高靈敏度4H-SiC基高溫壓力傳感器

　　摘要:p型4H-SiC相較n型4H-SiC具有更高的壓阻效應(yīng),p型4H-SiC正方形膜片作為彈性元件相較圓形膜片具有更高的靈敏度。基于此,設(shè)計(jì)了一種基于p型4H-SiC壓阻效應(yīng)的高靈敏度碳化硅壓力傳感器,探索了Ni/Al/Ni/Au與p型4H-SiC之間形成良好歐姆接觸的條件,并制備了傳感器芯片。在25~600℃空氣環(huán)境中對傳感器芯片的電阻進(jìn)行了測試,驗(yàn)證了傳感器在≤600℃下具有良好的電連接性。最后,在常溫至250℃下對傳感器進(jìn)行性能測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,常溫環(huán)境下傳感器具有較高的輸出靈敏度為10.9μV/V/kPa,即使在250℃時其輸出靈敏度也約為6.7μV/V/kPa。該研究為高溫壓阻式壓力傳感器發(fā)展提供了一定的技術(shù)參考。

　　本文源自李永偉; 梁庭; 雷程; 李強(qiáng); 李志強(qiáng); 熊繼軍， 微納電子技術(shù) 發(fā)表時間：2021-05-25 《微納電子技術(shù)》原：《半導(dǎo)體情報》，自創(chuàng)刊以來，致力于推動我國微米納米技術(shù)的發(fā)展，大量報道了我國納米電子學(xué)的基礎(chǔ)性研究和MEMS領(lǐng)域的開發(fā)與應(yīng)用，為全國從事微納電子技術(shù)研究的人員搭建了一個良好的技術(shù)、信息交流平臺，對我國納米技術(shù)研究人員所做的早期研究工作和取得的成果做出了真實(shí)的、歷史性的描述。

　　關(guān)鍵詞:壓力傳感器;微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS);碳化硅(SiC);壓阻效應(yīng);彈性元件

　　0引言

　　隨著控制科學(xué)與智能監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展,發(fā)動機(jī)和石油鉆井等在極端環(huán)境下的壓力信號測量技術(shù)受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[1]。與電容式、光纖式和聲表面波式等其他類型的傳感器相比,壓阻式壓力傳感器具有體積小、工藝簡單及線性范圍寬等優(yōu)勢[2-3]。

　　由于硅材料具有優(yōu)良的壓阻效應(yīng)和成熟的微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)加工工藝,硅基壓力傳感器是目前最常見的壓阻式力學(xué)器件。但是,在超過500℃的高溫環(huán)境下硅材料受壓力后發(fā)生塑性形變且容易被腐蝕或者氧化,限制了硅基壓力傳感器在極端環(huán)境下的應(yīng)用[4-5]。

　　碳化硅具有帶隙寬、熱導(dǎo)率高、機(jī)械強(qiáng)度大及抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于高溫、高頻、高壓等極端環(huán)境下工作的傳感器和電力電子器件[6-7]。4H-SiC作為體碳化硅,具有良好的壓阻效應(yīng),有潛力制備長時間工作在超過600℃高溫環(huán)境下的全碳化硅壓力傳感器[8]。早在2012年,T.Akiyama等人[9]驗(yàn)證了n型4H-SiC具有良好的壓阻效應(yīng),其應(yīng)變系數(shù)達(dá)到20.8,并制備了可在600℃下工作的n型4H-SiC壓力傳感器,該傳感器在常溫環(huán)境下輸出靈敏度為268μV/V/kPa[10];2015年,美國NASA的R.S.Okojie等人[11]制備了可在800℃下工作的n型4H-SiC壓力傳感器,其輸出靈敏度約為18.8μV/V/psi(1psi=6895Pa)。

　　國內(nèi),中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所何洪濤等人[12]報道了n型4H-SiC壓力傳感器的設(shè)計(jì)、MEMS加工工藝、封裝以及測試等,并在23~550℃環(huán)境下進(jìn)行性能測試,該傳感器在常溫環(huán)境下輸出靈敏度為5.03μV/V/kPa;此外,上海師范大學(xué)陳之戰(zhàn)課題組的趙高杰[13]同樣對n型4H-SiC壓力傳感器技術(shù)開展了詳細(xì)研究,所研制的傳感器的最大輸出靈敏度為4.7μV/V/kPa。從總體上看,基于n型4H-SiC壓阻效應(yīng)的壓力傳感器靈敏度相對較低,尚無可應(yīng)用于工況環(huán)境下的碳化硅高溫壓阻式壓力傳感器。另外,文獻(xiàn)[10-13]所報道的傳感器芯片均采用圓形膜片作為彈性元件,相較正方形膜片其靈敏度更小,因此,有望從感壓膜片的優(yōu)化設(shè)計(jì)著手提高傳感器的靈敏度。

　　為了改善SiC壓阻式壓力傳感器的性能,近幾年有研究團(tuán)隊(duì)將目光轉(zhuǎn)向p型4H-SiC。2017年,格里菲斯大學(xué)T.K.Nguyen等人[14]開始著手p型4H-SiC壓阻效應(yīng)的表征研究,實(shí)驗(yàn)性地證實(shí)了p型4H-SiC具有高達(dá)31.5的應(yīng)變系數(shù),約為n型4H-SiC應(yīng)變系數(shù)的1.5倍;之后,該團(tuán)隊(duì)[15]于2018年以正方形感壓膜片作為彈性元件,采用激光深刻蝕SiC技術(shù)制備了高靈敏度p型4H-SiC壓阻式壓力傳感器,其靈敏度高達(dá)84μV/V/kPa。國內(nèi),2019年,中北大學(xué)Y.W.Li等人[16]基于單懸臂梁結(jié)構(gòu)驗(yàn)證了p型4H-SiC具有優(yōu)異的壓阻性能。目前,國內(nèi)鮮有關(guān)于p型4H-SiC壓阻效應(yīng)壓力傳感器的報道,主要有以下兩方面原因:①p型SiC與金屬形成低接觸電阻、高穩(wěn)定的歐姆接觸較為困難[17];②與n型碳化硅同質(zhì)外延技術(shù)相比,p型碳化硅同質(zhì)外延技術(shù)更為復(fù)雜、生產(chǎn)成本更高[8]。

　　隨著國內(nèi)SiC晶圓生長、同質(zhì)外延等技術(shù)的成熟化,高質(zhì)量的p型4H-SiC外延晶片逐漸從進(jìn)口為主走向了客戶定制化。本文基于正方形感壓膜片,研制了一種基于p型4H-SiC壓阻效應(yīng)的高靈敏度壓力傳感器芯片。探索了SiC與Ni/Al/Ni/Au形成歐姆接觸的退火條件,制備了p型4H-SiC耐高溫歐姆接觸,并驗(yàn)證了25~600℃下傳感器電連接的穩(wěn)定性;最后,在常溫至250℃環(huán)境下完成傳感器的性能測試。

　　1傳感器的設(shè)計(jì)與制備

　　1.1傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　基于壓阻效應(yīng)的壓力傳感器是將4個壓敏電阻集成到感壓膜片上,并將電阻連接成Wheatstone電橋。當(dāng)外界環(huán)境壓力發(fā)生變化時,在膜片上的壓敏電阻阻值產(chǎn)生與壓力呈正比的變化,并通過電橋電路輸出變化感知壓力信號。常見的壓力敏感膜片有正方形膜、圓形膜和帶有質(zhì)量塊的島膜。由于SiC體微加工難度較大,一般不考慮島膜作為感壓膜片。根據(jù)彈性力學(xué)理論,同等尺寸條件下正方形膜的最大應(yīng)力比圓形膜的大1.64倍[16]。因此,本文設(shè)計(jì)1000μm×1000μm的正方形壓力敏感膜片,設(shè)計(jì)工作量程為1MPa的傳感器芯片結(jié)構(gòu)。在考慮線性原則和抗過載原則的情況下,設(shè)計(jì)傳感器感壓膜片厚度。

　　所謂線性原則指傳感器受到滿量程壓力時,感壓膜片的最大撓度必須小于膜片厚度的1/5,目的是保證膜片工作在線性區(qū)。感壓膜片受滿量程壓力后的最大撓度(ωmax)與工作量程和膜片厚度(h)關(guān)系為[4]ωmax=0.0213×12(1-v2)pmaxa416Eh3=0.0156pmaxa4Eh3

　　所謂抗過載原則指當(dāng)傳感器受到滿量程壓力時,敏感膜片承受的最大等效應(yīng)力必須小于材料屈服應(yīng)力的1/5,防止膜片因承受過大的壓力而產(chǎn)生不可恢復(fù)的形變。敏感膜片表面承受的最大等效應(yīng)力(σmax)與工作量程和膜片尺寸的關(guān)系為[4]σmax=1.0224(1-v)pmaxa24h2=0.2147pmaxa2h2≤σy5(2)式中σy為SiC的屈服應(yīng)力。

　　綜合上述計(jì)算結(jié)果和工藝可行性,設(shè)計(jì)傳感器的感壓膜片尺寸為1000μm×1000μm×45μm,傳感器整體芯片尺寸為3300μm×3300μm×355μm,如圖1(a)所示,其中R1~R4為壓敏電阻。為了提高傳感器輸出靈敏度,要求盡可能地將4個壓敏電阻布置在敏感膜片的應(yīng)力集中區(qū)。利用ANSYS有限元仿真軟件建立傳感器芯片模型,并在膜片表面施加1MPa的均勻壓力,仿真結(jié)果如圖1(b)所示。由圖1(b)可以發(fā)現(xiàn),應(yīng)力集中分布在正方形感壓膜片邊緣的中心區(qū)域,沿膜片對邊中心點(diǎn)連線的路徑上應(yīng)力分布如圖1(c)所示,其中AB和CD路徑處于對稱位置,應(yīng)力分布一致。因此,將尺寸為80μm×20μm的SiC壓敏電阻布置在敏感膜片的邊緣,如圖1(a)中R1~R4所示,具體布置區(qū)域如圖1(c)虛線位置所示。為了方便測量單個電阻的阻值,將4個電阻連接成半開環(huán)式Wheatstone電橋,如圖1(d)所示。當(dāng)對膜片表面施加均勻壓力時,R1和R4電阻增大,而R2和R3電阻減小,電橋輸出電壓發(fā)生與壓力呈正比關(guān)系的變化。理想情況下,當(dāng)膜片表面施加的壓力p=0時,4個壓敏電阻有相同的阻值,電橋呈平衡狀態(tài)且輸出電壓為0V。當(dāng)給膜片表面施加壓力時,壓敏電阻的阻值發(fā)生改變。假設(shè)4個電阻的變化率相同,則電橋的輸出電壓(Uout)可表示為Uout=ΔRRUin(3)式中:ΔRR為單個壓敏電阻的變化率;Uin為電橋的輸入電壓。由此,可以推算出傳感器的輸出靈敏度(S)為S=1pΔRR=1pΔρρ=1pGfEσ