CN111693906A - 硅基腔光机械系统洛伦兹力磁场传感器加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基腔光机械系统洛伦兹力磁场传感器加工方法，包括以下步骤S1、准备SOI衬底；S2、在SOI衬底表面蒸镀一层绝缘介质层，在绝缘介质层上蒸镀一层金属薄膜形成洛伦兹线圈结构；S3、通过图形化处理和等离子体增强蚀刻工艺在SOI衬底上蚀刻出大质量块、固定块、悬臂梁以及周期排列的腐蚀孔；S4、采用电子束曝光刻蚀技术，刻蚀出光子晶体结构；S5、采用HF气体腐蚀大质量块、固定块以及光子晶体区域下方SOI衬底埋氧层。本发明采用了新型的金属氧化物和氟化物作为介质层，并使用HF干法释放工艺，解决了传统介质层无法耐受HF溶液的问题，极大的缩短了工艺时间，且不存在局部F离子浓度不均匀的状况，刻蚀更加均匀。

Description

硅基腔光机械系统洛伦兹力磁场传感器加工方法
技术领域
本发明属于微纳加工技术领域，特别涉及一种硅基腔光机械系统洛伦兹力磁场传感器加工方法。
背景技术
地球周围存在地磁场，人体会产生微弱的磁场，通过对这些磁场的高精度探测可以解决生活生产中的许多问题，因此，高精度磁场传感器在军事、医疗、工业与生活中具有广泛的应用。在军事和生产领域，高精度磁场传感器主要用于高精度探测、导航及定位。
现存的高灵敏度磁场探测器类型主要有光泵磁力仪(OPM)、磁通门磁力仪(Fluxgate Magnetometers)、巨磁阻抗(GMI)磁力计、MEMS洛伦兹力磁力计、超导量子干涉仪(SQUID)磁力计、原子磁强计(AM)、腔体光机械磁力计、金刚石中氮空位(NV)中心的磁力测量等。这些磁场传感器在探测灵敏度、工作带宽、空间分辨率以及成本等方面均有各自优缺点。传统的MEMS磁场探测器中存在诸如加工工艺复杂、制作成本高、成品率低、可靠性差、难于与现行的CMOS电路集成等技术问题。
与此同时，洛伦兹力磁场传感器芯片的加工过程中，往往涉及到使用氟化氢或BOE溶液对氧化层的释放。但氟化氢具有极强的腐蚀性，在实施这一工艺的过程中，氟化氢会腐蚀介质层导致洛伦兹力磁场传感器结构失效。具体表现为：金属层下方的介质层出现崩塌或溶解，导致金属层脱落，严重影响磁场传感器芯片的性能。
因此，有必要设计一种新型的洛伦兹力磁场传感器结构，并探索其加工工艺以有效解决传统洛伦兹力磁场传感器芯片中存在的加工工艺复杂、制作成本高、成品率低、可靠性差、难于与现行的CMOS电路集成等技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的洛伦兹力磁场传感器存在的诸如工工艺复杂、制作成本高、成品率低、可靠性差、难于与现行的CMOS电路集成等技术问题，提供一种采用了新型的金属氧化物和氟化物作为介质层，并使用HF干法释放工艺，解决了传统介质层无法耐受HF溶液的问题，极大的缩短了工艺时间，且不存在局部F离子浓度不均匀的状况，刻蚀更加均匀的硅基腔光机械系统洛伦兹力磁场传感器加工方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种硅基腔光机械系统洛伦兹力磁场传感器加工方法，包括以下步骤：
S1、准备SOI衬底；
S2、在SOI衬底表面蒸镀一层绝缘介质层，在绝缘介质层上蒸镀一层金属薄膜形成洛伦兹线圈结构，将洛伦兹线圈结构的两端分别连接到最外侧的金属盘上；
S3、在SOI衬底顶层上旋涂一层正性光刻胶，通过图形化处理和等离子体增强蚀刻工艺在SOI衬底上蚀刻出大质量块、固定块、悬臂梁以及周期排列的腐蚀孔；
S4、采用电子束曝光刻蚀技术，刻蚀出光子晶体结构；
S5、采用HF气体腐蚀大质量块、固定块以及光子晶体区域下方SOI衬底的埋氧层，形成基于光子晶体结构的洛伦兹力磁场传感器结构。
进一步地，所述SOI衬底为P100单晶硅，其厚度为200-500nm，优选为280nm。
进一步地，所述绝缘介质层为氧化镁、氟化钙、氟化镧、氧化锌、氧化铪、氟化铪中的一种或几种，厚度为10-50nm。所述金属薄膜为铬、铝、金、镍中的一种或几种。所述埋氧层厚度为1-5um，优选为3um。
进一步地，所述等离子体增强蚀刻工艺进行之前，需对材料利用HF溶液漂洗，漂洗时间为10-50s。
进一步地，HF气体为HF与H2O的混合物，HF与H2O的比例为3：7-1：9。
进一步地，所述步骤S5中，腐蚀的参考点为：当腐蚀到埋氧层侧向侵蚀深度为小于6微米时，停止腐蚀。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于光子晶体结构腔光机械系统的洛伦兹力磁场传感器芯片的加工方法，在加工过程中，本发明采用了新型的金属氧化物和氟化物作为介质层，并使用HF干法释放工艺，解决了传统介质层无法耐受HF溶液的问题，极大的缩短了工艺时间，且不存在局部F离子浓度不均匀的状况，刻蚀更加均匀；同时避免了顶层硅结构在释放后和底部硅粘连的问题，很好地解决了加工过程中介质层崩塌或溶解的问题。制备出的硅基腔光机械系统洛伦兹力磁场传感器具有更高的磁场探测灵敏度及分辨率性能。
附图说明
图1为本发明的硅基腔光机械系统洛伦兹力磁场传感器的结构示意图；
图2为本实施例加工工艺的流程示意图；
附图标记说明：1-金属盘，2-光子晶体谐振腔，3-第一条内金属线，4-大质量块，5-固定块，6-第三内金属线，7-第二内金属线，8-外围连接金属线。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明的一种硅基腔光机械系统洛伦兹力磁场传感器，包括位于SOI衬底上的两块固定块5和一块大质量块4，以及多个等间隔线性排列的金属盘1；
所述大质量块4位于两块固定块5之间，三者呈“工”字型结构；且固定块5与大质量块4之间存在空气槽缝隙；固定块5和大质量块4上均设置有呈周期排列的腐蚀孔；
大质量块4的每个顶角分别设置有一个与固定块5平行的悬臂梁，通过四条悬臂梁将大质量块悬挂在SOI基片的功能层上；
所述固定块5与大质量块4之间设置有光子晶体结构，光子晶体结构位于固定块与大质量块靠近的中间部分；光子晶体结构包括两块并列排列的光子晶体，两块光子晶体之间存在缝隙，且每块光子晶体的光子晶体孔之间呈正六边形蜂窝状排布；以及设置在光子晶体结构的中间部分的类圆形的光子晶体谐振腔2；
所述大质量块4上设置有多条平行于固定块方向的第一内金属线3，多条第一内金属线3之间等间隔排列，且第一条内金属线3的分布位置不包括大质量块4的上下边沿位置；大质量块4上还设置有两条垂直于固定块方向的第二内金属线7，第二内金属线7设置在大质量块4的边缘处，两条第二内金属线7分别与第一内金属线3的两端相连接；每个悬臂梁上分别设有一条第三内金属线6，第三内金属线6的一端分别与相邻的第二内金属线7的端口相连；
同一侧的两条第三内金属线6的另一端通过外围连接金属线8进行并联，外围连接金属线8分别与最外侧的两个金属盘1相连接。
本发明的硅基腔光机械系统洛伦兹力磁场传感器加工方法，包括以下步骤：
S1、准备SOI衬底；所述SOI衬底为P100单晶硅，其厚度为200-500nm，优选为280nm。
S2、在SOI衬底表面蒸镀一层绝缘介质层，在绝缘介质层上蒸镀一层金属薄膜形成洛伦兹线圈结构，将洛伦兹线圈结构的两端分别连接到最外侧的金属盘上；
所述绝缘介质层为氧化镁、氟化钙、氟化镧、氧化锌、氧化铪、氟化铪中的一种或几种，厚度为10-50nm，优选为20nm。
所述金属薄膜为铬、铝、金、镍中的一种或几种，在大气环境下测试优选金，在真空低温环境下测试优选铝。
S3、在SOI衬底顶层(金属层并未全部覆盖SOI衬底，这里的顶层是指未被金属层股改的SOI衬底表面及金属层表面)上旋涂一层正性光刻胶，通过图形化处理和等离子体增强蚀刻工艺在SOI衬底上蚀刻出大质量块、固定块、悬臂梁以及周期排列的腐蚀孔；
S4、采用电子束曝光刻蚀技术，刻蚀出光子晶体结构；在大质量块、固定块表面旋涂一层电子束光刻胶，通过电子束光刻和等离子体增强刻蚀形成两排并列排布的光子晶体；电子束刻蚀得到的缝隙与ICP刻蚀工艺的缝隙相互连接，使悬臂梁结构部分与固定块部分完全分离。
S5、采用HF气体腐蚀大质量块、固定块以及光子晶体区域下方SOI衬底的埋氧层(埋氧层为SOI衬底自带的结构)，形成基于光子晶体结构的洛伦兹力磁场传感器结构。
所述HF气体为HF与H2O的混合物，HF与H2O的比例为3：7-1：9。
所述埋氧层厚度为1-5um，优选为3um。
腐蚀的参考点为：当腐蚀到埋氧层侧向侵蚀深度为小于6微米时，停止腐蚀。
进一步地，所述图形化的方法为剥离工艺或刻蚀工艺，优选为剥离工艺。
进一步地，所述等离子体增强蚀刻工艺进行之前，需对材料利用HF溶液漂洗，漂洗时间为10-50s，优选为30s；
为使本发明的目的、加工方案和优点更加清楚，下面结合具体实施方案对本发明作进一步地详细描述。
1、4英寸SOI基片经过标准RCA流程清洗，如图2(a)所示；
2、在SOI表面旋涂双层光刻胶，光刻胶的型号为：LOR10A和S1805，厚度为0.8um/1.2um；
3、匀有光刻胶的晶圆进行曝光显影(曝光机台为Nikon stepper i12)；得到的材料如图2(b)所示；
4、显影过的晶圆经去离子水冲洗，氮气吹干，并使用氧等离子体去除线条底部残留的光刻胶；
5、使用物理沉积法分两次蒸镀氧化镁\铬\金(35nm\25nm\200nm)(氧化镁为绝缘层)，得到的材料如图2(c)所示；
6、通过Lift-off工艺得到图形化的电极和导线，如图2(d)所示；
7、同2、匀第二次胶，如图2(e)所示；
8、使用ICP刻蚀工艺刻出光子晶体的腐蚀孔和悬梁，，如图2(f)所示；
9、旋涂一层电子束光刻胶，厚度400nm，型号为：PMMA A4，如图2(g)所示；
10、经电子束光刻机曝光、显影得到光子晶体的圆阵列；
11、同8、刻蚀出光子晶体的圆阵列孔，如图2(h)所示；
12、RCA清洗晶圆；
13、使用HF气体刻蚀机，释放SOI的氧化硅层，得到光子晶体结构和洛伦兹力磁场传感器结构，如图2(i)所示。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.硅基腔光机械系统洛伦兹力磁场传感器加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备SOI衬底；
S2、在SOI衬底表面蒸镀一层绝缘介质层，在绝缘介质层上蒸镀一层金属薄膜形成洛伦兹线圈结构，将洛伦兹线圈结构的两端分别连接到最外侧的金属盘上；
S3、在SOI衬底顶层上旋涂一层正性光刻胶，通过图形化处理和等离子体增强蚀刻工艺在SOI衬底上蚀刻出大质量块、固定块、悬臂梁以及周期排列的腐蚀孔；
S4、采用电子束曝光刻蚀技术，刻蚀出光子晶体结构；
S5、采用HF气体腐蚀大质量块、固定块以及光子晶体区域下方SOI衬底的埋氧层，形成基于光子晶体结构的洛伦兹力磁场传感器结构。
2.根据权利要求1所述的硅基腔光机械系统洛伦兹力磁场传感器加工方法，其特征在于，所述SOI衬底为P100单晶硅，其厚度为200-500nm，优选为280nm。
3.根据权利要求1所述的硅基腔光机械系统洛伦兹力磁场传感器加工方法，其特征在于，所述绝缘介质层为氧化镁、氟化钙、氟化镧、氧化锌、氧化铪、氟化铪中的一种或几种，厚度为10-50nm。
4.根据权利要求1所述的硅基腔光机械系统洛伦兹力磁场传感器加工方法，其特征在于，所述金属薄膜为铬、铝、金、镍中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的硅基腔光机械系统洛伦兹力磁场传感器加工方法，其特征在于，所述埋氧层厚度为1-5um。
6.根据权利要求1所述的硅基腔光机械系统洛伦兹力磁场传感器加工方法，其特征在于，所述等离子体增强蚀刻工艺进行之前，需对材料利用HF溶液漂洗，漂洗时间为10-50s。
7.根据权利要求1所述的硅基腔光机械系统洛伦兹力磁场传感器加工方法，其特征在于，所述步骤S5中，HF气体为HF与H2O的混合物，HF与H2O的比例为3：7-1：9。
8.根据权利要求1所述的硅基腔光机械系统洛伦兹力磁场传感器加工方法，其特征在于，所述步骤S5中，腐蚀的参考点为：当腐蚀到埋氧层侧向侵蚀深度为小于6微米时，停止腐蚀。
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