CN110342456A - 一种基于mems的电离真空计及其制备方法 - Google Patents

一种基于mems的电离真空计及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于MEMS的电离真空计及其制备方法，本发明中的气压计芯片主要采用半导体微纳加工工艺，由SOI硅片上的发射体、门极、阳极构成；发射体是图案化的碳纳米管(CNT)阵列，使用CNT阵列作为冷阴极发射体材料，利用CNT优异的电学和热学性能等，可以降低气压计整体功耗，增强散热性能，从而提高气压计的稳定性；门极(Grid)采用深硅刻蚀加工形成具有高深宽比的三维(3D)对称劈尖结构，有效增强了门极中心的电场强度，这种对称的、具有高深宽比的3D尖端结构形成的高电场可以有效的吸收电子，进而可以明显的提升气压计的精度；通过分开放置气压计的上下两部分，可以根据实际需求切割相应大小的芯片，提高了对芯片资源的利用率，能做到量产和小型化。

Description

一种基于MEMS的电离真空计及其制备方法
技术领域
本发明涉及真空微电子技术与微纳加工制备的交叉领域，更具体地，涉及一种基于MEMS的电离真空计及其制备方法。
背景技术
传感器是一种在工业以及研究领域极其重要的硬件。依托于微电子技术与计算机技术的发展，使用传感器可以更好地获取与处理信息。因而传感器技术成为在社会、工程、科研领域中不可或缺的重要技术。
气压计在高真空环境中的分支为真空计，真空计分为电阻式真空计(皮拉尼计)和电离式真空计。电阻式真空计利用电阻阻值的变化间接反应其周围的气压大小，微机电系统(MEMS)的出现使得电阻式真空计小型化，经过多年研究，以体积小、功耗低、易于其他半导体器件集成加工的MEMS皮拉尼计已经广泛应用于各个领域，且效果显著。
而皮拉尼计的设计理论决定了其测量精度无法达到高真空环境的要求。因此，在高真空环境中，电离式真空计得到更广泛的应用。电离式气压计可分为冷阴极电离规和热阴极电离规，其中，冷阴极电离规的非连续性以及低压力下的放电延迟效应和不稳定性，通常在科研生产中只采用热阴极电离规作为参考标准或者副标准。
但传统灯丝在热出气以及光辐照等方面有缺陷，因而限制了热阴极电离规的应用。同时，现有的热阴极电离规因体积较大的原因，无法应用在狭窄测量环境中(例如狭缝)；冷阴极目前也取得了一些进展，Graf等人开发了一种带有Spindt微尖端发射体阵列的真空计，用于航天探测领域，但是依旧采用传统电离规的工艺，小型化问题依旧没有解决，依旧无法将其应用到狭窄测量环境中；Granz和Stephanie等人设计了一种基于MEMS技术的具有电子发射阴极阵列的平面三极管结构的真空计，但是利用栅网结构做电子吸附，无法形成高电场，导致电子穿透栅网被阳极捕获，阳极所吸收的电子来源受到干扰，因此灵敏度较低。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于MEMS技术的电离真空计及其制备方法，旨在解决冷阴极电离规中因栅网结构设计而无法形成高电场，从而无法有效吸收电子而造成的灵敏度不高的问题。
本发明提供了一种基于MEMS的电离真空计的制备方法，包括下述步骤：
(1)获得表面抛光的SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次为顶层高掺硅、中间层二氧化硅和底层高掺硅；
(2)在所述SOI硅片的上表面涂覆光刻胶，利用劈尖形状的阵列结构做掩膜，使用光刻和刻蚀工艺去除图案化区域的顶层高掺硅和中间层二氧化硅，暴露底层高掺硅作为预发射区，保留下来的顶层高掺硅及其下方的中间层二氧化硅部分作为键合区域；
(3)涂覆光刻胶并通过曝光和显影后在底层高掺硅上得到阵列化的光刻图案，依次沉积缓冲层和催化剂层；
(4)在阵列上通过化学气相沉积生长碳纳米管阵列，获得电离真空计的阴极发射体；
(5)将表面抛光的高掺硅片清洗完毕后涂覆光刻胶，采用定点曝光和深刻蚀的方式得到劈尖结构的门极阵列，在劈尖结构上下表面沉积二氧化硅作绝缘层；
(6)另取高掺硅片或金属片，将步骤(5)中获得的劈尖结构与高掺硅片或金属片进行键合后得到门极和阳极的组装结构；
(7)将步骤(4)中获得的阴极发射体结构和步骤(6)中获得的结构进行对准封装后获得电离真空计。
其中，在步骤(1)中，底层高掺硅和顶层高掺硅为导电率小于0.004Ω·cm的高掺杂硅片，顶层高掺硅的厚度为2μm～200μm，底层高掺硅厚度为300μm～1000μm。
其中，在步骤(5)中，Grid的内半径为1200μm～1300μm，线长度为480μm～520μm，线宽度为120μm～130μm。
其中，在步骤(5)和步骤(6)中，高掺硅片为电导率小于0.004Ω·cm且厚度为1000μm～1500μm的硅片。
其中，在步骤(6)中，金属片的厚度为100μm～500μm。
其中，在步骤(6)中，键合的方式为热压键合。
本发明还提供了一种基于上述的制备方法获得的电离真空计，包括：依次设置的阳极、门极和发射体，所述阳极和所述门极均为劈尖结构，所述发射体采用碳纳米管。其中，劈尖结构的深宽比>10∶1。
本发明可以解决冷阴极电离规中因栅网结构设计而无法形成高电场，从而无法有效吸收电子而造成的灵敏度不高的问题；同时，还可以解决热阴极电离规中因传统灯丝在热出气、光辐照等方面有缺陷、体积较大而造成的稳定性差、无法小型化的问题。
本发明中的气压计芯片主要采用半导体微纳加工工艺，由SOI硅片上的发射体、门极、阳极构成。其中，SOI硅片的底层高掺硅作为阴极导电集流体，发射体是图案化的碳纳米管(CNT)阵列，采用化学气相沉积方法可以得到垂直生长的CNT阵列。本发明的门极图案利用尖劈处电场较强的原理，设计了具有高深宽比的的门极劈尖图案，意在使得门极中心的电场增强，从而增加对电子的吸收能力，使得该装置精度提升。同时阳极亦采取同样的设计思路以增强对于气体离子的吸收。
本发明提供的真空计具有如下三方面的优势：
(1)门极(Grid)采用深硅刻蚀加工形成具有高深宽比的三维(3D)对称劈尖结构，有效增强了门极中心的电场强度，这种对称的、具有高深宽比的3D尖端结构形成的高电场可以有效的吸收电子，进而可以明显的提升气压计的精度。
(2)使用CNT阵列作为冷阴极发射体材料，利用CNT优异的电学和热学性能等，可以降低气压计整体功耗，增强散热性能，从而提高气压计的稳定性。
(3)通过分开放置气压计的上下两部分，可以根据实际需求切割相应大小的芯片，提高了对芯片资源的利用率，且能做到量产和小型化。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于MEMS的电离真空计的制备方法的实现流程图。
图2给出电离真空计芯片的结构示意图。
图3(a)-图3(e)为制作阴极拟发射区的工艺流程图：其中，图3(a)为硅片预处理，图3(b)为涂覆光刻胶，图3(c)为曝光、显影后制作光刻胶掩膜图形，图3(d)为图案化刻蚀顶层硅和二氧化硅，图3(e)为剥离掩膜的光刻胶。
图4(a)-图4(d)为生长碳纳米管的工艺流程图：其中，图4(a)为涂覆光刻胶，图4(b)为曝光、显影后形成图案化的光刻胶掩膜，图4(c)为沉积催化剂层和缓冲层，图4(d)为剥离掩膜，图4(e)为生长碳纳米管阵列。
图5为生长的碳纳米管阵列俯视图。
图6(a)-图6(c)为法拉第笼的工艺流程图：其中，图6(a)为硅片预处理，图6(b)为光刻、刻蚀后形成的劈尖结构，图6(c)为劈尖结构上下表面沉积二氧化硅绝缘层。
图6(d)为Grid和阴极发射区键合后的俯视图。
图6(e)为Grid和阴极发射区键合后结构示意图。
图7为完整的电离真空计的结构示意图。
图中各附图标记的含义如下：101为SOI硅片的顶层高掺硅，102为SOI硅片的二氧化硅，103为SOI硅片的底层高掺硅；201为光刻胶；301为二氧化硅绝缘层；401为碳纳米管；501为二氧化硅层、502为高掺硅片；601为高掺硅片或金属片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对上述热阴极电离规的缺陷以及为满足小型化、量产的实际生产需求，引入了MEMS工艺与碳纳米管(CNT)阴极发射体，CNT阴极发射体具有发射效率高、低冷场发射的特性。借助MEMS工艺，本发明可以制备小型化、量产化的硅基复合结构的真空计。借助该方法制备的真空计使用CNT阴极发射体，避免了使用传统灯丝作为阴极发射体的缺陷，达到了设计的目的。
该装置通过MEMS工艺实现了气压计的小型化，同时利用劈尖结构，借助劈尖电场较强的效应增强气压计门极吸收电子的能力与阳极吸收气体离子的能力，利用门极与阳极的作用使得气体电离的效果更加显著。同时，由于该气压计的小型化，可以将该装置放置于狭窄的测量环境中实现气压测量的目的。碳纳米管阴极作为电子源，具有低功耗、响应快、与环境气体无化学反应、无热辐射和光辐照等优点。以CNT作为发射体制成的阴极电离规器件能够以更小的功率完成气压测量，具有低功耗、灵敏度高的特点。
电离真空计包括：依次设置的阳极、门极和发射体，阳极和门极均为劈尖结构，发射体采用碳纳米管。
与现有技术中门极和阳极采用栅网结构相比，本申请中采用劈尖结构，利用深硅刻蚀加工形成的具有高深宽比的3D劈尖结构有效提升了门极吸收电子与阳极吸收气体离子的能力，从而增加了气压计的灵敏度。
与现有技术中发射体采用热灯丝相比，本申请采用冷场发射，利用CNT发射体优异的电学和热学性能，可以降低气压计的功耗，增加其稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于MEMS工艺的电离真空计的制备方法，如图1所示，包括下述步骤：
(1)准备表面抛光的SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次为顶层高掺硅、中间层二氧化硅和底层高掺硅。其中，底层高掺硅和顶层高掺硅具体为导电率小于0.004Ω.cm的高掺杂硅片，顶层高掺硅的厚度为2μm～200μm，底层高掺硅厚度为300μm～1000μm。
(2)在上述SOI硅片的上表面涂覆光刻胶，利用劈尖形状的阵列结构(以下简称图案化区域)做掩膜，使用光刻和刻蚀工艺去除图案化区域的顶层高掺硅和中间层二氧化硅，暴露底层高掺硅作为预发射区，保留下来的顶层高掺硅及其下方的中间层二氧化硅部分作为键合区域。
(3)在步骤(2)得到的结构涂覆光刻胶，通过曝光和显影后在底层高掺硅上得到阵列化的光刻图案，然后依次沉积缓冲层和催化剂层。
(4)在步骤(3)得到的阵列上通过化学气相沉积生长碳纳米管阵列，得到电离真空计的阴极发射体。
(5)将表面抛光的高掺硅片清洗完毕后涂覆光刻胶，采用定点曝光和深刻蚀的方式得到劈尖结构的门极阵列(Grid)，在劈尖结构上下表面沉积二氧化硅作绝缘层。
(6)另取高掺硅片或金属片，将步骤(5)中的劈尖结构与高掺硅片或金属片进行键合后得到门极和阳极的组装结构。
(7)将步骤(4)得到的阴极发射体结构和步骤(6)得到的结构进行对准封装后得到如图2所示的电离真空计的完整结构。
在本发明实施例中，门极为劈尖结构，这种对称的尖端结构通过仿真分析可知，能够在尖端形成高电场，从而增强对电子的吸收率，进而增加气压计的灵敏度。
作为本发明的进一步优选，步骤(4)中，碳纳米管阵列具体是利用化学气相沉积法形成的，化学气相沉积法具体是热化学气相沉积、等离子增强化学气相沉积或微波等离子增强化学气相沉积，从而得到碳纳米管垂直于所述底层硅表面所在平面的所述碳纳米管阵列。
作为本发明的进一步优选，步骤(5)中，Grid的内半径为1200μm～1300μm，线长度为480μm～520μm，线宽度为120μm～130μm。结合劈尖结构的技术参数进行仿真分析，可以形成所需要的高电场，从而满足对电子吸收率的要求。
作为本发明的进一步优选，步骤(5)、(6)中的高掺硅片具体为电导率小于0.004Ω·cm、厚度为1000μm～1500μm的硅片。
作为本发明的进一步优选，步骤(6)中金属片的厚度为100μm～500μm，这个厚度范围可以根据一般的导电集流体的厚度范围来选择，可以有效的吸收离子。
作为本发明的进一步优选，步骤(7)、(8)中的键合方式为热压键合或其它键合方式。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的基于MEMS工艺的电离真空计的制备方法，现参照附图详述如下：
如图3(a)所示，使用表面抛光的SOI硅片中的底层硅103用作阴极基底，底层硅103采用高掺杂(由于掺杂方式不定，本发明以电导率作为衡量掺杂浓度高低的指标，导电率要求小于0.004Ω·cm)。依次使用丙酮、异丙醇和乙醇清洗硅片表面，然后用N2吹净，最后用氧清洗等其他清洗方式清除硅片表面所吸附的水分子以及其他气体分子。
如图3(b)～图4(b)所示，在高掺硅103上涂覆光刻胶201，使用光刻工艺得到阵列式的光刻胶图案，依次沉积缓冲层和催化剂层(例如，缓冲层可采用Ti、TiN、Al、氧化铝、沸石等，缓冲层厚度的优选范围为1nm-1000nm；催化剂可采用Fe、Ni、Co等，催化剂厚度的优选范围为1nm-500nm)，最后剥离掉多余的缓冲层和催化剂层。保留下来的缓冲层和催化剂层即作为拟发射区。
如图4(e)所示，在制备好的阴极基底拟发射区上使用化学气相沉积法或移植法制备碳纳米管阵列401。尤其是，当使用化学气相沉积法制备碳纳米管时，生长温度控制在合适的范围内(350℃-1050℃)，得到垂直生长的n×n的碳纳米管阵列。例如，采用热化学气相沉积时，使用Fe作催化剂可以得到垂直生长的碳纳米管；采用等离子增强化学气相沉积和微波等离子增强化学沉积时，在附加电场作用下也可以得到垂直生长的碳纳米管。
如图6(c)所示，取表面抛光的高掺硅片502，采用和步骤(1)中相同的清洗方式对硅片进行清洗，然后在硅片表面涂覆光刻胶，采用光刻和深刻蚀工艺得到阵列式的劈尖结构，这种对称的劈尖结构可以形成高电场，从而增加对电子的吸收率，进而增加真空计的精度；在劈尖结构上下表面沉积二氧化硅作绝缘层501。
如图7所示，另取表面抛光的高掺硅片或金属片601，采用和步骤(1)中相同的清洗方式对硅片进行清洗，采用热压键合或其它键合方式将劈尖结构和高掺硅片形成封装结构。
采用热压键合或其它键合方式将阴极发射体结构和劈尖结构封装后形成完整的电离真空计芯片。
该装置通过MEMS工艺实现了气压计的小型化；采用深硅刻蚀加工形成的具有高深宽比的3D劈尖结构有效提升了门极吸收电子与阳极吸收气体离子的能力，从而增加了气压计的灵敏度；利用CNT发射体优异的电学和热学性能，可以降低气压计的功耗，增加其稳定性。
现参照附图并结合具体实例详述本发明实施例提供的基于MEMS的电离真空计及其制备方法如下：
本发明中基于MEMS工艺的电离真空计的制备方法包括如下步骤：
如图3(a)所示，使用表面抛光的SOI硅片中的底层硅103用作阴极基底，底层硅103采用高掺杂，导电率为0.001Ω·cm。依次使用丙酮、异丙醇和乙醇清洗硅片表面，然后用N2吹净，最后用氧清洗清除硅片表面所吸附的水分子以及其他气体分子。
如图3(b)～4(b)所示，在高掺硅103上涂覆光刻胶201，使用光刻工艺得到阵列式的光刻胶图案，依次沉积缓冲层和催化剂层，缓冲层可采用Ti/TiN，Ti的厚度为15nm，TiN的厚度为15nm；催化剂采用Ni，催化剂厚度为20nm。最后剥离掉多余的缓冲层和催化剂层，保留下来的缓冲层和催化剂层即作为拟发射区。
如图4(e)所示，在制备好的阴极基底拟发射区上使用热化学气相沉积法制备碳纳米管阵列401。在生长温度为700℃的情况下，得到n×n的碳纳米管阵列。
如图6所示，取表面抛光的高掺硅片502，采用和步骤(1)中相同的清洗方式对硅片进行清洗，然后在硅片表面涂覆光刻胶，采用光刻和深刻蚀工艺得到阵列式的劈尖结构，这种对称的劈尖结构可以形成高电场，从而增加对电子的吸收率，进而增加真空计的精度；在劈尖结构上下表面沉积二氧化硅作绝缘层501。
如图7所示，另取表面抛光的高掺硅片或金属片601，采用和步骤(1)中相同的清洗方式对硅片进行清洗，采用热压键合将劈尖结构和高掺硅片形成封装结构。
采用热压键合将阴极发射体结构和劈尖结构封装后形成完整的电离真空计芯片。采用MEMS工艺实现气压计小型化的同时，具有高深宽比的3D劈尖结构也可以增加对电子的吸收率，进而提升气压计的精度；CNT优异的电学和热学性能可以降低气压计的功耗，从而提升气压计的稳定性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于MEMS的电离真空计的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)获得表面抛光的SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次为顶层高掺硅、中间层二氧化硅和底层高掺硅；
(2)在所述SOI硅片的上表面涂覆光刻胶，利用劈尖形状的阵列结构做掩膜，使用光刻和刻蚀工艺去除图案化区域的顶层高掺硅和中间层二氧化硅，暴露底层高掺硅作为预发射区，保留下来的顶层高掺硅及其下方的中间层二氧化硅部分作为键合区域；
(3)涂覆光刻胶并通过曝光和显影后在底层高掺硅上得到阵列化的光刻图案，依次沉积缓冲层和催化剂层；
(4)在阵列上通过化学气相沉积生长碳纳米管阵列，获得电离真空计的阴极发射体；
(5)将表面抛光的高掺硅片清洗完毕后涂覆光刻胶，采用定点曝光和深刻蚀的方式得到劈尖结构的门极阵列，在劈尖结构上下表面沉积二氧化硅作绝缘层；
(6)另取高掺硅片或金属片，将步骤(5)中获得的劈尖结构与高掺硅片或金属片进行键合后得到门极和阳极的组装结构；
(7)将步骤(4)中获得的阴极发射体结构和步骤(6)中获得的结构进行对准封装后获得电离真空计。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，底层高掺硅和顶层高掺硅为导电率小于0.004Ω·cm的高掺杂硅片，顶层高掺硅的厚度为2μm～200μm，底层高掺硅厚度为300μm～1000μm。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，在步骤(5)中，门极的内半径为1200μm～1300μm，线长度为480μm～520μm，线宽度为120μm～130μm。
4.如权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤(5)和步骤(6)中，高掺硅片为电导率小于0.004Ω·cm且厚度为1000μm～1500μm的硅片。
5.如权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤(6)中，金属片的厚度为100μm～500μm。
6.如权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤(6)中，键合的方式为热压键合。
7.一种基于权利要求1所述的制备方法获得的电离真空计，其特征在于，包括：依次设置的阳极、门极和发射体，
所述阳极和所述门极均为劈尖结构，所述发射体采用碳纳米管。
8.如权利要求7所述的电离真空计，其特征在于，所述劈尖结构的深宽比＞10∶1。
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