專(zhuān)利名稱(chēng)：兼有測(cè)量壓強(qiáng)、溫度變化功能的微型硅加速度計(jì)及其加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及兼有測(cè)量壓強(qiáng)、溫度變化功能的微型硅加速度計(jì)，本發(fā)明還涉 及微型硅加速度計(jì)的加工方法。(二) 背景技術(shù)通常加速度計(jì)是一種獨(dú)立的器件，用以測(cè)量加速度。而壓力傳感器和溫敏 元件有做在一起的器件，這樣的器件既可以測(cè)量系統(tǒng)的壓強(qiáng)，又可以測(cè)量環(huán)境 溫度的變化，業(yè)內(nèi)的學(xué)者在八五國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)中，申請(qǐng)了微型硅加速度計(jì) 項(xiàng)目，完成了國(guó)家規(guī)定的驗(yàn)收指標(biāo)，并完成樣管幾百只。其中二梁、四梁、五梁各有樣管一百多只。并于1988年8月6日申請(qǐng)實(shí)用新型專(zhuān)利"雙島-五梁結(jié) 構(gòu)單塊硅加速度傳感器"，于腦年10月19日授權(quán)，專(zhuān)利號(hào)90215390.0， 證書(shū)號(hào)第61778號(hào)。并在九五國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)中實(shí)現(xiàn)了工程化。是國(guó)內(nèi)最 早實(shí)現(xiàn)硅微型加速度傳感器的單位。但至今為止尚未發(fā)現(xiàn)這三種器件一體化的 相關(guān)文章和產(chǎn)品，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越需要傳感器的微型化和多功能 化以及智能化，以適應(yīng)通訊技術(shù)的發(fā)展。(三) 發(fā)明內(nèi)容針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了兼有測(cè)量壓強(qiáng)、環(huán)境溫度功能的微型硅加速 度計(jì)，其具有微型化、多功能化以及智能化的優(yōu)點(diǎn)，既可以測(cè)量系統(tǒng)的壓強(qiáng)、 環(huán)境溫度的變化，還可以測(cè)量加速度，適應(yīng)現(xiàn)代通訊技術(shù)的發(fā)展，為此本發(fā)明 還提供了微型硅加速度計(jì)的加工方法。其技術(shù)方案是這樣的兼有測(cè)量壓強(qiáng)、溫度變化功能的微型硅加速度計(jì)，其包括單片晶向的硅單 晶襯底1，在硅襯底1的兩面覆蓋有復(fù)合膜絕緣層2，硅單晶襯底1正面的二個(gè) 懸臂梁區(qū)設(shè)置四個(gè)熱擴(kuò)散電阻3，組成惠斯頓電橋，其特征在于與二個(gè)懸臂梁 9相連接的質(zhì)量區(qū)是硅體質(zhì)量塊4，而在質(zhì)量塊4的正表面設(shè)置二氧化硅/PSG/ 多晶硅/二氧化硅/多晶硅的多層結(jié)構(gòu)，其中頂部的多晶硅制作成四個(gè)縱向壓阻效應(yīng)的力敏電阻5，中間多晶硅薄膜為壓力傳感器的彈性膜6，而PSG以及多晶 硅彈性膜下面的磷硅玻璃層形成一個(gè)空腔11，鋁內(nèi)線連接四個(gè)縱向壓阻效應(yīng)的 力敏電阻5，組成測(cè)量壓力變化的惠斯頓電橋；而在加速度計(jì)的邊框上設(shè)置硼磷 區(qū)，組成一個(gè)n-p-n三極管的EB結(jié)7。其進(jìn)一步特征在于復(fù)合膜絕緣層2由二氧化硅和氮化硅組成;微型硅加速 度計(jì)的熱擴(kuò)散電阻3的材質(zhì)為熱擴(kuò)散制成單晶硅電阻；所述壓力傳感器的力敏電阻5和內(nèi)引線的材質(zhì)為多晶硅；加速度計(jì)的懸臂梁的力敏電阻材質(zhì)為單晶硅;壓力傳感器的彈性膜6的材質(zhì)為多晶硅。兼有測(cè)量壓強(qiáng)、環(huán)境溫度變化功能的微型硅加速度計(jì)的加工方法，其特征在于其包括以下步驟，取一片厚度為0.3微米-1毫米雙面拋光晶向的單晶硅作襯底1，在襯底兩 面先形成雙面光刻對(duì)準(zhǔn)記號(hào)，然后繼續(xù)氧化并在襯底背面氧化出方形開(kāi)口 8，用 TMAH腐蝕液腐蝕方形開(kāi)口 8中硅表面，深度為5微米-10微米；在硅襯底的兩面覆蓋有二氧化硅和氮化硅組成的復(fù)合膜絕緣層2;采用氧化、光刻、熱擴(kuò)散平面工藝，在硅片正面的二個(gè)懸臂梁區(qū)形成四個(gè)熱擴(kuò)散P型電阻3和溫敏元件n-p-n三極管的EB結(jié)7;在質(zhì)量塊區(qū)的正表面，形成二氧化硅/PSG/多晶硅/二氧化硅/多晶硅的多層 結(jié)構(gòu)，其中頂部的多晶硅用以制作四個(gè)縱向壓阻效應(yīng)的力敏電阻5，采用離子束 機(jī)注入硼原子，能量100Kev，劑量1.6X1015，使其成為P型電阻層；在1100度的高溫氧化爐內(nèi)用氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣體，對(duì)硅片進(jìn)行退火處理0. 5小 時(shí)，然后通過(guò)通干氧-濕氧-干氧時(shí)間的調(diào)節(jié)，使多晶硅表面方塊電阻達(dá)到80歐 姆-100歐姆左右；光刻電阻端頭形成歐姆電極的引線孔區(qū)，然后在引線孔區(qū)內(nèi)進(jìn)行濃硼擴(kuò)散， 形成歐姆接觸區(qū)；光刻正表面質(zhì)量塊區(qū)和懸臂梁區(qū)周?chē)拇┩竻^(qū)10; 背面光刻方形開(kāi)口 8和質(zhì)量塊4; 套刻電阻端頭形成歐姆電極的引線孔區(qū)；采用通過(guò)犧牲層技術(shù)，掏空多晶硅彈性膜下面的磷硅玻璃層，形成一個(gè)空 腔ll;正面蒸鍍鋁膜反刻形成鋁內(nèi)引線，同時(shí)封住腐蝕口；對(duì)襯底背面方形開(kāi)口 8進(jìn)行體微機(jī)械加工濕法腐蝕，當(dāng)腐蝕到離表面50um 時(shí)，經(jīng)處理后用DRIE干法刻蝕技術(shù)刻蝕在硅片正面質(zhì)量塊區(qū)和懸臂梁區(qū)周?chē)?出透區(qū)，與背面相通，最后形成本發(fā)明。通過(guò)上述工藝制作的本發(fā)明，質(zhì)量塊作加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，與質(zhì)量塊相連接的 二個(gè)懸臂梁區(qū)上的四個(gè)力敏電阻受到橫向和縱向的壓阻效應(yīng)，使二個(gè)電阻變大， 二個(gè)電阻變小，造成橋路的不平衡。根據(jù)牛頓第二定律f二ma(其中f為懸臂梁 區(qū)受到質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)時(shí)的壓應(yīng)力或漲應(yīng)力；m是質(zhì)量塊的質(zhì)量大??；a是質(zhì)量塊作 加速運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度量值)，從而在惠斯頓電橋的輸出端產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正 比的電信號(hào)；而在質(zhì)量塊的正表面形成二氧化硅/PSG/多晶硅/二氧化硅/多晶硅 的多層結(jié)構(gòu)，其中頂部的多晶硅用以制作四個(gè)縱向壓阻效應(yīng)的力敏電阻，中間 多晶硅薄膜是作為壓力傳感器的彈性膜，通過(guò)鋁內(nèi)線連接四個(gè)縱向壓阻效應(yīng)的 多晶硅力敏電阻，組成另一個(gè)測(cè)量壓力變化的惠斯頓電橋；而由于EB結(jié)是隨溫 度變化的熱敏元件，當(dāng)環(huán)境溫度升高攝氏1度時(shí)，EB結(jié)的正向壓降就會(huì)降低2 毫伏，從而得到與環(huán)境溫度相關(guān)的電信號(hào)輸出，三種不同物理量(加速度G、壓 強(qiáng)P、溫度T)可以同時(shí)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了微型硅加速度計(jì)向微型化和多功能化以及 智能化方向發(fā)展。(四)


圖1為本發(fā)明俯視的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明主視的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明的加工流程框圖。
具體實(shí)施方式
見(jiàn)圖1、圖2、圖3，本發(fā)明包括單片晶向的硅單晶襯底1，在硅襯底1的 兩面覆蓋有復(fù)合膜絕緣層2，復(fù)合膜絕緣層2由二氧化硅和氮化硅組成;硅單晶 襯底1正面的二個(gè)懸臂梁區(qū)設(shè)置四個(gè)熱擴(kuò)散電阻3，組成惠斯頓電橋，與二個(gè)懸 臂梁相連接的質(zhì)量區(qū)是硅體質(zhì)量塊4，而在質(zhì)量塊4的正表面設(shè)置二氧化硅/PSG/ 多晶硅/二氧化硅/多晶硅的多層結(jié)構(gòu)，其中頂部的多晶硅制作成四個(gè)縱向壓阻 效應(yīng)的力敏電阻5，中間多晶硅薄膜為壓力傳感器的彈性膜6，而PSG以及多晶 硅彈性膜下面的磷硅玻璃層形成一個(gè)空腔11，鋁內(nèi)線連接四個(gè)縱向壓阻效力敏電阻5，組成測(cè)量壓力變化的惠斯頓電橋；而在加速度計(jì)的邊框上設(shè)置硼磷區(qū)，組成一個(gè)n-p-n三極管的EB結(jié)7。微型硅加速度計(jì)的熱擴(kuò)散電阻3的材質(zhì) 為熱擴(kuò)散制成單晶硅電阻；壓力傳感器的力敏電阻5和內(nèi)引線的材質(zhì)為多晶硅; 加速度計(jì)的懸臂梁的力敏電阻材質(zhì)為單晶硅；壓力傳感器的彈性膜6的材質(zhì)為多晶硅。兼有測(cè)量壓強(qiáng)、環(huán)境溫度變化功能的微型硅加速度計(jì)的加工方法，其包括 以下步驟，取一片厚度為0.3毫米-1毫米雙面拋光晶向的單晶硅作襯底1，采用常規(guī) 的氧化光刻工藝，在襯底兩面先形成雙面光刻對(duì)準(zhǔn)記號(hào)，然后繼續(xù)氧化并在襯 底背面氧化出方形開(kāi)口 8，用TMAH腐蝕液腐蝕方形開(kāi)口 8中硅表面，深度為5 微米-10微米；在硅襯底的兩面覆蓋有二氧化硅和氮化硅組成的復(fù)合膜絕緣層2;采用氧化、光刻、熱擴(kuò)散平面工藝，在硅片正面的二個(gè)懸臂梁區(qū)形成四個(gè) 熱擴(kuò)散P型電阻3和溫敏元件n-p-n三極管的EB結(jié)7;在質(zhì)量塊區(qū)的正表面，形成二氧化硅/PSG/多晶硅/二氧化硅/多晶硅的多層 結(jié)構(gòu)，其中頂部的多晶硅用以制作四個(gè)縱向壓阻效應(yīng)的力敏電阻5，采用離子束 機(jī)注入硼原子，能量100Kev，劑量1.6X1015，使其成為P型電阻層；在1100度的高溫氧化爐內(nèi)用氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣體，對(duì)硅片進(jìn)行退火處理0. 5小 時(shí)，然后通過(guò)通干氧-濕氧-干氧時(shí)間的調(diào)節(jié)，使多晶硅表面方塊電阻達(dá)到80歐 姆-100歐姆左右；光刻電阻端頭形成歐姆電極的引線孔區(qū)，然后在引線孔區(qū)內(nèi)進(jìn)行濃硼擴(kuò)散， 形成歐姆接觸區(qū)；光刻正表面質(zhì)量塊區(qū)和懸臂梁區(qū)周?chē)拇┩竻^(qū)10;背面光刻方形開(kāi)口 8和質(zhì)量塊4;套刻電阻端頭形成歐姆電極的引線孔區(qū)；采用通過(guò)犧牲層技術(shù)，掏空多晶硅彈性膜下面的磷硅玻璃層，形成一個(gè)空 腔ll;正面蒸鍍鋁膜反刻形成鋁內(nèi)引線，同時(shí)封住腐蝕口；對(duì)襯底背面方形開(kāi)口 8進(jìn)行體微機(jī)械加工濕法腐蝕，當(dāng)腐蝕到離表面50um時(shí)，經(jīng)處理后用DRIE干法刻蝕技術(shù)刻蝕在硅片正面質(zhì)量塊區(qū)和懸臂梁區(qū)周?chē)?出透區(qū)，與背面相通。最后形成本發(fā)明。
權(quán)利要求
1、兼有測(cè)量壓強(qiáng)、溫度變化功能的微型硅加速度計(jì)，其包括單片晶向的硅單晶襯底(1)，在硅襯底(1)的兩面覆蓋有復(fù)合膜絕緣層(2)，硅單晶襯底(1)正面的二個(gè)懸臂梁區(qū)設(shè)置四個(gè)熱擴(kuò)散電阻(3)，組成惠斯頓電橋，其特征在于與二個(gè)懸臂梁相連接的質(zhì)量區(qū)是硅體質(zhì)量塊(4)，而在質(zhì)量塊(4)的正表面設(shè)置二氧化硅/PSG/多晶硅/二氧化硅/多晶硅的多層結(jié)構(gòu)，其中頂部的多晶硅制作成四個(gè)縱向壓阻效應(yīng)的力敏電阻(5)，中間多晶硅薄膜為壓力傳感器的彈性膜(6)，而PSG以及多晶硅彈性膜下面的磷硅玻璃層形成一個(gè)空腔11，鋁內(nèi)線連接四個(gè)縱向壓阻效應(yīng)的力敏電阻(5)，組成測(cè)量壓力變化的惠斯頓電橋；而在加速度計(jì)的邊框上設(shè)置硼磷區(qū)，組成一個(gè)n-p-n三極管的EB結(jié)(7)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述兼有測(cè)量壓強(qiáng)、溫度變化功能的微型硅加速度計(jì)， 其特征在于復(fù)合膜絕緣層(2)由二氧化硅和氮化硅組成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述兼有測(cè)量壓強(qiáng)、溫度變化功能的微型硅加速度計(jì)， 其特征在于微型硅加速度計(jì)的熱擴(kuò)散電阻(3)的材質(zhì)為熱擴(kuò)散制成單晶硅 電阻。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述兼有測(cè)量壓強(qiáng)、溫度變化功能的微型硅加速度計(jì)， 其特征在于所述壓力傳感器的力敏電阻(5)和鋁內(nèi)線的材質(zhì)為多晶硅。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述兼有測(cè)量壓強(qiáng)、溫度變化功能的微型硅加速度計(jì)， 其特征在于加速度計(jì)的懸臂梁的力敏電阻材質(zhì)為單晶硅。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述兼有測(cè)量壓強(qiáng)、溫度變化功能的微型硅加速度計(jì)， 其特征在于壓力傳感器的彈性膜(6)的材質(zhì)為多晶硅。
7、 兼有測(cè)量壓強(qiáng)、溫度變化功能的微型硅加速度計(jì)的加工方法，其特征 在于其包括以下步驟，取一片厚度為0.3毫米-1毫米雙面拋光晶向的單晶硅作襯底(l)，在襯 底兩面先形成雙面光刻對(duì)準(zhǔn)記號(hào)，然后繼續(xù)氧化并在襯底背面氧化出方形開(kāi) 口(8)，用TMAH腐蝕液腐蝕方形開(kāi)口(8)中硅表面，深度為5微米-IO微米；在硅襯底的兩面覆蓋有二氧化硅和氮化硅組成的復(fù)合膜絕緣層(2); 采用氧化、光刻、熱擴(kuò)散平面工藝，在硅片正面的二個(gè)懸臂梁區(qū)形成四 個(gè)熱擴(kuò)散P型電阻(3)和溫敏元件n-p-n三極管的EB結(jié)(7);在質(zhì)量塊區(qū)的正表面，形成二氧化硅/PSG/多晶硅/二氧化硅/多晶硅的多層結(jié)構(gòu)，其中頂部的多晶硅用以制作四個(gè)縱向壓阻效應(yīng)的力敏電阻(5)，采 用離子束機(jī)注入硼原子，能量100Kev，劑量1. 6X 1015，使其成為P型電阻層；在1100度的高溫氧化爐內(nèi)用氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣體，對(duì)硅片進(jìn)行退火處理0. 5 小時(shí)，然后通過(guò)通干氧-濕氧-干氧時(shí)間的調(diào)節(jié)，使多晶硅表面方塊電阻達(dá)到 80歐姆-100歐姆左右；光刻電阻端頭形成歐姆電極的引線孔區(qū)，然后在引線孔區(qū)內(nèi)進(jìn)行濃硼擴(kuò) 散，形成歐姆接觸區(qū)；光刻正表面質(zhì)量塊區(qū)和懸臂梁區(qū)周?chē)某鐾竻^(qū)；背面光刻方形開(kāi)口 (8)和質(zhì)量塊(4);套刻電阻端頭形成歐姆電極的引線孔區(qū)；采用通過(guò)犧牲層技術(shù)，掏空多晶硅彈性膜下面的磷硅玻璃層，形成一個(gè) 空腔(11);正面蒸鍍鋁膜反刻形成鋁內(nèi)引線，同時(shí)封住腐蝕口；對(duì)襯底背面方形開(kāi)口 (8)進(jìn)行體微機(jī)械加工濕法腐蝕，當(dāng)腐蝕到離表面 50um時(shí)，經(jīng)處理后用DRIE干法刻蝕技術(shù)刻蝕在硅片正面質(zhì)量塊區(qū)和懸臂梁 區(qū)周?chē)某鐾竻^(qū)，與背面相通,最后形成本發(fā)明。
全文摘要
本發(fā)明為兼有測(cè)量壓強(qiáng)、溫度功能的微型硅加速度計(jì)。其既可以測(cè)量系統(tǒng)的壓強(qiáng)、環(huán)境溫度的變化，還可以測(cè)量加速度，本發(fā)明還提供了加工方法。其包括單片晶向的硅單晶襯底(1)，在硅襯底(1)的兩面覆蓋有復(fù)合膜絕緣層(2)，硅單晶襯底(1)正面的二個(gè)懸臂梁區(qū)設(shè)置四個(gè)熱擴(kuò)散電阻(3)，組成惠斯頓電橋，其特征在于與二個(gè)懸臂梁相連接的質(zhì)量區(qū)是硅體質(zhì)量塊(4)，而在質(zhì)量塊(4)的正表面設(shè)置二氧化硅/PSG/多晶硅/二氧化硅/多晶硅的多層結(jié)構(gòu)，其中頂部的多晶硅制作成四個(gè)縱向壓阻效應(yīng)的力敏電阻(5)，中間多晶硅薄膜為壓力傳感器的彈性膜(6)，而PSG以及多晶硅彈性膜下面的磷硅玻璃層形成一個(gè)空腔11，鋁內(nèi)線連接四個(gè)縱向壓阻效應(yīng)的力敏電阻(5)，組成測(cè)量壓力變化的惠斯頓電橋；而在加速度計(jì)的邊框上設(shè)置硼磷區(qū)，組成一個(gè)n-p-n三極管的EB結(jié)(7)。
文檔編號(hào)G01P15/12GK101329361SQ200810123700
公開(kāi)日2008年12月24日 申請(qǐng)日期2008年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月30日
發(fā)明者沈紹群 申請(qǐng)人:無(wú)錫市納微電子有限公司