CN1077283C - 一种微细加工的热式流量传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热式流量传感器及其制造方法，该传感器主要包括加热元、测温无以及其所依附的低导热载体。本发明的特征在于所说的载体为岛形单晶硅膜，玻璃片通过聚酰亚胺膜对硅膜进行支撑。所说的加热元和测温元由硅膜形成，并且处在聚酰亚胺的复盖面上。器件与外电路的连接通过布置在聚酰亚胺膜上的金属条和压焊块实现。本发明的优点主要是体积小，响应快，灵敏度高，功耗低，机械强度大，防腐蚀和防磨损能力强，安装容易，使用方便，制造工艺简单，可在标准的集成电路线上进行批量生产，因而生产成本很低。

Description

一种微细加工的热式流量传感器及其制造方法

本发明是关于流量传感器，特别是关于微细加工的热式流量传感器。

微细加工的热式流量传感器是在集成电路的基础上发展起来的，与传统的同类传感器相比，这种传感器具有许多显著的优点，主要是体积小，响应快，灵敏度高，成本低，便于实现集成化，多功能化和智能化等，因此其应用范围更宽，更广，更普及。

微细加工的热式流量传感器已有许多报道，最常见的一种如图1所示。该传感器的主要部分为两头固定在硅片上的矩形硅膜，硅膜的中央配置有一加热器件，加热器件的两侧各排列一热电堆，热偶的热结接近加热器件，冷结处在硅膜两头的硅片上，硅膜的两侧和底部都被挖空，以实现硅膜对硅片的热隔离(中国专利，专利号：ZL90104888.7，专利发布日期：1990年8月1日，专利名称：一种集成硅膜热流量传感器及其制造方法，发明人：涂相征，李韫言)。这种传感器的主要优点是热惯性小，热损耗低，容易用标准的集成电路工艺制造，存在的困难是硅膜脆弱易损，影响器件工作寿命，器件表面与流体接触容易污染，影响器件性能，流体经过的表面有比较深的凹坑，干扰流场，影响测量精度等。

另一种常见的微细加工的热式流量传感器如图2A和2B所示。该传感器的硅片腐蚀成两条平行的硅梁，每条硅梁的上面都布置一金属薄膜电阻器，其中一电阻器对所在的硅梁进行加热，并测其温度升高，另一电阻器测量环境温度，用以对测得的硅梁加热温度进行补偿(美国专利，专利号：US5,313,832，专利发布日期：1994年5月24日，专利名称：Composite mass air flow sensor，发明人：Stephan et al.)。这种传感器的主要优点是硅梁比硅膜坚固，可耐比较高的流速冲击和流体夹杂固体物质的轰击，存在的主要问题是热惯性比较大，所消耗的电功率比较高，制造时须对硅片的两面进行加工，不易实现集成等。

第三种常见的微细加工热式流量传感器，如图3所示，由两块硅片粘接而成。其中用作器件的硅片由一环形氧化多孔硅槽分割成两部分，中间圆形部分设置加热器件，周围设置测量器件，硅片的背面腐蚀成凹坑，凹坑的底部很薄，加热器件处在这一薄膜的上面。另一用作盖板的硅片腐蚀成两个凹坑，其中一个正好罩住器件硅片的加热器件，另一凹坑罩住器件硅片的测温器件(美国专利，专利号：US5,311,775，专利发布日期：1994年5月14日，专利名称：Semiconductor flow sensors，发明人：Suski等)。该传感器的主要优点是，流体从器件的背面经过，避免了器件受流体污染，氧化多孔硅增大了硅膜的横向热阻，有利降低传感器的功耗，主要缺点是结构很复杂，加工要求很高，很难在标准的集成电路生产线上实施。

本发明的目的是提供一种热式流量传感器，其加热元和测温元由横向热阻非常大的岛形单晶硅膜形成，硅膜通过聚酰亚胺有机膜由刚性基片支持，保证硅膜具有足够的机械强度，以最大限度地发挥微细加工的热式流量传感器的优势。

本发明的第二个目的是提供一种热式流量传感器，流体经过的传感器表面是硅膜的非器件所在面，且表面平坦，没有凹进的空腔和空槽，以免干扰流场分布。

本发明的第三个目的是提供一种热式流量传感器，其接触流体的表面可以涂敷防腐蚀和防磨损的材料，以提高传感器的使用寿命。

本发明的第四个目的是提供一种热式流量传感器，其用作低导热的硅微结构可在其器件制造的最后一道工序中完成，在此之前的加工均为平面加工工艺，以减少加工过程中的损耗，提高成品率。

为了实现上述目的以及其它目的，本发明设计的热式流量传感器如图4A和图4B所示。该传感器包括玻璃片，起机械支撑作用，聚酰亚胺膜，起粘接和钝化作用，岛形单晶硅膜，是器件的制作材料，被聚酰亚胺膜复盖的硅膜的中心是加热电阻器，两侧各排列一热电堆。金属互连从硅膜伸出，沿着聚酰亚胺膜表面布置，在玻璃片的边缘与压焊金属块相连。硅膜的暴露面复盖有Si₃N₄膜，压焊块在焊上金属引条后由树脂保护(图中未画出)。

传感器工作时，电流经加热电阻器产生焦耳热，热量的第一部分用来提高硅膜的温度，第二部分通过周围介质热导传走，第三部分通过流经表面的流体传走。硅膜温度升高的大小取决于后两部分热量损失的大小。本发明的传感器设计主要是减小介质热导传走的部分，增大流体传走的部分，以突出硅膜的升温与流体流速的依赖关系。聚酰亚胺的热导率为0.17W/m·k，玻璃的热导率为1.4W/m·k，水汽热生长SiO₂的热导率为2.1W/m·k，单晶硅的热导率为1.5×10²W/m·k，可以算出聚酰亚胺的热导率比硅大881倍，比水汽热生长的SiO₂小11倍，玻璃的热导率比硅小106倍，比水汽热生长的SiO₂小0.5倍。因此本发明用聚酰亚胺和玻璃作为硅膜的隔热材料可以极大地降低热量由硅膜支撑结构传走的热量。聚酰亚胺是集成电路中广泛应用的钝化膜材料，在310℃至343℃范围内能保持良好的机械性能和电性能，还有优良的耐辐射性能，不溶于有机溶剂。聚酰亚胺的热膨胀系数为2×10^-6/k，与硅的2.6×10^-6/k很接近。聚酰亚胺的杨氏模量为3×10⁴g/cm²，比硅的1.9×10⁹g/cm²小5个数量级，可见用一定厚度的聚酰亚胺膜作缓冲层，几乎不产生对硅膜的热失配应力。

在详细介绍本发明提供的热式流量传感器制造方法之前，先对附图进行说明，并且规定图中代码所表示的含义。

图1表示的是第一种现有技术提供的热式流量传感器的横截面图。图中的代码为：

101-P^-型硅片，102-n^-型硅外延层，103-SiO₂层，104-加热电阻器，105-热偶堆，106-金属接触与互连。

图2表示的是第二种现有技术提供的热式流量传感器的A—顶视图，B—侧向横截面图。

图中的代码为：201—硅片，202—硅梁，203—SiO₂层，204—镍丝，205—SiN_x层，206—压焊块，207—加热硅梁，208—温度参考梁。

图3表示的是第三种现有技术提供的热式流量传感器的横截面图。

图中的代码为：301—器件硅片，302—器件硅片的凹坑，303—加热元，304—测温元，305—氧化多孔硅环，306—盖片硅片，307—盖片硅片上的凹坑1，308—盖片硅片上的凹坑2。

图4表示的是本发明提供的热式流量传感器的A—顶视图，B—横截面图。

图中的代码为：401—复盖聚酰亚胺膜的玻璃基片，402—岛形单晶硅膜，403—加热电阻器，404—热电堆，404A—热电堆的半导体电极，404B—热电堆的金属电极，405—金属互连，406—压焊块，407—高温淀积的Si₃N₄层，408—SiO₂层，409—聚酰亚胺膜，410—玻璃基片，411—低温淀积的Si₃N₄层。

图5—图14表示的是本发明提供的热式流量传感器制造方法在各制造楷段芯片的横截面图。

图中的代码为：501—P^-型硅片，502—SiO₂层，503—n^-型硅区，504—P⁺型扩散区，505—高温Si₃N₄层，506—Al条，507—Al压焊块，508—聚酰亚胺层，509—多孔硅层，510—玻璃片，511—低温Si₃N₄层。

图15表示的是本发明提供的第二种热式流量传感器的横截面图。

图中的代码为：601—加热元的n^-型硅岛，602—测温元的n^-型硅岛，603—加热元，604—测温元，605—SiO₂层，606—高温Si₃N₄层，607—压焊块，608—聚酰亚胺层，609—玻璃片，610—低温Si₃N₄层。

下面参照图5—图14对本发明提供的热式流量传感器的制造方法进行详细说明。

制造步骤1如图5所示，制造所用的起始硅片为晶向(100)，P^-型硼掺杂，电阻率10Ωcm，尺寸4英对，片厚500μm，单面抛光。硅片用标准的清洗工艺进行清洗后，在1000℃进行水汽热氧化，形成厚6500A的SiO₂层。采用标准的光刻腐蚀工艺在SiO₂层中形成离子注入窗口，腐蚀SiO₂用稀释的HF溶液。离子注入前，硅片在1000℃再次进行水汽热氧化，在离子注入窗口中形成厚700A的SiO₂层。注入的离子为磷，剂量1.5×10¹³/cm²，能量100kev。注入后在1200℃进行注入离子层的推进，产生结深6μm，薄层电阻2KΩ/口的n^-型区。

制造步骤2如图6所示。腐蚀掉硅片上的所有SiO₂层后，在1000℃水汽热氧化生成厚700A的新SiO₂层，涂敷光刻胶，在光刻胶层中形成离子注入图形，以胶层为掩蔽进行硼离子注入，剂量10¹⁵/cm²，能量100Kev，注入后在950℃行退火，产生薄层电阻90Ω/口的P⁺型区，并由此形成加热电阻器和热电堆的半导体电极。

制造步骤3如图7所示。在硅片上淀积Si₃N₄层，用低压CVD法，淀积温度750℃，Si₃N₄层厚1500A，用作钝化层。

制造步骤4如图8所示。先用电子来蒸发淀积1.2μm厚的Al层，然后进行光刻形成热电堆金属电极，电接触、互连以及压焊块，最后在450℃的于N₂中进行合金化。

制造步骤5如图9所示。进行光刻腐蚀，清除n^-型区、Al连线以及Al压焊块以外区域的Si₃N₄和SiO₂层，露出硅片表面。

制造步骤6如图10所示。形成阳极氧化保护层，将n^-型区、Al连线以及Al压焊块保护起来。用作保护的材料很多，本发明倾向用聚酰亚胺。其方法是先用甩胶机在硅片表面涂上聚酰亚胺，在110℃前烘20-30分钟，然后进行光刻，用O₂等离子腐蚀去除须暴露的硅片面上的聚酰亚胺，最后在300℃进行亚胺化1小时。

制造步骤7如图11所示。在HF溶液中进行阳极氧化，将硅片n^-型区以外的P^-型区的硅转交成多孔硅，并生成100μm厚的薄膜。HF溶液的组份为25％HF，25％水和50％乙醇。阳极氧化电流密度维持在230mA/cm²，多孔硅生长速率为3μm/分钟。多孔硅只在P^-型硅区生成，而不在n^-型硅区以及n^-型硅区内的P⁺型硅区生成，是因为n^-型硅生成多孔硅所需的阳极电势比P^-型硅高，阳极电流趋于流过P^-型硅区，而不流过n^-型硅区。n^-硅区下面P^-型硅也能转变成多孔硅，是因为阳极电流有一定的横向扩展效应，P^-硅片的电阻率愈高，这种横向扩展的效应愈显著。对于1Ωcm的P^-型硅片，横向扩展的长度可达40—80μm，n^-型硅区的宽度可达80—160μm。

制造步骤8如图12所示。O₂等离子腐蚀去掉用作阳极氧化保护层的聚酰亚胺层，然后再涂上新的聚酰亚胺层，层厚5—10μm，可分二至三次涂敷，每涂一次进行一次前烘，在最后一次涂敷时，趁聚酰亚胺仍保持粘性将事先清洗并已烘干的200μm厚的微晶玻璃片贴上，然后在350℃固化2小时。

制造步骤9如图13所示。将硅片从背面减薄直至露出多孔硅，用5％的NaOH溶液腐蚀多孔硅。n^-硅区成为岛形硅膜，其厚度基本上等于n^-型硅区的结深。

制造步骤10如图14所示。低温淀积Si₃N₄，厚约1500A，用作硅膜的保护层。Si₃N₄的硬度为3486Kg/mm²，比硅的820Kg/mm²大3倍，Si₃N₄防腐蚀能力也很强，因此是很好的保护膜，最后通过光刻腐蚀清除压焊块上的介质膜，露出Al层。

本发明提供的另一种热式流量传感器的实施方案如图15所示。所不同之处是测温器件由热电堆改为PN结器件，硅膜由一块增加到三块，中间那块仍用来制造加热电阻器，其它两块用来制造二极管，制造步骤都相同，只是光刻模版销作相应改动。

上面给出的是本发明的最好实施方案，在本发明的指导和启发下，集成电路领域的熟练技术人员作出某些改动和改进是很容易的。

Claims (11)

1、一种热式流量传感器，主要包栝加热元，测温元，以及所依附的低导热载体，本发明的特征在于所说的载体为涂有聚酰亚胺有机膜的刚性玻璃基片支持的岛形单晶硅膜，所说的加热元和测温元处在硅膜与聚酰亚胺有机膜相结合的面上，接触流体的硅膜面淀积有防腐蚀和防磨损的碳化硅或氮化硅薄膜。

2、根据权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于所说的加热元和测温元通过布置在所说的聚酰亚胺有机膜上的金属条和压焊块与外电路连接。

3、根据权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于所说的加热元为硅膜所形成的电阻器。

4、根据权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于所说的测温元为硅膜和金属膜所形成的热电堆。

5、根据权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于所说的测温元为硅膜所形成的PN结器件。

6、根据权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于所说的聚酰亚胺有机膜其热导率低达0.17W/m.K。

7、一种制造热式流量传感器的方法，其特征在于以隔热性能良好的玻璃片为衬底，在其表面形成单晶硅岛，并以单晶硅岛为基材形成对温度变化敏感，且耐腐蚀和耐磨擦的半导体器件，其主要制造步骤包括：

a)在p-型单晶硅片上形成n-型扩散区，此区最终成为单晶硅岛；

b)在n-型扩散区内进行p-型扩散，以形成半导体加热电阻器和热电堆的半导体电极；

c)在硅片表面形成金属层，并进行光刻腐蚀，以形成热电堆的金属电极，电连线以及电接触；

d)在硅片表面形成氧化层，用作钝化膜和阳极氧化保护膜；

e)将硅片置于HF溶液中进行阳极氧化，将n-型扩散区之间和之下的硅区转变成多孔硅；

f)用聚酰亚胺有机膜覆盖硅片表面，并在其上加盖玻璃片；

g)从硅片背面进行减薄，直到露出多孔硅层为止；

h)腐蚀掉n-型扩散区之间的多孔硅，使其变成附着于玻璃片上的单晶硅岛；

i)在附着有单晶硅岛的玻璃片上形成氮化硅层，用作防腐蚀和防磨损的保护膜；

j)腐蚀掉压焊块上的氮化硅层，以露出其下的金属层。

8、根据权利要求7所述的制造热式流量传感器的方法，其特征在于所说的p-型硅片的电阻率范围为1-20欧姆-厘米。

9、根据权利要求7所述的制造热式流量传感器的方法，其特征在于所说的n-型硅区深度范围为2-20微米，薄层电阻范围为0.1-10K欧姆/方块。

10、根据权利要求7所述的制造热式流量传感器的方法，其特征在于所说的p-型硅区结深范围为0.1-5微米，薄层电阻范围为5-500欧姆/方块。

11、根据权利要求7所述的制造热式流量传感器的方法，其特征在于所说的多孔硅层厚度范围为20-150微米。

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