智能传感器集成技术应用

第4章智能传感器的集成技术目录第1章概述第2章智能传感器系统中经典传感技术基础第3章不同集成度智能传感器系统介绍第4章智能传感器的集成技术第5章智能传感器系统智能化功能的实现方法第6章通信功能与总线接口第7章智能技术在传感器系统中的应用第8章智能传感器系统的设计与应用第9章无线传感器网络技术概述第4章智能传感器的集成技术第4章智能传感器的集成技术要点：集成电路工艺及典型元件电路的示例；微机械工艺及微机械结构的示例；集成智能传感器系统示例。第4章智能传感器的集成技术第4章智能传感器的集成技术集成电路的基本工艺——制作传感器的电路部分，主要包括：材料的生长、扩散、离子注入、外延、光刻、腐蚀等。微机械加工技术是在集成电路工艺的基础上发展起来的，制作传感器的敏感单元。推荐一本参考书：《微传感器与微执行器全书》(MICROMACHINEDTRANSDUCERSSOURCEBOOK)[美]GregoryT.A.Kovacs张文栋等译[北京]科学出版社第4章智能传感器的集成技术不同深宽比示意图第4章智能传感器的集成技术(100)硅片各向异性腐蚀图第4章智能传感器的集成技术§4.1集成电路的基本工艺§4.1.1晶片的制备单晶硅片是制造半导体智能传感器最主要的材料，所以有必要先了解单晶硅片是怎么制造出来的。原材料冶金级硅电子级硅单晶晶片石英砂（SiO2）＋碳（SiC）加热纯度98％323SiHClSiHClH蒸馏及还原323SiHClHSiHCl粉末液体晶体生长切割、研磨、抛光高纯度多晶材料，杂质含量10-9第4章智能传感器的集成技术直拉单晶炉第4章智能传感器的集成技术介绍生长单晶硅的装置：1）炉子：包括石英坩埚、石墨基座、旋转装置、加热元件及电源；2）单晶提拉机构：籽晶夹持器及旋转装置；3）保护气体控制系统：气体源、流量控制装置、抽气系统。对籽晶的要求：晶向要合适[111]；要使生长出来的晶体有一定的掺杂浓度，在熔体中加入一定量的掺杂剂；切片的主要参数：表面晶向、厚度、斜度及弯曲度。衬底材料的选择：1）导电类型和电阻率：力敏器件多数是选N型单晶硅作衬底材料，采用扩散或离子注入工艺制作P型掺杂电阻。＊同一电阻率的P型硅掺杂浓度高于N型掺杂浓度。掺杂浓度越高，第4章智能传感器的集成技术温度漂移越小。＊相同温度相同表面杂质浓度下，P型层的压阻系数比N型层的高，有利于提高灵敏度。2）位错密度：位错是单晶硅的原子排列上出现一种缺陷；位错会加快杂质扩散速度，影响隔离效果，产生应力集中。3）晶向和晶面压阻效应与晶向有关，P型硅的压阻效应是[111][110][100]；硅单晶的原子密度是以晶面(111)(110)(100)的次序递减，而扩散速度、腐蚀速度以（111）(110)(100)的顺序递增。制作力敏器件，为加快扩散速度，缩短腐蚀时间和提高器件的稳定性，应选取（100）、（110）晶面。4）衬底切割的质量要求第4章智能传感器的集成技术＊硅片厚度公差±0.015mm；＊平行度0.02mm；＊晶向偏差：1°；＊弯曲度：影响加工量，一般要求磨片磨削量的1/2。§4.1.2外延作用：控制杂质分布，优化器件和电路性能方法：气相外延（VPC）；液相外延（LPC）；分子束外延（MBE）。主要目的：通过一种化学反应的方式，在硅基片的表面生长一层所需的膜层，如掺杂层的生成。优点：在远低于熔点的温度下生长。第4章智能传感器的集成技术气相外延常用的三种基座（a）水平型（b）圆盘型（c）桶型第4章智能传感器的集成技术选择性外延生长的三种可能方案第4章智能传感器的集成技术§4.1.3热氧化主要是生成半导体电路中所需的氧化层，如MOSFET电路中的栅氧化层，场氧化层。氧化层的作用：隔离层、钝化层方法：干氧氧化（高纯度干燥氧气）湿氧氧化（高纯度水蒸气）特点：干氧氧化（慢、性能好）湿氧氧化（快，用于较厚氧化层）反应条件：T：900～1000℃；v（气体流量）：1cm3/s，ΔT＝±1℃；钝化膜的作用：起掩蔽、保护、绝缘等作用；防止高温下硅表面以及硅中杂质的挥发，以及化学处理而引起的器件电学性能下降。22SiOSiO22222SiHOSiOH第4章智能传感器的集成技术电阻加热氧化炉结构示意图第4章智能传感器的集成技术§4.1.4物理气相淀积作用：淀积一些金属材料，作为电极或连线；对器件进行金属化。方法：真空蒸发淀积（辉光放电）——用于铝等熔点较低的材料；物理溅射淀积（分直流、射频、磁控、离子束）——用于难熔金属或化合物材料。图4-6有错误，电源极性倒过来。直流射频磁控溅射离子束气压高（1.3～13.3Pa）0.133Pa0.133Pa（1.33×10-3Pa）高真空只能用于导电材料用于绝缘靶薄膜均匀性好，淀积速率高1μm/min可用于绝缘靶，淀积速率高第4章智能传感器的集成技术蒸镀、平面溅射、S枪溅射台阶覆盖能力示意图第4章智能传感器的集成技术§4.1.5化学气相淀积作用：淀积用于分立器件和集成电路绝缘和钝化的介质膜，与物理气相淀积相比产生化学反应。方法：常压化学气相淀积低压化学气相淀积等离子体化学气相淀积CVDLPCVDPCVD用于金属化工艺用于钝化器件、绝缘膜作器件最终钝化膜温度高温度中等（750℃）温度低（300℃）薄膜电阻，氮化硅膜氮化硅膜§4.1.6光刻光刻工艺是利用光刻胶受光照部分与未受光照部分溶解特性的巨大差异在衬底表面制作图形的技术。这有点类似照相底片的功能。2SiO第4章智能传感器的集成技术热壁低压化学气相淀积反应器原理图第4章智能传感器的集成技术1、光刻工艺流程光刻胶分：正性光刻胶（曝光部分被溶解）；负性光刻胶（又叫反转片）。工艺步骤：清洗、烘烤→涂胶（厚度取决于光刻胶种类、旋转速度、液态胶粘度）→前烘（使胶层中的溶剂挥发（红外线、热板、循环热风）增强粘附能力；提高耐磨性；提高和稳定感光灵敏度）→曝光（使胶层起光化学反应，方式有掩膜曝光、电子束曝光）→显影（样品放入显影液，使部分胶层溶解，分正负性）→后烘（显影后的样品放在一定温度下烘烤，使其硬化，又叫坚膜）→腐蚀或淀积（刻蚀掉下面的材料，或淀积所需的材料）→去胶（去除作为保护膜的光刻胶）。2、紫外光曝光光刻光源：、准分子激光器：高亮度、高单色性、方向性好。2CeClAr第4章智能传感器的集成技术光刻主要工艺流程接近式暴光装置示意图第4章智能传感器的集成技术第4章智能传感器的集成技术曝光方式：接触式、接近式（分辨率：）、投影式（）A：数值孔径。上述曝光方式受衍射效应的影响。3、几种新型的曝光系统元件尺寸的减小，要求曝光系统的分辨率高。1）选用短波长的光源，如x射线（λ＝0.4～5nm）；2）采用电子束曝光,λ=0.01nm,但速度慢。§4.1.7刻蚀在IC工艺和微机械加工工艺中占重要地位。作用：把经过曝光、显形后光刻胶图形中下层材料的裸露部分去掉。方法：各向同性腐蚀和各向异性腐蚀（或称为干法腐蚀与湿法腐蚀），干法效果好；湿法精度低，效果差。12.8sR0.61NAY第4章智能传感器的集成技术简单介绍：等离子体刻蚀法（见下图）1.微波窗口2.水冷套3.等离子体发生室4.磁场线圈5.等离子体约束室6.观察窗口7.处理室8.基片架9.抽气口10.电机转轴11.光电盘12.光电传感器13.门14.探针口15.气体进口123456789101112131415第4章智能传感器的集成技术§4.1.8扩散作用：用于对衬底进行选择掺杂，以形成N型区或P型区，例如：制作P－N结。方法：恒定表面浓度扩散；恒定杂质总量扩散扩散效果：取决于扩散温度和扩散时间。集成电路工艺中，一般采用两步扩散法：预淀积扩散、主扩散（或称再分布扩散）。扩散设备：专用的扩散炉（与热氧化类似），对于硅：T＝800～1000℃；扩散源：固态源：、；液态源：、；气态源：、。（形成掩膜）23AsO25PO3AsAl3POCl3AsH3PH2322343AsOSiAsSiO第4章智能传感器的集成技术扩散杂质在衬底中的分布第4章智能传感器的集成技术§4.1.9离子注入作用：将一定能量的带电粒子掺入到硅等衬底中，用来改变衬底的电学性能，与扩散作用类似。优点：可以精确控制掺杂的数量，重复性好，加工温度低。离子注入系统：离子源、质量分析器、(可变狭缝)、加速管、平面扫描电路、靶。高能离子能量消耗机制：核阻止过程电子阻止过程能量小砷离子（重离子）硼离子（轻离子）磷离子介于两者之间，临界能量是130KeV解释离子注入损伤的概念。沟道效应：由入射离子对准某一主要晶向时造成，它的射程比在非第4章智能传感器的集成技术晶硅中大很多。晶格无序：注入离子向晶格转移足够能量，使晶体原子发生移位，当原子移动距离接近原子密度时，单晶材料变成非晶材料。轻离子的能量被吸收的特点：一开始是电子阻止消耗能量，能量减低后变为核阻止消耗能量。损伤区的恢复：退火，使注入离子进入晶格点阵（又叫激活）退火方法：扩散炉（时间长，效果差）；激光、电子束（时间短，低温，效果好）。第4章智能传感器的集成技术离子注入系统示意图第4章智能传感器的集成技术离子注入形成无序区第4章智能传感器的集成技术§4.2典型的集成电路元件制作工艺集成电路的基本构成单元：有源元件（二极管、三极管、场效应管）、无源元件（电阻、电容、电感）。§4.2.1典型的集成电路制造流程设计、掩模版制造、芯片制造（扩散、氧化、离子注入、刻蚀）、封装、测试等一些步骤，下图是其流程图。CPU之类大规模集成电路的制作前后有两百多道工序。1）设计根据功能要求，借助CAD设计电路并生成版图→转化为光刻掩模板。2）芯片制造利用前面所述的各种工艺，根据实际使用的需要，将各种加工方法进行合理的组合，最终将各个掩膜板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章智能传感器的集成技术集成电路制造的主要步骤第4章智能传感器的集成技术3）封装：提供合适的散热和引线连接条件，如带窗口的ROM。4）测试§4.2.2集成电路电阻器制作工艺：硅衬底材料（N－Si）二氧化硅层形成制作电阻的图形形成电阻器。；通常用符号表示，称为薄层电阻，单位：。§4.2.3集成电路电容器硅衬底材料二氧化硅层形成所需的窗口形成区→集成MOS电容器。热氧化光刻离子注入扩散1R[]LWg1g*R**/热氧化光刻离子注入扩散P第4章智能传感器的集成技术集成电阻器第4章智能传感器的集成技术§4.2.4电感的制造用于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。制造方法：1）在铜膜上制作电感掩膜，然后在腐蚀液中进行腐蚀；2）利用电感掩膜在衬底上淀积活化层，接着在活化层上电镀厚铜层。上述两种方法只能制作微型电感。3）利用光刻胶材料制作电感模具，在模具中电镀生长铜线圈层，该方法可制作多层电感线圈。制造过程：衬底（不锈钢膜片）基底基片再光刻，形成线圈模具线圈形成隔离层、引线孔制造多层。Pt溅射用甩胶方法涂聚酰亚胺薄膜非电镀电镀甩胶光刻重复上述步骤涂聚酰亚胺薄膜第4章智能传感器的集成技术§4.2.5双极性晶体管双极性晶体管的制造过程比较复杂，它总共包括：薄膜形成6次；图形曝光6次；刻蚀4次；离子注入4次，共分6步完成制作过程。IC中的双极晶体管大多是N－P－N型。1）形成埋层，减少集电极串联电阻；2）生长N型外延层，它的厚度和掺杂浓度决定于工作电压；3）形成横向氧化物隔离区，将发射区与集电区隔开；4）形成基区，基区与发射区位置比较接近；5）形成发射区；6）用金属化工艺形成基极、发射极、集电极引出电极。第4章智能传感器的集成技术双极晶体管制造过程截面图第4章智能传感器的集成技术§4.3微机械工艺的主要技术集成电路工艺基本上是平面工艺，而微机械工艺从某种角度上来说是立体工艺，它不仅仅用于微传感器的加工，而且用于电力电子器件、真空场发射阵列器