CN1279338C - 共振隧穿微机械力传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
共振隧穿微机械力传感器及其制造方法，属于微机电系统和传感技术领域。为了增加隧穿间隙以降低制造和控制的难度、提高传感器灵敏度，本发明公开了一种共振隧穿微机械力传感器，主要结构由上、下两个硅片组成，上硅片下表面生长有隧穿阳极，下硅片上表面与隧穿阳极对应位置处生长有隧穿阴极，隧穿阴极表面生长具有多薄层结构的隧穿结，多薄层结构由绝缘体性材料和金属性材料交替结合而成，或由不同带隙的半导体材料交替结合而成。本发明还公开了制造所述微机械力传感器的方法。本发明所述微机械力传感器具有灵敏性高、功耗低、噪声低、温度系数小等优点，而且加工工艺简单，适合大批量生产，易于推广应用。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统和传感技术领域，特别涉及一种基于共振隧穿位移敏感特性的微机械力传感器及其制造方法。
背景技术
近年来，利用微机电系统(MEMS)技术制作的微机械传感器特别是压力传感器、加速度计、陀螺等，以其体积小、成本低、易于集成和批量生产等优点，在军事、汽车、航天、医疗等领域获得广泛的应用。在微重力测量、倾角测量以及航空航天等领域，由于传感器的输出信号比较微弱，若要大幅度提高传感器测量准确度，一方面应不断改善测试电路，另一方面还需要从原理上对传感器本身进行改进。目前常见的检测方式有压阻式和电容式两种：压阻式检测是通过检测敏感梁上应力的变化来检测加速度，温度漂移大，需要进行温度补偿；电容式检测是通过检测质量块位置变化而引起的电容变化来检测加速度，电容变化量很小，受温度、杂散电容、电磁干扰等的影响严重，测试电路的实现难度非常大。
室温下，间距很小的两个电极间的势垒非常小，电子可以通过隧穿效应由一个电极到达另一个电极，形成隧穿电流。由于隧穿电流对位移的变化有极高的灵敏度，而且由于发生隧穿效应只需隧穿电极表面的一个金属原子，其灵敏度不随横向尺寸的减小而降低，因此解决了传统的位移传感器微型化带来的问题，可以将它作为灵敏的位移传感器用在许多微传感器之中。除此之外，隧穿效应传感器还有噪声低、温度系数小、动态响应性能好等特点。1994年，T.W.Kenny等人研制出基于隧穿效应的微机械加速度计，之后相继出现了基于隧穿效应的压力传感器、红外传感器和磁场计；1999年，R.L.Kubena等人研制了基于隧穿效应的惯性角速度传感器。隧穿效应传感器的主要结构是针尖，这在微机械加工过程中具有一定的难度，成品率不高。此外，只有针尖与电极之间的距离为1纳米左右时才能产生隧穿效应，这大大限制了传感器的工作范围，比如在陀螺振动过程中很难保持1纳米的距离。
共振隧穿效应是在隧穿效应基础上的一种使电子隧穿几率增强的机制，当入射电子的动能与势垒中束缚态的能级相匹配时，会在势垒内部发生干涉加强的现象，使电子的透射率大大增强。在不减小灵敏度和隧穿电流的情况下，可提高隧穿间隙至大约10纳米，这给大幅度提高隧穿效应传感器的灵敏度、以及降低制造和控制的难度提供了可能。
发明内容
为了增加隧穿间隙以降低加工工艺和控制难度、提高传感器灵敏度，本发明提出了一种采用微机电系统(MEMS)技术和隧穿结制备技术制造的共振隧穿微机械力传感器，同时还提出了该微机械传感器的加工工艺。
本发明的技术方案如下：
一种基于共振隧穿位移敏感特性的微机械力传感器，由上、下两个硅片组成，所述上硅片包括硅膜、或者硅梁及硅梁上的硅岛，以及在硅膜、或者硅梁及硅梁上的硅岛下表面生长的上驱动电极，所述下硅片包括在其上表面生长的下驱动电极，其特征在于：所述硅膜、或者硅梁及硅梁上的硅岛下表面还生长有隧穿阳极，所述下硅片上表面与所述隧穿阳极对应位置处生长有隧穿阴极，所述隧穿阴极表面生长有多薄层结构的隧穿结，所述多薄层结构由绝缘体性材料和金属性材料交替结合而成，或由不同带隙的半导体材料交替结合而成，所述隧穿结表面生长有控制隧穿电子发射的控制电极。
在本发明中，由绝缘体性材料和金属性材料交替形成的结构包括CaF2/CoSi2或Al2O3/Al结构。
在本发明中，由不同带隙的半导体材料交替形成的结构包括GaAs/GaAlAs、GaAs/InGaAs、GaAs/InAlAs、GaAs/GaAsSb、GaAsP/GaAlAs、InP/InGaAs、InP/InGaAsP、Si/GeSi、Si/GaAs、Si/InP或Si/SiC结构。
一种制造所述共振隧穿微机械力传感器的方法，包括上片工艺、下片工艺和键合工艺，所述上片工艺包括如下步骤：体硅腐蚀硅膜、或者硅梁及硅梁上的硅岛结构，以及溅射或蒸镀金属薄膜、光刻图形化形成上驱动电极、隧穿阳极和键合金属层；所述下片工艺包括如下步骤：溅射或蒸镀金属薄膜，光刻图形化形成下驱动电极和隧穿阴极；所述键合工艺包括如下步骤：将上片和下片对准进行金硅共熔键合，键合好的硅片进行划片，最后将接线端子与外界的检测电路相连；其特征在于，在完成下片工艺现有步骤加工出微机械结构后，在键合工艺之前，还要增加以下两个步骤：
1)利用分子束外延、金属有机化合物化学气相沉积、离子束淀积、原子层外延或激光分子束外延方法在所述微机械结构的隧穿阴极上生长具有多薄层结构的隧穿结，所述多薄层结构由绝缘体性材料和金属性材料交替结合而成，或由不同带隙的半导体材料交替结合而成，
2)在所述隧穿结表面溅射或蒸镀金属薄膜形成隧穿电子发射的控制电极。
本发明的有益效果是：本发明利用共振隧穿电流随位移变化的敏感特性，实现了高灵敏度、低功耗的微机械力传感器，它具有噪声低、温度系数小等优点，能够增加工作时的隧穿间隙，降低传感器的控制难度。本发明提出的制造微机械力传感器的工艺简单，适合大批量生产，易于推广应用。
附图说明
图1为共振隧穿微机械力传感器的一个实施例，即微机械压力传感器的结构示意图。
图2为共振隧穿微机械力传感器的一个实施例，即微机械加速度计的结构示意图。
具体实施方式
本发明涉及到两种共振隧穿微机械力传感器，其中实施例一是采用膜弹性结构的微机械压力传感器，实施例二是采用梁弹性结构的微机械加速度计。
实施例1
如图1所示是共振隧穿微机械力传感器的一个实施例，即微机械压力传感器的结构示意图。共振隧穿微机械压力传感器主要结构由上硅片1和下硅片2两部分组成，上硅片1包括硅膜3以及在其下表面生长的上驱动电极4和隧穿阳极5，下硅片2包括在其上表面生长的下驱动电极4，还包括在其上表面与隧穿阳极5对应位置处生长的隧穿阴极8，以及在隧穿阴极8表面生长的具有多薄层结构的隧穿结9，隧穿结9表面生长有控制隧穿电子发射的控制电极12。工作时，首先在上、下驱动电极4间施加一定的电压，通过反馈控制两电极之间的静电吸引力使得隧穿阳极5与控制电极12的间隙保持在10纳米左右，同时在隧穿阳极5和隧穿阴极8之间施加一定的电压，隧穿结9中的电子就会通过电极之间的腔6到达隧穿阳极5，形成隧穿电流。在压力的作用下，硅膜3弯曲，改变隧穿阳极5与控制电极12的间隙，从而导致隧穿电流发生变化。由隧穿阳极5和隧穿阴极8引出的接线端子7与外部的检测电路(未画出)相连，通过放大、滤波等信号处理，检测出电流信号并进行分析。测量电流的变化实现对位移的检测，从而最终实现压力的检测。
共振隧穿微机械压力传感器的加工工艺主要有以下三个步骤：1、上片工艺；2、下片工艺；3、键合工艺。具体实现步骤包括：
1.上片工艺
1)热氧法在硅片上生长二氧化硅(SiO2)，然后低压化学气相沉积法(LPCVD)在二氧化硅(SiO2)上淀积氮化硅(Si3N4)；
2)正面甩胶、光刻、反应离子刻蚀(RIE)二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)；
3)放入氢氧化钾(KOH)腐蚀液中进行体硅腐蚀，腐蚀下去约200至350微米；
4)背面甩胶、光刻、反应离子刻蚀(RIE)二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)；
5)背面甩胶、光刻、刻蚀二氧化硅(SiO2)；
6)氢氧化钾(KOH)体硅腐蚀0.5至3微米；
7)漂去露出的二氧化硅，氢氧化钾(KOH)体硅腐蚀2至5微米；
8)除去硅片表面剩余的二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)；
9)热氧生长二氧化硅(SiO2)；
10)背面溅射铬/金(Cr/Au)；
11)甩胶、光刻，用KI/I2饱和溶液腐蚀金(Au)，硝酸铈铵腐蚀Cr，制作出上驱动电极、隧穿阳极和键合使用到的金；
2.下片工艺：
1)热氧法在硅片上生长二氧化硅(SiO2)；
2)正面甩胶、光刻、反应离子刻蚀(RIE)二氧化硅(SiO2)形成键合结构；
3)甩胶、光刻、溅射铬/金(Cr/Au)，用剥离工艺制作出下驱动电极和隧穿阴极；
4)利用离子束淀积的方法依次生长CaF2/CoSi2/CaF2，制备出三层结构的隧穿结；
5)甩胶、光刻，采用氢氟酸缓冲液(BHF)对CaF2和CoSi2进行湿法腐蚀，形成隧穿结的图形；
6)甩胶、光刻、溅射金(Au)，用剥离工艺制作出隧穿电子发射的控制电极。
3.键合工艺：
1)把上片和下片对准进行金硅共熔键合。
2)正面反应离子刻蚀(RIE)二氧化硅(SiO2)，氢氧化钾(KOH)体硅腐蚀至膜剩10
至30微米；
对键合好的硅片进行划片。把划出的芯片(die)贴到管座上，压焊出引线。用胶把引线槽孔密封。
其中三层结构的隧穿结还可以是通过分子束外延、金属有机化合物化学气相沉积、原子层外延或激光分子束外延等方法生长。隧穿结除采用三层结构外，还可以采用其他多层结构如五层结构等。所述的多层结构还可采用由绝缘体性材料和金属性材料交替形成的结构，如Al2O3/Al实现；也可采用由不同带隙的半导体材料交替形成的结构，如GaAs/GaAlAs、GaAs/InGaAs、GaAs/InAlAs、GaAs/GaAsSb、GaAsP/GaAlAs、InP/InGaAs、InP/InGaAsP、Si/GeSi、Si/GaAs、Si/InP或Si/SiC来实现。
实施例2
如图2所示是共振隧穿微机械加速度计的结构示意图。共振隧穿微机械加速度计主要结构由上硅片1和下硅片2两部分组成，上硅片1包括硅梁13及其上的硅岛11、以及在硅梁13和硅岛11下表面生长的上驱动电极4和隧穿阳极5，下硅片2包括在其上表面生长的下驱动电极4，还包括在其上表面与隧穿阳极5对应位置处生长的隧穿阴极8，以及在隧穿阴极8表面生长的具有多薄层结构的隧穿结9，隧穿结9表面生长有控制隧穿电子发射的控制电极12。工作时，首先在上、下驱动电极4间施加一定的电压，通过反馈控制两电极之间的静电吸引力使得隧穿阳极5与控制电极12的间隙保持在10纳米左右，同时在隧穿阳极5与隧穿阴极8之间施加一定的电压，隧穿结9中的电子就会通过电极之间的腔6到达隧穿阳极5，形成隧穿电流。在加速度的作用下，硅岛11带动硅梁13发生位移，改变隧穿阳极5与控制电极12的间隙，从而导致隧穿电流发生变化。由隧穿阳极5和隧穿阴极8引出的接线端子7与外部的检测电路(未画出)相连，通过放大、滤波等信号处理，检测出电流信号并进行分析。测量电流的变化实现对位移的检测，从而最终实现加速度的检测。
共振隧穿微机械加速度计的加工工艺主要有以下三个步骤：1、上片工艺；2、下片工艺；3、键合工艺。具体实现步骤包括：
1.上片工艺
1)热氧法在硅片上生长二氧化硅(SiO2)，然后低压化学气相沉积法(LPCVD)在二氧化硅(SiO2)上淀积氮化硅(Si3N4)；
2)正面甩胶、光刻、反应离子刻蚀(RIE)二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)；
3)放入氢氧化钾(KOH)腐蚀液中进行体硅腐蚀，腐蚀下去至膜剩30至50微米；
4)背面甩胶、光刻、反应离子刻蚀(RIE)氮化硅(Si3N4)；
5)背面甩胶、光刻、刻蚀二氧化硅(SiO2)；
6)氢氧化钾(KOH)体硅腐蚀0.5至3微米；
7)漂去露出的二氧化硅(SiO2)，再氢氧化钾(KOH)体硅腐蚀1至5微米；
8)除去硅片表面剩余的二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)；
9)热氧法生长二氧化硅(SiO2)；
10)背面溅射铬/金(Cr/Au)；
11)甩胶、光刻，用KI/I2饱和溶液腐蚀金(Au)，硝酸铈铵腐蚀Cr，制作出上驱动电极、隧穿阳极和键合使用到的金；
12)光刻上片，ICP刻单晶硅，形成硅梁结构。
2.下片工艺：
1)热氧法在硅片上生长二氧化硅(SiO2)；
2)正面甩胶、光刻、反应离子刻蚀(RIE)二氧化硅(SiO2)形成键合结构；
3)甩胶、光刻、溅射铬/金(Cr/Au)，用剥离工艺制作出下驱动电极和隧穿阴极；
4)利用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)的方法依次生长GaAs/GaAlAs/GaAs，制备出三层结构的隧穿结；
5)甩胶、光刻，采用感应耦合等离子刻蚀(ICP)对GaAs/GaAlAs/GaAs进行刻蚀，形成隧穿结的图形；
6)甩胶、光刻、溅射金(Au)，用剥离工艺制作出隧穿电子发射的控制电极。
3.键合工艺：
把上片和下片对准进行金硅共熔键合。
对键合好的硅片进行划片。把划出的小片(die)贴到管座上，压焊出引线。利用常规的封装工艺进行封装。
其中三层结构的隧穿结还可以是通过分子束外延、离子束淀积、原子层外延或激光分子束外延等方法生长。隧穿结除采用三层结构外，还可以采用其他多层结构如五层结构等。所述的多层结构还可采用由绝缘体性材料和金属性材料交替形成的结构，如Al2O3/Al或CaF2/CoSi2实现；也可采用由不同带隙的半导体材料交替形成的结构，如GaAs/InGaAs、GaAs/InAlAs、GaAs/GaAsSb、GaAsP/GaAlAs、InP/InGaAs、InP/InGaAsP、Si/GeSi、Si/GaAs、Si/InP或Si/SiC来实现。
综上所述，本发明所述的共振隧穿微机械力传感器通过检测隧穿电流的变化，测量由外界压力、加速度以及哥氏力的作用引起的位移，从而实现压力、加速度以及角速度的检测。
上述各制作步骤中采用的工艺方法及其工艺条件、工艺参数等均为本技术领域中的公知技术，在此不予重复叙述。
工艺设计在满足加速度计结构和功能的条件下，充分考虑了工艺可行性，尽量减少工艺步骤，节省了成本。整个结构基本采用硅材料，适合于在流水线上大批量生产。溅射金，一方面利用其良好的导电性能可以作为驱动电极、隧穿电极、控制电极及其引线，另一方面也可以实现硅—硅键合，这样可以节省工艺步骤。键合的目的是使上下硅片之间形成紧密的结合，从而实现封闭的环境。利用分子束外延、金属有机化合物化学气相沉积、离子束淀积、原子层外延或激光分子束外延方法生长隧穿结的步骤放在下片工艺的最后阶段，之后只有一步键合工艺，避免了由于生长中的高温对硅片后续工艺的影响。
Claims (4)
1.一种基于共振隧穿位移敏感特性的微机械力传感器，由上、下两个硅片组成，所述上硅片包括硅膜、或者硅梁及硅梁上的硅岛，以及在硅膜、或者硅梁及硅梁上的硅岛下表面生长的上驱动电极，所述下硅片包括在其上表面生长的下驱动电极，其特征在于：所述硅膜、或者硅梁及硅梁上的硅岛下表面还生长有隧穿阳极，所述下硅片上表面与所述隧穿阳极对应位置处生长有隧穿阴极，所述隧穿阴极表面生长有多薄层结构的隧穿结，所述多薄层结构由绝缘体性材料和金属性材料交替结合而成，或由不同带隙的半导体材料交替结合而成，所述隧穿结表面生长有控制隧穿电子发射的控制电极。
2.根据权利要求1所述共振隧穿微机械力传感器，其特征在于：由绝缘体性材料和金属性材料交替形成的结构包括CaF2/CoSi2或Al2O3/Al结构。
3.根据权利要求1所述共振隧穿微机械力传感器，其特征在于：由不同带隙的半导体材料交替形成的结构包括GaAs/GaAlAs、GaAs/InGaAs、GaAs/InAlAs、GaAs/GaAsSb、GaAsP/GaAlAs、InP/InGaAs、InP/InGaAsP、Si/GeSi、Si/GaAs、Si/InP或Si/SiC结构。
4.一种制造权利要求1所述共振隧穿微机械力传感器的方法，包括上片工艺、下片工艺和键合工艺，所述上片工艺包括如下步骤：体硅腐蚀硅膜、或者硅梁及硅梁上的硅岛结构，以及溅射或蒸镀金属薄膜、光刻图形化形成上驱动电极、隧穿阳极和键合金属层；所述下片工艺包括如下步骤：溅射或蒸镀金属薄膜，光刻图形化形成下驱动电极和隧穿阴极；所述键合工艺包括如下步骤：将上片和下片对准进行金硅共熔键合，键合好的硅片进行划片，最后将接线端子与外界的检测电路相连；其特征在于，在完成下片工艺现有步骤加工出微机械结构后，在键合工艺之前，还要增加以下两个步骤：
1)利用分子束外延、金属有机化合物化学气相沉积、离子束淀积、原子层外延或激光分子束外延方法在所述微机械结构的隧穿阴极上生长具有多薄层结构的隧穿结，所述多薄层结构由绝缘体性材料和金属性材料交替结合而成，或由不同带隙的半导体材料交替结合而成，
2)在所述隧穿结表面溅射或蒸镀金属薄膜形成隧穿电子发射的控制电极。
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