專利名稱：絕緣體上的硅高溫超高壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及絕緣體上的硅(Silicon on insulator縮寫(xiě)為SOI)高溫超高壓力傳感器的制作方法，這種傳感器又稱為SOI硅高溫超高壓力傳感器；屬電子信息領(lǐng)域。
壓力傳感器普遍應(yīng)用于汽車工業(yè)、石油工業(yè)、航空航天工業(yè)、食品工業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生以及日產(chǎn)生活等各個(gè)領(lǐng)域。這其中很多需要在高溫狀態(tài)下使用，如石油工業(yè)中的井下壓力計(jì)，要求傳感器在150℃的環(huán)境下工作并在超高壓力(600～1000Kg/cm2)條件下使用。作為代用品的金屬濺射薄膜壓力傳感器又存在輸出信號(hào)小和溫漂大等缺點(diǎn)，這是該傳感器本身特性所決定了的；而采用SOI技術(shù)是目前國(guó)際上用來(lái)解決硅電子技術(shù)中的抗高溫和抗輻照的主要途徑。根據(jù)Electrochemical Society Proceedings(Volume99-3P.23)報(bào)道，至1999年1月，除Kulite公司的高溫壓力傳感器之外，還沒(méi)有SOI工業(yè)產(chǎn)品傳感器。又如文獻(xiàn)Measurement of the Cylinder Pressure in Combustion Engineswith a Piezoresistive SiC-on-SOI Pressure Sensor Proceedings of the HITEC 8.Albuquerque，NM，USA，June 14-18，1998，pp.245-249報(bào)道用高溫高壓(400℃，100MPa)傳感器控制燃燒引擎是可能的。擴(kuò)散硅固態(tài)壓力傳感器以其高輸出、高精度和便于批量制作受到普遍歡迎。
本發(fā)明的目的是提供一種絕緣體上的硅高溫超高壓力傳感器的制作方法，其關(guān)鍵點(diǎn)是用SOI技術(shù)解決敏感元件和彈性元件的高溫電隔離；以硅和玻璃環(huán)的靜電鍵合為邊界的鉗制條件來(lái)實(shí)現(xiàn)高量程和高線性輸出。
本發(fā)明可以通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)首先對(duì)用于作為彈性元件的硅襯底(下稱下硅片)和敏感元件的硅片(下稱上硅片)分別進(jìn)行高溫?zé)嵫趸?，氧化層的厚度分別為1微米(μm)和0.1微米(μm)；下硅片的厚度根據(jù)所制作的壓力傳感器的量程而定。然后上、下硅片貼合在一起在1000℃下進(jìn)行鍵合形成SOI材料，然后去除上硅片表面的氧化硅，對(duì)上硅片用KOH溶液腐蝕減薄至2-3μm厚的敏感膜，再用離子注入的方法對(duì)其摻雜，于900℃活化。利用半導(dǎo)體光刻和刻蝕的方法將敏感膜刻蝕成浮雕電阻全橋即形成敏感元件，接著腐蝕去除除敏感元件下面的氧化硅之外的下硅片上的其他區(qū)域的氧化硅，實(shí)現(xiàn)敏感元件與彈性元件間高溫隔離，同時(shí)讓硅片與玻璃的靜電鍵合形成良好的邊界鉗制條件，以實(shí)現(xiàn)高量程測(cè)量條件下的高線性輸出測(cè)量。鍵合溫度為350～450℃，所加電壓為1000V，最后按照傳統(tǒng)壓力傳感器的封裝工藝便可制作出SOI高溫超高壓力傳感器。由于依本發(fā)明方法制作傳感器的結(jié)構(gòu)是采用和敏感元件背面受壓方式，即壓力方向與引線布局方向是相對(duì)的，這與傳統(tǒng)的敏感元件正面受壓方式的高壓傳感器有所不同，使其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。另外，該傳感器是以鍵合封接的耐熱玻璃環(huán)為邊界條件，使傳感器獲得高的線性輸出。
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步。


圖1是作為彈性元件的硅襯底(又稱下硅片)；圖2是上、下硅片在1000℃形成的鍵合；圖3是薄層SOI材料示意圖；圖4是高溫電隔離和靜電鍵合為邊界鉗制條件的示意圖。
圖中1為硅襯底用的單晶硅，其厚度隨量程而定，通常壓力傳感器的量程在40～100Mpa范圍，其厚度為500～750μm(又稱下硅片)，2為高溫?zé)嵫趸傻难趸瘜樱?為作為敏感元件的硅片(又稱上硅片)，4為用作敏感元件制作層，減薄至2-3μm的上硅片并經(jīng)硼(B+)注入摻雜、活化。5為耐熱玻璃環(huán)。
本發(fā)明可以通過(guò)下述實(shí)施例得到實(shí)施實(shí)施例1量程為40Mpa的壓力傳感器的制作方法是1、作為彈性元件的硅襯底用的單晶硅片(下硅片)高溫?zé)嵫趸窃?150℃下先通15分鐘干氧，接著通3小時(shí)濕氧，最后通15分鐘干氧條件下進(jìn)行的，氧化層的厚度為1μm以上(圖1)；另一作為敏感元件的單晶硅片(又稱上硅片)熱氧化在1150℃下通干氧1小時(shí)條件下進(jìn)行的，得到0.1μm厚的氧化層；下硅片的厚度為500μm。
2、將1.中氧化的兩硅片用H2SO4清洗后再用去離子水沖洗；然后將兩硅片緊密貼合在一起，送入1000℃的高溫保溫3小時(shí)鍵合(圖2)；3、去除上硅片上表面的氧化層，然后用KOH溶液腐蝕減薄上硅片至2-3μm，再B+離子注入摻雜，在900℃活化退火(圖3)；用金屬Al作掩模，光刻出電阻全橋圖形，用干法刻蝕出硅浮雕電阻全橋，形成敏感元件。
4、然后用10％的HF溶液腐蝕去除除敏感元件下面之外的氧化硅，以便留下光亮的硅表面，從而實(shí)現(xiàn)敏感元件和彈性元件間隔離；同時(shí)讓硅與耐熱玻璃環(huán)靜電鍵合，形成良好的鉗制邊界條件(圖4)；鍵合溫度為350℃，所加電壓為1000V。
5、最后按照傳統(tǒng)的壓力傳感器制作工藝進(jìn)行后續(xù)的封裝工藝，便可得到性能優(yōu)異的SOI硅高溫超高壓力傳感器。壓力方向與引線布局方向相對(duì)(圖4中箭頭方向即為加壓方向)，從而達(dá)到優(yōu)于0.14％的非線性輸出。
實(shí)施例2量程為100Mpa的壓力傳感器制作方法，下硅片的厚度為750μm，硅與耐熱玻璃環(huán)鍵合溫度為450℃，其余條件同實(shí)施例1。
采用本發(fā)明提供的方法所制作的高溫壓力傳感器與其他高溫壓力傳感器相比較的優(yōu)點(diǎn)是用SOI技術(shù)實(shí)現(xiàn)了傳感器高溫下工作時(shí)的敏感元件和彈性元件的電學(xué)隔離，整個(gè)工藝與半導(dǎo)體工藝十分兼容，便于批量制作。與藍(lán)寶石型高溫壓力傳感器相比較降低了成本，而且由于硅襯底的使用，使得能在傳感器的封裝工藝中用硅和玻璃的靜電鍵合形成邊界條件來(lái)改善由于超高壓力所帶來(lái)的非線性。與金屬敏感元件所制備的壓力傳感器相比較，硅壓阻式傳感器的輸出大。用本發(fā)明的方法制作出的量程在40Mpa～100Mpa范圍的以上的高溫超高壓力傳感器具有優(yōu)于0.14％的非線性和大于100mV的滿量程輸出，以及小于0.1％的遲滯。
權(quán)利要求
1.一種絕緣體上的硅高溫超高壓力傳感器的制作方法，包括采用傳統(tǒng)壓力傳感器封裝工藝，其特征在于用絕緣體上的硅(SOI)技術(shù)解決敏感元件和彈性元件的高溫隔離，以硅和耐熱玻璃環(huán)的靜電鍵合為邊界的鉗制條件實(shí)現(xiàn)高量程和高線性輸出。
2.按權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于高溫隔離和靜電鍵合方法是(1)、作為彈性元件的硅襯底用的單晶硅片(下硅片)和作為敏感元件的單晶硅片(上硅片)分別進(jìn)行氧化；(2)、將上述氧化的兩硅片用濃H2SO4清洗后再用去離子水沖洗；然后二者在1000℃高溫保溫3小時(shí)鍵合；(3)、去除上硅片表面的氧化層，然后用KOH溶液腐蝕減薄上硅片至2-3μm，再B+離子注入摻雜，于900℃活化退火；用金屬鋁作掩模，光刻出電阻全橋圖形，用干法刻蝕出硅浮雕電阻全橋，形成敏感元件；(4)、最后用10％的HF溶液腐蝕去除除敏感元件下面以外的氧化硅，實(shí)現(xiàn)敏感元件和彈性元件間隔離，同時(shí)使耐熱玻璃環(huán)與硅靜電鍵合，鍵合溫度為350～450℃，所加電壓為1000V，形成良好的鉗制邊界條件。
3.按權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于下硅片高溫?zé)嵫趸窃?150℃下，先通15分鐘干氧，接著通3小時(shí)濕氧，最后通15分鐘干氧條件下進(jìn)行的。
4.按權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于所述的上硅片熱氧化是在1150℃下通干氧1小時(shí)條件下進(jìn)行的。
5.按權(quán)利要求1、2、3所述的制作方法，其特征在于上硅片的氧化層厚度為0.1μm，下硅片氧化層厚度為1μm以上。
6.按權(quán)利要求1、2、3所述的制作方法，其特征在于作為彈性元件的單晶硅片厚度隨量程而定，通常壓力傳感器的量程在40～100Mpa范圍下的硅片厚度為500～750μm。
全文摘要
本發(fā)明涉及絕緣體上的硅高溫超高壓力傳感器的制作方法,這種傳感器又稱為S01硅高溫超高壓力傳感器,屬于電子信息領(lǐng)域,本發(fā)明提供的方法最關(guān)鍵的點(diǎn)采用S01技術(shù)解決敏感元件和彈性元件的高溫電隔離,以硅和耐熱玻璃環(huán)的靜電鍵合為邊界的鉗制條件實(shí)現(xiàn)高量程和高線性輸出。用本方法制作的壓力量程在40～100MPa以上的高溫超高壓力傳感器具有優(yōu)于0.15%的非線性和大于100mv的滿量程輸出,以及小于0.1%的遲滯。
文檔編號(hào)G01L1/20GK1254833SQ99124238
公開(kāi)日2000年5月31日 申請(qǐng)日期1999年12月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月10日
發(fā)明者張軒雄, 陸德仁, 王文襄, 揚(yáng)根慶 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海冶金研究所