CN102620864B - 一种基于cmut 的超低量程压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于CMUT的超低量程压力传感器及其制备方法，其整体结构自上而下依次为：金属铝上电极、二氧化硅薄膜、二氧化硅支柱、单晶硅基座、氮化硅绝缘层、金属铝下电极。本发明二氧化硅薄膜通过氧化工艺形成，厚度达到几十个纳米，可以提高传感器灵敏度，实现更小压力值得测量；本发明用氮化硅绝缘层将下电极与单晶硅基底完全电隔绝，避免因下电极与单晶硅基座直接连接而在单晶硅基底中产生感应电荷、扩大下电极等一系列不稳定情况，因而本发明可以精确设计电极大小，减小寄生电容，提高CMUT的工作性能及压力测量的精确性。
Description
技术领域
本发明属于MEMS技术领域，涉及一种基于CMUT的超低量程压力传感器及其制备方法。
背景技术
超低量程压力传感器主要用来测量极其微小的压力变化。随着科学技术的速迅发展，该类低量程压力传感器在工业控制、环保设备、医疗设备、航空航天以及军事武器等领域均有迫切的需求和广泛的应用，因而对该类传感器的研究则具有极其重要的实用意义。
目前，基于MEMS((Micro Electro-Mechanical Systems，微型机械电子系统)技术的硅微微压传感器在超低量程压力传感器领域已占统治地位，并得到商业化的广泛应用。硅微微压传感器按其工作原理，主要可分为以下三种：压阻式、电容式以及谐振式。压阻式微压传感器主要利用硅的压阻效应工作，通过硅膜受压后膜内集成惠斯登电桥输出电压的变化来测量被测压力的大小。虽然其输出与输入具有良好的线性关系，但硅薄膜中力敏电阻的温度敏感性要求传感器必须实行温度补偿，增加了测量的复杂性，同时硅膜中惠斯登电桥的集成致使其薄膜厚度难以在保证测量精度的条件下进一步减小，进而难以进一步降低量程，提高灵敏度。电容式硅微压力传感器利用电容极距变化将压力变化转化为电容的变化，有着温度稳定性好、灵敏度高、功耗低、进一步微型化变得相对简单等一系列优点，但其输出与输入的线性度较差。谐振式硅微压力传感器是利用谐振梁的固有频率随施加轴向力的改变而改变来实现压力测量的，虽然其测量精度、稳定性和分辨力都优于以上两种，但结构复杂，加工难度较大，成 本高。目前，硅微微压力传感器的量程主要在1000Pa左右，最小的可达300Pa。由于上述结构自身的限制，致使其难以进一步实现更低量程和更高灵敏度的超低微压的测量。因而本文将避开上述常见的三种结构，欲将基于MEMS技术更具有结构和性能优势的CMUT(Capactive Micro-machined Ultrasonic Transducer，电容微加工超声传感器)用于超微压力测量。CMUT具有良好的机电特性、更小的薄膜质量、更高的共振频率(可达几十MHz)和品质因子(可达几百)等特点，这为进一步实现更高灵敏度和更小量程压力的测量提供可能；其结构简单、易加工、易阵列、易集成等特点为低成本、短周期、高效化批量生产以及复杂电路集成提供诸多优势。目前，CMUT虽已广泛应用医疗、生物、化学、军事等领域，但在超低微压测量方面的应用还未见相关报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于CMUT的超低量程压力传感器及其制备方法，以实现更小量程(小于300Pa)和更高灵敏度(大于150Hz/Pa)的压力测量，进而满足极端环境中超低微压测量的要求。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于CMUT的超低量程压力传感器，其整体结构自上而下依次为：金属铝上电极、二氧化硅薄膜、二氧化硅支柱、单晶硅基座、氮化硅绝缘层、金属铝下电极，其中，所述二氧化硅支柱的中间部分形成与二氧化硅等高的空腔，金属铝上电极和金属铝下电极分别位于二氧化硅薄膜和氮化硅绝缘层的中间部分，且金属铝上电极和金属铝下电极的横向尺寸大于等于空腔相应尺寸的一半，但小于等于空腔横向尺寸。
作为本发明的优选实施例，所述金属铝上电极的厚度为0.02～0.05μm；
作为本发明的优选实施例，所述二氧化硅薄膜的厚度为0.04～0.1μm，横向 尺寸为5～12μm；
作为本发明的优选实施例，所述二氧化硅支柱的厚度为0.05～0.15μm；
作为本发明的优选实施例，所述空腔的横向尺寸为5～12μm；
作为本发明的优选实施例，所述单晶硅基座的厚度为5～20μm；
作为本发明的优选实施例，所述氮化硅绝缘层覆盖整个单晶硅基座的下表面，用于将具有半导体性能的单晶硅基座与金属铝下电极完全电隔绝；
作为本发明的优选实施例，所述金属铝下电极的厚度尺寸为0.1～0.3μm。一种基于CMUT的超低量程压力传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)取<111>晶向单晶硅作为第一单晶硅，将其上表面采用化学机械抛光CMP技术进行化学机械抛光，然后采用干法热氧化技术将第一单晶硅的上表面进行氧化，在第一单晶硅上表面形成二氧化硅层；
(2)光刻步骤(1)第一单晶硅上表面二氧化硅层，形成图形窗口，然后采用湿法刻蚀技术去掉暴露于图形窗口中的二氧化硅层，余下周围的二氧化硅层形成二氧化硅支柱3，第一单晶硅未被氧化的部分形成单晶硅基座5；
(3)取<111>晶向单晶硅作为第二单晶硅，重复步骤(1)，其中，被氧化成二氧化硅的部分形成二氧化硅薄膜；
(4)将步骤(2)和步骤(3)得到的器件进行键合，其中，步骤(2)中形成的二氧化硅支柱与步骤(3)形成的二氧化硅薄膜键合在一起，其二者之间形成空腔4；
(5)采用机械法去掉第二单晶硅上未氧化的单晶硅的80％，然后再刻蚀掉剩余的20％单晶硅，以二氧化硅薄膜作为刻蚀停止层；
(6)采用LPCVD技术在单晶硅基座的下表面沉积氮化硅层，最后，在二氧 化硅薄膜的上表面和氮化硅绝缘层的下表面分别溅射金属铝，光刻形成金属铝上电极和下电极以及金属焊盘。
本发明基于CMUT的超低量程压力传感器及其制备方法至少具有以下优点：
(1)二氧化硅薄膜通过氧化工艺形成，通过控制相关工艺参数可使薄膜厚度达到几十个纳米，薄膜厚度很小；同时相对于CMUT常用的单晶硅、氮化硅等薄膜材料，二氧化硅的密度更小，因而薄膜质量更小，进而可以提高传感器灵敏度，实现更小压力值得测量。
(2)相对于CMUT常见的单晶硅、氮化硅等薄膜材料，本发明所用二氧化硅的弹性模量较小，在同样的压力下可产生更大的薄膜变形，相应共振频率的偏移更大，压力传感器分辨力更高。
(3)本发明运用氮化硅绝缘层将下电极与单晶硅基底完全电隔绝，避免常规CMUT中因下电极与单晶硅基座直接连接而在单晶硅基底中产生感应电荷、扩大下电极等一系列不稳定情况。因而本发明可以精确设计电极大小，减小寄生电容，提高CMUT的工作性能及压力测量的精确性。
(4)本发明结构简单、加工难度低，主要使用单晶硅材料，且整个工艺过程中只使用3块掩膜板，成本低。
附图说明
图1为本发明基于CMUT的超低微压传感器的结构示意图；
图2为本发明传感器的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明基于CMUT的超低量程压力传感器及其制备方法做详细描述：
请参阅附图1，本发明一种基于CMUT的超低量程压力传感器的总体结构 自上而下依次为：金属铝上电极1、二氧化硅薄膜2、二氧化硅支柱3、空腔4、单晶硅基座5、氮化硅绝缘层6以及金属铝下电极7。所述压力传感器结构简单、加工难度小、成本低，灵敏度高、工作性能好，能实现超低量程的微小压力测量。
所述金属铝上电极1位于二氧化硅薄膜2的中部，其厚度应在保持良好导电性能的前提下尽量薄，以减小由其和二氧化硅薄膜2组成的整个振动膜的质量，进而提高上述压力传感器的共振频率及其灵敏度。因此金属铝上电极1的厚度范围为0.02～0.05μm，同时其横向尺寸应大于等于空腔相应尺寸的一半，且小于等于空腔横向尺寸。
所述二氧化硅薄膜2的厚度尺寸应在保持良好机械性能的前提下尽量薄，以减小振动膜质量，提高CMUT工作灵敏度，其厚度尺寸范围取为0.04～0.1μm，同时为提高传感器共振频率，由薄膜固有共振频率理论计算公式知，薄膜横向尺寸应尽量小，因而其有效薄膜横向尺寸范围为5～12μm。
所述二氧化硅支柱3用于支撑振动膜，其高度与空腔高度相同，为尽量减小空腔高度，增大耦合系数，提高灵敏度，降低功耗，其高度范围为0.05～0.15μm。
所述空腔4高度范围为0.05～0.15μm，其横向尺寸与薄膜2的有效薄膜尺寸相同，为5～12μm，形状为圆形、方形或其他多边形。
所述单晶硅基座5一方面作为整个CMUT结构的基座，另一方面位于金属铝上电极1与下电极7之间，还用作CMUT两电极间的介电质。由于单晶硅具有较高的相对介电常数，可大幅提高CMUT静态电容值，同时其厚度也增大了上下两电极间的距离致使电容值有所减小，因而应综合考虑单晶硅相对介电常数和其厚度之间的比例关系，以增大CMUT有效静态电容值为设计原则。此处， 在保证单晶硅基座5支撑强度的前提下，其厚度范围取为5～20μm。
所述氮化硅绝缘层6覆盖整个单晶硅基座5的下表面，用于将具有半导体性能的单晶硅基座5与金属铝下电极6完全电隔绝。本设计目的在于避免常见CMUT结构中将下电极与单晶硅基底直接相连而导致单晶硅底座中因产生感应电荷区而不确定性地扩大实际下电极面积的情况，以减小电极面积以及CMUT静态电容的设计值与实际值之间的误差，以精确设计CMUT电极参数和静态电容值。氮化硅绝缘层6厚度尺寸应在保证良好绝缘性能的条件下尽量小，其范围为2～3μm。
所述金属铝下电极7位于氮化硅绝缘层6中部，其厚度以导电性良好，电阻小，功耗低为设计原则，厚度尺寸为0.1～0.3μm，其横向尺寸应大于等于空腔相应尺寸的一半，且小于等于空腔相应尺寸。
所述金属铝上电极1、下电极7以及空腔形状相似，同轴且关于该中心轴对称。
本发明的主要结构参数如下：
上电极厚度：0.02～0.05μm
空腔高度：0.05～0.15μm
二氧化硅厚度：0.04～0.1μm
有效振动薄膜横向尺寸：5～12μm
单晶硅基座厚度：5～20μm
下电极厚度：0.1～0.3μm。
下面结合附图2，对本发明一种基于CMUT的超低量程压力传感器的工艺流程进行详细描述：
(1)取<111>晶向单晶硅作为第一单晶硅，另取<111>单晶硅作为第二单晶硅。采用化学机械抛光CMP技术对两单晶硅的上表面进行化学机械抛光，以保证由其氧化而成的二氧化硅层表面的平面度和光滑度。
(2)采用干法热氧化技术将第一单晶硅和第二单晶硅的上表面均进行氧化，严格控制相关工艺参数，以精确制备所需二氧化硅层。其中第一单晶硅形成二氧化硅层10和单晶硅基座5，第二单晶硅形成二氧化硅薄膜2和未氧化单晶硅11。
(3)光刻第一单晶硅上表面二氧化硅层10，采用湿法刻蚀技术去掉暴露于图形窗口中的二氧化硅层，余下周围的二氧化硅则形成二氧化硅支柱3。
(4)在真空环境中采用键合技术将第一单晶硅上的二氧化硅支柱3与第二单晶硅上的二氧化硅薄膜2进行直接键合，其中第一单晶硅在下，第二单晶硅在下，键合后形成空腔4。
(5)机械法去掉第二单晶硅上未氧化单晶硅11的80％，然后再用DEP溶液刻蚀掉剩余的20％单晶硅，以缩短加工时间，此时二氧化硅薄膜2可作为刻蚀停止层。
(6)采用LPCVD技术在单晶硅基座5的下表面沉积氮化硅层，之所以使用LPCVD技术，是因为该方法生成的氮化硅层具有较高的电绝缘性和介电强度。
(7)在二氧化硅薄膜2的上表面和氮化硅绝缘层的下表面分别溅射金属铝，光刻形成金属铝上电极1和下电极7以及金属焊盘。
本发明的主要性能指标如下：
测量范围：0～80Pa
测量精度：优于1.5％FS
灵敏度：高于200Hz/Pa
工作温度：-50～120℃
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式。例如，本发明单晶硅基座5的厚度范围可在满足支持强度前提下，做适当变化，以有效电容值最大为设计依据；氮化硅硅绝缘层6也可用二氧化硅或其它高绝缘性能材料代替，在保证良好的绝缘性能前提下以减小绝缘层厚度增大CMUT有效电容为目标；其它组成部分设计参数也可根据实际情况进行相应改变，以提高传感器灵敏度、降低量程为目标等等。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种基于CMUT的超低量程压力传感器，其特征在于：其整体结构自上而下依次为：金属铝上电极(1)、二氧化硅薄膜(2)、二氧化硅支柱(3)、单晶硅基座(5)、氮化硅绝缘层(6)、金属铝下电极(7)，其中，所述二氧化硅支柱(3)的中间部分形成与二氧化硅等高的空腔(4)，金属铝上电极和金属铝下电极分别位于二氧化硅薄膜和氮化硅绝缘层的中间部分，且金属铝上电极和金属铝下电极的横向尺寸大于等于空腔相应尺寸的一半，但小于等于空腔横向尺寸。
2.如权利要求1所述的一种基于CMUT的超低量程压力传感器，其特征在于：所述金属铝上电极的厚度为0.02～0.05μm。
3.如权利要求1所述的一种基于CMUT的超低量程压力传感器，其特征在于：所述二氧化硅薄膜的厚度为0.04～0.1μm，横向尺寸为5～12μm。
4.如权利要求1所述的一种基于CMUT的超低量程压力传感器，其特征在于：所述二氧化硅支柱的厚度为0.05～0.15μm。
5.如权利要求1所述的一种基于CMUT的超低量程压力传感器，其特征在于：所述空腔的横向尺寸为5～12μm。
6.如权利要求1所述的一种基于CMUT的超低量程压力传感器，其特征在于：所述单晶硅基座的厚度为5～20μm。
7.如权利要求1所述的一种基于CMUT的超低量程压力传感器，其特征在于：所述氮化硅绝缘层覆盖整个单晶硅基座的下表面，用于将具有半导体性能的单晶硅基座与金属铝下电极完全电隔绝。
8.如权利要求1所述的一种基于CMUT的超低量程压力传感器，其特征在于：所述金属铝下电极的厚度尺寸为0.1～0.3μm。
9.一种基于CMUT的超低量程压力传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)取<111>晶向单晶硅作为第一单晶硅，将其上表面采用化学机械抛光CMP技术进行化学机械抛光，然后采用干法热氧化技术将第一单晶硅的上表面进行氧化，在第一单晶硅上表面形成二氧化硅层；
(2)光刻步骤(1)第一单晶硅上表面二氧化硅层，形成图形窗口，然后采用湿法刻蚀技术去掉暴露于图形窗口中的二氧化硅层，余下周围的二氧化硅层形成二氧化硅支柱(3)，第一单晶硅未被氧化的部分形成单晶硅基座(5)；
(3)取<111>晶向单晶硅作为第二单晶硅，重复步骤(1)，其中，被氧化成二氧化硅的部分形成二氧化硅薄膜；
(4)将步骤(2)和步骤(3)得到的器件进行键合，其中，步骤(2)中形成的二氧化硅支柱与步骤(3)形成的二氧化硅薄膜键合在一起，其二者之间形成空腔(4)；
(5)采用机械法去掉第二单晶硅上未氧化的单晶硅的80％，然后再刻蚀掉剩余的20％单晶硅，以二氧化硅薄膜作为刻蚀停止层；
(6)采用LPCVD技术在单晶硅基座的下表面沉积氮化硅层，最后，在二氧化硅薄膜的上表面和氮化硅绝缘层的下表面分别溅射金属铝，光刻形成金属铝上电极和下电极以及金属焊盘。
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