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SOI技術在高溫壓力傳感器製造上的應用優勢與前景

發布時間:2017-8-26      發布人:向日葵网站傳感      點擊:

SOI(Silicon On Insulator)高溫壓力傳感器具有耐高溫,低功耗,抗輻照能力優異等特點,在未來具有廣闊的市場前景。如何製作與生產適宜高溫環境下應用的壓力傳感器,一直受到國內外眾多生產企業與用戶的關注。SOI高溫壓力傳感器從原理上說是一種矽壓阻式壓力傳感器。利用SOI的單晶矽膜製備的壓敏電阻條,其靈敏度較多晶矽電阻條高,且在高溫下仍具有較好的壓阻效應;在相同尺寸下,SOI結構的漏電流比矽PN結低3個數量級,因此SOI材料適合研製高溫壓力傳感器。

高溫壓力傳感器

多晶矽高溫壓力傳感器是目前傳感器市場上用於在高溫壓力測量領域中替代擴散矽壓力傳感器理想產品,但多晶矽在結構上存在長程無序性,使多晶矽電阻膜的靈敏度要低於單晶矽電阻膜的靈敏度。如果用單晶矽電阻膜替代多晶矽電阻膜,可以獲得良好的高溫性能和更高的靈敏度。

利用單晶矽(Single-crystalline silicon)取代多晶矽有兩種可行的方式。第一是量產微機械加工(Bulk micromachining),利用深層蝕刻技術將量產晶圓與基板區隔開來;這種技術適合應用在垂直高度大於100mm的材料結構。然而這種作法麵臨的挑戰則是須精準地控製蝕刻深度,且在MEMS結構底下進行橫向的蝕刻,其作業難度會更高。第二種方法則是使用SOI,這種技術提供單晶矽的所有優點,加上固定的薄膜厚度確保能針對移動零件生產出精準的振蕩頻率。基於這種想法,天津大學姚素英教授等人,目前正對單晶矽SOI高溫壓力傳感器的可行性以及製作工藝進行深入的研究。該傳感器用單晶矽材料做應變電阻,並以一層SiO2薄膜將矽襯底與應變電阻層隔離,形成單晶矽SOI結構。其製作方法是,用矽片直接鍵合減薄的單晶矽SOI材料,襯底為高電阻率P型單晶矽,然後對單晶矽進行高濃度B擴散,並用等離子體幹法刻蝕電阻條,用LPCVD法雙麵澱積Si3N4保護膜,背麵光刻腐蝕窗口,各向異性腐蝕矽杯;最後光刻引線孔,並做多層金屬化。上述步驟完成後,再對芯片進行靜電封接、壓焊、封裝等後道工序。

SOI技術最初是用來針對軍事與太空領域研發與生產高可靠度的電子零件,但如今則應用在主流市場的高效能IC,如超高速的微處理器。就像各種電子應用,SOI很快就吸引了MEMS、光學MEMS、微光電型電路、及其它需要應用類似材料設計者的目光。在SOI結構中,單晶矽薄膜與單晶矽基板之間透過埋入式非固定型二氧化矽(buried amorphous SiO2)加以隔離,因此SiO2架構在這類應用中能提供許多優點。大量鑄造SOI晶圓主要是運用Smart Cut技術。氫布植的能量會決定單晶矽層的厚度與均勻度,而單矽晶層是從一個「種子」晶圓轉換成「生產」晶圓的。種子晶圓可重複循環回收,供日後生產之用。埋入氧化層(Buried oxide)是傳統的熱氧化層(thermal oxide),運用標準的布植工具可生產出厚度為1.5mm、均勻度低於5% (3s)的矽薄膜。將離子能量提高至>200keV可提高薄膜厚度,但業者通常在SOI晶圓上采用更簡單的傳統磊晶長成技術,將薄膜厚度提高至數微米。這種技術的好處是不會受限於SOI。MEMS產業在這方麵采用的多層式材料包括熔融石英層上覆矽,或石英、玻璃層上覆矽、氧化矽上覆碳化矽(SiC)、氧化矽上覆磷化銦(InP)或砷化镓(GaAs)等材料。與多晶矽壓力傳感器相比,單晶矽做應變電阻材料,具有較高的靈敏度,單晶矽材料具有相同高的縱向和橫向靈敏因子,有利於設計優良的壓阻電橋,保證傳感器有最大的輸出;應變電阻與襯底之間用SiO2介質層隔離,減小了漏電流,顯著提高了傳感器的工作溫度範圍;由於Si與SiO2之間的直接鍵合,接觸麵很匹配,沒有其它過濾層,避免了附加應力的產生,提高了傳感器的電學與力學特性;同時,單晶矽SOI傳感器的製作工藝與傳統的CMOS製作工藝兼容,易於實現集成化。所以這是一種性能理想的高溫壓力傳感器。微機電係統(MEMS)目前正經曆一場大革命。愈來愈多的業者從量產型矽晶圓轉移至絕緣層上覆矽(Silicon-on-insulator,SOI)─這波革命背後最主要的推動力量,是因為芯片製造商愈來愈了解到SOI能提升效能與功能,並能解決各種功耗問題。

目前,美國Kulite公司采用BESOI(Back-etching SOI)技術研發了XTEH-10LAC-190(M)係列高溫表壓傳感器,實現了無引線封裝,可在480℃下長期穩定工作,代表了目前SOl壓力傳感器的最高水平。2009年,馬裏蘭大學-巴爾迪默分校的Guo Shuwen等人研製了基於極薄重摻雜壓阻膜的SOI高溫壓力傳感器,在將壓阻膜厚度減小到0.34um、載流子濃度提高到2×l018cm3時,傳感器短時間最高工作溫度達到600℃;傳感器在500℃高溫下連續工作50個小時後,滿量程輸出偏離小於0.19%。除此以外,意大利Gefan公司和法國的LET1研究所研製的SOI高溫壓力傳感器均能在400℃下穩定工作。國內西安交通大學采用SIMOX(Separation by Implantation of Oxygen)技術成功研發出能在250℃下工作的壓力傳感器產品,天津大學、中北大學也進行了相關的研究,目前仍處於原理樣機階段,主要指標及長期穩定性較Kulite的產品仍有較大差距,高溫壓力傳感器製備工藝相對成熟,也是目前市場上最常見的一種高溫壓力產品。但受高溫下矽壓阻係數退化、高溫漏電流增大以及矽高溫蠕變等因素的限製,傳感器難以在500℃或更高溫度的環境下長期工作。本文源自向日葵app视频傳感,轉載請保留出處。