磷摻雜納米硅薄膜壓阻式壓力傳感器芯片研究.pdf

1、自20世紀(jì)50年代,半導(dǎo)體硅的壓阻特性被發(fā)現(xiàn)以來,硅基壓力傳感器就被廣泛研究,而壓阻式硅壓力傳感器更是很早就被商品化并大量使用。測(cè)控技術(shù)的發(fā)展,要求壓力傳感器的量程越來越小,分辨率越來越高。壓阻式硅微壓力傳感器的發(fā)展主要圍繞感壓元件和轉(zhuǎn)換元件展開:一方面是對(duì)感壓薄膜的結(jié)構(gòu)和加工技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)；另一方面是提高力敏電阻的精確性。傳感器的靈敏度與壓敏電阻的壓阻特性直接相關(guān),因此有必要選擇高量級(jí)的新型材料作為壓敏電阻。
　　 納米硅薄膜(

2、nc-Si:H)是一種結(jié)構(gòu)新穎的半導(dǎo)體硅薄膜材料,它由各占薄膜體積約50％的細(xì)微硅晶粒(晶粒大小2-10nm)和無序晶間界面組成。這種新穎的結(jié)構(gòu)特征使其具有諸多優(yōu)良的光、電和力學(xué)性能。本論文旨在利用其良好的壓敏特性開發(fā)高靈敏度壓阻式微壓力傳感器,并對(duì)其芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)及仿真分析。
　　 首先,采用射頻等離子化學(xué)氣相沉積方法,制備了不同參數(shù)的磷摻雜納米硅薄膜。借助原子力顯微鏡和激光拉曼光譜對(duì)薄膜的形貌和微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試,并分析了

3、不同工藝參數(shù)對(duì)薄膜微結(jié)構(gòu)的影響。研究發(fā)現(xiàn),射頻功率對(duì)薄膜的表面形貌及表面粗糙度有較大影響,存在一個(gè)最佳射頻功率值；薄膜的襯底溫度對(duì)薄膜晶態(tài)比和平均晶粒大小有直接影響；隨著磷摻雜濃度的增加,薄膜的拉曼譜峰位出現(xiàn)明顯的紅移現(xiàn)象,而且薄膜的平均晶粒尺寸逐漸減小。
　　 其次,研究了單晶硅和多晶硅的壓阻特性,并分析了其產(chǎn)生壓阻效應(yīng)的因?yàn)?。使用四點(diǎn)彎矩結(jié)構(gòu)對(duì)磷摻雜納米硅薄膜的壓阻特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,測(cè)得了薄膜應(yīng)變與電阻變化之間的關(guān)系,并得

4、到了不同磷摻雜比例時(shí)薄膜的應(yīng)變系數(shù),而且對(duì)納米硅薄膜的電導(dǎo)機(jī)制及其產(chǎn)生壓阻效應(yīng)的因?yàn)檫M(jìn)行了分析。
　　 最后,對(duì)傳感器彈性膜片雙島方膜結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行了分析。采用有限元仿真軟件對(duì)彈性膜片的應(yīng)力進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,彈性膜上應(yīng)力集中于中央溝槽和邊緣溝槽區(qū)域,且在靠近中心線附近的位置處取得極值；分析了不同島間距對(duì)芯片應(yīng)力大小的影響。最后綜合薄膜方塊阻值、單位面積功率損耗、加工工藝可操作性等因素,確定了壓敏電阻條的參數(shù)及結(jié)構(gòu),并設(shè)計(jì)