一種基于SOI基底的高導電二維薄膜懸浮SiO?/Si質量塊的加速度傳感器及其制備方法

本發明屬于微納傳感器制造領域，具體涉及一種基于soi基底的高導電二維薄膜懸浮sio2/si質量塊的加速度傳感器及其制備方法。

背景技術：

1、加速度傳感器是關鍵的傳感器之一，在汽車、航空、消費電子、工業監測等眾多領域有著廣泛的應用。現有的加速度傳感器主要依賴于微機電系統（mems）技術，這種技術利用硅或其他微加工材料制作微型機械結構。然而，這些傳感器通常面臨著體積大、靈敏度不高、測量范圍有限以及信噪比不足等技術難題。因此，研究人員一直在尋求新的材料和技術來改進加速度傳感器的性能。

2、近年來，石墨烯因其卓越的機械性能和電子特性而引起了廣泛關注。石墨烯具有許多獨特的性質，如高導電性、高可伸縮性和超薄結構等，成為了一種應用于微納機電傳感器的理想材料，已經在納機電諧振器、壓力傳感器等器件領域得到概念驗證。石墨烯卓越的機械特性和電學特性，尤其是其壓阻效應，使得這種薄膜在受到外力作用時，其電阻值會發生變化，從而準確測量加速度的大小。此外，石墨烯的制備和集成技術，如機械剝離法和化學氣相沉積法，也取得了關鍵性的進步，這為石墨烯加速度傳感器的制造提供了強大的技術支撐。

3、通過采用石墨烯薄膜作為關鍵的敏感元件，并結合先進的微納加工技術，加速度傳感器的尺寸得以大幅度減小，同時其性能得到大幅度提升，包括更高的靈敏度、更好的分辨率以及更快的響應時間。在納機電系統(nems)加速度傳感器的眾多類型中，電容式和跨導式加速度傳感器因其卓越的靈敏度、精度和分辨率，在加速度檢測領域扮演著關鍵角色。在之前的基于石墨烯懸浮質量塊的nems加速度傳感器的工藝制造中，采用的是壓阻式傳感機理，當傳感器受到加速度作用時，其機械結構會發生形變，這種形變導致附著在機械結構上的石墨烯薄膜受到拉伸或壓縮，從而石墨烯薄膜的電阻值會隨著其受到力的變化而變化，當石墨烯薄膜被拉伸時，其電阻值增加；而當它被壓縮時，電阻值減小。這是因為形變改變了石墨烯內部的原子排列和電子運動路徑，從而影響了其電阻值的大小。通過測量石墨烯電阻值的變化，便可確定加速度的大小。但是該壓阻式石墨烯加速度傳感器仍然存在靈敏度不夠高、精度有限、穩定性和可靠性不夠好、信噪比低、動態范圍窄以及器件良率相對較低等難題。

技術實現思路

1、發明目的：為了進一步提高加速度傳感器的靈敏度、精度、穩定性、可靠性、信噪比及動態范圍等性能，同時為了進一步提高器件的產率，本發明提出了一種基于soi基底的高導電二維薄膜懸浮sio2/si質量塊的加速度傳感器及其制備方法，其傳感機理分別為電容式和跨導式。

2、技術方案：本發明包括兩種加速度傳感器結構，一種是電容式石墨烯與高導電二維薄膜懸浮sio2/si質量塊的加速度傳感器，另一種是跨導式石墨烯與高導電二維薄膜懸浮sio2/si質量塊的加速度傳感器。電容式加速度傳感器結構包括作為電容的上極板的石墨烯薄膜層、沉積的ti/au電極層、si/sio2質量塊、soi?sio2絕緣層以及作為電容的下極板的高導電的soi?si襯底層。跨導式加速度傳感器結構包括石墨烯薄膜層、漏電極層、源電極層、si/sio2質量塊、soi?sio2絕緣層以及作為門電極的高導電的soi?si襯底層。

3、對于電容式加速度傳感器，石墨烯薄膜層作為電容的上極板，高導電si襯底層作為電容的下極板，當加速度傳感器運動時，石墨烯薄膜會發生上下的偏移，從而導致上下極板間的電容發生變化，通過檢測電容的變化即可計算出當前加速度的大小。

4、對于跨導式加速度傳感器，其基本原理是利用石墨烯薄膜作為跨導層，當加速度傳感器運動時，懸浮的石墨烯薄膜會發生上下的偏移，從而導致石墨烯薄膜與其底部的門電極之間的距離發生變化，從而改變了石墨烯層中的電荷濃度，進而改變石墨烯薄膜的電流大小，通過檢測石墨烯薄膜的電流大小，即可計算出傳感器的加速度大小。本發明的加速度傳感器具有高靈敏度、響應速度快和信噪比更低等優點。

5、本發明的基于soi基底的高導電二維薄膜懸浮sio2/si質量塊的加速度傳感器及其制備方法，包括以下步驟：

6、（1）步驟1：

7、清洗soi（絕緣體上硅）晶圓，將soi晶圓放入一定濃度的清洗液中進行清洗，以去除表面的雜質和污染物。

8、（2）步驟2：

9、進行熱處理，將清洗后的soi晶圓放入熱處理爐中，在高溫中進行熱處理，在熱處理完成后，將soi晶圓取出，并用蒸餾水冷卻。這一步有助于去除表面的氧化層。

10、（3）步驟3：

11、進行熱氧化，將soi晶圓放入熱處理爐中，將氧氣通入爐腔，使硅表面與氧氣反應，從而形成一層硅的二氧化物薄膜。

12、（4）步驟4：

13、對二氧化硅進行刻蝕，首先進行涂覆光刻膠，在二氧化硅表面旋涂一層光刻膠，然后使用紫外光（uv）曝光，將圖案映射在光刻膠上。將光刻膠顯影，曝光的部分會溶解在顯影劑中。接下來進行刻蝕，使用適當的刻蝕溶液（氫氟酸）進行刻蝕，同時控制刻蝕時間和溶液濃度，以達到要求的刻蝕厚度。接著去除掉光刻膠。

14、（5）步驟5：

15、進行電極的制備，將經過清洗處理的基片放入真空鍍膜機中，選擇蒸發材料鈦（ti）和金（au）的靶材。根據需要的膜層厚度，設置真空度和蒸發功率等參數。通過真空鍍膜，先在基片表面沉積一層ti薄膜，再沉積一層au薄膜。蒸發完畢后，待基片冷卻至常溫，可將其從真空鍍膜機中取出，從而得到ti/au電極。

16、（6）步驟6：

17、制備電極后，需進行溝道刻蝕，將光刻膠層旋涂在sio2表面，并繪制圖案以確定后續蝕刻sio2和硅器件層的溝道區域，采用反應離子刻蝕(rie)蝕刻sio2層。接著再用深度反應離子刻蝕（drie）工藝刻蝕掉si，形成溝道區域，最后用氧等離子體刻蝕去掉殘余光刻膠。

18、（7）步驟7：

19、接下來進行背刻蝕，將器件進行倒置，對soi晶圓的背面進行圖案繪制。首先通過掩膜版進行圖案化，再旋涂光刻膠，使用紫外曝光，將圖案印在光刻膠上，再將光刻膠顯影，曝光的部分會溶解在顯影劑中。然后，用rie蝕刻工藝蝕刻sio2層。接下來使用drie工藝刻蝕si襯底形成通孔空腔，用氧等離子體刻蝕去除殘余光刻膠。

20、（8）步驟8：

21、接下來是石墨烯與高導電二維薄膜的轉移，以石墨烯的轉移為例。首先準備銅基石墨烯，將聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）溶液旋涂在石墨烯上，以500轉/分左右的速度旋轉涂覆約5秒，緊接著再以1800轉/分左右的速度旋轉涂覆大約30秒，然后在85°c左右的熱板上烘烤約5分鐘（為了蒸發溶劑并且固化pmma，大約是200nm厚），然后將銅箔置于三氯化鐵(fecl3)溶液中，以實現對銅的刻蝕。刻蝕完后在硅片的協助下，將不含銅的pmma/石墨烯層轉移到去離子水(di)表面，然后轉移到稀釋的hci溶液中（為了去除殘余fe3+），最后回到去離子水中進行清洗，分別去除fecl3殘留和氯離子殘留。接著將pmma/石墨烯層轉移到硅基底上，并將硅基底在加熱臺上烘烤約10分鐘（約45℃），使其干燥，并改善石墨烯薄膜和sio2表面之間的粘附性。然后置于丙酮中24小時以去除pmma，最后將其置于異丙醇中約5分鐘以去除丙酮殘留物。

22、（9）步驟9：

23、轉移完石墨烯后，進行石墨烯的圖案化刻蝕。同樣先旋涂一層光刻膠，進行曝光顯影，最后對石墨烯進行rie刻蝕。

24、（10）步驟10：

25、為了實現石墨烯薄膜的自懸浮，接下來對sio2進行刻蝕，先采用rie干法刻蝕，接著采用氣相hf進行刻蝕，從而釋放si/sio2質量塊并將其懸浮在石墨烯薄膜上。

26、和之前的加速度傳感器相比，本次發明的電容式和跨導式加速度傳感器具有以下優點：

27、第一，本發明使用soi晶圓（絕緣襯底上的硅）進行加工。所實現的高導電二維薄膜懸浮sio2/si質量塊的加速度敏感結構是基于soi?基底制備的。首先，soi晶圓具有更高的集成度和精細制造能力，soi晶圓基底允許更精細的加工和更高的集成度，且soi基底器件可以通過先進的微加工技術制造出更小尺寸和更精密的結構，這對于高性能加速度傳感器的設計至關重要。其次，soi晶圓在機械穩定性和耐久性方面通常優于傳統的硅基底，soi基底上的絕緣層可以提供更好的機械支撐，從而提高了傳感器的可靠性，延長了其使用壽命。最后，soi基底提供了更好的熱隔離，有助于有效控制加速度傳感器中的熱流，這對于保持傳感器在不同溫度條件下的穩定性和可靠性至關重要。總之，使用soi基底大幅提高了加速度傳感器的靈敏度、精度和分辨率等性能。

28、第二，本發明的加速度傳感器采用了電容式和跨導式這兩種傳感機理，具有更高的靈敏度、更好的分辨率和更高的精度，并且受溫度影響更小。電容式加速度傳感器基于電容值的變化來測量加速度，而跨導式加速度傳感器基于電流輸出的變化來測量加速度。相較于壓阻式加速度傳感器，這些結構能夠更快速、準確地檢測加速度變化，從而大幅度提高了加速度傳感器的靈敏度、分辨率和精度等性能。

29、第三，由于具有更高的靈敏度、分辨率和精度等性能，本發明的加速度傳感器可以更好地應用于電子設備、醫療、汽車、航空航天等更多生活和工業領域。