專利名稱：一種柔性傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種柔性傳感器的制作方法。
背景技術(shù)：
自從1962年第一個(gè)硅微壓力傳感器面世以來，微傳感器得到了迅速的發(fā)展。然而，大多數(shù)傳感器是利用傳統(tǒng)的技術(shù)光刻、刻蝕、沉積等工藝在剛性襯底(如硅，石英等)上制作的，如一些面陣觸覺傳感器、諧振力敏傳感器、微型加速度傳感器以及真空微電子傳感器等。在實(shí)際應(yīng)用中，能貼于任意曲面的柔性傳感器需求越來越多，國外一些研究機(jī)構(gòu)早在上個(gè)世紀(jì)八十年代就開始了對這種柔性傳感器的研究，并將其應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)、機(jī)器人、軍事等領(lǐng)域，如BARTH等人在1985年報(bào)導(dǎo)在柔性聚酰亞胺襯底上制作硅溫度傳感器陣列的技術(shù)。該溫度傳感器可以用在癌癥治療方面在高溫治療癌癥時(shí)，要將溫度傳感器植入患者的腫瘤部位，這就需要這種柔性的對組織無損傷的溫度傳感器。觸覺是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與外部環(huán)境直接作用的必需媒介，柔性皮膚觸覺傳感器可以模擬人的感覺，在機(jī)器人領(lǐng)域備受重視。美國University of Illinois at Urbana-Champaign的研究人員開發(fā)了機(jī)器人觸覺傳感器，可以感知物體的幾何尺寸、壓力、溫度、滑動等，具有很好的穩(wěn)定性。日本佐賀大學(xué)用柔軟、韌性好的壓感導(dǎo)電橡膠研制了檢測溫度、硬度、熱傳導(dǎo)性的觸覺傳感系統(tǒng)。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，如果將柔性傳感器制作和基于柔性皮膚層(flexible skin)的集成電路微制作技術(shù)溶為一體，則可以形成大面積的柔性傳感器，這種發(fā)展趨勢越來越受到國際一些研究機(jī)構(gòu)和公司的重視。著名半導(dǎo)體制造商德國Infineon公司宣稱成功開發(fā)出了在布料上嵌入大規(guī)模集成電路(LSI)和布線的技術(shù)，在夾克衫和罩衫上嵌入MP3播放器，制作了“可水洗MP3播放器”，也稱為“Wearable Electronics”(可穿戴的電子器件)。這種集多功能的單片集成化是今后基于MEMS的柔性技術(shù)的主要發(fā)展趨勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種柔性傳感器的制作方法，該傳感器可以卷曲起來，可以廣泛應(yīng)用于非平面表面。
本發(fā)明提供的一種柔性傳感器的制作方法，其步驟包括(1)制作剛性傳感器；(2)在剛性傳感器的晶片前表面上旋涂一層10-15μm厚的聚酰亞胺，再甩20-30μm厚的光刻膠；(3)晶片后表面被深刻蝕減至60-80μm厚，形成硅島空腔；(4)在后表面沉積一層300-500nm厚的氮化硅，光刻成形后，刻蝕硅片直到金屬層，形成硅島陣列結(jié)構(gòu)；(5)然后采用反應(yīng)離子刻蝕方法刻蝕步驟(4)沉積的氮化硅；(6)旋涂另一層10-15μm厚的聚酰亞胺于后表面來覆蓋硅島，即獲得柔性傳感器。
采用本發(fā)明方法制作的柔性傳感器由于其特殊的結(jié)構(gòu)，在許多領(lǐng)域有很廣泛的市場前景。這種技術(shù)可以將傳感器制作成創(chuàng)可貼式的，隨意貼于人體皮膚上，則可以方便的監(jiān)視人的健康狀況，對于診斷病情，控制給藥，極其方便，這也是目前生物工程的一個(gè)重要應(yīng)用。近年來，隨著智能機(jī)器人研究的深入開展，作為模仿皮膚的這些觸覺功能的觸覺傳感器受到了愈來愈多的重視和期待，如果利用柔性傳感器對位置、圖象、溫度、壓力、化學(xué)等環(huán)境因素進(jìn)行探測，則可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的人工智能。本發(fā)明所研究的柔性剪切應(yīng)力傳感器，在飛行器的控制方面很有意義。本發(fā)明也將為其它柔性傳感器的制作提供了經(jīng)驗(yàn)，例如這種多晶硅薄膜還可以制作成水下傳感器，可用在潛艇和魚雷上面?；谶@種柔性制作技術(shù)，制作出許多仿生傳感器，如人造鼻子，眼睛等。總之，柔性傳感器作為一個(gè)的新發(fā)展領(lǐng)域，將大大促進(jìn)MEMS傳感器的應(yīng)用前景和應(yīng)用范圍。


圖1為剪切應(yīng)力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1-1為俯視圖，1-2為主視圖，a腐蝕孔，d傳感器長度，D空腔寬度。
圖2制作工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面以剪切應(yīng)力傳感器為例，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
實(shí)例1本發(fā)明提供的制作方法主要包括兩部分，首先是制作剛性襯底的剪切應(yīng)力傳感器，其次是在所制作的剛性剪切應(yīng)力傳感器上制作出柔性的結(jié)構(gòu)，形成柔性的剪切應(yīng)力傳感器。利用多晶硅的熱電阻/熱膜(Hot wire/film)效應(yīng)，設(shè)計(jì)了長度為100μm，厚度為0.45μm，寬度為2μm多晶硅條結(jié)構(gòu)，如圖1-1，為了使盡可能少的熱量傳向襯底材料，在多晶硅條下面設(shè)計(jì)了一個(gè)方形的真空腔，如圖1-2所示。采用這種結(jié)構(gòu)的傳感器具有更高的靈敏度和頻率響應(yīng)范圍。
除剪切應(yīng)力傳感器外，本發(fā)明還可以采用其它剛性傳感器作為襯底，如溫度傳感器、壓力傳感器等，均可以采用現(xiàn)有技術(shù)制作。下面列舉一種剛性襯底上剪切應(yīng)力傳感器的制作方法，它依次包括以下步驟(1)清洗硅襯底表面，襯底厚度為300μm；(2)如圖2.1低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)0.6μm的氮化硅，形成掩模層。用O2/CF4，O2/SF4粒子束刻蝕硅襯底形成1.2μm深的腔體結(jié)構(gòu)(在O2和CF4粒子束刻蝕中，氮化物和硅的交界處可能會出現(xiàn)氧化硅，為避免該情況的出現(xiàn)，氮化硅沉積之前應(yīng)先用HF浸泡硅襯底，以去處表面的氧化物。局部氧化(LOCOS)，使腔體中填充物為二氧化硅。通常，應(yīng)使氧化物比氮化物略微生長的高些(氧化物約為2.5um厚)。然后將晶片浸入HF容器中，刻蝕掉背部的氧化物，使表面平整。
(3)如圖2.2沉積0.5um的磷硅玻璃(PSG)，堅(jiān)膜成型后形成刻蝕通道。值得注意的是，堅(jiān)膜步驟是必不可少的，否則在HF中PSG的刻蝕面會出現(xiàn)不規(guī)則現(xiàn)象。成型步驟后，PSG置于1050攝氏度下熔融。
(4)如圖2.31.6um低壓氮化物沉積形成隔膜且用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)刻蝕成空腔。氧化物和PSG均被高溶度的HF(48％)刻蝕掉，且氮化硅的刻蝕速率為5nm/min。
(5)如圖2.4真空中低溫氧化物(LTO)沉積來封閉腔體。LTO的沉積氣壓約為200mtorr。而實(shí)際中由于450攝氏度時(shí)腔體中殘余的SiH4與O2的繼續(xù)反應(yīng)，使隔離后的空腔中的實(shí)際氣壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于200motorr，近似于真空，便于更好的熱隔離。由于LTO并非有很好的密封質(zhì)量，于是另一層的氮化硅被沉積來加強(qiáng)密封效果，以減小傳入襯底的熱損失。該隔膜上的氮化硅以LTO為阻刻層并用RIE來進(jìn)行刻蝕，而LTO層則以HF來進(jìn)行刻蝕。
(5)如圖2.5多晶硅加工以形成剪切應(yīng)力傳感元件。多晶硅在560攝氏度下進(jìn)行沉積。在該溫度下，首先獲得的為無定形硅，在硼粒子注入及高溫1050攝氏度的退火后，無定形硅才轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч?。原因是，低溫下以無定形形式沉積的多晶硅在隨后的高溫處理后，比620攝氏度沉積的多晶硅有更好的可控性。其注入摻雜溶度選為2×1020/cm3，以獲得0.1％/K的正的電阻溫度系數(shù)(TCR)。該摻雜溶度能在多晶硅和鋁之間形成較好的接觸電阻特性。
(6)如圖2.6多晶硅深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)成型后，沉積0.2μm的氮化硅以使其鈍化。以O(shè)2和CF4等離子體粒子束刻蝕用于接觸的孔(contact holes)。由于0.2μm的氮化硅下面沒有阻擋層，故該刻蝕過程應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控。使用CF4而不用SF4的原因是CF4氣氛下刻蝕多晶硅比SF4氣氛下的速率要低的多。也可多沉積一層薄的LTO來作為阻刻層，使該步驟更加可控。在450°下蒸發(fā)鋁以形成較好的電阻連接特性。
經(jīng)過以上步驟，剛性襯底上的剪切應(yīng)力傳感器結(jié)構(gòu)就完成了。接著按照以下步驟完成柔性結(jié)構(gòu)的制作。
(1)如圖2.7首先在制作了剪切應(yīng)力傳感器的晶片前表面上旋涂一層聚酰亞胺(Du Pont PYRALIN PI 2808)聚酰亞胺層約為10μm厚，接著旋涂一層光刻膠，光刻膠應(yīng)要有20μm厚，操作時(shí)應(yīng)注意避免光刻膠的破裂。光刻成形露出傳感器單元。
(2)如圖2.8利用深刻蝕技術(shù)刻蝕硅后表面，刻蝕深度為240μm，形成硅島空腔。
(3)如圖2.9在后表面沉積一層300nm厚的氮化硅，光刻成形后，刻蝕硅片直到金屬層，形成硅島陣列。應(yīng)該注意的是，只有傳感器單元之間的區(qū)域(皮膚區(qū)域)被減薄，傳感器下面(皮膚間)的硅保持不變以保證足夠的機(jī)械支撐強(qiáng)度。然后RIE刻蝕前面沉積的氮化物。否則當(dāng)皮膚彎曲時(shí)氮化層會發(fā)生破裂，破壞鋁線。
(4)如圖2.10)另一層厚為10μm的聚酰亞胺旋涂于背面來覆蓋硅島。
整個(gè)柔性傳感器的制作便完成了。
實(shí)例2選擇400μm后的硅襯底，按照上述剛性襯底的工藝制作完剪切應(yīng)力傳感器后，接著按以下步驟完成柔性結(jié)構(gòu)的制作。
(1)如圖2.7首先在制作了剪切應(yīng)力傳感器的晶片前表面上旋涂一層聚酰亞胺(Du Pont PYRALINPI 2808)聚酰亞胺層約為15μm厚，接著旋涂一層光刻膠，光刻膠為30μm厚，光刻成形露出傳感器單元。
(3)如圖2.8利用深刻蝕技術(shù)刻蝕硅后表面，刻蝕深度為320μm，形成硅島空腔。
(3)如圖2.9在后表面沉積一層500nm厚的氮化硅，光刻成形后，刻蝕硅片直到金屬層，形成硅島陣列結(jié)構(gòu)。應(yīng)該注意的是，只有傳感器單元之間的區(qū)域(皮膚區(qū)域)被減薄，傳感器下面(皮膚間)的硅保持不變以保證足夠的機(jī)械支撐強(qiáng)度。然后RIE刻蝕前面沉積的氮化物。否則當(dāng)皮膚彎曲時(shí)氮化層會發(fā)生破裂，破壞鋁線。
(4)如圖2.10另一層厚為15μm的聚酰亞胺旋涂于背面來覆蓋硅島。
整個(gè)柔性傳感器的制作便完成了。
權(quán)利要求
1.一種柔性傳感器的制作方法，其步驟包括(1)制作剛性傳感器；(2)在剛性傳感器的晶片前表面上旋涂一層10-15μm厚的聚酰亞胺，再甩20-30μm厚的光刻膠；(3)晶片后表面被深刻蝕減至60-80μm厚，形成硅島空腔；(4)在后表面沉積一層300-500nm厚的氮化硅，光刻成形后，刻蝕硅片直到金屬層，形成硅島陣列結(jié)構(gòu)；(5)然后采用反應(yīng)離子刻蝕方法刻蝕步驟(4)沉積的氮化硅；(6)旋涂另一層10-15μm厚的聚酰亞胺于后表面來覆蓋硅島，即獲得柔性傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種柔性傳感器的制作方法，步驟為制作剛性傳感器；在剛性傳感器的晶片前表面上旋涂一層10－15μm厚的聚酰亞胺，再甩20－30μm厚的光刻膠；晶片后表面被深刻蝕減至60－80μm厚，形成硅島；在后表面沉積一層300－500nm厚的氮化硅，光刻成形后，刻蝕硅片直到金屬層；然后采用反應(yīng)離子刻蝕方法刻蝕步驟(4)沉積的氮化硅；旋涂另一層10－15μm厚的聚酰亞胺于后表面來覆蓋硅島，即獲得傳感器可以卷曲起來，并廣泛應(yīng)用于非平面表面。柔性傳感器制作成創(chuàng)可貼式的，隨意貼于人體皮膚上，也可以運(yùn)用于飛行器的控制領(lǐng)域。柔性傳感器作為一個(gè)的新發(fā)展領(lǐng)域，將大大促進(jìn)MEMS傳感器的應(yīng)用前景和應(yīng)用范圍。
文檔編號B81C1/00GK1619259SQ20041006127
公開日2005年5月25日 申請日期2004年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月6日
發(fā)明者陳四海, 馬宏, 汪殿民, 王志勇, 朱福龍, 潘峰, 徐涌, 易新建 申請人:華中科技大學(xué)