热激励硅基谐振型压力传感器技术研究

提出一种以电阻发热实现梁激励的单梁硅基谐振型压力传感器结构。利用硅/硅键合、减薄抛光和IC工艺技术,开展硅基谐振型压力传感器技术的研究,解决了三维体加工与IC工艺兼容的关键技术问题,成功地研制出热激励硅基谐振型压力传感器样品。该器件在常压下测试,其品质因子Q值达到1362.5,证实了该谐振型压力传感器结构是可行的。这为研制硅基谐振型压力传感器提供了一种新的方法。     

具有500倍保护的单晶硅压力传感器

具有单晶硅薄膜的标准压阻硅压力传感器通常在不到满量程10倍的压力下损坏,通过采用在薄膜正下方加上停止面,我们制造了具有500倍过量程保护的传感器.这些传感器完全由单晶硅采用硅键合技术形成.在低的压力下,芯片灵敏度高达3mv/m/psi,设计成在10psi时输出100mv的传感器在过压力达5000psi时仍不损坏,从而器件500倍过量程而无损坏.     

用两次键合技术制备均匀单晶硅膜

硅直接键合(SDB)技术用于制备SOI片(BESOI)是键合技术的最重要应用之一,研究了制备BESOI片中的键合和减薄问题,获得了大面积的均匀单晶硅膜,通过实验分析了这种方法获得的薄膜的平整度和影响因素。并针对压力传感器的敏感膜,通过两次键合及SOI自停止腐蚀成功制备了厚度可控的均匀单晶硅薄膜,硅膜表面质量优良,平整度在±0.15μm的范围内。     

基于压力分布测试的电容式压力传感器北大核心

针对0-0.3 N压力的大小与分布测试,设计了一款电容式压力传感器。通过ANSYS仿真与Matlab数据分析,确定传感器单个敏感单元半径为80μm,腔高0.5μm,膜厚2.5μm。阵元内敏感单元呈行列排布。设计工艺加工流程与版图,并进行干法刻蚀、减薄和键合等关键工艺加工。使用阻抗分析仪和压力计搭建测试平台,结果显示加工得到的压力传感器初始电容平均值为38.03 pF,阵列内电容一致性良好,灵敏度为9.5 pF/N,线性度良好,连接配套数据处理电路可实现压力分布测试。初步满足在小量程压力条件下测试要求,验证了该传感器结构的可靠性,为制备小量程压力传感器奠定基础。     

微米尺度下键合强度的评价方法和测试结构

在MEMS器件的设计与加工过程中，键合技术是体硅工艺的一项关键技术。由于MEMS器件的特点，其键合的面积通常是在微米到毫米量级内．传统测试键合强度的方法不再适用，该尺度下键合强度的测试与评价成为MEMS工艺测试的难点之一。文章提出了一种新型的测试结构．对面积为微米量级下键合的最大抗扭强度进行了测试。实验设计一系列的单晶硅悬臂梁结构测试键合面积在微米量级时的最大剪切力．键合面为常用的正方形．其边长从6μm到120μm，计算得出的剪力与采用实体单元有限元分析结果计算出的作用力相对误差为4．9％，这一误差在工程中是可以接受的。实验得出最大剪切扭矩和相应的键合面积的曲线。MEMS器件的设计人员可以根据结论曲线．针对所需的抗扭强度设计相应的键合面积。     

键合法制备硅基1.55μm InP-InGaAsP量子阱激光器

在硅基上成功地制备出了1.55μm InP-InGaAsP量子阱激光器.设计并生长了适合于键合的量子阱激光器结构材料,通过直接键合技术,将Si衬底与InP-InGaAsP外延片键合到一起.剥离去掉InP衬底后,在5～6μm的薄膜上制备出20μm条形边发射激光器.室温下,阈值电流160mA(电流密度为2.7kA/cm2),功率可达10mW以上(在约350mA电流下),实现了1.55μm长波长边发射激光器与Si的集成.目前,该结果国际上还未见报道.     

键合法制备硅基1.55μm InP-InGaAsP量子阱激光器

在硅基上成功地制备出了1.55μm InP-InGaAsP量子阱激光器.设计并生长了适合于键合的量子阱激光器结构材料,通过直接键合技术,将Si衬底与InP-InGaAsP外延片键合到一起.剥离去掉InP衬底后,在5～6μm的薄膜上制备出20μm条形边发射激光器.室温下,阈值电流160mA(电流密度为2.7kA/cm2),功率可达10mW以上(在约350mA电流下),实现了1.55μm长波长边发射激光器与Si的集成.目前,该结果国际上还未见报道.     

一种用于地震检波器的新型MEMS加速度传感器北大核心

设计了一种新型的可用于地震检波器的三明治结构MEMS电容式加速度传感器,采用四层硅-硅键合技术获得双面梁-质量块结构与圆片级真空封装,其具有大电容、高分辨率的特点。传感器采用悬臂梁结构减少高温键合过程中热蠕变带来性能影响,并具有良好的抗冲击性。传感器芯片体积为6.3 mm×5.6 mm×2.2 mm,其中敏感质量块尺寸为3.3 mm×3.3 mm×1.0 mm。对封装后的传感器性能进行了初步测试,结果表明,制作的传感器灵敏度达24.4 pF/g,谐振频率为808 Hz,Q值为22,在2 000 g,0.5 ms加速度冲击后仍能正常工作。接入闭环电路进行重力场静态翻滚实验标定,传感器二阶非线性小于0.2%,交叉轴敏感度小于0.07%。     

反应离子深刻蚀中硅/玻璃结构footing效应的实验研究

针对反应离子深刻蚀中硅/玻璃键合结构的footing效应问题,用实验方法进行了研究.通过2～4和0.01～0.03Ω·cm两种不同电导率的硅结构过刻蚀的对比,以及对50,20和5μm三组不同间隙高度的器件结构过刻蚀的对比,揭示了单晶硅结构的电导率及器件结构和玻璃衬底间隙高度对footing效应的影响.实验结果显示电导率为2～4Ω·cm的硅结构比电导率为0.01～0.03Ω·cm的硅结构footing效应严重;硅结构和玻璃衬底的间隙为5μm的比间隙为20和50μm的footing效应严重, 对这一现象的理论分析认为,被刻蚀的硅的电导率越高, 硅结构与玻璃衬底的间隙越大,footing效应越不明显.本文中不同电导率和不同间隙高度的实验对比结果可以为硅微传感器材料类型的选取和器件的优化设计提供参考.     

反应离子深刻蚀中硅/玻璃结构footing效应的实验研究

针对反应离子深刻蚀中硅/玻璃键合结构的footing效应问题,用实验方法进行了研究.通过2～4和0.01～0.03Ω·cm两种不同电导率的硅结构过刻蚀的对比,以及对50,20和5μm三组不同间隙高度的器件结构过刻蚀的对比,揭示了单晶硅结构的电导率及器件结构和玻璃衬底间隙高度对footing效应的影响.实验结果显示电导率为2～4Ω·cm的硅结构比电导率为0.01～0.03Ω·cm的硅结构footing效应严重;硅结构和玻璃衬底的间隙为5μm的比间隙为20和50μm的footing效应严重, 对这一现象的理论分析认为,被刻蚀的硅的电导率越高, 硅结构与玻璃衬底的间隙越大,footing效应越不明显.本文中不同电导率和不同间隙高度的实验对比结果可以为硅微传感器材料类型的选取和器件的优化设计提供参考.     

硅膜制备技术及其应用

一、引言 硅膜广泛用于集成电路和传感器中。硅膜厚度及其均匀性对器件性能影响很大,尤其制备SiO_2上的硅膜是实现集成电路三维结构的关键,它将增加器件设计的灵活性。因此,近年来薄膜制备技术的研究十分活跃。以往固态传感器中常用机械研磨和化学腐蚀方法获得微结构,例如:薄膜、埋层和悬板等,但受到硅膜表面状态和机械强度的限制,最薄只能达到10μm以上。本文将综述硅膜的制备方法,简要介绍用电化学腐蚀自停止方法制取(1～2)μm,均匀性为80nm左右硅膜的实验结果及其在传感器中的应用实例。     

一种硅四层键合的高对称电容式加速度传感器

提出了一种利用体微机械加工技术制作的硅四层键合高对称电容式加速度传感器.采用硅/硅直接键合技术实现中间对称梁质量块结构的制作,然后采用硼硅玻璃软化键合方法完成上、下电极的键合.在完成整体结构圆片级真空封装的同时,通过引线腔结构方便地实现了中间电极的引线.传感器芯片大小为6.8mm×5.6mm×1.68mm,其中敏感质量块尺寸为3.2mm×3.2mm×0.84mm.对封装的传感器性能进行了初步测试,结果表明制作的传感器漏率小于0.1×10-9cm3/s,灵敏度约为6pF/g,品质因子为35,谐振频率为489Hz.     

一种硅四层键合的高对称电容式加速度传感器

提出了一种利用体微机械加工技术制作的硅四层键合高对称电容式加速度传感器.采用硅/硅直接键合技术实现中间对称梁质量块结构的制作,然后采用硼硅玻璃软化键合方法完成上、下电极的键合.在完成整体结构圆片级真空封装的同时,通过引线腔结构方便地实现了中间电极的引线.传感器芯片大小为6.8mm×5.6mm×1.68mm,其中敏感质量块尺寸为3.2mm×3.2mm×0.84mm.对封装的传感器性能进行了初步测试,结果表明制作的传感器漏率小于0.1×10-9cm3/s,灵敏度约为6pF/g,品质因子为35,谐振频率为489Hz.     

超薄顶硅层SOI基新颖阳极快速LIGBT北大核心CSCD

提出一种利用浅槽隔离(STI)技术的超薄顶硅层绝缘体上硅(SOI)基新颖阳极快速横向绝缘栅双极型晶体管(LIGBT),简称STI-SOI-LIGBT。该新结构器件整体构建在顶硅层厚度为1μm、介质层厚度为2μm的SOI材料上,其阳极采用STI和p+埋层结构设计。新器件STI-SOI-LIGBT的制造方法可以采用半导体工艺生产线常用的带有浅槽隔离工艺的功率集成电路加工技术,关键工艺的具体实现步骤也进行了讨论。器件+电路联合仿真实验说明:新器件STISOI-LIGBT完全消除了正向导通过程中的负微分电阻现象,与常规结构LIGBT相比,正向压降略微增加6%,而关断损耗大幅降低86%。此外,对关键参数的仿真结果说明新器件还具有工艺容差大的设计优点。新器件STI-SOI-LIGBT非常适用于SOI基高压功率集成电路。     

薄膜SOI上大于600 V LDMOS器件的研制

针对600 V以上SOI高压器件的研制需要,分析了SOI高压器件在纵向和横向上的耐压原理。通过比较提出薄膜SOI上实现高击穿电压方案,并通过仿真预言其可行性。在埋氧层为3μm,顶层硅为1.5μm的注氧键合(Simbond)SOI衬底上开发了与CMOS工艺兼容的制备流程。为实现均一的横向电场,设计了具有线性渐变掺杂60μm漂移区的LDMOS结构。为提高纵向耐压,利用场氧技术对硅膜进行了进一步减薄。流片实验的测试结果表明,器件关态击穿电压可达600 V以上(实测832 V),开态特性正常,阈值电压提取为1.9 V,计算开态电阻为50Ω.mm2。     

无引线封装高温压力传感器

研究的压力敏感芯片利用单晶硅的压阻效应原理制成;采用绝缘层上硅(SOI)材料取消了敏感电阻之间的pn结,有效减小了漏电,提高了传感器的稳定性;用多层复合电极替代传统的铝电极,并应用高掺杂点电极技术,提高了传感器使用温度。封装时,将硅敏感芯片的正面与硼硅玻璃进行对准气密静电键合;在硼硅玻璃的相应位置加工引线孔,将芯片电极和管壳管脚用烧结的方法实现电连接,形成无引线封装结构。采用无油封装方法,避免了含油封装中硅油耐温能力差的问题。对高温压力敏感芯体结构进行了热应力分析,并对无引线封装方法进行了研究。对研制的无引线封装高温压力传感器进行了性能测试,测试结果与设计相符,其中传感器的测量范围为0~0.7 MPa,非线性优于0.2%FS,工作温度上限可达450℃。     

电动汽车热泵空调系统用MEMS压力温度传感器

基于硅压阻效应,利用微电子机械系统(MEMS)技术,研制了一种可用于新能源电动汽车热泵空调系统的激光焊金属密封结构的高可靠MEMS压力温度传感器。采用有限元软件ANSYS对传感器芯片结构进行了应力仿真分析,芯片敏感膜采用线性好、工艺简单、成本低的平膜结构。结合MEMS加工工艺,利用低温硅-硅键合技术、硅通孔(TSV)技术实现了压敏电阻的芯片级介质隔离。设计了传感器的全金属密封结构,搭建了汽车热管理核心热泵空调系统台架,并进行了长期可靠性验证。结果表明,该传感器的基本性能良好,全温区(-40～135℃)传感器压力精度<0.3%FS,可长期应用于新能源电动汽车热管理核心热泵空调系统。     

频率式硅电容压力传感器的研究

本文对频率输出的硅微机械结构电容压力传感器进行了研究。利用有限元程序和解析方式对岛－膜硅电容膜片进行了分析。采用硅体型微机械加工技术和集成电路兼容工艺完成了压力元件的制作。对易于ＣＭＯＳ集成的两种新颖的接口电路进行了分析和设计，提高了传感器的性能。     

基于黑硅吸收层的多层组合纳米膜红外探测器敏感元件的制备及研究

采用sol-gel（溶胶-凝胶）技术在SOI 基底上制备了多层组合结构的纳米薄膜（PT/PZT/PT～PT/PZT/PT）,采取金属键合技术,将薄膜作为敏感元件翻转与另一高热阻抗基底对接键合,然后腐蚀SOI 上的底层硅和氧化硅,最终SOI 材料上制备出具有锥状森林结构的黑硅作为吸收层得到一种新颖的敏感元件。重点开展高检测性能的薄膜结构和黑硅吸收层的加工工艺及其敏感机理研究,为实现气体传感器微型化、集成化与批量生产奠定技术基础。     

微机械加工技术

微机械加工技术是发展微型固态集成传感器,微执行器和微机械构件的一种关键技术,它以硅作为基本材料,集合了精密腐蚀、薄膜生长、硅—绝缘体和硅—硅的键合技术、层间连接技术以及其它集成电路的典型工艺去制造各种三维以硅为基础的微机械和微型器件。本文重点介绍微机械加工的几种关键技术和我们的主要研究结果。