СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДАВЛЕНИЯ НА КНИ-СТРУКТУРЕ Российский патент 2013 года по МПК G01L9/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к интегральным преобразователям давления, и может быть использовано как в интегральных датчиках давления, так и в сенсорах давления, изготовленных на основе гибридной и микромодульной технологии.

Известен способ изготовления чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре [1], заключающийся в формировании мембраны в кремниевой пластине, формировании тензорезисторов из рабочего слоя КНИ-структуры и формировании металлизированных площадок. Пластину с помощью анодной сварки при температуре 400°С соединяют со стеклом, имеющим углубление, совпадающее по планарным размерам и расположению с мембраной, и сквозные отверстия, совпадающие по планарным размерам и расположению с металлизированными площадками. Недостатком данного способа является повышенная трудоемкость формирования анероидной коробки преобразователя, связанная с необходимостью изготовления стеклянной пластины с углублением и сквозными отверстиями.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре [2], использующий для формирования анероидной коробки преобразователя соединение двух кремниевых пластин. В данном способе в монокристаллической пластине формируется углубление, и пластина соединяется с помощью высокотемпературного соединения со второй кремниевой пластиной, покрытой диэлектрическим слоем. Вторая пластина утоняется до толщины мембраны, и в ней формируется отверстие, достигающее диэлектрического слоя. Далее диэлектрический слой удаляется с помощью селективного травления, и отверстие заполняется диэлектриком с помощью осаждения. На мембране формируются тензорезисторы, изолирующие слои и металлизация. Данный способ имеет меньшую трудоемкость, однако его недостатком является большая толщина мембраны и, следовательно, большие планарные размеры мембраны чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре.

Технической задачей предлагаемого изобретения является уменьшение толщины и, соответственно, планарных размеров мембраны чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре и повышение технологичности.

Сущность изобретения заключается в следующем. Способ изготовления чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре, включающий формирование в рабочем слое КНИ-пластины тензорезисторов, формирование изолирующего слоя на тензорезисторах, формирование мембраны, формирование в мембране и изолирующем слое глухих отверстий, достигающих тензорезисторов, формирование защитного слоя и формирование металлизации. Мембрану чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре формируют с помощью осаждения.

В предлагаемом способе изготовления за счет формирования мембраны чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре с помощью осаждения уменьшается толщина мембраны. Это позволяет уменьшить планарные размеры мембраны чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре. В результате уменьшаются габаритные размеры кристалла чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре и снижается стоимость изготовления одного кристалла при групповой обработке.

Кроме того, формирование мембраны чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре с помощью осаждения позволяет уменьшить рельеф структуры на поверхности пластины. Это позволяет повысить технологичность изготовления чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре.

Предлагаемый способ изготовления позволяет достичь меньших габаритных размеров чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре за счет использования процесса осаждения при формировании мембраны. Это обусловлено более высокой воспроизводимостью толщины слоя, получаемого с помощью процесса осаждения. Относительная воспроизводимость процессов осаждения, используемых в кремниевой интегральной технологии, составляет 3-5% по пластине. При толщине осажденного слоя 1 мкм отклонение толщины составляет 30-50 нм по пластине. При формировании мембраны с помощью химического травления или механического утонения кремниевой пластины воспроизводимость процесса составляет 3-5% по пластине. При толщине удаляемого слоя 350 мкм отклонение толщины по пластине составит 10,5-17,5 мкм. Предлагаемый способ изготовления использует процесс осаждения при формировании мембраны. В результате уменьшается толщина мембраны и, следовательно, уменьшаются планарные размеры мембраны чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре.

В описании изобретения используются следующие термины.

"Глухое отверстие" - отверстие, не имеющее выхода на противоположную сторону детали (Захаров Б.В., Киреев B.C., Юдин Д.Л., Толковый словарь по машиностроению, под ред. A.M.Дальского, М., Русский язык, 1987, стр.152).

"Жертвенный слой" - слой окисла кремния, временно выполняющий функцию обеспечения жесткости структуры из монокристаллического или поликристаллического кремния на этапах формирования структуры и удаляемый после завершения формирования структуры (Нано- и микросистемная техника. От исследований к разработкам. Сб. статей под ред. П.П.Мальцева, М., Техносфера, 2005).

На чертежах Фиг.1а-в, Фиг.2а-в и Фиг.3а показаны основные этапы способа изготовления чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре.

На основании 1, в качестве которого используют подложку КНИ-структуры, формируют жертвенный слой 2, в качестве которого используют разделительный слой КНИ-структуры, далее из рабочего слоя 3 КНИ-структуры формируют тензорезисторы 4, далее из слоя, например, нитрида кремния, получаемого с помощью, например, осаждения, формируют изолирующий слой 5, далее проводят осаждение слоя поликристаллического кремния 6, далее в слое поликристаллического кремния 6 формируют глухие отверстия 7, достигающие жертвенного слоя 2, далее с помощью селективного травления через отверстие 7 проводят частичное удаление жертвенного слоя 2 и формируют окно 8 в жертвенном слое 2 таким образом, что граница окна 8 пересекает тензорезисторы 4, далее с помощью осаждения при пониженном давлении диэлектрического слоя, например, оксида кремния, герметично закрывают окно 7 и формируют камеру 10, далее в слое поликристаллического кремния 6 и изолирующего слоя 5 формируют глухие отверстия, достигающие тензорезисторов 4, далее с помощью осаждения при пониженном давлении диэлектрического слоя, например, оксида кремния, формируют защитный слой 12, затем из нанесенного слоя металла, например алюминия, формируют контакты к тензорезисторам 13.

Источники информации

1. Kurtz A.D., Ned A.A., Sensors for use in high vibrational applications and methods for fabricating same, US 5955771.

2. Satou K., Semiconductor pressure sensor including multiple silicon substrates bonded together and method of producing the same, US 5335550 - прототип.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в интегральных и сенсорных датчиках давления, изготовленных на основе гибридной и микромодульной технологии. Способ изготовления чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре заключается в формировании в рабочем слое КНИ-пластины тензорезисторов, формировании изолирующего слоя на тензорезисторах, формировании мембраны. В мембране и изолирующем слое формируют глухие отверстия, достигающие тензорезисторов. Далее формируют защитный слой и металлизацию. Мембрана чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре формируется методом осаждения. Техническим результатом является уменьшение толщины и планарных размеров мембраны и повышение технологичности. 7 ил.

Способ изготовления чувствительного элемента преобразователя давления на КНИ-структуре, включающий формирование в рабочем слое КНИ-пластины тензорезисторов, формирование изолирующего слоя на тензорезисторах, формирование мембраны, формирование в мембране и изолирующем слое сквозных отверстий, достигающих тензорезисторов, формирование защитного слоя и формирование металлизации, отличающийся тем, что мембрану формируют с помощью осаждения.