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精读:深度解析传感器敏感元件的加工新技术

仪表科普 2019年07月15日 08:45:36 来源:传感器专家网人气:19027
  【仪表网 仪表科普敏感元件的性能除由其材料决定外,还与其加工技术有关。采用新的加工技术,如集成技术、薄膜技术、微细加工技术、离子注人技术、静电封接技术等,能制作出质地均匀、性能稳定、可靠性高、体积小、质量轻、成本低、易集成化的敏感元件。下面就薄膜技术、微细加工技术、离子注人技术作一简单介绍。
 
薄膜技术
 
  薄膜技术
 
  在一定的基底上,用真空蒸发、溅射、化学气相淀积(CVD)、等离子CVD、外延、电镀等工艺技术,制成金属、合金、半导体、化合物半导体等材料的薄膜,薄膜厚度约为零点几微米至几微米,这种加工技术称为薄膜技术。薄膜技术可制作力敏、光敏、磁敏、气敏、湿敏、放射线敏、热敏、化学敏、生物敏等薄膜敏感元件。它们的成品率高、参数一致性好、性能优良、成本低廉。
 
  真空蒸发是在真空室内将待蒸发(源)材料置于加热器中加热,使其分子或原子获得足够的热能离开源材料,形成蒸汽状,淀积到基底上,而形成薄膜。
 
  溅射是在低真空室中用高电压(高于1000V直流或交流)使气体电离形成等离子体,等离子体的正离子以高能量轰击由待溅射物质制成的阴极靶面,使其原子离开靶面淀积到阳极工作台的基片上而形成薄膜。这种方法形成的薄膜比真空蒸发的牢固,并能制出高熔点的金属(合金)膜和化合物膜,其化学成分基本不变,但工艺设备较复杂,成膜速度较慢。其中直流溅射用来制备金属(合金)薄膜和半导体薄膜,交流溅射则用来制造介质薄膜和金属薄膜。
 
  化学气相淀积是使含有待淀积物质的化合物升华成气体,与另一种气体化合物(也可含有待淀积物)在反应室内加热进行化学反应,生成固态淀积物,淀积在基底上而生成薄膜。等离子CVD是用直流或射频高电压,使反应室内通人的一定量气体(如氧气等)产生辉光放电,使室内反应气体(包括含有待淀积物质的气体)被电离而形成等离子区,为化学反应提高活化能。辉光放电所产生的高温,使反应气体化学反应生成淀积物,淀积在基底上生成薄膜。等离子CVD法薄膜生成速率高于CVD法,薄膜的特性取决于反应气体的流量、辉光放电状态、电压功率和基底温度等因素。利用等离子CVD工艺制作的多晶薄膜气敏元件,如Sn02和α- Fe2O3等具有灵敏度高、选择性好(α- Fe2O3可测乙醇)、稳定性高、响应时间短等特点。等离子CVD技术发展很快,是一种很有前途的加工技术。
 
  近年来发展的超微粒子薄膜技术常用的是等离子蒸发工艺。它是将某种化合物(或金属)在氧气或其他气体的等离子中蒸发,形成氧化物或其他化合物,凝聚在基底上而生成超微粒子薄膜。超微粒子薄膜具有许多独特的物理、化学性能,例如Sn02超微粒子薄膜对气体和湿度十分敏感,具有灵敏度高、选择性好、工作温度低(100?150℃)、与Si集成电路相容等特点,能制成多功能(温-湿-气)传感器,并向微型化和集成化方向发展。
 
  应该指出,不同的敏感元件所使用的薄膜工艺是不同的,即使是同种敏感元件也可采用不同的薄膜工艺来制造,以得到不完全相同的性能,因此应根据不同的要求选择不同的薄膜工艺。薄膜技术的机理还有待深人研究,以便更好地指导实践,提高薄膜敏感元件的稳定性和可靠性。现在正有望发现一些新的物理、化学效应,推动敏感元件的发展。
 
  外延工艺实质上也是一种CVD工艺。它是以硅单晶片等为基底,用氢或氟等来还原含有硅的化合物,如硅烷(SiH4)或四氯化硅等,使生成单晶硅或其他物质而淀积在基底上形成薄膜,例如用CVD技术在蓝宝石上外延生长单晶硅膜(SOS)。若基底和外延薄膜为同一物质,称为同质外延;反之,两者不是同一物质,则称异质外延。
 
  微细加工技术
 
  微细加工技术包括光刻、腐蚀、氧化、扩散等技术,其中以光刻、腐蚀技术应用最多。腐蚀技术中又因湿法腐蚀方法简单、成本低而大量使用,常用的腐蚀液有乙醇二胺、邻苯二酚和水, 按750 ml : 120 g : 240 ml配比的混合液,具有各向异性腐蚀特性,适用于加工各种特殊形状;KOH与水或异丙酮按44 g : 100 ml配制的溶液,其腐蚀速度与硅片晶向有关,最适宜于在(110)晶向处开深槽。这两种腐蚀液不能腐蚀掺有浓硼的硅,因此可用掺浓硼来精确控制尺寸的大小。还有一种常用的腐蚀液是HF : HN03和醋酸按1:2:1配制,其腐蚀速度快,但选择性不强,只能用Si3N4作掩蔽。
 
  微细加工是利用硅的异向腐蚀特性和腐蚀速度与掺杂浓度有关,对硅材料进行精细加工,制作复杂的敏感元件。例如,制作质量轻(低于0.02 g)、密封良好、与生物兼容的硅微型医用传感器,可随药丸吞服输人体内。如果在硅材料或其他材料上用化学腐蚀方法有选择地进行 开孔、减薄、刻槽等微机械加工,来形成微机械元件,则可制成硅压力、加速度、气体和医用传感器。这种以微米尺寸进行加工的技术是一种蚀刻技术,也属于微细加工技术。
 
  离子注入技术
 
  离子注人技术是半导体敏感元件的主要制备工艺,它是用电荷控制杂质,能在1010~ 106 μm2 范围内控制注人量,因此可精确控制PN结深,并能实现各种不同的掺杂,尤其是特种离子掺杂,能使半导体表面改性,能代替等离子CVD或溅射技术制备多晶材料,而避免水、氧等外来杂质的玷污,提高敏感元件性能。因此它优于以扩散为基础的掺杂方法,具有均匀性好、灵敏度高、重复性好、成品率髙、成本低廉、易实现批量生产等优点。可用来制作霍尔(Hall)器件(如GaAs高线性度Hall器件)、Ge - APD光电器件、1. 3μm  InGaAsP/InP半导体激光器、红外探测器等。制备非晶硅材料时,在线阵 CCD中实现表面反射层工艺等。
 
  (原文标题:精读:深度解析传感器敏感元件的加工新技术)
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