SOI（Silicon On Insulator）高溫壓力傳感器具有耐高溫，低功耗，抗輻照能力優(yōu)異等特點(diǎn)，在未來(lái)具有廣闊的市場(chǎng)前景。如何制作與生產(chǎn)適宜高溫環(huán)境下應(yīng)用的壓力傳感器，一直受到國(guó)內(nèi)外眾多生產(chǎn)企業(yè)與用戶的關(guān)注。SOI高溫壓力傳感器從原理上說(shuō)是一種硅壓阻式壓力傳感器。利用SOI的單晶硅膜制備的壓敏電阻條，其靈敏度較多晶硅電阻條高，且在高溫下仍具有較好的壓阻效應(yīng)；在相同尺寸下，SOI結(jié)構(gòu)的漏電流比硅PN結(jié)低3個(gè)數(shù)量級(jí)，因此SOI材料適合研制高溫壓力傳感器。

多晶硅高溫壓力傳感器是目前傳感器市場(chǎng)上用于在高溫壓力測(cè)量領(lǐng)域中替代擴(kuò)散硅壓力傳感器理想產(chǎn)品，但多晶硅在結(jié)構(gòu)上存在長(zhǎng)程無(wú)序性，使多晶硅電阻膜的靈敏度要低于單晶硅電阻膜的靈敏度。如果用單晶硅電阻膜替代多晶硅電阻膜，可以獲得良好的高溫性能和更高的靈敏度。

利用單晶硅(Single-crystalline silicon)取代多晶硅有兩種可行的方式。第一是量產(chǎn)微機(jī)械加工(Bulk micromachining)，利用深層蝕刻技術(shù)將量產(chǎn)晶圓與基板區(qū)隔開(kāi)來(lái)；這種技術(shù)適合應(yīng)用在垂直高度大于100mm的材料結(jié)構(gòu)。然而這種作法面臨的挑戰(zhàn)則是須精準(zhǔn)地控制蝕刻深度，且在MEMS結(jié)構(gòu)底下進(jìn)行橫向的蝕刻，其作業(yè)難度會(huì)更高。第二種方法則是使用SOI，這種技術(shù)提供單晶硅的所有優(yōu)點(diǎn)，加上固定的薄膜厚度確保能針對(duì)移動(dòng)零件生產(chǎn)出精準(zhǔn)的振蕩頻率。基于這種想法，天津大學(xué)姚素英教授等人，目前正對(duì)單晶硅SOI高溫壓力傳感器的可行性以及制作工藝進(jìn)行深入的研究。該傳感器用單晶硅材料做應(yīng)變電阻，并以一層SiO₂薄膜將硅襯底與應(yīng)變電阻層隔離，形成單晶硅SOI結(jié)構(gòu)。其制作方法是，用硅片直接鍵合減薄的單晶硅SOI材料，襯底為高電阻率P型單晶硅，然后對(duì)單晶硅進(jìn)行高濃度B擴(kuò)散，并用等離子體干法刻蝕電阻條，用LPCVD法雙面淀積Si₃N₄保護(hù)膜，背面光刻腐蝕窗口，各向異性腐蝕硅杯；最后光刻引線孔，并做多層金屬化。上述步驟完成后，再對(duì)芯片進(jìn)行靜電封接、壓焊、封裝等后道工序。

SOI技術(shù)最初是用來(lái)針對(duì)軍事與太空領(lǐng)域研發(fā)與生產(chǎn)高可靠度的電子零件，但如今則應(yīng)用在主流市場(chǎng)的高效能IC，如超高速的微處理器。就像各種電子應(yīng)用，SOI很快就吸引了MEMS、光學(xué)MEMS、微光電型電路、及其它需要應(yīng)用類似材料設(shè)計(jì)者的目光。在SOI結(jié)構(gòu)中，單晶硅薄膜與單晶硅基板之間透過(guò)埋入式非固定型二氧化硅(buried amorphous SiO2)加以隔離，因此SiO₂架構(gòu)在這類應(yīng)用中能提供許多優(yōu)點(diǎn)。大量鑄造SOI晶圓主要是運(yùn)用Smart Cut技術(shù)。氫布植的能量會(huì)決定單晶硅層的厚度與均勻度，而單硅晶層是從一個(gè)「種子」晶圓轉(zhuǎn)換成「生產(chǎn)」晶圓的。種子晶圓可重復(fù)循環(huán)回收，供日后生產(chǎn)之用。埋入氧化層(Buried oxide)是傳統(tǒng)的熱氧化層(thermal oxide)，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的布植工具可生產(chǎn)出厚度為1.5mm、均勻度低于5% (3s)的硅薄膜。將離子能量提高至>200keV可提高薄膜厚度，但業(yè)者通常在SOI晶圓上采用更簡(jiǎn)單的傳統(tǒng)磊晶長(zhǎng)成技術(shù)，將薄膜厚度提高至數(shù)微米。這種技術(shù)的好處是不會(huì)受限于SOI。MEMS產(chǎn)業(yè)在這方面采用的多層式材料包括熔融石英層上覆硅，或石英、玻璃層上覆硅、氧化硅上覆碳化硅(SiC)、氧化硅上覆磷化銦(InP)或砷化鎵(GaAs)等材料。與多晶硅壓力傳感器相比，單晶硅做應(yīng)變電阻材料，具有較高的靈敏度，單晶硅材料具有相同高的縱向和橫向靈敏因子，有利于設(shè)計(jì)優(yōu)良的壓阻電橋，保證傳感器有最大的輸出；應(yīng)變電阻與襯底之間用SiO₂介質(zhì)層隔離，減小了漏電流，顯著提高了傳感器的工作溫度范圍；由于Si與SiO₂之間的直接鍵合，接觸面很匹配，沒(méi)有其它過(guò)濾層，避免了附加應(yīng)力的產(chǎn)生，提高了傳感器的電學(xué)與力學(xué)特性；同時(shí)，單晶硅SOI傳感器的制作工藝與傳統(tǒng)的CMOS制作工藝兼容，易于實(shí)現(xiàn)集成化。所以這是一種性能理想的高溫壓力傳感器。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)目前正經(jīng)歷一場(chǎng)大革命。愈來(lái)愈多的業(yè)者從量產(chǎn)型硅晶圓轉(zhuǎn)移至絕緣層上覆硅(Silicon-on-insulator，SOI)─這波革命背后最主要的推動(dòng)力量，是因?yàn)樾酒圃焐逃鷣?lái)愈了解到SOI能提升效能與功能，并能解決各種功耗問(wèn)題。

目前，美國(guó)Kulite公司采用BESOI（Back-etching SOI）技術(shù)研發(fā)了XTEH-10LAC-190（M）系列高溫表壓傳感器，實(shí)現(xiàn)了無(wú)引線封裝，可在480℃下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，代表了目前SOl壓力傳感器的最高水平。2009年，馬里蘭大學(xué)-巴爾迪默分校的Guo Shuwen等人研制了基于極薄重?fù)诫s壓阻膜的SOI高溫壓力傳感器，在將壓阻膜厚度減小到0.34um、載流子濃度提高到2×l0¹⁸cm3時(shí)，傳感器短時(shí)間最高工作溫度達(dá)到600℃；傳感器在500℃高溫下連續(xù)工作50個(gè)小時(shí)后，滿量程輸出偏離小于0.19%。除此以外，意大利Gefan公司和法國(guó)的LET1研究所研制的SOI高溫壓力傳感器均能在400℃下穩(wěn)定工作。國(guó)內(nèi)西安交通大學(xué)采用SIMOX（Separation by Implantation of Oxygen）技術(shù)成功研發(fā)出能在250℃下工作的壓力傳感器產(chǎn)品，天津大學(xué)、中北大學(xué)也進(jìn)行了相關(guān)的研究，目前仍處于原理樣機(jī)階段，主要指標(biāo)及長(zhǎng)期穩(wěn)定性較Kulite的產(chǎn)品仍有較大差距，高溫壓力傳感器制備工藝相對(duì)成熟，也是目前市場(chǎng)上最常見(jiàn)的一種高溫壓力產(chǎn)品。但受高溫下硅壓阻系數(shù)退化、高溫漏電流增大以及硅高溫蠕變等因素的限制，傳感器難以在500℃或更高溫度的環(huán)境下長(zhǎng)期工作。本文源自澤天傳感，轉(zhuǎn)載請(qǐng)保留出處。