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氢化硅薄膜介观力学行为研究和耐高温压力传感器研制

作　者: 王权
导　师: 丁建宁
学　校: 江苏大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 氢化硅薄膜拉曼谱弹性模量晶态比耐高温压力传感器硅芯片耐高温封装热漂移补偿
分类号: TP212.12
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

本文主要针对氢化硅薄膜介观力学行为和耐高温压力传感器这两个问题展开了理论与实验的研究。氢化硅薄膜广泛应用于光电子器件,如二极管、薄膜晶体管、太阳电池、液晶显示器等,人们对其光电特性作了深入的研究,但对力学特性涉及很少。已有的研究表明氢化硅薄膜,尤其是纳米硅薄膜有很强的应力敏感特性,在高灵敏度压力传感器、位移传感器和量子隧道传感器等相关器件应用上有极大的应用前景,因此通过对氢化硅薄膜显微结构与介观力学性能的研究,探明二者之间关系（内禀关联特性）为器件开发的提供基本数据。本文对射频等离子体增强化学气相沉积（RF-PECVD）系统进行了改造,制备了氢化硅薄膜,成功地进行了磷或硼的掺杂。用拉曼谱揭示了氢化硅薄膜的晶粒平均大小和晶态比;用椭偏仪测试了所制备薄膜的厚度;用X射线衍射谱对薄膜微结构和材料性能的进行了比较。以相同的工艺在玻璃和单晶硅衬底上制备了本征或掺磷（硼）的纳米硅薄膜,对不同衬底上纳米硅薄膜进行了对比研究,发现衬底对薄膜生长速率影响不大,但所制备薄膜的微观结构有很大的差异。相同工艺条件下,在玻璃衬底上生长的薄膜,表面粗糙度小于单晶硅衬底上的薄膜;而晶化程度低于单晶硅衬底。掺杂使微结构有了变化,掺磷促进晶化,掺硼促进非晶化。用不同波长的激光线对单晶硅,纳米硅薄膜和非晶硅薄膜拉曼散射实验,发现拉曼线形随激光线波长的不同而不同。当用紫外光短波长325nm激光线激发时,由于穿透深度浅,在318.2cm^-1处出现了小峰。无论单晶硅衬底还是玻璃衬底的硅薄膜,当用785nm激光线激发时,由于穿透深度深,对单晶硅衬底的薄膜,反映了衬底的信息,在520.0cm^-1附近有尖锐的谱峰;而对玻璃衬底的薄膜而言,则是弥散的拉曼光谱,反应了玻璃衬底非晶无序的微结构特征。对氢化硅薄膜介观力学行为及其与微结构内禀关联特性进行了研究,发现相同的晶态比,制备于玻璃衬底上的氢化硅薄膜由于存在非晶态的过渡缓冲层,弹性模量小于相应的制备于单晶硅衬底上的氢化硅薄膜。由于磷的掺入,薄膜中晶粒细化,有序度提高,薄膜的晶态比一般在40%以上。硼的掺入,晶态比减小,一般低于40%。同时发现对掺磷,本征和掺硼的氢化硅薄膜,分别在晶态比为45%,30%和15%左右,弹性模量最小。这些研究结果对器件级硅薄膜的制备以及器件化有重要的指导意义。针对高灵敏度纳米硅薄膜压力传感器的研究,本文进行了耐高温压力传感器的研究。传统的硅扩散压阻式压力传感器用重掺杂4个p型硅应变电阻构成惠斯顿电桥的力敏检测模式,采用pn结隔离,当温度在100℃以上时,pn结漏电流很大,使器件无法工作。制作耐高温压阻式压力传感器,必须取消pn结隔离,较易的方法之一是采用绝缘体介质隔离（silicon on insulator,SOI）结构。本文研究了单晶硅的晶面和晶向的特性,结合硅微加工工艺,针对高温高压的要求,采用圆平膜芯片,以单晶硅（100）晶面为工作面,两对桥臂力敏电阻分别布置在互相垂直的[110]和[1（?）0]晶向上,位于圆膜边缘处,从而获得了四个臂的差动等臂等应变的惠斯登检测电桥。采用SIMOX技术,在n型硅片上高能注入氧离子,获得了优质商用的SOI晶片,在微加工平台上,制作了耐高温压力传感器芯片,尺寸为5.0mm×5.0mm×0.5mm。制作了硅芯片/玻璃环静电键合装置,完成了硅芯片/玻璃环静电键合。制作了热压焊工作台,选用退火后的金丝,通过金金连接完成内引线键合。掌握了耐高温胶粘剂的实用配比及固化工艺;自制了耐高温覆铜传引板,采用含银的高温焊锡丝,选用耐高温导线作为外导线,完成了耐高温传感器封装的关键部分。选用恒流源激励,设计了温度补偿电路,用对温度求导数的数学方法,推导了灵敏度热漂移（temperature coefficient of sensitivity,TCS）、热零点漂移（temperature coefficient of offset,TCO）和零位输出(offsetshift of voltage,V_os)漂移补偿计算公式,实现了宽温区温度系数补偿,在-20℃～200℃补偿温区内,通过温度循环标定,经补偿后TCS和TCO的值均小于1.0×10^-4/℃·FS;非线性误差小于0.1%FS,不重复性和迟滞误差均小于0.05%FS,总精度小于0.2%FS,高、低温时漂均小于0.1mV/8h,获得了量程从0～40MPa、耐温-40～220℃,具有一定抗瞬时高温冲击能力,高精度稳定性佳的压阻式压力传感器,静态技术指标优于同类型Kulite公司产品。后又用针对适用于塑料、橡胶、化纤、蒸汽、热油等高温介质压力的测量工况,采用分体结构,研制了通用型分体式耐高温压力传感器,用汞作为传压介质,使被测高温高压液体或气体与敏感元件隔离开来,大大地拓宽了工作温区,使传感器工作温度提高到350℃。

全文目录

摘要  6-10
ABSTRACT  10-16
第一章引言  16-26
  1.1 氢化硅薄膜的力学行为研究背景和意义  16-19
  1.2 耐高温压力传感器研究背景和意义  19-21
  1.3 论文的主要内容  21-22
  参考文献  22-26
第二章氢化硅薄膜的制备和微观表征  26-46
  2.1 引言  26
  2.2 射频等离子体增强化学气相沉积法  26-28
  2.3 拉曼测试晶态比和平均晶粒大小  28-36
  2.4 薄膜厚度研究  36-40
  2.5 XRD衍射谱  40-44
  本章小结  44
  参考文献  44-46
第三章衬底对纳米硅薄膜生长的影响  46-56
  3.1 引言  46
  3.2 纳米硅薄膜的微观表征  46-48
  3.3 薄膜的AFM和HRTEM研究  48-50
  3.4 结果和讨论  50-54
  本章小结  54
  参考文献  54-56
第四章不同单光子激光线的氢化硅薄膜拉曼谱  56-68
  4.1 引言  56
  4.2 薄膜制备  56-57
  4.3 结果讨论  57-61
  4.4 薄膜内应力  61-65
  本章小结  65
  参考文献  65-68
第五章氢化硅薄膜介观力学行为及其与微结构内禀关联特性  68-78
  5.1 引言  68
  5.2 纳米压痕  68-72
  5.3 结果和讨论  72-75
  本章小结  75
  参考文献  75-78
第六章耐高温压阻式压力传感器  78-122
  6.1 耐高温压阻式压力传感器简介  78-83
    6.1.1 引言  78-79
    6.1.2 压阻式压力传感器基本原理  79-80
    6.1.3 硅扩散压阻式压力传感器  80-81
    6.1.4 耐高温压阻式压力传感器  81-83
  6.2 基于SIMOX的耐高温压力传感器芯片制作  83-88
    6.2.1 压力传感器芯片设计  83-85
    6.2.2 SIMOX的耐高温压力传感器芯片制作  85-88
  6.3 耐高温压阻式压力传感器封装  88-99
    6.3.1 引言  88-89
    6.3.2 硅/玻璃环静电键合  89-94
    6.3.3 内引线键合  94-97
    6.3.4 外引线转接  97-99
  6.4 耐高温压力传感器静态标定及温度漂移补偿  99-111
    6.4.1 耐高温压力传感器的静态标定指标  99-101
    6.4.2 热灵敏度漂移系数及补偿  101-104
    6.4.3 零位输出及其补偿  104-105
    6.4.4 热零点漂移系数及补偿  105-107
    6.4.5 耐高温压力传感器标定结果  107-109
    6.4.6 与国外同类产品的比较  109-111
  6.5 通用型分体式耐高温压力传感器研制  111-116
    6.5.1 引言  111-112
    6.5.2 耐高温分体式压力传感器结构设计  112-113
    6.5.3 传感器前置电路  113-114
    6.5.4 耐高温分体式压力传感器高温标定  114-116
  本章小结  116-117
  参考文献  117-122
第七章结论  122-124
致谢  124-126
攻读学位期间发表的论文、专利、参加项目及奖励  126-129

氢化硅薄膜介观力学行为研究和耐高温压力传感器研制

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