CN1275028C - 软磁多层膜力敏传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种软磁多层膜力敏传感器及其制备方法，传感器中曲折型的软磁多层膜力敏器件由中间铜导电层、铜导电层外围包裹的软磁薄膜及软磁薄膜上的顶层保护层构成三明治结构，引脚从铜导电层引出，整个力敏器件位于硅悬臂梁上，硅悬臂梁与硅衬底相连。制备时首先对双面氧化的硅片进行处理，采用光刻技术得到双面套刻的对准符号，采用薄膜制备技术和微电镀技术制备软磁多层膜力敏器件，采用物理刻蚀技术去除底层，采用专用化学配方湿法刻蚀软磁多层膜材料，形成力敏传感元件，最后采用硅湿法刻蚀技术形成力敏传感器的微结构。本发明的力敏传感器具有高灵敏度，响应速度快，体积小，成本低的优点，便于实现集成化。
Description
技术领域
本发明涉及一种力敏传感器及其制备方法，尤其涉及一种微细加工的、基于软磁多层膜应力阻抗效应的曲折型结构的力敏传感器及其制备方法，属于传感器技术领域。
背景技术
随着微电子技术的迅速发展，在汽车电子、机器人技术、生物医疗、自动化控制及建筑行业等需要一些新型的、小型化的、高性能的、高灵敏度的和响应速度快的新型力敏传感器来监测环境周围的参数，如：压力、应力、应变、力矩、振动等。早期的力敏传感器如磁致伸缩型压力传感器虽具有负荷大、变形小及能在恶劣环境下工作的特点，但体积很大，不便于批量生产及与系统的集成。目前，大部分力敏传感器采用电阻应变片和硅压阻效应膜片制作。电阻应变计体积较小，但应变因子在2左右，灵敏度很差，在使用时需将其粘结在弹性体上，而且电阻应变计的温度稳定性较差，大大限制了它的应用范围。基于半导体硅压阻效应膜片型结构的压阻式传感器是目前应用最为广泛的力敏传感器，其应变因子一般在200左右，优点是体积小、成本低、灵敏度高及便于同计算机相连，最大缺点是温度稳定性较差及易碎等。
另一方面，在外力作用下将引起非晶软磁材料的磁性如磁滞回线形状、磁导率和磁各向异性等的变化，从而导致软磁材料交流阻抗的显著变化，称为应力阻抗(stress-impedance，简写SI)效应。应力阻抗效应力敏传感器具有高的灵敏度，其应变因子在1260以上，是目前硅压力传感器的6-20倍，利用SI效应可检测各种力学量如力、力矩、压力、振动等，具有高灵敏度、响应速度快等优点。经文献检索发现，日本的K.Mohri等(K.Mohri，T.Uchiyama，L.P.Shen，C.M.Cai，L.V.Panina，Y.Honkura，and M.Yamamoto)在《IEEE TRANSACTION ONMAGNETICS》(VOL.38，NO.5，pp.3063-3068，SEPTEMBER 2002)上发表了“Amorphous wire and CMOS IC-based sensitive micromagnetic sensors utilizingmagnetoimpedance(MI)and stress-impedance(SI)effects(美国电气电子工程学会)”一文，该文提及了基于钴基非晶丝应力阻抗效应的新型力敏传感器如加速传感器等，作者采用钴基非晶丝作为力敏元件，用环氧胶树脂将钴基非晶丝粘贴于厚度为0.16mm的玻璃基片，制成悬臂梁结构，在悬臂梁的一端放置0.1克的质量块，另一端连接CMOS控制电路，由此构成了应力阻抗加速传感器。相对于薄膜而言，丝和带材比较容易制备，易于形成理想的磁各项异性，可以获得较为理想的敏感性能。但是丝和薄带在实用化、器件性能的重复性和批量化生产方面及与检测电路的配合方面，将会遇到许多问题，例如，丝和薄带在电路中的焊接、安装困难、轧制的薄带容易破碎等。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足以及市场的实际需求，提供一种基于软磁多层膜应力阻抗效应的力敏传感器及其制备方法，制作工艺与IC工艺兼容，可与配套的检测电路制作在一起，实现整个传感器的薄膜化、小型化，并使传感器具有高的灵敏度和响应速度快，温度稳定性好的特点，且易于大批量生产，重复性好。
为实现这样的目的，本发明设计提供的力敏传感器主要由硅衬底、引脚、曲折型的软磁多层膜力敏器件和硅悬臂梁组成，软磁多层膜力敏器件由中间的铜导电层、铜导电层外围包裹的软磁薄膜及软磁薄膜上的顶层保护层构成三明治结构，中间铜导电层的宽度小于软磁薄膜的宽度，被软磁薄膜完全包裹，引脚从力敏器件两端的铜导电层引出，并设置在带SiO2层的硅悬臂梁上，整个曲折型的软磁多层膜力敏器件位于硅悬臂梁上，硅悬臂梁与硅衬底相连。
本发明中的软磁薄膜的宽度为1-3mm，中间铜导电层宽度为0.1-2mm。
进一步的，处于中间铜导电层上层和下层的软磁薄膜的厚度相同，均为2-6μm，中间铜导电层厚度为1-6μm，长度在10-20mm。
制备本发明的软磁多层膜力敏传感器时，首先对双面氧化的硅片进行处理，采用光刻技术得到双面套刻的对准符号，以便曝光时提高对准精度；采用薄膜制备技术和微电镀技术制备软磁多层膜力敏器件；采用物理刻蚀技术去除底层，避免湿法刻蚀工艺带来的钻蚀现象；采用专用化学配方湿法刻蚀软磁多层膜材料，形成力敏传感元件；采用硅湿法刻蚀技术形成力敏传感器的微结构。
本发明制备力敏传感器(FeSiB/Cu/FeSiB多层膜)的曲折型结构的具体工艺步骤如下：
1、在清洗处理过的双面氧化的硅衬底的双面甩正胶，然后将光刻胶烘干，光刻胶厚度为5～8μm，光刻胶烘干温度为90～95℃，时间为30～60分钟；将硅片经双面曝光、显影后，在BHF(稀释的氢氟酸)腐蚀液里刻蚀二氧化硅，然后用丙酮去除所有的光刻胶，得到双面套刻对准符号及刻蚀硅的窗口。
2、对硅片一面(称为A面)进行湿法刻蚀制备硅悬臂梁，采用氢氧化钾(KOH)腐蚀液刻蚀硅，刻蚀深度为150μm，下面工艺均在A面进行；
3、溅射软磁FeSiB薄膜，膜厚为2～6μm；
4、溅射底层Cu，厚度100～300nm；
5、甩正胶，光刻胶厚度为8μm，光刻胶烘干温度为90～95℃，时间为30～60分钟，曝光与显影，得到电镀Cu光刻胶掩膜图形；
6、电镀Cu薄膜，厚度为1～6μm；
7、去正胶、用物理刻蚀方法去除Cu底层；
8、溅射软磁FeSiB薄膜，膜厚为2～6μm；
9、溅射保护层NiFe薄膜，厚度100～300nm；
10、甩正胶，光刻胶厚度为8μm，光刻胶烘干温度为90～95℃，时间为30min～1小时，曝光与显影；
11、在40℃水浴中，采用专用的FeSiB腐蚀液，刻蚀FeSiB薄膜；
12、去正胶，即形成多层膜力敏元件；
13、采用夹具将A面保护好，另一面(称作B面)进行硅的深刻蚀工艺，采用氢氧化钾(KOH)腐蚀液刻蚀硅，直到将硅刻穿为止，最终形成了具有悬臂梁结构的新型力敏传感器。
更具体的，上述步骤中软磁薄膜的制备工艺为：溅射的薄膜为非晶的FeSiB薄膜，基底的真空为8×10-5Pa，溅射条件选择为溅射Ar气压和溅射功率分别为5.3Pa和600W，氩气流量为7.8×10-4m3/分钟。溅射过程中沿薄膜的横向施加约16kA/m的磁场。
Cu薄膜及NiFe保护层的制备工艺为：基底的真空为4×10-4Pa，溅射条件选择为溅射Ar气压和溅射功率分别为0.67Pa和800W，氩气流量为1.2×10-3m3/分钟。
本发明与现有技术相比，具有以下有益的效果：
本发明改变了传统采用电阻应变片和硅压阻效应方法制作力敏器件，而采用了软磁多层膜材料与微机电系统(MEMS)技术，制作的力敏器件具有体积小，响应速度快，成本低，灵敏度高，便于实现集成化，多功能化和智能化等优点，具有广泛的用途。薄膜材料可以与大规模集成电路完全兼容，易于大批量生产，重复性好，避免了采用非晶丝和薄带制作力敏器件时器件易碎、性能重复性差和加工困难等带来的问题，又可以通过改变软磁薄膜和Cu膜的宽度、厚度及退火工艺来提高力敏传感器的灵敏度。另外，本发明采用硅悬臂梁结构和曲折型的三明治多层膜结构及采用交流驱动方式，可以方便实现滤波、调谐、振荡等，可以实现加速度、压力、振动等的检测。
附图说明
图1为本发明软磁多层膜力敏传感器的曲折型结构俯视图。
图1中，1为SiO2层，2为在软磁薄膜上溅射的顶层保护层，3为电镀的铜导电层，铜导电层外面包裹软磁薄膜，4为引脚，5为带SiO2层的硅衬底。
图2为本发明中软磁多层膜力敏器件的三明治结构截面图。
图2中，1为SiO2层，3为电镀的铜导电层，6为溅射的软磁薄膜，7为硅悬臂梁。
图3为本发明的软磁多层膜力敏传感器的结构侧面示意图。
图3中，1为SiO2层，2为顶层保护层，4为引脚，5为带SiO2层的硅衬底，6为包裹在铜导电层外面的软磁薄膜，7为硅悬臂梁。
图4为本发明方法步骤1中甩正胶、曝光、显影及刻蚀SiO2工艺示意图。
图4中，8为光刻胶，9为硅衬底，10为SiO2。
图5为本发明方法步骤2中干法或湿法刻蚀硅工艺示意图。
图6为本发明方法步骤3中溅射软磁薄膜工艺示意图。
图6中，11为FeSiB薄膜.
图7为本发明方法步骤4中溅射Cu膜工艺示意图。
图7中，12为Cu薄膜。
图8为本发明方法步骤5中甩正胶、曝光、显影工艺示意图。
图8中，13为光刻胶。
图9为本发明方法步骤6中电镀Cu层工艺示意图。
图9中，14为电镀的Cu膜。
图10为本发明方法步骤7中去除光刻胶及Cu底层工艺示意图。
图11为本发明方法步骤8中溅射软磁FeSiB薄膜工艺示意图。
图11中，15为FeSiB薄膜。
图12为本发明方法步骤9中溅射软磁FeNi薄膜工艺示意图。
图12中，16为FeNi薄膜。
图13为本发明方法步骤10中甩正胶、曝光、显影工艺示意图。
图13中，17为光刻胶。
图14为本发明方法步骤11中湿法刻蚀FeSiB薄膜及去正胶工艺示意图。
图15为本发明方法步骤13中湿法刻蚀硅工艺示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
本发明的软磁多层膜力敏传感器的结构由图1-3给出。如图1俯视图所示，传感器中的软磁多层膜力敏器件为曲折型，由中间的铜导电层3、铜导电层外围包裹的软磁薄膜及软磁薄膜上的顶层保护层2构成三明治结构，中间铜导电层3的宽度小于软磁薄膜的宽度，被软磁薄膜完全包裹，引脚4从曲折型力敏器件两端的铜导电层3引出，并设置在硅衬底5平面上的带SiO2层1的硅悬臂梁上。
图2为本发明中软磁多层膜力敏器件的三明治结构截面图。如图2所示，软磁多层膜力敏器件由中间的铜导电层3、铜导电层外围包裹的软磁薄膜6及软磁薄膜上的顶层保护层2构成三明治结构，中间铜导电层3的宽度小于软磁薄膜6的宽度，被软磁薄膜6完全包裹，整个曲折型的软磁多层膜力敏器件设置在带SiO2层1的硅悬臂梁7上，硅悬臂梁7与硅衬底5相连。
图3为本发明中软磁多层膜力敏器件的结构侧面示意图。如图3所示，软磁薄膜6包裹在铜导电层外围，软磁薄膜6上有顶层保护层2，引脚4从铜导电层3引出，整个力敏器件设置在带SiO2层1的硅悬臂梁7上，硅悬臂梁7与硅衬底5相连。
图4-15给出了本发明力敏传感器的制备工艺，通过以下具体的实施例予以说明。
实施例1：
(1)在清洗处理过的双面氧化的硅衬底9的双面甩正胶，如图4所示。光刻胶8的厚度为5μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为1小时；双面曝光与显影后，在BHF腐蚀液里刻蚀二氧化硅，最后去除光刻胶，得到双面套刻对准符号及刻蚀硅的窗口；图4中，10为SiO2；(2)对硅片一面(称为A面)进行湿法刻蚀制备硅悬臂梁，如图5所示，采用氢氧化钾(KOH)腐蚀液刻蚀硅，刻蚀温度为80℃，溶液浓度为KOH∶H2O＝44∶100，刻蚀深度为150μm；(3)溅射软磁FeSiB薄膜11，如图6所示，FeSiB薄膜的厚度为2μm；(4)溅射底层Cu，如图7所示，厚度为100nm，12为底层Cu；(5)甩正胶13，曝光与显影，得到电镀Cu光刻胶掩膜图形，如图8所示，光刻胶厚度为8μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为1小时；(6)电镀Cu薄膜14，如图9所示，Cu膜厚度为1μm；(7)去正胶、用物理刻蚀方法去除底层Cu层，如图10所示；(8)溅射软磁FeSiB薄膜15，如图11所示，FeSiB薄膜的厚度为2μm；(9)溅射NiFe薄膜16为保护层，如图12所示，NiFe薄膜的厚度为100nm；(10)甩正胶17，曝光与显影，如图13所示，光刻胶厚度为5μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为1小时；(11)在40℃水浴中，采用专用的FeSiB腐蚀液，刻蚀FeSiB薄膜，时间20min，如图14所示；(12)去正胶，即形成力敏传感元件；(13)采用夹具将A面保护好，另一面(称作B面)进行硅的深刻蚀工艺，如图15所示，采用氢氧化钾(KOH)腐蚀液刻蚀硅，刻蚀温度为80℃，溶液浓度为KOH∶H2O＝44∶100，直到将硅刻穿为止，最终形成具有悬臂梁结构的力敏传感器。
上述步骤中软磁薄膜的制备工艺为：溅射底层和顶层的薄膜为非晶的FeSiB薄膜，基底的真空为8×10-5Pa，溅射条件选择为溅射Ar气压和溅射功率分别为5.3Pa和600W，氩气流量为7.8×10-4m3/分钟。溅射过程中沿薄膜的横向施加约16kA/m的磁场。Cu薄膜及NiFe的制备工艺为：基底的真空为4×10-4Pa，溅射条件选择为溅射Ar气压和溅射功率分别为0.67Pa和800W，氩气流量为1.2×10-3m3/分钟。
实施例2：
(1)在清洗处理过的双面氧化的硅片衬底双面甩正胶8，如图4所示。光刻胶厚度为5μm，光刻胶烘干温度为90℃，时间为1小时；双面曝光与显影后，在BHF腐蚀液里刻蚀二氧化硅，最后去除光刻胶，得到双面套刻对准符号及刻蚀硅的窗口；(2)对硅片一面(称为A面)进行湿法刻蚀制备硅悬臂梁，如图5所示，采用氢氧化钾(KOH)腐蚀液刻蚀硅，刻蚀温度为78℃，溶液浓度为KOH∶H2O＝44∶100，刻蚀深度为150μm；(3)溅射软磁FeSiB薄膜，如图6所示，FeSiB薄膜的厚度为4μm；(4)溅射底层Cu，如图7所示，厚度为150nm；(5)甩正胶，曝光与显影，得到电镀Cu光刻胶掩膜图形，如图8所示，光刻胶厚度为8μm，光刻胶烘干温度为90℃，时间为1小时；(6)电镀Cu薄膜，如图9所示，Cu膜厚度为3μm；(7)去正胶、用物理刻蚀方法去除底层Cu层，如图10所示；(8)溅射软磁FeSiB薄膜，如图11所示，FeSiB薄膜的厚度为4μm；(9)溅射NiFe薄膜为保护层，如图12所示，NiFe薄膜的厚度为100nm；(10)甩正胶，曝光与显影，如图13所示，光刻胶厚度为5μm，光刻胶烘干温度为90℃，时间为1小时；(11)在40℃水浴中，采用专用的FeSiB腐蚀液，刻蚀FeSiB薄膜，时间30min，如图14所示；(12)去正胶，即形成力敏传感元件；(13)采用夹具将A面保护好，另一面(称作B面)进行硅的深刻蚀工艺，如图15所示，采用氢氧化钾(KOH)腐蚀液刻蚀硅，刻蚀温度为78℃，溶液浓度为KOH∶H2O＝44∶100，直到将硅刻穿为止，最终形成具有悬臂梁结构的力敏传感器。
上述步骤中软磁薄膜、Cu薄膜及NiFe保护层薄膜制备的工艺参数同实施例1。
实施例3：
(1)在清洗处理过的双面氧化的硅片衬底双面甩正胶8，如图4所示。光刻胶厚度为5μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为30min；双面曝光与显影后，在BHF腐蚀液里刻蚀二氧化硅，最后去除光刻胶，得到双面套刻对准符号及刻蚀硅的窗口；(2)对硅片一面(称为A面)进行湿法刻蚀制备硅悬臂梁，如图5所示，采用氢氧化钾(KOH)腐蚀液刻蚀硅，刻蚀温度为80℃，溶液浓度为KOH∶H2O＝44∶100，刻蚀深度为150μm；(3)溅射软磁FeSiB薄膜，如图6所示，FeSiB薄膜的厚度为6μm；(4)溅射底层Cu，如图7所示，厚度为300nm；(5)甩正胶，曝光与显影，得到电镀Cu光刻胶掩膜图形，如图8所示，光刻胶厚度为8μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为30min；(6)电镀Cu薄膜，如图9所示，Cu膜厚度为6μm；(7)去正胶、用物理刻蚀方法去除底层Cu层，如图10所示；(8)溅射软磁FeSiB薄膜，如图11所示，FeSiB薄膜的厚度为6μm；(9)溅射NiFe薄膜为保护层，如图12所示，NiFe薄膜的厚度为100nm；(10)甩正胶，曝光与显影，如图13所示，光刻胶厚度为5μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为30min；(11)在40℃水浴中，采用专用的FeSiB腐蚀液，刻蚀FeSiB薄膜，时间1小时，如图14所示；(12)去正胶，即形成力敏传感元件；(13)采用夹具将A面保护好，另一面(称作B面)进行硅的深刻蚀工艺，如图15所示，采用氢氧化钾(KOH)腐蚀液刻蚀硅，刻蚀温度为80℃，溶液浓度为KOH∶H2O＝44∶100，直到将硅刻穿为止，最终形成具有悬臂梁结构的力敏传感器。
上述步骤中软磁薄膜、Cu薄膜及NiFe保护层薄膜制备的工艺参数同实施例1。
Claims (6)
1、一种软磁多层膜力敏传感器，其特征在于由硅衬底(5)、引脚(4)、曲折型的软磁多层膜力敏器件和硅悬臂梁(7)组成，软磁多层膜力敏器件由中间的铜导电层(3)、铜导电层外围包裹的软磁薄膜(6)及软磁薄膜上的顶层保护层(2)构成三明治结构，中间铜导电层(3)的宽度小于软磁薄膜(6)的宽度，被软磁薄膜(6)完全包裹，引脚(4)从力敏器件两端的铜导电层(3)引出，整个曲折型的软磁多层膜力敏器件位于带SiO2层(1)的硅悬臂梁(7)上，硅悬臂梁(7)与硅衬底(5)相连。
2、根据权利要求1的软磁多层膜力敏传感器，其特征在于所述处于中间铜导电层(3)上层和下层的软磁薄膜(6)为FeSiB软磁薄膜，其宽度为1-3mm，中间铜导电层(3)宽度为0.1-2mm。
3、根据权利要求1的软磁多层膜力敏传感器，其特征在于所述处于中间铜导电层(3)上层和下层的软磁薄膜(6)的厚度相同，均为2-6μm，中间铜导电层(3)厚度为1-6μm，长度在10-20mm。
4、一种权利要求1的软磁多层膜力敏传感器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)在清洗处理过的双面氧化的硅衬底的双面甩正胶，然后将光刻胶烘干，光刻胶厚度为5～8μm，光刻胶烘干温度为90～95℃，时间为30～60分钟；将硅片经双面曝光、显影后，在稀释氢氟酸BHF腐蚀液里刻蚀二氧化硅，然后用丙酮去除所有的光刻胶，得到双面套刻对准符号及刻蚀硅的窗口；
2)对硅衬底的正面进行湿法刻蚀制备硅悬臂梁，采用氢氧化钾腐蚀液刻蚀硅，刻蚀深度为150μm，下面工艺均在正面进行；
3)溅射软磁FeSiB薄膜，膜厚为2～6μm；
4)溅射底层Cu，厚度100～300nm；
5)甩正胶，光刻胶厚度为8μm，光刻胶烘干温度为90～95℃，时间为30～60分钟，曝光与显影，得到电镀Cu光刻胶掩膜图形；
6)电镀Cu薄膜，厚度为1～6μm；
7)去正胶、用物理刻蚀方法去除Cu底层；
8)溅射软磁FeSiB薄膜，膜厚为2～6μm；
9)溅射保护层NiFe薄膜，厚度100～300nm；
10)甩正胶，光刻胶厚度为8μm，光刻胶烘干温度为90～95℃，时间为30min～1小时，曝光与显影；
11)在40℃水浴中，采用专用的FeSiB腐蚀液，刻蚀FeSiB薄膜；
12)去正胶，即形成多层膜力敏元件；
13)采用夹具将硅衬底的正面保护好，对硅衬底反面进行硅的深刻蚀工艺，采用氢氧化钾腐蚀液刻蚀硅，直到将硅刻穿为止，最终形成具有悬臂梁结构的力敏传感器。
5、根据权利要求4的软磁多层膜力敏传感器的制备方法，其特征在于所述步骤中软磁薄膜的制备工艺为：基底的真空为8×10-5Pa，溅射条件选择为溅射Ar气压和溅射功率分别为5.3Pa和600W，氩气流量为7.8×10-4m3/分钟，溅射过程中沿薄膜的横向施加约16kA/m的磁场。
6、根据权利要求4的软磁多层膜力敏传感器的制备方法，其特征在于所述步骤中Cu薄膜及NiFe保护层的制备工艺为：基底的真空为4×10-4Pa，溅射条件选择为溅射Ar气压和溅射功率分别为0.67Pa和800W，氩气流量为1.2×10-3m3/分钟。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20060913 Termination date: 20111028 |