CN110775938A - 电容-悬臂梁式电场测量传感器件的制备工艺流程 - Google Patents

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Abstract

一种基于逆压电效应的电容‑悬臂梁式电场测量传感器件的制备工艺流程，包括硅晶片加工步骤、SOI晶片加工步骤、组合步骤，所述硅晶片加工步骤、SOI晶片加工步骤、组合步骤依次进行。其有益效果是：采用微加工技术制备传感器，实现传感器的小体积和低成本，有利于工业批量生产；制备流程保证了传感器的可靠性；制备过程将压电材料制备技术与硅微加工技术相结合，保证了工艺的兼容性；流程设计保证了工艺步骤的最简化和生产周期的最小化。

Description

电容-悬臂梁式电场测量传感器件的制备工艺流程
技术领域
本发明涉及半导体微加工工艺传感器加工领域，特别是一种电容-悬臂梁式微型电场测量传感器件的制备工艺流程。
背景技术
构建泛在能源物联网是目前能源领域发展的重要目标。为满足泛在能源物联网对于信息测量的需求，需要构建与之配套的无线传感网络。电压/电场测量是能源特别是电力行业重要的测量对象，通过对设备或网络电压/电场的监测和分析，可以为网络运行状况的监测提供有效支持，同时为设备故障预测与诊断提供帮助。
当前对电场传感器的需求包括：小体积、低成本，以便在广域范围内安装大量传感器，增加数据采集点的数量；频带宽、幅值高，以适应电网中不同电场环境；灵敏度高、分辨率高；稳定性高，以满足不同外界环境的电场测量。目前，集成化微型电场传感器主要原理包括基于光学原理的电场传感器、基于MEMS工艺的电场传感器、基于静电感应的电场传感器、基于逆压电效应的电场传感器等。其中，基于逆压电效应的电场传感器主要是应用压电材料在电场下会发生形变的机理，通过测量压电材料的微小形变来反推电场。压电材料具有温度稳定性高、工作频带宽等特点，同时近些年随着材料科学的发展，压电材料的压电系数不断提高，这也为基于逆压电效应的电场传感器件在电力系统以及能源物联网中的应用提供了理论支持。
现有生产工艺中，工艺步骤的最简化和生产周期的最小化问题亟待解决。
发明内容
本发明的目为：基于硅微加工工艺，利用硅晶片、SOI晶片等标准晶片，提供一种针对电容-悬臂梁式电场测量传感器件的加工方法，同时保证加工工艺的简洁性和稳定性。工艺所用材料包括标准硅晶片、标准SOI晶片，其中SOI晶片器件硅要求为高掺杂硅。所用工艺包括刻蚀、光刻、键合等微加工基本工艺。
为了实现上述发明目的，设计了一种电容-悬臂梁式微型电场传感器的生产工艺。具体设计方案为：
一种基于逆压电效应的电容-悬臂梁式电场测量传感器件的制备工艺流程，包括硅晶片加工步骤、SOI晶片加工步骤、组合步骤，所述硅晶片加工步骤、SOI晶片加工步骤、组合步骤依次进行，
所述硅晶片加工步骤为对硅晶片的加工步骤，包括刻蚀对准标记步骤、刻蚀空腔步骤、第一热氧化步骤、制备电容下电极步骤；
所述SOI晶片加工步骤为对SOI镜片的加工步骤；
所述组合工艺步骤包括焊料键合步骤、ICP刻蚀硅及氧化硅步骤、制备电容上电极步骤、制备压电材料步骤、极化压电材料步骤、暴露电容上电极步骤、激光切割制备悬臂梁步骤、打线步骤。
所述硅晶片加工步骤中，
刻蚀对准标记步骤中：利用光刻及ICP刻蚀技术在硅晶片表面刻蚀对准标记,所述对准标记用于光刻过程中套刻的对准，刻蚀深度在200-1000纳米；
刻蚀空腔步骤中：利用光刻及ICP刻蚀技术在硅晶片表面沿对准标记刻蚀加工形成空腔，空腔深度为1-10微米，边长为100-2000微米；
热氧化硅片步骤中：在1000℃温度下通氧气在硅晶片表面生长第一氧化硅层；
制备电容下电极步骤中：在硅晶片表面蒸发一层金属，再利用光刻胶剥离金属，完成下电极的制备，所述下电极厚度为400纳米。
所述SOI晶片加工步骤中，在1000℃温度下通氧气在SOI晶片表面生长第二氧化硅层。
所述组合步骤中，
焊料键合步骤中：在硅晶片和SOI晶片上利用蒸发金属和剥离的方式制备焊料键合区域，具体步骤为：焊料依次为铬、铂、金，将硅晶片顶面的第一氧化层和SOI晶片底面的第二氧化层对准后，进行键合；
ICP刻蚀硅及氧化硅步骤中：利用ICP刻蚀工艺从上向下刻蚀SOI晶片直至露出所述焊料键合区域；
制备电容上电极步骤中：在SOI晶片的顶面蒸发导电金属，再利用光刻胶剥离金属，制备上电极；
制备压电材料步骤中：在80℃温度下利用旋涂仪旋涂液态的压电材料或压电材料溶液，升温退火，形成压电层，所述压电材料优先采用薄膜状压电材料，包括旋涂法制备的聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物、溶胶凝胶法制备的锆钛酸铅(PZT)，所述压电材料溶液的溶剂优先包括DMF、NMP；
极化压电材料步骤中：在比压电材料熔点高10-20℃的温度下，在压电层两端加电压，所加电场大于所述压电材料的矫顽场，以PVDF为例，在90℃下在PVDF两端加约140MV/m的电场，极化约1h；
暴露电容上电极步骤中：利用光刻技术对压电层进行图形化刻蚀，暴露出上电极，暴露的上电极包括两处，一处位于所述硅晶片的一侧上方，另一处上电极位于所述空腔的上方；
激光切割制备悬臂梁步骤中：利用激光方法切硅晶片、压电层、SOI晶片，使所述空腔上方的SOI晶片与压电层、上电极形成悬臂梁，具体切割位置为所述空腔一侧的上方，切割后，一侧的压电层、SOI晶片、上电极搭载于所述硅晶片的一侧，所述悬臂梁的另一侧搭载于所述硅晶片的另一侧；
打线步骤中：从位于空腔上方的上电极、下电极引出金属线。
通过本发明的上述技术方案得到的电容-悬臂梁式微型电场传感器的生产工艺，其有益效果是：
采用微加工技术制备传感器，实现传感器的小体积和低成本，有利于工业批量生产；制备流程保证了传感器的可靠性；制备过程将压电材料制备技术与硅微加工技术相结合，保证了工艺的兼容性；流程设计保证了工艺步骤的最简化和生产周期的最小化。
附图说明
图1是利用本发明制作的电容-悬臂梁型电场测量传感器件的结构示意图
图2是本发明所述电容-悬臂梁式电场测量传感器件的工艺流程示意图；
图3是本发明所述电容-悬臂梁式电场测量传感器件的工艺步骤示意图；
图4是本发明所述硅晶片刻对准标记后的结构示意图；
图5是本发明所述硅晶片刻蚀空腔后的结构示意图；
图6是本发明所述硅晶片热氧化后的结构示意图；
图7是本发明所述硅晶片镜片蒸镀金属电极后的结构示意图；
图8是本发明所述SOI镜片热氧化后的结构示意图；
图9是本发明所述硅晶片与SOI镜片对接后的结构示意图；
图10是本发明所述SOI镜片刻蚀后的结构示意图；
图11是本发明所述SOI镜片蒸镀金属电机后的结构示意图；
图12是本发明所述SOI镜片制备压电材料后的结构示意图；
图13是本发明所述压电层极化时的结构示意图；
图14是本发明所述压电层刻蚀暴露上电极后的结构示意图；
图15是本发明所述激光切割后形成悬臂的结构示意图；
图16是本发明所述打线后的结构示意图；
图中，1、硅晶片；2、对准标记；3、空腔；4、第一氧化层；5、下电极；6、SOI晶片；7、第二氧化层；8、焊料键合区域；9、上电极；10、压电层；11、悬臂梁。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述。
一种基于逆压电效应的电容-悬臂梁式电场测量传感器件的制备工艺流程，包括硅晶片加工步骤、SOI晶片加工步骤、组合步骤，所述硅晶片加工步骤、SOI晶片加工步骤、组合步骤依次进行，其特征在于：
所述硅晶片加工步骤为对硅晶片1的加工步骤，包括刻蚀对准标记步骤、刻蚀空腔步骤、第一热氧化步骤、制备电容下电极步骤；
所述SOI晶片加工步骤为对SOI镜片6的加工步骤；
所述组合工艺步骤包括焊料键合步骤、ICP刻蚀硅及氧化硅步骤、制备电容上电极步骤、制备压电材料步骤、极化压电材料步骤、暴露电容上电极步骤、激光切割制备悬臂梁步骤、打线步骤。
根据权利要求1中所述的基于逆压电效应的电容-悬臂梁式电场测量传感器件的制备工艺流程，其特征在于，所述硅晶片加工步骤中，
刻蚀对准标记步骤中：利用光刻及ICP刻蚀技术在硅晶片1表面刻蚀对准标记2,所述对准标记用于光刻过程中套刻的对准，刻蚀深度在200-1000纳米；
刻蚀空腔步骤中：利用光刻及ICP刻蚀技术在硅晶片1表面沿对准标记2刻蚀加工形成空腔3；
热氧化硅片步骤中：在1000℃温度下通氧气在硅晶片1表面生长第一氧化硅层4；
制备电容下电极步骤中：在硅晶片1表面蒸发一层金属，再利用光刻胶剥离金属，完成下电极5的制备，所述下电极厚度为400纳米。
所述SOI晶片加工步骤中，在1000℃温度下通氧气在SOI晶片6表面生长第二氧化硅层7。
所述组合步骤中，
焊料键合步骤中：在硅晶片1和SOI晶片6上利用蒸发金属和剥离的方式制备焊料键合区域8，具体步骤为：焊料依次为铬、铂、金，将硅晶片1顶面的第一氧化层4和SOI晶片6底面的第二氧化层7对准后，进行键合；
ICP刻蚀硅及氧化硅步骤中：利用ICP刻蚀工艺从上向下刻蚀SOI晶片6直至露出所述焊料键合区域8；
制备电容上电极步骤中：在SOI晶片6的顶面蒸发导电金属，再利用光刻胶剥离金属，制备上电极9；
制备压电材料步骤中：在80℃温度下利用旋涂仪旋涂液态的压电材料或压电材料溶液，并放置在烘箱中蒸发约24h，再将温度升至130℃，升温退火，形成压电层10，所述压电材料优先采用薄膜状压电材料，包括旋涂法制备的聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物、溶胶凝胶法制备的锆钛酸铅(PZT)，所述压电材料溶液的溶剂优先包括DMF、NMP；
极化压电材料步骤中：在比压电材料熔点高10-20℃的温度下，在压电层两端加电压，所加电场大于所述压电材料的矫顽场，以PVDF为例，在90℃下在PVDF两端加约140MV/m的电场，极化约1h；
暴露电容上电极步骤中：利用光刻技术对压电层10进行图形化刻蚀，暴露出上电极9，暴露的上电极9包括两处，一处位于所述硅晶片1的一侧上方，另一处上电极9位于所述空腔3的上方；
激光切割制备悬臂梁步骤中：利用激光方法切硅晶片1、压电层10、SOI晶片6，使所述空腔3上方的SOI晶片6与压电层10、上电极9形成悬臂梁11，具体切割位置为所述空腔3一侧的上方，切割后，一侧的压电层10、SOI晶片6、上电极9搭载于所述硅晶片1的一侧，所述悬臂梁11的另一侧搭载于所述硅晶片1的另一侧；
打线步骤中：从位于空腔3上方的上电极9、下电极5引出金属线
实施例1
硅晶片1刻蚀对准标记2。首先清洗硅硅晶1片，硅晶片1选用两面抛光的晶片，厚度约300微米-500微米。利用光刻技术形成光刻胶掩膜，再利用ICP刻蚀技术在硅晶片1表面刻蚀对准标记2并清洗，以方便后续工艺的对准。该步骤掩膜版全镜像对称，硅晶片1正反面均要刻蚀对准标记，刻蚀深度为300纳米。
刻蚀空腔3。利用光刻技术形成光刻胶掩膜，再利用ICP刻蚀技术在硅晶片表面刻蚀一定深度的空腔3，空腔3形状为方形，空腔3深度为4微米。将刻蚀好的硅晶片1进行清洗，由于下一步为热氧化，此步骤清洗一定要彻底。
在高温下通氧气在硅晶片1表面生长一层第一氧化层4，以防止器件导通，所述第一氧化层4厚度为200纳米。
利用光刻技术在硅晶片1正面制备光刻胶掩膜，注意光刻胶要使用负胶，同时光刻完之后不需要坚膜。之后在硅晶片1表面蒸发一层金属铝，使用丙酮剥离金属，使剩余金属只存在于空腔底部形成下电极5。为方便打线，所述下电极度为400纳米。
实施例2
热氧化SOI晶片6。选用器件硅为高掺杂硅的SOI晶片6，器件硅厚度在20微米，此厚度即为加工器件半导体薄膜厚度。对SOI晶片6进行彻底清洗，在1000温下通氧气在SOI晶片6表面生长第二氧化层7，第二氧化层7，厚度为200纳米。此步骤可与热氧化硅晶片同时操作。
实施例3
在实施例1、实施例2的基础上：
在得到的硅晶片1和SOI晶片6的键合面(硅晶片1的刻槽面，SOI晶片6的器件硅面)利用光刻技术制备光刻胶掩膜，之后依次蒸发金属铬50nm、铂100nm、金300nm，利用丙酮剥离金属，得到方形的焊料键合区域，键合区域边长至少为1000微米。利用对准标记将两晶片对准，进行键合。
利用ICP刻蚀工艺依次刻蚀SOI晶片6的全部体硅(也可以用TMAH等腐蚀液腐蚀体硅)以及第二氧化层7。
在硅片表面利用光刻技术制备光刻胶掩膜，再蒸发金属铝，厚度约400纳米。剥离金属，制备所需电极打线区域图案，此电极也会用于后续压电材料的极化中。
制备压电材料。压电材料选用PVDF，制备压电材料时，首先配置一定浓度的PVDF溶液，溶剂可以选用DMF、NMP等，在80℃温度下利用旋涂仪旋涂一定量的PVDF溶液，旋涂转速、溶液浓度与想要制备的压电材料厚度有关，压电材料厚度选取40微米，旋涂完成后放置在真空干燥箱中在80℃下蒸发约24h，使溶剂充分蒸发，再将温度升至130℃，升温退火，保证键合强度，同时消除薄膜内残余应力。
在高温下，在PVDF两端加电压，所加电场至少要超过材料的矫顽场，在90℃下在PVDF两端加约140MV/m的电场，极化约1小时。
利用光刻技术将压电材料进行图形化刻蚀，暴露出电容金属上电极打线区域。
实施例4
在实施例3的基础上，
对加工后的晶片进行划片，得到一系列传感单元。对每个传感单元，利用激光方法切割硅和压电材料，将硅膜和压电材料薄膜制成可以自由振动的悬臂梁形状，注意控制激光功率，避免损伤空腔金属电极。
最后从金属打线区域引出金属线至电路板。
本发明的加工工艺制成的传感器具有微型化、低成本、高灵敏度、高测量范围等优点，适用于电力系统及物联网中电压/电场的测量需求。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于逆压电效应的电容-悬臂梁式电场测量传感器件的制备工艺流程，包括硅晶片加工步骤、SOI晶片加工步骤、组合步骤，所述硅晶片加工步骤、SOI晶片加工步骤、组合步骤依次进行，其特征在于：
所述硅晶片加工步骤为对硅晶片(1)的加工步骤，包括刻蚀对准标记步骤、刻蚀空腔步骤、第一热氧化步骤、制备电容下电极步骤；
所述SOI晶片加工步骤为对SOI镜片(6)的加工步骤；
所述组合工艺步骤包括焊料键合步骤、ICP刻蚀硅及氧化硅步骤、制备电容上电极步骤、制备压电材料步骤、极化压电材料步骤、暴露电容上电极步骤、激光切割制备悬臂梁步骤、打线步骤。
2.根据权利要求1中所述的基于逆压电效应的电容-悬臂梁式电场测量传感器件的制备工艺流程，其特征在于，所述硅晶片加工步骤中，
刻蚀对准标记步骤中：利用光刻及ICP刻蚀技术在硅晶片(1)表面刻蚀对准标记(2)；
刻蚀空腔步骤中：利用光刻及ICP刻蚀技术在硅晶片(1)表面基于对准标记(2)刻蚀加工形成空腔(3)；
热氧化硅片步骤中：在1000℃温度下通氧气在硅晶片(1)表面生长第一氧化硅层(4)；
制备电容下电极步骤中：在硅晶片(1)表面蒸发一层金属，再利用光刻胶剥离金属，完成下电极(5)的制备，。
3.根据权利要求1中所述的基于逆压电效应的电容-悬臂梁式电场测量传感器件的制备工艺流程，其特征在于，所述SOI晶片加工步骤中，在1000℃温度下通氧气在SOI晶片(6)表面生长第二氧化硅层(7)。
4.根据权利要求2中所述的基于逆压电效应的电容-悬臂梁式电场测量传感器件的制备工艺流程，其特征在于，所述组合步骤中，
焊料键合步骤中：在硅晶片(1)和SOI晶片(6)上利用蒸发金属和剥离的方式制备焊料键合区域(8)；
ICP刻蚀硅及氧化硅步骤中：利用ICP刻蚀工艺从上向下刻蚀SOI晶片(6)直至露出所述焊料键合区域(8)；
制备电容上电极步骤中：在SOI晶片(6)的顶面蒸发导电金属，再利用光刻胶剥离金属，制备上电极(9)；
制备压电材料步骤中：在80℃温度下利用旋涂仪旋涂液态的压电材料或压电材料溶液，升温退火，形成压电层(10)；
极化压电材料步骤中：在比压电材料熔点高10-20℃的温度下，在压电层两端加电压，所加电场大于所述压电材料的矫顽场，极化约1h；
暴露电容上电极步骤中：利用光刻技术对压电层(10)进行图形化刻蚀，暴露出上电极(9)；
激光切割制备悬臂梁步骤中：利用激光方法切硅晶片(1)、压电层(10)、SOI晶片(6)，使所述空腔(3)上方的SOI晶片(6)与压电层(10)、上电极(9)形成悬臂梁(11)；
打线步骤中：从上电极(9)、下电极(5)引出金属线。
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