CN115321474A - 一种基于soi硅片的硅纳米线陀螺仪的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于SOI硅片的硅纳米线陀螺仪的制备方法，选取SOI硅片，在其顶层硅表面制备氮化硅薄膜，形成介质掩膜层；在介质掩膜层形成三个三角形图案，并刻蚀图案处的氮化硅形成三个三角形窗口；之后对三角形窗口处的硅进行干法刻蚀，制得三个深度一致的竖直三角形槽；刻蚀竖直三角形槽下的氧化层，接着再刻蚀底层硅；对竖直三角形槽进行各向异性湿法腐蚀，形成六边形腐蚀槽，且相邻的六边形腐蚀槽之间形成单晶硅薄壁结构，三个六边形腐蚀槽中间出现两个相对的锥体结构；100晶向的底层硅出现腐蚀槽将顶层硅上的相连的锥体结构释放构成质量块，得到氮化硅薄膜和三根硅纳米线共同支撑质量块。本发明的硅纳米线陀螺仪的灵敏度更高。
Description
技术领域
本发明属于MEMS技术领域，具体涉及一种基于SOI硅片的硅纳米线陀螺仪的制备方法。
背景技术
微机电系统(micro-electrical mechanical system,MEMS)也称微电子机械系统或微系统，是利用微机械加工技术和集成电路制造技术将微结构、微传感器、微执行器、控制处理电路等集成在一起的微型系统。基于微机电系统加工制造的MEMS陀螺仪，由于具有体积小、成本低、集成性好等诸多优点，因此，已经广泛应用在消费电子、医疗、汽车等重要领域。
现有的陀螺仪大多采用硅压敏电阻进行检测，由于硅压敏电阻应变系数较小，随着传感器尺寸的变小，传统掺杂工艺的硅压敏电阻已经不能满足现代高灵敏度测试的要求。
硅纳米线是一种新型的一维纳米材料，外界环境的微妙变化能够引起材料本身性质的剧烈变化，例如，公开号为CN104071745A的专利文献公开的一种具有密贴悬空栅极的硅纳米线场效应管的制备方法。基于此，有必要开发一种新型陀螺仪。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种基于SOI硅片的硅纳米线陀螺仪的制备方法。该结构的陀螺仪用硅纳米线代替传统压敏电阻作为陀螺仪的检测方式，具有更高的灵敏度，以解决现有的问题。
为了实现以上发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于SOI硅片的硅纳米线陀螺仪的制备方法，包括以下步骤：
S1、选取一块(111)型SOI硅片，在其顶层硅表面制备一层氮化硅薄膜，形成介质掩膜层；
S2、通过光刻工艺在介质掩膜层中形成三个三角形图案，同时进行RIE工艺，刻蚀图案处的氮化硅，形成三个三角形窗口；之后对三角形窗口处的硅进行干法刻蚀，一直刻蚀到SOI硅片的氧化层，制得三个深度一致的竖直三角形槽；
S3、采用干法刻蚀刻蚀竖直三角形槽下的氧化层，接着再刻蚀底层硅，之后去除光刻胶；
S4、对竖直三角形槽进行各向异性湿法腐蚀，形成每个侧壁均属于{111}晶面族的六边形腐蚀槽，且相邻的六边形腐蚀槽之间形成单晶硅薄壁结构，三个六边形腐蚀槽中间出现两个相对的锥体结构；同时，100晶向的底层硅出现腐蚀槽将顶层硅上相连的两个锥体结构释放，以构成质量块；
S5、基于自限制热氧化工艺对硅片热氧化，单晶硅纳米墙壁的顶部中央位置形成单晶硅纳米线；
S6、在硅片的适当位置刻蚀氮化硅薄膜形成方形窗口，对方形窗口硼离子注入后再进行退火，之后制作正、负电极；
S7、在硅片的适当位置制作隔离沟道以实现正、负电极的物理隔绝；
S8、去除被氧化的单晶硅薄壁结构，释放整个结构。
作为优选方案，所述硅纳米线陀螺仪的核心结构由氮化硅薄膜和三根硅纳米线支撑起来的质量块组成。
作为优选方案，所述步骤S1中，氮化硅薄膜采用低应力CVD薄膜生长技术制得。
作为优选方案，所述氮化硅薄膜厚度为50nm-5μm。
作为优选方案，所述步骤S4中，湿法腐蚀的溶液是10-100℃、10-80wt％的KOH溶液，湿法腐蚀时间为5分钟-10分钟。
作为优选方案，所述步骤S4中，形成的单晶硅薄壁结构的宽度小于1μm。
作为优选方案，所述步骤S4中，形成的单晶硅纳米线的宽度为10-800nm。
作为优选方案，所述步骤S6中，离子注入工艺参数包括：离子注入能量为5-100KeV，离子注入计量为0.1E15cm-2-10E15cm-2,退火温度为200-4000℃，退火时间为5分钟-10小时。
作为优选方案，所述步骤S7中，隔离沟道是将硅片刻蚀到底层硅制作出来的。
作为优选方案，所述硅纳米线的保护结构为氮化硅薄膜。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用(111)型SOI硅片，由于整个硅纳米线器件处在氧化层上，所以器件和硅片衬底本身就处于绝缘状态；再把硅片刻蚀到底层硅制作隔离沟道，就可以实现器件正负极物理隔绝，达到良好的绝缘效果。
本发明采用氮化硅薄膜和三根硅纳米线共同支撑质量块，采用单晶硅纳米线替代传统的压敏电阻作为检测方式，由于硅纳米线压阻系数比压敏电阻压阻系数更高，本发明的硅纳米线陀螺仪具有更高的灵敏度
本发明将采用底层硅为100型的(111)SOI硅片，利用(111)型硅片和(100)型硅片晶向分布不同的特点，通过各向异性腐蚀、自限制热氧化和离子注入等工艺制备出高质量高成品率的硅纳米线陀螺仪。工艺保留了硅片表面的氮化硅层，使其有效地保护硅纳米线不因各种原因断裂，大大提高了硅纳米线器件的长期稳定性。
本发明的硅纳米线陀螺仪由于质量块和硅纳米线结构的特殊设计，陀螺仪能够在较小角加速度作用下，使得硅纳米线上的应力变化较大，进而提高陀螺仪的输出灵敏度。
附图说明
图1是本发明实施例1在顶层硅上制作氮化硅薄膜示意图；
图2是本发明实施例1在硅片上制作三角形槽的示意图；
图3是本发明实施例1的湿法腐蚀三角形槽形成倾斜的六边形腐蚀槽示意图；
图4是本发明实施例1的湿法腐蚀三角形槽形成倾斜的六边形腐蚀槽立体结构示意图；
图5是本发明实施例1的硅纳米薄壁热氧化形成硅纳米线示意图；
图6是本发明实施例1的制作金电极和隔离沟道示意图；
图7是本发明实施例1释放整个结构后硅纳米线支撑起质量块的侧面示意图；
图8是本发明实施例1的基于SOI硅片的硅纳米线陀螺仪的结构示意图；
图9是本发明实施例1的湿法腐蚀三角形槽后的照片。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例1：
如图1-8所示，本实施例的基于SOI硅片的硅纳米线陀螺仪主要包括硅纳米线8、氮化硅薄膜1、质量块9、金电极12、隔离沟道11和SOI硅片。当硅纳米线陀螺仪受到外界的角加速度作用时，质量块9跟随着角加速度的方向转动，使得支撑质量块的硅纳米线8发生形变，形变导致硅纳米线电导变化，进而输出变化的信号。
本实施例的基于SOI硅片的硅纳米线陀螺仪的制备方法，具体包括以下步骤：
1.首先选取一块底层硅为100型的(111)型硅片，在其顶层硅2表面用低应力CVD薄膜生长技术制备一层厚度为50nm-5μm的氮化硅薄膜1，形成致密的介质掩膜层，如图1所示。
2.通过光刻工艺在介质掩膜层中形成三个三角形图案5，如图2所示。对三角形图案5进行RIE工艺，刻蚀掉图案处的氮化硅薄膜1，形成三个三角形窗口。对三个三角形窗口处的硅进行干法刻蚀，一直刻蚀到(111)型SOI硅片的氧化层3，刻蚀的深度等于顶层硅2的厚度，制备出深度一致的竖直三角形槽；再次采用干法刻蚀工艺继续刻蚀竖直三角形槽下的氧化硅层3，刻蚀深度等于氧化硅3层的厚度；然后再继续向下刻蚀底层硅4约1-100μm。
3.去除光刻胶，然后在50℃、40wt％的KOH溶液中，将步骤2中的三个三角形槽进行各向异性湿法腐蚀，各向异性湿法腐蚀的时间为5分钟-10小时，形成每个侧壁均属于{111}晶面族内的六边形腐蚀槽6，相邻两个六边形腐蚀槽之间形成预设宽度小于1μm的单晶硅薄壁结构7，如图3、4和图9所示。三个六边形腐蚀槽中间出现两个相对的锥体结构，这两个相对的锥体结构就是陀螺仪的质量块9。与此同时，100晶向的底层硅出现腐蚀槽将顶层硅上相连的两个锥体结构释放，以构成质量块；如图3、4、7所示。
4.基于自限制热氧化工艺对硅片进行氧化后，单晶硅纳米薄壁7的顶部中央形成单晶硅纳米线8，如图5所示。
5.在硅片的左上角和右下角分别刻蚀氮化硅薄膜1形成窗口，对窗口硼离子注入后再进行退火，离子注入能量为5-100KeV，离子注入计量为0.1E15cm-2-10E15cm-2,退火温度为200-4000℃，退火时间为5分钟-10小时，之后在该区域制作出金电极12，分为正极和负极。在硅片的适当位置将硅片刻蚀到底层硅4制作出隔离沟道11，将器件划分开，以实现器件正负极的物理隔绝，如图6所示。
6.用BOE溶液(buffer oxide etching solution)去除步骤4中被氧化的单晶硅纳米薄壁，释放出整个结构。
上述步骤完成后，即可制备出如图8所示的陀螺仪。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于SOI硅片的硅纳米线陀螺仪的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选取一块(111)型SOI硅片，在其顶层硅表面制备一层氮化硅薄膜，形成介质掩膜层；
S2、通过光刻工艺在介质掩膜层中形成三个三角形图案，同时进行RIE工艺，刻蚀图案处的氮化硅，形成三个三角形窗口；之后对三角形窗口处的硅进行干法刻蚀，一直刻蚀到SOI硅片的氧化层，制得三个深度一致的竖直三角形槽；
S3、采用干法刻蚀刻蚀竖直三角形槽下的氧化层，接着再刻蚀底层硅，之后去除光刻胶；
S4、对竖直三角形槽进行各向异性湿法腐蚀，形成每个侧壁均属于{111}晶面族的六边形腐蚀槽，且相邻的六边形腐蚀槽之间形成单晶硅薄壁结构，三个六边形腐蚀槽中间出现两个相对的锥体结构；同时，100晶向的底层硅出现腐蚀槽将顶层硅上相连的两个锥体结构释放，以构成质量块；
S5、基于自限制热氧化工艺对硅片热氧化，单晶硅纳米墙壁的顶部中央位置形成单晶硅纳米线；
S6、在硅片的适当位置刻蚀氮化硅薄膜形成方形窗口，对方形窗口硼离子注入后再进行退火，之后制作正、负电极；
S7、在硅片的适当位置制作隔离沟道以实现正、负电极的物理隔绝；
S8、去除被氧化的单晶硅薄壁结构，释放整个结构。
2.如权利要求1所述的一种基于SOI硅片的硅纳米线陀螺仪的制备方法，其特征在于，所述硅纳米线陀螺仪的核心结构由氮化硅薄膜和三根硅纳米线支撑起来的质量块组成。
3.如权利要求1所述的一种基于SOI硅片的硅纳米线陀螺仪的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，氮化硅薄膜采用低应力CVD薄膜生长技术制得。
4.如权利要求1所述的一种基于SOI硅片的硅纳米线陀螺仪的制备方法，其特征在于，所述氮化硅薄膜厚度为50nm-5μm。
5.如权利要求1所述的一种基于SOI硅片的硅纳米线陀螺仪的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，湿法腐蚀的溶液是10-100℃、10-80wt％的KOH溶液，湿法腐蚀时间为5分钟-10分钟。
6.如权利要求1所述的一种基于SOI硅片的硅纳米线陀螺仪的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，形成的单晶硅薄壁结构的宽度小于1μm。
7.如权利要求1所述的一种基于SOI硅片的硅纳米线陀螺仪的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，形成的单晶硅纳米线的宽度为10-800nm。
8.如权利要求1所述的一种基于SOI硅片的硅纳米线陀螺仪的制备方法，其特征在于，所述步骤S6中，离子注入工艺参数包括：离子注入能量为5-100KeV，离子注入计量为0.1E15cm-2-10E15cm-2,退火温度为200-4000℃，退火时间为5分钟-10小时。
9.如权利要求1所述的一种基于SOI硅片的硅纳米线陀螺仪的制备方法，其特征在于，所述步骤S7中，隔离沟道是将硅片刻蚀到底层硅制作出来的。
10.如权利要求1所述的一种基于SOI硅片的硅纳米线陀螺仪的制备方法，其特征在于，所述硅纳米线的保护结构为氮化硅薄膜。
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| Title |
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| 张霞;: "振动式微机械陀螺仪的研究现状与展望", 固体电子学研究与进展, no. 05, 25 October 2013 (2013-10-25) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115321474B (zh) | 2024-07-09 |
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