1、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,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,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(MICROMACHINED TRANSDUCERS SOURCEBOOK) 美Gregory T.A.Kovacs 张文栋等译 北京科学出版社,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。,4.1 集成电路的基本
2、工艺,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,,4.1 集成电路的基本工艺,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111110100;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
3、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,4.1 集成电路的基本工艺, 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。,4.1 集成电路的基本工艺,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:9001000;v(气体流量):1cm3/s,T1; 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。,4.1 集成电路的基本工艺,4.1.4 物理气相淀积
4、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。,4.1 集成电路的基本工艺,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 CVD LPCVD PCVD 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。,4.1 集成电路的基本工艺,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
5、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。,4.1 集成电路的基本工艺,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(0.45nm); 2)采用电子束曝光, =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。,4.1 集成电路的基本工艺,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
6、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,4.1 集成电路的基本工艺,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PN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:T800100 0; 扩散源:固态源: 、 ;液态源: 、 ; 气态源: 、 。 (形成掩膜),4.1 集成电路的基本工艺,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
7、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,4.1 集成电路的基本工艺,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)。,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,P154页图4-15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
8、,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。,4.2 典型的集成电路元件制作工艺,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(NSi) 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 书中图4-18有错误, 。,4.2 典型的集成电路元件制作工艺,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。,4.2 典型的集成电路元件制作工艺,4
9、.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NPN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。,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、 真空场发射阵列器件、扫描隧道显微镜中的微探针头、微电子机械系统 等。 4.3.1 SOI晶片(Silicon on Insulator) 作用:将有源部分(电路部分)与敏感部分隔开,同时与恶劣环境 隔开。 构成: 制备方法: 1)SIMOX(Separation by Ion Implantation of oxygen)氧离子注入; 2)SDB(Silicon Wafer Direct Bonding)键合; 注意点:防止衬底非晶化。,4.3 微机械工艺的主要技术,4.3.2 硅的各向异性刻蚀技术 基于硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率的特性,在硅衬底上加工出各 种各样的微结构。(100):最快;(110):一般;(111):最慢。 1、 腐蚀剂的种类 a)有机腐蚀剂:EDP(乙二胺,邻苯二酚,水);联胺。 b)无机腐蚀剂:(碱性)KOH,NaOH水溶液 2、 影响腐蚀特性的因素 a)腐蚀系统成分配比不同,腐蚀特性不同; b)晶体的晶向及掺杂浓度 例如:在重
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