专利名称：一种基于注氧隔离技术的黏度传感器芯片的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种基于微机电系统(Micro Electromechanical Systems, MEMS)技术的黏度传感器芯片的制备方法，特别是一种基于注氧隔离(Separation by Implantation of Oxygen, SIM0X)技术的黏度传感器芯片的制备方法。
背景技术：
随着传感器技术和MEMS技术等学科的不断进步，有力地促进了流体黏度测量技术的发展，涌现了一些新的基于MEMS技术的流体黏度测量方法，以解决传统黏度测量方法所存在的诸如测量所需样品量较大、不能实时测量及输出的多为模拟量信号等缺点。目前， 基于MEMS技术的流体黏度测量方法主要有基于热激励和压阻感应的原理制作的MEMS双金属热致动器的振动黏度计进行流体黏度的测量，基于声表面波和微流体技术或基于超声波技术进行流体黏度的测量，基于激光诱导表面张力波进行流体黏度的测量以及基于硅微悬臂梁振动法测量流体的黏度等。其中，基于硅微悬臂梁振动法测量流体的黏度，它具体为采用体硅或者绝缘体上的硅(Silicon on Insulator, S0I)硅片制作的芯片封装而成的传感器来实现流体的黏度测量。采用体硅制作的芯片，硅微悬臂梁是通过湿法腐蚀至一定厚度以及感应耦合等离子 (Inductively Coupled Plasma, I CP)刻蚀成一定形状而制作的，由于腐蚀过程中腐蚀液的浓度改变导致腐蚀速率变化，造成硅微悬臂梁的厚度难以控制且厚度均勻性也难以保证， 此外，拾振电阻与硅基底之间的PN在环境温度升高时存在漏电流的影响，当工作温度达到80°C以上时，传感器的特性就会变差，从而造成传感器不能在高温条件下工作的局限性； 采用SOI硅片制作的芯片，硅微悬臂梁厚度和均勻性由上层单晶硅保证，氧化一定厚度的上层单晶硅然后再在氧化层上面制作后续测量电路，由于氧化层将上层测量电路和硅基底隔离开，使得传感器可以工作在高温环境下，但其掺杂多晶硅构成的拾振电阻，压阻效应较小，多晶硅掺杂电阻的最大压阻系数仅为单晶硅掺杂电阻的70%，影响了测量结果的精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于注氧隔离技术的黏度传感器芯片的制备方法，以解决芯片厚度控制及厚度均勻一致性、耐高温以及拾振电阻的压阻效应较小的问题。本发明基于注氧隔离技术的黏度传感器芯片的制备方法，包括以下步骤(1)清洗双面抛光的(100)晶面SOI硅片，所述SOI硅片由上层单晶硅、二氧化硅埋层和下层单晶硅组成，其中，二氧化硅埋层将上层单晶硅和下层单晶硅隔离开；(2)在距离上层单晶硅上表面0. 1 μ m 0.3 μ m下的位置，采用注氧隔离技术形成二氧化硅绝缘隔离层，然后通过退火修复注氧隔离过程中对硅片的损坏并使二氧化硅绝缘隔离层的均勻性保持一致，其中，二氧化硅绝缘隔离层将上层单晶硅分割成上下两部分；(3)采用气相淀积技术在步骤(2)得到的器件正面外延其厚度至Iym 3 μ m，之后采用离子注入技术对其进行硼掺杂，获得P型掺杂硅，然后沿W11]晶向和[Oil]晶向采用等离子刻蚀技术刻蚀P型掺杂硅，获得构成惠斯通电桥的四个拾振电阻礼、R2、R3和R4 ；(4)采用低压气相淀积技术在步骤(3)得到的器件正面淀积氮化硅应力匹配层， 再利用引线孔掩膜版，刻蚀氮化硅应力匹配层；(5)采用溅射工艺在氮化硅应力匹配层上淀积金层，然后经过剥离工艺后形成焊盘、内引线和线圈；(6)采用低压气相淀积技术在步骤(5)得到的器件正面淀积氮化硅电气绝缘层；(7)利用掩膜版在电气绝缘层上刻蚀出跳线孔，并再次采用溅射工艺在电气绝缘层上淀积金层，经过剥离工艺后形成跳线；(8)采用低压气相淀积技术在步骤(7)得到的器件正面和背面分别淀积氮化硅保护层；(9)用等离子刻蚀技术刻蚀位于背面的氮化硅保护层，再采用湿法刻蚀技术进行
背腔腐蚀至二氧化硅埋层；(10)采用感应耦合等离子刻蚀技术释放硅微悬臂梁，再采用等离子刻蚀技术刻蚀出焊盘(9)，最后经过划片得到所设计的黏度传感器芯片的单个芯片。所述SOI硅片为N型(100)晶面SOI硅片；所述SOI硅片的上层单晶硅的厚度为 15 μ m 30 μ m，二氧化硅埋层的厚度为0. 2 μ m 0. 4 μ m，下层单晶硅的厚度为525 μ m 775 μ m ；所述二氧化硅绝缘隔离层的厚度为0. 2 μ m 0. 4 μ m，其将上层的电路与位于二氧化硅绝缘隔离层下的上层单晶硅隔离开。本发明基于注氧隔离技术的黏度传感器芯片的制备方法至少具有以下优点本发明以SOI硅片原有的埋层二氧化硅层作为自停止刻蚀层，保证了硅微悬臂梁厚度的均勻一致性。上层单晶硅厚度决定了整个硅微悬臂梁的厚度。经过SIMOX技术在硅片上层单晶硅表面一定深度下形成均勻一致的绝缘隔离层二氧化硅，将上层的电路与硅片上层单晶硅基底隔离开，避免了电路层与上层单晶硅基底之间因环境温度升高而造成的漏电流，故由这种芯片封装而成的传感器具有耐高温的特性。拾振电阻由P型硼掺杂单晶硅电阻构成，它具有比多晶硅电阻更高的压阻效应，解决了拾振电阻压阻效应较小的问题。
图1为本发明基于注氧隔离技术的黏度传感器芯片的制备方法的流程图；图2为本发明基于注氧隔离技术的黏度传感器芯片的结构示意图；图3为本发明基于注氧隔离技术的黏度传感器芯片的工作原理图。图中的标号如下表示
权利要求
1.一种基于注氧隔离技术的黏度传感器芯片的制备方法，其特征在于包括以下步骤(1)清洗双面抛光的(100)晶面SOI硅片，所述SOI硅片由上层单晶硅(1)、二氧化硅埋层(2)和下层单晶硅(3)组成，其中，二氧化硅埋层(2)将上层单晶硅(1)和下层单晶硅 ⑶隔离开；(2)在距离上层单晶硅(1)上表面0.1 μ m 0. 3 μ m下的位置，采用注氧隔离技术形成二氧化硅绝缘隔离层(5)，然后通过退火修复注氧隔离过程中对硅片的损坏并使二氧化硅绝缘隔离层(5)的均勻性保持一致，其中，二氧化硅绝缘隔离层(5)将上层单晶硅(1)分割成上下两部分；(3)采用气相淀积技术在步骤(2)得到的器件正面外延其厚度至Iym 3μ m，之后采用离子注入技术对其进行硼掺杂，获得P型掺杂硅(7)，然后沿Wll]晶向和[Oil]晶向采用等离子刻蚀技术刻蚀P型掺杂硅(7)，获得构成惠斯通电桥的四个拾振电阻礼、R2, R3和 R4 ；(4)采用低压气相淀积技术在步骤(3)得到的器件正面淀积氮化硅应力匹配层(8)，再利用引线孔掩膜版，刻蚀氮化硅应力匹配层(8)；(5)采用溅射工艺在氮化硅应力匹配层(8)上淀积金层，然后经过剥离工艺后形成焊盘(9)、内引线(10)和线圈(11)；(6)采用低压气相淀积技术在步骤(5)得到的器件正面淀积氮化硅电气绝缘层(12)；(7)利用掩膜版在电气绝缘层(12)上刻蚀出跳线孔，并再次采用溅射工艺在电气绝缘层(12)上淀积金层，经过剥离工艺后形成跳线(13)；(8)采用低压气相淀积技术在步骤(7)得到的器件正面和背面分别淀积氮化硅保护层 (14、15)；(9)采用等离子刻蚀技术刻蚀位于背面的氮化硅保护层(15)，再采用湿法刻蚀技术进行背腔腐蚀至二氧化硅埋层(2)；(10)采用感应耦合等离子刻蚀技术释放硅微悬臂梁，再采用等离子刻蚀技术刻蚀出焊盘(9)，最后经过划片得到所设计的黏度传感器芯片的单个芯片。
2.如权利要求1所述的基于注氧隔离技术的黏度传感器芯片的制备方法，其特征在于所述SOI硅片为N型(100)晶面SOI硅片。
3.如权利要求1或2所述的基于注氧隔离技术的黏度传感器芯片的制备方法，其特征在于所述SOI硅片的上层单晶硅(1)的厚度为15μπι 30μπι，二氧化硅埋层(2)的厚度为0. 2 μ m 0. 4 μ m，下层单晶硅(3)的厚度为525 μ m 775 μ m。
4.如权利要求1所述的基于注氧隔离技术的黏度传感器芯片的制备方法，其特征在于所述二氧化硅绝缘隔离层(5)的厚度为0.2μπι 0.4μπι，其将上层的电路与位于二氧化硅绝缘隔离层(5)下的上层单晶硅(1)隔离开。
全文摘要
本发明提供了一种基于注氧隔离技术的黏度传感器芯片的制备方法，本发明所述芯片的硅微悬臂梁厚度具有易控制以及均匀一致性的特点，并且解决了拾振电阻压阻效应较低的问题，同时，由该芯片封装而成的传感器可以应用在高温场合下；该MEMS黏度传感器黏度测量范围为1mPa·s～100mPa·s、精度优于±10％FS，可以实现在静压值小于100MPa、环境温度-20℃～200℃下在线和小样品量的测量。
文档编号B81C1/00GK102320552SQ20111015611
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月10日 优先权日2011年6月10日
发明者刘志刚, 张桂铭, 王晓坡, 蒋庄德, 赵立波, 黄恩泽 申请人:西安交通大学