CN102831999B - 一种悬空热敏薄膜电阻的加工方法 - Google Patents

一种悬空热敏薄膜电阻的加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种悬空热敏薄膜电阻的加工方法，属于微机电系统技术领域。该方法以普通硅片作为基片，生长底层SiO2膜或Si3N4膜；溅射热敏元件薄膜和金属电连接膜后，通过在正反面的特定位置、形状和深度的刻蚀，得到以SiO2膜或Si3N4膜为隔热层的悬空热敏薄膜电阻。本发明的如下有益效果：1.相对于直线式热敏丝，采用折叠梁式热敏电阻，可以提高了热敏丝的灵敏度。2.相对于全悬空热敏丝，采用间隔式悬空热敏丝，可以提高热敏丝的稳定性、抗弯曲性。3.相比于聚酰亚胺做热敏电阻隔热层，SiO2膜或Si3N4膜做隔热层在热处理时可以加温至800度以上，更加有效的改善镍的结晶结构；4.基于标准MEMS工艺加工悬空铂热敏电阻，易于实现大批量生产。

Description

一种悬空热敏薄膜电阻的加工方法
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，具体涉及一种悬空热敏薄膜电阻加工方法。
背景技术
MEMS加工制造的热敏薄膜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。热敏薄膜电阻制作在以SiO2膜或Si3N4膜为隔热层上，相对于制作在以聚酰亚胺为隔热层上，具有热处理温度高的特点，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反应速率以及耐抗性等，而现阶段热敏传感器具有反应速度慢、耐抗性差等特点。
针对气体流场动态测量的要求，现阶段热敏薄膜电阻大多不能满足要求，如论文“AeroMEMS Wall Hot-Wire Anemometer on Polyimide Foil for Measurement of High Frequency Fluctuations”介绍了一种在聚酰亚胺衬底上制作悬空温度传感器的方法。制作出的热敏传感器具有全部悬空于空气中，且采用直线式。此热敏传感器具有缺点是：1.采用直线式悬空热敏丝，易弯曲断裂，影响性能。2.采用聚酰亚胺作隔热层，热处理式温度不能过高，影响热敏电阻的结晶结构。
针对上述缺点，本发明专利采用标准MEMS加工工艺，以SiO2膜或Si3N4膜为隔热层的悬空热敏薄膜电阻制作方法，其优点为：1.相对于直线式热敏丝，采用折叠梁式热敏电阻，可以提高了热敏丝的灵敏度。2.相对于全悬空热敏丝，采用间隔式悬空热敏丝，可以提高热敏丝的稳定性、抗弯曲性。3.相比于聚酰亚胺做热敏电阻隔热层，SiO2膜或Si3N4膜做隔热层在热处理时可以加温至800度以上，更加有效的改善热敏元件的结晶结构；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。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种基于MEMS工艺的悬空热敏电阻加工方法，经本方法可以加工以SiO2膜或Si3N4膜为衬底的热敏电阻，可以有效降低由于衬底传热而引起的热效应。
本发明的技术方案是，一种悬空热敏薄膜电阻的加工方法，包括以下步骤：
步骤1：清洗普通硅片，去除表面原生氧化层、有机物污染，然后干燥；
步骤2：以普通硅片作为基片，在硅片的抛光面生长底层SiO2膜或Si3N4膜，用于热敏元件与普通硅片衬底的热隔离；
步骤3：在SiO2膜或Si3N4膜表面上溅射热敏元件薄膜；
步骤4：在热敏元件薄膜表面上溅射金属电连接膜。所述金属电连接膜电阻率ρ1与热敏元件电阻率ρ2应满足：
步骤5：旋涂光刻胶，对金属电连接膜进行光刻、显影，湿法腐蚀金属电连接膜，形成金属电连接锚点；
所述的金属电连接锚点用于电连接微电极与外界电路。
步骤6：旋涂光刻胶，对热敏元件薄膜进行光刻、显影，湿法腐蚀热敏元件薄膜，去除光刻胶形成热丝薄膜电阻；
步骤7：在普通硅片背面溅射金属阻挡膜；
步骤8：正面、背面旋涂光刻胶，对背面金属阻挡膜进行光刻、显影，湿法腐蚀金属阻挡膜，形成金属阻挡层，去除正面、背面光刻胶；
背面的所述金属阻挡层用于后续ICP干法刻蚀中作保护膜。
步骤9：背面ICP干法刻蚀，刻穿普通硅片到SiO2膜或Si3N4膜层；
步骤10：正面旋涂光刻胶，湿法腐蚀背面金属阻挡层至普通硅片，去除光刻胶；为了改善结晶结构，进行热处理；划片，得到以SiO2或Si3N4膜为隔热层的悬空热敏 薄膜电阻。
与现有技术相比，本发明的如下有益效果：1.相对于直线式热敏丝，采用折叠梁式热敏电阻，可以提高了热敏丝的灵敏度。2.相对于全悬空热敏丝，采用间隔式悬空热敏丝，可以提高热敏丝的稳定性、抗弯曲性。3.相比于聚酰亚胺做热敏电阻隔热层，SiO2膜或Si3N4膜做隔热层在热处理时可以加温至800度以上，更加有效的改善镍的结晶结构；4.基于标准MEMS工艺加工悬空铂热敏电阻，易于实现大批量生产。
附图说明
图1为本发明悬空热敏薄膜电阻流程图
图2为实施例中第一Al膜4光刻掩膜版图形示意图
图3为实施例中Pt膜3光刻掩膜版图形示意图
图4为实施例中第二Al膜5光刻掩膜版图形示意图
图5为实施例中Pt热敏电阻示意图，图5-a为正面，图5-b为反面
图中，1-普通硅片，2-Si02膜，3-Pt膜，4-第一Al膜，5-第二Al膜
实施实例
实例
本实例提出基于MEMS技术的以Si02为隔热层得悬空铂热敏薄膜电阻加工方法，具体步骤包括如下：
步骤1：清洗普通硅片1，普通硅片1厚度为100um，去除表面原生氧化层、有机物污染，然后干燥，如图1(a)；
步骤2：以普通硅片1作为基片，采用化学气相淀积方法在硅片的抛光面生长厚度为1um的SiO2膜2，用于Pt膜3与普通硅片1的热隔离，如图1(b)；
所述的化学气相淀积方法包括：等离子化学气相淀积方法和低压化学气相淀积方法，本实施例中采用的是等离子化学气相淀积方法。
步骤3：在SiO2膜2表面上溅射厚度为1um的Pt膜3，如图1(c)；
所述的溅射是指磁控溅射方法。
步骤4：在Pt膜3表面上溅射厚度为1um的Al膜4，如图1(d)；
所述的溅射是指磁控溅射方法。
步骤5：旋涂光刻胶BPEPG533，对第一Al膜4进行光刻、显影，所用光刻版图像如图2，用磷酸湿法腐蚀第一Al膜4，用丙酮去除光刻胶，形成第一Al膜4锚点，如图1(e)；
所述磷酸湿法腐蚀液为体积比为50:2:10:9的52％H3PO4、68％HNO3、75％CH3COOH、H2O形成的混合溶液。
所述光刻是指紫外光刻，所述的第一Al膜4锚点用于电连接微电极与外界电路。
步骤6：旋涂光刻胶BPEPG533，对Pt膜3进行光刻、显影，所用光刻版图像如图3，用王水并在温度保持为300C下对Pt膜3进行腐蚀，用丙酮去除光刻胶，形成Pt丝3热敏电阻，如图1(f)，其尺寸长×宽为600um×400um；
所述王水为体积比为3:1:2的40％HF、68％HNO3、H2O形成的混合溶液。
所述光刻是指紫外光刻。
步骤7：在普通硅片1背面溅射厚度为1um的第二Al膜5，如图1(g)；
步骤8：正面、背面旋涂光刻胶，对背面第二Al膜5进行光刻、显影，所用光刻版图像如图4，用磷酸湿法腐蚀第二Al膜5，形成第二Al膜5阻挡膜，用丙酮去除正面、背面光刻胶，如图1(h)；
所述磷酸湿法腐蚀液为体积比为50:2:10:9的52％H3PO4、68％HNO3、75％CH3COOH、H2O形成的混合溶液。
所述光刻是指紫外光刻。
所述第二Al膜5阻挡膜用于后续ICP干法刻蚀中作保护膜。
步骤9：背面ICP干法刻蚀，刻穿普通硅片1到SiO2膜2，如图1(i)；
所述ICP干法刻蚀为感应耦合等离子体刻蚀技术。
步骤10：正面旋涂光刻胶BPEPG533，用磷酸湿法腐蚀背面第二Al膜5至普通硅片，用丙酮去除正面光刻胶，如图1(j)。在温度为600度存氮气中进行热处理，改善结晶结构，保温时间为7小时，划片，得到以SiO2为隔热层的悬空Pt热敏电阻，如图5所示，图5-a为正面，图5-b为反面；
所述磷酸湿法腐蚀液为体积比为50:2:10:9的52％H3PO4、68％HNO3、75％CH3COOH、H2O形成的混合溶液。
其尺寸为：长×宽×高：600um×400um×104um。

Claims (2)

1.一种悬空热敏薄膜电阻的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：清洗普通硅片，去除表面原生氧化层、有机物污染，然后干燥；
步骤2：以普通硅片作为基片，在硅片的抛光面生长底层SiO2膜或Si3N4膜；
步骤3：在SiO2膜或Si3N4膜表面上溅射热敏元件薄膜；
步骤4：在热敏元件薄膜表面上溅射金属电连接膜，所述金属电连接膜电阻率ρ1与热敏元件电阻率ρ2满足：
步骤5：旋涂光刻胶，对金属电连接膜进行光刻、显影，湿法腐蚀金属电连接膜，形成金属电连接锚点；
步骤6：旋涂光刻胶，对热敏元件薄膜进行光刻、显影，湿法腐蚀热敏元件薄膜，去除光刻胶形成热敏薄膜电阻；
步骤7：在普通硅片背面溅射金属阻挡膜；
步骤8：正面、背面旋涂光刻胶，对背面金属阻挡膜进行光刻、显影，湿法腐蚀金属阻挡膜，形成金属阻挡层，去除正面、背面光刻胶；
步骤9：以步骤8形成的金属阻挡层作保护膜，背面ICP干法刻蚀，刻穿普通硅片到SiO2膜或Si3N4膜层；
步骤10：正面旋涂光刻胶，湿法腐蚀背面金属阻挡层至普通硅片，去除光刻胶；划片，得到以SiO2或Si3N4膜为隔热层的悬空热敏薄膜电阻。
2.一种如权利要求1所述的悬空热敏薄膜电阻的加工方法，其特征在于，所述步骤10中，在划片前对悬空热敏薄膜电阻进行热处理。
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