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摘要：随着微电子技术、集成电路技术和加工工艺的发展，MEMS传感器凭借体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成以及耐恶劣工作环境等优势，极大地促进了传感器的微型化、智能化、多功能化和网络化发展。MEMS传感器已逐步占据传感器市场，并逐渐取代传统机械传感器的主导地位，得到了消费电子产品、汽车工业、机械、医药等各领域的青睐。
MEMS压力传感器是影响最为深远且应用最广泛的MEMS传感器，其可以用类似集成电路的设计技术和制造工艺，进行高精度、低成本的大批量生产，相比于传统的机械量压力传感器功耗低、微型化和智能化，成本低廉，性价比大幅提高。随着硅扩散技术的发展，选择合适的晶向在其表面加工出悬台结构形成较薄的硅弹性膜片，得到的压力传感器质量轻、灵敏度高、稳定性好，为商业化发展提供了可能。
关键词：压力传感器；悬台；氮化硅薄膜
1.前言
由于MEMS声波传感器是一种薄膜元件，受到声波作用后变形，可以用设备进行声压检测。所以现广泛被应用在汽车发动机、底盘和车身中、医疗市场、工业领域。例如美国德科、飞思卡尔和博世公司生产了数以百万计的多路压力传感器，先进的MEMS技术将在这些应用中发挥越来越重要的作用。
2.实验分析
2.1实验设计过程
本次课题的关键在于传感器中悬台结构（如图3.1所示）的制备，如图3.2为最终成果物的俯视图。传感器的载体是普通n型（100）取向单面抛光的硅基片。由于是系内首次在硅片上镀氮化硅薄膜，通过控制一系列实验工艺参数对传感器中的悬台进行设计与制备。因此本章将就实验过程中所涉及的机器设备和经济环境做以介绍分析，包括制备氮化硅、氧化锌和铝薄膜的溅射设备和实验材料。
图3.1最终成果示意图
图3.2成果物俯视图
2.2实验结果
2.2.1关于氮化硅薄膜制备
实际我们进行了许多次实验，尝试了大量的实验参数，实验初期因为没有经验甚至都没有镀上薄膜，实验是发现真理的有效途径。我们通过咨询导师或是查阅资料也通过观察溅射后薄膜的生长情况一步一步改进工艺实验参数来大量实验。实验初期我们的工艺参数是衬底温度350℃、工作气压5Pa、气体流量比氩气：氮气=30:5、射频功率65W，溅射时间一般控制在1小时，但是镀膜效果较差，我们研究后决定增大溅射功率、升高衬底温度再加大溅射时间。实验中期已经能够保证每次实验都能镀膜成功，进步很大，只是发现在溅射氮化硅薄膜时，射频所加的功率一般都有损耗，也就是折射功率，我们一直通过调试设备，期望达到最佳溅射环境。实验后期，我们基本确定了一组工艺实验参数：溅射功率70W、衬底温度500℃、气体流量比氩气：氮气=30:15、溅射镀膜时间2h。这组工艺试验参数是经过大量实验总结得出的，实验设备操作时耗时很长，一般抽真空环境要40min，衬底升温到500℃需要40min，通入反应气体开始射频溅射大概2h，溅射结束关闭机器，等衬底降温要1h，关闭分子泵转速到零15min，所以一组实验下来大概需要4个半小时，不过付出总有收获，亘古不变，最终我们完成了这一步骤。
3.结果分析
本次实验借鉴就自己探索、实践。实验最终总结出了相关的基本工艺参数。高真空射频溅射氮化硅薄膜参数：本底真空度为4.0×10-4Pa，工作气压为0.3Pa，衬底温度为500℃，射频功率为70W，气体流量比氩气：氮气=30:15，溅射时间2小时。高真空热蒸发镀金属铝薄膜工艺参数：本底真空度4.0×10-4Pa，载物台温度50摄氏度，电流120安培，实验时间1h。
实验中高真空磁控溅射系统和高真空热蒸发薄膜沉积系统是两个十分重要的设备，它关系到了传感器制备中生长薄膜的情况，实验初期就遇到设备操作不熟悉问题，后来经过学习掌握设备操作后，可以对实验制备的薄膜做出分析。在磁控溅射生长氮化硅薄膜时，得到的薄膜致密性不好，有时还无法起辉，后来我们改进工艺参数，升高衬底温度以100摄氏度为梯度，加大射频功率，但是也不敢增加太大，因为功率过大会有打碎陶瓷氮化硅靶材危险，所以在射频功率这方面增加有限没有过大。通入反应气体流量比由原来的氩气：氮气15:3改为氩气：氮气=30:15，不过也这使薄膜的致密性才有所改善。实验中期热蒸发生长金属铝薄膜时，开始投放的金属铝碎末较多给设备舱室造成轻度污染，实验后期注意了这一点，投放适量的反应材料铝碎末保证镀膜所需即可。通入的电流是以10安培为梯度，逐步增长，最终达到120安培，实际在我们大量的实验过程中发现电流只要控制在100~120安培就可以达到效果。
参考文献
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论文作者:李金玉 齐帅 何瑛达
论文发表刊物:《知识-力量》2019年6月中
论文发表时间:2019/3/14
标签：薄膜论文; 衬底论文; 传感器论文; 安培论文; 功率论文; 射频论文; 参数论文; 《知识-力量》2019年6月中论文;