CN101143700A - 微机械热流式传感器的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微机械热流式传感器的加工方法，它属于微机械传感器加工领域。本发明包括加热器以及温度传感器的加工、悬梁的腐蚀、硅腔体的腐蚀，单层结构的微机械热流式传感器的加工技术的基本步骤为：(1)基体材料的选用，(2)薄膜的生长，(3)加热器和温度传感器同时制备，(4)悬梁的释放，(5)腔体的腐蚀。本发明的加热器和温度传感器同时制备在硅片上，悬梁的释放是采用牺牲层技术。制作多层结构的微机械热流式传感器时采用多层键合技术。本发明是一种通用的、适合各种微机械热流式传感器的加工技术，可以实现具有立体结构传感器的加工。采用本加工方法制造的热流式传感器具有体积小、质量小和抗高冲击的特点，可以节约制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种热流式传感器的加工方法，尤其是涉及一种应用于微机械传感领域的热流式传感器加工方法。
背景技术
微电子机械系统(Micro Electro Mechanical System缩写成MEMS)技术是将微电子器件与微机械结构融为一体的、跨学科的先进制造技术，其目的是实现系统的微型化和集成化。
微机械热流式传感器可以分为单层结构、双层结构、三层结构甚至多层结构。它们无论是在结构上还是在加工工艺上都具有相似性。在结构上它们都存在腔体结构、悬梁或支撑薄膜、温度传感器和加热器等，典型微机械热流式传感器的单层结构如图1所示，由硅基体、硅腔体、悬梁、温度传感器和加热器组成。微机械热流式传感器在工艺加工上都采用表面工艺和正面体硅工艺相结合的工艺进行加工。用表面工艺实现支撑薄膜和薄膜电阻的生长，用正面体硅工艺实现腔体结构和悬梁(或支撑薄膜)的制备。
目前的加热器和温度传感器都是分别加工，或者采用不同的材料和方法。传统机械加工方法制造的热流式传感器因体积大、质量大、成本高，应用场合受到很大限制。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种专门用于加工各种微机械热流式传感器的通用加工方法。
为解决上述技术问题本发明所采取的技术方案是：
本发明所述的单层结构的微机械热流式传感器的加工技术的基本步骤如下：
(1)基体材料的选用
微机械热流式传感器选用硅作为基体材料。
(2)薄膜的生长
在采用牺牲层技术时，薄膜一般为两层，先生长牺牲层再生长结构层。
(3)加热器和温度传感器同时制备
加热器和温度传感器是热流式传感器的核心部件，它们都用同一种薄膜电阻。在本发明的工艺中利用薄膜热敏电阻工艺同时制备出加热丝和温度传感器。利用光刻技术形成结构图形，然后采用溅射或蒸发的技术在上面生长薄膜电阻。金属薄膜生长完成后，利用乙醇超声剥离的方法形成具有一定结构图形的加热器和温度传感器。
(4)悬梁的释放
悬梁的释放工艺是：首先进行光刻工艺，将待刻蚀区域曝露出来，其它区域用光刻胶作为掩蔽膜，然后利用干法刻蚀工艺将曝露出来的氮化硅刻蚀掉；再采用牺牲层的湿法腐蚀工艺将氮化硅下面的牺牲层腐蚀掉，露出底部的单晶硅。
(5)腔体的腐蚀
利用硅的湿法腐蚀工艺，进行硅腔体的湿法腐蚀工艺，根据热流式传感器的具体要求腐蚀出硅腔体。
本发明所述的多层结构的微机械热流式传感器立体加工技术，是采用键合的技术实现多层结构的加工，多层结构的键合通常是两层或三层，层与层中间采用直接键合或介质键合的技术将它们结合到一起；其基本步骤如下：
(1)基体材料的选用，与单层结构的微机械热流式传感器的加工相同。
(2)薄膜的生长，与单层结构的微机械热流式传感器的加工相同。
(3)键合介质的生长，多层结构的微机械热流式传感器采用介质键合的工艺，首先要进行介质层的生长，然后采用光刻工艺刻蚀出结构图形。
(4)薄膜电阻的制备，与单层结构的微机械热流式传感器的加工相同。
(5)键合，热流式传感器多层结构之间的键合技术采用介质键合或直接键合技术，利用键合对准技术实现不透明的硅片的键合，然后将已经对准的硅片在一定的温度、压力和气氛下进行键合。
(6)腔体的腐蚀和悬梁的释放，与单层结构的微机械热流式传感器的加工相同。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明所提供的是一种通用型的技术，它可以实现对各种微机械热流式传感器的加工。
利用本发明的技术制作微机械热流式传感器时所选用的基体材料为硅，牺牲层和结构层可以连续生长成，尤其是能够实现加热器和温度传感器的同时加工，从而简化了加工工艺。
本发明的悬梁的释放工艺，不但能够利用简单的方式实现悬梁的释放，并且可以实现具有立体结构传感器的加工。当微机械热流式传感器为多层结构时，采用键合的技术实现多层的加工，使微机械热流式传感器具有体积、质量小和抗高冲击的特点，能够应用到很多场合，并可以节约制造成本。
附图说明
图1是典型微机械热流式传感器的单层结构示意图；
图2到图7是单层结构的微机械热对流加速度传感器工艺流程示意图；
图8是多层结构的微机械热流式传感器的键合后结构剖面示意图。
其中：1加热器，2温度传感器，3悬梁，4硅腔体，5硅基体，6、二氧化硅，7、氮化硅，8、光刻胶，9、薄膜热敏电阻。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细说明：
实施例1
本实施例是一种单层结构的微机械热流式传感器的加工方法，其工艺流程如图2到图7所示，其基本加工步骤如下：
(1)采用双抛单晶硅片作为衬底材料，如图2。
(2)采用LPCVD生长低应力的氮化硅薄膜，作为掩蔽层和悬梁，结构如图3。
(3)沉积薄膜电阻：先进行光刻，将加热器和温度传感器的图形转移到硅片上。利用磁控溅射或电子束蒸发的方法生长薄膜热敏电阻作为加热器和温度传感器的基体材料。结构如图4。
(4)用乙醇超声剥离形成加热器和温度传感器。然后利用光刻技术和RIE干法刻蚀工艺形成悬梁。结构如图5。
(5)利用湿法腐蚀工艺腐蚀掉牺牲层完成悬梁的释放。结构如图6。
(6)利用湿法腐蚀工艺腐蚀出硅腔体。结构如图7。
实施例2
本实施例是一种多层结构的微机械热流式传感器的加工方法，加工后的结构如图8所示，其基本加工步骤如下：
(1)基体材料的选用，同实施例1。
(2)薄膜的生长，同实施例1。
(3)键合介质的生长，多层结构的微机械热流式传感器采用介质键合的工艺，首先要进行介质层的生长，然后采用光刻工艺刻蚀出结构图形。
(4)薄膜电阻的制备，同实施例1。
(5)键合，热流式传感器多层结构之间的键合技术采用介质键合或直接键合技术，利用键合对准技术实现不透明的硅片的键合，然后将已经对准的硅片在一定的温度、压力和气氛下进行键合。
(6)腔体的腐蚀和悬梁的释放，同实施例1。
Claims (4)
1.微机械热流式传感器的加工方法，包括加热器的加工、温度传感器的加工、悬梁的腐蚀、硅腔体的腐蚀，其特征在于：单层结构的微机械热流式传感器的加工技术的基本步骤为：
(1)基体材料的选用，
(2)薄膜的生长，
(3)加热器和温度传感器同时制备，
(4)悬梁的释放，
(5)腔体的腐蚀。
2.根据权利要求1所述的微机械热流式传感器的加工方法，其特征在于所述加热器和温度传感器同时制备的方法是将加热器和温度传感器采用同种材料同时加工，加工步骤是利用光刻技术将加热器和温度传感器的结构图形转移到硅片上，利用薄膜电阻生长技术生长一层薄膜热敏电阻，然后利用剥离技术形成特定形状的加热器和温度传感器。
3.根据权利要求1所述的微机械热流式传感器的加工方法，其特征在于所述悬梁的释放是采用牺牲层技术，其工艺步骤为先生长牺牲层再生长结构层，利用光刻技术和刻蚀技术，刻蚀出悬梁的平面结构，然后利用牺牲层的湿法腐蚀技术将悬梁下面的牺牲层腐蚀掉，形成悬空的悬梁结构。
4.根据权利要求1所述的微机械热流式传感器的加工方法，其特征在于：制作多层结构的微机械热流式传感器时采用多层键合技术，此多层键合技术是利用介质键合或直接键合技术，将单层结构的微机械热流式传感器为基础进行多层结构的键合；
其中介质键合的步骤是：首先在硅片上沉积一层键合介质，并结合光刻工艺形成一定的图形结构；然后利用对准技术实现层与层之间的对准，然后根据具体的键合介质在一定条件下温度、压力和气氛下实现键合。
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