CN104340955A - 微型皮拉尼计的制备方法及其与体硅器件集成加工的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型皮拉尼计的制备方法及其与体硅器件集成加工的方法。集成加工的方法包括：在硅基片正面制备体硅器件所需的绝缘层及电路引线；在硅基片的背面或正面沉积一层绝缘隔热材料，刻蚀去除其四周部分得到绝缘隔热层；在绝缘隔热层上制备加热体和电极；在没有加热体的一面制备图形化的光刻胶掩膜；在有加热体的一面沉积金属膜；将金属膜粘贴在表面有氧化层的硅托片上；对有光刻胶掩膜的一面进行感应耦合等离子体干法刻蚀，刻穿硅基片；去除光刻胶掩膜和金属膜，得到集成结构。本发明能有效提高皮拉尼计的制备与其它工艺的兼容性，解决皮拉尼计与体硅器件集成封装工艺难度大，风险高，成本高且产量低的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于微电子机械系统真空度测量技术领域，更具体地，涉及一种微型皮拉尼计的制备方法及其与体硅器件集成加工的方法。
背景技术
运用体硅加工工艺的微电子机械系统(MEMS)以及各种纳米器件是近几十年发展起来的高新技术领域。这些微米或者纳米级的电子器件极易因空气中的细微颗粒以及腐蚀性气体等破坏性物质造成损坏，因此它们一般需要在一个良好的封装环境中才能正常工作。其中，如高精度加速度计、精密微陀螺仪、高分辨率惯性测量仪器等基于谐振结构的仪器，更是需要采用真空封装的方法来降低部件进行机械运动时的空气阻尼，大幅度提高器件的品质因素，从而达到提高器件性能及可靠性的目的。所以真空封装技术已经成为微米及纳米级电子器件制造中的关键技术之一，并且封装费用占制造成本中的比重也日趋加大。
在完成真空封装后，需要对腔体内的真空度进行检测。目前采用较多的有两种方法：惰性气体(氦气)漏率检测法，以及内置谐振器品质因数检测法。其中，惰性气体检测法的成本较高，需要外部相关设备的支持，且无法实现实时检测，只能通过氦气的漏率估算腔体内部的真空度。内置谐振器品质因数检测法需要较为复杂的外部检测电路，而且通过谐振器件的品质因数进行反算的真空度容易产生较大的误差。
微机械皮拉尼计利用某些金属或者半导体薄膜电阻值随温度敏感变化，根据不同真空度的散热不同的原理，用待测端之间不同的电压值来标定相应的真空度，实现实时检测。随着微机械皮拉尼计被提出，一种全新的手段已经成功应用于微机械系统的真空封装检测中。传统的皮拉尼计技术已经非常成熟，并且已经商业化，但是其尺寸较大，不易集成于MEMS封装腔之内，所以它很难测得封装后腔体内的实时气压。
公开号为CN101256105A的中国专利申请公开了一种单晶硅横向微型MEMS皮拉尼计及其制备方法，该皮拉尼计采用硅作为加热体与散热体，加热体与散热体之间互相咬合。这种设计的总体尺寸较大，而且制作过程中包括了硅片减薄以及阳极键合的过程，加大了工艺的复杂性，也降低了与其它工艺兼容性。
公开号为CN101608962A的中国专利申请公开了一种微型皮拉尼计，这种皮拉尼计利用湿法刻蚀硅基底的方法，形成隔热凹槽，起隔热作用。硅基底的湿法刻蚀速度较低，刻蚀速率一般小于1微米/分钟，若硅片厚度为500μm，整个背部刻蚀过程将在8小时以上，而且刻蚀均匀性较差。碱性溶液从背部刻蚀利用的是各向同性的刻蚀方式，这种方法会使刻蚀面与硅基底表面产生一个54.7度的刻蚀角，因而一个悬空结构往往需要一个比其面积大很多的刻蚀窗口，非常不利于器件的进一步微型化。更重要的是，使用碱性溶液的湿法刻蚀与一些工艺不兼容，为微机械系统的制备与集成带来不可预知的后果。
因此，上述两种微型皮拉尼计的制作方法均不能与基于体硅加工的微电子器件同时进行加工。微型皮拉尼计的制备需要另外完成，然后再通过其他方法将它们集成于封装腔内，这不仅增大了工艺难度和工艺风险，降低了兼容性，而且提高了成本，降低了产量。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微型皮拉尼计的制备方法及其与体硅器件集成加工的方法，其目的在于有效提高皮拉尼计的制备与其它工艺的兼容性，由此解决皮拉尼计与体硅器件(如MEMS器件)集成封装工艺难度大，风险高，成本高且产量低的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种微型皮拉尼计与体硅器件集成加工的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在双面抛光的硅基片正面制备体硅器件所需的绝缘层及电路引线；
(2)在硅基片的背面或正面沉积一层绝缘隔热材料；
(3)对该层绝缘隔热材料进行刻蚀，去除其四周部分，得到微型皮拉尼计的绝缘隔热层；
(4)在绝缘隔热层上制备微型皮拉尼计的加热体和电极；
(5)用双面对准工艺在没有加热体和电极的一面制备图形化的光刻胶掩膜；
(6)在制备有加热体和电极的一面沉积金属膜，使其覆盖绝缘隔热层、加热体、电极和硅基片表面；
(7)用真空油将金属膜粘贴在表面有氧化层的硅托片上；
(8)对制备有光刻胶掩膜的一面进行感应耦合等离子体干法刻蚀，刻穿硅基片，得到微型皮拉尼计的背部空腔和体硅微结构；
(9)去除图形化的光刻胶掩膜和金属膜，得到微型皮拉尼计和体硅器件的集成结构。
优选地，所述绝缘隔热材料为氮化硅，或者为二氧化硅和氮化硅。
优选地，所述加热体和电极由第一金属膜和第二金属膜依次堆叠而成，所述第一金属膜材料为铬，所述第二金属膜材料为金或铂。
优选地，所述第一金属膜和第二金属膜为弯折结构，该弯折结构的两端为电极，电极之间为加热体。
优选地，所述金属膜材料为铝，膜厚为0.5～1.5μm。
优选地，所述硅托片表面氧化层的厚度为3～6μm。
优选地，所述步骤(8)中，感应耦合等离子体干法刻蚀采用分阶段刻蚀的方法，包括多个刻蚀阶段，每个刻蚀阶段均在感应耦合等离子体机内，通过钝化、轰击和刻蚀三个步骤交替循环加工完成；随着刻蚀深度的增加，各刻蚀阶段中轰击步骤的轰击强度逐渐增强。
按照本发明的另一方面，提供了一种微型皮拉尼计的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在双面抛光的硅基片的一面沉积一层绝缘隔热材料；
(2)对该层绝缘隔热材料进行刻蚀，去除其四周部分，得到微型皮拉尼计的绝缘隔热层；
(3)在绝缘隔热层上制备微型皮拉尼计的加热体和电极；
(4)用双面对准工艺在硅基片的另一面制备图形化的光刻胶掩膜；
(5)在制备有加热体和电极的一面沉积金属膜，使其覆盖绝缘隔热层、加热体、电极和硅基片表面；
(6)用真空油将金属膜粘贴在表面有氧化层的硅托片上；
(7)对制备有光刻胶掩膜的一面进行感应耦合等离子体干法刻蚀，刻穿硅基片，得到微型皮拉尼计的背部空腔；
(8)去除图形化的光刻胶掩膜和金属膜，得到微型皮拉尼计。
优选地，所述绝缘隔热材料为氮化硅，或者为二氧化硅和氮化硅。
优选地，所述加热体和电极由第一金属膜和第二金属膜依次堆叠而成，所述第一金属膜材料为铬，所述第二金属膜材料为金或铂；所述第一金属膜和第二金属膜为弯折结构，该弯折结构的两端为电极，电极之间为加热体。
优选地，所述金属膜材料为铝，膜厚为0.5～1.5μm。
优选地，所述硅托片表面氧化层的厚度为3～6μm。
优选地，所述步骤(7)中，感应耦合等离子体干法刻蚀采用分阶段刻蚀的方法，包括多个刻蚀阶段，每个刻蚀阶段均在感应耦合等离子体机内，通过钝化、轰击和刻蚀三个步骤交替循环加工完成；随着刻蚀深度的增加，各刻蚀阶段中轰击步骤的轰击强度逐渐增强。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、将传统微型皮拉尼计中的湿法背部空腔制作改为干法刻蚀，整个制备过程中无需碱性溶液湿法刻蚀以及背部剪薄，使工艺流程与体硅加工工艺更加完美地兼容。
2、干法刻蚀较湿法刻蚀的效率显著提高，当刻蚀窗口线宽大于100微米时，刻蚀速率可大于10微米/分钟，能极大地提高产量。
3、干法刻蚀具有很高的刻蚀选择比及很好的刻蚀均匀性，刻蚀截止层能够很好地阻止反应进一步发生，从而精确地控制刻蚀结果。
4、采用干法刻蚀制得的刻蚀槽侧壁垂直度接近90°，一个悬空结构只需要一个与其结构面积相当的刻蚀窗口，有利于器件的进一步微型化，还可提高集成度，提高产量，降低成本。
5、背部绝热空腔的制备能与体硅器件制备中的硅刻蚀步骤同时进行，使皮拉尼计与体硅器件处于同一硅基底上，极大地降低了后期集成的难度，使皮拉尼计能够很好地与体硅器件实现同时封装。
附图说明
图1是本发明实施例的微型皮拉尼计与体硅器件集成加工的方法流程示意图；
图2是用本发明的方法制得的微型皮拉尼计的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-硅基片，2-绝缘隔热材料，3-绝缘隔热层，4-加热体，5-电极，6-图形化的光刻胶掩膜，7-金属膜，8-硅托片，9-空腔，10-体硅微结构，11-硅基底。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例的微型皮拉尼计与体硅器件集成加工的方法包括如下步骤：
(1)在双面抛光的硅基片1的正面制备体硅器件所需的绝缘层及电路引线(图中未示出)。
(2)在硅基片1的背面或正面沉积一层绝缘隔热材料2。
具体地，绝缘隔热材料为氮化硅，或者二氧化硅和氮化硅。当绝缘隔热材料为二氧化硅和氮化硅时，该层绝缘隔热材料通过先后沉积二氧化硅和氮化硅得到。
(3)对该层绝缘隔热材料2进行刻蚀，去除其四周部分，得到微型皮拉尼计的绝缘隔热层3。
(4)在绝缘隔热层3上制备微型皮拉尼计的加热体和电极。
具体地，加热体和电极由第一金属膜和第二金属膜依次堆叠而成，第一金属膜材料为铬，第二金属膜材料为金或铂。
如图1(d)所示，具体地，第一金属膜和第二金属膜为弯折结构，该弯折结构的两端为电极5，电极5之间为加热体4。
(5)用双面对准工艺在没有加热体和电极的一面制备图形化的光刻胶掩膜6。
具体地，根据硅基片的厚度，按照刻蚀选择比为1:100确定图形化的光刻胶掩膜的厚度。
(6)在制备有加热体和电极的一面沉积金属膜7，使其覆盖绝缘隔热层3、加热体4、电极5和硅基片表面，作为刻蚀截止层，如图1(f)所示。为简单起见，图中忽略金属膜7相对于硅基片1的背面的高度差异，将金属膜7的上表面近似为平整结构示出。
具体地，金属膜材料为铝，金属膜的厚度为0.5～1.5μm。
(7)用真空油将金属膜7粘贴在表面有氧化层的硅托片8上。
优选地，氧化层的厚度为3～6μm。氧化层太薄，容易被完全腐蚀，托片暴露大面积硅所产生的负载效应会导致硅刻蚀效果发生巨大变化，严重影响硅的刻蚀速率；氧化层太厚，由于二氧化硅的导热性差，会导致光刻胶在工艺过程中被烧坏，同时，太厚的氧化层更难获得，也会导致硅片翘曲度增大，增加了导热不均匀性及托片碎裂的风险。
(8)对制备有光刻胶掩膜的一面进行感应耦合等离子体干法刻蚀，刻穿硅基片1，得到微型皮拉尼计的背部空腔9和体硅微结构10，即微型皮拉尼计的背部空腔9和体硅微结构10的加工同时完成。其中，在获得皮拉尼计的背部空腔的过程中，绝缘隔热层也用作刻蚀截止层。
优选地，感应耦合等离子体干法刻蚀采用分阶段刻蚀的方法，包括多个刻蚀阶段，每个刻蚀阶段均在感应耦合等离子体机内，通过钝化、轰击和刻蚀三个步骤交替循环加工完成。随着刻蚀深度的增加，各刻蚀阶段中轰击步骤的轰击强度逐渐增强，能有效提高刻蚀深度和刻蚀槽侧壁的垂直度。例如，感应耦合等离子体干法刻蚀依次包括第一刻蚀阶段和第二刻蚀阶段，第二刻蚀阶段中轰击步骤的轰击强度大于第一刻蚀阶段中轰击步骤的轰击强度。每个刻蚀阶段中，通过钝化、轰击和刻蚀三个步骤的快速切换，减小刻蚀槽侧壁的粗糙度。
(9)去除图形化的光刻胶掩膜6和金属膜7，得到微型皮拉尼计和体硅器件的集成结构。
本发明实施例的微型皮拉尼计的制备方法包括如下步骤：
(1)在双面抛光的硅基片的一面沉积一层绝缘隔热材料。
(2)对该层绝缘隔热材料进行刻蚀，去除其四周部分，得到微型皮拉尼计的绝缘隔热层。
(3)在绝缘隔热层上制备微型皮拉尼计的加热体和电极。
(4)用双面对准工艺在硅基片的另一面制备图形化的光刻胶掩膜。
(5)在制备有加热体和电极的一面沉积金属膜，使其覆盖绝缘隔热层、加热体、电极和硅基片表面。
(6)用真空油将金属膜粘贴在表面有氧化层的硅托片上。
(7)对制备有光刻胶掩膜的一面进行感应耦合等离子体干法刻蚀，刻穿硅基片，得到微型皮拉尼计的背部空腔。
(8)去除图形化的光刻胶掩膜和金属膜，得到微型皮拉尼计。
由此可见，与微型皮拉尼计的制备相比，微型皮拉尼计与体硅器件的集成加工只需在步骤上做出少量调整，因此，本发明的微型皮拉尼计的制备方法与体硅加工工艺能够实现完美地兼容。
在本发明的一个实施例中，按照上述方法制得的微型皮拉尼计的结构如图2所示，硅基底11的背部设有空腔9，空腔9上架有绝缘隔热层3，绝缘隔热层3上设有加热体4和电极5，加热体4为折弯结构，加热体4的两端用作电极5。加热体4和电极5由第一金属膜和第二金属膜依次堆叠而成，第一金属膜材料为铬，第二金属膜材料为金或铂。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例，对本发明的微型皮拉尼计与体硅器件集成加工的方法进行详细说明。
实施例1
微型皮拉尼计与体硅器件集成加工的方法包括如下步骤：
(1)在双面抛光的硅基片正面制备MEMS器件所需的电路引线，硅基片的厚度为500μm。
(2)在硅基片背面沉积一层2μm厚的氮化硅薄膜。
(3)对二氧化硅薄膜进行刻蚀，去除其四周部分，得到微型皮拉尼计的绝缘隔热层。
(4)在绝缘隔热层上制备微型皮拉尼计的加热体和电极。进一步包括如下步骤：
(4-1)在硅基片背面制备图形化的光刻胶掩膜。进一步包括如下步骤：
(4-1-1)热板上烘干水分后匀Az9260光刻胶，转速为1500r/min，光刻胶厚度8μm。
(4-1-2)120℃下前烘3min。
(4-1-3)用激光直写式光刻机进行光刻。
(4-1-4)用体积比为1:4的Az400k显影液与水的混合液显影8分钟，得到图形化的光刻胶掩膜。
(4-2)采用热蒸发的方式先后在硅片背面沉积50nm厚的铬膜和250nm厚的金膜。
(4-3)用丙酮浸泡后再进行超声清洗，剥离图形化的光刻胶，得到由铬和金依次堆叠而成的弯折结构，该弯折结构的两端为电极，电极之间的部分为加热体。
(5)用双面对准工艺在硅基片的正面制备图形化的光刻胶掩膜。进一步包括如下步骤：
(5-1)匀Az9260光刻胶，转速为1500r/min，光刻胶厚度5μm。
(5-2)120℃下前烘3min。
(5-3)用双面对准光刻机进行光刻。
(5-4)用体积比为1:4的Az400k显影液与水的混合液显影8分钟，得到图形化的光刻胶掩膜。
(6)在硅基片背面沉积铝膜，膜厚为0.5μm，使其覆盖绝缘隔热层、加热体、电极和硅基片背面，作为刻蚀截止层。
(7)用真空油将铝膜粘贴在表面有氧化层的硅托片上，硅托片上氧化层的厚度为3μm。
(8)采用英国Oxford公司生产的PlasmaProICP感应耦合等离子体硅刻蚀系统对硅基片正面进行感应耦合等离子体干法刻蚀，刻穿硅基片，得到微型皮拉尼计的背部空腔和MEMS体硅微结构。
(9)用丙酮去除图形化的光刻胶掩膜，用质量分数为4％的氢氧化钠溶液腐蚀去除铝膜，得到微型皮拉尼计和MEMS器件的集成结构。
实施例2
微型皮拉尼计与体硅器件集成加工的方法包括如下步骤：
(1)在双面抛光的硅基片正面制备MEMS器件所需的电路引线，硅基片的厚度为500μm。
(2)在硅基片背面先后沉积一层0.5μm厚的二氧化硅薄膜和1.5μm厚的氮化硅薄膜。
(3)对二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜进行刻蚀，去除其四周部分，得到微型皮拉尼计的绝缘隔热层。
(4)在绝缘隔热层上制备微型皮拉尼计的加热体和电极。进一步包括如下步骤：
(4-1)采用热蒸发的方式先后在硅片背面沉积50nm厚的铬膜和250nm厚的铂膜。
(4-2)在铂膜上制备图形化的光刻胶掩膜。
(4-3)湿法刻蚀去除多余的铬和铂，剥离光刻胶掩膜，得到由铬和铂依次堆叠而成的弯折结构，该弯折结构的两端为电极，电极之间的部分为加热体。
(5)用双面对准工艺在硅基片的正面制备图形化的光刻胶掩膜。进一步包括如下步骤：
(5-1)匀Az9260光刻胶，转速为1500r/min，光刻胶厚度5μm。
(5-2)120℃下前烘3min。
(5-3)用双面对准光刻机进行光刻。
(5-4)用体积比为1:4的Az400k显影液与水的混合液显影8分钟，得到图形化的光刻胶掩膜。
(6)采用直流磁控溅射在硅基片背面镀铝膜，膜厚为1.5μm，使其覆盖绝缘隔热层、加热体、电极和硅基片背面，作为刻蚀截止层。
(7)用真空油将铝膜粘贴在表面有氧化层的硅托片上，硅托片上氧化层的厚度为6μm。
(8)采用英国Oxford公司生产的PlasmaProICP感应耦合等离子体硅刻蚀系统对硅基片正面进行感应耦合等离子体干法刻蚀，刻穿硅基片，得到微型皮拉尼计的背部空腔和MEMS体硅微结构。
(9)用去胶机去除图形化的光刻胶掩膜，用质量分数为10％的盐酸腐蚀去除铝膜，得到微型皮拉尼计和MEMS器件的集成结构。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微型皮拉尼计与体硅器件集成加工的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在双面抛光的硅基片正面制备体硅器件所需的绝缘层及电路引线；
(2)在硅基片的背面或正面沉积一层绝缘隔热材料；
(3)对该层绝缘隔热材料进行刻蚀，去除其四周部分，得到微型皮拉尼计的绝缘隔热层；
(4)在绝缘隔热层上制备微型皮拉尼计的加热体和电极；
(5)用双面对准工艺在没有加热体和电极的一面制备图形化的光刻胶掩膜；
(6)在制备有加热体和电极的一面沉积金属膜，使其覆盖绝缘隔热层、加热体、电极和硅基片表面；
(7)用真空油将金属膜粘贴在表面有氧化层的硅托片上；
(8)对制备有光刻胶掩膜的一面进行感应耦合等离子体干法刻蚀，刻穿硅基片，得到微型皮拉尼计的背部空腔和体硅微结构；
(9)去除图形化的光刻胶掩膜和金属膜，得到微型皮拉尼计和体硅器件的集成结构。
2.如权利要求1所述的微型皮拉尼计与体硅器件集成加工的方法，其特征在于，所述绝缘隔热材料为氮化硅，或者为二氧化硅和氮化硅。
3.如权利要求1或2所述的微型皮拉尼计与体硅器件集成加工的方法，其特征在于，所述加热体和电极由第一金属膜和第二金属膜依次堆叠而成，所述第一金属膜材料为铬，所述第二金属膜材料为金或铂。
4.如权利要求3所述的微型皮拉尼计与体硅器件集成加工的方法，其特征在于，所述第一金属膜和第二金属膜为弯折结构，该弯折结构的两端为电极，电极之间为加热体。
5.如权利要求1所述的微型皮拉尼计与体硅器件集成加工的方法，其特征在于，所述金属膜材料为铝，膜厚为0.5～1.5μm。
6.如权利要求1所述的微型皮拉尼计与体硅器件集成加工的方法，其特征在于，所述硅托片表面氧化层的厚度为3～6μm。
7.如权利要求1所述的微型皮拉尼计与体硅器件集成加工的方法，其特征在于，所述步骤(8)中，感应耦合等离子体干法刻蚀采用分阶段刻蚀的方法，包括多个刻蚀阶段，每个刻蚀阶段均在感应耦合等离子体机内，通过钝化、轰击和刻蚀三个步骤交替循环加工完成；随着刻蚀深度的增加，各刻蚀阶段中轰击步骤的轰击强度逐渐增强。
8.一种微型皮拉尼计的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在双面抛光的硅基片的一面沉积一层绝缘隔热材料；
(2)对该层绝缘隔热材料进行刻蚀，去除其四周部分，得到微型皮拉尼计的绝缘隔热层；
(3)在绝缘隔热层上制备微型皮拉尼计的加热体和电极；
(4)用双面对准工艺在硅基片的另一面制备图形化的光刻胶掩膜；
(5)在制备有加热体和电极的一面沉积金属膜，使其覆盖绝缘隔热层、加热体、电极和硅基片表面；
(6)用真空油将金属膜粘贴在表面有氧化层的硅托片上；
(7)对制备有光刻胶掩膜的一面进行感应耦合等离子体干法刻蚀，刻穿硅基片，得到微型皮拉尼计的背部空腔；
(8)去除图形化的光刻胶掩膜和金属膜，得到微型皮拉尼计。
9.如权利要求8所述的微型皮拉尼计的制备方法，其特征在于，所述加热体和电极由第一金属膜和第二金属膜依次堆叠而成，所述第一金属膜材料为铬，所述第二金属膜材料为金或铂；所述第一金属膜和第二金属膜为弯折结构，该弯折结构的两端为电极，电极之间为加热体。
10.如权利要求8或9所述的微型皮拉尼计的制备方法，其特征在于，所述步骤(7)中，感应耦合等离子体干法刻蚀采用分阶段刻蚀的方法，包括多个刻蚀阶段，每个刻蚀阶段均在感应耦合等离子体机内，通过钝化、轰击和刻蚀三个步骤交替循环加工完成；随着刻蚀深度的增加，各刻蚀阶段中轰击步骤的轰击强度逐渐增强。
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