CN103274350B - 一种基于Parylene填充的隔热结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于Parylene填充的隔热结构及其制备方法。该隔热结构的制备方法包括：1）在基底硅片上加工结构层，并使结构层与基底硅片之间存在一氧化硅隔层；2）在结构层上粘接玻璃衬片；3）从基底硅片的背面进行减薄，然后在预留的隔热区域内进行深刻蚀，形成均匀排列的柱体；4）在基底硅片背面的隔热区域填充Parylene材料；5）在基底硅片背面光刻形成支撑结构；6）剥离基底硅片正面粘接的玻璃衬片。本发明可以兼容postCMOS工艺，隔热区域的有效热阻高，相对于传统的平行沟槽可以节约版图面积，对围道图形限制少，可以提高隔热性能以及器件的可靠性。

Description

一种基于Parylene填充的隔热结构及其制备方法
技术领域
本发明属于MEMS技术领域，具体涉及一种基于Parylene填充的隔热结构及其制备方法。
背景技术
硅作为MEMS技术常用的基底材料具有很好的导热性。然而，对于气体传感器、流量传感器、热加速度计、红外传感器等基于温度的传感器，聚合酶链式反应（PCR）芯片等生化微反应器，以及热驱动器等和温度高度相关的微器件/微系统，好的热隔离能够显著降低功耗并且提高性能。
热隔离的基本思路为减小传热的截面积或减小材料的热导率。通过绝缘薄膜和空气腔可以大幅度减小传热截面积，实现较好的隔热效果（ChristopherA.Bang,JosephP.Rice,MarkusI.Flik,DavidA.Rudman,andMartinA.SchmidThermalIsolationofHigh-TemperatureSuperconductingThinFilmsUsingSiliconWaferBondingandMicromachining.JOURNALOFMICROELECTROMECHANICALSYSTEMS,VOL.2.NO.4,DECEMBER1993.），但是这种结构十分易碎，难以抵抗在加工或者后续使用过程中引入的应力和冲击。用导热率较低的材料替代硅进行支撑，同样可以得到较低的热导率。传统的气凝胶或多孔硅只在竖直方向实现热隔离（G.Kaltsas,A.G.Nassiopoulou.NovelC-MOScompatiblemonolithicsilicongasflowsensorwithporoussiliconthermalisolation.SensorsandActuators761999133–138.），并且厚度很高的多孔硅或者气凝胶也会影响后续加工。通过刻蚀围道并填充绝热材料的方式，可以实现水平方向的热隔离，并且对器件区域影响较小。其中较为常见的填充材料为Parylene。
选择Parylene有如下的理由：Parylene的热导率非常小，和空气在一个数量级；Parylene的淀积厚度可以很容易地达到十几微米，易于实现微结构；与其他聚合物相比Parylene使用室温CVD（化学气相沉积）制备，保形性好并且与CMOS工艺完全兼容。此外，Parylene有200%的断裂伸长率，可以实现较好的机械强度。
然而目前以Parylene填充为主要隔热方式的结构还存在一些缺点。图1给出了一个典型的加工流程。其中(a)为形成表面电路，(b-c)为从正面刻蚀硅片并进行Parylene填充，(d-f)形成了内部和外部的互连线，(g-h)为从背面再次深刻蚀硅片直至去除隔热区的全部硅片，并且从背面再次填充Parylene。由于受到填充厚度的限制，使得作为填充基底的硅基板占据了相当的比例，而这部分高导热率的硅使得总等效热导率提高。虽然通过再次刻蚀和填充可以避开此问题，但是增加了工艺复杂性，降低了成品率。同时，长的平行深槽，在填充中容易出现空洞，虽然不会影响隔热性能，但是会产生应力集中并且大大提高器件失效的可能性。此外，从正面进行刻蚀和填充会影响正面的有源器件，同时也面临着处理多层金属/介质的困难。而且，在开深槽的隔离区上需要制作热隔离的器件与处理电路之间的电学互连，按照该工艺顺序，只能在做完热隔离之后再制作其上的电学互连，无法得到foundry标准工艺所保证的电学性能。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种新的基于Parylene填充的隔热结构及其制备方法，通过均匀的格点结构，减少硅基体的体积比例，提高等效的热阻率，将空洞限制为点形甚至消灭，从而提高隔热性能以及器件的可靠性。隔热结构采用背面刻蚀和Parylene填充的方法制备，为完全post-CMOS工艺，有源器件与互连（包括热隔离上的电学互连）都可以由foundry标准工艺制作完成，保证了器件的电学性能。此外，围道形状的自由度大大提高，从而更能适应各种需要进行隔热的器件。
具体来说，本发明采用的技术方案如下：
一种基于Parylene填充的隔热结构，包括基底硅片、结构层以及其间的氧化硅隔层，所述基底硅片背面的隔热区域包含若干通过深刻蚀形成的均匀排列的柱体；该均匀排列的柱体之间填充有Parylene材料。
上述基于Parylene填充的隔热结构的制备方法，其步骤包括：
1）在基底硅片上加工结构层（即CMOS电路或者MEMS结构），并使结构层与基底硅片之间存在一氧化硅隔层；
2）在结构层上粘接玻璃衬片；
3）从基底硅片的背面进行减薄，然后在预留的隔热区域内进行深刻蚀，形成均匀排列的柱体；
4）在基底硅片背面的隔热区域填充Parylene材料；
5）在基底硅片背面光刻形成支撑结构；
6）剥离基底硅片正面粘接的玻璃衬片。
进一步地，步骤1）所述结构层为CMOS电路或者MEMS结构。
进一步地，步骤2）使用Waferbound键合剂进行所述粘接。
进一步地，步骤3）所述减薄是将基底硅片减薄至20-100um。
进一步地，所述柱体之间的距离为10-30um。
进一步地，所述柱体为圆柱或棱柱，如四棱柱或六棱柱等。
相对于已有的各种隔热结构而言，本发明的隔热机构及工艺有以下的优点：
1）制备方法为完全post-CMOS工艺，便于CMOS处理电路和热隔离器件的集成，通过背面刻蚀，可以在foundry中完成所有的互连和CMOS电路成分，实现完全post-CMOS加工；
2）隔热区域的有效热阻高，相对于传统的平行沟槽可以节约版图面积，对围道图形限制少；
3）几乎不影响正面结构，在被围道包围的区域内可以进行隔热分割，将加热器和温度传感器进行热隔离，降低加热器对温度传感器直接加热带来的测量误差，进一步提升器件性能。
附图说明
图1是传统的Parylene隔热结构的制备流程图。
图2是本发明的Parylene隔热结构的制备流程图。
图3是本发明的Parylene隔热结构的柱体截面形状示例图。
具体实施方式
下面通过具体实施例并配合附图，对本发明做进一步说明。
实施例1：
1）首先使用通常的方式加工CMOS电路或者MEMS结构，只需确保与基底硅片之间存在一个氧化硅隔层，如图2(a)所示。
该隔层的作用是作为刻蚀的停止层。可以是在制作结构层时形成的，也可以是利用SOI工艺的自然产物。
2）使用WaferBond临时键合剂粘接玻璃衬片以保护硅片不至碎裂，如图2(b)所示。
3）对硅片从背面减薄至50um，在预留的隔热区内，进行深刻蚀，留下基本等距（20um）且均匀排列的柱体，如图2(c)所示。柱体可为圆柱或棱柱，其横截面形状包括但不限于图3a和图3b所示的四边形和六边形结构。
上述对硅片的减薄厚度需要根据机械性能、隔热性能和加工能力进行综合考虑，减薄范围可在20-100um。
可以根据填充Parylene材料的厚度，并兼顾性能和加工速度确定柱体的粗细和其间的距离。其中柱体的大小，由光刻和刻蚀的加工精度带来的柱体大小不一致性所限制，这种不一致性会使得填充的Parylene材料容易形成空隙从而降低机械性能。柱体的间距由Parylene的填充能力决定，如果间隙过大，填充时间会大大增加，不利加工，并且容易产生空洞，一般选择10-30um。
无论那种结构，相对于传统的硅槽，都能在相似的比例下提供更低的应力以及更好的隔热，相对而言，六边形图形可以提供更高的热阻但是在相同间距下会产生更大的应力。
4）在背面填充Parylene材料，由于柱体间距基本相等，隔热区域会基本被填满，如图2(d)所示。
5）在背面旋涂厚的SU8并光刻图形化，形成支撑结构，如图2(e)所示。
这个支撑结构是避免其底面直接与外界低温热沉接触，将导热路径限制于横向。
6）使用丙酮浸泡的方法移除正面所粘接的Waferbond以剥离衬片，如图2(f)所示。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (9)

1.一种基于Parylene填充的隔热结构，其特征在于，包括基底硅片、结构层以及其间的氧化硅隔层，所述基底硅片背面的隔热区域包含若干通过深刻蚀形成的均匀排列的柱体，所述均匀排列的柱体之间填充有连续的Parylene材料。
2.如权利要求1所述的基于Parylene填充的隔热结构，其特征在于，所述结构层为CMOS电路或者MEMS结构。
3.权利要求1所述基于Parylene填充的隔热结构的制备方法，其步骤包括：
1)在基底硅片上加工结构层，并使结构层与基底硅片之间存在一氧化硅隔层；
2)在所述结构层上粘接玻璃衬片；
3)从基底硅片的背面进行减薄，然后在预留的隔热区域内进行深刻蚀，形成均匀排列的柱体；
4)在基底硅片背面的隔热区域填充Parylene材料；
5)在基底硅片背面光刻形成支撑结构；
6)剥离基底硅片正面粘接的玻璃衬片。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1)所述结构层为CMOS电路或者MEMS结构。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2)使用Waferbond键合剂进行所述粘接。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3)所述减薄是将基底硅片减薄至20-100um。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述柱体之间的距离为10-30um。
8.如权利要求3或7所述的方法，其特征在于，所述柱体为圆柱或棱柱。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述柱体为四棱柱或六棱柱。
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