CN102701140B - 一种悬空硅热敏电阻加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬空硅热敏电阻加工方法，属于微机电系统技术领域。该方法先刻蚀背腔，再完成悬空热敏电阻和其金属导线的制作。与现有技术相比，本发明：1.采用硅作为热敏材料，提高热敏电阻的电阻温度系数。2.经本方法可以加工悬空长度达1.3mm的热敏电阻，提高了气流检测的灵敏度、响应时间和以及热敏电阻的成品率，增大了悬空距离，达到毫米量级。3.加工过程中采用先刻蚀出背腔，再刻蚀热敏电阻，因不需要二次保护，简化了工艺步骤，提高了成品率。4.基于标准MEMS工艺加工悬空热敏电阻，易于实现大批量生产。

Description

一种悬空硅热敏电阻加工方法

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的方法，具体涉及一种悬空硅热敏电阻加工方法。 

背景技术

MEMS加工制造的热敏电阻可以广泛用于制造温度传感器、流速传感器、剪应力传感器、气体传感器的敏感探头。悬空硅热敏电阻中的硅热敏电阻通过其两端的悬臂梁悬置在背腔上，其电信号通过悬臂梁上的金属导线引出；金属导线与硅热敏电阻之间为欧姆接触。热敏电阻以硅为热敏材料，相对于制作以金属为热敏材料的热敏电阻，具有更高电阻温度系数，可以应用于各种流场温度、流速、剪应力等测量任务。尤其在气体流场动态测量时，必须考虑热敏元件的电阻温度系数即灵敏度、反应速率以及耐抗性等，而现阶段热敏传感器具有电阻温度系数低、反应速度慢、耐抗性差等特点。 

悬空结构有助于提高流速传感器、剪应力传感器、射流转子陀螺等气流检测的灵敏度和响应时间，减少气流检测时热敏电阻对气流运动的干扰。同时由于气流运动与外界所施加的角速度或者加速度成正比，增加热敏电阻的悬空长度，有助于提高气流检测范围。现有悬空热敏电阻的加工方法，悬空距离短，成品率低，如论文“Development of a Dual-Axis Convective Gyroscope With Low Thermal-Induced Stress Sensing Element”介绍了一种用于直线射流陀螺的悬空热敏电阻的加工方法。悬空距离仅达到微米量级，不利于提高流体陀螺的检测范围，其加工过程中采用先加工出热敏电阻，再通过刻蚀背腔使其悬空。这样就需要在刻蚀背腔时，通过在热敏电阻表面涂覆一层光刻胶和聚酰亚胺预聚体，保护热敏电阻，增加了工艺难度，降低了成品率。 

发明内容

本发明针对现有技术热敏电阻加工方法中工艺难度高、成品率低、悬空距离仅达 到微米量级等不足，提供一种悬空硅热敏电阻加工方法。 

本发明的技术方案是，一种悬空硅热敏电阻加工方法，包括以下步骤： 

步骤1，清洗SOI硅片，去除表面原生氧化层、有机物污染，然后干燥； 

步骤2，以SOI硅片作为基片，在基底层磁控溅射一层ICP刻蚀掩膜，作为刻蚀背腔的掩膜； 

步骤3，光刻，湿法腐蚀ICP刻蚀掩膜，得到图形化的刻蚀背腔掩膜，去除光刻胶； 

步骤4，ICP刻蚀SOI基底层至埋氧层，加工出背腔；去除ICP刻蚀掩膜； 

步骤5，在SOI硅片器件层硅热氧化一层二氧化硅作为绝缘层； 

步骤6，光刻，湿法腐蚀二氧化硅，得到欧姆接触窗口，作为离子注入的掩膜；去除光刻胶； 

步骤7，离子注入形成欧姆接触区域，降低器件层硅与金属导线层接触面的电阻值； 

步骤8，光刻，湿法腐蚀二氧化硅，作为器件层与金属导线层之间的绝缘层；去除光刻胶； 

步骤9，在SOI硅片器件层硅磁控溅射一层金属膜，作为金属导线层。 

步骤10，光刻，湿法腐蚀金属膜，得到金属导线，去除光刻胶； 

步骤11，热处理，通过欧姆接触窗口形成金属导线层与器件层硅之间的欧姆接触，划片；

步骤12，光刻，ICP刻蚀器件层硅，去除光刻胶，得到悬空硅热敏电阻。 

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明：1.采用硅作为热敏材料，提高热敏电阻的电阻温度系数。2.经本方法可以加工悬空长度达1.3mm的热敏电阻，提高了气流检测的灵敏度、响应时间和以及热敏电阻的成品率，增大了悬空距离，达到毫米量级。3.加工过程中采用先刻蚀出背腔，再刻蚀热敏电阻，因不需要二次保护，简化了工艺步骤，提高了成品率。4.基于标准MEMS工艺加工悬空热敏电阻，易于实 现大批量生产。 

附图说明

图1为本发明提出的硅悬空热敏电阻加工流程图 

图2为实施例步骤3中使用的光刻掩膜版图形示意图 

图3为实施例步骤6中使用的刻掩膜版图形示意图 

图4为实施例步骤8和10中使用的光刻掩膜版图形示意图 

图5为实施例步骤12中使用的光刻掩膜版图形示意图 

图6为实施例中加工出的悬空硅热敏电阻示意图 

图中，1-器件层硅，2-埋氧层，3-基底层，4-AL掩膜，5-二氧化硅，6-硼，7-AL膜 

具体实施方式

参阅图6，本发明中要加工的硅悬空热敏电阻通过其两端的悬臂梁悬置在背腔上，其电信号通过悬臂梁上的金属导线引出；金属导线与硅热敏电阻之间为欧姆接触。该硅悬空热敏电阻的加工方法包括如下步骤： 

步骤1，清洗SOI硅片，去除表面原生氧化层、有机物污染，然后干燥；本实施例中中使用的SOI硅片，器件层硅1厚度为50μm、埋氧层2厚度为1μm、基底层3厚度为400μm，如图1(a)； 

步骤2，以SOI硅片作为基片，在基底层3磁控溅射一层厚为0.15μm的AL掩膜4，作为刻蚀背腔的掩膜，如图1(b)； 

步骤3，旋涂光刻胶BPEPG533，图形化AL掩膜4，所用光刻版图形如图2所示。用磷酸腐蚀液湿法腐蚀AL掩膜4，用丙酮去除光刻胶，如图1(c)； 

所述磷酸腐蚀液为体积比为50:2:10:9的52%H₃PO₄、68%HNO₃、75%CH₃COOH、H₂O形成的混合溶液。 

步骤4，ICP干法刻蚀SOI基底层3至埋氧层2，加工出背腔。用磷酸腐蚀液湿法腐蚀AL掩膜4，如图1(d)； 

步骤5，在SOI硅片器件层硅1热氧化一层厚为0.1μm二氧化硅5作为绝缘层，如图1(e)； 

步骤6，旋涂光刻胶BPEPG533，图形化欧姆接触窗口，所用光刻版图形如图3所示。BOE溶液湿法腐蚀二氧化硅5，开欧姆接触窗口，作为硼离子注入的掩膜。丙酮去除光刻胶，如图1(f)； 

所述BOE溶液为体积比为5:1的40％NH₄F、49%HF形成的混合溶液。 

步骤7，离子注入硼6，降低器件层硅1与金属导线层接触面的电阻值，如图1(g)； 

所述硼离子注入浓度为1.0×10¹⁵cm^-2，在氮气环境下热处理1000℃，1小时。 

步骤8，旋涂光刻胶BPEPG533，图形化二氧化硅5，所用光刻版图形如图4所示。BOE溶液湿法腐蚀二氧化硅5，作为器件层与金属层之间的绝缘层。丙酮去除光刻胶，如图1(h)； 

步骤9，在SOI硅片器件层硅1磁控溅射一层厚为0.15μm的AL膜7，作为金属导线层，如图1(i)。 

步骤10，旋涂光刻胶BPEPG533，图形化AL膜7，所用光刻版图形如图4所示。用磷酸腐蚀液湿法腐蚀铝膜7，丙酮去除光刻胶； 

步骤11，热处理，通过接触窗口形成铝导线层与器件层硅1之间的欧姆接触。划片； 

所述的热处理是在充满氮气环境下进行的，温度为750℃，时间为30min。 

步骤12，SOI硅片正面旋涂光刻胶BPEPG533，图形化热敏电阻，所用光刻版图形如图5所示。ICP刻蚀器件层硅1，丙酮去除光刻胶，得到悬空硅热敏电阻；如图1(k) 

最后形成的悬空硅热敏电阻尺寸为L×W×T：5300μm×4480μm×50μm，悬空长度为1300μm。 

Claims (1)

1.一种悬空硅热敏电阻加工方法，包括以下步骤：

步骤1，清洗SOI硅片，去除表面原生氧化层、有机物污染，然后干燥；

步骤2，以SOI硅片作为基片，在基底层磁控溅射一层ICP刻蚀掩膜，作为刻蚀背腔的掩膜；

步骤3，光刻，湿法腐蚀ICP刻蚀掩膜，得到图形化的刻蚀背腔掩膜，去除光刻胶；

步骤4，ICP刻蚀SOI基底层至埋氧层，加工出背腔；去除ICP刻蚀掩膜；

步骤5，在SOI硅片器件层硅热氧化一层二氧化硅作为绝缘层；

步骤6，光刻，湿法腐蚀二氧化硅，得到欧姆接触窗口，作为离子注入的掩膜；去除光刻胶；

步骤7，离子注入形成欧姆接触区域，降低器件层硅与金属导线层接触面的电阻值；

步骤8，光刻，湿法腐蚀二氧化硅，作为器件层与金属导线层之间的绝缘层；去除光刻胶；

步骤9，在SOI硅片器件层硅磁控溅射一层金属膜，作为金属导线层；

步骤10，光刻，湿法腐蚀金属膜，得到金属导线，去除光刻胶；

步骤11，热处理，通过欧姆接触窗口形成金属导线层与器件层硅之间的欧姆接触，划片；

步骤12，光刻，ICP刻蚀器件层硅，去除光刻胶，得到悬空硅热敏电阻。