CN115683075A - 一种硅纳米线陀螺仪及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硅纳米线陀螺仪及其加工工艺。硅纳米线陀螺仪包括SOI硅片，SOI硅片包括顶层硅、中间的埋氧层和底层的体硅，顶层硅表面设有氮化硅薄膜；其中，顶层硅形成有悬空的质量块及其连接的三条硅纳米线，硅纳米线沿质量块的周侧分布；质量块及硅纳米线的表面均附着有氮化硅薄膜；顶层硅之上设有与体硅导电连接的正、负电极；SOI硅片还具有从氮化硅薄膜刻蚀至埋氧层的隔离沟道，以实现正、负电极的物理隔绝。本发明的硅纳米线陀螺仪，由三条硅纳米线和氮化硅薄膜共同支撑一个锥体质量块作为陀螺仪的结构，采用单晶硅纳米线代替传统的压敏电阻作为敏感单元，由于硅纳米线压阻系数比压敏电阻压阻系数高的特点，具有更高的灵敏度。

Description

一种硅纳米线陀螺仪及其加工工艺

技术领域

本发明属于陀螺仪技术领域，具体涉及一种硅纳米线陀螺仪及其加工工艺。

背景技术

目前，陀螺仪常用的检测方式是电容式和压阻式。其中，压阻式是基于高掺杂硅的压阻效应原理实现的，由于硅压敏电阻的电阻应变系数较小，随着传感器尺寸的变小，传统掺杂工艺的压敏电阻已经不能满足现代高灵敏度测试的要求。

发明内容

基于现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种硅纳米线陀螺仪及其加工工艺，使用硅纳米线代替传统的压敏电阻作为陀螺仪的检测方式，具有更高的灵敏度。

为了实现以上发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种硅纳米线陀螺仪，包括SOI硅片，SOI硅片包括顶层硅、中间的埋氧层和底层的体硅，顶层硅表面设有氮化硅薄膜；其中，顶层硅形成有悬空的质量块及其连接的三条硅纳米线，硅纳米线沿质量块的周侧分布；质量块及硅纳米线的表面均附着有氮化硅薄膜；

所述顶层硅之上设有与体硅导电连接的正、负电极；

所述SOI硅片还具有从氮化硅薄膜刻蚀至埋氧层的隔离沟道，以实现正、负电极的物理隔绝。

作为优选方案，所述电极为金电极。

本发明还提供如上任一方案所述的一种硅纳米线陀螺仪的加工工艺，包括以下步骤：

S1、在SOI硅片的顶层硅表面制备一层氮化硅薄膜，形成致密介质掩膜层；

S2、通过光刻工艺转移小三角形图案，同时通过RIE工艺刻蚀小三角形图案处的氮化硅，形成小三角形窗口；对小三角形窗口处的顶层硅进行干法刻蚀至埋氧层，制得竖直小三角形槽，并基于自限制热氧化工艺对竖直小三角形槽进行氧化；

S3、通过光刻工艺转移大三角形图案，同时通过RIE工艺刻蚀大三角形图案处的氮化硅，形成大三角形窗口；对大三角形窗口处的顶层硅进行干法刻蚀至埋氧层，制得三个深度一致的竖直大三角形槽；

S4、对竖直大三角形槽进行各项异性湿法腐蚀，形成六边形腐蚀槽，且相邻两个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相对的锥体结构；

S5、基于自限制热氧化工艺对硅片进行氧化后，单晶硅纳米墙壁的顶部中央位置形成单晶硅纳米线；

S6、在硅片的两个目标位置分别刻蚀氮化硅形成方形窗口，对方形窗口硼离子注入后再进行退火，之后在相应区域分别制作正、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、采用BOE腐蚀工艺去除被氧化的单晶硅薄壁，释放单晶硅纳米线及质量块。

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，氮化硅薄膜的厚度为50nm～5μm。

作为优选方案，所述步骤S2中，小三角形图案替换为圆形或正方形。

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小时。

作为优选方案，所述步骤S4中，形成的单晶硅薄壁结构的预设宽度小于1μm。

作为优选方案，所述步骤S5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，硼离子注入的工艺为：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SOI硅片为(111)型。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的硅纳米线陀螺仪，由三条硅纳米线和氮化硅薄膜共同支撑一个锥体质量块作为陀螺仪的结构，实现了器件结构上的创新，采用单晶硅纳米线代替传统的压敏电阻作为敏感单元，由于硅纳米线压阻系数比压敏电阻压阻系数高的特点，硅纳米线陀螺仪具有更高的灵敏度；且目前的硅纳米线结构器件，大多缺乏对硅纳米线的保护措施，硅纳米线容易发生断裂的现象，器件缺乏长期稳定性，本发明巧妙地保留氮化硅薄膜，使其可以保护硅纳米线，防止硅纳米线因各种原因断裂，极大地提高了器件的成品率。

本发明采用SOI硅片，由于整个硅纳米线器件处在氧化层(即埋氧层)上，所以器件和硅片衬底的体硅本身就处于绝缘状态，再把硅片刻蚀到氧化层制作器件的隔离沟道，就可以实现器件正负极的物理隔绝，达到良好的绝缘效果。

本发明的硅纳米线陀螺仪硅纳米线和质量块结构的特殊设计，使得陀螺仪在角加速度值较大的情况下仍能正常工作，可实现超大量程的陀螺仪的制备。

本发明工艺简单，全部工艺流程都属于传统的微加工工艺，成本低廉，可实现陀螺仪的大规模生产。

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腐蚀槽示意图；

图3是本发明实施例1的湿法腐蚀三角形槽得到倾斜的六边形腐蚀槽示意图；

图4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5是本发明实施例1的制作金电极和隔离沟道示意图；

图6是本发明实施例1的释放整个结构后硅纳米线支撑质量块的侧面示意图。

图7是本发明实施例1的硅纳米线陀螺仪的结构示意图；

图8是本发明实施例1的湿法腐蚀三角形槽后的照片；

图9是本发明实施例2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：

本实施例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以及SOI硅片。具体地，SOI硅片包括顶层硅2、中间的埋氧层3和底层的体硅4，顶层硅表面设有氮化硅薄膜1；其中，顶层硅2形成有悬空的质量块9及其连接的三条硅纳米线8，硅纳米线8沿质量块9的周侧分布；质量块9及硅纳米线8的表面均附着有氮化硅薄膜1。

本实施例的顶层硅2之上设有与体硅4导电连接的正、负电极，即金电极12。另外，SOI硅片还具有从氮化硅薄膜刻蚀至埋氧层的隔离沟道11，以实现正、负电极的物理隔绝。

当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，通过金电极12将信号输出。

下面将结合附图1-6，对本实施例的硅纳米线陀螺仪的加工工艺做出详细的说明，具体包括以下步骤：

1.首先选取顶层硅厚度为50nm-5μm的一块(111)型SOI硅片，在其顶层硅表面用低应力CVD薄膜生长技术制备一层厚度为50nm-5μm的氮化硅薄膜1，形成致密介质掩膜层。通过光刻工艺转移三角形图案，同时进行RIE工艺，刻蚀图案处的氮化硅薄膜，形成三角形窗口14，三角形窗口14的边长为1-50μm。对三角形窗口14处的硅进行干法腐蚀，制备出腐蚀至埋氧层的竖直三角形槽；然后去除光刻胶，并基于自限制热氧化工艺对竖直三角形槽氧化，如图1和图2所示。

2.通过光刻工艺在氮化硅薄膜层1形成三个三角形窗口5，对这三个窗口进行干法刻蚀，一直刻蚀到硅片的氧化硅层3，制备出深度一致的竖直三角形槽，然后去除光刻胶；如图2所示。

3.在10-100℃、10-80wt％的KOH溶液中，对硅片进行各项异性湿法腐蚀，湿法腐蚀的时间为5分钟-10小时，步骤2中的三个三角形槽会被腐蚀成每个侧壁均属于{111}晶面族的六边形腐蚀槽，如图3和8所示。且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7，三个六边形腐蚀槽中间出现相对的锥体结构，位于上方的锥体结构就是加速度计的质量块9(其中，质量块的悬空需要两个过程，一个是小三角形打断，另一个是后续的BOE去除被氧化的单晶硅薄壁结构彻底打断，实现质量块的悬空)；如图3和图6所示。

4.基于自限制热氧化工艺对硅片进行氧化后，单晶硅纳米墙壁7的顶部正中央会形成单晶硅纳米线8；如图4所示。

5.在芯片的左上角和右下角分别刻蚀氮化硅形成方形窗口，对方形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，之后在该区域制作金电极12。然后在硅片的适当位置把硅片刻蚀到氧化层制作器件的隔离沟道11，以实现器件正负极的物理隔绝；如图5所示。

6.用BOE(buffer oxide etching solution)腐蚀工艺去除步骤4中被氧化的单晶硅纳米墙壁，释放出整个结构，即得到由三条硅纳米线和氮化硅薄膜共同支撑一个锥体质量块作为陀螺仪的结构。

实施例2：

本实施例的与实施例1的硅纳米线陀螺仪的不同之处在于：

如图9所示，三个三角形窗口的排列位置不同，与三个三角形窗口相关的结构作相应的调整；其他结构可以参考实施例1；

硅纳米线陀螺仪的加工工艺根据三个三角形窗口的排列位置不同作出适应性调整，具体步骤可以参考实施例1。

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)

1.一种硅纳米线陀螺仪，其特征在于，包括SOI硅片，SOI硅片包括顶层硅、中间的埋氧层和底层的体硅，顶层硅表面设有氮化硅薄膜；其中，顶层硅形成有悬空的质量块及其连接的三条硅纳米线，硅纳米线沿质量块的周侧分布；质量块及硅纳米线的表面均附着有氮化硅薄膜；

所述顶层硅之上设有与体硅导电连接的正、负电极；

所述SOI硅片还具有从氮化硅薄膜刻蚀至埋氧层的隔离沟道，以实现正、负电极的物理隔绝。

2.如权利要求1所述的一种硅纳米线陀螺仪，其特征在于，所述电极为金电极。

3.如权利要求1或2所述的一种硅纳米线陀螺仪的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在SOI硅片的顶层硅表面制备一层氮化硅薄膜，形成致密介质掩膜层；

S2、通过光刻工艺转移小三角形图案，同时通过RIE工艺刻蚀小三角形图案处的氮化硅，形成小三角形窗口；对小三角形窗口处的顶层硅进行干法刻蚀至埋氧层，制得竖直小三角形槽，并基于自限制热氧化工艺对竖直小三角形槽进行氧化；

S3、通过光刻工艺转移大三角形图案，同时通过RIE工艺刻蚀大三角形图案处的氮化硅，形成大三角形窗口；对大三角形窗口处的顶层硅进行干法刻蚀至埋氧层，制得三个深度一致的竖直大三角形槽；

S4、对竖直大三角形槽进行各项异性湿法腐蚀，形成六边形腐蚀槽，且相邻两个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相对的锥体结构；

S5、基于自限制热氧化工艺对硅片进行氧化后，单晶硅纳米墙壁的顶部中央位置形成单晶硅纳米线；

S6、在硅片的两个目标位置分别刻蚀氮化硅形成方形窗口，对方形窗口硼离子注入后再进行退火，之后在相应区域分别制作正、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、采用BOE腐蚀工艺去除被氧化的单晶硅薄壁，释放单晶硅纳米线及质量块。

4.如权利要求3所述的一种硅纳米线陀螺仪的加工工艺，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，氮化硅薄膜的厚度为50nm～5μm。

5.如权利要求3所述的一种硅纳米线陀螺仪的加工工艺，其特征在于，所述步骤S2中，小三角形图案替换为圆形或正方形。

6.如权利要求3所述的一种硅纳米线陀螺仪的加工工艺，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小时。

7.如权利要求3所述的一种硅纳米线陀螺仪的加工工艺，其特征在于，所述步骤S4中，形成的单晶硅薄壁结构的预设宽度小于1μm。

8.如权利要求3所述的一种硅纳米线陀螺仪的加工工艺，其特征在于，所述步骤S5中，形成的单晶硅纳米线的宽度为10～800nm。

9.如权利要求3所述的一种硅纳米线陀螺仪的加工工艺，其特征在于，所述步骤S6中，硼离子注入的工艺为：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。

10.如权利要求3所述的一种硅纳米线陀螺仪的加工工艺，其特征在于，所述SOI硅片为(111)型。

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