Интегральный тензопреобразователь механического воздействия и способ его изготовления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/04 G01L1/22 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к интегральным измерительным тензопреобразователям.

Известен интегральный тензопреобра- зователь, изготовленный из монокристаллического кремния. Упругим элементом тенэопреобразователя является прямоугольная кремниевая мембрана, на которой расположены тензорезисторы. Основным недостатком тензопреобразователя является малый диапазон линейного преобразования из-за малой жесткости упругого элемента преобразователя.

Известен также интегральный тензоп- реобразователь давления для медицинских

целей. Преобразователь представляет собой кристалл кремния, в котором изготовлена тонкая мембрана прямоугольной формы. Мостовая схема из тензорезисторов р-типа проводимости размещена в центральной части мембраны так, что тензорезисторы образуют квадрат со сторонами, параллельными сторонам прямоугольной мембраны. Основным недостатком описанного тензопреобразователя является малый диапазон линейного преобразования и низкая резонансная частота, а также малая прочность мембраны. Это объяснятся недостаточной жесткостью упругого элемента.

XI

XI 00

°

IX

Наиболее близким техническим решением является интегральный тензолреобрэ- зов атель давления, изготовленный из монокристаллического кремния. Данное решение выбрано в качестве прототипа. Упругим элементом тензопреобразователя является кремниевая мембрана, в которой расположены чувствительные элементы- тензорезисторы. На обратной стороне мембраны расположены два утолщения (жесткие центры) таким образом, что тензо- резисторы находятся между жесткими центрами внутри тонкой части мембраны, причем толщина жестких центров равна толщине исходной пластины кремния. Недостатком тензопреобразователя является большой размер мембраны, малая чувствительность и невозможность уменьшить размер упругого элемента тензопреобразователя, поскольку жесткие центры имеют большую толщину и невертикальные боковые стенки. Потенциально увеличению чувствительности при одновременном уменьшении геометрических размеров и увеличению диапазона линейного преобразования известного преобразователя препятствует присутствие на планарной стороне кристалла чувствительного элемента толстой маскирующей пленки, необходимой для изготовления тензорезисторов и сильнолегированных токопроеодящих областей.

Недостатком тензопреобразователя является также малый частотный диапазон вследствие наличия углубления в кристалле чувствительного элемента преобразователя, которое образуется при формировании упругого элемента локальным травлением. К недостаткам расположения контактных площадок с планарной стороны кристалла чувствительного элемента преобразователя относится малый диапазон линейного преобразователя вследствие того, что измеряемое давление воздействует на упругий элемент с профилированной стороны кристалла тензопреобразователя.

Целью изобретения является повышение чувствительности, расширение диапазона линейного преобразования и частотного диапазона тензопреобразователя, а также уменьшение габаритных размеров.

Цель достигается расположением жест- ких.центров с планарной (верхней) стороны упругого элемента, размещением тензочув- ствительных компонентов на нижней стороне упругого элемента и расположением металлизированных контактных площадок внутри канавок массивной части кристалла преобразователя, обрамляющей упругий

элемент преобразователя, причем толщина жестких центров существенно меньше толщины исходной кремниевой пластины. Таким образом достигается уменьшение

геометрических размеров тензопреоброа- зователя (за счет того, что можно убрать жесткие центры с обратной стороны упругого элемента), при этом расширяется диапазон линейного преобразования Поскольку

0 тензорезисторы расположены внутри тонкой части мембраны и покрыты со всех сторон слоем двуокиси кремния, поэтому ограничением на уменьшение толщины тонкой части упругого элемента является тол5 щина тензочувствительных компонентов. Увеличению чувствительности при одновременном уменьшении геометрических размеров и увеличению диапазона линейного преобразования способствует отсутствие

0 на планарной стороне кристалла чувствительного элемента толстой маскирующей пленки, необходимой для изготовления тензорезисторов и сильнолегированных токо- проводящих областей. Существенно

5 меньшая величина углублений с планарной (верхней)стороны кристалла чувствительного элемента преобразователя по сравнению с прототипом приводит к расширению частотного диапазона преобразователя.

0 На фиг. 1 изображен предлагаемый интегральный тензопреобразователь, представляющий собой кристалл кремния 1, в котором имеется воспринимающая давление профилированная мембрана прямо5 угольной формы 2. Плоскость мембраны совпадает с кристаллографической плоскостью (100), а стороны мембраны ориентированы вдоль взаимно перпендикулярных кристаллографических направлений семей0 ства 110, Тензорезисторы р-типа проводимости размещены на поверхности мембраны: тензорезисторы одного знака чувствительности (периферийные тензорезисторы Rn) расположены на тонких частях

5 в середине длинных сторон мембраны, тензорезисторы противоположного знака чувствительности (центральные тензорезисторы - в ее центре, а ориентированы все тензорезисторы вдоль длинных сторон мем0 браны. Причем структура упругого элемента сложного профиля с неоднородной по толщине мембраной состоит из последовательно расположенных слоев двуокиси кремния 3, рекристаллизованного кремния 4, двуоки5 си кремния 5, структура тензочувствительных компонентов состоит из двуокиси кремния, перекристаллизованного кремния 6, двуокиси кремния. Внешние металлические выводы к тензочувствительным компонентам представляют из себя металлизированные контактные площадки 7, расположенные внутри канавок массивной части кристалла преобразователя 8.

На фиг. 2 изображена последовательность операций для изготовления интегральных механоэлектрических преобразователей.

Использовали полированные с двух сторон кремниевые пластины п-типа проводимости с ориентацией поверхности в плоскости (100).

Выращивали термический окисел 1 толщиной 0,7 мкм при Т 1200°С на двух сторонах пластины 2 в высокотемпературной печи марки СДО 125-4А.

Проводили фотолитографию для того, чтобы вскрыть окна 3 в двуокиси кремния в месте расположения внешних выводов.

На установке УВП-2М наносили слой плазмохимического нитрида кремния толщиной 0,15 мкм.

Проводили фотолитографию для того, чтобы оставить слой нитрида кремния в окнах 3 в месте расположения внешних выводов.

На установке УВН-5 проводили нанесение поликристаллического кремния 4 толщиной 1,2 мкм.

Проводили пиролитическое осаждение слоя двуокиси кремния 5 толщиной 0,5 мкм при Т 710°С с помощью тетраэтаксисила- на.

На лазерной установке ЛТН-103 проводили перекристаллизацию слоя поликристаллического кремния 4 толщиной 1,2 мкм.

Проводили фотолитографию для формирования тензочувствительньГх компонентов из рекристаллизованного кремния.

Формирование тензочувствительных компонентов 6 осуществляли локальным удалением рекристаллизованного кремния анизотропным травлением рекристаллизованного кремния в 33%-ном водном растворе едкого кали при Т 100°С.

Затем проводили пиролитическое осаждение слоя двуокиси кремния 7 толщиной 0,2 мкм при Т 710°С с помощью тетраэтак- сисилана.

На установке УВН-5 проводили нанесение поликристаллического кремния 8 толщиной 15 мкм.

Проводили пиролитическое осаждение слоя двуокиси кремния 9 толщиной 0,5 мкм при Т 710°С с помощью тетраэтаксисила- на.

Далее проводили фотолитографию для вскрытия окон для травления слоя поликристаллического кремния 8.

Травление слоя поликристаллического кремния 8 осуществляли в 33%-ном водном растворе едкого кали при Т 100°С.

Проводили фотолитографию на обрат- 5 ной стороне пластины для вскрытия окон 10 для формирования упругого элемента и под внешние выводы.

Формирование упругого элемента 11 и

лунки под внешние металлические выводы

0 осуществляли анизотропным тралением

кремния в 33%-ном водном растворе едкого

кали приТ 100°С.

Выращивали термический окисел 12 толщиной 0,2 мкм при Т 1200°С в высоко- 5 температурной печи марки СДО-125-4А.

Затем проводили удаление слоя нитрида кремния 3 толщиной 0,15 мкм со дна лунки под внешние металлические выводы с помощью плазмохимического травления в 0 реакторе Плазма 600Т с применением SiF4.

На установке УВН-5 проводили напыление алюминия толщиной 0,7 мкм.

Проводили фотолитографию для форми- 5 рования контактных площадок 13 из алюминия.

Увеличение чувствительности измерительного тензопреобразователя дает возможность вместе с ослаблением требо- 0 ваний к вторичной аппаратуре уменьшить величину напряжения питания тензопреобразователя, что оказывается важным в микромощных- измерительных системах, в частности в биомедицинских. Поскольку 5 тензочувствительные компоненты покрыты со всех сторон слоем двуокиси кремния, то возможно изготавливать тонкие части неплоской мембраны меньшей толщины. Поскольку чувствительность 0S-(f/h)2,

где а - длина короткой стороны мембраны;

h - толщина тонкой части профилированной мембраны,

то уменьшение толщины тонкой части уп- 5 ругого элемента связано с увеличением чувствительности. По сравнению с чувствительностью мостовой схемы, состоящей из тензорезисторов, расположенных на прототипе, чувствительность мостовой схемы, 0 состоящей из тензорезисторов, расположенных на предлагаемом тензопреобразо- вателе, увеличивается в 10,89 раза. Результаты проведенного сравнения относятся к случаю одинаковых геометрических 5 размеров мембраны прототипа и предлагаемого тензопреобразователя.

Другим важным обстоятельством, которое связано с увеличением чувствительности, является возможность при сохранении первоначальной чувствительности уменьшить внешние размеры преобразователя Так, для нашего случая возможность увеличить чувствительность прототипа в 10,89 раза позволяет, не изменяя значения чувствительности S, уменьшить ширину мембраны в 3,3 раза.

Поскольку без потери в чувствительности уменьшаются размеры тензопреобразователя, поэтому снижается стоимость кристаллов тензопреобразователей при их

производстве.

Формула изобретения 1. Интегральныйтензопреобразователь механического воздействия, содержащий корпус, внутри которого размещен кристалл чувствительного элемента тензопреобразо- вателя. состоящий из основания с массивной частью, на которой расположены контактные площадки, профилированной с одной стороны мембраны, на которой размещены тензочувствительные компоненты, а также внешние металлические выводы, о т- личающийся тем. что, с целью повышения чувствительности, расширения диапазона линейного преобразования и частотного диапазона тензопреобразователя, а также уменьшения габаритных размеров, профилированная мембрана выполнена трехслойной, причем крайние слои выполнены из двуокиси кремния, а средний - из поликристаллического или рекристаллизо- ванного кремния, тензочувствительные компоненты изолированы слоем двуокиси кремния и размещены внутри тонких частей профилированной мембраны со стороны ее плоской части, профилированная сторона мембраны и массивная часть основания расположены с противоположных сторон кристалла чувствительного элемента тензопреобразователя, в массивной части основания выполнены канавки, на дне которых расположены контактные площадки, а внутри - внешние металлические выводы, при этом тензочувствительные компоненты контактные площадки и внеш1

ние металлические выводы расположены с одной стороны кристалла чувствительного элемента тензопреобразователя.

2. Способ изготовления интегральных тензопреобразователей механического воздействия, заключающийся в термическом окислении поверхности кремниевой пластины, формировании на ней тензочувстви- тельных компонентов, профилированной с 0 одной стороны мембраны путем локального анизотропного травления кремниевой пластины, и внешних металлических выводов, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, расширения 5 диапазона линейного преобразования и частотного диапазона тензопреобразователя, а также уменьшения габаритных размеров, после термического окисления кремниевой пластины выполняют окна в полученном 0 слое двуокиси кремния, наносят слой нитрида кремния на поверхность кремниевой пластины с последующим удалением этого слоя с ее поверхности, за исключением слоя нитрида кремния в окнах, затем наносят пер- 25 вый слой поликристаллического кремния и слой окисла, проводят рекристаллизацию первого слоя поликристаллического кремния и формируют тензочувствительные компоненты локальным удалением ре- 30 кристаллизованного кремния, после чего осуществляют окисление кремниевой пластины, при формировании профилированной с одной стороны мембраны вначале наносят второй слой поликристаллического 35 кремния и слой окисла, затем проводят травление второго слоя поликристаллического кремния, рекристаллизуют этот слой или не рекристаллизуют его, после чего проводят глубокое травление кремниевой пла- 40 стины до образования на дне канавок слоя нитрида кремния, а также окисление, после удаления нитрида кремния со дна канавок внешние металлические выводы присоединяют к контактным площадкам на дне кана- 45 вок.

Сущность изобретения: преобразователь состоит из корпуса, внутри которого размещен кристалл из чувствительного элемента, состоящий из основания с массивной частью и трехслойной профилированной с одной стороны мембраны. Крайние слои мембраны выполнены из двуокиси кремния, средний из поликристаллического или ре- кристаллизованного кремния. Структура тензочувствительных компонентов, размещенных на мембране, состоит из слоев двуокиси кремния, перекристаллизованного кремния и двуокиси кремния. Внешние металлические выводы к тензочувствительным компонентам представляют металлизированные контактные площадки, расположенные внутри канавок, в массивной части основания преобразователя. Способ изготовления интегрального тензопреобразова- теля включает операции термического окисления кремниевой пластины, формирования на ней тензочувствительных компонентов, формирования профилированной с одной стороны мембраны с помощью локального анизотропного травления кремниевой пластины и формирования внешних металлических выводов. 2 с.п.ф-лы, 2 ил. со с

f f I.f

1

7

I . / .S, .71.Yf l

,--...--. Jt.Г. -ц.. i уП,I ,. .. -yj-.j-..-..J-&,,-i.L. -.-- A-..,-f, -- j Лг -- f-n-f.tr Ј---,- . rl--fV 7 -1

У J Я«-7- S / / S / S S f 7 J /-7-7-7-7- Г 7 S X У

/ f f S f J / f t t J S J Г S S S S Z-2/; /y

fff f f У J J 1ft/ S J / J J J S / S / J rf / S / t

т f r r i J i / J f.i J J r ; r -j r t r r s } г v r-t-r

6

IS / / / ff 7 J X X / -I

у Ькя / г s s s V j f s s Slt r s j s s