專利名稱：微細(xì)加工的熱式流量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于流量傳感器，特別是關(guān)于微細(xì)加工的熱式流量傳感器。
微細(xì)加工的熱式流量傳感器是在集成電路的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，與傳統(tǒng)的同類傳感器相比，這種傳感器具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)，主要是體積小、響應(yīng)快，靈敏度高，成本低，便于實(shí)現(xiàn)集成化，多功能化和智能化等，因此其應(yīng)用范圍更寬、更廣、更普及。
微細(xì)加工的熱式流量傳感器已有許多報(bào)導(dǎo)，最常見的一種如

圖1所示。該傳感器的主要部份為兩頭固定在硅片上的矩形硅膜，硅膜的中央配置有一加熱器件，加熱器件的兩側(cè)各排列一熱電堆，熱偶的熱結(jié)接近加熱器件，冷結(jié)處在硅膜兩頭的硅片上，硅膜的兩側(cè)和底部都被挖空，以實(shí)現(xiàn)硅膜對硅片的熱隔離。這種傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是熱慣性小，熱損耗低，容易用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路工藝制造，存在的困難是硅膜脆弱易損，影響器件工作壽命，器件表面與流體接觸容易污染，影響器件性能，流體經(jīng)過的表面有比較深的凹坑，干擾流場，影響測量精度等。
另一種常見的微細(xì)加工的熱式流量傳感器如圖2A和圖2B所示。該傳感器的硅片腐蝕成兩條平行的硅梁，每條硅梁的上面都布置一金屬薄膜電阻器，其中一電阻器對所在的硅梁進(jìn)行加熱，并測其溫度升高，另一電阻器測量環(huán)境溫度，用以對測得的硅梁加熱溫度進(jìn)行補(bǔ)償。這種傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是硅梁比硅膜堅(jiān)固，可耐比較高的流速?zèng)_擊和流體夾雜固體物質(zhì)的轟擊，存在的主要問題是熱慣性比較大，所消耗的電功率比較高，制造時(shí)須對硅的兩面進(jìn)行加工，不易實(shí)現(xiàn)集成等。
第三種常見的微細(xì)加工熱式流量傳感器(如圖3所示)由兩塊硅片粘接而成，其中用作器件的硅片由一環(huán)形氧化多孔硅槽分割成兩部分，中間圓形部分中心設(shè)置加熱器件，周圍設(shè)置測量器件，硅片的背面腐蝕成凹坑，凹坑的底部很薄，上述的器件處在這一薄膜的上面。另一用作蓋板的硅片腐蝕成兩個(gè)凹坑，其中的一個(gè)正好罩住器件硅片的加熱器件，另一凹坑罩住器件硅片的測溫器件。該傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是，流體從器件硅片的背面經(jīng)過，避免了器件受流體污染，氧化多孔硅槽增大了硅膜的橫向熱阻，有利降低傳感器的功耗。主要缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，加工要求很高，很難在標(biāo)準(zhǔn)的集成電路生產(chǎn)線上實(shí)施。
本發(fā)明的目的是提供一種熱式流量傳感器，其加熱元和測溫元由橫向熱阻非常大的島形單晶硅膜形成，硅膜通過有機(jī)膜由剛性基片支撐，保證硅膜具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以最大限度地發(fā)揮微細(xì)加工的熱式流量傳感器的優(yōu)勢。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種熱式流量傳感器，流體經(jīng)過的傳感器表面是硅膜的非器件所在面，且表面平坦，沒有凹進(jìn)的空腔和空槽，以免干擾流場分布。
本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供一種熱式流量傳感器，其接觸流體的表面可以涂敷防腐蝕和防磨損的材料，以提高傳感器的使用壽命。
本發(fā)明的第四個(gè)目的是提供一種熱式流量傳感器，其用作低導(dǎo)熱的硅微結(jié)構(gòu)可在其器件制造的最后一道工序中完成，在此之前的加工均為平面加工工藝，以減少加工過程中的損耗，提高成品率。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的以及其它目的，本發(fā)明設(shè)計(jì)的熱式流量傳感器如圖4A和圖4B所示。該傳感器包括玻璃片，起機(jī)械支撐作用，聚酰亞胺膜，起粘接和鈍化作用，島形單晶硅膜，是器件的制作材料，被聚酰亞胺膜復(fù)蓋的硅膜的中心是加熱電阻器，兩側(cè)各排列一熱電堆。金屬互連從硅膜伸出，沿著聚酰亞胺膜表面布置，在玻璃片的邊緣與壓焊金屬塊相連。硅膜的暴露面復(fù)蓋有Si3N4膜，壓焊塊在焊上金屬引條后由樹脂保護(hù)(圖中未畫出)。
傳感器工作時(shí)，電流經(jīng)加熱電阻器產(chǎn)生焦耳熱，熱量的第一部分用來提高硅膜的溫度，第二部分通過周圍介質(zhì)熱導(dǎo)傳走，第三部分通過流經(jīng)表面的流體傳走。硅膜溫度升高的大小取決于后兩部分熱量損失的大小。本發(fā)明的傳感器設(shè)計(jì)主要是減小介質(zhì)熱導(dǎo)傳走的部分，增大流體傳走的部分，以突出硅膜的升溫與流體流速的依賴關(guān)系。聚酰亞胺的熱導(dǎo)率為0.17W/m·k，玻璃的熱導(dǎo)率為1.4W/m·k，水汽熱生長SiO2的熱導(dǎo)率為2.1W/m·k，單晶硅的熱導(dǎo)率為1.5×102W/m·k，可以算出聚酰亞胺的熱導(dǎo)率比硅大881倍，比水汽熱生長的SiO2小11倍，玻璃的熱導(dǎo)率比硅小106倍，比水汽熱生長的SiO2小0.5倍。因此本發(fā)明用聚酰亞胺和玻璃作為硅膜的隔熱材料可以極大地降低熱量由硅膜支撐結(jié)構(gòu)傳走的熱量。聚酰亞胺是集成電路中廣泛應(yīng)用的鈍化膜材料，在310℃至343℃范圍內(nèi)能保持良好的機(jī)械性能和電性能，還有優(yōu)良的耐輻射性能，不溶于有機(jī)溶劑。聚酰亞胺的熱膨脹系數(shù)為2×10-6/k，與硅的2.6×10-6/k很接近。聚酰亞胺的楊氏模量為3×104g/cm2，比硅的1.9×109g/cm2小5個(gè)數(shù)量級，可見用一定厚度的聚酰亞胺膜作緩沖層，幾乎不產(chǎn)生對硅膜的熱失配應(yīng)力。
在詳細(xì)介紹本發(fā)明提供的熱式流量傳感器制造方法之前，先對附圖進(jìn)行說明，并且規(guī)定圖中代碼所表示的含義。
圖1表示的是第一種現(xiàn)有技術(shù)提供的熱式流量傳感器的橫截面圖。圖中的代碼為101-P-型硅片，102-n-型硅外延層，103-SiO2層，104-加熱電阻器，105-熱偶堆，106-金屬接觸與互連。
圖2表示的是第二種現(xiàn)有技術(shù)提供的熱式流量傳感器的A-頂視圖，B-側(cè)向橫截面圖。
圖中的代碼為201-硅片，202-硅梁，203-SiO2層，204-鎳絲，205-SiNx層，206-壓焊塊，207-加熱硅梁，208-溫度參考梁。
圖3表示的是第三種現(xiàn)有技術(shù)提供的熱式流量傳感器的橫截面圖。
圖中的代碼為301-器件硅片，302-器件硅片的凹坑，303-加熱元，304-測溫元，305-氧化多孔硅環(huán)，306-蓋片硅片，307-蓋片硅片上的凹坑1，308-蓋片硅片上的凹坑2。
圖4表示的是本發(fā)明提供的熱式流量傳感器的A-頂視圖，B-橫截面圖。
圖中的代碼為401-復(fù)蓋聚酰亞胺膜的玻璃基片，402-島形單晶硅膜，403-加熱電阻器，404-熱電堆，404A-熱電堆的半導(dǎo)體電極，404B-熱電堆的金屬電極，405-金屬互連，406-壓焊塊，407-高溫淀積的Si3N4層，408-SiO2層，409-聚酰亞胺膜，410-玻璃基片，411-低溫淀積的Si3N4層。
圖5-圖14表示的是本發(fā)明提供的熱式流量傳感器制造方法在各制造楷段芯片的橫截面圖。
圖中的代碼為501-P-型硅片，502-SiO2層，503-n-型硅區(qū)，504-P+型擴(kuò)散區(qū)，505-高溫Si3N4層，506-Al條，507-Al壓焊塊，508-聚酰亞胺層，509-多孔硅層，510-玻璃片，511-低溫Si3N4層。
圖15表示的是本發(fā)明提供的第二種熱式流量傳感器的橫截面圖。
圖中的代碼為601-加熱元的n-型硅島，602-測溫元的n-型硅島，603-加熱元，604-測溫元，605-SiO2層，606-高溫Si3N4層，607-壓焊塊，608-聚酰亞胺層，609-玻璃片，610-低溫Si3N4層。
下面參照圖5-圖14對本發(fā)明提供的熱式流量傳感器的制造方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
制造步驟1如圖5所示，制造所用的起始硅片為晶向(100)，P-型硼摻雜，電阻率10Ωcm，尺寸4英時(shí)，片厚500μm，單面拋光。硅片用標(biāo)準(zhǔn)的清洗工藝進(jìn)行清洗后，在1000℃進(jìn)行水汽熱氧化，形成厚6500A的SiO2層。采用標(biāo)準(zhǔn)的光刻腐蝕工藝在SiO2層中形成離子注入窗口，腐蝕SiO2用稀釋的HF溶液。離子注入前，硅片在1000℃再次進(jìn)行水汽熱氧化，在離子注入窗口中形成厚700A的SiO2層。注入的離子為磷，劑量1.5×1013/cm2，能量100kev。注入后在1200℃進(jìn)行注入離子層的推進(jìn)，產(chǎn)生結(jié)深6μm，薄層電阻2KΩ/口的n-型區(qū)。
制造步驟2如圖6所示。腐蝕掉硅片上的所有SiO2層后，在1000℃水汽熱氧化生成厚700A的新SiO2層，涂敷光刻膠，在光刻膠層中形成離子注入圖形，以膠層為掩蔽進(jìn)行硼離子注入，劑量1015/cm2，能量100Kev，注入后在950℃行退火，產(chǎn)生薄層電阻90Ω/口的P+型區(qū)，并由此形成加熱電阻器和熱電堆的半導(dǎo)體電極。
制造步驟3如圖7所示。在硅片上淀積Si3N4層，用低壓CVD法，淀積溫度750℃，Si3N4層厚1500A，用作鈍化層。
制造步驟4如圖8所示。先用電子來蒸發(fā)淀積1.2μm厚的Al層，然后進(jìn)行光刻形成熱電堆金屬電極，電接觸、互連以及壓焊塊，最后在450℃的干N2中進(jìn)行合金化。
制造步驟5如圖9所示。進(jìn)行光刻腐蝕，清除n-型區(qū)、Al連線以及Al壓焊塊以外區(qū)域的Si3N4和SiO2層，露出硅片表面。
制造步驟6如圖10所示。形成陽極氧化保護(hù)層，將n-型區(qū)、Al連線以及Al壓焊塊保護(hù)起來。用作保護(hù)的材料很多，本發(fā)明傾向用聚酰亞胺。其方法是先用甩膠機(jī)在硅片表面涂上聚酰亞胺，在110℃前烘20-30分鐘，然后進(jìn)行光刻，用O2等離子腐蝕去除須暴露的硅片面上的聚酰亞胺，最后在300℃進(jìn)行亞胺化1小時(shí)。
制造步驟7如圖11所示。在HF溶液中進(jìn)行陽極氧化，將硅片n-型區(qū)以外的P-型區(qū)的硅轉(zhuǎn)變成多孔硅，并生成100μm厚的薄膜。HF溶液的組份為25％HF，25％水和50％乙醇。陽極氧化電流密度維持在230mA/cm2，多孔硅生長速率為3μm/分鐘。多孔硅只在P-型硅區(qū)生成，而不在n-型硅區(qū)以及n-型硅區(qū)內(nèi)的P+型硅區(qū)生成，是因?yàn)閚-型硅生成多孔硅所需的陽極電勢比P-型硅高，陽極電流趨于流過P-型硅區(qū)，而不流過n-型硅區(qū)。n-硅區(qū)下面P-型硅也能轉(zhuǎn)變成多孔硅，是因?yàn)殛枠O電流有一定的橫向擴(kuò)展效應(yīng)，P-硅片的電阻率愈高，這種橫向擴(kuò)展的效應(yīng)愈顯著。對于1Ωcm的P-型硅片，橫向擴(kuò)展的長度可達(dá)40-80μm，n-型硅區(qū)的寬度可達(dá)80-160μm。
制造步驟8如圖12所示。O2等離子腐蝕去掉用作陽極氧化保護(hù)層的聚酰亞胺層，然后再涂上新的聚酰亞胺層，層厚5-10μm，可分二至三次涂敷，每涂一次進(jìn)行一次前烘，在最后一次涂敷時(shí)，趁聚酰亞胺仍保持粘性將事先清洗并已烘干的200μm厚的微晶玻璃片貼上，然后在350℃固化2小時(shí)。
制造步驟9如圖13所示。將硅片從背面減薄直至露出多孔硅，用5％的NaOH溶液腐蝕多孔硅。n-硅區(qū)成為島形硅膜，其厚度基本上等于n-型硅區(qū)的結(jié)深。
制造步驟10如圖14所示。低溫淀積Si3N4，厚約1500A，用作硅膜的保護(hù)層。Si3N4的硬度為3486Kg/mm2，比硅的820Kg/mm2大3倍，Si3N4防腐蝕能力也很強(qiáng)，因此是很好的保護(hù)膜，最后通過光刻腐蝕清除壓焊塊上的介質(zhì)膜，露出Al層。
本發(fā)明提供的另一種熱式流量傳感器的實(shí)施方案如圖15所示。所不同之處是測溫器件由熱電堆改為PN結(jié)器件，硅膜由一塊增加到三塊，中同那塊仍用來制造加熱電阻器，其它兩塊用來制造二極管，制造步驟都相同，只是光刻模版銷作相應(yīng)改動(dòng)。
上面給出的是本發(fā)明的最好實(shí)施方案，在本發(fā)明的指導(dǎo)和啟發(fā)下，集成電路領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員作出某些改動(dòng)和改進(jìn)是很容易的。
權(quán)利要求
1.一種熱式流量傳感器，主要包括加熱元，測溫元，以及所依附的低導(dǎo)熱載體，本發(fā)明的特征在于所說的載體為涂有有機(jī)膜的剛性基片支撐的島形單晶硅膜，所說的加熱元和測溫元處在硅膜與有機(jī)膜相結(jié)合的面上，接觸流體的硅膜面淀積有防腐蝕和防磨損的薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式流量傳感器，其特征在于所說的加熱元和測溫元通過布置在所說的有機(jī)膜上的金屬線和壓焊塊與外電路連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式流量傳感器，其特征在于所說的加熱元為硅膜所形成的電阻器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式流量傳感器，其特征在于所說的測溫元為硅膜和金屬膜所形成的熱電堆。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式流量傳感器，其特征在于所說的測溫元為硅膜所形成的PN結(jié)器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式流量傳感器，其特征在于所說的有機(jī)膜為聚酰亞胺膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式流量傳感器，其特征在于所說的剛性基片為玻璃片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱式流量傳感器，其特征在于所說的防腐蝕、防磨損的薄膜為碳化硅或氮化硅薄膜。
9.一種制造熱式流量傳感器的方法，其主要步驟包括提供P-型硅片；在硅片上形成至少一個(gè)n-型硅區(qū)；在n-型硅區(qū)中形成P+硅區(qū)，用作加熱電阻器和熱電堆的半導(dǎo)體電極；金屬化，形成熱電堆的金屬電極、電接觸和互連；高溫淀積硬Si3N4層，用作鈍化層；形成陽極氧化保護(hù)層，保護(hù)n-型硅區(qū)、金屬連線和壓焊塊；在HF溶液中進(jìn)行陽極氧化，在P-型硅片中形成多孔硅層；涂敷聚酰亞胺膜，并以此為粘合劑貼裝微晶玻璃片；從硅片背面減薄直至露出多孔硅；2選擇性腐蝕多孔硅；低溫淀積Si3N4膜，用作防腐蝕和防磨損的保護(hù)膜；去掉壓焊塊上的介質(zhì)膜，露出金屬層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造熱式流量傳感器的方法，其特征在于所說的P-型硅片的電阻率范圍為1-20Ωcm。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造熱式流量傳感器的方法，其特征在于所說的n-型硅區(qū)深度范圍為2-20μm，薄層電阻范圍為0.1-10KΩ/口。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造熱式流量傳感器的方法，其特征在于所說的P-硅區(qū)結(jié)深范圍為0.1-5μm，薄層電阻范圍為5-500Ω/口。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造熱式流量傳感器的方法，其特征在于所說的多孔硅厚度范圍為20-150μm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種熱式流量傳感器及其制造方法,該傳感器主要包括加熱元、測溫?zé)o以及其所依附的低導(dǎo)熱載體。本發(fā)明的特征在于所說的載體為島形單晶硅膜,玻璃片通過聚酰亞胺膜對硅膜進(jìn)行支撐。所說的加熱元和測溫元由硅膜形成,并且處在聚酰亞胺的覆蓋面上。器件與外電路的連接通過布置在聚酰亞胺膜上的金屬條和壓焊塊實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要是體積小,響應(yīng)快,靈敏度高,功耗低,機(jī)械強(qiáng)度大,防腐蝕和防磨損能力強(qiáng),安裝容易,使用方便,制造工藝簡單,可在標(biāo)準(zhǔn)的集成電路線上進(jìn)行批量生產(chǎn),因而生產(chǎn)成本很低。
文檔編號G01F1/684GK1174984SQ9610952
公開日1998年3月4日 申請日期1996年8月23日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月23日
發(fā)明者涂相征 申請人:李韞言