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第4章 智能传感器系统的集成技术 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.1 集成电路的基本工艺 4.2 典型的集成电路元件制造工艺 4.3 微机械工艺的主要技术 4.4 典型微机械结构的制造 4.5 集成智能传感器系统举例 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.1 集成电路的基本工艺 4.1.1 晶片的制备 图 4 - 1 由原材料制成抛光晶片的工艺流程 第4章 智能传感器系统的集成技术 第一步，把石英砂与碳一起放在炉中加热，炉子中发生一系 列反应，得到纯度为98%的冶金级硅， 总反应式为 SiC(固体)+SiO2(固体)→Si(固体)+SiO(气体)+CO(气体) (4-1) 第二步，把硅碾成粉末，并使其与氯化氢(HCI)反应生成三氯 氢硅(SiHCl#-3)。在室温下，三氯氢硅为液体(沸点32℃)，将液体 分馏，除去杂质，然后将提纯后的三氯氢硅进行氢还原，得到电 子级硅(EGS) SiHCl3(气体)+H2(气体)→Si(固体)+3HCl(气体) (4-2) 这个反应在反应器中进行，反应器用电阻加热硅棒作硅的淀 积成核中心，电子级硅(EGS)是高纯度多晶材料，一般杂质含量 在10-9量级。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 2 直拉单晶炉 第4章 智能传感器系统的集成技术 (1) 炉子： 包括石英坩埚、 石墨基座、 旋转装置、 加热元 (2) 单晶提拉机构： 包括籽晶夹持器及旋转装置； (3) 保护气体控制系统： 包括气体源、 流量控制装置和一 个抽气系统。 整个系统在微机控制下自动运行，温度、单晶直径、提拉 速度、旋转速率等工艺参数也由微机进行控制，尽量减少人工 干预。 第4章 智能传感器系统的集成技术 生长单晶时，把多晶硅置于坩埚内，加热至硅的熔点温度以 上。坩埚上方的籽晶夹持器夹持有一小块晶向合适(例如〈111〉) 的籽晶。 把籽晶浸入熔体，部分籽晶熔化，但籽晶剩余部分的头 部仍与液面紧密接触， 然后将籽晶慢慢向上提拉， 随着固—液交 界面逐渐冷却 ，籽晶长成大直径单晶 。典型的提拉速度为几 mm/min。还有一种与直拉法类似的悬浮区融法，能生长更高纯度 的单晶硅，用于生产大功率器件。除此之外，还有一种布里奇曼 法，用于制备高速电路和集成光电器件用GaAs单晶。 晶体生长时，在熔体中加入一定量的掺杂剂，使生长的晶体 中含有所要求的掺杂浓度，P型硅常用硼作掺杂剂，N型硅常用的 掺杂剂是磷。 第4章 智能传感器系统的集成技术 晶体生长后，第一步先切去头部籽晶和尾部最后固化部分； 第二步是研磨晶棒表面，使直径达到规格要求；第三步沿晶棒 长度方向研磨出一个或几个平面， 这些面标志晶棒的特定晶向 及材料导电类型。接下来，用金刚石刀片把晶锭切成薄片。切 片决定四个晶片参数：表面晶向、厚度、斜度及弯曲度。 切片以后，用Al2O3和甘油混合物对晶片进行双面研磨。 晶 片成形的最后一步工序是抛光，经过抛光的晶片表面光滑如镜， 可以在其上用光刻方法制造器件。 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.1.2 外延(epitaxis)一词是由希腊字epi(...之上)和taxis(排列)组成。 外延工艺是控制杂质分布，优化器件和电路性能的一个重要手 段。 外延工艺的主要优点是能在远低于熔点的温度下生长。外 延工艺主要有气相外延(VPE)、 液相外延(LPE)、分子束外延 (MBE)几种。在各种外延工艺中， 对硅器件而言， 气相外延 (VPE)是最重要的工艺， 其它外延工艺(如分子束外延)可提供 VPE所不具备的优点。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图4-3 (a) 水平型； (b) 圆盘型； (c) 桶型 第4章 智能传感器系统的集成技术 气相外延生长可用四种硅源，即四氯化硅(SiCl4)、二氯二氢 烷(SiH2Cl2)、三氯氢硅(SiHCl3)、硅烷(SiH4)。其中人们研究最多， 应用最广的是四氯化硅源，它的典型反应温度是1 200℃。 用四 SiCl4(气体)+2H2(气体) Si(固体)+4HCl(气体) (4-3) 与(4 - 3) SiCl4(气体)+Si(固体) 2SiCl2(气体) (4-4) 第4章 智能传感器系统的集成技术 因此，反应中如果四氯化硅浓度过高，将发生硅的腐蚀而不 是生长，同时，因为(4 - 3)式是可逆的，如果进入反应室的携带气 体中含有氯化氢，将会发生腐蚀反应，常利用这个特性对硅片进 行外延生长前的在位清洁处理。 外延生长时，掺杂剂和四氯化硅同时导入生长系统； 常用气 态乙硼烷(B2H6)作为P型掺杂剂，用磷烷(PH3)和砷烷(AsH3)作为N 型掺杂剂。通常用氢做稀释剂，与掺杂剂混合，以适当控制混合 气体浓度，达到所需掺杂浓度。图 4 - 4 示意地说明了掺砷的化学 过程： 砷烷在硅表面吸附、分解，并掺入生长层。图 4-4 还说明 了表面生长机理：基质原子(硅)与掺杂原子(如砷)在表面吸附， 并 运动到生长的边缘处，为使这些原子有足够的迁移率以寻找它们 在晶格中的合适位置，外延生长必须有较高的温度。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 4 掺砷硅外延生长过程示意图 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.1.3 热氧化 半导体可用热氧化、电化学阳极氧化、等离子体反应等多 种氧化方法，其中对硅器件热氧化是最重要的，是现代硅集成 电路的关键工艺之一。例如在MOSFET电路中，栅氧化层和场 氧化层都是用热氧化的方法生长的。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 5 是电阻加热氧化炉的截面示意图， 反应器由电阻加 热的圆筒型石英管组成。开槽的石英舟放在石英管中，硅片垂直 插在石英舟的槽内，气源用高纯度干燥氧气(干氧氧化)或高纯度 水蒸气(湿氧氧化)，炉管装片端在垂直层流罩下，罩上保持有过 滤后的空气流，可减少硅片装入时受到玷污。氧化温度一般在 900~1 000 ℃，气体流速一般约为1 cm/s， 氧化系统用微处理器 来控制气流顺序， 自动升温并使氧化温度变化控制在±1 ℃内。 Si(固体)+O2(气体)→SiO2(固体) (4-5) Si(固体)+2H2O(气体)→SiO2(固体)+2H2(气体) (4-6) 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 5 电阻加热氧化炉的截面示意图 第4章 智能传感器系统的集成技术 干氧生长的氧化层电学性质最好，但在一定温度下生长同 样厚度的氧化层所需时间比湿氧氧化要长得多。对于较薄的氧 化层， 如MOSFET栅氧化层(≤100 nm)用于氧氧化；对于较厚的 氧化层，如MOS集成电路中的场氧化层(≥500 nm)，以及对于双 极型器件，则用湿氧氧化，以获得适当隔离和钝化的效果。 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.1.4 物理气相淀积 物理气相淀积主要有两种基本方法：真空蒸发淀积和物理溅 射淀积。真空蒸发淀积是利用热源或电子束等能源加热待淀积材 料， 使材料蒸发，在真空中扩散的过程中，一部分蒸发的材料淀 积在衬底上。在集成电路制造工艺中，常用这种方法淀积铝或铝 合金等熔点较低的材料，作为电极或连线，对器件进行金属化。 物理溅射淀积是利用荷能离子(通常为带正电的气体离子)轰击靶材， 把动能直接传递给靶材原子，而使某些靶材原子从靶表面逸出， 淀积在衬底材料上的物理化学过程。溅射淀积方法对于熔点特别 高的难熔金属或希望保持一定化学组分的化合物材料特别有用， 在集成电路中得到广泛应用。常用的溅射方法有直流溅射、射频 溅射、磁控溅射、离子束溅射和反应溅射等几种。 第4章 智能传感器系统的集成技术 直流溅射的原理如图 4 - 6 所示。整个系统置于真空室内， 真空室中充有惰性气体，常用的惰性气体是氩气，典型的气压为 1.3~13.3 Pa。被溅射材料(例如W，Ti, Si等)称为靶材， 作为阴极； 硅片(或其它衬底)作为阳极，阳极接地。阴极与阳极间加有-500~5 000 V的直流高压。电子在电场作用下被加速，与氩分子碰撞电 离， 产生氩离子和更多的电子，从而产生辉光放电。氩离子被电 场加速向阴极运动， 而电子向阳极运动产生电流。当氩离子打在 靶材上时，溅射出某些靶原子和二次电子， 二次电子可维持辉光 放电，溅射出的部分原子落在阳极衬底上，在那里凝结成核，扩 大并形成薄膜。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 6 直流溅射淀积的原理图 第4章 智能传感器系统的集成技术 直流溅射只能用于溅射导电材料，绝缘靶溅射常采用射频 (RF)溅射的方法， 图 4 - 7 是射频溅射的原理图。在阳极衬底和 阴极之间加有射频电压，这样正半周在靶上积累起来的正电荷将 被负半周的电子轰击所中和， 有效地解决了绝缘靶溅射过程中阴 极的电荷积累问题。在射频溅射时，采用的频率一般都比较高， 因为过低的频率会使正半周一开始积累起来的电荷过多，使该半 周大部分时间没有溅射效率，一般采用的频率是13.56 MHz。另 外，射频溅射可以在更低的压强(如0.133 Pa)下进行，造成的污染 较小。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 7 射频溅射的原理图 第4章 智能传感器系统的集成技术 把磁场用于溅射系统中， 磁场能对电子起加速作用，同时大 大减小电子数目损失，更有效地利用电子去电离产生离子，使溅 射效率提高， 衬底二次电子轰击减小，从而使薄膜均匀性改善， 这就是所谓磁控溅射。利用磁控溅射淀积铝及其合金的淀积速率 高达 1 μm/min。 离子束溅射是正在发展中的一种新技术， 它的特点是离子不 是用辉光放电产生的， 而是来自一个独立的离子源， 由电场加速 进入放置样品的真空室。离子束源的真空度为13.3×10-3 Pa，样品 室的真空度为 1.33×10-3 Pa。 为了防止带电束流因库仑排斥作用 而弥散，在真空室中，离子束入口附近放一发生电子的热灯丝， 使入射离子束中性化，束流打在靶上以后，靶材原子被溅射淀积 在衬底上。 第4章 智能传感器系统的集成技术 (1) 离子能量和电流独立于靶的作用过程， 可根据需要单独 控制， 束流的入射角也可单独控制， (2) 无电荷积累现象， (3) 整个过程可以在较高的真空度下进行(高于1.33×10-3 Pa)， 可以减少污染。 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.1.5 化学气相淀积 化学气相淀积的介质膜主要用于分立器件和集成电路的绝 缘和钝化。通常有三种淀积方法：常压化学气相淀积(CVD)、 低 压 化 学 气 相 淀 积 (LPCVD) 、 等 离 子 体 增 强 化 学 气 相 淀 积 (PCVD或等离子体淀积)。在选择淀积工艺时，需要综合考虑衬 底温度、淀积速率、膜的均匀性、表面形貌、电学性能、机械 性能以及介质膜的化学组分等多种因素。 图 4 - 8 是热壁低压CVD反应器原理图。石英管用三温区管 状炉加热，气体由一端引入，另一端抽出，半导体晶片竖直插 在开槽的石英舟上。典型的反应工艺参数为：压强为 30~250 Pa, 气体流速为 1~10 cm/s，温度为 300~900 ℃。这种反应器淀积薄 膜非常均匀而且加工量大，一炉可以加工几百片。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 8 热壁低压CVD反应器原理图 第4章 智能传感器系统的集成技术 当器件特征尺寸减小到10-7 m时，为减小热扩散造成掺杂分 布的展宽，人们发展了能量增强CVD技术，能够在很低温度 (25~300 ℃)下进行淀积。所谓能量增强，是指在CVD系统的热 能上加上其它形式的能量，如等离子能量、聚焦电子束能量、 聚焦激光束能量或聚焦离子束能量等等。事实上，我们前面提 到的PCVD就是一种能量增强CVD技术。 在集成电路中，SiO#-2膜具有广泛的应用。不掺杂的SiO 2膜可用作多层金属化之间的绝缘膜、 离子注入或扩散的掩蔽模、 腐蚀的掩模或用来增加热生长场氧化物的厚度，掺磷的二氧化 硅膜可用作金属层之间的绝缘隔离(磷硅玻璃回流)，也可用作最 终的钝化层，掺磷，砷或硼的氧化物有时也用来作扩散源。 第4章 智能传感器系统的集成技术 还可以用常压CVD、 LPCVD及其它方法来形成二氧化硅淀 积膜。 低温(300~500 ℃)时，用硅烷、掺杂剂与氧进行反应形成 二氧化硅膜。 SiH4+O2→SiO2+2H2 (4-7) 4PH3+5O2→2P2O5+6H2 (4-8) 淀积过程可以在常压CVD反应器内进行，也可以在低压 LPCVD反应器内进行，因为硅烷和氧反应淀积温度低，非常适 合在铝层上淀积氧化硅膜。 第4章 智能传感器系统的集成技术 在中等淀积温度(500~800 ℃)下，可以通过在LPCVD反应器 Si(OC2H5)4(简称TEOS)得到二氧化硅。 TEOS从液态蒸发并进行分解，形成SiO2及有机物和有机硅化合 Si(OC2H5)4→SiO2+副产品 (4-9) 由于反应要求高温，所以覆盖在铝上面的二氧化硅不能用这 种方法获得，它适用于在多晶硅栅上制造均匀性及台阶覆盖性好 的绝缘层。 在高温(900 ℃)淀积情况下，二氯甲硅烷(SiCl2H2)和氧化亚氮 (笑气) SiCl2H2+2N2O→SiO2+2N2+2HCl (4-10) 第4章 智能传感器系统的集成技术 高温淀积的二氧化硅薄膜非常均匀， 有时被用来淀积多晶硅 上的绝缘膜。 氮化硅膜可用中等温度(750 ℃)LPCVD方法和低温(300 ℃)等 离子体增强CVD方法淀积。LPCVD薄膜具有理想化学配比(Si3N4)， 密度高(2.9~3.1 g/cm3)，因为它们能有效地阻挡水和钠离子扩散， 常用于钝化器件。氮化硅的氧化很慢，而且可以防止膜下面的硅 氧化，也可作为硅的选择氧化掩模。用等离子体增强CVD法淀积 的薄膜不是理想化学配比的，密度较低(2.4~2.8 g/cm3)，由于淀积 温度低，可以在器件完全制成后进行淀积，作器件最终的钝化膜。 等离子淀积的氮化硅膜具有很强的抗划伤能力，可作为防潮膜， 还能阻挡钠离子扩散。 第4章 智能传感器系统的集成技术 CVD也是金属化工艺中很有吸引力的一种工艺， 它能形 成有良好台阶覆盖的共形覆盖层，而且能同时进行大批量的淀 积， 淀积的薄膜电阻率也比物理气相淀积的低。另外，利用 CVD工艺能够淀积钨、钼、钽、钛等低电阻率、高熔点金属， 这是CVD技术在集成电路工艺中主要的新应用领域之一。 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.1.6 1. 光刻工艺流程 光刻工艺是利用光刻胶受光照部分与未受光部分溶解特性的 巨大差异在衬底表面制作图形的技术。光刻胶的主要成分是感光 树脂， 它分为负性光刻胶和正性光刻胶两种。在显影液中，正性 光刻胶曝光后的部分很容易被溶解，未曝光的部分则很难溶解， 负性光刻胶的特性则恰恰相反。因此在硅片上涂一薄层胶， 令其 在某些部分感光，经显影后留下胶膜的图形。利用这层胶膜作为 掩模，进一步对未被覆盖的Si(或SiO2, Si3N4等材料)进行刻蚀加工， 把胶膜上的图形转移到硅衬底的薄膜上去，从而作成各种器件和 电路结构。 第4章 智能传感器系统的集成技术 任何一种典型的光刻过程主要都包括三个步骤： 曝光、 显影、 腐蚀或淀积。图 4- 9 是光刻工艺的主要流程。 涂胶的操作是在洁净干燥的硅片表面均匀地涂一层光刻胶。 常用的方法是先把胶滴在硅片上，然后使硅片高速旋转，液态胶 在旋转中因离心作用由轴心沿径向流出硅片，但粘附在紧靠硅片 表面的胶受粘着力的作用而被留下，在旋转过程中胶所含溶剂不 断挥发，可得到一层均匀分布的胶层。 胶层的厚度与光刻胶种类、旋转速度、液态胶粘度有关。为 防止胶层与硅片表面粘附不牢，涂胶前的硅片表面必须按严格的 规程清洗干净而且要烘烤干燥。对于粘附能力弱的光刻胶，涂胶 前应先在硅片表面涂一层粘着剂。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 9 光刻工艺主要流程 第4章 智能传感器系统的集成技术 前烘是指曝光前用烘烤的方法使胶层中的溶剂挥发，从而 使胶层干燥的工艺步骤。通常采用干燥循环热风、红外线烘烤 及热板烘烤等热处理方法使胶层干燥。 (1) (2) 在接触式曝光中可以提高胶层与掩模版接触时的耐磨性 (3) 提高和稳定胶层的感光灵敏度。 第4章 智能传感器系统的集成技术 2. 紫外光曝光 紫外光源是光刻技术中最早采用的方法，也是目前工业 上普遍应用的光刻光源。最初的紫外光源是由高压泵灯产生 的， 现在则普遍采用高亮度、高单色性、方向性好的紫外激 光光源，通常使用CeCl2或Ar+准分子激光器。以紫外光源为基 础的曝光方法主要有： 接触式、 接近式和投影式。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 10 接近式曝光装置示意图 第4章 智能传感器系统的集成技术 它由四部分组成：光源、掩模版、硅片(样品)以及对准台。 紫外光照射到掩模版上，在光刻胶膜上形成图形的像， 掩模版 与硅片之间有一小的间隙s, s一般为几个微米或更小，这种方法 称为接近式。 接近式曝光的理论分辨率除了同光源波长有关外， 还和掩模版与硅片间的间隙s有关。它通常由下式决定： R 1 2.8 s (4-11) 接触式曝光系统与接近式相同，惟一的区别是掩模版与硅片 紧密接触，因此s非常小，但不等于0，因为曝光胶有一定的厚度， 而曝光是在胶层中进行的，故接触式曝光的分辨率优于接近式曝 光。 第4章 智能传感器系统的集成技术 投影光刻系统原理如图 4 - 11 所示。平行光源透过掩模版并 由第二个透镜聚焦投影成像到硅片上，硅片支架和掩模版间有一 对准系统。 投影曝光的两个突出优点是： (1) 样品与掩模版不接触， 免去了接触磨碰引入的工艺缺陷， (2) 掩模不易破损， 所以可以对掩模做仔细修整， 消除缺陷， 提高掩模的利用率。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 11 投影光刻系统原理图 第4章 智能传感器系统的集成技术 投影曝光的两个突出优点是： (1) 样品与掩模版不接触， 免去了接触磨碰引入的工艺缺陷， (2) 掩模不易破损， 所以可以对掩模做仔细修整， 消除缺陷， 提高掩模的利用率。 投影曝光系统的分辨率主要受光波衍射效应的限制。 它由下 式决定： Y 0.61 N . A. 式中：N.A.是光学系统的数值孔径； λ是光波长。 (4-12) 第4章 智能传感器系统的集成技术 3. 几种新型的曝光系统 随着集成电路集成度的提高，单个元件尺寸的减小，对曝光 系统的分辨率要求越来越高，一些新的曝光光源和方法也应运而 生， 并得到发展。 采用短波长的光源可以提高光刻的分辨率，X射线比紫外光波 长小 2~3 个数量级，成为吸引人的探索领域。由于X射线束不易被 聚焦， 所以大都采用接近式曝光。目前，X射线光刻还停留在实 验室阶段。用同步辐射加速器产生的准平行高亮度软X射源， 波 长在 0.4~5 nm之间，同时其它软X射线光源(如X射线激光)等也在 探索之中。日本用同步辐射软X射线光源，采用接近式曝光， 已 得到图形非常好的线宽 70 nm的图形。X射线光刻从室验室走向工 业生产还有许多技术需要取得突破：高亮度、低价格、准单色、 准平行的X射线源，X射线光学系统，高反差的掩模版材料， 高灵 敏度、高分辨率和抗腐蚀能力的光刻胶。 第4章 智能传感器系统的集成技术 电子束曝光是指具有一定能量的电子进入到光刻胶中与胶 分子相互作用， 并产生化学反应。电子束波长仅为 0.01 nm， 因此可以不考虑衍射效应； 在电子束曝光过程中影响分辨率的 主要是邻近效应。扫描电子束曝光是一种理想方法， 其最好线 宽达 1.3 nm。目前存在的主要问题是加工速度慢，在一个φ ≥100 mm硅片上完成图形曝光约需 1 h以上，生产上主要用它制 做掩模。室验室中，则正致力于提高在硅片上直接曝光的效率， 如采用组合曝光或多电子束同时扫描技术。 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.1.7 刻蚀 刻蚀的主要内容是把经过曝光、显影后光刻胶图形中下层 材料的裸露部分去掉，在下层材料上重现与光刻胶相同的图形。 按照不同的标准，刻蚀可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀， 或湿法腐蚀和干法腐蚀。 湿法腐蚀曾经是器件和集成电路中广泛采用的方法，但随 着电路集成度的提高，线宽变细(≤1 μm)，腐蚀效果变差，已逐 步为干法腐蚀所代替。 腐蚀不仅在IC工艺中占有重要地位，而 且是微机械工艺中的重要工具。在微机械工艺中，各种腐蚀方 法的特点表现得更加明显. 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.1.8 扩散 扩散是将可控制数量杂质掺入半导体内的一种关键工艺， 经常用于对衬底进行选择掺杂以形成N型区或P型区。利用掺杂 剂的气相淀积或掺杂氧化物源， 将掺杂剂原子置于半导体晶片 的表面上或附近。经过扩散，掺杂剂浓度从表面到体内单调下 降，掺杂剂在半导体内的分布主要由扩散温度及扩散时间决定。 图 4 - 12 是扩散杂质在衬底中的分布情况。高温扩散工艺在 70 年代以前是选择掺杂的主要方式，现在在集成电路中扩散主要 用来形成深结(如CMOS中的N阱)。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 12 扩散杂质在衬底中的分布 第4章 智能传感器系统的集成技术 扩散过程是由晶片中杂质原子浓度分布不均引起的，杂质原 子在晶格中可作替式或间隙式运动。如果用D表示扩散系数，C表 示杂质浓度，则扩散流密度(单位时间通过单位面积的杂质原子 数)F为 C F D X (4-13) 杂质扩散常用的方法有两种，即恒定表面浓度扩散和恒定杂 质总量扩散。恒定表面浓度扩散是由气态源将杂质原子输运到半 导体表面并向体内扩散， 整个扩散过程中，气态源保持表面浓 度恒定。恒定杂质总量扩散是将固定(恒定)量的杂质淀积在半导 体表面薄层内，然后杂质逐渐向半导体内扩散。这两种扩散方法 因为边界条件不同，杂质在基片内的分布形式也不一样，前者呈 余误差函数分布，后者是高斯型分布。 第4章 智能传感器系统的集成技术 杂质扩散一般是把半导体晶片放在炉子中，并通以含有掺 杂剂的气体，炉子及气体管道设备与热氧化类似，常用的温度 对硅为 800~1 200 ℃。硅的扩散常用硼作P型掺杂剂，用砷和磷 作N型掺杂剂， 这三种杂质在硅中固溶度很高， 在扩散温度范 围内可高达5×1020cm-3 以上，容易得到很高的掺杂浓度。这些 掺杂剂可用固态源(如BN、As2O3, P2O5)，液态源(如BBr3, AsAl3, POCl3)以及气态源(如B2Br3, AsH3, PH3)。用惰性气体(如N2)作为 携带气体，把源剂输运到半导体表面，并在表面进行还原，以 2As2O3(固体)+3Si(固体)=4As(固体)+3SiO2(固体) (4-14) 第4章 智能传感器系统的集成技术 常用的掺杂杂质在二氧化硅中的扩散系数比硅中小得多， 如在 900 ℃时， 砷在硅中的扩散系数为 4×10-19cm2/s, 硼为 3×10-19 cm2/s，磷为 4×10-18 cm2/s。利用二氧化硅这种特性， 可以把二氧化硅作为掺杂的有效掩模，二氧化硅的掩蔽作用是 目前集成电路的基本工艺，如果在氧化层上刻出窗口，利用留 下的氧化层作为掩模，可以把掺杂剂杂质引入硅衬底的指定区 域以形成P-N结。 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.1.9 离子注入 离子注入是把具有一定能量的带电离子掺入到硅等衬底中， 用来改变衬底的电学性质。典型的离子能量是 30~300 keV, 注入 剂量在 1011~1016离子数/cm2范围内。同扩散工艺相比，离子注入 的主要优点是可以精确控制掺入杂质的数量、 重复性好、加工 温度低等。 图 4 - 13 是离子注入系统示意图。 离子源含有电离的掺杂原 子(如B+ 和As+)，质量分析器的作用是去除掉不希望的离子，经 过选择的离子进入加速管并被电场加速到高能状态，高能离子经 过垂直扫描器与水平扫描器注入到半导体衬底中。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 13 离子注入系统示意图 第4章 智能传感器系统的集成技术 进入衬底的高能离子通过两种机制损失能量，运动速度逐渐 减慢，最后停留在衬底中。一种是离子与靶原子核发生作用，将 能量转移给靶原子核，使入射离子发生偏转，也使很多靶原子核 从原来的格点移位，这种情况通常称为核阻止过程。 另一种常被 称为电子阻止过程，其机理是入射离子与靶原子周围电子云的互 相作用。通过库仑作用，离子和电子碰撞失去能量，电子被激发 到较高能级或脱离原子。对于质量不同的原子，这两种阻止机制 所起作用的大小也不一样。如对较轻的硼离子主要通过电子阻止 过程消耗能量；对较重的砷离子则主要通过核阻止过程消耗能量； 对和硅原子质量相差不多的磷离子来说，存在一个临界能量(130 keV)，注入离子能量高于临界能量主要通过电子阻止过程消耗能 量，而低于临界能量时则通过核阻止过程消耗能量。 第4章 智能传感器系统的集成技术 离子在衬底中从入射到静止所经过的总行程称为射程，射程 在入射上的投影称为投影射程。由于单位距离中碰撞次数以及每 次碰撞所消耗的能量均为随机变量，因此质量和初始能量相同的 离子在衬底内停留的位置有一个空间分布， 通常这个分布可用 高斯分布函数近似表示。顺便说一点，离子注入时，在垂直入射 轴方向中也会产生注入离子的分布，在掩模的边缘发生横向渗透， 但这种横向渗透深度远小于热扩散中的横向扩散深度。这也是离 子注入工艺的主要优点之一。 第4章 智能传感器系统的集成技术 用高斯函数能很好地说明注入离子在非晶硅或小晶粒多晶 硅衬底中的分布情况。对于单晶硅，只要离子方向偏离低指数 晶向(如〈100〉，〈110〉等)， 也能用高斯型函数来描述离子注 入分布，但是当入射离子对准某一主要晶向时，有一部分注入 离子行进的轨道和靶原子距离不是很近，这部分注入离子和核 碰撞时不会损失很多能量，此时入射离子主要由电子阻止造成 能量损失，产生所谓沟道效应，沟道效应使离子射程比在非晶 硅中大很多。在实际应用中，沟道效应对器件制造是不利的。 为了避免沟道效应， 一般将注入离子偏离主晶向7°~10°角入 射或先注入惰性气体离子，使表面形成非晶层，再进行杂质注 入。 第4章 智能传感器系统的集成技术 进入半导体的高能离子与原子核碰撞(核阻止)过程中，能 向晶格转移足够能量，使晶体原子发生移位造成晶格无序(损 伤)。 这些移位原子可能拥有大部分能量， 它们本身又引起邻 近原子的级联二次移位， 结果沿离子经过区域形成树枝状无 序区，如图 4 - 14 (b)所示。当单位体积内移位原子接近半导体 的原子密度时， 单晶材料便成为非晶材料。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 14 (a) 注入轻离子； (b) 注入重离子 第4章 智能传感器系统的集成技术 轻离子在半导体中运动主要由电子阻止消耗能量，电子阻止 不会使原子移位形成损伤，但当轻离子在晶体中运动能量减低到 一定程度之后，核阻止将成为能量损耗的主要机制，此时将产生 原子移位。因此，轻离子注入损伤层主要在离子最终位置附近， 如图 4 - 14(a)所示。例如以 100 eV的硼离子注入硅衬底中， 损伤 区主要发生在 150 μm附近。重离子在半导体中运动主要由核阻止 消耗能量，因此在整个离子运动的投影射程内都将发生显著损伤， 形成畸变团。 第4章 智能传感器系统的集成技术 因为损伤区和畸变团等的存在，注入的离子大都不是以替 位形式处在原有原子位置上。退火的作用是在适当的温度下， 使注入离子进入晶格点阵(即激活)，恢复迁移率及其它材料参数。 退火温度是指在一定的离子注入量下， 在该温度下退火 30 分钟 后90%的注入离子被激活。 通常的扩散炉退火，由于退火时间较长，将使杂质分布显 著变宽。 随着器件尺寸变小，要求用低温和瞬时退火工艺，以 使杂质扩散减小。如利用激光、电子束等作能源，可以大大缩 短退火时间， 即所谓瞬时退火(10-9s~102 s)，有效减小杂质分布 变宽的现象。 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.2 典型的集成电路元件制造工艺 4.2.1典型的集成电路制造流程 (1) 设计：由设计者根据系统或电路的功能要求，以现有工 艺为出发点，采用计算机辅助设计(CAD)手段设计电路并生成版 图， 将已设计完成的版图转化为一套光刻掩模版。一种集成电 路往往有 6~10 块， 甚至更多的掩模版， 分别作为氧化、扩散、 离子注入、 互连、 金属化和压焊等各种工序的掩模图形。 第4章 智能传感器系统的集成技术 (2) 芯片制造：如图 4 - 15 中虚线框中， 原材料是具有一定 电阻率及晶向的抛光晶片。 薄膜形成工艺包括： 外延生长半导 体薄膜， 热氧化膜， 淀积多晶硅、 介质和金属膜。薄膜形成 后， 用扩散或离子注入进行掺杂，或在薄膜形成后进行图形曝 光。 图形曝光后，通常进行刻蚀，接着再进行另一次掺杂或再 形成薄膜， 将各个掩模版上的图形逐次转移到半导体晶片表面 层上，获得最终的IC器件。 如果是在一个晶片上制造了多个相 同芯片，则还要进行划片或激光切割将芯片分开。 第4章 智能传感器系统的集成技术 (3) 封装： 对制造好的芯片进行封装，为在实际电子学上 的应用提供合适的散热和引线连接条件。 (4) 测试： 对做好的芯片进行测试， 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 15 集成电路制造的主要步骤 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.2.2 集成电路电阻器 图 4 - 16 集成电阻器 第4章 智能传感器系统的集成技术 对于直条形电阻器，在深度X处厚度为dX，与表面平行的P 型材料薄层的微分电导为 W dG q P P( X ) dX L (4-15) 式中：W与L分别为条形电阻器的宽度和长度(暂且忽略端头接触 面积)；μP为空穴迁移率；P(X)为空穴浓度的分布函数。 如果已知P(X)分布和μP值，则整个条形注入区的总电导为 G Xj 0 W dG q L Xj 0 W P P( X )dX g L (4-16) 第4章 智能传感器系统的集成技术 式中：Xj为结深； g q Xj 0 P P( X )dX 是一个方形电 阻的电导。 电阻值是 1 L 1 R G W g 其中1/g通常用符号R表示 , 称为薄层电阻，单位为Ω/□ (4-16) 第4章 智能传感器系统的集成技术 集成电路中的多个电阻是同时制成的， 只要在掩模版上确 定不同的几何形状即可，由于所有电阻用同样的工艺过程制造， 因此可把电阻值分为两部分考虑：由注入(或扩散)工艺决定的薄 层电阻R□以及由图形尺寸决定的比值L/W，一旦R□值已知，电 阻值即由比值L/W(即电阻图形的方块数)决定。集成电阻器端头 接触面积会引起附加电阻，如在图中情况，一个端头近似等于 0.65“方”， 曲折形电阻器的拐角处的一方是0.65“方”。 例如， 90μm长 10 μm宽的电阻等于 9“方”(9 □)，两个端头接触相当于 1.3 □，若注入层的薄层电阻为 1 kΩ/□，则电阻值为10.3 □×1 kΩ/□=10.3 kΩ。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 17 热敏电阻的结构示意图 第4章 智能传感器系统的集成技术 硅热敏电阻的结构如图 4 - 17 所示。它是由厚 250 μm，长、宽 均为 500 μm的N型硅片制成的平面结构。芯片平面是一个直径为 40 μm的圆形欧姆接触，背面是厚约 3.5 μm的N+型区。上电极是厚约 20μm、直径为 350 μm的银系多层结构。 芯片背面作为欧姆接触的 N+型扩散层和银系金属形成下电极。 硅热敏电阻是利用上下电极之 间阻值随温度变化制成的。由于接触电阻很小， 所以因热激发而产 生的载流子可以忽略不计。电流取决于N+区提供的载流子。如果在 上电极施加正电压，使流过热敏电阻的电流为 1 mA，在较小的N+ 区由于热激发而产生的空穴与周围返回的电子复合，不产生电流， 即电流仅取决于电子。由于电子迁移率随温度升高而减小，因此在 300 ℃以下，电阻随温度升高而增大。 热敏电阻的制造过程同普通 电阻类似，只是一些具体工艺参数不同。 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.2.3 集成电路电容器 集成电路中有两类电容器：MOS电容器和P-N结电容器。 MOS(metal-oxide-semiconductor)电容器用重掺杂区(如发射区)作 为一个极板，顶层金属作为另一个极板，中间的氧化层作为介质 层。图 4-18 为MOS电容器的顶视图和截面图。MOS电容器的制 法如下：在硅衬底上热生长一层厚氧化层， 接着在氧化层上曝光 和刻蚀形成窗口，利用剩余的氧化层做掩模，在窗口内用扩散或 离子注入的方法形成P+区，窗口外的厚氧化层作为掩蔽层，再在 窗口内热生长薄氧化层，接着进行金属化电极连接，单位面积的 电容量为 C ox d ( F / cm 2 ) 式中：εox为二氧化硅的介电常数(εox/εo为 3.9)；d为薄氧化层厚 度。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 18 MOS电容器的顶视图和截面图 (a) 集成MOS电容器；(b) 集成P-N结电容器 第4章 智能传感器系统的集成技术 若想进一步增大电容量，可采用介电常数较大的绝缘体。 例如Si3N4(εox/εo=8)和Ta2O5(εox/εo=22)，MOS电容器的下电极用重 掺杂材料制成，电容量与外加电压无关，而且与它有关的串联电 阻也减少了。 集成电路P-N结电容器与双极晶体管的一部分结构相同，其 制造工艺将在 4.2.5 节详细讨论。图4 - 18(b)是N+-P结电容器的顶 视图与截面图。P-N结电容器一般被反向偏置，即P区相对N+ 区 加反向偏压。电容量不是常数，而是随外加电压VR 与内建电势 Vbi以(VR+Vbi)-1/2的关系变化。因为P区电阻率比P+区大，所以P-N 结电容器串联电阻比MOS电容器高很多。 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.2.4 电感的制造 在传统的集成电路中，电感使用非常少，但是在智能传感器 微系统中，测量数据的无线传递、能量的无线发送、微执行器的 电磁驱动， 这些都促使了电感制造技术的发展。增大电感量的一 个重要途径是增加微电感的纵横比(aspect ratio)。 一种方法是在铜膜上制作电感掩模，然后在腐蚀液中进行腐 蚀得到微电感线圈。另一种方法是利用电感掩模版在衬底上淀积 活化层，接着在活化层上电镀厚铜层，形成微型电感。这两种方 法的共同缺点是不利于制造纵横比很高的大容量微型电感，因为 无论是腐蚀液对铜的腐蚀，还是铜在活化层上的电镀生长，都表 现为各向同性的特点， 限制了铜线条尺寸的进一步缩小。 第4章 智能传感器系统的集成技术 利用光刻胶材料制成电感模具，在模具中电镀生长铜线圈层， 是一种非常好的微型电感制造方法。这种方法有两个优点：一是 模具限制了铜导线的横向生长，也就是说， 在模具的限制下， 电镀生长铜导线表现为各向异性；二是电镀的速率能够比较容易 而且精确地控制，使铜导线层的高度与模具高度相同， 形成一个 较平坦的表面，便于在其上淀积绝缘隔层，制造另一个电感线圈 层， 得到多层电感线圈组成的大容量微型电感，这种方法的一种 典型制造过程如下： 第4章 智能传感器系统的集成技术 (1) 衬底是厚度为 0.1 mm的不锈钢膜片，膜片两面都涂有 聚酰亚胺薄膜。首先用溅射的方法在衬底上淀积一层0.4 nm 厚的Pt粒子层，作为非电镀过程中，铜的生长核(图 4 - 19(a))。 (2) 在溅射的Pt粒子层上，用甩胶的方法形成厚的聚酰亚胺 光刻胶层。利用光刻工艺和电感线圈掩模版，将光刻胶制成线 圈模具。在光刻胶曝光和显影之后，进行烘烤。利用聚酰亚胺 的热缩性，能够得到体积因子(导线体积/电感体积)很高的微型 电感。 第4章 智能传感器系统的集成技术 ① 在 140 ℃温度下烘烤 30 分钟； ② 在 350 ℃温度下烘烤 120 分钟。 经过烘烤的聚酰亚胺薄膜厚度缩小为原来的一半，约 6 μm， 截面也变成梯形。如图 4 - 19(b)所示。 (3) 在 40 ℃下，将衬底浸入碱性铜溶液中，形成厚的导电线 圈层。最常使用的碱性铜溶液是Cu(OH)2, PH值是 13，在上述温 度下，两分钟时间可生长 0.2 μm厚的铜层(非电镀生长)。如图 4 19(c) 所示。 第4章 智能传感器系统的集成技术 (4) 在CBF(Copper borofluoride)溶液中， 对铜导电线圈层进 一步电镀加厚，使其与光刻胶模具高度一致。如图4 -19(d)所示。 (5) 甩胶形成一层 3.5 μm的聚酰亚胺光刻胶作为隔离层， 在 隔离层上光刻接触孔。如图 4 - 19(e)所示。 重复以上步骤，可以在隔离层上制造第二层电感线圈， 最 终得到多层线圈组成的大容量、 高纵横比微型线圈。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 19 高纵横比电感线圈制造的主要步骤 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.2.5 双极性晶体管 N-P-N型双极晶体管比P-N-P型晶体管具有更高的速度性能， 因此IC中的双极晶体管大多是N-P-N型。 整个制造过程有六次薄膜形成，六次图形曝光，四次刻蚀， 四次离子注入。 每次操作都需要精确控制和监测，任何一次操 作失败，一般都将导致片子报废。 N-P-N 型 双 极晶体 管 的原材 料 是 P型轻 掺 杂 ( 约 1015cm-3) 〈111〉或〈100〉晶向的抛光硅片。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 20 双极晶体管制造过程截面图 第4章 智能传感器系统的集成技术 第一步是形成埋层。埋层的主要目的是减少集电极串联电 阻，在硅片上热氧化生成一层厚氧化层(0.5~1 μm)，在氧化层 上开窗口， 窗口区内注入低能砷离子作为预淀积，注入量是 精确控制的(约 30 keV, 约1015 cm-2)， 如图 4 - 20(a)所示在 1 100 ℃进行主扩散，形成N+埋层，薄层电阻的典型值为20 Ω/□。 第4章 智能传感器系统的集成技术 第二步是生长N型外延层。除去硅片的氧化层，置于外延 炉中进行外延生长，根据器件的用途决定外延层的厚度和掺杂 浓度。 模拟电路在作放大应用时， 使用电压较高，外延层较 厚，掺杂浓度较低，数字电路中因使用电压较低， 外延层较薄， 掺杂浓度较高。图 4 - 20(b) 是外延后的器件截面图。 在外延过 程中，埋层有向外延层扩散的现象，为减少这个扩散，应采用 低温外延工艺， 并在埋层中使用扩散系数低的杂质(如砷)。 第4章 智能传感器系统的集成技术 第三步是形成横向氧化物隔离区。 在外延层上热生长一薄 氧化层(约 50 nm)，接着淀积一层约 100 nm厚的氮化硅。如果 没有薄氧化层而把氮化硅直接淀积在硅上，在随后的高温过程 中氮化硅会造成硅表面损伤，然后用光致抗蚀剂作掩模， 将设 定区域的氮化硅和氧化硅层以及外延层的一半腐蚀掉， 接着向 暴露的硅区注入硼离子(图 4 - 20(c)， 图 4 - 20(d) )。 第4章 智能传感器系统的集成技术 第四步是形成基区。用光抗蚀剂作掩蔽层保护器件右半部， 注入硼离子(约 1012 cm-2)形成基区(图 4 - 20(f))， 再进一次光刻， 除基区中央部分留下一小块薄氧化层外， 把其余的薄氧化层全部 去掉(图 4 - 20(g)) 。 第五步是形成发射区(图 4 - 20(h))。基极接触孔用光致抗蚀 剂作为掩模，进行低能量、高剂量砷离子注入(约 1016cm-2)以形成 N+发射区和N+集电极接触区，去除光致抗蚀剂。 第六步是用金属化工艺形成基极、 发射极、 集电极接触。 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.2.6 MOS场效应晶体管工艺 MOSFET是VLSI最主要的器件，它的尺寸比其它类型器件 能按比例缩得更小。MOSFET工艺可分为NMOS(N沟MOSFET) 工艺和CMOS(互补MOSFET)工艺。CMOS工艺是把P沟和N沟 MOSFET做在同一个芯片上，它的功耗显著低于双极型和NMOS 电路。 与双极型晶体管制造工艺相比，NMOS电路所需步骤要少一 些，MOSFET的结构也比较简单，它仅需横向氧化层隔离，而且 MOSFET的掺杂分布不如双极型晶体管复杂，控制也不要求那么 严格。其制造工艺步骤中有六次薄膜形成，四次图形曝光，四次 刻蚀，三次离子注入。 第4章 智能传感器系统的集成技术 NMOS工艺所用原材料为P型轻掺杂(约 1015cm-3)〈100〉晶 向抛光硅片。 第一步与双极晶体管相似，形成氧化物隔离区：热生长薄 二氧化硅层(约 50 nm)，接着淀积氮化硅(约 100 nm)，用光致抗 蚀剂作器件有源区的掩模(图 4 - 21(a))，通过复合的氮化硅—氧 化硅层注入硼，形成沟道隔断区(图 4 - 21(b))，然后刻蚀掉没有 被抗蚀剂覆盖的氮化硅层。 去除抗蚀剂后， 把硅片放在氧化炉 中氧化， 在已去掉氮化硅的区域内生长场氧化层。 第4章 智能传感器系统的集成技术 第二步是生长栅氧层和调整阈值电压。去掉有源区上的氮 化硅和氧化硅复合膜，生长一层薄的栅氧层(约几十纳米)。对增 强型N沟器件，在沟道区内注入硼离子使阈值电压增加到某一预 定值(如+0.5 V)；对耗尽型N沟器件， 在沟道区内注入砷离子以 减少阈值电压(如-0.5 V)。 第三步是形成栅极。淀积多晶硅层，用扩散或注入法掺浓 磷，使薄层电阻达到 20~30 Ω/□，这样的薄层电阻值适合栅长 大于 3 μm的MOSFET， 当器件更小时，可用难熔金属或多晶硅 与金属硅化物的复合层作栅材料，使薄层电阻降低到约 1 Ω/□。 第4章 智能传感器系统的集成技术 第四步是形成源区和漏区。在刻出栅图形后(图 4-21(d) )， 以此为掩模注入砷离子(约30 keV, 约1016cm-2)以形成源区与漏区， 因此源区与漏区相对于栅极是自对准的。 第五步是金属化。在整个硅片上淀积掺磷的氧化层(磷硅玻 璃)，加热硅片使磷硅玻璃回流，得到平滑的表面形貌(图4 21(f))，在磷硅玻璃上刻出接触孔，淀积金属层，并刻出金属引 线图形，制成的MOSFET截面如图 4 - 21(g)所示。相应的顶视图 4 - 21(h) 。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 21 NMOS制造步骤截面图 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4-22(a)是一个CMOS反相器，上部PMOS的栅极与下部 NMOS的栅极相连，两个管子都是增强型MOSFET，PMOS的阈 值电压UTP<(-0.5~-1.0 V)，NMOS的阈值电压UTn>(0.5~1.0 V)。当 输入电压Ui为 0 或一个小的正值时，PMOS管导通而NMOS截止， 因此输出电压Uo非常接近VDD(逻辑 1)。当输入为VDD时，PMOS 管截止而NMOS管导通，输出电压Uo=0(逻辑 0)。CMOS最引人 注目的特点是功耗非常小，不论在哪种逻辑状态，在VDD和地之 间串联的两个管子中，总有一个处于非导通状态，稳态时电流是 很小的漏电流，只在开关过程中两个管子都处于导通状态时， 才有显著的电流流过CMOS反相器， 因此平均功耗很小。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 22 CMOS反向器 第4章 智能传感器系统的集成技术 其制造步骤为：首先在N型衬底上进行杂质注入；然后通过 主扩散以形成P阱，P型杂质浓度必须足够高，以补偿N型衬底的 本底浓度，在P阱内制造N沟MOSFET的过程与前述NMOS相同。 对P沟MOSFET，在衬底上注入B+(或BF+2)离子以形成源、漏区。 沟道注入As +离子以调整阈值电压， 在P沟器件四周的场氧化 层下形成N+沟道隔断区。由于要形成P阱和P沟MOS。CMOS电路 的制造工序约是NMOS的两倍。 也可在P型衬底上形成N阱来代替上述的P阱工艺，P阱和N阱 工艺由于杂质浓度较高，迁移率会降低。最近有一种所谓双阱工 艺， 即在轻掺杂衬底上用杂质注入分别形成P阱和N阱，可以获 得较高的沟道迁移率。 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.3 微机械工艺的主要技术 4.3.1 SOI晶片 硅传感器本身由两部分组成：敏感部分和电学部分。敏感部分 必须与所测环境接触，如PH离子敏，敏感膜必须放在所测溶液中， 而电学部分最怕接触恶劣环境。为保证传感器的使用寿命和可靠性， 必须将两部分隔离开。 SOI(Silicon on Insulator)晶片是最能满足这 一要求的材料，它可将传感器的敏感部分放在二氧化硅介质的一边， 有源部分放在其另一边，很完美地将有源部分与敏感部分隔开，同 时也与恶劣环境隔开。另外，SOI晶片中的SiO2 埋层可以作为微加 工中的腐蚀终止层，简化微机械加工的工艺步骤。因为SOI晶片在 微传感器，特别是在集成智能传感器制造中具有极大优势. 第4章 智能传感器系统的集成技术 最初的SOI工艺是在非晶衬底(如SiO2)上沉积硅膜，衬底上沉 积的硅膜只能是非晶硅或多晶硅，要获得单晶硅还需要再结晶， 图 4-23 是用条形加热源使沉积的多晶硅膜再结晶， 以制作SOI晶 片的一种方法。 (1) 在平整的硅衬底上氧化生成一个SiO2薄层。 (2) 利用光刻方法在SiO2上刻出一定的图形， 图形内裸露出 硅。 (3) 在表面上气相淀积一层厚 0.5~1 μm的多晶硅。 (4) 加上热源使多晶硅熔化， 一直熔到硅衬底上， 对熔硅来 说这时衬底起籽晶作用。 (5) 横向移动热源， 在氧化层上横向生长出单晶硅。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 23 用条形加热源使多晶硅膜再结晶，制作SOI晶片 第4章 智能传感器系统的集成技术 这种方法主要缺点是不能用来制作大面积SOI晶片。 SIMOX(Separation by Ion Implantation of Oxygen)是目前工业 上制造SOI晶片的主要技术，也是最成熟的技术。利用SIMOX可 制作 4~8 英寸的晶片，而且晶片上部的硅层(0.2 μm)能够满足 LSI电路要求，SiO2埋层在整个晶片中都具有很高的质量。其主 要的制作过程是在硅衬底中注入氧离子，然后进行高温退火。 氧离子的注入剂量为 1.8×1018 cm-2，远高于普通的注入剂量。 第4章 智能传感器系统的集成技术 为了防止衬底非晶化，需要在 500 ℃时进行离子注入，而且 注入剂量、 离子束方向和离子能量都需要严格控制， 高温退火 (>1 300 ℃)几乎可以消除注入过程中产生的所有缺陷。例如用 SIMOX技术制作上部硅层厚 200 nm，SiO2埋层厚 400 nm的SOI 晶片的位错密度小于 105 cm-2，通过SiO2埋层的漏电流密度小于 0.1 nAcm-2 。 第4章 智能传感器系统的集成技术 利用SDB(Silicon Wafer Direct Bonding)方法，可获得与本体 硅同样质量的硅膜，具有缺陷少、界面态低、工艺简单等优点， 是另一种制作大面积SOI晶片的方法。 SDB键合主要依靠氧化了 的硅片表面具有很强的亲水性，在一定温度下，硅片重合的界 面上，氢键的作用是使表面吸附的OH-聚合分解成水和硅的氧化 物，在高温下依靠硅的塑性变形而形成一体。具体方法是将硅 片在湿氧中氧化得到所需要的SiO 2膜厚度，放入硫酸加双氧 水溶液中处理，去离子水中冲洗，甩干。在室温下面对面重合 放入扩散炉中，在氮气保护下， 在高于 1 000 ℃温度下烧结， 形成Si/SiO2/Si结构，键合强度随键合温度提高而增强。最后根 据器件需要， 采用自停止腐蚀或磨片、 抛光的方法将硅片减薄。 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.3.2 硅的各向异性刻蚀技术 图 4 - 24 选择取向腐蚀 第4章 智能传感器系统的集成技术 例如用NaOH溶液对Si进行腐蚀时，腐蚀速率沿(100)晶面最 快，(110)晶面次之，(111)相对而言最慢， 因此对(100)的硅片表 面，其深度方向的刻蚀呈现各向异性。 (见图4 - 24)由于硅(100) 与(111)的夹角为 54.7°，所以宽度为W1的腐蚀图形，腐蚀深度 为h时，得到下面的宽度W2近似为 W2=W1-2hcot 54.7 (4-19) 如果是各向同性腐蚀的话，其W2近似为 W2=W1-2h cot 45° (4-20) 第4章 智能传感器系统的集成技术 表 4-1常用的刻蚀剂特性 第4章 智能传感器系统的集成技术 EDP (1) 各向异性腐蚀特性能实现特殊的几何结构。 (2) EDP具有非常好的选择性，可以用很多材料作为掩模(例 如SiO2, Si3N4, Cr和Au等)。 (3) 腐蚀速率同掺杂浓度有关， 对掺硼浓度很高的硅， 它 第4章 智能传感器系统的集成技术 KOH水溶液的腐蚀速率也同晶向有关，而且对(110)与(111)晶 向的腐蚀速率之比要远高于EDP。因此在(110)晶片腐蚀槽时非常 有效，利用这一特性可以腐蚀出纵横比很高的槽，KOH水溶液的 不足之处是对SiO2也有腐蚀作用，这样就不能用SiO2作腐蚀过程 中的掩模，Si3N4是适合KOH水溶液的掩模材料。 HNA的腐蚀速率和腐蚀特性与掺杂浓度关系非常大，三种组 分的混合比和腐蚀速率在表 4 - 1 中给出，不幸的是SiO2对不同的 混合比都有腐蚀产生，使它的掩模很难得到。尽管能够用SiO2做 短时间腐蚀的掩模, Si3N4和Au做长时间腐蚀的掩模，与EDP掩模 特性相比，它的掩模特性仍然对微机械结构的加工有些不足。 第4章 智能传感器系统的集成技术 (1) 空穴进入半导体Si中，使Si成为Si+。 (2) OH-与Si+接触。 (3) 氢氧化硅与溶液中的离子发生反应。 (4) 反应产物分解到腐蚀液中。 第4章 智能传感器系统的集成技术 这意味着任何腐蚀液都应提供OH-离子和空穴，并且需包含 丰富的中间反应，这些反应的产物可溶解在腐蚀液中。在HNA 腐蚀液中，空穴和OH- 都是由HNO3 提供的，同时HF酸中的F- 离 子 用 来 产 生 可 溶 解 的 H2SiF6 。 HNO3 中 含 有 一 定 量 的 HNO2 ， HNO3 与HNO2 的反应又能产生新的HNO2 分子，因此整个反应可 以自动进行下去。 其反应式为 HNO3+HNO2+H2O→2HNO2+2OH-+2h+ (4-21) 这个反应同时也能产生空穴h+ ，使硅原子氧化度提高(变为 Si+)，同时也能提供使硅氧化的OH-离子。EDP腐蚀液中，乙二胺 和水产生空穴和OH- ，焦儿茶酚产生可溶解的Si(C6H4O2)3 ，没有 水的乙二胺和焦儿茶酚混合物对硅不会产生腐蚀。 第4章 智能传感器系统的集成技术 HNA的腐蚀速率同掺杂的离子浓度和种类有关， 重掺杂 硅中有更多的载流子， 因此比轻掺杂有较高的腐蚀速率。例如 对于HNA腐蚀液(1∶3∶8)， 无论P型或N型， 掺杂浓度>1018 cm-3 时，典型的腐蚀速率是 1~3 μm/min，而当掺杂浓度<1017cm-3 时，其腐蚀速率几乎为零。 第4章 智能传感器系统的集成技术 各向异性腐蚀剂EDP和KOH表现出另一种特性， 在重掺杂 硼(约1020 cm-3)样品中，它的腐蚀速率接近于零。 这个掺杂浓度 接近硼进入硅晶格的极限(5×1019 cm-3)，较小的硼原子进入硅晶 格后， 在硅中产生一个应力，形成小范围内的应变，在高掺杂 浓度下， 应力变得非常大，使得多余的硼离子(>5×1019 cm-3)进 入间隙位置， 强烈的B-Si键使得移动硅原子所需的力增大到了 阻止腐蚀进行的地步。在HNA腐蚀液中没有观察到腐蚀停止现 象(HF可以分解B2O3)，氧化硼和硅表面产生的氢氧化物在KOH 和EDP腐蚀液中不能溶解。在这种情况下，表面高掺杂浓度的硼， 在一些中间反应过程中生成了氧化硼和氢氧化物，阻止了硅的 进一步分解。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 25 几个典型各向异性腐蚀例子 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.3.3 干法刻蚀 湿法刻蚀不论是各向同性还是各向异性，当器件尺寸缩小到 10-6 m和10-7 m量级时，都会因横向钻蚀影响器件结构和性能。 目 前， 在VLSI和微机械加工中，广泛采用等离子体刻蚀、反应离子 刻蚀等干法刻蚀工艺对光刻胶、SiO2, Si3N4, 多晶硅、铝、金属硅 化物等材料进行刻蚀。 图4-26(a)是样品电极接地的平板型等离子刻蚀反应器的结构 简图，样品放在下电极并接地，射频(RF)接在平行的上电极上， 上下电极间隙约 2 cm，电极尺寸φ≥20 cm，气体压力为 13.3~133 Pa，因为气体压力较高，刻蚀主要由中性的活性基进行，是一种 各向同性刻蚀， 只要刻蚀气体接触的样品部位， 都将被刻蚀。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 26 (a) 样品接地； (b) 样品接射频 第4章 智能传感器系统的集成技术 系统加上射频后， 等离子体产生， 离子和电子都向样品电 极扩散。由于电子运动快，引起电荷分离，形成一个自建电场， 离子在这个自建电场作用下加速， 定向运动到样品表面并引起 刻蚀反应。自建电场中等离子体的电位UP为： UP kTi1n2 / e (4-22) UP的数值约为所用射频电压峰值的一半，等离子体对地的 电位仅为 10 V，反应离子刻蚀所需的真空度为 1.33~13.3 Pa。 第4章 智能传感器系统的集成技术 实际的等离子体刻蚀过程是物理作用和化学作用的混合模型， 为了证明这种模型，Coburn选择Ar+ 和XeF2 气体作了如下试验： XeF2容易处于激发态而不发生电离，XeF2吸附在硅或二氧化硅的表 面上然后分解，Xe挥发走，形成两个独立的化学吸附氟原子。Ar是 惰性气体，其离子只有物理作用而无化学作用。 图 4-27 是刻蚀速率的试验结果， 从图中可以看出，系统中仅 充XeF2气体时，刻蚀速率非常低，仅为每分钟不到 1 nm。系统中充 XeF2气体加上Ar+离子束时，刻蚀速率为6 nm/min, 这说明在化学反 应和物理溅射同时存在的情况下，刻蚀速率比单纯化学反应提高了 十几倍。如果系统中仅有Ar+离子束， 则只剩下物理溅射而没有化 学反应，刻蚀速率又降低到每分钟不到 1 nm，变得非常低。这个实 验结果表明，有物理溅射和化学反应同时存在时腐蚀速率最高， 其 原因是物理溅射使样品表面清洁，促进化学反应的缘故。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 27 刻蚀速率与刻蚀方法的关系 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 28 CF4分压力、RF功率与SiO2刻蚀速率的关系 第4章 智能传感器系统的集成技术 输入功率增加导致刻蚀速率上升是以下几方面综合作用的结 果： (1) 加到等离子体中的能量增加，则气体中分子因放电而获 得能量的几率增加， 等离子体密度随之增加。 (2) 自偏压效应增强， 增加了离子轰击的能量。 (3) 功率增加后可以使更多的气体分子处于激发态， 即活性 基增加。 (4) 高的离子轰击能量抑制了重的活性基引起的聚合物凝聚 第4章 智能传感器系统的集成技术 气体流量同刻蚀速率关系间存在一个临界值，当气体流量高 于临界值时，刻蚀速率与气体流量基本上没有关系，但是当流量 低于临界值时， 流量的减少将导致刻蚀速率减小很多，对这种现 象的解释是低于临界值流量所供应的气体不够刻蚀所需。 至于刻 蚀速率随样品负载(需刻蚀的样品数量)增加而减小的现象， 很容 易从原理上给出一个定性的解释。 在给定条件下，反应室中等离 子体刻蚀的样品数量是有限的， 增加被刻蚀样品，相应降低了单 位面积上可进行刻蚀的等离子体的量， 从而降低了刻蚀速率。 第4章 智能传感器系统的集成技术 在实际应用中需要调整Si/SiO2的刻蚀选择比，例如Si衬底上 生长有一个SiO2层，在SiO2层上又淀积多晶硅。刻蚀多晶硅时为 了不损伤下面的SiO2 ，要求多晶硅的刻蚀速率比SiO2 大得多； 当刻蚀SiO2层时，为减少衬底损伤，要求SiO2的刻蚀速率比硅大 得多。调整Si/SiO2 的选择比，比较可行的方法是变换刻蚀气体 或改变刻蚀气体的组分。 在CF4的等离子体中加入少量的氧，硅的刻蚀速率迅速上升， SiO2的刻蚀速率仅稍有增加。 当CF4+O2中氧含量为 12%时，硅 刻蚀速率达到峰值，采用这种方法可以使Si/SiO2 的刻蚀速率比 达到10∶1。 第4章 智能传感器系统的集成技术 表 4-2 氟化碳气体对SiO2/Si的刻蚀选择比的比较 第4章 智能传感器系统的集成技术 由于刻蚀速率、各向异性比和掩模腐蚀速率比的限制，干法 刻蚀最初主要用于表面微机械加工，但是近几年发展了许多刻蚀 速率、各向异性比和掩模腐蚀速率比很高的反应离子刻蚀技术 (RIE)。开始应用于体微机械加工， 成为制作高深宽比微机械结 构的有力工具。 例如，利用电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance RIE)的反应离子刻蚀技术可以刻蚀出深度大于 40 μm， 宽度只有 2 μm的深沟结构； 利用射频感应耦合(RFIC)等离子体 源，硅腐蚀速率可达 6 μm/min以上。硅和二氧化硅的腐蚀速率比 达 到150∶1，硅和光刻胶的腐蚀速率比为 50∶1，刻蚀硅的各向异 性很好， 在刻蚀深度达 300 μm时仍可大于 15∶1，利用感应耦合 等离子体源的反应刻蚀系统，用光刻胶作掩模，刻蚀深度可以刻 穿整个硅片，硅和光刻胶的腐蚀速率比为 50∶1。 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.3.4 自致停技术 硅的精密腐蚀技术是发展集成电路和微机械工艺的一种关键技 术。为了使微结构具有良好的并且一致的外形尺寸和性能，在腐蚀 时需要精确控制腐蚀深度，为此在精密腐蚀时需要采用自致停技术。 常用的自致停技术有P+自致停腐蚀，P-N结自致停腐蚀，埋层腐蚀 终止技术。 P+自致停腐蚀是湿法腐蚀，利用重掺杂(≥7×1019cm-3)时，硅在 KOH、NaOH#, EDP等腐蚀液中其腐蚀速率会显著下降。 采用离子 注入的方法，预先在衬底中注入大量P型杂质(如B)，使其在某一深 度形成一个掺杂浓度很高的薄层。当腐蚀达到这一层时，则因腐蚀 速率显著下降而实现自致停腐蚀。这种方法的缺点是重掺杂导致原 子严重失配，会在构件中产生很大的应力，同时这样高的掺杂浓度 区域中也难以制造器件。 第4章 智能传感器系统的集成技术 P-N结自致停是基于电化学腐蚀的原理，其实验原理如图 429(a)所示。N型和P型(100)硅片在腐蚀液中的I-V特性中有两个重要 电位， 一个为开路电位(OCP)，当电压低于开路电位时，电流为零； 电压高于开路电位时，电流迅速增加。另一个电位称为钝化电位 (PP)， 此时电流密度最大，当电位稍正于PP时， 在表面生成氧化物， 表面被钝化，电流急剧下降。 腐蚀时在P-N结的N区加一个小的正 电压。由于P-N结的反向偏置，P区不会被钝化，仍能继续腐蚀， 当腐蚀到达N区， 由于N区被钝化而使腐蚀自动停止。 图 4-29(b)是理想的腐蚀过程中电流的变化情况，在区域Ⅰ阳 极电流很小，Si片不断被腐蚀，由于硅片厚度不断变薄，电流缓慢 上升。 在区域Ⅱ电流增长很快并形成一个尖峰。在区域Ⅲ由于形成 一层氧化层， 阳极电流变得很小， 腐蚀自动停止。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 – 29 P-N结自致停 第4章 智能传感器系统的集成技术 P-N结自致停方法克服了P+自致停腐蚀的缺点，而且仍能保 留硅各向异性腐蚀的特性， 但是这种技术还未能在实践中加以 使用，主要原因是工艺上的困难和它的不稳定性，使厚度的精 确控制发生困难。 另一种腐蚀终止技术是采用特殊结构的晶片，晶片中有一 个埋层，埋层材料应当对腐蚀液有较高的抗蚀性。其中应用最 多的是SOI晶片。采用SOI晶片中的SiO2 埋层作停蚀层，不仅能 很好地控制腐蚀深度，而且得到的腐蚀腔底表面光洁度也很高， 达到光学量级。 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.3.5 与体加工不同，表面微机械加工技术主要是利用淀积、氧 化、外延等各种薄膜生成技术，根据需要在硅表面生长多层薄 膜，如SiO2、多晶硅、Si3N4、 磷硅玻璃膜层(PSG)。采用选择性 腐蚀技术， 将两层薄膜中的下层薄膜腐蚀掉，从而得到上层薄 膜并在硅平面上形成一个空腔结构、 多晶硅梁、甚至可动部件， 去除的部分膜层称之为“牺牲层”(Sacrifical Layer)。 因为整个 加工过程都是在硅表面层上进行的， 因此称为表面微机械加工 技术，其核心的“牺牲层”技术实际上就是薄膜选择性腐蚀技 术。 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.3.6 键合技术 图 4 - 30 几种典型的静电键合结构 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 31 SDB (a) 键合前表面状态； (b) 预键合时表面状态；(c) 退火后的氧键合 第4章 智能传感器系统的集成技术 1. 在氟化铵溶液(NH4F∶CH3-COOH∶H2O为1∶1∶1)中浸泡 2 min， 清除掉表面的氧化物，氟化铵溶液对热生长的SiO 2腐蚀速率 为 30 nm/min，对铝的腐蚀速率仅 5 nm/min，溶液的这一特性 保证了硅片上的铝电极不会受到影响。 腐蚀过后， 先用水清洗， 然后用硝酸蒸汽在硅片表面氧化生成SiO2薄膜，薄膜厚度约 0.9 nm，相当于 3 层SiO2分子层厚度。薄膜内和表面含有高密度的 H+和OH-， 接着再进行水清洗，清洗时间约 1h，清洗时间长能 保证键合的质量。 第4章 智能传感器系统的集成技术 2. 待键合硅片甩干后，立刻使两硅片表面进行接触。为了使表 面紧密接触，在室温下，在硅片两侧加上 1.5 kg/cm2 的力，加压 时间为 10 min。两硅片接触后，两个硅片表面的OH-离子间形成 氢桥(hydrogen bridge)， 完成预键合。 3. 预键合后硅片放在真空室中进行退火。形成键合所需温度最 小为 120 ℃，随着温度提高，键合质量也相应提高。一般情况下， 键合温度为 400 ℃， 压强为 10 000 Pa。 在这个过程中，两个OH键桥发生反应，形成Si-O-Si键，同时生成一个水分子。 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.3.7 LIGA技术和准LIGA技术 LIGA工艺主要包括深刻蚀X射线光刻、 微电镀和复制三个过 程。 其工艺过程如图 4 - 32 所示。 (1) 在金属衬底上聚合一层厚度为几百μm的PMMA胶。 (2) 将光刻掩模固定在PMMA层的上方。 (3) 同步辐射加速器产生的高能量X射线(波长为 0.2~0.5 nm)通 过掩模版，使PMMA胶部分感光。 (4) 对PMMA胶进行显影，将曝光部分溶解，而形成图 4-32(d) 的第一级结构。 第4章 智能传感器系统的集成技术 (5) 采用微电镀方法在第一级结构空隙里填充金属。 (6) 将第一级结构清除， 从而得到一个全金属的第二级结构。 (7) 将聚合物注入到第二级结构中进行模塑。 (8) 从金属模具中抽出模塑的聚合物形成第三级结构(图 4- 32(h)) 。 在进行微电镀时，电镀的金属可以超过第一级结构，此时 PMMA胶完全被金属包封起来，只有将金属衬底除掉，PMMA 胶才能够释放出来。 用这种方法可以得到一个模具，利用模具 能生产大量高质量、 低成本的微型结构。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 32 LIGA技术工艺过程 第4章 智能传感器系统的集成技术 (1) 在经过化学清洗干净的玻璃片或硅片上，采用溅射镀膜 的方法均匀镀上 1~2 μm的金属膜作为电铸时的导电层和牺牲层， 要求金属膜与基片表面结合牢固。 (2) 在金属膜上涂敷正性光刻胶，采用 2~3 次涂敷，涂层厚 度可达到 25 μm左右。 (3) 将掩模版置于光刻胶上，为得到陡削胶膜，掩模版与光 刻胶必须有良好的接触。 (4) 采用高压汞灯或其它紫外光源对光刻胶进行曝光， 接着 在显影液中对光刻胶进行显影。 第4章 智能传感器系统的集成技术 (5) 把托载有光刻胶膜结构带有金属基底的基片作为阴极进 行电镀，电解液中的金属阳离子沉积在阴极的金属基底上生成 金属层，并逐渐填满光刻微结构模具，制成金属结构。 (6) 将电铸成形的金属结构放入光刻胶腐蚀液中， 进行去胶 处理。 (7) 最后，在化学溶液中将作为导电层和牺牲层的金属膜 腐蚀掉， 就得到一个微金属结构。 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.4 典型微机械结构的制造 4.4.1 喷墨嘴 利用硅的各向异性腐蚀技术可以在晶片上刻蚀出小孔。 这 些晶片上的孔洞具有很多潜在的应用，其中最简单，也最具有 商业价值的是制造喷墨打印机的喷嘴，如图 4 - 33(a)所示。通过 调节工艺参数，可使(100)硅片上的金字塔形孔贯穿整个晶片， 晶片底面的方孔作为油墨的出射窗口，窗口的尺寸由晶片厚度t、 掩模尺寸L决定： 2t l L tan (4-23) 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 33 制造打印头喷墨嘴的几种方法 第4章 智能传感器系统的集成技术 实际制造过程中， 窗口的尺寸很难精确控制， 其原因是： (1) 晶片厚度t很难精确控制。 (2) 掩模与晶向间微小的角度失配， 使掩模的有效尺寸L大 于掩模实际尺寸，造成底部喷墨喷口的扩大。这种角度失配可 以通过采用直径L的圆形掩模来防止。 根据前面所述的各向异性 刻蚀的基本原理， 直径为L的圆形掩模其作用等效于一个直径 L×L的方形掩模。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 34 硅基打印喷头结构框图 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.4.2 集成气相色谱仪是硅微机械技术的另一个重要应用。集成 气相色谱仪采用光刻技术和硅腐蚀技术将 1.5 m长的毛细管、气 体控制阀和探测仪集成制造在 2 英寸硅片上。利用各向同性腐 蚀技术在硅片表面腐蚀出 1.5 m长，200 μm宽，40 μm深的弧形 槽，将硅片与一个平板玻璃静电封接在一起。静电封接应使槽 间密封，这样， 槽与玻璃平板就形成了一个长1.5 m的毛细管， 作为色谱仪的气体分离器。气体输入控制阀也制造在硅片上， 并且与毛细管一端相连。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 – 35 集成气相色谱仪 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.4.3 微型冷却器 图 4-36 是利用硅各向异性腐蚀和静电封接技术制造的微型焦 耳—汤姆逊微型冷却器示意图。硅片上刻蚀有气体压缩集流腔、 滤 膜、热交换器、 焦耳—汤姆逊节流喷孔、液体收集器。在液体收集 器附近区域，管道中的气体进入液体收集腔时突然膨胀， 造成温 度下降。 这种焦耳—汤姆逊微型冷却系统在温度为 77 K左右时， 热容量约为 1~100 mW，冷却速率在数秒量级。这些传输管道不仅 要承受重复的冷热变化，还要能承受住同时存在的巨大气压差 (8×106 Pa)， 单晶硅有很高的强度， 能够作此类应用。硅/玻璃键 合具有很高的强度，但在封接时应考虑到二者热膨胀系数的匹配， 硅材料在这种结构中的不足之处是它的热传导系数较高，限制了 从入口到液体收集室间的温度梯度。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 36 微型焦耳—汤姆逊微型冷却器示意图 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.4.4 微型光学调制器 在硅片上即将形成悬臂梁的区域进行高浓度的硼掺杂。掺硼层一般用离子 注入的方法形成，在腐蚀过程中充当腐蚀阻挡层，在工作过程中作为偏转电极。 在悬臂梁结构制造和电路制造过程中硅片要经历多次高温过程，这些高温过程 会降低掺杂层的掺杂浓度。 为了保证掺杂层在经历了高温过程之后仍能起到腐 蚀阻挡层的作用， 掺杂浓度通常要达到 7×1019 cm-3 量级。 接着，在晶片上外延生长硅，外延层的厚度约等于两个电极间的距离。因 为重掺杂区域缺陷较多，它们上面的外延层电学质量较差，不适合制作电子线 路， 通常在悬臂梁区域附近的外延层上制造电学线路。在外延层上再淀积(如 Si3N4)或生长(SiO2)一层绝缘材料，作为制造悬臂梁的材料。用光刻方法在绝缘 层刻蚀出悬臂梁的图形， 使其余部分的硅层暴露出来，在绝缘层上再蒸发金属 薄层(通常是在Cr上淀积 30~40 nm厚的金)作为上电极。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 37 微型光学调制器的加工步骤 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 38 光学调制器阵列的显微照片 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.4.5 微型涡轮机 微型涡轮机是运动式微机械的出色成就。 这种涡轮机体 积非常小，叶轮直径仅为 400~500 μm， 厚为 40 μm， 轴的直 径为 20 μm， 整套器件像一只芝麻大的小虫。在空气流或水流 推动下，转速可高达数万转每分钟， 这种装置可用作新型高 精度流量计，而且特别适用于植入人体内应用， 在生物医学 中具有广阔的应用前景。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 39 制造微型涡轮机典型工艺流程 第4章 智能传感器系统的集成技术 第一次多晶硅生长： 用LPCVD方法生长一层 4.5 μm厚的多 晶硅，生长温度是630 ℃，采用的气体为硅烷—氢混合气体。在 多晶硅上进行光刻，并用Cl2/CFCl3/Ar等离子体进行反应离子刻 蚀，以形成可动部件及射流槽。在温度 700 ℃下用四乙原硅烷 (TEOS)在多晶硅上CVD淀积一层厚为 20 μm的氧化膜， 并进行 光刻，用CHF3 等离子体刻蚀，以形成一块刻蚀掩模。完成多晶 硅刻蚀后，再用CHF3反应离子刻蚀除去其余掩蔽氧化膜。 第4章 智能传感器系统的集成技术 第二次氧化：用TEOS在温度 700 ℃下进行第二次CVD淀积， 形成一层厚 1.2 μm的氧化膜。氧化膜光刻并进行CHF3反应离子 刻蚀，形成一个暴露在其下面的孔， 以便于制造附属的限动元 件。同时，这道工序还在氧化膜中刻出射流槽(图 4 - 39(c))。 第二次多晶硅生长：在与第一次多晶硅生长相同的条件下， 淀积一层厚 3 μm的多晶硅。对此多晶硅进行光刻，形成与硅衬 底接触的轴、 罩及射流槽壁。 第4章 智能传感器系统的集成技术 在缓冲HF溶液或稀HF溶液中腐蚀除去作为牺牲层的氧化层， 可将涡轮机各种可动部件脱出，进行这种腐蚀所需时间：室温下， 在10∶1 缓冲HF溶液中为 6~8 h，室温下，在 1∶1HF水溶液中为 40 min。 利用以上工艺制得的微型涡轮机，其齿轮和叶轮的直径在 125~240 μm之间。 图 4 - 40 是带叶轮的涡轮机的扫描电镜照片， 其叶轮直径为 125 μm，这种涡轮机转速很高，其速度下限为 15 000 r/min，速度上限尚难估测。 采用微机械加工方法集成制造的微机械，具有省时、成品率 高、整机装配误差小等优点。上述涡轮机和齿轮串的加工精度和 机械强度都非常符合要求，轴与齿轮间隙只有1.2μm，不容易断 裂损坏。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 40 带叶轮的涡轮机的扫描电镜照片 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.4.6 压阻式压力传感器由周边固支的硅膜片构成，常称为硅杯， 膜片背面用扩散法制成电阻。当膜片两面有压差存在时，膜片发 生变形，从而导致电阻变化，检测出的电阻值变化，可以测出压 力变化。为了提高满量程输出， 减小温度漂移及提高线性度， 通常制作四个压敏电阻，并将压敏电阻连接成惠斯登电桥结构， 电桥采用恒压源或恒流源供电。 当扩散电阻表面掺杂浓度取 1018~1020cm-3，结深大于 3 μm 时，电桥的零点输出值和灵敏度具有较好的温度特性， 相应的 方块电阻Rs在 100 Ω/□左右。 第4章 智能传感器系统的集成技术 另一方面，电桥输出的时间漂移同电流流过电阻时引起的 自身发热有关，因此在满足系统布局的情况下，电阻条应尽量 宽， 电阻单位面积的功耗为 2 2 I R I Rs Ps 2 WL W 即 I W 式中：I——流过电阻的电流； W——电阻条宽度； L——电阻条长度。 Ps Rs (4-24) 第4章 智能传感器系统的集成技术 根 据 经 验 ， 扩 散 电 阻 单 位 面 积 的 功 耗 应 控 制 在 5×10-3 mW/μm2 以下，如果选取Rs=100Ω/□，则要求I/W≤0.22 mA/μm。 实际应用中，电阻条上的电流为 1~3 mA，如果电阻条宽度约为 20 μm， 通过电阻的I/W为 0.05~0.15 mA/μm， 可满足功耗要求。 压阻式压力传感器常用的膜片结构有圆形、方形和矩形三种。 在集成压力传感器中，硅膜片是用各向异性腐蚀方法制作的方形 和矩形膜片。 为适应各向异性腐蚀工艺的要求， 硅膜片通常选 在(100)晶面。 在(100)晶面硅膜片上， 电阻取向在〈110} 〉和 〈110〉晶向时， 电阻的压阻系数最大。在压力作用下， 硅膜片 上电阻的相对变化与应力差成正比。 第4章 智能传感器系统的集成技术 对于圆形、方形膜片，在膜片有效面积的边缘处，应力差最 大， 因此将四个力敏电阻制作在膜片有效面积的边缘处压力传 感器灵敏度最高。 同方形膜片和圆形膜片不同，矩形膜片的中 心区域是设置压敏电阻的理想位置。 因为矩形膜片除了边缘处 出现应力差极大值之外，中心区域也出现极大值，而且中心区域 应力差变化非常缓慢，可利用区域很宽。如对于宽度为2a，长度 为2b(b>2a) 的矩形膜片，以应力差下降到极大值一半作为可以 利用区域的边界，矩形膜片中心可利用区域是 -0.4a~+0.4a和0.6b~+0.6b，比方形膜片和圆形膜片边缘可以利用区域(0.2a~0.3a) 要大得多。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 41 压阻式压力传感器(硅杯) 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 42 利用矩形膜片中心区域的结构简图压阻全桥设计方案 第4章 智能传感器系统的集成技术 传感器的外形尺寸为 1.25 mm×3.75 mm×0.125 mm。 在硅 片背部腐蚀一个空腔，同时在顶部形成一个硅膜片。膜片的上表 面中央位置制作有四个压敏电阻， 硅膜片采用矩形结构，这种 结构有利于提高传感器的灵敏度，同时可减少封装过程引起的传 感器特性改变。 在真空室中，用低温锡—金合金密封的方法， 将两块硅片封 接在一起，形成参考压力腔。参考压力腔做成真空，可以测量绝 对压强。硅膜片中心的压敏电阻连接成惠斯登电桥形式，用来测 量外界压力引起的膜片应变， 电桥的输出电压同外界压力大小 和电源供电电压有关。 第4章 智能传感器系统的集成技术 制造传感器的晶片选用N型(100)硅片，厚度为 150 μm，晶 片两面都进行了抛光，材料的电阻率为 1~4 Ω·cm。 其制造构成 (1) 首先对硅片进行初始氧化， 并进行双面光刻， 在硅片两 面对应位置制作掩模，使正面压敏电阻位于背面腔体掩模位置的 (2) 用P型扩散的方法，在硅片正面扩散出连接压敏电阻和接 触电极的连线，连线的薄层电阻为 30 Ω/□，总电阻值为 270Ω； (3) 光刻压敏电阻扩散窗口，并进行P型扩散，压敏电阻的表 面浓度为 1019/cm3，每个压敏电阻阻值为 2.5 kΩ； 第4章 智能传感器系统的集成技术 (4) 除去接触电极上的氧化层， 并蒸发Cr-Au层， 进行金属 (5) 从硅片背面进行各向异性腐蚀， 形成厚度为 16~24 μm (6) 在真空室中，采用低温锡—金合金密封的方法， 将两块 硅膜片封接在一起， (7) 最后， 在连接电极上焊上四个镀金镍线作为引出端头。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 43 (a) 硅膜片结构； (b) 薄膜腔结构 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.4.7 硅微加速度传感器 (1) 电容效应： 移动质量块与固定电极间距离发生变化； (2) 压电效应： (3) 压阻效应： 弹性系统中的应力。 第4章 智能传感器系统的集成技术 一、 硅微压阻式加速度传感器 图 4 - 44 硅压阻式微加速度传感器的原理示意图 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 44 是这种加速度传感器的原理示意图。 惯性质量块 由悬臂梁支撑，在加速度为a的惯性场中，由于惯性力的作用， 质量块上下运动， 使质量块发生与加速度a成正比的形变，在悬 臂梁上产生应力和应变。在悬臂梁上作一个扩散电阻，根据硅 的压阻效应，扩散电阻的阻值发生与应变成正比的变化， 将这 个电阻作为电桥的一个桥臂，通过测量电桥输出电压的变化， 可以完成对加速度的测量。由于悬臂梁的根部应变最大，所以 为提高传感器的灵敏度，应变电阻制作在靠近悬臂梁根部的位 置，在基片的固定部分制作了另一个电阻，以补偿由温度变化 引起的输出漂移。 这种传感器是为测量心脏壁的运动研制的， 它的外形尺寸为 2 mm×3 mm×0.6 mm，质量为 0.02 g，测量范 围为±200 g，最大过载量为±600 g, 灵敏度为 0.05 mV/(g·V)， 一阶共振频率为2.33 kHz, 线性度为±1%，横向灵敏度为 10%。 第4章 智能传感器系统的集成技术 加速度计的上下两层玻璃盖采用标准的集成电路TO—5 型管 壳和双列式封装结构。两玻璃盖板各腐蚀出一个槽井，使梁能偏 转到给定距离。 玻璃盖用静电键合的方法密封到硅梁的厚边框 上，以形成一个内含梁、 重物和悬臂结构的密封腔。 芯片采用N型(100)硅晶片。先热氧化生成 1.5 μm厚的氧化层， 再进行两次光刻和扩散，以形成 10 Ω/□的P+接触和100 Ω/□的P 型电位器。 在硅片下表面刻出梁周围空气隙和窗孔， 在梁的下 表面及空气隙区用KOH溶液腐蚀，待硅从窗孔中消失即中止腐 蚀。 第4章 智能传感器系统的集成技术 两玻璃盖板用 7740 型玻璃制造， 先制成圆形并抛光达到光 学平整度，然后用 30%HNO3和70%HF混合作腐蚀液，用Cr-Au 膜做掩模， 在一块玻璃板上淀积铝， 形成金属焊接片。 最后将玻璃盖与芯片对准，在400 ℃温度下加 600 V电压于 玻璃盖和芯片之间，使二者键合密封。 第4章 智能传感器系统的集成技术 电容式加速度传感器的基本结构如图 4-45 所示。作为惯性 质量和电容极板的动板由一个或两个悬臂梁支撑，由加速度产 生的惯性力引起动板位移，通过测量动板与其上下两个固定电 极间电容量的变化可以测出加速度。 电容式加速度传感器的测 量范围一般是0.1~20 g，频率响应范围从直流(DC)到数百赫兹， 测量精度在 1%到 0.1%之间。 电容式加速度传感器的缺点是频 率响应范围窄和需要复杂的信号处理电路。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 45 电容式加速度传感器 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 46 力平衡式硅微加速度传感器的基本结构及检测电路原理图 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 47 用ZnO作为敏感材料的硅微压电加速度传感器的结构示意图 第4章 智能传感器系统的集成技术 (1) 整个绝缘的ZnO敏感薄膜可以减少MOS管栅极上感应电 荷的泄漏，传感器可以取得接近于直流的频率响应(<10-6Hz); (2) 利用MOS场效应晶体管作为放大电路， 对每个g可获得 (3) 敏感元件与放大电路集成在同一芯片上，消除了传统压 (4) (5) 频率响应范围很宽， 其一阶固有频率高于 40 kHz。 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.5集成智能传感器系统举例 4.5.1 气敏传感器阵列 利用气敏传感器阵列和神经网络模式识别系统可以组成一种 智能化传感器——电子鼻。薄膜淀积技术和微机械加工技术能够 用来制造微型硅基气敏传感器阵列，这种传感器具有灵敏度高、 选择性强、响应速度快、稳定性好和功耗低等特点，能够满足气 体传感器的基本要求；同时微型硅基气敏传感器还具有工作温度 可精确控制、体积小、价格低、容易大批量生产、容易阵列化和 与电子线路集成等独特优点， 非常适合制造电子鼻。 第4章 智能传感器系统的集成技术 气敏传感器阵列由一系列薄膜组成：气敏层、电极和热敏 传感器层、隔离层。在隔离层上有加热电阻。 这个传感器的制 造一共需要 10 块掩模版。 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) 制造气敏层(四种不同的气敏材料) (8) 从晶片背面进行刻蚀， (9) 对气敏传感器进行封装(切片/装架)。 第4章 智能传感器系统的集成技术 表4-3 四种不同气敏材料的淀积条件 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 48 测量和辨别气体的电子鼻系统 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 49 是传感器阵列对不同气体样品的响应灵敏度 S30 m Rg 30 Ra m 式中：Rg和Ra分别指传感元在待测气体(gas)和空气(air)中的电 阻值；下标 30 是指在待测气体中暴露 30 s; 而下标m则指的是 多次测量平均值(这里是 5 次)。传感器暴露在待测气体后， 其 电阻值发生改变，而且传感器的灵敏度同所用敏感材料关系非 常大。 第4章 智能传感器系统的集成技术 利用上述电子鼻系统对 1×10-6的CO和 0.1×10-6的(CH3)3N 气体区分不是很明显，这主要是因为待测气体浓度过低。 除此之 外， 电子鼻系统能很好区分其它各种气体样品。利用神经网络模 式识别系统能够区分 12 种气体样品和 6 种气味样品。用来识别 12 种气体样品的神经网络有 24 个单元， 包括 4 个输入单元、8 个隐单元和 12 个输出单元，组成 4、8、12 的三层结构。识别气 味样品的神经网络有 16 个单元，包括 4 个输入单元、6 个隐单元 和 6 个输出单元，组成 4、6、6 结构。对 12 种气体样品，用S30m 作输入值，对 6 种气味用S5m作输入值，经过多次学习之后，神 经网络能在输入单元和输出单元间建立连接，正确鉴别各种样品。 经过 10 000 次学习后，电子鼻对气体样品的鉴别率高达 100%； 经过 20 000次学习的电子鼻，对上述 6 种气味的鉴别能达到 93%。 如果能够研制出灵敏度更高、选择性更好的敏感材料或器件结构， 电子鼻系统对样品的鉴别能力还会进一步得到提高。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 49 传感器阵列对不同气体样品的响应灵敏度 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 50 一种“电子鼻”微机械系统的示意图 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.5.2 在人体血管内使用时，对传感器的尺寸、功耗、温度有极严 格的限制。更具体一点，传感器的功耗应小于 10 mW， 传感器的 工作温度与血液温度间的温差应低于 5 K。 下面介绍的传感器尺 寸为 1 mm×5 mm， 可以放置在直径为 2 mm的导管内工作。传感 器利用与CMOS兼容的工艺， 以SOI(SIMOX)晶片作衬底， 从晶片 背面腐蚀形成两个硅膜片， 硅膜片上制作有二氧化硅沟槽。同时， 硅片上还集成有电容开关电路， 用来将流量信号转换为电压脉冲 宽度调制信号。在一个模拟血液流动环境的 2 cm导管中对传感器 的测试结果表明：传感器的工作温度与血液温度间的温差低于 2 K， 总的功耗小于 5 mW，当流量在0~10 L/min 范围变化时，电压脉冲 宽度从 45 μs变到 25 μs。 第4章 智能传感器系统的集成技术 一、 传感器的设计和工作原理 图 4 - 51 流量传感器工作原理 第4章 智能传感器系统的集成技术 表 4-4 边长不同的两个传感器A和B在流量为零 时的测试参数 第4章 智能传感器系统的集成技术 二、 在制造传感器时， 对标准的 2 μm CMOS工艺作了适当增补， 添加了两个制造步骤，传感器的制造过程与CMOS工艺完全兼容。 制造传感器的晶片选用厚度为300 μm的P型(100)晶片。首先，对 晶片进行大剂量的氧离子注入， 注入离子能量为 200 keV，注入 剂量为 1.7×1018cm-2；然后，经过退火，在晶片中形成 400 nm厚 的二氧化硅埋层，埋层上是 200 nm厚的单晶硅层。 接着在单晶硅 层上再外延生长一层厚度为 5 μm的硅层。先用等离子体刻蚀的方 法， 在外延硅层上刻蚀出 5 μm深的隔离槽，再在 1 025 ℃进行热 氧化，使得隔离槽被二氧化硅充满。 在表面淀积一层多晶硅， 再 将淀积的多晶硅层腐蚀掉，可使二氧化硅隔离槽表面平坦。采用 标准的CMOS工艺，在晶片上进行离子注入形成P阱和N阱，并进 一步制作温敏二极管及其它电路。隔离槽不仅起到热隔离作用， 还充当了P阱和N阱间的电学隔离，能够避免P阱和N阱间渗漏电流 产生。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 52 传感器电路系统结构框图 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.5.3 集成加速度传感器 一、 传感器简介 传感器敏感元的特性由惯性质量块和支撑结构的几何尺寸所 决定。在传感器结构设计过程中，一方面要考虑制造工艺的限制， 另一方面，也要考虑到信号处理电路的灵敏度限制。传感器测量 最大值是 50 g，分辨率为 0.5 g, 质量块是 150 μm×150 μm的正方 形多晶硅板， 通过八个折叠式支撑梁在平板四角对质量块进行 支撑， 传感元的共振频率设计为18 kHz，由支撑梁的长度决定。 在 50 g加速度时， 质量块的平均位移为 40 nm。 在质量块上刻 蚀有一些小孔，腐蚀液可以通过这些小孔与作为牺牲层的场氧化 层接触，增大接触面积，从而提高牺牲层腐蚀速度，减少质量块 悬挂所需时间。 第4章 智能传感器系统的集成技术 二、 专用集成电路 (ASIC) 表面微机械技术制造的传感器尺寸和电容量非常小， 其电 容量约为几百飞法(fF)。 这些特点对传感器的控制电路设计提出 (1) 电容极板间距非常小，此时静电力的作用不能忽略，电 容极板间电压应小于 200 mV。 (2) 必须对系统的寄生电容进行补偿，因为它的大小同传感 器电容量相比已经不能忽略。 (3) 传感器的总功耗应小于 100 mW。 (4) 电路能够对传感器的零漂进行校正。 第4章 智能传感器系统的集成技术 为了适应制造工艺和使用方便， 还要求电路具有如下特点： (1) 电路的供电电压为 3 V。 (2) 为了同其它数字电路系统结合， 传感器应输出数字化 信号。 (3) 为了在不同型号传感器中使用， 能够由外部对传感器 进行编程。 (4) 纯粹的CMOS工艺要求在电路设计中， 不能采用精度 很高的元件。 第4章 智能传感器系统的集成技术 图 4 - 53 电路结构框图 第4章 智能传感器系统的集成技术 三、 制造过程 图 4 - 54 纯粹CMOS工艺制造加速度传感器的工艺流程 第4章 智能传感器系统的集成技术 第4章 智能传感器系统的集成技术 4.5.4 集成智能传感器 图 4 - 55 混合智能传感器系统组成框图 第4章 智能传感器系统的集成技术 一、 系统工作流程 在MCU中每个传感器都有 1 个代码块，里面记录了这个传 感器的特性和传感器的数据补偿特性。MCU周期性的读取各个 传感器的测量结果， 对各个传感器测量周期的长短取决于所测 量物理或化学量的变化情况。在每个测量周期中， MCU通过内 置传感器总线与前台传感器进行通讯。传感器总线包括三个电 源线(地线，6 V电源线，5 V参考电源线)，四个通往前台电路线 (1 MHz时钟，串行数据线， 芯片启动和选通“握手”信号)， 两个前台电路输出线(数据输出和数据校验)。 输出数据线上的 数据准备好后，由数据校验信号通知MCU，数据校验线还能由 前台传感器进行触发，请求中断。MCU串行数据输出包括 4 位 的芯片地址、5 位的传感器/执行器地址、3 位命令/指令、12 位 输出数据。 第4章 智能传感器系统的集成技术 前台传感器和总线之间的接口由专用接口芯片完成。 接口 芯片包含有开关电容读出电路，能够将六个传感器输出的电容 信号转换为可传输的数字量。同时，芯片上还集成有温度传感 器， 可以对测量数据进行温度补偿。在每个传感器工作时间， 传感器的输出数据储存在MCU的RAM中，待数据缓冲区存满 后再传送出去。在数据存入RAM之前，能够对数据进行校准和 补偿。 第4章 智能传感器系统的集成技术 系统含有硬件线路接口和无线发送器。硬件接口的八根线 分别是电源线、地线、四根功能选择线(如编程触发)和两根异步 串行RS—232 通讯线。在正常工作时，这个总线可以减少到四根。 微系统中的无线发送器是普通的 315 MHz振幅调制发生器， 数 据的发送频率是 3 kHz。发送器由 3 V电源供电，平均工作电流 为 4 mA。利用超外差接收机和 2.54 cm的环形天线，在 25.4 m 范围内能够接收到传感器系统发射的信号。 在信号发送前，系 统内的MCU对数据进行压缩。 信号发送的格式是 1 位开始字节， 8 位数据字节，1 位奇偶校验字节和 1 位停止字节。另外在接收 机中有一个纠错软件，可对数据进行校正。采用微机械工艺制 造发送器天线，有可能将发送器频率延伸到2.4 GHz, 将数据接收 范围扩大到 1 000 m以上。 第4章 智能传感器系统的集成技术 二、 虽然微系统能够通过I/O接口，采用外部电源供电，但是在 大部分使用场合， 系统由两个 3 V， 500 mA的锂电池供电。 为了降低系统功耗， 尽可能延长电池供电时系统工作时间， 在系统中还集成了一块电源管理芯片(PM)， 在系统扫描工作的 间隙， 此时MCU处在一种“休眠”状态，PM的主要功能是在 这种情况下，切断不必要器件的电源。这段休眠间隔时间在 40 s到 8 min之间， 由MCU通过一个 4 字节的代码进行设定。 MCU对时间的调整是根据测量参数的变化情况决定的。PM芯 片内集成有时钟发生器和计数器，它们提供了计时功能，可以 按时将MCU从“休眠”状态“唤醒”。PM芯片上还集成有电 子开关， 可以切断参考电压和无线发送器的电源。 第4章 智能传感器系统的集成技术 在“休眠”状态， 只有MCU、 PM和启动加速度接口芯片 仍然消耗电能， 此时系统的功耗小于 400 μW。 启动加速度传 感器阵列由三个悬臂梁开关组成， 它能向MCU发出中断信号， 将系统从“休眠”状态“唤醒”， 对突发事件进行响应。 能够 采用编程的方法，在接口芯片中设定系统的启动阈值。根据系 统工作环境，启动阈值可以设为 1.5 g, 10 g或者100 g，这项功能 使系统在变化缓慢的环境中， 对各传感器扫描间隔时间较长， 而在振动频繁的场合， 自动地检测频繁振动。 第4章 智能传感器系统的集成技术 三、 智能传感器系统中包含测量温度、 大气压、 海拨、 湿度和加 速度的传感器。 温度传感器是一个振荡器， 它的振动频率与温度 相关， 集成制造在接口芯片上。大气压传感器是微机械电容式传 感器阵列。 制造过程也是在硅片上制造压力传感器阵列， 阵列中 各个传感器的量程不同， 选用合适的量程可以得到更高的测量精 度， 最高测量精度可以测得海平面上高度变化 1 m时的压力变化。 湿度测量是利用内置的高纵横比数字湿度计来完成的。 湿度计为 电容型结构，利用微模具和电镀工艺制造了两个电极， 电极间由 聚 合 物 隔 开 ， 选 用的 聚 合 物介 电 常 数应 对 湿 度敏 感 ( 如 DuPont PI2723)。 加速度传感器是一个利用硅微机械加工工艺制作的电容 式加速度计阵列，传感器采用四个折叠梁支撑的桥式结构， 带宽 是 75 Hz， 具有过量程保护。 第4章 智能传感器系统的集成技术 四、封装 图 4 - 56 各器件在线路板上的实际布局 第4章 智能传感器系统的集成技术 为了进一步缩小系统的体积，设计了一种新型的折叠式平 台，将组成系统的各种器件集成在一起。平台由微机械技术加 工的几块硅平板组成，在硅上镀金形成带状电缆作为平板上器 件之间的连线。平台上设置有各个传感器和电路芯片的位置。 平台折叠起来后， 形成三层结构：一层用来放置MCU等电路芯 片， 一层用来放置不需要与外界环境接触的传感器(如加速度传 感器)， 最上面一层用来放置与外界环境直接接触的传感器。利 用硅平台能够进行高密度的内部连接而且有可能在其上直接制 造微机械发射天线。 采用这种折叠式结构，整个智能传感器微 系统的体积仅仅为 5 cm3， 相当于一个火柴盒那么大。