CN101410999A - 膜片结构元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可以容易地制造、具有优异的绝热性能和高质量的膜片结构元件。还提供一种用于制造这种膜片结构元件的方法。所述膜片结构元件配置有由氧化硅膜形成的膜片，以及基板，所述基板通过支持所述膜片的外围的一部分而以中空状态支持所述膜片。用于制造这种膜片的方法具有：膜形成步骤，即通过等离子体CVD法在硅基板(2)的表面侧上形成热收缩性氧化硅膜(13)；热处理步骤，即使用加热进行热处理以使形成在所述基板(1)上的所述氧化硅膜(13)收缩；以及去除步骤，即去除所述基板(2)的一部分，使得所述氧化硅膜(13)与所述膜片对应的部分作为膜片相对于所述基板(2)以中空状态被支持，并且形成凹部(4)。
Description
技术领域
本发明涉及一种主要用于红外线传感器、空气流量计和热传感器例如气体传感器的膜片结构元件。
背景技术
近年来，已经开发了通过使用半导体微加工制造热传感器的各种技术。在一些情况下，其中相对于基板以中空状态支持配置有检测电子元件的膜片的中空结构适用于热传感器，以保证对基板的绝热性能。具有其中以中空状态支持膜片的结构的元件被称为膜片结构元件。
通常，膜片由绝热性能优异的氧化硅膜例如SiO2(二氧化硅)膜形成，并且这种膜容易通过将硅基板的表面氧化而形成。通过表面氧化形成的SiO2膜被称为“热氧化SiO2膜”。然而，由于热氧化SiO2膜的热膨胀系数小于几乎所有的基板材料例如单晶硅的热膨胀系数，因此在其中通过形成用作膜片的热氧化SiO2膜，随后冷却，然后通过蚀刻等去除热氧化SiO2膜下面的基板材料以形成凹部而形成中空结构的情况下，由于残留在热氧化SiO2膜中的大的压缩应力(当基板为单晶硅时，约200MPa)，可能使以中空状态被支持的膜片变为“凹陷”状态。因此，膜片结构元件的质量劣化，并且膜片的强度劣化，从而在严重劣化的情况下，引起膜片的破裂。因此，具有大的面积的膜片本身的形成变得困难。
因此，已经提出了用于制造具有大的面积的膜片，同时使在膜片形成以后残留在膜片中的内应力最小化的各种技术。例如，JP-A-6-132277(专利参考文献1)公开了一种通过下列方法形成膜片，在总体上减小膜片的残留应力的技术：通过使用Si3N4膜将具有不同热膨胀系数的SiO2膜和Si3N4膜层压，以减小SiO2膜的内部压缩残留应力。此外，JP-A-264844(专利参考文献2)公开了一种通过下列方法减小膜片的杨氏模量的技术：使用Si3N4膜形成膜片的中心部分，并且向SiO2膜中加入第V族元素。而且，Lie-yiSheng等，Transducers’97，1997，第939-942页(非专利参考文献1)提出了通过像“风筝骨架”一样使用还用作SiO2膜的加热器的多晶硅布线消除膜片的凹陷的方法。
专利参考文献1：JP-A-6-132277
专利参考文献2：JP-A-264844
非专利参考文献1：Lie-yi Sheng等，Transducers’97，1997，第939-942页
发明内容
本发明要解决的问题
然而，根据专利出版物1中公开的方法，必须形成具有与SiO2膜完全不同的组成的Si3N4膜。而且，由于Si3N4的热导率为22.7W/mK，这比SiO2的热导率(1.4W/mK)大一个数量级以上，因此降低了膜片的绝热性能。另外，当意图增加面积时，由于热膨胀系数上的差别，因此像双金属中一样总体上发生膜片的翘曲，从而使可靠性劣化。在专利参考文献2中公开的方法中，制造过程复杂，从而损害了元件设计的自由度。由于在非专利参考文献1中公开的方法中实际上没有考虑膜片的应力的减小，因此仍发生翘曲，从而损害了设计的自由度。
解决问题的手段
本发明人发现，在通过等离子体CVD法形成构成膜片的氧化硅膜的情况下，尽管压缩应力像热氧化的氧化硅膜中一样残留在膜中，但是当随后进行热处理时，由于膜致密化而热收缩，因此可以在室温附近将应力抑制到±100MPa以下。通过如上所述减小膜的残留应力，即使在以中空状态支持膜片时，氧化硅膜中也很少或不发生翘曲，并且可以得到归因于氧化硅的绝热性能，以及平坦性优异的膜片。本发明基于以上发现而得以实现。
即，本发明的膜片结构元件制造方法是一种用于制造包括由氧化硅膜形成的膜片，以及基板的膜片结构元件的方法，所述基板通过支持膜片的外围的一部分而以中空状态支持膜片，所述方法包括：膜形成步骤，即在由热膨胀系数高于氧化硅的热膨胀系数的材料形成的基板的表面上，形成热收缩性氧化硅膜；热处理步骤，即加热所述热收缩性氧化硅膜，以引起所述膜的热收缩；以及去除步骤，即以凹状的形式去除所述基板的一部分，使得对应所述膜片的所述氧化硅膜的对应部分作为所述膜片相对于所述基板以中空状态被支持。
根据本发明的制造方法，由于在基板上形成热收缩性氧化硅膜，并且在热处理步骤中使这样形成的氧化硅膜热收缩，因此在基板上形成氧化硅膜以后，可以容易地减小或消除氧化硅膜的内部压缩应力。因此，即使在膜片由于去除步骤而以中空状态被基板支持时，也可以防止膜片的挠曲和翘曲，从而可以得到容易以平坦的形状被支持的高质量膜片。此外，由于膜片仅由氧化硅膜形成，因此与具有Si3N4的复合膜相比，它在绝热性能方面优异并且易于制造，并且通过使膜片致密化，可以增强膜片本身的强度和耐久性。
此外，在上述制造方法中，可以提供在氧化硅膜的表面上形成具有预定图案的金属布线的元件形成步骤，并且还可以通过等离子体CVD法容易地形成热收缩性氧化硅膜。在通过等离子体CVD法形成膜的情况下，优选使用硅烷气体作为成膜原料气；并且在成膜过程中，优选将基板温度设置在200℃以下，并且将输入电功率设置到0.21W/cm2以下。
而且，在上述热处理步骤中，可以优选将加热温度设置在400℃以上。此外，为了实现热收缩性氧化硅膜的均匀收缩，优选将氧化硅膜与基板一起加热，并且优选进行加热，使得氧化硅膜的内应力在(+)100MPa的拉伸至(-)100MPa的压缩的拉伸应力范围内，更优选在+50MPa至0MPa的范围内。根据这种构造，可以得到平坦性优异并且具有中空结构的膜片。另外，通过使用由单晶硅形成的基板，并且在去除步骤中通过硅各向异性蚀刻去除基板的一部分，可以在膜片下面沿基板表面容易地形成凹部。
本发明的膜片结构元件包括由氧化硅膜形成的膜片，和基板，所述基板通过支持膜片的外围的一部分而以中空状态支持膜片，其中所述氧化硅膜由于热收缩而以平坦状态被基板支持。关于膜片的平坦性，当将形成在所述基板的表面上并且具有与所述膜片同样的组成的所述氧化硅膜的表面作为参照面时，所述膜片的最大挠曲量可以优选为所述膜片的最大宽度的0.1％以下。根据此膜片结构元件，由于膜片由氧化硅膜形成并且由于热收缩而以平坦的形状被支持，因此它的制造容易，并且膜片在绝热性能和质量方面以及在作为电子部件的可靠性和耐久性方面优异。
发明益处
根据本发明的膜片结构元件制造方法，由于由热收缩性氧化硅膜预先形成作为膜片的基底(base)的膜，随后在热处理步骤中加热氧化硅膜，以引起它的热收缩，因此可以将氧化硅膜的内应力容易地控制在从压缩至拉伸的范围内，以及在没有使用具有不同的组成的复杂膜结构以及复杂的制造步骤的的情况下，容易地建立平坦性和质量优异的膜片中空结构，同时消除了膜片的内应力。此外，根据本发明的膜片结构元件，由于膜片由氧化硅膜形成并且由于热收缩而以平坦的形状被支持，因此它的制造容易，并且，膜片结构元件在质量方面以及在作为电子部件的可靠性和耐久性方面优异。因此，根据本发明，在用于热传感器例如红外线传感器、空气流量计、气体传感器的膜片结构元件中，可以提供一种元件结构和制造步骤简化并且具有提高的性能以及改善的可靠性的元件。
附图简述
图1(1)至1(4)是显示根据本发明的一个实施方案的膜片结构元件的制造工序的图。
图2(1)是显示根据本发明的实施方案的膜片结构元件的截面图的图，而图2(2)是显示根据本发明的实施方案的膜片结构元件的平面图的图。图2(1)中所示的是沿图2(2)的A-A截面取得的截面图。
图3是显示等离子体CVD的输入电功率和氧化硅膜的应力之间的关系的图。
图4是显示通过等离子体CVD形成的氧化硅膜的加热温度和膜应力之间的关系的图。
图5是显示在热处理之前和热处理之后的氧化硅膜的红外吸收光谱的图。
标记和符号的描述
1：膜片
2：基板
3：氧化硅膜
6：Pt/Ti布线元件(电子元件)
13：热收缩性氧化硅膜
实施本发明的最佳方式
以下，将根据本发明的一个实施方案的膜片结构元件及其制造方法一起进行描述。图2(1)和2(2)中显示的是根据该实施方案的膜片结构元件，并且该元件配置有：膜片1，所述膜片1由氧化硅膜3形成并且具有如平面图中所观察到的正方形形状；以及硅基板2，其中将膜组成与构成膜片1的氧化硅膜的膜组成相同的氧化硅膜3层压在硅基板2的表面上。通过4个支持臂5将膜片1以中空状态和平坦的形状支持在安置于基板2上的凹部4上。整体形成膜片1、支持臂5和基板上的氧化硅膜3，使得支持臂5连接膜片1的4个角以及基板2。通过层压在膜片1的表面上形成Pt/Ti布线元件6，所述Pt/Ti布线元件6构成检测电子元件并且具有被设置成向上和向下弯曲的Pt层和Ti层的两层结构线。
以下，通过参考图1(1)至1(4)，将描述根据上述实施方案的膜片结构元件的制造方法。准备通用硅基板(具有(100)晶体取向的单晶硅基板)2，并且如图1(1)中所示，通过热氧化，在基板2的前表面和后表面上形成厚度为约0.1μm的相当薄的热氧化的氧化硅膜11和12。在后表面上形成热氧化的氧化硅膜12，以在随后步骤中蚀刻硅基板时保护硅基板的后表面。前表面上的热氧化的氧化硅膜11基本上没有必要。因此，可以在膜形成以后去除前表面上的热氧化的氧化硅膜11，或可以通过在基板的后表面上安置适当的保护膜，省略在前表面和后表面上形成热氧化的氧化硅膜。由于在热氧化的氧化硅膜中残留约200MPa的压缩应力，因此优选前表面上不存在热氧化的氧化硅膜11。然而，热氧化的氧化硅膜11相当薄(约0.1μm)，并且通过相对于热氧化的氧化硅膜11充分增加热收缩性氧化硅膜13的厚度，就可以忽略对残留的应力施加的影响。因此，在此实施方案中，在前表面上按原样保留热氧化的氧化硅膜11。
接着，如图1(2)中所示，在热氧化的氧化硅膜11的前表面上形成热收缩性氧化硅膜13。此步骤称为膜形成步骤。考虑到膜的强度和绝热性能，可以将热收缩性氧化硅膜的厚度设置在0.1至10μm的范围内。在形成热氧化的氧化硅膜11的情况下，推荐将该厚度设置为热氧化的氧化硅膜的厚度的5倍以上。注意的是，不将前表面上的热氧化的氧化硅膜11与热收缩性氧化硅膜13具体区别，并且将它们称为氧化硅膜3。
作为用于热收缩性氧化硅膜13的膜形成方法，考虑到CVD法的成膜速度以及成膜的容易性，CVD法是最佳方法。以下，将描述在通过等离子体CVD法形成氧化硅膜的情况下的等离子体用输入功率以及残留在膜中的应力。
通过下列工序形成氧化硅膜。准备其上已经形成热氧化的氧化硅膜11(膜厚度：0.1μm)的硅基板(厚度：525μm)，并且通过等离子体CVD法在其上形成膜厚度为1μm的氧化硅膜。用于成膜的等离子体CVD设备的平台和与该平台相对的电极的每一个具有30cm的直径(表面积：约707cm2)。在其中使用SiH4、N2、N2O的混合气体，将气压设置到80Pa，将基板温度设置在200℃或300℃，并且改变等离子体用输入功率的成膜条件下，形成各种氧化硅膜。
在成膜以后，使用各个氧化硅膜测量膜残留应力。基于基板的翘曲量并且根据下式检测膜残留应力。作为翘曲量，使用在室温(23℃)测量的值。基板的翘曲量是在支持基板(直径：100mmφ)的3个点时，使用激光束的反射或探针型表面粗糙度计测量的。
σ＝1/6×{1/R后-1/R前}×E/(1-v)×ts2/tf
在此式中，E为基板(硅)的杨氏模量，v为基板(硅)的泊松比，R后是成膜以后的基板的翘曲的曲率半径，R前是成膜以前的基板的翘曲的曲率半径，ts是基板的厚度，tf是膜的厚度，并且在单晶硅(100)的情况下，E/(1-v)的值为1.8×1011Pa。
图3中显示的是等离子体用输入功率和如上所述检测的残留在膜中的应力之间的关系。根据此图，例如当基板温度为300℃并且输入功率为100W时，膜的残留应力为-300MPa(压缩)，并且显然的是，随着输入功率的增加，成膜以后的内应力的绝对值减小。由成膜以后的基板翘曲并且氧化硅膜表面凸出的事实显示的是，成膜以后的氧化硅膜的残留应力是压缩应力。而且，显示的是，当基板温度为200℃时，与基板温度为300℃的情况相比，残留应力减小。
随后，对其上形成热收缩性氧化硅膜的基板进行热处理，以引起热收缩性氧化硅膜13的热收缩，从而减小或消除氧化硅膜13的内部压缩残留应力。此步骤称为热处理步骤。
以下，将详细描述热处理对减小压缩残留应力的作用。通过使用在300℃的基板温度以及200W的等离子体CVD用输入功率下在其上形成氧化硅膜的硅基板，测量在氮气气氛中加热硅基板时相对于加热温度的内应力。结果显示在图4中。通过将其上形成氧化硅膜的硅基板插入到加热炉中，以下列方式进行氧化硅膜的加热：硅基板的温度和被控制到测量温度的炉内环境温度基本上相同，并且将在测量温度下的保留时间设置为1小时。用于测量的测量装置是由KLA-Tencor制造的型号-F2410。
根据图4，在热处理之前的应力为-200MPa，在约400℃之前基本上没有观察到变化，然后在400℃和700℃之间应力急剧变化(改变至正值)。据认为，因为由于氧化硅膜中的非结合键(hand)在此温度范围内的反应，膜致密化而稍微收缩，因此内应力变化到正值(拉伸应力)。曲线的倾斜在700℃和800℃之间减小，并且当温度下降时，应力几乎线性地减小，最终达到在室温为约-80MPa的值。从该结果显示出，热处理中的加热温度可以优选为400℃以上。还显示出，尽管可以在约1000℃以上进行加热，但是加热温度可以优选为800℃以下，更优选为700℃以下。
在800℃的氮气中对基板进行1小时的热处理，在所述基板的每一个上，通过上述等离子体CVD法在改变输入功率的情况下形成氧化硅膜。关于在热处理以后的应力，已显示出在减小的输入功率的情况下形成的膜的应力减小效果更大，如图3中所示。此外，在75W的输入功率下，在300℃的基板温度下形成的热收缩性氧化硅膜达到了基本上为0的内应力，并且平均内应力减小至约-50MPa。而且，在75至150W(0.11至0.21W/cm2)的输入功率的情况下，在200℃的基板温度下形成的热收缩性氧化硅膜的残留应力为0至+50MPa，这表示内应力为拉伸应力。
此外，根据图3，证明的是，当输入功率更小并且基板温度更低时，热处理的膜残留应力减小效果增加，从而使得应力调节更容易。为了根据基板的材料以及热收缩性氧化硅膜的厚度进行适当的应力范围的调节，如上所述的输入功率和基板温度的调节被认为是有效的。在单晶基板上形成具有适于本发明的应用的约1μm的厚度的膜的情况下，如从图3明显的是，通过将基板温度设置到300℃以下并且将输入功率设置到250W(0.35W/cm2)以下，可以将膜残留应力调节到约-100MPa以下，并且通过将基板温度设置到300℃以下并且将输入功率设置到150W(0.21W/cm2)以下，可以将膜残留应力调节到约-50MPa以下。此外，通过将基板温度设置到200℃以下并且将输入功率设置到150W(0.21W/cm2)以下，可以将膜残留应力调节为约0至+50MPa的拉伸应力。考虑到保证通过等离子体CVD法成膜的稳定性，优选将输入功率设置到50W(0.07W/cm2)以上并且将基板温度设置到100℃以上。
此外，出于组织(framework)的观点，通过下列研究确认热处理的应力减小效果。通过傅立叶变换红外光谱(FTIP)检查成膜(热处理以前)的热收缩性氧化硅膜和热处理之后的氧化硅膜的每一个的氧化硅的结合状态。作为一个实例，图5中显示的是在图3中所示的200℃的基板温度和75W的输入功率下得到的膜的红外吸收光谱。由图5证明的是，在3000至3700cm-1以及接近950cm-1的波数观察到的Si-OH键和H2O的吸收带由于热处理而消失，并且接近1070cm-1的氧化硅的主谱带显示了增强的趋向。即，通过热处理，将氧化硅膜从其中存在许多不完全的键的状态改变为更加致密的氧化硅膜。因此，据认为，通过热处理使膜收缩，从而改变为拉伸应力状态。
随后，如图1(3)中所示，在热处理以后，通过剥离法等在氧化硅膜3上形成具有预定图案的Pt/Ti布线元件。尽管除检测元件布线图案以外，还在氧化硅膜3上形成必需的布线图案，但是在附图中省略了这种布线图案。此步骤称为元件形成步骤。
随后，为了使包括Pt/Ti布线元件的氧化硅膜部分(膜片对应部分)的附近成为中空结构，去除在膜片对应部分下面的基板2的硅。此步骤称为去除步骤。更具体地，如图1(4)中所示，通过在避开对应膜片1的支持臂5(参见图2(1)和2(2))的部分的同时，使用化学或物理手段去除氧化硅膜3，在膜片对应部分的周围形成开口14。此后，将基板2浸入到蚀刻液中，以对开口14中暴露的基板2的硅进行蚀刻。此时，硅遭受取决于晶体取向的各向异性蚀刻，使得在膜片对应部分下面易于形成在水平方向上贯通的凹部4。作为蚀刻液，使用例如加热至约80℃的TMAH(氢氧化四甲铵)。在形成凹部4以后，将蚀刻液洗掉，以使膜片不破裂，随后干燥，从而完成图2中所示的膜片结构元件。
在这样制造的膜片结构元件中，对在300℃的基板温度以及100W或200W的等离子体CVD中的输入功率下形成的那些元件的每一个(成膜以后的每个氧化硅膜3的应力为-300MPa或-200MPa)，在室温进行以中空状态支持的膜片的最大挠曲量(从作为参照面的基板的氧化硅膜3的表面至膜片的最大挠曲部分的表面的距离)的测量，并且检测该最大挠曲量与膜片的最大宽度的比例。膜片的最大挠曲量通过使用光学方法测量。更具体地，通过使用显微镜的高度测量功能进行该测量。结果，在100W的输入功率的情况下形成的膜片达到了0.05％的比例，而在200W的输入功率的情况下形成的膜片达到了0.1％的比例，从而保证膜片以显著平坦的形状被基板支持。
当对具有上述中空结构的膜片结构元件中的Pt/Ti布线元件供给电流时，由于膜片结构的绝热性能以及热容，温度容易升高，并且在将膜片结构元件用于空气流量传感器等的情况下，可以由Pt/Ti检测元件的电阻变化检测到与从中空结构吸取热量的速度相关的空气流量。
尽管在以上实施方案中的成膜方法中，通过等离子体CVD法形成热收缩性氧化硅膜13，但是可以使用能够形成密度比热氧化的氧化硅膜的密度更低的氧化硅膜的任何方法，例如包括溅射和气相沉积的PVD法以及溶胶/凝胶法，而不限于等离子体CVD法。此外，尽管在上述实施方案中，将单晶硅基板用作基板，但是可以使用其它的晶体、陶瓷、树脂等，而不限于单晶硅基板。
而且，由于在中空状和平坦性方面优异的膜片的制造的容易性，在上述实施方案中，以下列顺序进行膜形成步骤、热处理步骤、元件形成步骤和去除步骤，可以在氧化硅膜上形成布线元件以后，在布线元件上形成氧化硅膜，以用氧化硅膜封闭布线元件(膜存在于该元件的下面和上面)，只要在去除步骤以前进行元件形成步骤即可。此外，在不进行元件形成步骤的情况下，可以将热处理步骤和去除步骤交换。
Claims (10)
1.一种用于制造膜片结构元件的方法，所述膜片结构元件包括由氧化硅膜形成的膜片，以及基板，所述基板通过支持所述膜片的外围的一部分而以中空状态支持所述膜片，所述方法包括：
膜形成步骤，即在由热膨胀系数高于氧化硅的热膨胀系数的材料形成的基板的表面上，形成热收缩性氧化硅膜；
热处理步骤，即加热所述热收缩性氧化硅膜，以引起所述膜的热收缩；以及
去除步骤，即以凹状的形式去除所述基板的一部分，使得所述氧化硅膜的对应所述膜片的对应部分作为所述膜片相对于所述基板以中空状态被支持。
2.根据权利要求1所述的用于制造膜片结构元件的方法，所述方法包括：元件形成步骤，即在所述氧化硅膜的表面上形成具有预定图案的金属布线。
3.根据权利要求1或2所述的用于制造膜片结构元件的方法，其中所述热收缩性氧化硅通过等离子体CVD法形成。
4.根据权利要求3所述的用于制造膜片结构元件的方法，其中将硅烷气体用作成膜原料气；并且在成膜过程中，将基板温度设置在200℃以下，并且将输入功率设置到0.21W/cm2以下。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于制造膜片结构元件的方法，其中在所述热处理步骤中，所述加热是在400℃以上的温度进行的。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于制造膜片结构元件的方法，其中在所述热处理步骤中，将所述热收缩性氧化硅膜与所述基板一起加热，使得所述氧化硅膜的内应力在(+)100MPa的拉伸至(-)100MPa的压缩的应力范围内。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于制造膜片结构元件的方法，其中所述基板包含单晶硅；并且在所述去除步骤中，通过硅各向异性蚀刻去除所述基板的一部分。
8.一种膜片结构元件，所述膜片结构元件是通过根据权利要求1至7中任一项所述的方法得到的，所述膜片结构元件包括由氧化硅膜形成的膜片，以及基板，所述基板通过支持所述膜片的外围的一部分而以中空状态支持所述膜片。
9.一种膜片结构元件，所述膜片结构元件包括由氧化硅膜形成的膜片，以及基板，所述基板通过支持所述膜片的外围的一部分而以中空状态支持所述膜片，其中所述氧化硅膜由于热收缩而以平坦形状被支持。
10.根据权利要求9所述的膜片结构元件，其中当将形成在所述基板的表面上并且具有与所述膜片同样的组成的所述氧化硅膜的表面作为参照面时，所述膜片的最大挠曲量为所述膜片的最大宽度的0.1％以下。
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