Преобразователь давления и способ его изготовления

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛ ИСТИЧЕСН ИХРЕСПУБЛИН щ)5 С 01 1, 9/04 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМпо изоБРетениям иПРИ ГКНТ СССР ЯМ ОтнРытиОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ а иВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Научно-исследовательский инсттут физических измерений(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ И СПСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к изметельной технике, в частности к прразователям давления, и позволяетповысить чувствительность и точнопреобразователя. Преобразовательдержит профилированную мембрану 1 801732199 2сформированными на ней через слой диэлектрика 2 тензорезисторами 3. Причем мембрана и тензорезисторы выполнены из идентичной легированной бором доконцентрации не менее 5101 см пленки кремния, а между тензорезисторами на мембране нанесена аналогич- . ная пленка 5, отделенная от тензоре" зисторов воздушным 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 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.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 изготовления, характеризующиеся тем, . что тензорезисторы из высоколегированного кремния через диэлектрический слой нанесены на профилированную кремниевую мембрануНедостатками известных устройства .и способа являются низкая чувствим тельность к измерению малых давлении, обусловленная ограничениями формирования малых толщин мембран, и наличие значительного уровня погрешностей измерений преобразователей и невоспро. 1 изводимости их характеристик, определяемых в диапазоне температур раз.личным коэффициентом линейного расши" рения диэлектрического слоя и кремния . мембраны и разнотолщинностью мембран,получаемой исходя из разнотолщиниости исходных пластин.Целью изобретения является .повыше-. ние чувствительности и точности преобразования.1На 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 сосформированными на ней через слойдиэлектрика 2 тензорезисторами 3 иконтактными площадками 4. Тензорезис"торы и мембрана выполнены из пленкикремния, легированного бором до концентрации не менее 510 см , и име 19ют одинаковую толщину. На мембранусо стороны тензорезисторов нанесендополнительный слой пленки 5 кремнияс, теми.же характеристиками что утензорезисторов и мембраны, причем данный слой отделен от тензорезисто-.ров воздушным зазором 6.Принцип работы преобразователязаключается в следующем.Измеряемое давление, попадая намембрану, деформирует тензорезисторыи увеличивает выходное напряжениемостовой схемы, в которую замкнуты 10 тензорезисторы. Выбор концентрациикремния не менее 5 ф 10 см позволяет методами стоп-травления Формироватьтонкие мембраны толщиной 1-3 мкми повышать тем самым чувствительностьпреобразователя, В связи с тем, чтона поверхности всей мембраны нанесенслой кремния, идентичный по параметрам слою кремния собственно мембраны,то за счет равных коэффициентов терми ческого расширения верхнего и нижнегослоев кремния, разделенных диэлект.риком, при эксплуатации,в широком.диапазоне температур (до 250 С) небудут иметь место паразитная 1 дефор мадия мембраны и паразитное. изменениевыходного сигнала. Таким образом, прималой толщине мембраны реализуютсяповышенная чувствительность и точность преобразователя.На Фиг. 3 изображена первая пластина кремния (7) со сформированнымлегированием бором слоя 8 с концентрацией не менее 51 10см На фиг.4,.изображена вторая пласЭ 5 тина 9 кремйия с легированным слоем10, аналогичньм слою 8.На фиг. 5 изображена структура,образованная соединением пластин между собой легированными поверхностями 8 и.10 друг к другу через слой диэлектрика 11,На Фиг. 6 изображена структурапосле удаления в едином процессетравления кремния по всей поверхносфф ти 12 до легированного слоя на первой пластине и локально в областяхмембран, также до легированного слояна второй пластине 13.На фиг. 7 изображена стуктура после проведения фотолитографии по формированию тензорезисторов 3, облас тей из резистивного слоя 5 и зазоров 6,1Применение стоп-травления на легированных бором до концентрации неменее 510 ф см" слоях позволяетФормировать тонкие высокочувствитель5 17 ные мембрань с повышенной воспроизводимостью по их толщине.П р и м е р . Преобразователь давления, содержащий чувствительный элемент в виде профилированного кремниевого кристалла с толщиной мембраны2 мкм, на которой через слой боросиликатного стекла толщиной 1,0-2,0 мкмсформированы тензорезисторы и дополтельный слой кремния толщиной 2 мкмичем мембрана, тензорезисторый дополнительный слой выполнены изкремния, легированного бором до концентрации не менее 510 9 см . Величина воздушного зазора между тензорезисторами 2-10 мкм. Таким образом достигаются идентичность составныхслоев мембраны и ее незначительная толщина, что и обеспечивает повышенную чувствительность и точность преобразованияНа кремниевых пластинах маркиКЭФ 4,.5 (100) методом ионной имплантации бора с дозой 5000 мкКл/см 2 при энергии 100 кэВ с последующим отжигом при температуре 1150 фС втечение 30-90 мин создают легированные слои с концентрацией бора не менее 510 см . Далее на пластинах9формируют 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 (25-30 Ж) до стоп-травления на легиро" ванном .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 ф Па и менее и.работоспособных до 250 С;повышение точности преобразования в расширенном дипазоне температур (до 250 ОС), в частности до величиныф о р м у л а из о б р е т е н и я 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 5109 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 25 30 резисторов., а на поверхности слоядиэлектрика с зазором от тензорезисторов и проводников нанесен слой крем ния по толщине и уровню концентрациибором, равный соответственно толщинеи уровню концентрации бором тензоре.зисторов .2. Способ изготовления преобразователя 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, скреплениепервой пластины со стороны слоя, легированного бором, через слой диэлектрика с второй пластиной со стороныее мембраны, утонение кремния первойпластины до толщины слоя, легированного бором путем травления в щелочном растворе, Формирование в этомслое путем фотолитографии тензорезисторов и проводников и нанесение на последние металлизированных контактныхплощадок, о т л и ч а ю щ и й с я 32199 6температурного коэФФициента изменения начального выходного сигнала не более О, 1 Ж/град;повьшение воспроизводимости метрологических характеристик чувствительных элементов преобразователей, Формируемых групповьи травлением на пластине с остановкой травления на стоп-сло7 1732 199 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 напервой пластине удаляют кремний пу,Заказ 1576ВНИИПО Государственно11303 Тираж комитета и Москва, Вский комби Подписноеизобретениям и открытиям5, Раушская наб, д. 4/5 ат Патент", г. Ужгород, уд. Гагарина, 101