【薄膜技术与压力传感器】
薄膜压力传感器具有温度性能好、耐腐蚀等优点，已成为压力传感器领域中的重点研究方向。
薄膜相对于厚膜而言，一般是指厚度在10－6～10－10m之间的导电或介质膜。薄膜压力传感器是敏感元件采用薄膜工艺技术在基片(衬底)上形成导电或介质材料薄膜，再与附加电路及结构组合而构成的压力传感器。薄膜压力传感器的分类方法有几种，按薄膜材料的不同可分为多晶硅、多晶锗、微晶硅、非晶硅以及合金与金属薄膜等。按薄膜载体的方式不同可分为应变片粘贴式和弹性体溅射式。按加工工艺不同也可分为电阻式和电容式。与厚膜技术相区别，薄膜工艺技术是指真空蒸发、溅射、化学气相淀积(CVD)、等离子化学气相淀积(PCVD)、外延及绝缘体上生长半导体薄膜(SOI)技术等。这些技术发展很快，尤其是CVD工艺，从常压CVD、低压PCVD到增强型等离子CVD(PECVD)，目前研究热点又集中在光－CVD、激光－CVD、电子回旋共振微波(ECRM)－PCVD、催化(CTL)－CVD直至均质(HMG)－CVD等。更具有发展潜力的是SOI工艺，它可追溯到SOS压力传感器的制造技术，近年又相继出现了SDB、SIMOX等多种新工艺。薄膜材料特性的研究已有几十年历史，而最早对多晶硅压阻特性的研究是J．Y．W．Seto在1976年进行的。多晶硅材料的晶粒尺寸为0．02～20μm，它在200℃以上仍能保持其晶体特性。这种材料的压阻特性由下式表述：
式中，ρ为电阻率；N为载流子密度；u为载流子迁移率；e为电子电荷。
实验证明，多晶硅材料掺杂浓度不同，电阻变化率随温度变化的函数曲线也不同。利用电阻变化率ΔR／R与应变ε、应变灵敏度系数k之间的关系：
可制成压力传感器。
非晶硅又称a-5i，即无序硅或无定型硅。它与单晶硅和多晶硅不同，单晶硅内的原子处处排列规则，整个晶体有一个固定晶向。多晶硅是由许多单晶粒构成的，每一颗粒内的原子处处排列规则，整个单晶颗粒有一固定晶向。而非晶硅从宏观上看原子的排列是无序的，即远程无序，但从微观来看，原子排列也绝非完全无序，可以说是近程有序。特别是能够用来制造传感器的非晶硅中，都含有微晶硅，它的尺寸一般为10nm，可将它看作是非晶体基块中的一个硅原子。与多晶硅类似，微晶硅也能够由蒸发、溅射及CVD等方法获得。这种薄膜的压电效应仍符合式(2)。但是实验证明，微晶硅薄膜的横向应变灵敏度系数趋近于零，比多晶硅薄膜小的多，而纵向应变灵敏度系数随温度增加而减小的量也要小的多。非晶合金薄膜的种类很多，例如iron-rich、Ni－Cr、Ni－Cu、Ni－Si－B、Fe－Ni和SiB合金薄膜等。对于Ni68Si15B17、Fe40－Ni38M08B14和Fe40－Ni38MO2B20等非晶合金薄膜，它们的电阻变化率与拉伸应力之间呈近似线性关系，其中Ni68Si15B17灵敏度最高，电阻温度系数最小，并具有良好的机械电气特性。对于a－SiN材料的实验证明，它的电阻变化率与拉伸应力也呈线性关系。许多金属具有高的电阻率、低的电阻温度系数，例如Mn在20℃时电阻率为160．0μΩ·cm，电阻温度系数在0～100℃内仅为0．4×10－3／℃，显然这很适于作应变元件。外延工艺是指以硅单晶片本身为基底，以含硅化合物，如SiH4或SiCl4等用氢来还原，生成的单质硅淀积在基底上。它可分为同质和异质外延两种。溅射工艺是指在一个低真空室中，用高电压(1000V以上)使气体电离，形成等离子体中的正离子以高能量轰击靶面，使待溅射物质的原子离开靶面，淀积到阳极工作台的基片上从而形成薄膜。这种工艺可分为直流、交流两种。真空蒸镀工艺是指当蒸发源材料具有足够的能量后，使源材料中的部分分子、原子或分子、原子集集团离开薄膜源，然后重新凝合在基底上而形成薄膜的工艺。常压CVD工艺的基本原理是，使含有待淀积物质的化合物升华，然后与另一种气态化合物在一个反应室中进行反应生成固态的淀积物质，使之淀积在基底上生成薄膜。典型的CVD化学方程式为： Si(固态)+xH
SiHr(气态) (3)在常压CVD工艺的基础上，近年人们开始重点研究LPCVD、PECVD、光－CVD、ECRM-PCVD、CTL－CVD和HMG－CVD等。LPCVD即低压PCVD工艺，其基本原理是在CVD反应中加直流高电压，并通一定气体使之辉光放电，因此对薄膜的形成和性能产生很大影响。这种工艺可使传感器的工作温度大大提高。PECVD工艺的基本原理也是基于气体辉光放电产生等离子体。等离子体中的主要成分是中性稳定气体分子，包括注入SiH4气体，稀释H2或He，生成物为a－Si或μc－Si薄膜和H2。这种工艺的主要特点是能降低化学反应的温度。光－CVD工艺是利用光能分解气体分子，形成无定形硅膜。由于它不用电激励，没有离子产生，仅仅是游离基反应成膜，因此对膜的损伤小。此外通过适当选用光源波长，可使它仅进行特定反应，从而控制薄膜的质量。这种工艺也可分为衬底加热和光激气相淀积两种，可用来制备SiO2、poly－Si、SiN4等薄膜。SOI工艺是在常规外延工艺的基础上发展起来的。它的原理是在一块单晶衬底上，沿原结晶轴方向处延生长一层厚度和阻值都符合要求的新单晶或多晶层。它的典型应用是以硅片为基底的SOI和体SOI膜。SDB即硅片直接键合工艺于1985年出现，它可使两个热氧化硅不需中间粘接剂和电场，只需经过表面活化处理，就能在室温下面对面键合在一起，把其一面减薄即可形成高质量的SOI衬底，硅与硅、石英(玻璃)等材料也可直接键合。最近出现的SIMOX即氧气注入离子分离工艺的特点是采用氧气深注入和高温退火方法，避免了芯片的非晶化，退火后生长出多晶硅顶层，使芯片具有更加优越的温度特性。SOS是以蓝宝石为衬底的SOI工艺，由于蓝宝石具有良好的弹性，而在其上异质外延生长的单晶硅作为敏感元件，具有无需结隔离、耐高温、高频响和寿命长等优点。中国现有薄膜工艺包括外延、溅射、真空蒸镀、常压低压CVD和LPCVD工艺及加工设备均已较成熟，例如磁控溅射机、直流溅射机、镀膜机等离子淀积台等专用设备已经系列化、商品化。对于CLT－CVD、HMG－CVD、ECRM－PCVD等工艺国内尚未见报道，其它几种CVD工艺仍处于实验研究阶段。SOI工艺也处于实验室研究阶段。薄膜压力传感器主要有以下几种：1．多晶硅、锗薄膜压力传感器。德国Philips公司H．Schafer研制了一种多晶硅应变传感器。它的结构是利用LPCVD工艺在SiO2衬底上淀积了一层形如惠斯登电桥的多晶硅应变薄膜，其上再处理一层钝化膜。它采用W／Ti／Au作引线，带微调的应变电阻阻值为2．5kΩ，满量程输出为50mV，温度范围为－30℃～200℃。P．Kopystynski等在1989年研制了一种高温压阻传感器，它由一个常见的硅膜片和四个多晶硅电阻组成，用氧化层将多晶硅电阻与硅膜片隔开。这种传感器也采用LPCVD工艺，可工作在200℃，测量范围为0～105Pa，满量程输出为11mV／V。H．Guckel最近研制了一种平面型多晶硅压力传感器，它的结构特点是采用LPCVD工艺在硅衬底上先形成一个谐振腔，再在其上淀积4个多晶硅电阻作为敏感元件。这种传感器可用来测量绝对压力，有0．17、1．72及4．14MPa几种量程，工作温度范围为－55℃～125℃。Y．Nishiyama等于1987年研制了一种双孔哑铃型力敏传感器，它在可收集应变型哑铃元件表面(不锈钢)淀积了一个应变电阻网络(R5～R8)，信号处理电路包括差动放大器、分压器、信号放大器和零位调节器等。由于被测压力通过硬心顶杆传递给膜片，因此具有较高的灵敏度。M．M．Faroogui等采用LPCVD工艺研制了一种单层和3层薄膜电容式压力传感器。单层式以多晶N+层作为敏感膜片。3层式在多晶硅层和硅基座之间形成一个谐振腔，作为敏感元件的多晶硅层上又淀积了一层氧化物(LTO)。这种传感器在0～0．1MPa范围内，电容泄漏电流小于5nA，灵敏度为0．2pF／MPa，两板极间偏压为50V。在上述传感器的基础上，K．Kamimura等研制出几种多晶锗薄膜压力传感器。它的结构是在带有绝缘层的不锈钢膜片上等离子淀积了一层掺杂磷多晶锗膜，其上又淀积了一层钝化膜。该膜的应变灵敏度系统在30～40之间，高于多晶硅膜，它的输出电压也高于多晶硅膜1．5倍。2．微晶硅、非晶硅及合金、金属薄膜压力传感器。W．Germer研制了一种微晶硅压力传感器，它采用PCVD工艺在金属膜片上分别沉积了SiO2、μc－Si、金属化铝和Si3N4钝化层。这种传感器的工作温度范围为－65℃～+150C，测压范围是0～1MPa，准确度优于1%。S．G．Ferguson研制了一种非晶合金磁弹性传感器，它的结构是在一块抛光的不锈钢膜片上，采用PCVD工艺分别淀积了a－SiNx和Si(P)层，指状电极淀积在顶层。这种传感器的弹性传导系数(elastoconductivity)在－21．5～－27．2之间。J．Seekircher等研制了一种非晶合金磁弹性传感器，它可采用几种不同的合金材料。其结构是在一个非晶硅条上下二侧放置两个非晶合金条，中心放一个敏感线圈。非晶金属合金具有十分小的弹性滞后，适于作传感器的变形元件。对于Fe合金，它易碎，只能测量很小的应变。而Fe－Ni合金具有很高的拉伸强度，适于测量较高的应力。Co合金具有高拉伸强度，适于作变形元件。K．Rajarna等研制的一种应变式Mn薄膜传感器，它利用Mn材料是具有高电阻率和低电阻温度系数等特点，将带有SiO2覆层的Mn膜淀积在带有5iO2和Al2O3层的金属膜片上。这种传感器测压范围在0～5MPa内，准确度为0．24%，试验温度为－20℃～+60℃。80年代以来，国内一些科研单位和高等院校也在进行薄膜压力传感器的研究工作，并取得了成果。复旦大学研制的SOI压力传感器，是在一个0．8mm×1．78mm矩型膜片上形成4个相互绝缘的n型单晶硅岛，并采用硼离子注入法将n型电阻变为p型电阻。这种传感器的压阻特性为
式中，π44为P型单晶硅的压阻系数；Tl、Tt为纵、横向应变。它的激励电压为直流5V，工作在350℃时，电阻温度系数为一9×10－4／℃。
南京科技研究院研制了一种采用SOI／SDB工艺制成的电容式触觉传感器，它的结构是在一块金属玻璃板和一块硅膜片之间形成一个力敏电容器，硅膜片的另一侧采用SDB法与玻璃板键合。实验证明这种传感器膜片的刻蚀深度改变280μm，对其性能仍无影响。北京航空航天大学黄俊钦等研究了一种非晶溅射式压力传感器，它在一个圆硅膜片上溅射了一层20～30um厚的Ni68Si15Bi17薄膜。这种材料的电阻变化率与所受压力成线性关系，其温度性能略优于单晶硅压力传感器。1990年清华大学采用SDB工艺研制了一种硅盒式集成压力传感器，它的加工步骤是将一块平硅片和一块蚀刻了凹槽的硅片键合在一起形成绝对压力传感器，该传感器在0～100℃范围、1MPa内准确度不低于0．1%。中科院上海冶金研究所研制的SOZ(silicon on zirconia)压力传感器，实际上是一种以Zr为衬底的SOI传感器，测压范围为0～5MPa，满量程输出40mV，准确度为0．2%～0．5%，灵敏度温度系数优于0．1%℃。(北京市第三城市建设工程公司白韶红撰)