CN111579012A - Mems热式流量传感器及其制作方法 - Google Patents

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thermal flow
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肖素艳
胡维
张永强
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Abstract

本发明提供一种MEMS热式流量传感器及其制作方法，所述制作方法包括如下步骤：提供半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面及第二表面；在所述半导体衬底的第一表面上形成第一介质层；在所述第一介质层上形成图案化的热敏电阻层；形成第二介质层，所述第二介质层覆盖所述热敏电阻层及所述第一介质层，所述第二介质层与所述第一介质层的厚度相同，且所述第二介质层与所述第一介质层形成方法及材料均相同；在所述第二介质层上形成保护层；去除部分保护层及第二介质层，暴露出所述热敏电阻层的焊盘；在所述焊盘上形成导电连接件；自所述半导体衬底的第二表面开窗，形成热隔离腔。本发明优点是工艺简单、成本低、可靠性高。

Description

MEMS热式流量传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及MEMS微机械系统领域，尤其涉及一种MEMS热式流量传感器及其制作方法。
背景技术
流量测量在工业、医疗、汽车等领域有着广泛的应用。流量传感器种类繁多，其中MEMS流量传感器是基于热传导原理的热式流量测量，其因测量过程中无需进行温度和压力补偿而具有广泛的应用。MEMS热式流量传感器有两种典型的结构，一种结构是正面刻蚀硅基底形成隔热腔体的悬臂梁结构，这种结构制作工艺简单，结构稳定，灵敏度高，但因传感器结构表面容易被污染而只能应用于干净气体流量测量；另一种结构是硅衬底背面刻蚀形成热隔离腔体的悬空薄膜结构，这种悬空薄膜传感器结构相对悬臂梁结构耐污染性更好，应用范围更广泛，但制作工艺相对复杂，如果传感器结构层薄膜应力控制不好，传感器的稳定性和可靠性难以保证，传感器性能不稳定，而且悬空薄膜容易破裂，进一步影响传感器的可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种MEMS热式流量传感器及其制作方法，其能够具有工艺简单、成本低、可靠性高的优点。
为了解决上述问题，本发明提供了一种MEMS热式流量传感器的制作方法，其包括如下步骤：提供半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面及第二表面；在所述半导体衬底的第一表面上形成第一介质层；在所述第一介质层上形成图案化的热敏电阻层；形成第二介质层，所述第二介质层覆盖所述热敏电阻层及所述第一介质层，所述第二介质层与所述第一介质层的厚度相同，且所述第二介质层与所述第一介质层形成方法及材料均相同；在所述第二介质层上形成保护层；去除部分保护层及第二介质层，暴露出所述热敏电阻层的焊盘；在所述焊盘上形成导电连接件；自所述半导体衬底的第二表面开窗，形成热隔离腔。
进一步，在所述半导体衬底的第一表面上形成第一介质层的步骤之前还包括如下步骤：在所述半导体衬底的第一表面形成支撑层，所述第一介质层形成在所述支撑层上。
进一步，在所述半导体衬底的第一表面形成支撑层的步骤进一步包括如下步骤：在所述半导体衬底的表面依次形成二氧化硅层及氮化硅层，所述二氧化硅层及氮化硅层作为所述支撑层。
进一步，在自所述半导体衬底的第二表面开窗，形成热隔离腔的步骤中，所述热隔离腔暴露出所述支撑层。
进一步，所述第一介质层及所述第二介质层的形成方法为化学气相沉积。
进一步，在提供半导体衬底的步骤之后，还包括对所述半导体衬底进行清洗的步骤。
进一步，在提供半导体衬底的步骤之后，还包括对所述半导体衬底进行单面或者双面抛光的步骤。
为了解决上述技术问题，本发明还提供一种MEMS热式流量传感器，其包括：半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面及第二表面；热敏层，设置在所述半导体衬底的第一表面，所述热敏层包括依次设置的第一介质层、图案化的热敏电阻层及第二介质层，所述第一介质层与所述第二介质层的厚度相同，且所述第一介质层与所述第二介质层的形成方法及材料均相同；保护层，覆盖所述热敏层；导电连接件，贯穿所述保护层及第二介质层，并与所述热敏电阻层的焊盘电连接；热隔离腔，自所述半导体衬底的第二表面向所述第一表面延伸。
进一步，还包括支撑层，所述支撑层设置在所述半导体衬底与所述热敏层之间。
进一步，所述热隔离腔贯穿所述半导体衬底，并暴露出所述支撑层。
进一步，所述支撑层、热敏层及保护层的总厚度的范围是50～300nm。
进一步，所述支撑层为二氧化硅层或氮化硅层或二氧化硅层与氮化硅层的复合层。
进一步，所述第一介质层及所述第二介质层均为二氧化硅层。
进一步，所述热敏电阻层为金属热敏电阻层或半导体热敏层。
进一步，所述金属热敏电阻层为正温度系数金属电阻层。
进一步，所述正温度系数金属电阻层为多层结构，所述多层结构选自Ti/Pt复合层、Cr/Pt复合层、Ti/W复合层、Ti/Cr复合层、W/Ti/Pt复合层、Cr/Au复合层、Ni/Pt复合层或Ti/Au/Cr复合层中的至少一种。
进一步，所述半导体热敏层为正温度系数热敏层或负温度系数热敏层。
进一步，其中，所述正温度系数热敏层为多晶硅薄膜，所述负温度系数热敏层为锗薄膜。
本发明MEMS热式流量传感器及其制作方法的优点在于，热敏电阻层的上层(即第一介质层)及下层(即第二介质层)采用相同的形成方法及材料，且厚度均相同，能够降低MEMS热式流量传感器各层之间的应力梯度，减小热敏电阻层的应力，提高热敏电阻层的机械强度，进而降低整个MEMS热式流量传感器的应力，提高其机械强度，从而提高MEMS热式流量传感器的稳定性和可靠性，且本发明制作方法工艺简单，大大节约了成本。
附图说明
图1是本发明MEMS热式流量传感器制作方法的一具体实施方式的步骤示意图；
图2A～图2J是本发明MEMS热式流量传感器制作方法的一具体实施方式的工艺流程图；
图3是本发明MEMS热式流量传感器的第一具体实施方式的结构示意图；
图4是本发明MEMS热式流量传感器的第二具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的MEMS热式流量传感器及其制作方法的具体实施方式做详细说明。
图1是本发明MEMS热式流量传感器制作方法的一具体实施方式的步骤示意图。请参阅图1，所述制作方法包括如下步骤：步骤S10，提供半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面及第二表面；步骤S11，在所述半导体衬底的第一表面形成支撑层；步骤S12，在所述支撑层上形成第一介质层；步骤S13，在所述第一介质层上形成图案化的热敏电阻层；步骤S14，形成第二介质层，所述第二介质层覆盖所述热敏电阻层及所述第一介质层，所述第二介质层与所述第一介质层的厚度相同，且所述第二介质层与所述第一介质层形成方法及材料均相同；步骤S15，在所述第二介质层上形成保护层；步骤S16，去除部分保护层及第二介质层，暴露出所述热敏电阻层的焊盘；步骤S17，在所述焊盘上形成导电连接件；步骤S18，自所述半导体衬底的第二表面开窗，形成热隔离腔。
图2A～图2J是本发明MEMS热式流量传感器制作方法的一具体实施方式的工艺流程图。
请参阅步骤S10及图2A，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200具有第一表面200A及第二表面200B。
所述半导体衬底200包括但不限于硅、锗等适用于热式流量传感器的衬底。所述半导体衬底200作为所述MEMS热式流量传感器的支撑结构。所述第一表面200A与所述第二表面200B相对设置。在本具体实施方式中，所述第一表面200A为上表面，所述第二表面200B为下表面。
进一步，在步骤S10之后还包括一抛光的步骤。具体地说，采用化学机械抛光工艺对所述半导体衬底的第一表面200A及第二表面200B进行抛光，以使所述第一表面200A及第二表面200B平坦化。在本发明另一具体实施方式中，可对所述半导体衬底200进行单面抛光，例如，仅对第一表面200A进行化学机械抛光，以使所述第一表面200A平坦化。
进一步，在本具体实施方式中，在抛光步骤之后还包括对半导体衬底200进行清洗的步骤，以为后续工艺提供洁净的表面。
请参阅步骤S11及图2B，在所述半导体衬底200的第一表面200A形成支撑层210。在后续形成热隔离腔270(请参阅图2I及图2J)后，所述支撑层210可用于支撑热敏电阻层230(请参阅图2D)。
其中，所述支撑层210可为单层结构，例如，二氧化硅层或者氮化硅层的单层结构；所述支撑层210也可为复合层结构，例如，二氧化硅层或者氮化硅层交替排列形成的多层复合结构。在本具体实施方式中，所述支撑层210为两层复合层结构，其由二氧化硅层211及氮化硅层212组成。在本具体实施方式中，形成所述支撑层210的方法为：在所述半导体衬底200上采用热氧化工艺生成二氧化硅层211；在所述二氧化硅层211上采用化学气相沉积工艺形成氮化硅层212。
步骤S11为可选步骤，在其他具体实施方式中，在执行步骤S10后可直接执行步骤S12。
请参阅步骤S12及图2C，在所述支撑层210上形成第一介质层220。
在本具体实施方式中，在所述半导体衬底200上形成有支撑层210，所以，所述第一介质层220形成在所述支撑层210上，在本发明其他具体实施方式中，若在所述半导体衬底200上没有形成支撑层210，则所述第一介质层220直接形成在所述半导体衬底200上。
其中，在本具体实施方式中采用化学气相沉积工艺形成所述第一介质层220，所述第一介质层220包括但不限于二氧化硅层。
请参阅步骤S13及图2D，在所述第一介质层220上形成图案化的热敏电阻层230。
所述热敏电阻层230可为金属热敏电阻层和半导体热敏层。金属热敏电阻层可包括正温度系数金属电阻层，所述正温度系数金属电阻层可为单层结构，也可为多层结构，其包括但不限于Ti/Pt，Cr/Pt，Ti/W，Ti/Cr，W/Ti/Pt，Cr/Au，Ni/Pt，Ti/Au/Cr。半导体热敏层可为正温度系数热敏层，也可为负温度系数热敏层，其中，正温度系数热敏层包括但不限于多晶硅薄膜，负温度系数热敏层包括不限于锗薄膜。
在本具体实施方式中，在所述第一介质层220上形成图案化的热敏电阻层230的方法包括如下步骤：在所述第一介质层220上覆盖材料层；对所述材料层实施图案化处理，形成条形图案组成的热敏电阻层230。其中，可采用剥离工艺和离子束刻蚀工艺图案化所述材料层。
所述热敏电阻层230用于形成所述MEMS热式流量传感器中的加热元件、测温元件和测环境温度元件等结构。
请参阅步骤S14及图2E，形成第二介质层240，所述第二介质层240覆盖所述热敏电阻层230及所述第一介质层220，所述第二介质层240与所述第一介质层220的厚度相同，且所述第二介质层240与所述第一介质层220形成方法及材料均相同。
其中，在本具体实施方式中，在步骤S12中采用化学气相沉积的方法形成所述第一介质层220，所述第一介质层220位二氧化硅层，则在步骤S14中也采用化学气相沉积的方法形成所述第二介质层240，所述第二介质层240也为二氧化硅层，且所述第二介质层240的沉积厚度与所述第一介质层220的沉积厚度相同。
在本发明的中，热敏电阻层230下层的第一介质层220及上层的第二介质层240采用完全相同的材料、厚度和沉积方法能够降低MEMS热式流量传感器各层之间的应力梯度，减小热敏电阻层230的应力，提高热敏电阻层230的机械强度，进而降低整个MEMS热式流量传感器的应力，提高其机械强度，从而提高MEMS热式流量传感器的稳定性和可靠性。
请参阅步骤S15及图2F，在所述第二介质层240上形成保护层250。所述保护层250用于将所述第二介质层240、热敏电阻层230等结构与外界环境隔离，避免外界环境将其污染。所述保护层250可以采用化学气相沉积工艺形成低应力的氮化硅或二氧化硅或二氧化硅与氮化硅的组合层。
进一步，在步骤S15中，可控制形成的保护层150的厚度，以使得所述半导体衬底200上的各层的总厚度在50nm～300nm范围内，同时也可控制各步骤的沉积薄膜工艺，使得所述半导体衬底200上的各层的总拉应力控制在200MPa以内。
请参阅步骤S16及图2G，去除部分保护层250及第二介质层240，暴露出所述热敏电阻层230的焊盘231。在该步骤中，可在所述热敏电阻层230的焊盘231的对应位置依次刻蚀所述保护层250及第二介质层240，从而暴露出所述焊盘231。所述焊盘231作为所述热敏电阻层230与外界的电连接处。
请参阅步骤S17及图2H，在所述焊盘231上形成导电连接件260。所述导电连接件260用于将所述焊盘231与外界电连接，其包括但不限于金属导电连接件，例如，金属铝导电连接件。
在该步骤中，可先在所述保护层250及所述焊盘231上沉积金属层，在采用光刻及刻蚀的方法图案化所述金属层，从而形成与所述焊盘231电连接的导电连接件260。在本发明其他具体实施方式中，也可采用其他方法形成所述导电连接件，例如蒸镀。
请参阅步骤S18、图2G及图2I，自所述半导体衬底200的第二表面200B开窗，形成热隔离腔270，以提高MEMS热式流量传感器的热交换效率，进而提高MEMS热式流量传感器的灵敏度。
在本具体实施方式中，采用刻蚀的自所述半导体衬底的第二表面刻蚀所述半导体衬底200，并以所述支撑层210作为刻蚀停止层，形成贯穿所述半导体衬底200的热隔离腔270，所述热隔离腔270暴露出所述支撑层210。在本发明其他具体实施方式中，若不设置所述支撑层，则所述热隔离腔270可不贯穿所述半导体衬底200，而是仅去除部分半导体衬底200形成所述热隔离腔270。
进一步，刻蚀所述半导体衬底方法可为湿法刻蚀或者干法刻蚀。其中，图2G所示为采用湿法刻蚀获得的结构，图2H为采用干法刻蚀获得的结构；从图2G可以看出，由于湿法刻蚀的各向同性的特点，其刻蚀后获得的热隔离腔270的图形不规则，尺寸较大，但是湿法刻蚀速度快，效率高；从图2H可以看出，由于干法刻蚀的各向异性的特点，其能够形成规则的符合要求的刻蚀图形，且图形尺寸较小，能减小器件有效尺寸，但是其效率低。
在本发明MEMS热式流量传感器的制作方法中，热敏电阻层230的上层(即第一介质层)及下层(即第二介质层)采用相同的形成方法及材料，且厚度均相同，能够降低MEMS热式流量传感器各层之间的应力梯度，减小热敏电阻层230的应力，提高热敏电阻层230的机械强度，进而降低整个MEMS热式流量传感器的应力，提高其机械强度，从而提高MEMS热式流量传感器的稳定性和可靠性。
本发明还提供一种采用上述方法制作的MEMS热式流量传感器。图3是本发明MEMS热式流量传感器的第一具体实施方式的结构示意图，请参阅图3，所述MEMS热式流量传感器包括半导体衬底300、热敏层310、保护层320、导电连接件330及热隔离腔340。
所述半导体衬底300用于支撑所述热敏层310。所述半导体衬底300具有第一表面300A及第二表面300B。所述第一表面300A与所述第二表面300B相对设置。
所述热敏层310设置在所述半导体衬底300的第一表面300A。所述热敏层310包括依次设置的第一介质层311、热敏电阻层312及第二介质层313，即所述热敏电阻层312设置在所述第一介质层311及第二介质层313之间。在本具体实施方式中，所述热敏电阻层312包括多个条形电阻，其可作为加热电阻或测温电阻。所述第一介质层311与所述第二介质层313的厚度相同，且所述第一介质层311与所述第二介质层313的形成方法及材料均相同。例如，所述第一介质层311及所述第二介质层313为采用相同沉积方法形成的厚度相同的二氧化硅层。
所述保护层320覆盖所述热敏层310，以将所述热敏层310与外界环境隔离，避免所述热敏层310被污染。具体地说，在本具体实施方式中，所述保护层320覆盖所述第二介质层313上。进一步，所述保护层320可为氮化硅层或二氧化硅层或二氧化硅与氮化硅的组合层。
所述导电连接件330贯穿所述保护层320及第二介质层313，并与所述热敏电阻层312的焊盘3121电连接。所述导电连接件330用于将所述热敏电阻层312与外界电连接，进而实现所述热敏电阻层312的功能。所述导电连接件330包括但不限于金属导电连接件。
所述热隔离腔340自所述半导体衬底300的第二表面300B向所述第一表面300A延伸。所述热隔离腔340用于提高MEMS热式流量传感器的热交换效率，进而提高MEMS热式流量传感器的灵敏度。进一步，在本具体实施方式中，采用湿法刻蚀的方法形成所述热隔离腔，所述热隔离腔340的截面为梯形。
在本具体实施方式中，所述热隔离腔340并未贯穿所述半导体衬底300。而在本发明第二具体实施方式中，，所述热隔离腔340贯穿所述半导体衬底300。具体地说，图4是本发明MEMS热式流量传感器的第二具体实施方式的结构示意图，请参阅图4，在第二具体实施方式中，所述MEMS热式流量传感器还包括支撑层350。所述支撑层350设置在所述半导体衬底300与所述热敏层310之间，所述热隔离腔340贯穿所述半导体衬底300，并暴露出所述支撑层350。
其中，所述支撑层350可为单层结构，例如，二氧化硅层或者氮化硅层的单层结构；所述支撑层350也可为复合层结构，例如，二氧化硅层或者氮化硅层交替排列形成的多层复合结构。
进一步，在本具体实施方式中，所述支撑层350、热敏层310及保护层320的总厚度的范围是50nm～300nm，压应力在200MPa以内，MEMS热式流量传感器具有良好的稳定性和可靠性。
进一步，在本具体实施方式中，采用干法刻蚀的方法形成所述热隔离腔340，所述热隔离腔340的截面为矩形，使得第二具体实施方式的MEMS热式流量传感器相对于第一具体实施方式的MEMS热式流量传感器更小的芯片面积。
本发明MEMS热式流量传感器的热敏电阻层的上层(即第一介质层)及下层(即第二介质层)采用相同的形成方法及材料，且厚度均相同，能够降低MEMS热式流量传感器各层之间的应力梯度，减小热敏电阻层的应力，提高热敏电阻层的机械强度，进而降低整个MEMS热式流量传感器的应力，提高其机械强度，从而提高MEMS热式流量传感器的稳定性和可靠性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (18)

1.一种MEMS热式流量传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面及第二表面；
在所述半导体衬底的第一表面上形成第一介质层；
在所述第一介质层上形成图案化的热敏电阻层；
形成第二介质层，所述第二介质层覆盖所述热敏电阻层及所述第一介质层，所述第二介质层与所述第一介质层的厚度相同，且所述第二介质层与所述第一介质层形成方法及材料均相同；
在所述第二介质层上形成保护层；
去除部分保护层及第二介质层，暴露出所述热敏电阻层的焊盘；
在所述焊盘上形成导电连接件；
自所述半导体衬底的第二表面开窗，形成热隔离腔。
2.根据权利要求1所述的MEMS热式流量传感器的制作方法，其特征在于，在所述半导体衬底的第一表面上形成第一介质层的步骤之前还包括如下步骤：在所述半导体衬底的第一表面形成支撑层，所述第一介质层形成在所述支撑层上。
3.根据权利要求2所述的MEMS热式流量传感器的制作方法，其特征在于，在所述半导体衬底的第一表面形成支撑层的步骤进一步包括如下步骤：
在所述半导体衬底的表面依次形成二氧化硅层及氮化硅层，所述二氧化硅层及氮化硅层作为所述支撑层。
4.根据权利要求2所述的MEMS热式流量传感器的制作方法，其特征在于，在自所述半导体衬底的第二表面开窗，形成热隔离腔的步骤中，所述热隔离腔暴露出所述支撑层。
5.根据权利要求1所述的MEMS热式流量传感器的制作方法，其特征在于，所述第一介质层及所述第二介质层的形成方法为化学气相沉积。
6.根据权利要求1所述的MEMS热式流量传感器的制作方法，其特征在于，在提供半导体衬底的步骤之后，还包括对所述半导体衬底进行清洗的步骤。
7.根据权利要求1所述的MEMS热式流量传感器的制作方法，其特征在于，在提供半导体衬底的步骤之后，还包括对所述半导体衬底进行单面或者双面抛光的步骤。
8.一种MEMS热式流量传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面及第二表面；
热敏层，设置在所述半导体衬底的第一表面，所述热敏层包括依次设置的第一介质层、图案化的热敏电阻层及第二介质层，所述第一介质层与所述第二介质层的厚度相同，且所述第一介质层与所述第二介质层的形成方法及材料均相同；
保护层，覆盖所述热敏层；
导电连接件，贯穿所述保护层及第二介质层，并与所述热敏电阻层的焊盘电连接；
热隔离腔，自所述半导体衬底的第二表面向所述第一表面延伸。
9.根据权利要求8所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于，还包括支撑层，所述支撑层设置在所述半导体衬底与所述热敏层之间。
10.根据权利要求9所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述热隔离腔贯穿所述半导体衬底，并暴露出所述支撑层。
11.根据权利要求8所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述支撑层、热敏层及保护层的总厚度的范围是50～300nm。
12.根据权利要求9所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述支撑层为二氧化硅层或氮化硅层或二氧化硅层与氮化硅层的复合层。
13.根据权利要求8所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述第一介质层及所述第二介质层均为二氧化硅层。
14.根据权利要求8所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述热敏电阻层为金属热敏电阻层或半导体热敏层。
15.根据权利要求14所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述金属热敏电阻层为正温度系数金属电阻层。
16.根据权利要求15所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述正温度系数金属电阻层为多层结构，所述多层结构选自Ti/Pt复合层、Cr/Pt复合层、Ti/W复合层、Ti/Cr复合层、W/Ti/Pt复合层、Cr/Au复合层、Ni/Pt复合层或Ti/Au/Cr复合层中的至少一种。
17.根据权利要求14所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述半导体热敏层为正温度系数热敏层或负温度系数热敏层。
18.根据权利要求17所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于，其中，所述正温度系数热敏层为多晶硅薄膜，所述负温度系数热敏层为锗薄膜。
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