CN112573477B - 基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件的制备工艺流程 - Google Patents

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Abstract

一种基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件的制备工艺流程，基于SOI晶片进行制备，包括以下步骤：刻蚀对准标记、离子注入及激活、湿法腐蚀体硅、释放欧姆接触区及薄膜表面、制备金属电极、体硅释放、埋氧层释放、器件硅释放、切割装配、封装。其有益效果是：设计针对基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件的制备工艺流程，实现了传感器件的批量大规模生产，降低传感器件成本，同时保证了传感器的可靠性。工艺的优化保证了工艺步骤的最简化和生产周期的最小化。

Description

基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件的制备工艺流程
技术领域
本发明涉及传感器微加工领域，特别是一种基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件的制备工艺流程。
背景技术
近些年来，泛在电力物联网成为了能源工业发展的新态势。泛在电力物联网通过构建与电力网络相配套的信息网络，实现对电力网络的状态监测和信息感知。利用先进传感节点，获取电网及设备信息，可以有效实现网络及设备故障预测与故障诊断。
电场测量是电力网络信息感知环节中重要的一环，通过电场测量可以对电网电压进行反推，以实现电压的非接触式测量，从而实现电网信息的实时监测。同时，电场测量还可以用于近电警告、气象监测、雷电预警等应用中。近些年，微型电场传感器件被广泛研究，研究团队提出了基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件。
本发明针对基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件进行工艺设计。该静电压阻式电场传感器的结构，包括硅薄膜、金属薄膜、硅弹簧、金属电极、压阻区域、绝缘层、衬底。
该传感结构相对复杂，涉及薄膜释放、压阻材料与薄膜耦合等问题，在小尺寸、高精度、高可靠性性能的要求下，需要对关键步骤进行特殊设计，以满足微加工工艺需求。
发明内容
本发明的目的是：提供一种基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件的加工方法，即采用微加工工艺，利用绝缘体上硅晶片即SOI晶片为材料，提供一种工艺可靠、加工周期短的基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件的加工工艺流程。
为了实现上述发明目的，设计了一种基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件的生产工艺。具体设计方案为：
一种基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件的制备工艺流程，其特征在于，采用SOI晶片进行加工，包括以下步骤：刻蚀对准标记、离子注入及激活、湿法腐蚀体硅、释放欧姆接触区及薄膜表面、制备金属电极、体硅释放、埋氧层释放、器件硅释放、切割装配、封装。
刻蚀对准标记步骤中：利用光刻技术及ICP刻蚀技术在SOI表面刻蚀对准标记；
离子注入及激活步骤中：首先在器件硅表面制备一层保护层，再选定合适的掺杂能量及掺杂剂量，使掺杂离子轰击器件硅实现半导体硅薄膜图形化的压阻部分掺杂，形成欧姆接触区，然后经过高温退火以激活离子掺杂区，同时在体硅表面形成一层氧化硅；
湿法腐蚀体硅步骤中：以图形化的氧化硅作为硬掩模，湿法腐蚀体硅，体硅厚度保留30±1um；
释放欧姆接触区及薄膜表面步骤中：刻蚀器件硅表面的保护层，暴露出压阻掺杂欧姆接触区域以及自由振动薄膜区域；
制备金属电极步骤中：在器件硅表面蒸镀一层金属，并利用光刻和腐蚀或剥离技术图形化金属电极；
体硅释放步骤中：利用干法腐蚀的方法将剩余体硅去除；
埋氧层释放步骤中：利用ICP刻蚀技术将薄膜对应部分的埋氧层去除；
器件硅释放步骤中：利用刻蚀方法图形化释放器件硅，释放出硅弹簧，使薄膜可以自由振动；
切割装配步骤中：利用激光切割方式将晶圆切割成小片，并进行装配；
封装步骤中：将制备得到的传感器件进行打线封装。
附图说明
图1是本发明所述基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件的制备工艺的流程图；
图2是本发明所述基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件的制备工艺的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述。
如图1－2所示，一种基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件的制备工艺流程，采用SOI晶片进行加工，包括以下步骤：刻蚀对准标记、离子注入及激活、湿法腐蚀体硅、释放欧姆接触区及薄膜表面、制备金属电极、体硅释放、埋氧层释放、器件硅释放、切割装配、封装。
SOI是一种特殊的硅晶片，其特点在于内部注入了一层氧化硅层，SOI自上而下呈现硅－氧化硅－硅的三层式结构，依次称为器件层、埋氧层、体硅层。在进行加工时，对选用的SOI有以下要求：器件层掺杂浓度较低，器件层厚度小于20um，埋氧层厚度小于1um以防止热氧时炸裂。
刻蚀对准标记步骤中：利用光刻技术在SOI器件层表面图形化光刻胶掩膜，利用ICP刻蚀技术在SOI表面刻蚀约300nm深的对准标记；
离子注入及激活步骤中：首先通过热氧化的方式，在器件硅表面制备一层氧化硅保护层，防止在离子注入时破坏晶格，氧化硅厚度大约20nm。在一定温度及气氛环境下，选定合适的掺杂能量及掺杂剂量，使掺杂离子轰击器件硅表面实现半导体硅薄膜图形化的压阻部分掺杂。然后在氧化炉中经过高温退火以激活离子掺杂区，同时在晶圆表面形成一层400nm的氧化硅，作为金属电极与硅之间的绝缘层；
湿法腐蚀体硅步骤中：首先利用光刻和ICP刻蚀的方法，在SOI背面图形化氧化硅，暴露出需要腐蚀的体硅。以图形化的氧化硅作为硬掩模，利用KOH或TMAH进行湿法腐蚀体硅，为方便表面的后续工艺，此处保留一部分体硅，体硅厚度保留约30um；
释放欧姆接触区及薄膜表面步骤中：利用ICP刻蚀的方法刻蚀器件硅表面的氧化硅，暴露出压阻掺杂欧姆接触区域以及自由振动薄膜区域；
制备金属电极步骤中：在器件硅表面蒸镀一层金属，如金属铝，利用光刻的方式进行图形化，利用腐蚀或剥离技术图形化金属电极；
体硅释放步骤中：利用XeF2气体干法腐蚀的方法将剩余体硅去除，暴露出埋氧层；
埋氧层释放步骤中：利用ICP刻蚀技术将薄膜对应部分的埋氧层去除；
器件硅释放步骤中：利用光刻和ICP刻蚀的方法，图形化释放器件硅，释放出硅弹簧结构，使薄膜可以自由振动；
切割装配步骤中：利用激光切割方式将晶圆切割成小片，并进行装配；
封装步骤中：将制备得到的传感器件进行打线封装，封装工艺要保证薄膜的自由振动。
本发明的加工工艺流程实现了一种基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件的制备工艺流程，同时经过特殊设计，实现了加工工艺的高可靠性设计和最简化，制备得到的传感器件可以在多种环境下进行测试。
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 (7)

1.一种基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件的制备工艺流程，采用SOI晶片进行加工，所述SOI晶片包括器件硅层、埋氧层和体硅层，其特征在于，包括以下步骤：
离子注入及激活：首先在器件硅表面制备一层保护层，再选定合适的掺杂能量及掺杂剂量，使掺杂离子轰击器件硅实现半导体硅薄膜图形化的压阻部分掺杂，形成欧姆接触区，然后经过高温退火以激活离子掺杂区，同时在体硅表面形成一层氧化硅；
湿法腐蚀体硅：以图形化的氧化硅作为硬掩模，湿法腐蚀体硅，体硅保留一定的厚度；
释放欧姆接触区及薄膜表面：刻蚀器件硅表面的保护层，暴露出压阻掺杂欧姆接触区域以及自由振动薄膜区域；
制备金属电极：在器件硅表面蒸镀一层金属，先利用光刻技术再利用腐蚀或剥离技术图形化金属电极；
体硅释放：利用干法腐蚀的方法将剩余体硅去除；
埋氧层释放：利用ICP刻蚀技术将薄膜对应部分的埋氧层去除；
器件硅释放：利用刻蚀方法图形化释放器件硅，释放出硅弹簧，使薄膜可以自由振动。
2.根据权利要求1所述的一种基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件的制备工艺流程，其特征在于，所述离子注入及激活步骤之前还包括刻蚀对准标记步骤，其中，利用光刻技术及ICP刻蚀技术在SOI表面刻蚀对准标记。
3.根据权利要求1所述的一种基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件的制备工艺流程，其特征在于，所述器件硅释放步骤后还包括切割装配和封装步骤，
所述切割装配：利用激光切割方式将晶圆切割成小片，并进行装配，得到传感器件；
所述封装：将制备得到的传感器件进行打线封装。
4.根据权利要求1所述的一种基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件的制备工艺流程，其特征在于，所述保护层为在器件硅表面通过热氧化的方式形成的一层氧化硅保护层。
5.根据权利要求1所述的一种基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件的制备工艺流程，其特征在于，所述体硅保留厚度为30±1um。
6.根据权利要求1所述的一种基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件的制备工艺流程，其特征在于，所述湿法腐蚀体硅步骤的湿法腐蚀采用KOH或TMAH。
7.根据权利要求1所述的一种基于静电力和压阻效应的微型电场传感器件的制备工艺流程，其特征在于，所述体硅释放步骤的干法腐蚀采用XeF2气体。
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