CN108226236A - 一种集成化湿度传感器及其制作工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成化湿度传感器及其制作工艺，所述湿度传感器以C型硅杯(1)为衬底，在所述C型硅杯(1)的上表面生长有二氧化硅层(2)，在所述二氧化硅层(2)的上表面设置有叉指电极(3)，在所述二氧化硅层(2)的下表面设置有加热电阻(7)，在所述叉指电极(3)上设置有感湿层(4)，在所述二氧化硅层(2)的上表面、感湿层(4)周围设置有加磁线圈(5)；所述湿度传感器采用集成化工艺制备，具有集成化程度高、体积小的优点，并且，同时具有湿度检测的稳定性好、灵敏度高、响应时间快和线性度好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及湿度传感器，特别地，涉及一种集成化湿度传感器及其制作工艺。
背景技术
现代工业和农业领域对湿度传感器的需求量不断增大，要求传感器具有灵敏度高、线性度好、小尺寸、低成本、低功耗等。但目前的湿度传感器存在尺寸大、迟滞大、响应时间慢、温度漂移大和加热功耗大的问题，尤其存在灵敏度低和线性度差的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，在C型硅杯上制作叉指电极和感湿层，用于湿度检测，同时，在叉指电极下面的衬底硅表面制作加热电阻，用于改善湿度传感器的响应时间，并且，在叉指电极或感湿层的周围制作加磁线圈，改善湿度传感器的灵敏度和线性度，得到一种灵敏度高、响应时间快和线性度好的湿度传感器，从而完成本发明。
本发明一方面提供了一种集成化湿度传感器，具体体现在以下几方面：
(1)一种集成化湿度传感器，其中，所述湿度传感器以C型硅杯1为衬底，在所述C型硅杯1的上表面生长有二氧化硅层2，其中，
在所述二氧化硅层2的上表面设置有叉指电极3，
在所述叉指电极3上设置有感湿层4，和，
在所述二氧化硅层2的上表面、感湿层4周围设置有加磁线圈5。
(2)根据上述(1)所述的湿度传感器，其中，所述叉指电极3为Pt/Ti叉指电极。
(3)根据上述(1)或(2)所述的湿度传感器，其中，所述Pt/Ti叉指电极如下获得：通过磁控溅射法在所述二氧化硅层2的表面上淀积金属钛层和铂层，更优选地，再进行离子束刻蚀，形成所述Pt/Ti叉指电极。
(4)根据上述(1)至(3)之一所述的湿度传感器，其中，所述感湿层4为具有多孔结构的硅基阳极氧化铝(AAO)层，优选地，所述硅基阳极氧化铝(AAO)层的厚度为2000～8000nm，例如5000nm。
(5)根据上述(1)至(4)之一所述的湿度传感器，其中，所述硅基阳极氧化铝(AAO)层如下获得：先采用真空镀膜工艺淀积高纯金属铝层，然后置于草酸溶液中，优选施加电压，得到带有多孔结构的硅基阳极氧化铝(AAO)层。
(6)根据上述(1)至(5)之一所述的湿度传感器，其中，所述加磁线圈5为铜线圈。
(7)根据上述(1)至(6)之一所述的湿度传感器，其中，在所述C型硅杯1的底部中心处沉积有磁性材料6(例如金属钴、NiFe等)，形成所述加磁线圈5的磁芯。
(8)根据上述(1)至(7)之一所述的湿度传感器，其中，在所述C型硅杯1与二氧化硅层2之间设置有加热电阻7，优选地，所述加热电阻7为条状结构。
本发明另一方面提供一种本发明第一方面所述集成化湿度传感器的制作工艺，具体体现在以下几个方面：
(9)一种上述(1)至(8)之一所述集成化湿度传感器的制作工艺，其中，所述工艺包括以下步骤：
步骤1、清洗硅片，任选地，进行一次光刻，通过干法刻蚀，制作光刻对版标记；
步骤2、清洗硅片，在单晶硅表面热氧化生成二氧化硅层，作为离子注入缓冲层；
步骤3、二次光刻，离子注入磷(或硼)，通过低掺杂形成湿度传感器的加热电阻7；
步骤4、三次光刻，离子注入浓磷(或浓硼)，在单晶硅中形成高掺杂的埋层电阻，作为内引线，将线圈内的接触端引出，并且引线孔处实现欧姆接触；
步骤5、清洗硅片，高温真空退火(在真空环境中进行高温退火)，修复晶格损伤，并在缓冲氧化蚀刻剂(BOE)溶液中处理(例如处理30s)，刻蚀表面的二氧化硅层；
步骤6、清洗硅片，二次氧化，正面化学气相沉积(PECVD)二氧化硅层，并在二氧化硅层表面刻蚀出叉指电极的引线孔；
步骤7、清洗硅片，通过磁控溅射在二氧化硅层表面淀积上金属钛层和铂层；
步骤8、四次光刻，采用离子束刻蚀形成叉指电极；
步骤9、清洗硅片，五次光刻，采用剥离工艺(lift-off工艺)，在叉指电极周围淀积金属线(如：铜)形成加磁线圈5
步骤10、清洗硅片，在其表面采用真空镀膜工艺淀积的铝层4’；
步骤11、六次光刻，通过干法刻蚀去除叉指电极区域之外的铝层；
步骤12、以铝层为阳极、铂层为阴极，平行放置于草酸溶液中，施加电压，铝层在阳极被氧化成多孔氧化铝膜，形成湿度传感器的感湿层；
步骤13、七次光刻，通过MEMS技术，使用ICP刻蚀在叉指电极区域正下方的背面刻蚀出C型硅杯；
步骤14、清洗硅片，通过磁控溅射在背面的硅杯中沉积磁性材料(例如金属钴、NiFe等)，得到湿度传感器。
(10)根据上述(9)所述的制作工艺，其中，
在步骤14之后进行步骤15：
步骤15、将步骤14得到的湿度传感器置于强磁场中，使得磁性材料被磁化，加强湿度传感器区域的磁场强度；
优选地，在步骤15之后进行步骤16：
步骤16、进行划片、中测、封装和总测。
附图说明
图1示出本发明所述湿度传感器的局部剖视(1/4剖视)示意图；
图2示出图1的俯视图；
图3示出图2中叉指电极的结构示意图；
图4示出图2中加热电阻的结构示意图；
图5示出所述湿度传感器的制作工艺流程图(其中，为图2中A-A向的截面图)。
附图标记说明
1-C型硅杯；
2-二氧化硅层；
3-叉指电极；
4-感湿层；
4’-铝层；
5-加磁线圈；
6-磁性材料；
7-加热电阻。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
本发明一方面提供了一种集成化湿度传感器，如图1和图2所示，所示湿度传感器以C型硅杯1为衬底，在所述C型硅杯1的上表面生长有二氧化硅层2，其中，在所述二氧化硅层2的上表面设置有叉指电极3，在所述叉指电极3上设置有感湿层4，并且，在所述二氧化硅层2的上表面、感湿层4周围设置有加磁线圈5。
其中，所述感湿层用于吸附水分；所述叉指电极的电容值随着感湿层吸附的水分(即环境相对湿度)而变化，从而实现环境中相对湿度的检测；同时，设置加磁线圈，通过加磁线圈产生磁场进而调整感湿层周围的磁场，以改善感湿特性。
根据本发明一种优选的实施方式，所述叉指电极3为Pt/Ti叉指电极。
在进一步优选的实施方式中，所述Pt/Ti叉指电极如下获得：通过磁控溅射法在所述二氧化硅层2的表面上淀积金属钛层和铂层。
在更进一步优选的实施方式中，再进行离子束刻蚀，形成所述Pt/Ti叉指电极。
根据本发明一种优选的实施方式，所述感湿层4为具有多孔结构的硅基阳极氧化铝(AAO)层。
其中，硅基阳极氧化铝(AAO)层的多孔结构，水分子很容易吸附在孔壁表面。
在进一步优选的实施方式中，所述硅基阳极氧化铝(AAO)层的厚度为2000～8000nm，例如5000nm。
其中，采用厚度较薄的硅基阳极氧化铝为感湿层，可以较好提高感湿特性。
在更进一步优选的实施方式中，所述硅基阳极氧化铝(AAO)层如下获得：先采用真空镀膜工艺淀积高纯金属铝层，然后置于草酸溶液中，优选施加电压，得到带有多孔结构的硅基阳极氧化铝(AAO)层。
在本发明中，通过叉指电极3输出感湿层4的电容值，当水分子吸附到感湿层4的孔壁时，叉指电极电介质常数增大，导致叉指电极的电容值变大。测量叉指电极电容值的大小即可完成相对湿度的测量。
根据本发明一种优选的实施方式，所述加磁线圈5为铜线圈。
其中，在现有技术中，涉及外加磁场提高湿度传感器的灵敏度的实验，但是，其仅限于进行实验研究，在实际应用时，很难实现加入磁场进行检测，不利于广泛应用。发明人经过大量研究后，巧妙地在叉指电极或感湿膜周围设置加磁线圈，为湿度感知提供磁场，并进一步通过工艺优化，实现了加磁线圈的集成化制作，这样，将磁场的产生与传感器融为一体，实现集成化。
同时，在实际应用时，可以通过调节工作电流，对加磁线圈产生的磁场进行调节，以达到最佳检测效果。
在进一步优选的实施方式中，在所述C型硅杯1的底部中心处沉积有磁性材料6(例如金属钴、NiFe等)，形成所述加磁线圈5的磁芯。
在本发明中，集成了以磁性材料为磁芯的加磁线圈，其中，加磁线圈在感湿层周围产生磁场，而中心的磁性材料进一步调整感湿层周围的磁场，这样，在磁场作用下，提高了水分子在感湿层中排列取向的一致性，进而改善了传感器的灵敏度和线性度。
根据本发明一种优选的实施方式中，在所述C型硅杯1与二氧化硅层2之间设置有加热电阻7。
在进一步优选的实施方式中，所述加热电阻7为条状结构。
其中，在本发明中，采用加热电阻7产生的热量可以有效改善感湿层对水分子的脱附性，缩短感湿层脱水时间，进而改善所述湿度传感器的响应时间。
本发明第二方面提供一种本发明第一方面所述湿度传感器的制作工艺，如图5所示，所述工艺包括以下步骤：
步骤1、清洗硅片，任选地，进行一次光刻，通过干法刻蚀，制作光刻对版标记；
步骤2、清洗硅片，在单晶硅表面热氧化生成二氧化硅层，作为离子注入缓冲层；
步骤3、二次光刻，离子注入磷(或硼)，通过低掺杂形成湿度传感器的加热电阻7(如图3中(1)所示)；
步骤4、三次光刻，离子注入浓磷(或浓硼)，在单晶硅中形成高掺杂的埋层电阻，作为内引线，将线圈内的接触端引出，并且引线孔处实现欧姆接触；
步骤5、清洗硅片，高温真空退火(在真空环境中进行高温退火)，修复晶格损伤，并在缓冲氧化蚀刻剂(BOE)溶液中处理(例如处理30s)，刻蚀表面的二氧化硅层；
步骤6、清洗硅片，二次氧化，正面化学气相沉积(PECVD)二氧化硅层，并在二氧化硅层表面刻蚀出叉指电极的引线孔；
步骤7、清洗硅片，通过磁控溅射在二氧化硅层表面淀积上金属钛层和铂层；
步骤8、四次光刻，采用离子束刻蚀形成叉指电极3；
步骤9、清洗硅片，五次光刻，采用剥离工艺(lift-off工艺)，在叉指电极周围淀积金属线(如：铜)形成加磁线圈5(如图3中(2)所示)；
步骤10、清洗硅片，在其表面采用真空镀膜工艺淀积的(高纯金属)铝层4’；
步骤11、六次光刻，通过干法刻蚀去除叉指电极区域之外的铝层(如图3中(3)所示)；
步骤12、以铝层为阳极、铂层为阴极，平行放置于草酸溶液中，施加电压，铝层在阳极被氧化成多孔氧化铝膜，形成湿度传感器的感湿层4(如图3中(4)所示)；
步骤13、七次光刻，通过MEMS技术，使用ICP刻蚀在叉指电极区域正下方的背面刻蚀出C型硅杯；
步骤14、清洗硅片，通过磁控溅射在背面的硅杯中沉积磁性材料6(例如金属钴、NiFe等)，得到湿度传感器(如图3中(5)所示)。
根据本发明一种优选的实施方式，在步骤14之后进行步骤15：
步骤15、将步骤14得到的湿度传感器置于强磁场中，使得磁性材料被磁化，加强湿度传感器区域的磁场强度。
在进一步优选的实施方式中，在步骤15之后进行步骤16：
步骤16、进行划片、中测、封装和总测。
根据本发明一种优选的实施方式，在步骤1中，所述硅片为<100>晶向p型(或n型)双面抛光单晶硅。
在进一步优选的实施方式中，在步骤1中，所述硅片的厚度为200～600μm，例如300～500μm，例如400μm。
根据本发明一种优选的实施方式，在步骤2中，生成的二氧化硅层的厚度为20～80nm。
在进一步优选的实施方式中，在步骤2中，生成的二氧化硅层的厚度为30～70nm，例如50nm。
根据本发明一种优选的实施方式，在步骤6中，沉积的二氧化硅层的厚度为400～800nm。
在进一步优选的实施方式中，在步骤6中，沉积的二氧化硅层的厚度为500～700nm，例如600nm。
根据本发明一种优选的实施方式，在步骤7中，沉积的钛层的厚度为15～25nm，沉积的铂层的厚度为150～250nm。
在进一步优选的实施方式中，在步骤7中，沉积的钛层的厚度为20nm，沉积的铂层的厚度为200nm。
根据本发明一种优选的实施方式，步骤9包括以下子步骤：
步骤9-1、在二氧化硅层表面旋涂剥离工艺胶膜；
步骤9-2、进行曝光和显影后，在胶膜上形成加磁线圈的沟道；
步骤9-3、在沟道表面淀积金属(例如铜)层，然后采用溶剂(优选有机溶剂)去除去除剩余胶膜，即得到加磁线圈5。
根据本发明一种优选的实施方式，在步骤10中，淀积的高纯金属铝层的厚度为2000～8000nm，例如5000nm。
在本发明中，MEMS技术是指微电子机械加工技术，ICP刻蚀是指等离子深槽刻蚀。
本发明所具有的有益效果：
(1)本发明所述湿度传感器采用厚度较薄的硅基阳极氧化铝为感湿层，可以较好提高感湿特性；
(2)本发明所述湿度传感器通过检测叉指电极电容值随环境相对湿度的变化，可实现环境中相对湿度的有效检测；
(3)本发明所述湿度传感器集成了以磁性材料为磁芯的加磁线圈，其中，加磁线圈在感湿层周围产生磁场，而中心的磁性材料进一步调整感湿层周围的磁场，这样，在磁场作用下，提高了水分子在感湿层中排列取向的一致性，进而改善了传感器的灵敏度和线性度；
(4)在实际应用时，可以通过调节工作电流，对加磁线圈产生的磁场进行调节，以达到最佳检测效果；
(5)本发明所述湿度传感器采用加热电阻，这样，通过加热电阻产生的热量可以调整感湿层脱湿时间，以改善传感器响应时间；
(6)本发明所述湿度传感器结构简单，实现了芯片的小型化和集成化；
(7)本发明所述制作工艺简单，易于实现，适合规模化工业应用。
实施例
步骤1、清洗硅片，所述硅片为厚度为400μm的<100>晶向p型双面抛光单晶硅，进行一次光刻，通过干法刻蚀，制作光刻对版标记；
步骤2、清洗硅片，在单晶硅表面热氧化生成50nm厚的二氧化硅层，作为离子注入缓冲层；
步骤3、二次光刻，离子注入磷，通过低掺杂形成湿度传感器的加热电阻7(如图3中(1)所示)；
步骤4、三次光刻，磷离子注入，注入剂量为5*104cm2，在单晶硅中形成高掺杂的埋层电阻，作为内引线，将线圈内的接触端引出，并且引线孔处实现欧姆接触；
步骤5、清洗硅片，在真空环境中800～900℃进行高温退火，修复晶格损伤，并在缓冲氧化蚀刻剂(BOE)溶液中处理30s，刻蚀表面的二氧化硅层；
步骤6、清洗硅片，二次氧化，正面化学气相沉积(PECVD)600nm厚的二氧化硅层，并在二氧化硅层表面刻蚀出叉指电极的引线孔；
步骤7、清洗硅片，通过磁控溅射在二氧化硅层表面淀积上20nm厚的金属钛层和200nm厚的铂层；
步骤8、四次光刻，采用离子束刻蚀形成叉指电极3；
步骤9、清洗硅片，五次光刻，采用剥离工艺(lift-off工艺)，在叉指电极周围淀积金属铜线形成加磁线圈5；
步骤10、清洗硅片，在其表面采用真空镀膜工艺淀积5000nm厚的(高纯金属)铝层4’；
步骤11、六次光刻，通过干法刻蚀去除叉指电极区域之外的铝层(如图3中(3)所示)；
步骤12、以铝层为阳极、铂层为阴极，平行放置于草酸溶液中，施加电压，铝层在阳极被氧化成多孔氧化铝膜，形成湿度传感器的感湿层4(如图3中(4)所示)；
步骤13、七次光刻，通过MEMS技术，使用ICP刻蚀在叉指电极区域正下方的背面刻蚀出C型硅杯；
步骤14、清洗硅片，通过磁控溅射在背面的硅杯中沉积金属钴，得到湿度传感器(如图3中(5)所示)；
步骤15、将步骤14得到的湿度传感器置于强磁场中，使得磁性材料被磁化，加强湿度传感器区域的磁场强度。
步骤16、进行划片、中测、封装和总测。
对比例1
重复本发明所述方法，区别在于：不进行加磁线圈的制作，并不进行磁性材料的沉积。
对比例2
重复本发明所述方法，区别在于：不进行磁性材料的沉积。
实验例1灵敏度检测
采用阻抗分析仪(LCR-TH2819A)、过饱和溶液(提供湿度点)和计算机数据采集系统等仪器装置搭建了湿度传感器的测试系统，分别对实施例和对比例1～2得到的湿度传感器进行测试，分析湿度传感器的检测灵敏度，其中，测试条件：室温25℃、电源频率为1KHz、电压为1.0V时以及相对湿度16.37～97.69％时，
(1)对对比例1得到的湿度传感器进行检测，其平均灵敏度约为70pF/％RH；
并且，进行另一个实验：采用对比例1得到的湿度传感器进行检测时，施加外部磁场(利用磁铁)，传感器的灵敏度为150.5pF/％RH；
(2)对比例2得到的湿度传感器的灵敏度约为165.8pF/％RH；
(3)对实施例得到的湿度传感器进行检测，其灵敏度为210.7pF/％RH。
实验例2一致性检测
利用本发明所述方法(实施例)，在一个6英寸晶圆上可以制得3000只左右的芯片，对得到的芯片进行检测，其一致性达到90％以上。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种集成化湿度传感器，其特征在于，所述湿度传感器以C型硅杯(1)为衬底，在所述C型硅杯(1)的上表面生长有二氧化硅层(2)，其中，
在所述二氧化硅层(2)的上表面设置有叉指电极(3)，
在所述叉指电极(3)上设置有感湿层(4)，和，
在所述二氧化硅层(2)的上表面、感湿层(4)周围设置有加磁线圈(5)。
2.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述叉指电极(3)为Pt/Ti叉指电极。
3.根据权利要求1或2所述的湿度传感器，其特征在于，所述Pt/Ti叉指电极如下获得：通过磁控溅射法在所述二氧化硅层(2)的表面上淀积金属钛层和铂层，更优选地，再进行离子束刻蚀，形成所述Pt/Ti叉指电极。
4.根据权利要求1至3之一所述的湿度传感器，其特征在于，所述感湿层(4)为具有多孔结构的硅基阳极氧化铝(AAO)层，优选地，所述硅基阳极氧化铝(AAO)层的厚度为2000～8000nm，例如5000nm。
5.根据权利要求1至4之一所述的湿度传感器，其特征在于，所述硅基阳极氧化铝(AAO)层如下获得：先采用真空镀膜工艺淀积高纯金属铝层，然后置于草酸溶液中，优选施加电压，得到带有多孔结构的硅基阳极氧化铝(AAO)层。
6.根据权利要求1至5之一所述的湿度传感器，其特征在于，所述加磁线圈(5)为铜线圈。
7.根据权利要求1至6之一所述的湿度传感器，其特征在于，在所述C型硅杯(1)的底部中心处沉积有磁性材料(6)(例如金属钴、NiFe等)，形成所述加磁线圈(5)的磁芯。
8.根据权利要求1至7之一所述的湿度传感器，其特征在于，在所述C型硅杯(1)与二氧化硅层(2)之间设置有加热电阻(7)，优选地，所述加热电阻(7)为条状结构。
9.一种权利要求1至8之一所述集成化湿度传感器的制作工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤：
步骤1、清洗硅片，任选地，进行一次光刻，通过干法刻蚀，制作光刻对版标记；
步骤2、清洗硅片，在单晶硅表面热氧化生成二氧化硅层，作为离子注入缓冲层；
步骤3、二次光刻，离子注入磷(或硼)，通过低掺杂形成湿度传感器的加热电阻(7)；
步骤4、三次光刻，离子注入浓磷(或浓硼)，在单晶硅中形成高掺杂的埋层电阻，作为内引线，将线圈内的接触端引出，并且引线孔处实现欧姆接触；
步骤5、清洗硅片，高温真空退火(在真空环境中进行高温退火)，修复晶格损伤，并在缓冲氧化蚀刻剂(BOE)溶液中处理(例如处理30s)，刻蚀表面的二氧化硅层；
步骤6、清洗硅片，二次氧化，正面化学气相沉积(PECVD)二氧化硅层，并在二氧化硅层表面刻蚀出叉指电极的引线孔；
步骤7、清洗硅片，通过磁控溅射在二氧化硅层表面淀积上金属钛层和铂层；
步骤8、四次光刻，采用离子束刻蚀形成叉指电极(3)；
步骤9、清洗硅片，五次光刻，采用剥离工艺(lift-off工艺)，在叉指电极周围淀积金属线(如：铜)形成加磁线圈(5)；
步骤10、清洗硅片，在其表面采用真空镀膜工艺淀积的铝层(4’)；
步骤11、六次光刻，通过干法刻蚀去除叉指电极区域之外的铝层；
步骤12、以铝层为阳极、铂层为阴极，平行放置于草酸溶液中，施加电压，铝层在阳极被氧化成多孔氧化铝膜，形成湿度传感器的感湿层(4)；
步骤13、七次光刻，通过MEMS技术，使用ICP刻蚀在叉指电极区域正下方的背面刻蚀出C型硅杯；
步骤14、清洗硅片，通过磁控溅射在背面的硅杯中沉积磁性材料(6)(例如金属钴、NiFe等)，得到湿度传感器。
10.根据权利要求9所述的制作工艺，其特征在于，
在步骤14之后进行步骤15：
步骤15、将步骤14得到的湿度传感器置于强磁场中，使得磁性材料被磁化，加强湿度传感器区域的磁场强度；
优选地，在步骤15之后进行步骤16：
步骤16、进行划片、中测、封装和总测。
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