Преобразователь давления и способ его изготовления

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преоб разователям давления, и позволяет повысить чувствительность и точность преобразователя. Преобразователь содержит профилированную мембрану 1 со сформированными на ней через слой диэлектрика 2 тензорезисторами 3. Причем мембрана и тензорезисторы выполнены из идентичной легированной бором до а - Ь концентрации не менее 5-Ю см пленки кремния, а между тензорезисторами на мембране нанесена аналогичная пленка 5, отделенная от тензорезисторов воздушным зазором 6. При изготовлении преобразователя две кремниевые пластины со сформированными легированными слоями 8 соединяют между собой через слой диэлектрика в едином процессе травления, удаляют кремний по всей поверхности до легированного слоя на верхней пластине и локаль-о но в областях мембран на нижней пластине и фотолитографией: формируют воздушные зазоры 6, отделяющие тензорезисторы 3 от легированной пленки 5. 2 с.п.ф-лы, 7 ил. 1 (Л С.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1732199 А 1

gg1)g С 01 L 9/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

llo изоБРетениям и ОТНРытиям

ПРИ ГКНТ СССР

1, (21) 4846466/10 (22) 05.07..90 (46) 07.05.92. Бюл, № 17 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) С.А.Козин (53) 531.787(088.8) (56) SAE Techn.Par.Ser, 1986, № 860473, р. 71-77: Экспресс-информация ИПиС, № 9, 1987.

Патент США ¹ 4400869, кл. Н 01 L 21/225, 1984. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО .ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измери- тельной технике, в частности к преоб разователям давления, и позволяет повысить чувствительность и точность преобразователя. Преобразователь содержит профилированную мембрану 1 со

2 сформированными на ней через слой диэлектрика 2 тензорезисторами 3. Причем мембрана и тензорезисторы выполнены из идентичной легированной бором до

-ъ концентрации не менее 5 ° 10 1 см пленки кремния, а между тензорезисторами на мембране нанесена аналогич- . ная пленка 5, отделенная от тензорезисторов воздушньм зазором 6. При изготовлении преобразователя .две кремниевые пластины со сформированными легированными слоями 8 соединяют между собой через слойдиэлектрика в еди- йом процессе травления, удаляют кремний по всей поверхности до легированного слоя на верхней пластине и локаль-а но в областях мембран на нижней плас" тине и фотолитографией формируют воздушные зазоры 6, отделяющие тензорезисторы 3 от легированной пленки 5.

2 с.п.ф-лы, 7 ил.

1732199

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей. давления, работоспособных при повышенных температурах.

Известен преобразователь давления, содержащий кремниевый профилированный кристалл, на котором сформированы поликремниевые тензорезисторы, отделенные от кристалла пленкой диэлектрика.

Недостатком данного преобразователя является низкая чувствительность, обусловленная малой величиной тензочувствительности поликремния.

Наиболее близкими к предлагаемому по технической сущности являются преобразователь давления и способ его из готовления, характеризующиеся тем, . что тензорезисторы из высоколегированного кремния через диэлектрический слой нанесены на профилированную кремниевую мембрану..

Недостатками известных устройства .и способа являются низкая чувствительность к измерению малых давлении, обусловленная ограничениями формирования малых толщин мембран, и наличие значительного уровня погрешностей измерений преобразователей и невоспро1 изводимости их характеристик, определяемых в диапазоне температур раз.личным коэффициентом линейного расширения диэлектрического слоя и кремния . мембраны и разнотолщинностью мембран, получаемой исходя из разнотолщиниости исходных пластин.

Целью изобретения является .повыше-. ние чувствительности и точности преобраsования.

На фиг. 1-7 даны способ и устрой-: ство для его осуществления.

На фиг. 1 и 2 изображен преобразо-. ватель давления, содержащий профилированную мембрану 1 из кремния со сформированными на ней через слой диэлектрика 2 тензорезисторами 3 и контактными площадками 4. Тензорезисторы и мембрана выполнены из пленки кремния, легированного бором до концентрации не менее 5 ° 10 см, и име«9 ют одинаковую толщину. На мембрану со стороны тензорезисторов нанесен дополнительный слой пленки 5 кремния с, теми.же характеристиками,. что у тензорезисторов и мембраны, причем данный слой отделен от тензорезисто-. ров воздушным зазором 6.

Принцип работы преобразователя заключается в следующем.

Измеряемое давление, попадая на мембрану, деформирует тензорезисторы и увеличивает выходное напряжение мостовой схемы, в которую замкнуты

1ð тензорезисторы. Выбор концентрации кремния не менее 5 10 « см позволяет методами стоп-травления формировать тонкие мембраны толщиной 1-3 мкм и повышать тем самым чувствительность преобразователя . В связи с тем, что на поверхности всей мембраны нанесен слой кремния, идентичный по параметрам слою кремния собственно мембраны, то за счет равных коэффициентов терми20 ческого расширения верхнего и нижнего слоев кремния, разделенных диэлект.риком, при эксплуатации,в широком. диапазоне температур (до 250 С) не будут иметь место паразитная дефор25 мадия мембраны и паразитное. изменение выходного сигнала. Таким образом, при малой толщине мембраны реализуются повышенная чувствительность и точность преобразователя.

На фиг. 3 изображена первая пластина кремния (7) со сформированным легированием бором слоя 8 с концентрацией не менее 5 ° 10 см

На фиг.4, . изображена вторая плас-.

35 тина 9 кремйия с легированным слоем

10, аналогичньм слою 8.

На фиг. 5 изображена структура, образованная соединением пластин между собой легированными поверхностя ми 8 и.10 друг к другу через слой диэлектрика 11.

На фиг. 6 изображена структура после удаления в едином процессе травления кремния по всей поверхнос ти 12 до легированного слоя на первой пластине и локально в областях мембран, также до легированного слоя на второй пластине 13.

На фиг. 7 изображена стуктура после проведения фотолитографии по формированию тензорезисторов 3, облас тей из резистивного слоя 5 и зазо ров 6.

Применение стоп-травления на легированных бором до концентрации не менее 5 10 см" слоях позволяет формировать тонкие высокочувствитель5 l7 ные мембрань с повышенной воспроизводимостью по их толщине.

Пример. Преобразователь давления, содержащий чувствительный элемент в виде профилированного кремниевого кристалла с толщиной мембраны

2 мкм, на которой через слой боросиликатного стекла толщиной 1,0-2,0 мкм сформированы тензорезисторы и дополтельный слой кремния толщиной 2 мкм> ичем мембрана, тензорезисторы и дополнительный слой выполнены из кремния, легированного бором до концентрации не менее 5 ° 10 9 см . ВелиО чина воздушного зазора между тензорезисторами 2-10 мкм. Таким образом достигаются идентичность составных слоев мембраны и ее незначительная толщина, что и обеспечивает повышенную чувствительность и точность пре- . образования °

На кремниевых пластинах марки

КЭФ4,.5 (100) методом ионной имплантации бора с дозой 5000 мкКл/см2 при энергии 100 кэВ с последующим отжигом при температуре 1150 С в течение 30-90 мин создают легированные слои с концентрацией бора не менее 5 10 см . Далее на пластинах

<9 формируют слои боросиликатного стекла методами напыления или термической обработкой в окслительной среде совместно с источником бора при.температуре 1000-1150 С. После совмещения пластин между собой легированными слоями проводится их термическая обработка под давлением 1-2 кг/см .

:при температуре 1030-. 1050 С в течение

120 мин. После завершения диффузионной сварки пластин проводится двустороннее травление кремния.в растворах этилендиамина или гидроокиси калия (25-ЗОЖ) до стоп-травления на легированном .слое. Методом фотолитографии и травления в растворе плавиковой и . азотной кислот формируют вокруг тензорезисторов воздушные зазоры.

Технико-экономическими преимущест-. вами предлагаемых преобразователей

:и способа его изготовления по сравнению с известньии являются: возможность создания полупроводниковых преобразователей давления на диапазоны до 2,5 10 Па и менее и .pa6owocaoco6smc до250 С; повышение точности преобразования в расширенном дипазоне температур .(до 250ОС), в частности до величины

Формула из о бр ет ения

1. Преобразователь давления, содержащий мембрану с утолщенным периферийным основанием, выполненную из кремния, на поверхности которой закреплен слой диэлектрика, а на его поверхности сформированы тензорезисторы, выполненные из кремния, легированного бором до концентрации не менее 5 ° 10 см, металлизированные контактные площадки, соединенные с тензорезисторами, и проводники, соединяющие тензорезисторы в мостовую измерительную схему, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью повышения чув ствительности и точности, в нем мембрана легирована бором до того же уровня концентрации> что и тензорезисторы, при этом толщина мембраны под слоем,циэлектрика равна толщине тензоЮ

30 резисторов., а на поверхности слоя диэлектрика с зазором от тензорезисторов и проводников нанесен слой кремЗ5 ния по толщине и уровню концентрации бором, равный соответственно толщине и уровню концентрации бором тензоре.зисторов .

2. Способ изготовления преобразо вателя давления, включающий Формирование в первой пластине кремния первого слоя, легированного бором с концентрацйей не менее 5 ° 10" см, формирование мембраны с утолщенным периферийным основанием во второй пластине кремнияспутем локального травления в щелочном растворе, скрепление первой пластины со стороны слоя, легированного бором, через слой диэлектрика с второй пластиной со стороны ее мембраны, утонение кремния первой пластины до толщины слоя, легированного бором путем травления в щелочном растворе, формирование в этом слое путем фотолитографии тензорезисторов и проводников и нанесение на последние металлизированных контактных площадок, отличающийся

52199 6 температурного коэффициента изменения начального выходного сигнала не более

0,17/град; повьш ение воспроизводимости метро5 логических характеристик чувствительных элементов преобразователей, форми. руемых групповьи травлением на пластине с остановкой травления на стоп-сло10

7 1732199 8 тем, .что, с целью повькения чувстви- тем травления во второй пластине до тельности и точности, одновременно толщины слоя, легированного бором, с формированием в первой пластине а при формировании тензореэисторов . сЛоя, легированного бором, формируют на первой пластине одновременно форидентичный слой во второй пластине, мируют в легированном слое щели вокруг причем после скрепления пластин меж- тензорезисторов и проводников путем ду собой через слой диэлектрика од- травления кремния до слоя диэлектриновременно с травлением кремния на первой пластине удаляют кремний пу- 10

1732199

8 l0 ff с Составитель,С.Козин

ТехРед P,Кравчук .КоРРектоР:М. СамбоРскаЯ

Редактор Л.Гратилло,:Заказ 1576 Тираж . . . . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГЕНТ СССР

113035, Москва, %-35, Раушская наб, д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101