CN1687729A - 基于微机电系统的力敏器件的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种微机电系统技术领域的基于微机电系统的力敏器件的制作方法。方法如下：双面氧化过的硅衬底基片的表面清洗处理；双面甩正胶、曝光与显影及刻蚀SiO2；去光刻胶、单面刻蚀Si；溅射FeCuNbSiB薄膜；溅射Cu底层；甩正胶、曝光、显影；电镀Cu层；去正胶及物理刻蚀去底层；溅射顶层FeCuNbSiB薄膜；甩正胶、曝光、显影；刻蚀FeCuNbSiB薄膜；去正胶、深刻蚀Si；在真空炉中300℃下磁场退火半小时。本发明具有高的灵敏度和响应速度快等优点，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，又可以通过不同结构来提高其性能。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微机电系统(MEMS)技术领域的方法，具体是一种基于微机电系统的力敏器件的制作方法。
背景技术
随着微电子技术和微机电系统(MEMS)技术的迅速发展，目前市场上大部分力敏器件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器件，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。应力阻抗(Stress-impedance，简写SI)效应是近几年在钴基非晶丝中研究发现的一种新的磁效应，即非晶丝的交流阻抗在外力的作用下而发生显著的变化，称为应力阻抗效应。作为应力阻抗效应的钴基非晶丝材料，其应变因子在1260-4000，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、振动传感器等。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。
国家非晶微晶合金工程技术研究中心(安泰科技股份有限公司)的D.R.Li等(D.R.Li，Z.C.Lu，S.X.Zhou，J.F.Zhang，H.Liu and W.Han)在《CHINESE PHYSICSLETTER》(VOL.19，NO.7，pp.1000-1001，2002)上发表了“Giant stress-impedance effectin amorphous and high-current-density electropulsing annealed Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9ribbons(中国物理快报)”，提及了Fe基纳米晶成份的丝材和带材中的应力阻抗效应，其应变因子高达5000以上。相对于薄膜而言，丝和带材比较容易制备，在其中易于形成理想的磁各向异性，可以获得较为理想的敏感性能。但器件结构比较复杂，制备工艺繁复，丝和薄带在电路中的焊接、安装困难、丝和薄带容易破碎等。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于微机电系统的力敏器件的制作方法。使其能够实现整个传感器的薄膜化、小型化，并具有高的灵敏度和响应速度快，温度稳定性好。薄膜易于大批量生产，重复性好。而且，与声表面波技术结合，可构成无线被动式传感器，用于检测有害环境下或运动物体与应力/应变相关物理量的测量。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的MEMS技术的力敏器件的制作方法采用MEMS技术，对双面氧化的硅片进行处理，得到双面套刻对准符号，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纳米晶成份的曲折状三明治结构软磁多层膜材料；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纳米晶成份的曲折状三明治结构软磁多层膜，形成力敏器件；采用硅湿法刻蚀技术形成力敏器件的微结构。
本发明具体制作方法的步骤如下：
1、在清洗处理过的双面氧化的硅片衬底双面甩正胶，然后将光刻胶烘干，光刻胶厚度为5～6μm，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腐蚀液里刻蚀二氧化硅，最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90～110μm，下面工艺均在A面进行；
3、溅射软磁FeCuNbSiB薄膜，膜厚为2～6μm；
4、溅射Cu底层，厚度100～200nm；
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层的光刻胶掩膜图形；
6、电镀Cu层，厚度为2～6μm；
7、去正胶、用物理刻蚀方法去除Cu底层；
8、溅射软磁FeCuNbSiB薄膜，膜厚为2～6μm；
9、甩正胶，光刻胶厚度为6～8μm，光刻胶烘干温度为90～95℃，时间为30～60分钟，曝光与显影；
10、在40℃水浴中，采用专用的腐蚀液，刻蚀FeCuNbSiB薄膜；
11、去正胶，即形成曲折状三明治结构多层膜力敏器件；
12、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力敏器件；
13、将得到的器件在真空炉中300-400℃磁场下退火半小时，最终形成了具有悬臂梁结构的新型力敏器件。
上述步骤中FeCuNbSiB软磁薄膜的制备工艺为：溅射的薄膜为非晶的FeCuNbSiB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4.2Pa和600W，氩气流量为13SCCM。溅射过程中沿薄膜的横向施加约16kA/m的磁场。
Cu底层的制备工艺为：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20SCCM。
本发明与现有技术相比，具有以下有益的效果：
(1)本发明采用纳米晶成份的软磁多层膜材料与MEMS技术制作力敏器件，具有高的灵敏度和响应速度快等优点，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，又可以通过不同结构来提高其性能；
(2)本发明采用纳米晶成份软磁多层膜材料，可以获得很好的SI效应，避免了采用非晶丝和薄带作为力敏材料时器件易碎、器件性能重复性差和加工困难及批量化等带来的问题；
(3)本发明采用曲折状三明治结构多层膜，可以大大提高多层膜的SI效应及力敏器件的灵敏度；
(4)本发明可以通过改变纳米晶成份软磁薄膜和Cu层的宽度及厚度来提高SI效应，进而提高力敏器件的灵敏度；
(5)本发明可以通过退火工艺来提高多层膜的SI效应，进而提高力敏器件的灵敏度。
具体实施方式
以下结合实施例进一步的描述。
本发明的制作方法，具体的讲：
(1)在清洗处理过的双面氧化的硅片衬底双面甩正胶，光刻胶厚度为5μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为60分钟；双面曝光与显影后，采用BHF腐蚀液刻蚀二氧化硅，刻蚀温度为40℃，然后去光刻胶；
(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，刻蚀温度为80℃，刻蚀深度为100μm；
(3)溅射软磁FeCuNbSiB薄膜，FeCuNbSiB薄膜的厚度为2～6μm；
(4)溅射Cu底层，厚度为100～200nm；
(5)甩正胶，光刻胶厚度为8μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为60分钟，曝光与显影，得到电镀Cu层的光刻胶掩膜图形；
(6)电镀Cu层，Cu层厚度为2～6μm；
(7)去正胶、用物理刻蚀方法去除Cu底层；
(8)溅射软磁FeCuNbSiB薄膜，薄膜的厚度为2～6μm；
(9)甩正胶，光刻胶厚度为8μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为60分钟，曝光与显影；
(10)在40℃水浴中，采用专用的腐蚀液刻蚀FeCuNbCrSiB薄膜，时间20～40分钟；
(11)去正胶，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，刻蚀温度为80℃，直到将硅刻穿为止；
(12)将得到的器件在真空炉中300℃下磁场退火半小时，最终形成了具有悬臂梁结构的新型力敏器件。
本发明制作的基于微机电系统的力敏器件由硅衬底、引脚、曲折状三明治结构软磁多层膜力敏器件和硅悬臂梁组成，所述的曲折状三明治结构软磁多层膜力敏器件由中间的Cu层、Cu层外围包裹的FeCuNbSiB软磁薄膜构成的曲折状三明治结构，中间Cu层的宽度小于FeCuNbSiB薄膜的宽度，被FeCuNbSiB薄膜完全包裹。所述的FeCuNbSiB软磁薄膜的宽度为1～3mm。所述的中间Cu层宽度为0.1～2mm。
Claims (4)
1、一种基于微机电系统的力敏器件的制作方法，其特征在于，具体的步骤如下：
(1)、在清洗处理过的双面氧化的硅片衬底双面甩正胶，然后将光刻胶烘干，光刻胶厚度为5～6μm，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腐蚀液里刻蚀二氧化硅，最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100μm；
(3)、溅射软磁FeCuNbSiB薄膜，膜厚为2～6μm；
(4)、溅射Cu底层，厚度100～200nm；
(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层的光刻胶掩膜图形；
(6)、电镀Cu层，厚度为2～6μm；
(7)、去正胶、用物理刻蚀方法去除Cu底层；
(8)、溅射软磁FeCuNbSiB薄膜，膜厚为2～6μm；
(9)、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；
(10)、在40℃水浴中，采用专用的腐蚀液，刻蚀FeCuNbSiB薄膜；
(11)、去正胶，即形成曲折状三明治结构多层膜力敏器件；
(12)、采用夹具将这一面保护好，对另一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，最终形成了具有悬臂梁结构的力敏传感器；
(13)、将得到的器件在真空炉中300℃下磁场退火半小时，最终形成了具有悬臂梁结构的力敏器件。
2、如权利要求1所述的MEMS技术的力敏器件的制作方法，其特征是，所述的FeCuNbSiB软磁薄膜，其制备工艺为：溅射的薄膜为非晶的FeCuNbSiB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4.2Pa和600W，氩气流量为13SCCM。
3、如权利要求2所述的MEMS技术的力敏器件的制作方法，其特征是，所述的溅射，其过程中沿薄膜的横向施加约16kA/m的磁场。
4、如权利要求1所述的MEMS技术的力敏器件的制作方法，其特征是，所述的Cu底层，其制备工艺为：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20SCCM。
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| CN101062761B (zh) * | 2006-12-27 | 2010-09-29 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 用湿法腐蚀工艺制作截面为直角三角形的纳米梁加工方法 |
| CN102184934A (zh) * | 2011-04-02 | 2011-09-14 | 东莞宏威数码机械有限公司 | 掩膜板真空对位装置 |
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