專利名稱：梁膜一體結構諧振梁壓力傳感器芯片及制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微結構傳感器的制造方法，特別是一種梁膜一體結構的諧振式壓力傳感器芯片的制造方法。
背景技術：
微機械諧振式壓力傳感器因其精度高、穩(wěn)定性好、體積小、易批量生產等一些優(yōu)良的特性，被譽為新一代的壓力傳感器，是微電子機械(MEMS)技術繼壓阻式壓力傳感器之后的又一項典型應用。為了隔離待測介質及增加了壓力靈敏度，微諧振式壓力傳感器通常并不直接反映壓力的變化，即外加待測壓力并不直接作用于諧振器，而是通過壓力膜間接改變諧振器的剛度，從而改變諧振頻率，屬于二次敏感原理。其制造方法有兩大類，一類是梁膜分體，需要兩塊硅片，通過減薄鍵合等工藝再結合成一整體，缺點是涉及鍵合，工藝復雜，成品率不高；另一類應用表明微機械技術，在單一硅片上完成梁膜的制作，常用犧牲層技術釋放諧振梁，犧牲層可以是二氧化硅、多晶硅、多孔硅等，其中多孔硅因制作、去除相對容易，而且厚度可以達到幾百微米，而受到廣泛的關注。在犧牲層厚度的選擇上存在矛盾，如果犧牲層太薄，橫向鉆蝕釋放諧振梁就比較困難，還存在粘連現象，就是梁與下面的襯底層粘在一起，影響梁的振動。而如果犧牲層太厚，壓力膜的厚度就不能很小，至少大于犧牲層的厚度，這就限制的傳感器靈敏度的提高。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服上述方法的缺點，提供一種梁膜一體結構諧振式壓力傳感器芯片及制造方法，設法改變傳感器的結構，消除了犧牲層厚度限制靈敏度提高的影響，既簡化工藝，降低工藝難度，同時又能保證有較高的壓力靈敏度。
本發(fā)明的目的是通過以下方法實現的本發(fā)明一種梁膜一體結構諧振梁壓力傳感器芯片，其特征在于，其中包括一硅片，硅片上制作有一層氮化硅薄膜；在氮化硅薄膜和硅片上開有一凹槽，該凹槽概似一工字形，形成兩矩形半島，該兩矩形半島上的氮化硅連通為諧振梁；該硅片上開的凹槽周圍為矩形框架，該凹槽的底部為矩形壓力膜。
其中所述的硅片為低電阻率單晶硅片。
其中所述的氮化硅薄膜是低壓化學氣相沉積生長的低應力厚氮化硅，厚度2微米以上。
其中所述的半島是長方體形，寬度是諧振梁的3倍以上。
本發(fā)明一種梁膜一體結構諧振梁壓力傳感器芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步驟1)在P型(100)晶向低電阻率的雙面拋光單晶硅片上，采用低壓化學氣相沉積方法沉積低應力厚氮化硅薄膜，用于制作諧振梁；2)應用光刻剝離方法濺射鉑電阻，制作激振、拾振及測溫電阻，蒸發(fā)或濺射金作電極引線；3)反應離子刻蝕氮化硅，制作氮化硅梁及半島結構，陽極氧化生長多孔硅，利用多孔硅生長的橫向鉆蝕特性，使氮化硅梁底下的硅都變成多孔硅；4)在硅片背面各向同性或各向異性腐蝕C型硅杯感壓膜形成硅框架，用稀氫氧化鉀溶液腐蝕多孔硅以釋放出氮化硅梁，完成壓力傳感器芯片的制造。
其中所述的硅片為低電阻率單晶硅片。
其中所述的氮化硅薄膜是低壓化學氣相沉積生長的低應力厚氮化硅，厚度2微米以上。
其中所述的激振、拾振電阻及測溫電阻均采用鉑薄膜電阻。
其中所述的氮化硅諧振梁由兩個半島結構支撐。
其中通過多孔硅陽極氧化技術制作正面半島型結構。
其中多孔硅的生長深度保證氮化硅梁底下的單晶硅全部多孔化。
其中所述的半島是長方體形，寬度是梁寬的3倍以上，厚度與多孔硅深度相同。
圖1是本發(fā)明新型梁膜一體結構諧振式壓力傳感器芯片結構示意圖；圖2是本發(fā)明梁膜一體結構諧振式壓力傳感器芯片制造工藝流程圖。
具體實施例方式
請參閱圖1所示，本發(fā)明一種梁膜一體結構諧振梁壓力傳感器芯片，其中包括一硅片11，硅片11上制作有一層氮化硅薄膜12，所述的硅片11為低電阻率單晶硅片；所述的氮化硅薄膜12是低壓化學氣相沉積LPCVD生長的低應力厚氮化硅，厚度2微米以上。
在氮化硅薄膜12和硅片11上開有一凹槽17，該凹槽17概似一工字形，形成兩矩形半島14，該兩矩形半島14上的氮化硅12連通為諧振梁13；所述的半島14是長方體形，寬度是諧振梁13的3倍以上。
該硅片11上開的凹槽17周圍為矩形框架16，該凹槽17的底部為矩形壓力膜15。
請參閱圖2，本發(fā)明一種梁膜一體結構諧振梁壓力傳感器芯片的制造方法，包括以下步驟1)在P型(100)晶向低電阻率的雙面拋光單晶硅片21上，采用低壓化學氣相沉積方法沉積低應力厚氮化硅薄膜22，用于制作諧振梁(圖2a)；所述的硅片21為低電阻率單晶硅片；所述的氮化硅薄膜22是低壓化學氣相沉積生長的低應力厚氮化硅，厚度2微米以上；2)應用光刻剝離方法濺射鉑電阻，制作激振、拾振及測溫電阻23，蒸發(fā)或濺射金作電極引線24(圖2b)；所述的激振、拾振電阻及測溫電阻23均采用鉑薄膜電阻；3)反應離子刻蝕氮化硅22，制作氮化硅梁及半島結構，陽極氧化生長多孔硅25，利用多孔硅生長的橫向鉆蝕特性，使氮化硅梁底下的硅都變成多孔硅25(圖2c)；多孔硅25的生長深度保證氮化硅梁底下的單晶硅全部多孔化；所述的半島是長方體形，寬度是梁寬的3倍以上，厚度與多孔硅深度相同；所述的氮化硅諧振梁由兩個半島結構支撐；該半島結構是通過多孔硅陽極氧化技術制作正面半島型結構；4)在硅片背面各向同性或各向異性腐蝕C型硅杯感壓膜26形成硅框架27，用稀氫氧化鉀(KOH)溶液腐蝕多孔硅以釋放出氮化硅梁，完成壓力傳感器芯片的制造(圖2d)。
本發(fā)明改進諧振梁結構設計，使梁僅由兩個半島支撐，并通過多孔硅犧牲層技術實現梁的釋放，無需鍵合與減薄工藝即可完成諧振式壓力傳感器芯片的制造，同時保證有較高的靈敏度。這對提高成品率，降低成本，實現批量生產有重要的意義。有限元模擬分析及實驗結果證實了采用這種新型結構的有效性。
權利要求
1.一種梁膜一體結構諧振梁壓力傳感器芯片，其特征在于，其中包括一硅片，硅片上制作有一層氮化硅薄膜；在氮化硅薄膜和硅片上開有一凹槽，該凹槽概似一工字形，形成兩矩形半島，該兩矩形半島上的氮化硅連通為諧振梁；該硅片上開的凹槽周圍為矩形框架，該凹槽的底部為矩形壓力膜。
2.按權利要求1所述的梁膜一體結構諧振梁壓力傳感器芯片，其特征在于，其中所述的硅片為低電阻率單晶硅片。
3.按權利要求1所述的梁膜一體結構諧振梁壓力傳感器芯片，其特征在于，其中所述的氮化硅薄膜是低壓化學氣相沉積生長的低應力厚氮化硅，厚度2微米以上。
4.按權利要求1所述的梁膜一體結構諧振梁壓力傳感器芯片，其特征在于，其中所述的半島是長方體形，寬度是諧振梁的3倍以上。
5.一種梁膜一體結構諧振梁壓力傳感器芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步驟1)在P型(100)晶向低電阻率的雙面拋光單晶硅片上，采用低壓化學氣相沉積方法沉積低應力厚氮化硅薄膜，用于制作諧振梁；2)應用光刻剝離方法濺射鉑電阻，制作激振、拾振及測溫電阻，蒸發(fā)或濺射金作電極引線；3)反應離子刻蝕氮化硅，制作氮化硅梁及半島結構，陽極氧化生長多孔硅，利用多孔硅生長的橫向鉆蝕特性，使氮化硅梁底下的硅都變成多孔硅；4)在硅片背面各向同性或各向異性腐蝕C型硅杯感壓膜形成硅框架，用稀氫氧化鉀溶液腐蝕多孔硅以釋放出氮化硅梁，完成壓力傳感器芯片的制造。
6.按權利要求5所述的梁膜一體結構諧振梁壓力傳感器芯片的制造方法，其特征在于，其中所述的硅片為低電阻率單晶硅片。
7.按權利要求5所述的梁膜一體結構諧振梁壓力傳感器芯片的制造方法，其特征在于，其中所述的氮化硅薄膜是低壓化學氣相沉積生長的低應力厚氮化硅，厚度2微米以上。
8.按權利要求5所述的梁膜一體結構諧振梁壓力傳感器芯片的制造方法，其特征在于，其中所述的激振、拾振電阻及測溫電阻均采用鉑薄膜電阻。
9.按權利要求5所述的梁膜一體結構諧振梁壓力傳感器芯片的制造方法，其特征在于，其中所述的氮化硅諧振梁由兩個半島結構支撐。
10.按權利要求5所述的梁膜一體結構諧振梁壓力傳感器芯片的制造方法，其特征在于，其中通過多孔硅陽極氧化技術制作正面半島型結構。
11.按權利要求5所述的梁膜一體結構諧振梁壓力傳感器芯片的制造方法，其特征在于，其中多孔硅的生長深度保證氮化硅梁底下的單晶硅全部多孔化。
12.按權利要求5所述的梁膜一體結構諧振梁壓力傳感器芯片的制造方法，其特征在于，其中所述的半島是長方體形，寬度是梁寬的3倍以上，厚度與多孔硅深度相同。
全文摘要
一種梁膜一體結構諧振梁壓力傳感器芯片及制造方法，特點是在單一硅片正面制作諧振梁在背面制作壓力敏感膜，諧振梁由兩個半島結構支撐，通過多孔硅犧牲層技術實現，材料選用低應力厚氮化硅。這樣不僅簡化微諧振式壓力傳感器的制作工藝，而且提高了壓力靈敏度。
文檔編號G01L1/10GK1485599SQ02143360
公開日2004年3月31日 申請日期2002年9月26日 優(yōu)先權日2002年9月26日
發(fā)明者陳德勇, 崔大付, 王利 申請人:中國科學院電子學研究所