CN101475137A - 双层悬空梁微结构薄膜量热计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双层悬空梁微结构薄膜量热计，属于微型传感器技术领域。其特征是该双层悬空梁微结构薄膜量热计，包括硅衬底、第一层薄膜悬梁和第二层薄膜悬梁，其特征在于：第一层薄膜悬梁两端固支，悬架在硅衬底上，平行于硅衬底表面；第二层薄膜悬梁两端固支，平行于硅衬底表面，悬架在第一层薄膜悬梁上，不与第一层薄膜悬梁相接触，与第一层薄膜悬梁垂直。硅衬底、第一层薄膜悬梁和第二层薄膜悬梁三者之间均有间隙。本发明的有益效果是该双层悬空梁微结构的薄膜量热计具有样品薄膜自对准淀积功能，提高了样品定位淀积准确性，减小了薄膜量热计的使用难度，适用于微纳米薄膜热力学参数的测试。
Description
技术领域
本发明属于微型传感器技术领域，涉及一种双层悬空梁微结构的薄膜量热计，应用于微纳米薄膜热力学参数的测试。
背景技术
近年来，随着集成电路、微加热式器件、微流控系统和热毛细管等研究的深入，微尺度热现象研究已得到广泛重视。其中，厚度在亚微米到纳米量级的超薄薄膜的热力学特性可能与相应的常规块体材料的热力学特性有很大的不同，还有一些材料只能制作为超薄薄膜形式。因此，超薄薄膜热力学特性的测试分析技术已成为微尺度热效应研究领域的研究热点之一。
量热计在200多年的历史中不断发展，在过去的二十年里，硅微加工技术的发展，悬空膜片、薄膜加热电阻、薄膜测温电阻、薄膜热电偶等的制造技术日趋完善。在此基础上，二十世纪九十年代诞生了微量热计，它采用集加热与测温于一体的悬空膜片结构，因此自身热容小，量热精度高，可用于微纳米薄膜热容、熔点等热力学参数的测试。
目前，国内外薄膜量热计均为单层结构，样品薄膜需要准确淀积在薄膜量热计样品区才能保证温度均匀性和测量的精度。这些薄膜量热计的样品薄膜定位淀积均采用硅掩膜技术，掩膜挖孔工艺及其与薄膜量热计的对准与定位工艺的误差均在十微米以上，具有操作难度大，定位精度差的缺点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种双层悬空梁微结构的薄膜量热计，该薄膜量热计能够实现样品薄膜在量热计温度分布最均匀的中心温区的自对准定位淀积，不但定位误差小，而且使用方便。
本发明的量热计是一种双层悬空梁微结构的薄膜量热计，主要由硅衬底、第一层薄膜悬梁和第二层薄膜悬梁组成。
第一层薄膜悬梁两端固支，悬架在硅衬底上，平行于硅衬底表面。该薄膜悬梁可以采用表面微加工工艺、正面体硅微加工工艺或者背面体硅微加工工艺实现与硅衬底之间的悬空。
第二层薄膜悬梁两端固支，平行于硅衬底表面，悬架在第一层薄膜悬梁上，不与第一层薄膜悬梁相接触，与第一层薄膜悬梁垂直。该薄膜悬梁采用表面微加工工艺实现与第一层悬梁以及硅衬底之间的悬空。
硅衬底、第一层薄膜悬梁和第二层薄膜悬梁三者之间均有间隙。
第一层薄膜悬梁和第二层薄膜悬梁结构相同，都是两层绝缘介质薄膜中间夹着一层薄膜电阻的多层膜；两层绝缘介质薄膜可以是低应力氮化硅或者二氧化硅；悬梁夹层的薄膜电阻是加热电阻，同时它也是测温电阻；该薄膜电阻是有感温特性并适合微电子机械加工的薄膜材料；该薄膜材料可以是多晶硅、白金、铝、钛或者钨。
本发明的双层悬空梁微结构薄膜量热计可以在同一芯片上制作多个双层悬空梁微结构薄膜量热计，形成薄膜量热计阵列，从而一次待测薄膜加载就可同时获得多个待测样品。
本发明的有益效果是，在一个传感单元上垂直集成了方向正交的两层薄膜悬梁，作为两个薄膜量热计，能够实现样品薄膜在量热计温度分布最均匀的中心温区的自对准定位淀积，从而提高量热精度，而且使用方便。采用差式脉冲扫描量热，以下层量热计作为上层量热计的参考单元，样品薄膜溅射或蒸镀到量热计上时，下层量热计与上层量热计的唯一差别是中心交叉部分的样品区没有样品薄膜，因此通过差式脉冲扫描量热分析可以获得样品区薄膜的热容。
附图说明
图1(A)是本发明的双层悬空梁微结构薄膜量热计的结构示意图。
图1(B)是本发明的第一层悬空梁微结构薄膜的结构示意图。
图1(C)是本发明的第二层悬空梁微结构薄膜的结构示意图。
图2(A)是第一层薄膜悬梁采用表面微加工工艺的双层悬空梁微结构薄膜量热计的A-A剖面图。
图2(B)是第一层薄膜悬梁采用表面微加工工艺的双层悬空梁微结构薄膜量热计的B-B剖面图。
图3(A)是第一层薄膜悬梁采用正面体硅微加工工艺的双层悬空梁微结构薄膜量热计的A-A剖面图。
图3(B)是第一层薄膜悬梁采用正面体硅微加工工艺的双层悬空梁微结构薄膜量热计的B-B剖面图。
图4(A)是第一层薄膜悬梁采用背面体硅微加工工艺的双层悬空梁微结构薄膜量热计的A-A剖面图。
图4(B)是第一层薄膜悬梁采用背面体硅微加工工艺的双层悬空梁微结构薄膜量热计的B-B剖面图。
图5是本发明的双层悬空梁微结构薄膜量热计组成的九单元阵列。
图中：10是硅衬底；11是第一层薄膜悬梁；12是第二层薄膜悬梁；13、14、16、17是绝缘介质薄膜；15、18是薄膜电阻；19、20是多晶硅牺牲层；21、22是硅衬底腐蚀坑；23是第一层悬梁的腐蚀窗；24是第二层悬梁的腐蚀窗；25是氧化层；26是背面体硅腐蚀窗。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
本发明的双层悬空梁微结构薄膜量热计由硅衬底10、第一层薄膜悬梁11、以及第二层薄膜悬梁12组成。第一层薄膜悬梁11包括绝缘介质薄膜13、14和薄膜电阻15；第二层薄膜悬梁12包括绝缘介质薄膜16、17和薄膜电阻18。第一层薄膜悬梁11与第二层薄膜悬梁12之间有高度在微米量级的间隙，此间隙采用表面微加工工艺实现；第一层薄膜悬梁11可以采用表面微加工工艺、或者正面体硅微加工工艺、或者背面体硅微加工工艺实现与硅衬底10之间的悬空。制作步骤如下：
第一步，如果第一层薄膜悬梁11采用表面微加工工艺，在硅衬底10上生长氧化层25，然后淀积多晶硅牺牲层19并光刻腐蚀成形；如果第一层薄膜悬梁11采用正面体硅微加工工艺、或者背面体硅微加工工艺，直接从第二步开始；
第二步，CVD法淀积二氧化硅或者低应力氮化硅层13；
第三步，CVD法淀积多晶硅并掺杂降阻，或者溅射法淀积白金、铝、钛或者钨，然后光刻腐蚀形成加热和测温薄膜电阻15；
第四步，CVD法淀积二氧化硅或者低应力氮化硅层14；
第五步，光刻腐蚀二氧化硅/低应力氮化硅形成第一层悬梁的腐蚀窗23，露出下方的牺牲层多晶硅19或者硅衬底10；
第六步，淀积多晶硅牺牲层20并光刻腐蚀成形；
第七步，CVD法淀积二氧化硅或者低应力氮化硅层16；
第八步，CVD法淀积多晶硅并掺杂降阻，或者溅射法淀积白金，或者溅射法淀积钛，或者溅射法淀积铝，然后光刻腐蚀形成加热和测温薄膜电阻18；
第九步，CVD法淀积二氧化硅或者低应力氮化硅层17；
第十步，光刻腐蚀引线孔，溅射法淀积铝并光刻腐蚀形成焊盘；
第十一步，光刻腐蚀二氧化硅/低应力氮化硅形成第二层悬梁的腐蚀窗24，露出下方的牺牲层多晶硅20；如果第一层薄膜悬梁11采用背面体硅微加工工艺，进入第十二步；如果第一层薄膜悬梁11采用采用牺牲层表面微加工工艺或者正面体硅微加工工艺，直接进入第十三步；
第十二步，从硅片背面光刻腐蚀二氧化硅/低应力氮化硅形成背面体硅腐蚀窗26，露出背面的硅；
第十三步，采用不腐蚀铝的TMAH:Si:H2O:(NH4)2S2O8＝5:1.6:92.9:0.5的溶液腐蚀硅：如果第一层薄膜悬梁11采用采用表面微加工工艺，腐蚀多晶硅牺牲层20和19；或者，如果第一层薄膜悬梁11采用正面体硅微加工工艺，腐蚀多晶硅牺牲层20和硅衬底腐蚀坑21；或者，如果第一层薄膜悬梁11采用背面体硅微加工工艺，腐蚀多晶硅牺牲层20和硅衬底腐蚀坑22；获得双层悬空梁微结构薄膜量热计。
本发明的双层悬空梁微结构薄膜量热计可以在同一芯片上制作薄膜量热计阵列，例如，对于九单元薄膜量热计阵列，仅一次待测薄膜加载就可获得相同种类和相同厚度的九个待测薄膜样品。
芯片封装采用双列直插封装形式，封装的顶盖为中心镂空结构，镂空部分露出芯片中心的薄膜量热计阵列，以便加载待测薄膜。在加载待测薄膜时，将本发明的薄膜量热计放入溅射台或蒸镀台，淀积的待测薄膜的厚度范围为小于第一层薄膜悬梁11与第二层薄膜悬梁12之间间隙高度的一半。
测量薄膜样品热容时，将本发明的双层悬空梁微结构薄膜量热计置于真空环境，采用现有的差式脉冲扫描量热法对第一层薄膜悬梁11与第二层薄膜悬梁12同时进行扫描量热，计算热容。脉冲电源对第一层薄膜悬梁11与第二层薄膜悬梁12的加热和测温薄膜电阻施加相同的热激励脉冲，通过加热测温电阻监测两层薄膜悬梁的温度和吸热量变化的差异得到第一层薄膜悬梁和第二层薄膜悬梁交叠面积尺寸的样品薄膜的热容。
Claims (6)
1、一种双层悬空梁微结构薄膜量热计，包括硅衬底(10)、第一层薄膜悬梁(11)和第二层薄膜悬梁(12)，其特征在于：第一层薄膜悬梁(11)两端固支，悬架在硅衬底(10)上，平行于硅衬底(10)表面；第二层薄膜悬梁(12)两端固支，平行于硅衬底(10)表面，悬架在第一层薄膜悬梁(11)上，不与第一层薄膜悬梁(11)相接触，与第一层薄膜悬梁(11)垂直。
2、根据权利要求1所述的双层悬空梁微结构薄膜量热计，其特征还在于：第一层薄膜悬梁(11)和第二层薄膜悬梁(12)结构相同，是两层绝缘介质薄膜中间夹着一层薄膜电阻的多层膜；两层绝缘介质薄膜是低应力氮化硅或者二氧化硅；悬梁夹层的薄膜电阻是加热电阻，也是测温电阻，该薄膜电阻具有感温特性并适合微电子机械加工的薄膜材料。
3、根据权利要求2所述的双层悬空梁微结构薄膜量热计，其特征还在于：所述的薄膜材料是多晶硅、白金、铝、钛或钨。
4、根据权利要求1所述的双层悬空梁微结构薄膜量热计，其特征还在于：该第一层薄膜悬梁(11)采用表面微加工工艺、正面体硅微加工工艺或者背面体硅微加工工艺实现与硅衬底(10)之间的悬空。
5、根据权利要求1所述的双层悬空梁微结构薄膜量热计，其特征还在于：在同一芯片上制作多个双层悬空梁微结构薄膜量热计，形成薄膜量热计阵列。
6、根据权利要求1所述的双层悬空梁微结构薄膜量热计，其特征还在于：该薄膜量热计芯片封装采用双列直插封装形式，封装的顶盖为中心镂空结构，镂空部分露出薄膜量热计芯片中心的薄膜量热计阵列。
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