基于二维电子气的MEMS高温压力传感器及其制备方法技术

一种基于二维电子气的MEMS压力传感器及其制备方法，所述MEMS压力传感器包括：衬底和玻璃板，其中所述衬底的背面有一背腔，所述衬底的背面与所述玻璃板键合，所述背腔与所述衬底的正面之间的部分构成感压薄膜，所述感压薄膜上设置有二维电子气层形成的压敏电阻条，所述感压薄膜和所述压敏电阻条上设置有绝缘层，所述压敏电阻条两端的绝缘层被刻蚀形成电学接触孔，所述压敏电阻条两端和所述电学接触孔上沉积有第一金属层，所述第一金属层上设置有第二金属层，所述第二金属层形成电学互联引线和压焊块。本发明专利技术的压力传感器灵敏度高、稳定性强，可以满足工业苛刻环境中的使用。

MEMS high temperature pressure sensor based on two dimensional electron gas and its preparation method

A MEMS pressure sensor based on a two-dimensional electron gas and a preparation method of the MEMS pressure sensor include: a substrate and a glass plate, wherein the back of the substrate has a back cavity, the back of the substrate is bonded to the glass plate, and the part of the back cavity and the front of the substrate form a pressure sensing film, and the sense pressure is described. A pressure sensitive resistor formed by a two-dimensional electron gas layer is arranged on the film, and an insulating layer is arranged on the pressure sensitive film and the pressure sensitive resistance strip. The insulating layer at both ends of the pressure sensitive resistance strip is etched to form an electrical contact hole. The two ends of the pressure sensitive resistance strip and the electrical contact hole are deposited with a first metal layer, and the first gold is the first gold layer. A second metal layer is arranged on the floor, and the second metal layer forms an electrical interconnection lead and a pressure welding block. The pressure sensor of the invention has high sensitivity and strong stability, and can meet the requirements of harsh industrial environment.

【技术实现步骤摘要】
基于二维电子气的MEMS高温压力传感器及其制备方法
本专利技术属于压力测量领域，尤其涉及一种基于二维电子气的MEMS高温压力传感器及其制备方法。
技术介绍
基于微机电系统(MEMS)的压力传感器，具有微型化、灵敏度高、稳定性好、功耗低、易集成、智能化等众多突出的优势，它是MEMS技术在传感器领域应用最成功的器件之一。MEMS压力传感器已在工业自动控制、汽车、消费电子、医疗保健、生物化工等不同的领域得到了广泛应用。目前，商业化的压力传感器主要利用硅的压阻效应实现压力敏感，尽管工艺成熟且性能优异，但受P-N结隔离耐温限制，通常工作在100℃以下，远不能满足航空航天、石油化工、金属冶炼等高温恶劣环境下的压力测量需要。超过125℃时，P-N结严重漏电，导致器件的精度变差，甚至失效。一般基于绝缘体上硅(SOI)的MEMS压力传感器使用温度可以扩展到250℃。利用蓝宝石上外延的多晶硅制作的压力传感器可以工作到350℃。基于SiC、金刚石薄膜、III-V化合物半导体的MEMS高温压力传感器均有报道，各有优势和不足，均处于初步研究阶段。AlGaN/GaN的二维电子气(2DEG)对应力非常灵敏，应力测量因子(GF，gaugefactor，即单位应力引起的检测量的变化)高达832。张应力下，AlGaN/GaN的2DEG通道电导率增加，压应力下通道电导减小，是压力传感器中最优异的力敏换能单元之一。氮化镓(GaN)具有非常稳定的化学键，抗腐蚀，可应用在苛刻的工业环境中。它禁带宽为3.4eV，使其在高温下本征载流子浓度较低，例如，在350℃下单晶硅的本征载流子浓度已达1015cm-3，而GaN中仅有107cm-3。宽禁带不仅抑制热激发，还能有效抑制辐射激发，使其可用于强辐射环境中。在未特意掺杂GaN上外延一薄层(约30nm)AlGaN，由自发和压电极化引起的能带弯曲将一层2DEG限制在异质结界面处。实验测量到的2DEG的面密度达1013cm-2，电子迁移率达1500-2000cm2·V-1·S-1，远超过传统器件中沟道电子密度及迁移率，基于AlGaN/GaN的高电子迁移率晶体管(HEMT)有望被应用在高温、高频和大功率领域。基于AlGaN/GaN的HEMT在550℃下工作，性能没有衰减。由于2DEG对表面电势及应力变化非常敏感，AlGaN/GaN器件可用于多种高灵敏传感器，如，PH值、粘度、压强、位移、极性液体、气体、生物分子等。基于高温下的稳定性及对应力的敏感性，AlGaN/GaN2DEG用于高温压力传感器方面具有非常大潜力。到目前为止，国内外还没有报道将二维电子气制作成压敏电阻条，用于MEMS高温压力传感器。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题现有的压力测量芯片难于满足苛刻的工业环境的需求，例如矿产开采、石油、化工、航空航天等领域。本专利技术提供了一种基于二维电子气的MEMS高温压力传感器及其制备工艺。本专利技术的压力传感器灵敏度高、稳定性强，可以满足工业苛刻环境中的使用。(二)技术方案为达到上述目的，本专利技术提供一种基于二维电子气的MEMS压力传感器及其制备方法。一方面，本专利技术的基于二维电子气的MEMS压力传感器包括：衬底和玻璃板，其中所述衬底的背面有一背腔，所述衬底的背面与所述玻璃板键合，所述背腔与所述衬底的正面之间的部分构成感压薄膜，所述感压薄膜上设置有二维电子气层形成的压敏电阻条，所述感压薄膜和所述压敏电阻条上设置有绝缘层，所述压敏电阻条两端的绝缘层被刻蚀形成电学接触孔，所述压敏电阻条两端和所述电学接触孔上沉积有第一金属层，所述第一金属层上设置有第二金属层，所述第二金属层形成电学互联引线和压焊块。另一方面，本专利技术的基于二维电子气的MEMS压力传感器的制备方法包括：步骤1：在正面具有二维电子气层的衬底上进行光刻，定义压敏电阻条的形状和位置，通过刻蚀电学隔离二维电子气层，形成压敏电阻条；步骤2：在所述衬底的正面生长绝缘层，用于钝化保护所述压敏电阻条；步骤3：进行正面光刻，刻蚀所述绝缘层，在所述压敏电阻条的两端形成电学接触孔；步骤4：淀积第一金属层，合金退火，使所述第一金属层与所述压敏电阻条形成欧姆接触，所述第一金属层为耐高温金属层；步骤5：在所述第一金属层上形成第二金属层，用于形成电学互联引线及压焊块；步骤6：背面衬底减薄，再生长一掩膜层；步骤7：进行背面光刻，刻蚀所述掩膜层，再深刻蚀形成一背腔，获得感压薄膜；步骤8：将玻璃板与衬底的背面对准键合。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果：1.由于制备方法采用光刻工艺、刻蚀工艺和薄膜工艺，可以有效与CMOS工艺兼容，可以批量生产。2.可以将对压力敏感的二维电子气压阻集成在MEMS压力传感器芯片上，在苛刻的工业环境中，如高温、高湿、低能见度等，用于测量压力。附图说明为进一步描述本专利技术的具体
技术实现思路
，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：图1是本专利技术中制备方法流程图，其中左侧是横截面图，a-f的右侧是俯视图，g-i的右侧是仰视图；图2是二维电子气压敏电阻条的SEM照片；图3是电互联两种形式的版图；图4是电学互联后的SEM照片。附图标记说明：100-衬底；101-二维电子气层；102-压敏电阻条；103-绝缘层；104-第一金属层；105-第二金属层；106-掩膜层；107-感压薄膜；108-玻璃板。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。请参阅图1所示，本专利技术提供一种基于二维电子气的MEMS压力传感器制备方法，包括如下步骤：步骤1：在衬底100上具有二维电子气层101，如图1a所示。这种衬底包括硅片上镓氮铝镓氮(GaN/AlGaN)，宝石衬底上镓氮铝镓氮(GaN/AlGaN)，以及各种变化参数的相关组合衬底。利用光刻、刻蚀工艺，将二维电子气层制作成压敏电阻条102，如图1b所示。压敏电阻条102的作用是测量压力，随着压力变化，压敏电阻条的电阻值变化。压敏电阻条的形状可以是直线、折线、多折曲线等，可以构成惠斯通电桥、或半桥、或单独使用等。压敏电电阻条102的形状、位置通过光刻定义，通过干法或湿法刻蚀形成压敏电阻条102。步骤2：生长绝缘层103，钝化保护压敏电阻条102，如图1c所示。钝化保护层作用在于使得压敏电阻条102得到完全的电气隔离保护，绝缘层103的材料可以是二氧化硅、氮化硅等相关的绝缘层，制备方法可以是PECVD、LPCVD、APCVD等相关的方法。绝缘层103的厚度选定原则是充分钝化保护压敏电阻后，厚度尽量薄。步骤3：进行正面光刻，刻蚀绝缘层103，在压敏电阻条102的两端形成电学接触孔，如图1d所示。电学接触孔的作用是将二维电子气压阻条电学互联，施加电学信号，同时测量随压力变化的电学信号。电学接触孔位置及尺寸由光刻定义，绝缘层的刻蚀可以是干法或湿法。步骤4：淀积第一金属层104，合金退火，使金属与压敏电阻形成欧姆接触，如图1e所示。第一金属层104是耐高温金属层，高温金属层可以包含Ti、Ni、Al、Au、Pt、Pd、Mo、W、Ta等中的一种或几种、或组合合金及相关金属。第一金属层通过电子束蒸发或磁控溅射制备，用光刻、刻蚀定义尺寸和位置。通过退火合金工艺，使得高温金本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于二维电子气的MEMS压力传感器，包括：衬底和玻璃板，其中所述衬底的背面有一背腔，所述衬底的背面与所述玻璃板键合，所述背腔与所述衬底的正面之间的部分构成感压薄膜，所述感压薄膜上设置有二维电子气层形成的压敏电阻条，所述感压薄膜和所述压敏电阻条上设置有绝缘层，所述压敏电阻条两端的绝缘层被刻蚀形成电学接触孔，所述压敏电阻条两端和所述电学接触孔上沉积有第一金属层，所述第一金属层上设置有第二金属层，所述第二金属层形成电学互联引线和压焊块。

【技术特征摘要】
1.一种基于二维电子气的MEMS压力传感器，包括：衬底和玻璃板，其中所述衬底的背面有一背腔，所述衬底的背面与所述玻璃板键合，所述背腔与所述衬底的正面之间的部分构成感压薄膜，所述感压薄膜上设置有二维电子气层形成的压敏电阻条，所述感压薄膜和所述压敏电阻条上设置有绝缘层，所述压敏电阻条两端的绝缘层被刻蚀形成电学接触孔，所述压敏电阻条两端和所述电学接触孔上沉积有第一金属层，所述第一金属层上设置有第二金属层，所述第二金属层形成电学互联引线和压焊块。2.如权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述衬底选自硅片上镓氮铝镓氮，宝石衬底上镓氮铝镓氮。3.如权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述压敏电阻条的形状是直线、折线或多折曲线，构成惠斯通电桥或半桥、或单独使用。4.如权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述绝缘层的材料选自二氧化硅或氮化硅。5.如权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述第一金属层的材料选自Ti、Ni、Al、Au、Pt、Pd、Mo、W、Ta中的一种或几种、或其组合合金，优选地，所述第二金属层的材料为铝、铜、锡、金或者它们的合金。6.如权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明亮，季安，王晓东，杨富华，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11