2025局部放電EFPI光纖超聲傳感器探頭MEMS制造技術(shù)第1部分：SOI工藝規(guī)范

局部放電EFPIMEMS1SOI目 次前??言 II引??言 III范圍 4規(guī)范性引用文件 4術(shù)語和定義 4EFPI光纖超聲傳感器探頭 6工藝流程 8工藝要求 9其他要求 98檢驗(yàn) 10附錄A（資料性）強(qiáng)度解調(diào)型EFPI超聲傳感器工作原理 11附錄B（資料性）局部放電EFPI超聲傳感器探頭MEMS制造實(shí)例 14I引??言局部放電（partialdischarge,PD）會(huì)產(chǎn)生電磁和聲波信號(hào)，輻射光并會(huì)造成絕緣材料的化學(xué)分解；技術(shù)制作局部放電EFPIIIIEFPIMEMS1SOI范圍本文件規(guī)定了采用MEMS技術(shù)制作局部放電EFPI光纖超聲傳感器探頭時(shí)SOI片應(yīng)遵循的工藝規(guī)范，包括工藝流程、工藝要求、其他要求及檢驗(yàn)。本文件適用于電力設(shè)備局部放電EFPI超聲傳感器探頭的SOI芯片。規(guī)范性引用文件GB/T7354-2018 18901.1-20021部分：總規(guī)范GB/T26111-2010微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）GB/T32814-2016MEMSSOIMEMS工藝規(guī)范術(shù)語和定義GB/T26111-2010和GB/T32814-2016界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1局部放電Partialdischarge；PD導(dǎo)體間絕緣僅被部分橋接的電氣放電。這種放電可以在導(dǎo)體附件發(fā)生也可以不在導(dǎo)體附件發(fā)生。注：局部放電一般是由于絕緣體內(nèi)部或絕緣表面局部電場(chǎng)過于集中而引起的。通常這種放電表現(xiàn)為持續(xù)時(shí)間小于1μs的脈沖。[GB/T7354-2018定義3.1]。3.2局部放電的聲學(xué)效應(yīng)AcousticeffectsofPD局部放電電流脈沖導(dǎo)致過熱氣體通道（類似于雷電）所產(chǎn)生瞬態(tài)聲波的現(xiàn)象。3.3局部放電的檢測(cè)和測(cè)量DetectionandmeasurementofeffectsofPD可采用如下方法進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量：4（GB/T（high（veryhighfrequency，VHF）及特高頻（ultrahighfrequency，UHF）方法；聲學(xué)方法；光學(xué)方法；化學(xué)方法。注1：局部放電測(cè)量是評(píng)估電氣設(shè)備絕緣系統(tǒng)介質(zhì)狀態(tài)的重要標(biāo)準(zhǔn)。注2：本文件僅討論聲學(xué)方法中超聲波頻率范圍段的檢測(cè)。3.4局部放電超聲檢測(cè)AcousticdetectionofeffectsofPD對(duì)于局部放電超聲檢測(cè)，通常采用超聲波頻率范圍（大約20kHz至250kHz）?？筛鶕?jù)被測(cè)絕緣系統(tǒng)的形態(tài)（固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)）選擇用于超聲檢測(cè)的頻率范圍。3.5光纖傳感檢測(cè)技術(shù)Opticalfibersensingtechnologyfordetection（或和光學(xué)傳感元件來獲取或轉(zhuǎn)換被測(cè)對(duì)象所表征的物理量等信息的傳感檢測(cè)技術(shù)。3.6局部放電用光纖傳感器OpticalfibersensorforPD（監(jiān)（內(nèi)置等方式的前端裝置，包括傳感元件和光纖引線。注1：本文件描述的EFPI光纖超聲傳感器探頭為基于法布里-珀羅干涉儀（ExtrinsicFabry-Perotinterferometer,EFPI）技術(shù)、以非光纖介質(zhì)為諧振腔即法珀腔的傳感元件。注2：本文件規(guī)范采用MEMS技術(shù)加工硅基SOI片制作用于構(gòu)成法珀腔的敏感結(jié)構(gòu)。3.7絕緣體上硅Silicon-on-insulator；SOI在兩層硅中間引入一層氧化層，形成一種“硅-二氧化硅-硅”的三明治結(jié)構(gòu)的技術(shù)。其中頂層硅稱為器件層，底層硅稱為襯底層，二氧化硅層稱為埋層。[GB/T32814-20163.1]。3.8掩膜版Mask將印有金屬鉻的幾何圖形轉(zhuǎn)移到SOI片上的玻璃。3.95光刻膠Photoresist3.10光刻Photoetching將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到SOI片表面上的工藝，具體步驟可分為：脫水烘、涂膠、軟烘、對(duì)準(zhǔn)、曝光、中烘、顯影、堅(jiān)膜和鏡檢等。3.11金屬薄膜Metallicfilm采用蒸鍍或?yàn)R射工藝在硅片上淀積的一層金屬，金屬薄膜材料可為鉻、鋁等。3.12玻璃片Glass對(duì)SOI片起保護(hù)作用的陪片。3.13真空鍍膜Vacuumcoating3.14感應(yīng)耦合等離子體刻蝕EtchingusingInductivelyCoupledPlasma（ICP）EFPI工作原理圖1所示局部放電用EFPI（法珀腔EFPI當(dāng)超聲波作用于EFPI光纖超聲傳感器探頭的SOI芯片時(shí)，敏感結(jié)構(gòu)（膜片）產(chǎn)生形變、處于工作點(diǎn)的法珀腔長(zhǎng)發(fā)生變化即敏感結(jié)構(gòu)振動(dòng)將聲波轉(zhuǎn)換為腔長(zhǎng)變化，法珀腔兩個(gè)反射端面的光干涉將腔長(zhǎng)變化6強(qiáng)度解調(diào)型的局部放電用EFPI光纖超聲傳感器見附錄A。組成框圖探頭結(jié)構(gòu)圖1局部放電用EFPI光纖超聲傳感器光電轉(zhuǎn)換裝置光傳感元件或光供能傳感元件按照某一定律將接收到的一種物理量形式的信息，轉(zhuǎn)換為光學(xué)參量形式信息的器件。具體定義參照GB/T18901.1-2002中定義3.4。注：本文件中光傳感元件或光供能傳感元件以及敏感光纖等統(tǒng)稱為傳感元件。光源光纖引線7將傳感元件與光源和光電轉(zhuǎn)換裝置相連的光纖線路。如含有光纖引線，這些引線必須保持不受被測(cè)對(duì)象的影響。光接口在光學(xué)上定義的被測(cè)對(duì)象傳感元件產(chǎn)生影響的任意點(diǎn)。具體定義參照GB/T18901.1-2002中定義3.12。信號(hào)接口探頭結(jié)構(gòu)組成EFPI光纖超聲傳感器探頭一般由三部分組成，包括：光纖引線，SOI芯片以及封裝外殼。SOI基于SOI片制作的包含EFPI（敏感結(jié)構(gòu)和法珀腔光學(xué)反射鏡的特殊結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)將聲能轉(zhuǎn)換為膜片振動(dòng)的機(jī)械能，并產(chǎn)生由振動(dòng)引起的法珀腔出射光信息的變化。封裝外殼對(duì)SOI芯片起保護(hù)作用的裝置。注：封裝外殼根據(jù)EFPI光纖超聲傳感器探頭的安裝位置有關(guān)，形式多樣，圖1(b)中沒有給出。MEMS概述MEMS工藝是在微電子半導(dǎo)體制造技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、硅和非硅MEMSSOI片，精確控制法珀腔腔長(zhǎng)和安裝平行度，但其對(duì)加工設(shè)備有較高要求?；贛EMS技術(shù)的SOI片加工工藝主要包括硅片清洗、掩膜制備、結(jié)構(gòu)刻蝕、沉積、芯片切割。硅片清洗清除污染的方法有物理清洗和化學(xué)清洗兩種?；瘜W(xué)清洗方法包括溶劑萃取、酸洗和等離子體法等。物理清洗方法包括刷洗或擦洗、高壓清洗和超聲波清洗。掩膜制備SOI片上。結(jié)構(gòu)刻蝕采用干法刻蝕或濕法刻蝕得到具有一定結(jié)構(gòu)的SOI片：8沉積芯片切割注：特定的加工工藝流程完成對(duì)SOI片的制作后，通過芯片切割可獲得批量的SOI芯片。工藝要求工藝能力要求加工工藝宜完成一整套流片過程，至少應(yīng)一次性完成光刻過程，光刻過程不可間斷。工藝穩(wěn)定性要求工藝的具體步驟應(yīng)具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性，應(yīng)保證上一步工序完成再進(jìn)行下一步。工藝保障要求人員要求工藝人員應(yīng)具備半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ)知識(shí)，熟悉設(shè)備性能，經(jīng)過培訓(xùn)，持有上崗證和工藝操作證。加工過程中工藝人員應(yīng)全程穿著凈化服、鞋套，并佩戴口罩、手套等，嚴(yán)禁直接接觸晶圓。環(huán)境要求SOI片的加工過程應(yīng)在凈化間中完成，避免灰塵等微小顆粒在加工過程中對(duì)芯片造成污染。每完成一道加工工序后，應(yīng)對(duì)操作平臺(tái)進(jìn)行清潔，并對(duì)下一道工序的操作平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)檢查。設(shè)備要求設(shè)備應(yīng)在無塵環(huán)境下工作，同時(shí)在晶圓的部分加工過程中應(yīng)用無塵布或無塵紙襯底。其他要求原材料及輔助材料要求加工工藝宜完成一整套流片過程，至少應(yīng)一次性完成光刻過程，光刻過程不可間斷。安全要求工藝人員應(yīng)接受相關(guān)安全培訓(xùn)或在有關(guān)人員指導(dǎo)下操作，并應(yīng)嚴(yán)格遵守設(shè)備操作規(guī)程。9檢驗(yàn)總則每道工序完成后應(yīng)根據(jù)檢驗(yàn)要求對(duì)結(jié)果進(jìn)行在線檢驗(yàn)。關(guān)鍵工藝檢驗(yàn)對(duì)于直接影響SOI片加工精度的關(guān)鍵工序應(yīng)建立關(guān)鍵工序檢驗(yàn)規(guī)范，按規(guī)范進(jìn)行專檢。最終檢驗(yàn)應(yīng)建立最終檢驗(yàn)規(guī)范，按規(guī)范對(duì)最終形成的SOI片結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)，剔除不符合檢驗(yàn)規(guī)范的次品。表面質(zhì)量應(yīng)用顯微鏡檢驗(yàn)SOI片表面質(zhì)量，要求結(jié)構(gòu)完整、表面平滑，無嚴(yán)重翹曲、無變形，結(jié)構(gòu)應(yīng)完全釋放，表面結(jié)構(gòu)應(yīng)無光刻膠和殘余污染物等。注：涉及的殘余應(yīng)力測(cè)定與調(diào)控見局部放電EFPI光纖超聲傳感器探頭MEMS制造技術(shù)的第2部分。加工尺寸SOI片縱、橫向尺寸應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。10附錄A（資料性）強(qiáng)度解調(diào)型EFPI超聲傳感器工作原理結(jié)構(gòu)和參數(shù)圖A.1(a)PDEFPIA.1(b)所示，其是根據(jù)多（（發(fā)2）h2a和法珀腔腔長(zhǎng)為l。結(jié)構(gòu)示意圖 (b)探頭圖A.1強(qiáng)度解調(diào)型EFPI超聲傳感器法珀腔腔長(zhǎng)和反射率A.1(b)EFPI傳感器結(jié)構(gòu)可得，法珀腔腔長(zhǎng)l是法珀干涉的核心參數(shù)，其選取與光源特性和傳感器后端解調(diào)方式有關(guān)。一般而言，腔長(zhǎng)l越長(zhǎng)光的損耗越大，腔長(zhǎng)lSOI芯片的裝配和l選擇的“臨界點(diǎn)lR2相匹配，從而提高法珀干涉光譜的精細(xì)度。根據(jù)多光束干涉原理，經(jīng)法珀腔的反射光強(qiáng)可表示為：Il)

R2

cos()R1RR1R2R1R24R1R2

I0

()

（A-1）1R1R22

cos()I0nR2A.1(b)12的反射率。因此，法珀腔的腔長(zhǎng)l和反射率R1和R2優(yōu)化選取是可以根據(jù)式（A-1）所示公式進(jìn)行。式（A-1）（A-1）可以表達(dá)為：11Il)

122

cos(4nl)1211212

()

（A-2）1RR2

cos() 012 固有頻率和靈敏度A.1(b)所示EFPISOIf（后面簡(jiǎn)稱為固有頻率ffff0，可近似認(rèn)為該傳感器有效頻率響應(yīng)帶寬為0~f0PD超聲波信號(hào)的分布頻率20kHz~250kHzff為：C DgC DgEh3D)

（A-4）Cagh為E為敏感結(jié)構(gòu)材料泊松比?？紤]到傳感器在液體介質(zhì)中工作時(shí)，液體介質(zhì)（比如變壓器用絕緣油）會(huì)影響敏感結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，f1的系數(shù)，1C Dg11C Dg112式中：a；122h在超聲波信號(hào)產(chǎn)生的壓強(qiáng)P之下，敏感結(jié)構(gòu)振動(dòng)其中心產(chǎn)生的位移：y(P)

)16Eh3

Pa4

（A-6）由式（A-5）和（A-6），固有頻率f和敏感結(jié)構(gòu)中心位移y(P)的乘積可表示為：fy(P)K(a/h)2

（A-7）式中：K為常數(shù)。由式（A-7）可知，當(dāng)EFPI傳感器設(shè)計(jì)的固有頻率f一定時(shí)，敏感結(jié)構(gòu)有效半徑a與厚度h的比值a/hy(P越大，EFPIS（nm/Pa）越高。另外，由式（A-5）fha的二次方成反f不變時(shí)，厚度變化量h和半徑變化量a滿足一下關(guān)系：12aa a a2aa a hh ha22aa(a)2 h

（A-8）EFPIfhy(P越hEFPIS的首項(xiàng)措施。A.1SOI敏感結(jié)構(gòu)類型

示意圖 加工難度 設(shè)計(jì)參

對(duì)固有頻率的影響

對(duì)靈敏度S的影響完整圓形膜簡(jiǎn)單片結(jié)構(gòu)膜片半徑R膜片厚度膜片半徑R膜片厚度h復(fù)雜 梁長(zhǎng)L梁寬w支撐梁個(gè)數(shù)n負(fù)相關(guān)正相關(guān)膜片半徑膜片厚度h較復(fù)雜通氣孔個(gè)數(shù)n通氣孔半徑通氣孔位置t負(fù)相關(guān)正相關(guān)負(fù)相關(guān)負(fù)相關(guān)波動(dòng)正相關(guān)負(fù)相關(guān)正相關(guān)正相關(guān)波動(dòng)

膜片半徑R膜片厚度h

負(fù)相關(guān)正相關(guān)

正相關(guān)負(fù)相關(guān)通氣孔膜片結(jié)構(gòu)13附錄B（資料性）局部放電EFPI超聲傳感器探頭MEMS制作實(shí)例SOI芯片制作示例圖B.1中采用的硅片是由器件層、埋層及襯底層組成的4英寸SOI片，如圖A.1(a)，其各層厚度通?？梢远ㄖ?，本實(shí)例選用SOI片的器件層厚度為5±0.5μm，埋層為1±0.5μm，襯底層為500±5μm?？涛g器件層時(shí)，埋層可作為掩膜從而較為準(zhǔn)確地控制敏感結(jié)構(gòu)厚度。如圖B.1(b)所示，首先加工SOI片器件層結(jié)構(gòu)。光刻前，SOI片經(jīng)HF溶液去除表面氧化物。由于器如圖B.1(c-d)SOI如圖B.1(e)所示，刻蝕結(jié)束后，采用電子束蒸鍍儀鍍金反射膜提高敏感結(jié)構(gòu)反射率，改善法珀腔光學(xué)性能，增強(qiáng)反射光光強(qiáng)變化，提高傳感器信噪比。圖B.1單個(gè)SOI芯片加工工藝流程及效果示意圖圖B.2對(duì)上述SOI片加工工藝流程總結(jié)為：SOI片HF預(yù)處理清洗；正面器件層刻蝕膜片結(jié)構(gòu)；去掉光刻膠掩模，對(duì)器件層上敏感結(jié)構(gòu)貼陪片保護(hù)；SOI片反面基底上圖形化兩次掩模，金屬鋁大孔掩模、光刻膠小孔掩模；基底背面小孔刻蝕，感應(yīng)耦合等離子體（ICP）法；背面大孔ICP刻蝕，刻蝕深度由琺珀腔長(zhǎng)和襯底層厚度確定，得到