壓力傳感器制造技術

公開了一種ＢＥＳＯＩ技術中的壓阻式壓力傳感器，其特別適于測量較小的壓力并且具有較小的線性誤差。壓力傳感器由具有第一和第二硅層（１，３）以及布置在其間的氧化層（５）的ＢＥＳＯＩ晶片制成。壓力傳感器具有由ＢＥＳＯＩ晶片的第一硅層（１）形成的有源層（７），在該有源層中摻雜壓阻元件（９）；壓力傳感器還具有由ＢＥＳＯＩ晶片的第二硅層（３）形成的膜托架（１１），其在外部圍繞第二硅層（３）中的凹座（１３），通過該凹座暴露有源層（７）的以及與之連接的氧化層（５）的形成膜（１５）的區域，其中，在氧化層（５）的通過凹座（１３）暴露的區域（２１）的外邊緣中提供圍繞該區域（２１）的溝槽（１９）。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及一種壓力傳感器。
技術介紹
壓力傳感器用于檢測壓力并且例如應用于工業測量技術中使用的 壓力測量儀表中。在壓力測量技術中，通常用作壓力傳感器的是所謂的半導體傳感 器，例如摻雜了壓阻電阻元件的硅芯片。這種類型的半導體傳感器包 括布置在托架上的測量膜，在測量操作中它的一側暴露于待測壓力。 通常，壓力傳感器芯片非常敏感并且因而不直接暴露于壓力待記錄的 介質。作為代替，插入由液體填充的壓力傳遞器件。作用于測量膜的 壓力使得測量膜產生依賴于壓力的偏轉，這由摻雜的電阻元件檢測并 轉換為電子信號，然后該電子信號可用于進一步的處理和/或分析。今天通常例如通過使用硅絕緣體(SOI)技術而在硅襯底上制造半 導體傳感器。這里，優選地BESOI (Bonded and etchback silicon on insulator:硅片鍵合及反面蝕刻)晶片用作起始材料。BESOI晶片是利 用"硅直接鍵合"而生產的。為此，兩個氧化硅晶片放在一起并且在 壓力和高溫下鍵合。以這種方式，獲得一個三層晶片，其中， 一個氧 化層位于兩個硅層之間。內埋的氧化層被稱為BOX,其厚度為幾nm 直至幾Hm。這個復合物從一側被打薄并拋光。這個打薄且拋光的面成 為有源層。有源層可以為幾厚并且例如被稱為器件晶片或表層硅 (SOL)。利用如今的制造處理，可以非常精確、均勻且具有高可復制 性地生產有源層的厚度。將BESOI晶片用于制造壓力傳感器的一個主要優點是，內埋的氧 化層(BOX)形成可靠的蝕刻止擋。這用于制造電容式壓力傳感器的 可移動電極。然而，還已知一些方法將BESOI晶片應用于制造壓阻式壓力傳感器°在2000年出版的Journal of Mechanical Engineering第10巻第 204-208行中由A. Merlos、 J, Santander、 M.D. Alvares和F. Campabadal 撰寫的文章"Optimized technology for the fabrication of piezoresistive pressure sensors"中描述了一種這樣的方法。其中顯示，可以利用BESOI 晶片生產在膜的整個區域上具有恒定的精確限定的膜厚度的傳感器芯 片。特別地，可以利用非常薄的膜生產壓阻式傳感器，膜的最小厚度 容差小于lpm。為此，在與有源層相對的硅層中蝕刻一個凹座，膜通 過該凹座而暴露。這里，內埋的氧化層用作蝕刻止擋。在蝕刻步驟之 后剩余的硅層外邊緣在外部毗連凹座并且形成用于通過凹座而暴露的 膜的托架。在這個蝕刻步驟之后，通過附加的蝕刻步驟除去氧化層的 用作蝕刻止擋的區域。壓阻式壓力傳感器的敏感度與膜的厚度成反比。膜越薄，傳感器 越敏感。然而，傳感器的非線性度隨著膜變薄而增大。從摻雜的電阻 讀出的電子測量信號在理想情況中隨作用于膜的壓力而線性上升。膜 越薄，偏離這個期望的線性關系越明顯。特別是在用于測量較小壓力 并因而需要較薄的膜的壓力傳感器的情況中，這導致測量誤差，或者 使得為了補償這樣的測量誤差而需要更高的付出。對于這個問題的一個解決方案是為膜裝備剛性的中心。這種剛性 的中心例如通過合適地加工硅以提供位于中心的硅基座而在膜的遠離 有源層的后側上制成。基座的高度略小于圍繞基座外部的膜托架的高 度。以這種方式，保證了基座僅由膜支承，并且特別地保證了基座不靠在支承膜托架的支座上。基座和膜托架通過圍繞基座的圓柱形間隙 而彼此分離，膜的外邊緣通過該間隙而暴露。以這種方式，可以獲得 較高的敏感度相對于非線性度的比率。然而，剛性的中心意味著膜整 體更僵硬并因而不敏感。比率的增加意味著壓力傳感器的敏感度降低， 這特別是在測量較小壓力的情況中是缺點。在這種情況中往往必須采 取折中。在US-A 2005/0274191中公開了一種方法，利用它可以增加壓阻 式壓力傳感器的敏感度。為此，有源層緊鄰摻雜的壓阻元件的部分被 蝕刻掉，使得該元件被溝槽圍繞。溝槽的深度約等于摻雜的電阻的厚 度。溝槽起到應力集中器的作用并且因而使得傳感器的敏感度提高， 而無需增大膜或者在很大面積上減小膜的厚度。然而，這個方法具有以下缺點在測量操作中暴露于待測壓力的 膜的前側面上會發生依賴于溫度的應力狀態，這種應力狀態是由于硅 和內埋的氧化層的不同熱膨脹系數以及兩個膜側面的不同幾何形狀而 引起的。這些應力狀態依賴于溫度并導致測量誤差。由于這些熱應力 狀態緊鄰摻雜的壓阻元件發生并且這些元件對于應力有非常敏感的反 應，所以這種效果特別強烈。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種BESOI技術的壓阻式壓力傳感器，其特 別適于測量較小的壓力并且具有較小的線性度誤差。為此，本專利技術在于一種由BESOI晶片制造的壓力傳感器，該BESOI 晶片具有第一和第二硅層以及設置在其間的氧化層，其中- 該壓力傳感器具有由BESOI晶片的第一硅層形成的有源層， 在該有源層中摻雜有壓阻元件；并且- 該壓力傳感器具有由BESOI晶片的第二硅層形成的膜托架，- 該膜托架在外側圍繞第二硅層中的凹座，通過該凹座暴露有7源層的以及與之連接的氧化層的形成膜的區域，以及- 其中，在氧化層的通過凹座暴露的區域的外邊緣中提供圍繞 該區域的槽。在一個進一步發展中，槽是氧化層中的凹座，其截面具有磨圓的 幾何形狀。在另一進一步發展中，摻雜的壓阻元件在膜中布置在膜頂面上的 與槽在相對的膜底面上延伸的位置相應的位置上。在另一進一步發展中，由有源層的區域和氧化層的與其相連的區 域形成的膜具有正方形的基面，并且壓阻元件布置在有源層的這個區 域的拐角中。本專利技術還在于一種用于從具有第一和第二硅層以及布置在其間的氧化層的BESOI晶片制造本專利技術的壓力傳感器的方法，其中- 由第一硅層形成有源層，在該有源層中摻雜壓阻元件；- 由第二硅層形成膜托架，- 該膜托架在外側圍繞第二硅層中的凹座，通過該凹座暴露有 源層的以及與之連接的氧化層的形成膜的區域，其中在凹座的區域中 存在的硅被利用蝕刻方法而除去，其中氧化層用作蝕刻止擋；以及- 在氧化層的通過凹座暴露的區域的外邊緣中，利用各向同性 的蝕刻方法蝕刻出圍繞該區域的槽。在方法的進一步發展中，這樣產生槽- 利用光刻法施加光掩膜；- 使用化學活性氣體，特別是使用CF4 + 02或SF6 + 02，利用 純等離子蝕刻在氧化層中蝕刻出槽；以及- 除去光掩膜。在方法的第一變型中，這樣產生槽-- 利用光刻法施加光掩膜；- 利用各向同性的濕法化學過程，特別是使用對于硅和氧化硅 具有不同蝕刻速率的氫氟酸、硝酸和乙酸構成的蝕刻溶液，在氧化層 中蝕刻出槽；以及- 除去光掩膜。在方法的第二變型中，這樣產生槽- 利用光刻法施加光掩膜；- 利用各向同性的濕法化學蝕刻過程與各向同性的干法化學蝕 刻過程的結合，在氧化層中蝕刻出槽，其中濕法化學蝕刻過程特別地 使用利用氟化銨緩沖的氫氟酸(BHF)，干法化學蝕刻特別地是深反應 離子蝕刻(DRIE);以及- 除去光掩膜。本專利技術的壓力傳感器提供以下優點在為了測量較小的壓力(特別是壓力小于100 mbar)而需要20 pm量級的較小膜厚度的情況下， 壓力傳感器由于設置在膜底面上的氧化層而具有較小的線性度誤差。 這里，氧化層以與剛性中心相同的方式影響線性度，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
由ＢＥＳＯＩ晶片制造的壓力傳感器，該ＢＥＳＯＩ晶片具有第一和第二硅層（１，３）以及設置在該第一和第二硅層之間的氧化層（５），　－該壓力傳感器具有由ＢＥＳＯＩ晶片的第一硅層（１）形成的有源層（７），在該有源層中摻雜有壓阻元件（９）；并且 　－該壓力傳感器具有由ＢＥＳＯＩ晶片的第二硅層（３）形成的膜托架（１１），　－－該膜托架在外側圍繞第二硅層（３）中的凹座（１３），通過該凹座暴露有源層（７）的以及與該有源層連接的氧化層（５）的形成膜（１５）的區域，　－其中 ，在氧化層（５）的通過凹座（１３）暴露的區域（２１）的外邊緣中提供圍繞該區域（２１）的槽（１９）。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：伊戈爾格特曼，迪特爾施托爾塞，英圖安塔姆，
申請(專利權)人：恩德萊斯和豪瑟爾兩合公司，
類型：發明
國別省市：DE[德國]