其他的隧道效应磁强计设计方案： 方案A[14]、
单位：1 清华大学精密仪器系;2北京大学微电子学研究所 作者：朱俊华1,周兆英1,叶雄英1,张大成2,郝一龙2,李婷2
基本原理：经典物理学认为,动能低于势垒的电子是不能穿透势垒的。但是根据量子力学的理论 ,上述电子可以穿透势垒 ,并已被实验所证实。当两个电极充分接近(约为 1nm) ,电子云相互重叠时 , 在电极间加上电压 (约100mV) ,电子便会通过电子云的狭窄通道流动 ,形成隧道电流。隧道电流和电极间距离的关系如下：:
由上式可知 ,隧道电流和 s成指数关系微小的位移就会使隧道电流产生很大的变化。而且 ,隧道电流仅发生在两个电极上距离最近的两个原子之间 ,因此从本质上来说其灵敏度是与尺寸无关的。图12(f) 是微型隧道效应磁强计的结构图 ,它由下层的玻璃衬底和上层的硅片组成。在驱动电极和偏置电极之间加上电压 ,静电力使硅桥变形 ,当针尖和电极之间的间距约为1nm时 ,就会产生隧道电流。在平面线圈内通以交变电流 ,薄膜在 Lorentz 力的作用下 ,上下振动 ,隧道电流随之改变 ,从而测出磁感应强度的大小。
工艺流程：
硅片工艺，首先用热氧法在双面抛光的硅片上长出500nm的二氧化硅并用甩胶光刻 ,图形化后用 RIE刻蚀二氧化硅 ,为防止 RIE损坏下面的硅 ,当二氧化硅剩余 50nm 时改用BHF 溶液腐蚀 ,直至暴露出下面的硅。BHF 溶液腐蚀二氧化硅速率为 2.3nm/ s ,较 RIE容易控制。然后用 KOH 进行各向异性腐蚀 ,形成1 μm的浅坑 ,这一步确定了硅尖和偏置电极间的间距(图 12a) 。去掉硅表面的二氧化硅 ,进行无掩模的浓硼掺杂 ,形成自停止层 ,掺杂
图12 磁强计的工艺流程图
浓度为 1020cm?3,厚度 9 μm。接下来在硅表面热氧二氧化硅 ,进行光刻 ,形成 10μm ×10 μm的硅尖掩模(图 12b) 。
对硅尖的刻蚀工艺做了湿法刻蚀和干法刻蚀(RIE)的实验比较。因为硅片掺杂浓硼之后 ,选用配比为 3∶25∶10 的 HF + HNO3 +CH3COOH的各向同性腐蚀液。但在工艺实验中发现 ,硼的掺杂浓度对该腐蚀液的腐蚀速率影响较大 ,重复性差。而且 ,横向腐蚀速率大大超过了纵向腐蚀速率 ,腐蚀速率比 2～3∶ 1。因此 ,这种刻蚀方法无法获得精确清晰的结构轮廓。分析认为这是因为二氧化硅掩模和硅的界面处对该腐蚀液的亲和性较大造成的。图 13 是 RIE 刻蚀实验的 SEM 照片 ,从照片上可以看出 ,RIE刻蚀的结构侧
面比较光滑。而且 ,通过改变腐蚀气体( SF4/O2)流量和反应室压力 ,使纵横刻蚀比能在0.8～1.2 之间调整。因此 ,RIE是制作硅尖的理想工艺。图14是硅尖溅射的 SEM 照片。
图13 RIE 刻蚀SEM 照片 图14 硅尖SEM 照片
刻蚀出硅尖后 ,将二氧化硅去掉 ,再热氧一层 300nm的二氧化硅作为绝缘层。然后通过剥离工艺在坑底制作硅尖电极和驱动电极 ,电极为 Ti/ Pt / Au 三层结构 ,厚度 300nm(参见图12d) 。两个电极都通过引线引至硅片的上表面 ,以便通过键合和玻璃上的电极相连。
玻璃工艺:Pyrex7740 玻璃光刻图形化后用 RIE刻蚀出 350nm的浅槽 ,使用剥离工艺在槽内制作出电极(图 12c) ,包括传感器的偏置电极和与硅片上电极相连的引线。电极材料为 Ti/Pt / Au ,厚度为 200nm。电极和玻璃表面有150nm 的高度差 ,这样,在键合中既能使硅片上的电极与玻璃上的电极相接触 ,又不至因电极隆起过高而使硅片和玻璃无法紧密接触 ,而影响键合的强度。
组合片工艺:静电键合又称场助键合或阳极键合,可以将玻璃与金属、合金或半导体键合在一起而不需任何粘接剂 ,键合界面有良好的气密性和长期稳定性 ,应用十分广泛。将硅片和玻璃倒扣在一起 ,硅片接正极 ,玻璃接负极 ,在400 度的温度和1200V 的电压下 ,硅/玻璃界面发生化学反应 ,形成牢固的化学键而使硅和玻璃紧密结合在一起 (图 12d) 。薄片溶解法
(Dissolved Wafer Process)是一种利用自停止技术 ,将硅片的大部分溶解掉 ,获得各种厚度薄膜的体硅工艺。根据掺杂层的厚度不同 ,可以得到从 1 微米到 10 多微米厚的薄膜。一般先在硅上刻蚀结构图形 ,然后与玻璃键合在一起 ,最后用湿法溶解体硅 ,这样分离出的结构或薄膜就粘附在玻璃上。KOH对硅的腐蚀速率在掺杂浓度超过阈值浓度(约为5 ×1019cm?3)时 ,腐蚀速率很小 ,轻掺杂硅和重掺杂硅的腐蚀速率之比高达数百倍 ,可以认为 KOH 对重掺杂硅不腐蚀。实验中将键合好的硅片和玻璃放入KOH溶液并不停地搅拌 ,单晶硅以 1.1μm/min的速率被腐蚀 ,大约 7.5 小时后 ,腐蚀至自停止层。腐蚀停止后 ,硅表面平整光滑 ,525 μm厚的玻璃仅腐蚀了 5 μm。在硅的表面涂上 1 μm 的聚酰亚胺 ,对聚酰亚胺进行图形化 ,暴露出硅桥两侧的硅 ,为后续工艺作准备。将聚酰亚胺亚胺化 ,形成绝缘层 ,然后在它的上面蒸上 1 μm 的铝,制作出平面线圈(图 12e) 。
最后 ,在硅片上甩胶 ,用光刻聚酰亚胺所用的掩模板进行图形化后 ,用 ICP 将单晶硅薄膜刻穿 ,释放薄膜的两个对边 ,从而形成硅桥(图 12f).
方案B[18]:
单位: 清华大学精密仪器系 作者: 朱俊华、丁衡高、叶雄英 原理：如方案A：根据隧道效应
结构设计：图15所示为微型隧道效应磁强计的结构图，它由上层的玻璃衬底和下层的硅片组成。在驱动电极和偏置电极之间加上一定电压，静电力使微梁变形，当针尖和电极之间的间距约为1nm时就会产生隧道电流，在梁背面的平面线圈内通上交变电流，梁在Lorentz力的作用下上下振动，测量隧道电流的大小，就能得到粱的变形量和磁感应强度的大小。薄膜的上表面和下表面都有一层0．2um厚的si02作绝缘层。