SOI壓力傳感器高壓失效分析

王 韜，萬 江，張萬里

(電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610054)

0 引 言

微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical system,MEMS）傳感器是采用微機(jī)械加工技術(shù)制造的新型傳感器，主要有微型化、多樣化、集成化、批量化等鮮明的技術(shù)特點(diǎn)。MEMS傳感器在軍工，商業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1]，如壓力傳感器[2-4]、光學(xué)傳感器[5-6]、麥克風(fēng)[7-9]等。其中，MEMS壓力傳感器在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭腔體、油井等都有著廣泛的應(yīng)用[10]。近幾年涌現(xiàn)了大量對(duì)可耐高溫的SOI（silicon-oninsulator）壓力傳感器的研究[11]，但對(duì)于可耐高壓的SOI壓力傳感器的報(bào)道還比較缺乏。張曉莉[12]等報(bào)道了一種通過注氧隔離（separation by implantation of oxygen,SIMOX）技術(shù)研制的SOI壓力傳感器，可在-30～250 ℃環(huán)境中測(cè)量1 000 MPa以下壓力，但沒有對(duì)傳感器的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)報(bào)道。在壓力傳感器的設(shè)計(jì)過程中，由于膜片的形狀、厚度、尺寸決定著壓力傳感器的耐壓能力、信號(hào)靈敏度，所以膜片是大部分MEMS器件的主要機(jī)械部件，常用的3種膜片形狀有圓形、方形和矩形。王韜[13]等研究了應(yīng)用于惡劣環(huán)境下的基于SOI的聲表面波壓力傳感器膜片形狀對(duì)靈敏度的影響，研究表明為提高壓力傳感器信號(hào)靈敏度，應(yīng)該選擇大長寬比的矩形膜片。陳勇[14]等針對(duì)高溫高壓環(huán)境的壓力傳感器的應(yīng)用，使用MEMS工藝制備了基于SOI的壓力傳感器，通過增加膜厚，使得器件耐壓值達(dá)到150 MPa，但在文獻(xiàn)中并沒有對(duì)如何提高壓力傳感器的耐高壓能力與原理進(jìn)行報(bào)道。

器件的耐高壓能力（過載壓力）指器件發(fā)生損壞失效前能承受的最大壓力，所以器件的壓力傳感量程是低于器件的過載能力的。通過對(duì)市面上壓力傳感器調(diào)研可知，通常壓力傳感器的線性壓力響應(yīng)范圍是其耐高壓能力的2/3甚至更低。而傳感器的量程在壓力傳感器的線性壓力響應(yīng)范圍內(nèi)，所以耐壓能力一般是量程的1.5倍或更高。為了研究如何提高壓力傳感器的耐高壓能力，進(jìn)而提升器件的量程，需對(duì)壓力傳感器耐壓失效的機(jī)理進(jìn)行分析。本文面向基于MEMS技術(shù)的SOI壓力傳感器高壓失效問題，以SAW（聲表面波）器件為對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量器件的耐壓極限并對(duì)器件內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行仿真，對(duì)器件的耐高壓失效特性進(jìn)行了研究與分析。

1 壓力傳感器的制備與測(cè)試

1.1 器件制備

本文制備了一種MEMS聲表面波壓力傳感器，器件示意圖如圖1(a)所示。器件的工作原理是基于聲表面波器件在基底壓電材料(AlN)受到外界作用力作用時(shí)，材料內(nèi)部的應(yīng)力發(fā)生變化，使材料的彈性常數(shù)、密度等發(fā)生變化，從而導(dǎo)致聲表面波的傳播速度發(fā)生變化。同時(shí)壓電材料受到作用力后，器件的結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生變化，從而導(dǎo)致聲表面波的波長改變。聲表面波諧振器的諧振頻率fr=ν/λ(其中，ν是聲表面波的傳播速度，m/s；λ為聲表面波的波長，μm)，ν和λ的變化導(dǎo)致諧振頻率fr（MHz）的變化。通過測(cè)量頻率大小，就可以知道外界作用力的大小[15]。圖1(b)所示為器件的截面圖，器件為Mo/AlN/Si/SiO2/Si/SiO2的復(fù)合層結(jié)構(gòu)。壓力傳感器的膜片厚度是器件的關(guān)鍵參數(shù)：膜片的厚度越厚，耐高壓能力越強(qiáng)，但是對(duì)于壓力的響應(yīng)也越弱，壓力傳感器的靈敏度也越低。因此，需要在壓力靈敏度與耐高壓能力之間進(jìn)行平衡。本文選取了10 μm器件硅層(Device Si)的SOI晶圓，期望在滿足器件耐壓要求的同時(shí)，保證器件的靈敏度。

圖1 器件結(jié)構(gòu)、截面、背腔示意圖

使用SOI并基于MEMS工藝制備了一款聲表面波壓力傳感器，通過對(duì)體硅層進(jìn)行刻蝕制作背腔；由于大長寬比的矩形有利于提高壓力傳感器的靈敏度，所以采用大長寬比的矩形作為膜片的形狀。所設(shè)計(jì)的矩形背腔的形狀如圖1(c)所示。背腔的尺寸為 1 600 μm×800 μm。制備的具體工藝流程如下：

1)首先在潔凈的SOI wafer上利用物理氣相沉積生長出AlN(1 μm)/Mo(0.2 μm)。其中，AlN作為器件的壓電薄膜，膜的質(zhì)量將決定整個(gè)器件的性能的有無與好壞，金屬M(fèi)o將在后續(xù)制作插指電極與布拉格反射柵。

2)在鍍好膜的晶圓上涂敷光刻膠，通過光刻技術(shù)將掩模版上的插指電極(inter-digital transducer,IDT)圖案與布拉格反射柵圖案轉(zhuǎn)移到器件上，此時(shí)光刻膠的圖案為插指電極與反射柵的圖案。

3)利用反應(yīng)離子刻蝕（RIE）技術(shù)對(duì)金屬M(fèi)o進(jìn)行刻蝕，由于光刻膠的阻擋，只有未被遮擋的Mo會(huì)被刻蝕，留下來的金屬形成了插指電極與布拉格反射柵；使用丙酮將剩余的光刻膠去除，并利用無水乙醇和去離子水對(duì)晶圓進(jìn)行清洗。

4)使用PECVD（等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積）技術(shù)，在器件的底部表面（底層硅表面）生長出一層0.8 μm厚的SiO2薄膜，然后在生長出來的SiO2薄膜上進(jìn)行光刻，將背腔的形狀轉(zhuǎn)移到SiO2表明，此時(shí)非光刻膠部分為背腔圖案。

5)利用背對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，通過深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)(deep reactive iron etching,DRIE)先對(duì)底層硅下的SiO2進(jìn)行刻蝕，將SiO2刻蝕完后再對(duì)Si進(jìn)行刻蝕，一直刻蝕到器件硅下的SiO2層停止，完成隔膜結(jié)構(gòu)的釋放。

1.2 器件測(cè)試

使用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(vector network analyzer,VNA)對(duì)器件進(jìn)行測(cè)試，器件的封接方法與測(cè)試方法如圖2所示，圖中還展示了測(cè)試系統(tǒng)操控界面；圖3展示了常壓下器件的測(cè)試結(jié)果，器件的諧振頻率為468.76 MHz。聲表面波壓力傳感器的諧振頻率可以由 fr=ν/λ得出。器件的λ=10 μm，由測(cè)得的諧振頻率可以得出在復(fù)合層間的聲表面波速度為4 687.6 m/s。

圖2 器件封接測(cè)試方法與測(cè)試操作界面

圖3 壓力傳感器S11頻率響應(yīng)曲線

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知器件的耐壓能力未能超過1 MPa。為了進(jìn)一步提升器件的耐壓能力，制作出具有更高耐壓強(qiáng)度的壓力傳感器，本文采用了兩種方式增加器件的耐壓能力：1）增加器件硅層的厚度至50 μm；2）減小背腔尺寸至1 400 μm×350 μm。器件的正、反面如圖4所示。圖4(a)展示了器件的正面形貌，包括IDT部分與用于連線的焊盤部分，圖4(b)、(c)、(d)展示了背腔的形狀與大小。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知器件的耐壓能力未能超過1 MPa。為了進(jìn)一步提升器件的耐壓能力，制作出具有更高耐壓強(qiáng)度的壓力傳感器，本文采用了兩種方式增加器件的耐壓能力：1）增加器件硅層的厚度至50 μm；2）減小背腔尺寸至 1 400 μm×350 μm。器件的正、反面如圖4所示。圖4(a)展示了器件的正面形貌，包括IDT部分與用于連線的焊盤部分，圖4(b)、(c)、(d)展示了背腔的形狀與大小。

圖4 器件正面、反面、大、小尺寸背腔形貌

按照?qǐng)D2的方式對(duì)改進(jìn)后的器件的耐壓能力進(jìn)行測(cè)試，3種器件的測(cè)試結(jié)果如表1所示。其中器件A的器件硅層厚度為10 μm，背腔尺寸為1 600 μm×800 μm；器件B的器件硅層厚度為10 μm，背腔尺寸為1 400 μm×350 μm；器件C的器件硅層厚度為50 μm，背腔尺寸為1 600 μm×800 μm。由表1的數(shù)據(jù)可知，提升膜厚與減小背腔尺寸提升了器件的耐壓能力。

表1 3種器件耐壓測(cè)試結(jié)果 MPa

2 仿真分析

有限元方法(finite element method,FEM)是一種利用數(shù)學(xué)方法對(duì)實(shí)際的物理模型與物理問題進(jìn)行精確近似模擬計(jì)算的一種方法。由于近幾年來的計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的快速發(fā)展，F(xiàn)EM也得到了越來越多的應(yīng)用[16]。COMSOL Multiphysics是一款利用有限元方法、專用于多物理場(chǎng)耦合的仿真軟件，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，其中包括了電、聲、光、熱、機(jī)械等諸多模塊。為了對(duì)器件的失效機(jī)理進(jìn)行分析，使用COMSOL搭建物理模型對(duì)不同器件的最大耐壓壓力下的內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行分析，模型如圖5所示，展示了器件的多層結(jié)構(gòu)與背腔結(jié)構(gòu)。

圖5 有限元仿真模型（單位：μm）

同時(shí)由于器件的對(duì)稱性，只需要搭建1/4的器件模型，可將軟件內(nèi)置的物理場(chǎng)下的對(duì)稱功能添加到模型上，可在減小計(jì)算量的情況下實(shí)現(xiàn)與完整模型相同的計(jì)算結(jié)果。圖6展示了仿真結(jié)果中3種器件在最大應(yīng)力點(diǎn)對(duì)應(yīng)厚度方向上器件硅層的應(yīng)力大小情況。3種器件的最大應(yīng)力強(qiáng)度分別為器件A：408 MPa、器件B：250 MPa、器件C：128 MPa。在材料力學(xué)中，材料的破裂考察的是內(nèi)部的最大應(yīng)力。由于3個(gè)器件的材料相同，理論上3個(gè)器件的最大應(yīng)力值應(yīng)該相同，但仿真結(jié)果表示3個(gè)器件在不同的最大應(yīng)力情況下發(fā)生了破裂。根據(jù)Tsai M Y[17]等對(duì)硅片強(qiáng)度的研究，硅片破裂時(shí)的最大內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)該大于400 MPa，所以器件B、C在內(nèi)部應(yīng)力小于預(yù)期值時(shí)發(fā)生了破裂現(xiàn)象，將這種現(xiàn)象概括為耐壓的提前失效，即器件B、C發(fā)生了提前失效，器件B和器件C并未完全發(fā)揮出其應(yīng)有的耐壓性能。

圖6 3種器件的厚度方向上的應(yīng)力分布

3 失效分析

Tsai M Y[17]等的研究表明硅材料表面的光滑平整度會(huì)影響材料的強(qiáng)度。Tsai M Y使用原子力顯微鏡（AFM）對(duì)材料表面進(jìn)行了分析，通過不同的方法測(cè)試結(jié)果均顯示在相同的測(cè)試條件下，表面較粗糙硅片相比表面較光滑硅片破碎時(shí)的內(nèi)部應(yīng)力最大值均更小。圖7展示了DRIE技術(shù)刻蝕的本文器件硅溝道側(cè)壁SEM照片。由圖可以看出刻蝕表面的平整度較差，這是降低器件的耐壓程度的一個(gè)原因。器件加工過程中需要將底層硅刻蝕出槽形結(jié)構(gòu)且刻蝕到埋氧層為止，為了保證刻蝕完全，在工藝中會(huì)存在一定的過刻行為。圖8展示了DRIE刻蝕槽結(jié)構(gòu)后底部的示意圖，圖中標(biāo)注處表示刻蝕槽底部由于過刻形成的楔形結(jié)構(gòu)。

圖7 DRIE刻蝕硅的側(cè)壁SEM圖

圖8 DRIE刻蝕槽底部示意圖

圖9展示了破碎后器件的表面形貌。圖中器件斷面附近呈現(xiàn)藍(lán)紫色與青色，由于AlN與金屬電極呈灰白與銀灰色，而單晶硅呈銀灰色，所以藍(lán)紫色與青色只能是二氧化硅薄膜所呈現(xiàn)的顏色。不同厚度的二氧化硅層呈現(xiàn)不同的顏色[18]，藍(lán)紫色應(yīng)該是由于撕裂導(dǎo)致的二氧化硅膜厚變化而引起的；器件B大范圍裸露出的青色（二氧化硅）表明破裂發(fā)生在器件硅與底層二氧化硅的撕裂之后。所以對(duì)器件的耐壓提前失效提出假設(shè)：由于背腔刻蝕后的粗糙度較高，且刻蝕槽的底部的楔形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了器件背腔根部側(cè)二氧化硅的切應(yīng)力集中，導(dǎo)致了二氧化硅層與器件硅層的脫落。由于器件的耐壓強(qiáng)度與背腔受力面積呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)脫落面積逐漸增大時(shí)將導(dǎo)承壓面積增大，導(dǎo)致器件的耐壓強(qiáng)度下降，最終導(dǎo)致了器件的提前失效。

圖9 破裂后的器件表面圖

4 提前失效機(jī)理驗(yàn)證

由于猜想背腔的楔形與平整度不夠會(huì)導(dǎo)致二氧化硅層與器件硅層的脫落從而造成器件的提前失效。為了解決該問題，采用新的方式對(duì)聲表面波MEMS壓力傳感器進(jìn)行封裝，如圖10所示。采用正面加壓的方式測(cè)量器件的極限耐壓，傳感器隔膜結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力點(diǎn)不再作用于SOI晶圓的埋氧層部位。這樣可以避免器件由于埋氧層脫落而導(dǎo)致的提前失效。

圖10 正面加壓測(cè)試方法與新的封裝方式

采用新的方式封裝后再進(jìn)行極限耐壓測(cè)試，3種器件的極限耐壓測(cè)試結(jié)果分別如表2所示。兩種測(cè)試方法的測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖11所示，3種器件的正面耐壓能力均大于背腔耐壓能力。對(duì)于器件C，由于加壓設(shè)備的限制(極限加壓為2 MPa)，未能得到器件C的最大耐壓值。所以僅將測(cè)得器件A、B的極限壓力添加到COMSOL模型中，同時(shí)改變加壓方式進(jìn)行計(jì)算，仿真得到的應(yīng)力最大值厚度方向上的應(yīng)力分布如圖12所示。器件A的最大內(nèi)部壓力為408.6 MPa，器件B的最大內(nèi)部應(yīng)力為415.2 MPa；圖13展示了兩種不同加壓方式下器件A、B極限耐壓值對(duì)應(yīng)仿真的應(yīng)力最大值厚度方向上的應(yīng)力分布對(duì)比。

表2 正面加壓器件極限耐壓測(cè)試結(jié)果 MPa

圖11 背腔與正面加壓耐壓極限測(cè)試結(jié)果

圖12 正面加壓厚度方向應(yīng)力仿真結(jié)果

圖13 正、反面加壓應(yīng)力仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果看，背腔加壓方式下器件A破裂時(shí)內(nèi)部最大應(yīng)力為408 MPa。正面加壓方式下器件A、B破裂時(shí)的內(nèi)部最大應(yīng)力為408.6 MPa、415.2 MPa，3個(gè)數(shù)據(jù)之間的波動(dòng)在1.23%。在Tsai M Y[17]的研究中，表面平整度較高的硅片破碎時(shí)的內(nèi)部最大應(yīng)力值的波動(dòng)在8%～10%之間，所以可以認(rèn)為數(shù)據(jù)之間的差別是可接受的，所以當(dāng)器件內(nèi)部最大應(yīng)力到達(dá)410 MPa附近時(shí)器件應(yīng)該會(huì)發(fā)生破裂現(xiàn)象。器件A在正面加壓與反面加壓兩種方式下斷裂時(shí)的內(nèi)部應(yīng)力相同，但采用正面加壓的耐壓能力更強(qiáng)，說明正面加壓的方式可以作為提高器件耐壓能力的一種方式。

按照器件提前失效的假設(shè)，二氧化硅與器件硅層的脫落增大了受壓面積而導(dǎo)致了器件的破裂，并且認(rèn)為器件內(nèi)部最大應(yīng)力在410 MPa附近才會(huì)發(fā)生破裂，所以按照破裂面的形狀進(jìn)行建模，以器件B破裂時(shí)的壓力作為仿真時(shí)的壓力參數(shù)，仿真結(jié)果如圖14所示。脫落面可以按照橢圓處理，橢圓的長寬都已經(jīng)在圖9標(biāo)注出。仿真得到的最大應(yīng)力為392 MPa，由于仿真模型與真實(shí)模型存在一定的差異，且392 MPa已經(jīng)較為接近410 MPa，所以可以認(rèn)為器件確實(shí)是由于二氧化硅面與器件硅層脫落而導(dǎo)致的破裂。

圖14 脫落面對(duì)應(yīng)模型應(yīng)力仿真結(jié)果

5 結(jié)束語

本文面向基于MEMS技術(shù)的SOI壓力傳感器高壓失效問題，以SAW器件為對(duì)象開展了研究。針對(duì)基于SOI的MEMS壓力傳感器的耐高壓能力進(jìn)行了分析，通過仿真驗(yàn)證了由于工藝導(dǎo)致的的背腔結(jié)構(gòu)的表面粗糙度與楔形結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致器件二氧化硅層與器件硅層的脫落，進(jìn)而導(dǎo)致器件的提前失效，使器件的耐高壓能力降低的假設(shè)。在此基礎(chǔ)上改進(jìn)了器件的封裝形式，使器件進(jìn)行正面受壓。相比于背腔加壓的方式，正面加壓避免了器件的提前失效問題。同時(shí)當(dāng)器件內(nèi)部最大應(yīng)力達(dá)到410 MPa附近時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致器件破裂失效。本文可為設(shè)計(jì)耐高壓壓力傳感器提供一定指導(dǎo)。