一種三維真空傳感器及其制備方法技術

本發明專利技術提供一種三維真空傳感器及其制備方法，該方法制備的熱電堆和加熱器位于不同的平面上，熱電堆位于加熱器的下面，可以進一步實現熱電型真空傳感器的微型化；采用干法腐蝕釋放結構，可以避免濕法腐蝕釋放過程中存在的結構層與襯底黏連的問題，提高了器件的成品率；增加了硅蓋板，即增加了蓋板和加熱器之間的氣體熱傳導，有利于提高熱傳導真空計在較高氣體壓強端的靈敏度。此外，本發明專利技術中所采用的半導體襯底、熱電堆和微加熱器的材料、以及采用的制備工藝都是半導體工藝中常用的，可以很容易與現有CMOS工藝相兼容。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種傳感器及其制備方法，特別是涉及一種三維熱傳導型真空傳感器及制作方法，屬于真空技術和微機電系統

技術介紹
真空測量在工業、航天及核原料提純等領域有著十分廣泛的應用，傳統的真空傳感器種類繁多且體積較大，限制了它們在某些領域的運用，特別是運用到一些微小器件與儀器儀表中。結合真空傳感器的發展歷史和使用需求，目前常用真空計具有向小型化、集成化、系統化和智能化方向發展的趨勢。MEMS的迅速發展，尤其是微加工技術的迅速發展，使真空傳感器微型化的發展成為現實。微型真空傳感器具有以下顯著的優點功耗低、測量靈敏度較高、動態測量范圍得到改善、體積小、可批量生產、成本低。微型熱傳導真空傳感器是微型真空傳感器中的一種，利用微加工技術加工而成。它的工作原理當氣體分子的平均自由程比兩個溫度不同的平行平板間的距離大時，兩個平板間傳遞的熱量和傳遞熱量的分子數成比例關系，即氣體的熱傳導率隨壓強的變化而變化。微型熱傳導真空傳感器根據測量溫度方法的不同分為兩類電阻型(皮拉尼型)真空傳感器和熱電型真空傳感器(F. Volklein and A. Meier, “Microstructured vacuumgauges and their future perspectives, ” Vacuum, vol. 82, no. 4, pp. 420 - 430,Dec. 2007)。傳統的熱電型真空傳感器由兩部分組成加熱器部分和熱電堆部分。熱電堆的熱端與加熱器相連，冷端與娃襯底相連，熱電堆輸出的電壓值反映出了熱電型真空傳感器周圍氣壓的變化。傳統的熱電型真空傳感器利用體微機械加工技術制作而成，采用正面濕法腐蝕技術(O. Paul, O. Brand, R. Lenggenhager, and H. Baltes, “Vacuumgauging with complementary metal - oxide - semiconductor microsensors. ” J. Vac.Sci. Technol. A 13, 503 (1995))和背面濕法腐蝕技術(A. ff. van Herwaarden, D.C. van Duyn, and J. Groeneweg, “Small-size Vacuum Sensors Based on SiliconThermopiles.” Sensors and Actuators A 25-27，565 (1991))，把加熱器和熱電堆下面的硅襯底材料去除，實現加熱器、熱電堆與硅襯底之間的熱隔離。然而，傳統的微型熱電型真空傳感器制作方法存在以下問題加熱器和熱電堆制作在同一平面上，限制了熱電型真空傳感器的進一步微型化；采用濕法腐蝕技術釋放結構，存在結構層容易與襯底黏連的問題，降低了器件的成品率；由于采用背面濕法腐蝕技術釋放，加熱器到襯底的距離很大，很難提高熱電型真空傳感器的壓強測量上限，使熱電型真空傳感器的測量范圍較窄。鑒于此，如何提出一種微型熱電型真空傳感器及其制作方法以克服上述現有技術中的缺點，成為了目前亟待解決的問題。
技術實現思路
鑒于以上所述現有技術的缺點，本專利技術的目的在于提供，用于解決現有技術中成品率低、體積大、測量范圍窄及測量精度低的問題。為實現上述目的及其他相關目的，本專利技術提供一種三維真空傳感器的制備方法，所述制備方法至少包括I)提供一半導體襯底，在該半導體襯底上制備由第一支撐膜所包裹的熱電堆結構以及熱電堆引出焊盤；2 )在所述步驟I)形成的結構上沉積一層犧牲層，然后對所述犧牲層進行圖形化刻蝕，以在該犧牲層上形成連通所述第一支撐膜的接觸孔；3)在所述步驟2)形成的結構上制備由第二支撐膜所包裹的微加熱器結構以及微加熱器引出焊盤；4)在所述第二支撐膜上進行圖形化刻蝕，刻蝕露出所述熱電堆引出焊盤和微加熱器引出焊盤，然后再刻蝕所述第二支撐膜直至形成連通所述半導體襯底的釋放通孔；5)通過所述釋放通孔并利用干法腐蝕工藝將所述第一支撐膜與第二支撐膜之間的所述犧牲層腐蝕掉，同時在所述半導體襯底上腐蝕形成凹腔結構，從而釋放了所述熱電堆結構和微加熱器結構；6)提供一蓋板，通過濕法腐蝕工藝在所述蓋板一側形成空腔，同時在該蓋板側面腐蝕出小孔以保持封裝腔內和外界相同的壓強；然后利用圓片級鍵合工藝將所述蓋板具有空腔的一側鍵合于所述步驟5)中形成的結構上，從而完成所述三維真空傳感器的制作；7)通過劃片將所述半導體襯底上的多個三維真空傳感器單元進行分離，并同時露出所述熱電堆引出焊盤和微加熱器引出焊盤?？蛇x地，所述犧牲層的材料為α -Si，且該犧牲層的厚度為I μ m 10 μ m?？蛇x地，所述步驟6)中的蓋板材質為硅?？蛇x地，所述第一支撐薄膜與所述第二支撐薄膜通過所述接觸孔相接觸，所述微型加熱器結構產生的熱量分別經由該第二支撐膜和第一支撐膜由上向下傳輸到所述熱電堆的熱端?？蛇x地，所述三維真空傳感器結構的釋放是一次完成的，即腐蝕氣體通過釋放通孔依次腐蝕所述犧牲層和半導體襯底?？蛇x地，所述步驟I)包括1-1)在所述半導體襯底上制備第一電介質層，然后在該第一電介質層上制備第一導電層，接著將該第一導電層圖形化刻蝕成條狀，作為熱電偶結構的一部分；1-2 )在所述步驟1-1)結構上沉積第二電介質層，然后在該第二電介質層上進行圖形化刻蝕以形成暴露出下方所述第一導電層的引線孔；1-3)在所述第二電介質層上沉積第二導電層，將第二導電層進行圖形化刻蝕形成特定的金屬布線，并通過所述引線孔與所述第一導電層接觸形成熱電偶對結構；所述金屬布線將所述熱電偶對結構串聯形成熱電堆結構，并同時形成熱電堆引出焊盤；1-4)在所述步驟1-3)形成的結構上沉積第三電介質層，該第三電介質層、與所述第二電質層、所述第一電介質層共同組成包裹所述熱電堆結構的第一支撐膜。可選地，所述半導體襯底為SOI襯底時，所述步驟1-1)中的第一電介質層為所述SOI襯底的埋層氧化硅，并通過離子注入工藝在所述SOI襯底的頂層硅上進行摻雜形成第一導電層。所述半導體襯底為硅襯底時，利用熱生長工藝在所述硅襯底上制備氧化硅層作為所述步驟1-1)中的第一電介質層，并通過LPCVD工藝在該氧化硅層上制備摻雜的多晶硅層作為第一導電層?？蛇x地，所述第一電介質層和第三電介質層的材質為氧化硅，所述第二電介質層的材質為氮化硅；所述第一導電層的材質為摻雜的單晶硅或多晶硅，所述第二導電層的材質為招。可選地，所述步驟3)包括3-1)在所述犧牲層上沉積第四電介質層，然后在該第四電介質層上沉積第三導電層，并將該第三導電層圖形化刻蝕成電阻條狀形成微加熱器結構，同時形成微加熱器引出焊盤；3-2)在所述步驟3-1)形成的結構上由下向上依次沉積第五電介質層和第六電介質層，該第五電介質層與所述第四電介質層、所述第六電介質層共同組成了包裹所述微加熱器結構的第二支撐膜。可選地，所述第四電介質層和第六電介質層的材質為氧化硅，所述第五電介質層的材質為氮化硅；所述第三導電層的材質為鋁、鉬金或鎢。本專利技術的另一目的是提供一種三維真空傳感器，至少包括具有凹槽的半導體襯底、懸于所述凹槽上方的第一支撐膜、被所述第一支撐膜所包裹的熱電堆、平行懸于所述第一支撐膜之上的第二支撐膜、被所述第二支撐膜所包裹的微加熱器、本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種三維真空傳感器的制備方法，其特征在于，所述制備方法至少包括：1）提供一半導體襯底，在該半導體襯底上制備由第一支撐膜所包裹的熱電堆結構以及熱電堆引出焊盤；2）在所述步驟1）形成的結構上沉積一層犧牲層，然后對所述犧牲層進行圖形化刻蝕，以在該犧牲層上形成連通所述第一支撐膜的接觸孔；3）在所述步驟2）形成的結構上制備由第二支撐膜所包裹的微加熱器結構以及該微加熱器引出焊盤；4）在所述第二支撐膜上進行圖形化刻蝕，露出所述熱電堆引出焊盤和微加熱器引出焊盤，然后再由上向下刻蝕所述第二支撐膜直至形成連通所述半導體襯底的釋放通孔；5）通過所述釋放通孔并利用干法腐蝕工藝將所述第一支撐膜與第二支撐膜之間的所述犧牲層腐蝕掉，同時在所述半導體襯底上腐蝕形成凹腔結構，從而釋放了所述熱電堆結構和微加熱器結構；6）提供一蓋板，通過濕法腐蝕工藝在所述蓋板一側形成空腔，同時在該蓋板側面腐蝕出小孔以保持封裝腔內和外界相同的壓強；然后利用圓片級鍵合工藝將所述蓋板具有空腔的一側鍵合于所述步驟5）中形成的結構上，從而完成所述三維真空傳感器的制作；7）通過劃片將所述半導體襯底上的多個三維真空傳感器單元進行分離，并同時露出所述熱電堆引出焊盤和微加熱器引出焊盤。...

【技術特征摘要】
1.一種三維真空傳感器的制備方法，其特征在于，所述制備方法至少包括1)提供一半導體襯底，在該半導體襯底上制備由第一支撐膜所包裹的熱電堆結構以及熱電堆引出焊盤；2)在所述步驟I)形成的結構上沉積一層犧牲層，然后對所述犧牲層進行圖形化刻蝕，以在該犧牲層上形成連通所述第一支撐膜的接觸孔；3)在所述步驟2)形成的結構上制備由第二支撐膜所包裹的微加熱器結構以及該微加熱器引出焊盤；4)在所述第二支撐膜上進行圖形化刻蝕，露出所述熱電堆引出焊盤和微加熱器引出焊盤，然后再由上向下刻蝕所述第二支撐膜直至形成連通所述半導體襯底的釋放通孔；5)通過所述釋放通孔并利用干法腐蝕工藝將所述第一支撐膜與第二支撐膜之間的所述犧牲層腐蝕掉，同時在所述半導體襯底上腐蝕形成凹腔結構，從而釋放了所述熱電堆結構和微加熱器結構；6)提供一蓋板，通過濕法腐蝕工藝在所述蓋板一側形成空腔，同時在該蓋板側面腐蝕出小孔以保持封裝腔內和外界相同的壓強；然后利用圓片級鍵合工藝將所述蓋板具有空腔的一側鍵合于所述步驟5)中形成的結構上，從而完成所述三維真空傳感器的制作；7)通過劃片將所述半導體襯底上的多個三維真空傳感器單元進行分離，并同時露出所述熱電堆引出焊盤和微加熱器引出焊盤。2.據權利要求I所述的三維真空傳感器的制作方法，其特征在于所述犧牲層的材料為α-Si,且該犧牲層的厚度為I μ m 10 μ m。3.根據權利要求I所述的三維真空傳感器的制作方法，其特征在于所述步驟6)中的蓋板材質為娃。4.根據權利要求I所述的三維真空傳感器的制作方法，其特征在于所述第一支撐薄膜與所述第二支撐薄膜通過所述接觸孔相接觸，所述微型加熱器產生的熱量分別經由該第二支撐膜和第一支撐膜由上向下傳輸到所述熱電堆的熱端。5.根據權利要求I所述的三維真空傳感器的制作方法，其特征在于所述三維真空傳感器結構的釋放是一次完成的，即腐蝕氣體通過釋放通孔依次腐蝕所述犧牲層和半導體襯。6.根據權利要求I所述的三維真空傳感器的制作方法，其特征在于，所述步驟I)包括1-1)在所述半導體襯底上制備第一電介質層，然后在該第一電介質層上制備第一導電層，接著將該第一導電層圖形化刻蝕、離子注入形成條狀，作為熱電偶結構的一部分；1-2 )在所述步驟1-1)結構上沉積第二電介質層，然后在該第二電介質層上進行圖形化刻蝕以形成暴露出下方所述第一導電層的引線孔；1-3)在所述第二電介質層上沉積第二導電層，將第二導電層進行圖形化刻蝕形成特定的金屬布線，并通過所述引線孔與所述第一導電層接觸形成熱電偶對結構；所述金屬布線將所述熱電偶對結構串聯形成熱電堆結構，并同時形成熱電堆引出焊盤；1-4)在所述步驟1-3)形成的結構上沉積第三電介質層，該第三電介質層、與所述第二電質層、所述第一電介質層共同組成包裹所述熱電堆結構的第一支撐膜。7.根據權利要求6所述的三維真空傳感器的制作方法，其特征在于所述半導體襯底為...

【專利技術屬性】
技術研發人員：熊斌，孫曉，徐德輝，王躍林，
申請(專利權)人：中國科學院上海微系統與信息技術研究所，
類型：發明
國別省市：