基于牺牲层技术的多晶硅纳米膜压力传感器芯片
本文关键词：基于牺牲层技术的多晶硅纳米膜压力传感器芯片，，由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】：硅基压阻式压力传感器应用广泛,在传感器中具有十分重要的地位。该传感器的发展方向是小型化、高灵敏度、良好温度特性和集成化,为此学者们对半导体力敏材料和传感器结构进行了深入研究。研究表明多晶硅纳米薄膜具有良好的压阻特性,并较好地应用于体硅压力传感器。但该材料现有的的压阻系数算法理论推导存在一定欠缺,且该材料的应用范围亟待扩大。为了改进多晶硅的压阻系数算法,本文提出了一种p型多晶硅纳米薄膜压阻系数算法,该算法计算的应变因子(GF)与测试结果具有良好的一致性。并且,为了有效利用多晶硅纳米薄膜的优良压阻特性,设计研制了一种以多晶硅纳米薄膜为力敏电阻的牺牲层压阻式压力传感器芯片,该传感器芯片具有体积小、满量程输出高、过载能力强和易集成的优点,应用前景良好。隧道压阻理论利用量子隧道效应和能带退耦分裂理论,阐明了隧道压阻效应的形成机理,在此基础上建立了多晶硅压阻特性的新模型——隧道压阻模型(TPM),该理论较好解释了重掺杂p型多晶硅纳米薄膜应变因子较高的现象。但是,现有的基于该理论的压阻系数算法以p型单晶硅压阻实测数据拟合曲线为基础求取压阻系数与掺杂杂质浓度关系模型,且只给出压阻系数π44模型。因此,该算法需要改进。本文根据硅价带和空穴电导有效质量随应力改变的机理,采用多晶硅隧道压阻模型,提出了一种多晶硅纳米薄膜压阻系数算法。该算法给出了p型多晶硅纳米薄膜压阻系数与掺杂浓度关系式,其中包括基础压阻系数π11、π12和π44,并可以依此求取任意比例晶向排列的多晶硅应变因子。依据该算法绘制了多晶硅纳米薄膜应变因子与掺杂浓度关系曲线,与测试数据对比具有较好的一致性。表明提出的压阻系数算法合理地解释了多晶硅纳米薄膜应变因子与掺杂浓度关系,丰富了压阻理论。为了充分发挥多晶硅纳米薄膜压阻特性,以及牺牲层传感器的体积小、易集成的优点,本文研制了一种以p型多晶硅纳米薄膜为力敏电阻的牺牲层压阻式压力传感器芯片,该传感器芯片以硅为衬底,一个台阶型多晶硅膜片与衬底构成真空腔,密封的刻蚀孔排列在膜片四周,膜片上的四个力敏电阻用金属连接构成惠斯通电桥,将压力转换为电压输出。采用有限元分析软件,使用大变形和非线性接触方法对结构进行优化设计。利用多晶硅具有较高的抗拉强度的特点,给出了根据量程设计多晶硅膜片尺寸的方法,通过调整腔体高度提高了传感器的过载能力。依据传感器结构设计了传感器的工艺步骤。在工艺步骤中,使用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术淀积二氧化硅,采用低压化学气相淀积(LPCVD)技术淀积多晶硅,使用湿法腐蚀技术去掉牺牲层,采用等离子体刻蚀技术制备腐蚀孔,采用离子注入技术掺杂硼杂质,采用溅射技术淀积金属,采用退火工艺减少多晶硅膜片内应力和激活杂质,采用叔丁醇冷却干燥方法防止膜片与腔体底部黏附。依据设计结构和工艺步骤,本文试制了四批传感器样片,其中第一批样片因漏气而失效,通过改进工艺第二批样片解决了漏气问题,但由于无压力时膜片与衬底黏附,传感器灵敏度很低。调整工艺方法试制了第三批样片,但由于使用低浓度腐蚀液导致牺牲层没有腐蚀干净。在调整腐蚀液浓度后试制的第四批样品达到设计要求。量程为2.5MPa的传感器样片测试结果表明:在25℃,5V电压源供电的满量程输出为362mV,非线性为0.21%FS,重复性为0.22%FS,迟滞为0.22%FS,过载压力为18MPa;在-55℃~150℃范围内,热零点漂移为㧟0.01%FS/℃,热灵敏度漂移为㧟0.1%FS/℃。与已报道的牺牲层压阻式压力传感器比较,研制的传感器量程和工作温度范围宽,满量程输出高,线性和迟滞性能好,但热灵敏度漂移稍差。与当前著名传感器企业生产的相近量程硅基压力传感器比较,研制的传感器具有体积小、满量程输出高和过载能力强的优点。具体地说,试制传感器样品实现了满量程输出扩大3倍以上,且具有良好的线性性能;试制传感器实现了过载能力是满量程的7倍以上,与典型的2~5倍满量程过载能力相比,过载能力明显提高;但重复性和热灵敏度漂移性能稍差,需要在进一步研究中改进。
【关键词】：压力传感器 多晶硅纳米薄膜 牺牲层 过载能力 压阻系数
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212
【目录】：
- 摘要4-6
- Abstract6-12
- 第1章 绪论12-31
- 1.1 课题的目的和意义12-13
- 1.2 多晶硅压阻特性研究概述13-18
- 1.2.1 单晶硅压阻效应模型14
- 1.2.2 多晶硅迁移率模型14-15
- 1.2.3 多晶硅基于单晶硅压阻效应的模型15-16
- 1.2.4 多晶硅考虑势垒区压阻效应的模型16-17
- 1.2.5 多晶硅隧道压阻模型及算法17
- 1.2.6 多晶硅上下限近似模型17-18
- 1.2.7 小结18
- 1.3 硅压阻式压力传感器研究概述18-26
- 1.3.1 硅压阻式压力传感器分类概述19-20
- 1.3.2 硅压阻式压力传感器发展概述20-21
- 1.3.3 牺牲层压阻式压力传感器研究概述21-26
- 1.3.4 小结26
- 1.4 牺牲层工艺关键技术研究概述26-29
- 1.4.1 多晶硅薄膜的内应力调整26-28
- 1.4.2 防黏附技术28-29
- 1.5 课题研究主要内容29-31
- 第2章 多晶硅纳米薄膜压阻系数算法31-59
- 2.1 引言31
- 2.2 P型多晶硅纳米薄膜表观和压阻特性概述31-34
- 2.2.1 多晶硅纳米薄膜表观32
- 2.2.2 多晶硅纳米膜压阻特性32-34
- 2.3 P型多晶硅能带和导电机理34-37
- 2.3.1 p型多晶硅能带结构34-36
- 2.3.2 电流传输方式36-37
- 2.4 隧道压阻模型37-41
- 2.4.1 多晶硅隧道压阻模型37-39
- 2.4.2 隧道压阻模型验证39-41
- 2.5 P型多晶硅纳米薄膜压阻系数算法41-58
- 2.5.1 p型单晶硅价带及电导有效质量随应力变化关系41-43
- 2.5.2 p型多晶硅纳米薄膜晶粒中性区压阻系数43-48
- 2.5.3 p型多晶硅纳米薄膜晶界势垒区的压阻系数48-50
- 2.5.4 p型多晶硅纳米薄膜等效隧道电阻的压阻系数50-53
- 2.5.5 p型多晶硅纳米薄膜复合晶界的压阻系数53-54
- 2.5.6 p型多晶硅纳米薄膜的应变因子54-58
- 2.6 本章小结58-59
- 第3章 牺牲层结构多晶硅纳米膜压阻式压力传感器设计59-82
- 3.1 传感器结构设计59-71
- 3.1.1 电阻尺寸设计62-63
- 3.1.2 膜片尺寸设计63-69
- 3.1.3 过载能力设计69-71
- 3.2 传感器工艺设计71-80
- 3.2.1 工艺选择72-78
- 3.2.2 减少膜片内应力和防黏附方法78-79
- 3.2.3 工艺步骤79-80
- 3.3 本章小结80-82
- 第4章 传感器芯片研制与测试82-102
- 4.1 传感器性能指标计算方法82-84
- 4.2 第一批样品测试结果和讨论84-85
- 4.3 第二批样品测试结果和讨论85-92
- 4.4 第三批和第四批样品测试结果和讨论92-101
- 4.5 本章小结101-102
- 第5章 结论102-103
- 参考文献103-112
- 在学研究成果112-113
- 致谢113
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