的誤差

2.3 背腔刻蝕過程的誤差分析

壓阻式壓力傳感器的工作原理是敏感膜上的壓敏電阻感知應(yīng)力發(fā)生阻值的變化,電阻均勻分布在敏感膜邊的中心位置,此時(shí)相對位置的電阻條電阻變化一致,相鄰位置的電阻條電阻變化相反,通過引線將4個(gè)電阻串聯(lián)形成惠斯登電橋電路,在有壓力作用的條件下,壓力的變化情況就可以通過惠斯登電橋轉(zhuǎn)換成輸出電壓的變化,達(dá)到對測量環(huán)境壓力的監(jiān)測作用。

在背腔制備過程中,由于工藝誤差的存在,會使得壓敏電阻的位置和設(shè)計(jì)值會有所偏差,敏感膜片受到壓力后,不同位置產(chǎn)生的應(yīng)力不同。因此盡可能減小壓敏電阻在敏感膜上的位置偏差就顯得尤為重要。

按照設(shè)計(jì)的敏感芯片的尺寸,通過Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行芯片的結(jié)構(gòu)建模,按照表3中的硅材料的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,將該模型導(dǎo)入仿真軟件進(jìn)行模擬仿真分析。

表3 芯片的各參數(shù)值

考慮到在實(shí)際工藝過程中,位置的偏差主要是源于光刻和刻蝕過程中產(chǎn)生的誤差,而這個(gè)誤差的方向是不確定的,因此,通過對上下左右各偏差0～10 μm進(jìn)行仿真,x表示橫向,y表示縱向,負(fù)號表示向左和向下偏移,正號表示向右和向上偏移,表4為x方向不同偏差對應(yīng)輸出電壓,分析位置偏差對輸出電壓產(chǎn)生的影響。

表4 x方向不同偏差對應(yīng)輸出電壓及偏差

圖6為x方向不同偏差對應(yīng)輸出電壓及輸出偏差。

圖6 x方向不同偏差對應(yīng)輸出電壓及偏差

由圖6可以看出,當(dāng)x方向偏差從-10 μm向10 μm增長時(shí),輸出電壓逐漸增大,當(dāng)偏差范圍在0～4 μm時(shí),輸出電壓偏差低于1%,當(dāng)x方向偏差大于4 μm時(shí),輸出電壓偏差急劇變大,x方向偏差為10 μm時(shí)輸出電壓偏差達(dá)到了5%以上。

表5為y方向不同偏差對應(yīng)輸出電壓,分析位置偏差對輸出電壓的影響。圖7為y方向不同偏差對應(yīng)輸出電壓及輸出偏差,由圖7可以看出,當(dāng)y方向偏差從-10 μm增大到10 μm時(shí),輸出電壓逐漸增大,當(dāng)偏差范圍在0～4 μm時(shí),輸出電壓偏差低于1%,當(dāng)y方向偏差大于4 μm時(shí),輸出電壓偏差急劇變大,y方向偏差為10 μm時(shí)輸出電壓偏差達(dá)到了5%左右。

表5 y方向不同偏差對應(yīng)輸出電壓及偏差

圖7 y方向不同偏差對應(yīng)輸出電壓及偏差

理論設(shè)計(jì)時(shí)壓敏電阻均分布在敏感膜邊緣的中心,由于工藝誤差的存在很難對尺寸做到精確控制,使得在芯片實(shí)際制備過程中壓敏電阻的位置與設(shè)計(jì)值存在偏差,導(dǎo)致實(shí)際輸出電壓和設(shè)計(jì)輸出值存在偏差,位置偏移量越大,產(chǎn)生的輸出電壓的偏差量越大。

3 結(jié)論

本文對壓敏芯片在制備過程中引入工藝誤差的相關(guān)步驟進(jìn)行了分析,包括歐姆接觸區(qū)制備、電阻條干法刻蝕以及背腔刻蝕3部分。其中,歐姆接觸區(qū)制備和壓敏電阻干法刻蝕產(chǎn)生的誤差主要體現(xiàn)在電阻阻值的縮小,前者會使得50%以上的芯片阻值縮小5.6%～7.5%;后者產(chǎn)生的誤差使得電阻值縮小4.75%左右。以上兩個(gè)過程都會降低壓敏電阻的阻值,使其低于設(shè)計(jì)值,這會導(dǎo)致在實(shí)際使用過程中金屬引線需要承擔(dān)更大的電流,使得芯片的壽命降低,另一方面會使得傳感器輸出靈敏度偏大,由式(1)得出輸出電壓偏差最大可達(dá)8.24%。背腔刻蝕產(chǎn)生的偏差主要表現(xiàn)在電阻變化率上,使得輸出電壓產(chǎn)生偏差,當(dāng)偏差尺寸處于0～4 μm時(shí),輸出電壓偏差低于1%,當(dāng)偏差達(dá)到10 μm時(shí),達(dá)到最大偏差,x方向上的最大偏差發(fā)生在電阻條位置右偏時(shí),y方向上的最大偏差發(fā)生在電阻條下偏時(shí),最大輸出偏差達(dá)到了5%。在制備壓敏電阻過程中可以通過控制這3個(gè)步驟的工藝精度來降低引入的工藝誤差,從而提高器件的穩(wěn)定性。