CN112484800B - 热堆式气体质量流量传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热堆式气体质量流量传感器及其制备方法，包括：(111)单晶硅衬底；与衬底相连接的隔热薄膜，且共同围成一个隔热腔体；加热元件；一对呈“<>”状的热电堆，位于隔热薄膜下表面且对称分布于加热元件两侧，每个热电堆尖端处两条轮廓线的夹角为120°，热电堆由至少一对悬挂于隔热薄膜下表面的沿<110>晶向的P⁺单晶硅热偶臂和N⁺单晶硅热偶臂组成的P⁺单晶硅‑N⁺单晶硅热偶对构成，两个热偶臂及热电堆与加热元件之间通过隔离槽隔离。本发明的结构选择塞贝克系数最大的单晶硅，且可在有限的尺寸下将热偶臂的等效长度做的更长，提高传感器的灵敏度；另外还可增大P⁺单晶硅‑N⁺单晶硅热偶对热端与单晶硅加热元件之间的间距，调整量程和测量精度。

Description

热堆式气体质量流量传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于硅微机械传感器技术领域，特别是涉及一种热堆式气体质量流量传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，由于人类全面进入智能信息化时代，对信息的测量和控制的需求越来越高。其中，对气体流量的测量和控制在生物医疗，航空航天，工业自动化等领域具有重大的意义。随着MEMS技术的不断进步，基于MEMS技术制造的气体质量流量传感器以其灵敏度高、尺寸小、功耗低、响应时间快等优势成为气体流量传感器未来发展的重要方向。此外，在流体测量中，由于被测流体的类型、性质等方面的不同，而导致需要不同的流量传感器进行测量，因此给流量的检测带来了诸多的不便，从而给流量传感器的尺寸和灵敏度等方面带来了巨大的挑战。在众多的气体流量传感器中，热堆式气体质量流量传感器以其器件结构简单、信号处理方便等特点得到了广泛的关注。因此，对于热堆式气体流量传感器如何将其尺寸微型化，灵敏度最大化将成为目前研究的热点问题。

热堆式气体质量流量传感器的工作原理是利用塞贝克效应，通过测量流体通过时，中间加热元件两边热堆上下端温度变化来确定流体流速的。目前，热堆式气体质量流量传感器多是以塞贝克系数低的多晶硅-金属组合，利用MEMS双面体硅微机械加工工艺制作而成。2006年Rainer Buchner等人采用多晶硅-Ti/W作为热电偶材料，利用硅深度反应离子刻蚀(DRIE)完成氮化硅薄膜下隔热腔体的释放[R.Buchner，C.Sosna,M.Maiwald，et al.Ahigh-temperature thermopile fabrication process for thermal flow sensors[J]。Sensors and Actuators:Physical，2006，130(2):262-266]，这种方法制作的热堆式气体质量流量传感器存在以下几点不足：a、利用DRIE从硅片背面进行深硅刻蚀制备隔热空腔，不仅大大增加了制造成本且刻蚀过程中容易引起隔热薄膜破裂，影响刻蚀工艺稳定性；b、采用塞贝克系数不高的多晶硅-金属材料作为热电偶材料，使得传感器灵敏度受限，只能通过增加热偶对方式来进一步提高检测灵敏度。为了提高检测灵敏度和降低制造成本，2016年意大利的Piotto等人采用表面微机械加工技术制作了一款热电堆式气体流量传感器，通过采用独立悬浮的多晶硅加热电阻和热电堆结构，大大降低了器件热耗散，结合塞贝克系数较高的p型多晶硅和n型多晶硅材料作为热偶臂，相比于传统的多晶硅-金属热堆式气体质量流量传感器，灵敏度得到很大提高[Piotto，Massimo，Del Cesta，Francesco，Bruschi，Paolo.Integrated smart gas flow sensor with 2.6mW total power consumption and80dB dynamic range[J].Microelectronic Engineering,159:159-163]，整个器件由表面微机械工艺制造，因此制造成本较低，芯片尺寸也有一定的缩减。为了在此基础上进一步提高热堆式气体质量流量传感器灵敏度，缩小芯片尺寸和降低制造成本，中科院上海微系统与信息技术研究所的薛丹等人设计了一种以最高塞贝克系数的单晶硅和金属作为热偶对材料，采用单面三维体硅微机械加工技术制造出基于p⁺Si/金属热堆式气体质量流量传感器[D.Xue，F.Song，J.Wang，et al.Single-Side Fabricated p⁺Si/Al Thermopile BasedGas Flow Sensor and Low-Cost Volume Manufacturing[J].IEEE Transactions onElectron Devices，2019，66(1):821-824]，但是该传感器存在一个严重不足：由于热偶臂冷端是悬在隔热薄膜下方，单晶硅衬底与冷端之间只能通过热阻很大的隔热薄膜相连，因此冷端热量难以快速传递至单晶硅衬底中，导致冷热端温度差不能达到最大而限制了器件灵敏度的进一步提高。为了解决冷端热量难以耗散至单晶硅衬底中这一难题，同样是该课题组的王珊珊等人对该款气体质量流量传感器进行了改进，设计出一种“三明治”状热沉结构，将热偶臂的冷端半埋入在单晶硅衬底中，通过很薄氮化硅钝化层实现热偶臂冷端与单晶硅衬底间的电学隔离，实现了在芯片尺寸不变条件下进一步提升了传感器的检测灵敏度[Wang Shanshan,Xue Dan，Wang Jiachou，Li Xinxin.Highly sensitive p+Si/Althermopile-based gas flow sensors by using front-sided bulk-micromachiningtechnology[J].IEEE Transactions on Electron Devices，2020，67(4):1781-1786]，但是，这种“三明治”状热沉结构的引入，不仅大大增加了传感器结构的复杂性，影响传感器的良率，而且工艺的复杂性也随之增加，制造成本相应提高。

综述所述，随着MEMS技术不断进步，热堆式气体质量流量传感器已经从最早的双面微机械加工发展到现在的单硅片单面加工，芯片尺寸得到了很好控制，热偶对材料也由原来的多晶硅-金属材料发展到现在的单晶硅-金属材料，但是仍然存在上述不足，灵敏度、芯片尺寸和工艺成本还有很大提升空间，因此设计一种更低成本，更小尺寸，更高性能的热堆式气体质量流量传感器实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种热堆式气体质量流量传感器及其制备方法，用于解决现有技术中热堆式气体质量流量传感器芯片尺寸受限条件下灵敏度无法进一步提高，以及现有p⁺Si/金属热堆式气体质量流量传感器中热沉结构及其工艺复杂导致制造成本高等的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种热堆式气体质量流量传感器，所述传感器包括：

(111)单晶硅衬底，具有凹槽，所述凹槽开设于所述衬底的上表面；

隔热薄膜，覆盖于所述凹槽上方，且与所述衬底相连接，所述隔热薄膜与所述衬底共同围成一个隔热腔体；

单晶硅加热元件，位于所述隔热薄膜下表面，所述单晶硅加热元件沿<111>晶向；

一对呈“<>”状的热电堆，位于所述隔热薄膜下表面且对称分布于所述单晶硅加热元件的两侧，每个所述热电堆的尖端处两条轮廓线的夹角为120°，每个所述热电堆由至少一对悬挂于所述隔热薄膜下表面的P⁺单晶硅热偶臂和N⁺单晶硅热偶臂组成的P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对构成，相邻两所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对冷端由位于所述隔热薄膜上的金属层通过所述隔热薄膜上的通孔实现互连，每个所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对热端由位于所述隔热薄膜上的所述金属层通过所述隔热薄膜上的通孔实现互连，其中，所述P⁺单晶硅热偶臂和所述N⁺单晶硅热偶臂沿<110>晶向；

所述P⁺单晶硅热偶臂和所述N⁺单晶硅热偶臂之间通过所述隔热薄膜上的第一隔离槽隔离，所述热电堆与所述单晶硅加热元件之间通过所述隔热薄膜上的第二隔离槽隔离。

可选地，位于所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对冷端的所述金属层延伸至所述衬底上，以使所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对冷端与所述衬底充分接触。

可选地，还包括单晶硅环境测温电阻，设置于其中一个所述热电堆冷端的外侧。

可选地，还包括若干个引线焊盘，位于所述衬底上，且设置于所述单晶硅加热元件、所述单晶硅环境测温电阻及所述热电堆的两端，并与其电连接。

可选地，所述单晶硅环境测温电阻为P⁺单晶硅环境测温电阻。

可选地，所述P⁺单晶硅热偶臂、所述单晶硅加热元件及所述P⁺单晶硅环境测温电阻为硼掺杂的单晶硅，所述N⁺单晶硅热偶臂为磷掺杂的单晶硅。

可选地，所述P⁺单晶硅热偶臂和所述N⁺单晶硅热偶臂的掺杂浓度介于1.8*10¹⁹/cm³～2.2*10¹⁹/cm³之间。

可选地，所述隔热薄膜的材料为氮化硅薄膜或氮化硅层和氧化硅层的复合薄膜，所述金属层为Ti/Pt/Au的复合金属层或Cr/Pt/Au的复合金属层。

本发明还提供一种热堆式气体质量流量传感器的制备方法，包括如下步骤：

1)提供(111)单晶硅衬底，并于所述衬底上定义出单晶硅加热元件区与两个热电堆区，两个所述热电堆区位于所述单晶硅加热元件区两侧，且每个所述热电堆区包括至少一个P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对区；

2)在所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对区分别进行P型离子注入及N型离子注入，形成P⁺单晶硅热偶臂及N⁺单晶硅热偶臂，相邻所述P⁺单晶硅热偶臂及所述N⁺单晶硅热偶臂形成为P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对，其中，所述P⁺单晶硅热偶臂和所述N⁺单晶硅热偶臂沿<110>晶向；

3)刻蚀所述衬底形成浅槽，以定义出所述P⁺单晶硅热偶臂、所述N⁺单晶硅热偶臂及单晶硅加热元件，其中，所述浅槽包围区域为所述P⁺单晶硅热偶臂、所述N⁺单晶硅热偶臂及所述单晶硅加热元件的位置及厚度，所述单晶硅加热元件沿<111>晶向；

4)于所述浅槽侧壁形成侧壁保护层，并于形成有所述侧壁保护层的所述浅槽中沉积牺牲层；

5)于步骤4)所得到的结构表面沉积隔热薄膜，并于所述隔热薄膜上形成通孔，所述通孔暴露出所述单晶硅加热元件两端的接触孔及所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对热端和冷端的接触孔；

6)于步骤5)所得到的结构表面沉积金属层并对其图形化，以实现相邻两所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对冷端的互连，每个所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对热端的互连，从而形成热电堆，另外，通过所述金属层形成所述单晶硅加热元件及所述热电堆的引线焊盘；

7)刻蚀所述隔热薄膜及所述衬底以形成释放槽，所述释放槽包括第一深隔离槽及第二深隔离槽，其中，所述第一深隔离槽形成于相邻所述P⁺单晶硅热偶臂及所述N⁺单晶硅热偶臂之间，所述第二深隔离槽形成于所述单晶硅加热元件两侧；

8)以所述释放槽为窗口腐蚀部分所述衬底及所述牺牲层形成隔热腔体，以释放所述隔热薄膜、所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对及所述单晶硅加热元件，其中，所述隔热薄膜与所述衬底相连接，并与所述衬底共同围成所述隔热腔体。

可选地，步骤2)中，形成所述P⁺单晶硅热偶臂及所述N⁺单晶硅热偶臂的具体步骤为：

2-1)于所述衬底表面形成第一阻挡层并对其图形化，形成P型离子注入窗口，所述P型离子注入窗口显露出所述P+单晶硅热偶臂所在区域，藉由所述P型离子注入窗口进行P型离子注入，形成P型硅掺杂区；

2-2)于步骤2-1)所得结构表面形成第二阻挡层，对所述第一阻挡层及所述第二阻挡层图形化，形成N型离子注入窗口，所述N型离子注入窗口显露出所述N+单晶硅热偶臂所在区域，藉由所述N型离子注入窗口进行N型离子注入，形成N型硅掺杂区；

2-3)去除所述第二阻挡层，然后在氧气环境下进行主扩工艺，形成所述P+单晶硅热偶臂及所述N+单晶硅热偶臂，同时在衬底表面形成氧化硅层。

可选地，步骤7)中，形成所述释放槽的具体步骤为：

7-1)刻蚀所述释放槽所在区域的所述隔热薄膜，形成第一隔离槽及第二隔离槽；

7-2)沿所述释放槽所在区域继续刻蚀预设深度，以加深所述第一隔离槽及所述第二隔离槽的深度，形成所述释放槽的所述第一深隔离槽及所述第二深隔离槽。

可选地，步骤8)中，形成所述隔热腔体的具体步骤为：

8-1)将步骤7)得到的结构放置于TMAH是可溶液中腐蚀，以去除部分所述衬底及所述牺牲层；

8-2)采用BOE湿刻溶液去除所述侧壁保护层。

可选地，所述单晶硅加热元件为P⁺单晶硅加热元件，通过在步骤2)的P型离子注入形成所述P⁺单晶硅热偶臂时，同时在所述单晶硅加热元件区进行P型离子注入形成所述P⁺单晶硅加热元件。

如上所述，本发明的热堆式气体质量流量传感器及其制备方法，具有以下有益效果：通过在所述衬底的上表面设置凹槽，最后再通过设置于所述衬底上的隔热薄膜形成一个隔热腔体，使所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对与所述衬底之间物理隔离，减少了本发明的衬底散热，并且所述隔热薄膜上设置有所述第一隔离槽及所述第二隔离槽，有效防止热量在隔热薄膜之间的传递；另外，所述热电堆采用P型及N型的单晶硅材料的热偶臂，两者的塞贝克系数最大，有效提高传感器的灵敏度；再者，采用(111)面的单晶硅衬底，使所述P⁺单晶硅热偶臂和所述N⁺单晶硅热偶臂沿<110>晶向呈“<>”状，可将所述P⁺单晶硅热偶臂和所述N⁺单晶硅热偶臂的有效长度做的更长，且在释放形成所述P⁺单晶硅热偶臂和所述N⁺单晶硅热偶臂时，腐蚀方向沿较难腐蚀的<111>晶向，需要相邻的P⁺单晶硅热偶臂和N⁺单晶硅热偶臂间距要足够小，从而可在限定的尺寸下设置更多的P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对，在这两者的共同作用下可得到更长的等效热偶臂长度和更多的热偶对，使芯片尺寸在限定的条件下明显提高传感器的灵敏度，同时，使所述单晶硅加热元件沿<111>晶向，则在释放形成所述单晶硅加热元件时，腐蚀方向沿易于腐蚀的<110>晶向，使得P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对热端与单晶硅加热元件之间的间距不再像传统单晶硅-金属热电堆式气体质量流量传感器那样受隔热腔体深度的限制，从而可有效增大P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对热端与单晶硅加热元件之间的间距，调整传感器量程和测量精度，满足不同应用需求。

附图说明

图1显示为本发明的热堆式气体质量流量传感器的全局三维结构示意图。

图2显示为本发明的热堆式气体质量流量传感器三维结构剖面示意图。

图3显示为本发明的热堆式气体质量流量传感器制备过程中的各步骤工艺流程图。

图4至图19显示为本发明的热堆式气体质量流量传感器制备过程中各步骤对应的结构示意图，该各步骤对应的结构示意图是沿图2中箭头所示的<110>晶向至<111>晶向的纵向剖视图，且在<110>晶向的剖切点位于第一隔离槽上，在<111>晶向的剖切点位于P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对上。

元件标号说明

1 衬底

11 凹槽

12 隔热薄膜

13 隔热腔体

14 单晶硅加热元件

15 热电堆

150 P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对

151 P⁺单晶硅热偶臂

152 N⁺单晶硅热偶臂

153 P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对冷端

154 P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对热端

16 金属层

17 第一隔离槽

18 第二隔离槽

19 单晶硅环境测温电阻

20 引线焊盘

100 单晶硅加热元件区

101 热电堆区

102 浅槽

103 第一浅槽

104 第二浅槽

105 侧壁保护层

106 牺牲层

107 释放槽

108 第一深隔离槽

109 第二深隔离槽

110 第一阻挡层

111 P型离子注入窗口

112 P型硅掺杂区

113 第二阻挡层

114 N型离子注入窗口

115 N型硅掺杂区

116 氧化硅层

117 通孔

S1～S8 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图19。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1、图2及图19所示，本发明提供一种热堆式气体质量流量传感器，包括：

(111)单晶硅衬底1，具有凹槽11，所述凹槽11开设于所述衬底1的上表面；

隔热薄膜12，覆盖于所述凹槽11上方，且与所述衬底1相连接，所述隔热薄膜12与所述衬底1共同围成一个隔热腔体13；

单晶硅加热元件14，位于所述隔热薄膜12下表面，所述单晶硅加热元件14沿<111>晶向；

一对呈“<>”状的热电堆15，位于所述隔热薄膜12下表面且对称分布于所述单晶硅加热元件14的两侧，每个所述热电堆15的尖端处两条轮廓线的夹角θ为120°，每个所述热电堆15由至少一对悬挂于所述隔热薄膜12下表面的P⁺单晶硅热偶臂151和N⁺单晶硅热偶臂152组成的P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对150构成，相邻两所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对冷端153由位于所述隔热薄膜12上的金属层16通过所述隔热薄膜12上的通孔117实现互连，每个所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对热端154由位于所述隔热薄膜12上的所述金属层16通过所述隔热薄膜12上的通孔117实现互连，其中，所述P⁺单晶硅热偶臂151和所述N⁺单晶硅热偶臂152沿<110>晶向；

所述P⁺单晶硅热偶臂151和所述N⁺单晶硅热偶臂152之间通过所述隔热薄膜12上的第一隔离槽17隔离，所述热电堆15与所述单晶硅加热元件14之间通过所述隔热薄膜12上的第二隔离槽18隔离。

具体地，在本实施例中所述单晶硅加热元件14可以为加热电阻。所述热电堆15位于所述单晶硅加热元件14的两侧，且对称分布，即上下游的位置，分别组成上、下游两个独立的热电堆检测电路，通过监测上、下游两个独立的热电堆检测电路之间的温度差异，从而得到电势差。其中，每个所述热电堆15可以包含任意个P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对150，如5～80个，依实际需要设置，在此不做具体限制，本实施例中选择为20个。

具体地，在本实施例中所述隔热腔体13的深度为40μm～80μm，优选为50μm。每个所述热电堆15中最长的P⁺单晶硅热偶臂151或N⁺单晶硅热偶臂152位于热电堆15的中间位置，且长度可达到230μm；最短的P⁺单晶硅热偶臂151或N⁺单晶硅热偶臂152位于热电堆15的两侧位置，且长度可达到130μm；每个所述热电堆15中P⁺单晶硅热偶臂151或N⁺单晶硅热偶臂152的宽度为3μm，厚度为43μm；所述单晶硅加热元件14的长度为350μm，宽度为10μm，厚度为4μm。

本发明通过在所述衬底1的上表面设置凹槽11，最后再通过设置于所述衬底1上的隔热薄膜12形成一个隔热腔体13，使所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对150与所述衬底1之间物理隔离，减少了本发明的衬底散热，并且所述隔热薄膜12上设置有所述第一隔离槽17及所述第二隔离槽18，有效防止热量在隔热薄膜12之间的传递；另外，所述热电堆15采用P型及N型的单晶硅材料的热偶臂，两者的塞贝克系数最大，有效提高传感器的灵敏度；再者，采用(111)面的单晶硅衬底，使所述P⁺单晶硅热偶臂151和所述N⁺单晶硅热偶臂152沿<110>晶向，可将所述P⁺单晶硅热偶臂151和所述N⁺单晶硅热偶臂152的有效长度做的更长，例如现有技术中热偶臂的长度最长可做到150μm左右，而在本发明中热偶臂的长度最短做到130μm，最长做到240μm，呈“<>”状，且在释放形成所述P⁺单晶硅热偶臂151和所述N⁺单晶硅热偶臂152时，腐蚀方向沿较难腐蚀的<111>晶向，需要相邻的P⁺单晶硅热偶臂151和N⁺单晶硅热偶臂152间距要足够小，从而可在限定的尺寸下设置更多的P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对150，在这两者的共同作用下可得到更长的等效热偶臂长度，使芯片尺寸在限定的条件下明显提高传感器的灵敏度，同时，使所述单晶硅加热元件14沿<111>晶向，则在释放形成所述单晶硅加热元件14时，腐蚀方向沿易于腐蚀的<110>晶向，使得P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对热端154与单晶硅加热元件14之间的间距不再像传统单晶硅-金属热电堆式气体质量流量传感器那样受隔热腔体深度的限制，从而可有效增大P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对热端154与单晶硅加热元件14之间的间距，调整传感器量程和测量精度，满足不同应用需求。

如图2所示，作为示例，位于所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对冷端153的所述金属层16延伸至所述衬底1上，以使所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对冷端153与所述衬底1充分接触，增大了P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对冷端153的散热性能，提高了P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对150冷热端之间的温差，从而缩短传感器的响应时间、提高传感器的量程范围。

如图1所示，作为示例，所述热堆式气体质量流量传感器还包括单晶硅环境测温电阻19，设置于其中一个所述热电堆15冷端的外侧。环境的温度可以直接利用所述环境电阻元件19直接测量和补偿，从而可以消除气体温度波动对测量结果的影响，提高流量检测的精度。

如图1所示，作为示例，还包括若干个引线焊盘20，位于所述衬底1上，且设置于所述单晶硅加热元件14、所述单晶硅环境测温电阻19及所述热电堆15的两端，并与其电连接。

如图1所示，作为示例，不限制所述单晶硅环境测温电阻19的掺杂类型，即可以为P型掺杂也可以为N型掺杂，本实施例中选择为P型掺杂的单晶硅环境测温电阻19。

如图1所示，作为示例，不限制所述单晶硅加热元件14的掺杂类型，即可以为P型掺杂也可以为N型掺杂，本实施例中选择为P型掺杂的单晶硅加热元件14。

如图1所示，不限制所述P型掺杂及N型掺杂的掺杂离子种类，只要能实现P型掺杂及N型掺杂即可，本实施例中选择P型掺杂为硼离子掺杂，N型掺杂为磷离子掺杂，即所述P⁺单晶硅热偶臂151、所述单晶硅加热元件14及所述P⁺单晶硅环境测温电阻19为硼掺杂的单晶硅，所述N⁺单晶硅热偶臂152为磷掺杂的单晶硅。

作为示例，所述P⁺单晶硅热偶臂151和所述N⁺单晶硅热偶臂152的掺杂浓度介于1.8*10¹⁹/cm³～2.2*10¹⁹/cm³之间，本实施例中选择为2.0*10¹⁹/cm³。所述单晶硅加热元件14及所述P⁺单晶硅环境测温电阻19的掺杂浓度也介于1.8*10¹⁹/cm³～2.2*10¹⁹/cm³之间，本实施例中选择为2.0*10¹⁹/cm³。

作为示例，所述隔热薄膜12的材料为氮化硅薄膜或氮化硅层和氧化硅层的复合薄膜，所述金属层16为Ti/Pt/Au的复合金属层或Cr/Pt/Au的复合金属层，本实施例中选择所述隔热薄膜12的材料为氮化硅薄膜，且为低应力的氮化硅薄膜，所述金属层16为Cr/Pt/Au的复合金属层。

所述P⁺单晶硅热偶臂151和所述N⁺单晶硅热偶臂152之间通过所述隔热薄膜12上的第一隔离槽17隔离，所述热电堆15与所述单晶硅加热元件14之间通过所述隔热薄膜12上的第二隔离槽18隔离，所以所述第一隔离槽17沿<110>晶向，所述第二隔离槽18沿<111>晶向。

如图3至图19所示，本发明还提供一种热堆式气体质量流量传感器的制备方法，该制备方法可以用于制备上述的热堆式气体质量流量传感器，该制备方法包括如下步骤：

如图3及图4所示，首先进行步骤S1，提供(111)单晶硅衬底1，并于所述衬底1上定义出单晶硅加热元件区100与两个热电堆区101，两个所述热电堆区101位于所述单晶硅加热元件区100两侧，且每个所述热电堆区101包括至少一个P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对区。本实施例中选择所述衬底1的厚度约为450μm。

具体地，所述单晶硅加热元件区100用于形成单晶硅加热元件14，所述热电堆区101用于形成热电堆15。所述热电堆15位于所述单晶硅加热元件14的两侧，且对称分布，即上下游的位置，分别组成上、下游两个独立的热电堆检测电路，通过监测上、下游两个独立的热电堆检测电路之间的温度差异，从而得到电势差。其中，每个所述热电堆15可以包含任意个P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对150，如5～80个，依实际需要设置，在此不做具体限制，本实施例中选择为20个。

如图3及图9所示，然后进行步骤S2，在所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对区分别进行P型离子注入及N型离子注入，形成P⁺单晶硅热偶臂151及N⁺单晶硅热偶臂152，相邻所述P⁺单晶硅热偶臂151及所述N⁺单晶硅热偶臂152形成为P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对150，其中，所述P⁺单晶硅热偶臂151和所述N⁺单晶硅热偶臂152沿<110>晶向。

作为示例，本步骤中还可以同时形成单晶硅加热元件14及单晶硅环境测温电阻19，可根据实际需要选择其掺杂类型，例如两者均可为P型掺杂或N型掺杂，也可为不同的掺杂类型。

如图4至图9所示，作为示例，形成所述P⁺单晶硅热偶臂151及所述N⁺单晶硅热偶臂152的具体步骤为：

如图5及图6所示，步骤2-1)，于所述衬底1表面形成第一阻挡层110并对其图形化(如图5所示)，形成P型离子注入窗口111，所述P型离子注入窗口111显露出所述P+单晶硅热偶臂151所在区域，藉由所述P型离子注入窗口111进行P型离子注入，形成P型硅掺杂区112(如图6所示)。本实施例中选择所述第一阻挡层110为氧化硅材料，通过对所述衬底1进行热氧氧化工艺，以在所述衬底1上形成氧化硅材料的第一阻挡层110，所述第一阻挡层110的厚度约为

P型离子为硼离子，P型离子的注入浓度介于1.8*10¹⁹/cm³～2.2*10¹⁹/cm³之间，优选为2.0*10¹⁹/cm³。

如图7及图8所示，步骤2-2)，于步骤2-1)所得结构表面形成第二阻挡层113，对所述第一阻挡层110及所述第二阻挡层113图形化(如图7所示)，形成N型离子注入窗口114，所述N型离子注入窗口114显露出所述N+单晶硅热偶臂152所在区域，藉由所述N型离子注入窗口114进行N型离子注入，形成N型硅掺杂区115(如图8所示)。本实施例中选择所述第二阻挡层113为TEOS材料，采用现有的沉积工艺形成，所述第二阻挡层113的厚度约为

N型离子为磷离子，N型离子的注入浓度介于1.8*10¹⁹/cm³～2.2*10¹⁹/cm³之间，优选为2.0*10¹⁹/cm³。

如图9所示，步骤2-3)，去除所述第二阻挡层113，然后在氧气环境下进行主扩工艺，形成所述P+单晶硅热偶臂151及所述N+单晶硅热偶臂152，同时在衬底1表面形成氧化硅层116。本实施例中选择利用缓冲氧化硅腐蚀剂BOE腐蚀掉所述第二阻挡层113，直至露出所述P型离子注入窗口。

这里需要说明的是，形成所述P⁺单晶硅热偶臂151及所述N⁺单晶硅热偶臂152的步骤不限于上述方法，例如也可以是先形成N型硅掺杂区115，再形成P型硅掺杂区112，最后再进行主扩工艺。

如图3及图10所示，接着进行步骤S3，刻蚀所述衬底1形成浅槽102，以定义出所述P⁺单晶硅热偶臂151、所述N⁺单晶硅热偶臂152及单晶硅加热元件14，其中，所述浅槽102包围区域为所述P⁺单晶硅热偶臂151、所述N⁺单晶硅热偶臂152及所述单晶硅加热元件14的位置及厚度，所述单晶硅加热元件14沿<111>晶向。所述浅槽102包括第一浅槽103及第二浅槽104，所述第一浅槽103包围区域为所述P⁺单晶硅热偶臂151及所述N⁺单晶硅热偶臂152的位置，所以其沿<110>晶向，所述第二浅槽104包围区域为所述单晶硅加热元件14的位置，所以其沿<111>晶向。所述浅槽102的深度约为4μm。

作为示例，本实施例中采用DRIE刻蚀工艺，以光刻胶及所述氧化硅层116为掩膜刻蚀形成所述浅槽102。

如图3、图11及图12所示，接着进行步骤S4，于所述浅槽102侧壁形成侧壁保护层105(如图11所示)，并于形成有所述侧壁保护层105的所述浅槽102中沉积牺牲层106(如图12所示)。

作为示例，于所述浅槽102侧壁形成侧壁保护层105的具体步骤包括：

如图11所示，于步骤S3得到的结构表面沉积侧壁保护材料层，所述侧壁保护材料层包括TEOS层。本实施例中，采用LPCVD工艺形成厚度为

的所述侧壁保护材料层。

如图11所示，去除所述浅槽102底部及其周围的所述衬底1上的所述侧壁保护材料层，以形成位于所述浅槽102侧壁的侧壁保护层105。本实施例中，所述侧壁保护层105的材料为TEOS。

作为示例，采用LPCVD工艺形成所述牺牲层106，所述牺牲层106填满所述浅槽102，然后采用反应离子刻蚀工艺刻蚀掉所述衬底1表面多余的牺牲层。本实施例中所述牺牲层106的材料为低应力多晶硅。

作为示例，形成所述牺牲层106后，采用DRIE刻蚀工艺将衬底表面的所述氧化硅层116去除。

如图3、图13及图14所示，接着进行步骤S5，于步骤S4所得到的结构表面沉积隔热薄膜12(如图13所示)，并于所述隔热薄膜12上形成通孔117(如图14所示)，所述通孔117暴露出所述单晶硅加热元件14两端的接触孔及所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对热端154和冷端153的接触孔。

作为示例，采用LPCVD工艺于所述衬底1表面沉积一层厚度为

的隔热薄膜12。所述隔热薄膜12的材料可以为氮化硅薄膜或氮化硅层和氧化硅层的复合薄膜，本实施例中选择为低应力的氮化硅薄膜。

如图3及图15所示，接着进行步骤S6，于步骤S5所得到的结构表面沉积金属层16并对其图形化，以实现相邻两所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对冷端153的互连，每个所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对热端154的互连，从而形成热电堆15，另外，通过所述金属层16形成所述单晶硅加热元件14及所述热电堆15的引线焊盘20。通过相邻两所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对冷端153的互连，以及每个所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对热端154的互连，实现每个所述热电堆15的互连，形成完整的检测线路。

作为示例，使位于所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对冷端153的所述金属层16延伸至后续形成的隔热腔体外的所述衬底1上，从而所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对冷端153与所述衬底1充分接触，增大P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对冷端153的散热性能，提高P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对150冷热端之间的温差，从而缩短传感器的响应时间、提高传感器的量程范围。

作为示例，所述金属层16的厚度为

所述金属层16可为Ti/Pt/Au的复合金属层或Cr/Pt/Au的复合金属层，本实施例中选择为Cr/Pt/Au的复合金属层，其中铬的厚度为

铂的厚度为

金的厚度为

如图3、图16及图17所示，接着进行步骤S7，刻蚀所述隔热薄膜12及所述衬底1以形成释放槽107，所述释放槽107包括第一深隔离槽108及第二深隔离槽109，其中，所述第一深隔离槽108形成于相邻所述P⁺单晶硅热偶臂151及所述N⁺单晶硅热偶臂152之间，所述第二深隔离槽109形成于所述单晶硅加热元件14两侧。

作为示例，所述第一深隔离槽108沿<110>晶向延伸，所述第二深隔离槽109沿<111>晶向延伸，所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对热端154位于所述单晶硅加热元件14的侧边。

具体地，形成所述释放槽107的具体步骤为：

如图16所示，刻蚀所述释放槽107所在区域的所述隔热薄膜12，形成第一隔离槽17及第二隔离槽18。作为示例，采用反应离子刻蚀工艺在所述隔热薄膜12刻蚀出所述第一隔离槽17及第二隔离槽18，所述第一隔离槽17沿<110>晶向，所述第二隔离槽18沿<111>晶向。

如图17所示，沿所述释放槽所在区域继续刻蚀预设深度，例如30μm，以加深所述第一隔离槽17及第二隔离槽18的深度，形成所述释放槽107的所述第一深隔离槽108及第二深隔离槽109。

如图3、图18及图19所示，最后进行步骤S8，以所述释放槽107为窗口腐蚀部分所述衬底1及所述牺牲层106形成隔热腔体13，以释放所述隔热薄膜12、所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对150及所述单晶硅加热元件14，其中，所述隔热薄膜12与所述衬底1相连接，并与所述衬底1共同围成所述隔热腔体13。

具体地，形成所述隔热腔体13的具体步骤为：

如图18所示，将步骤S8得到的结构放置于80℃、25wt％的TMAH各向异性湿刻溶液中腐蚀，以去除部分所述衬底1及所述牺牲层106。

如图19所示，采用BOE湿刻溶液去除所述侧壁保护层105。

综上所述，本发明提供一种热堆式气体质量流量传感器及其制备方法，所述传感器包括：(111)单晶硅衬底，具有凹槽，所述凹槽开设于所述衬底的上表面；隔热薄膜，覆盖于所述凹槽上方，且与所述衬底相连接，所述隔热薄膜与所述衬底共同围成一个隔热腔体；单晶硅加热元件，位于所述隔热薄膜下表面，所述单晶硅加热元件沿<111>晶向；一对呈“<>”状的热电堆，位于所述隔热薄膜下表面且对称分布于所述单晶硅加热元件的两侧，每个所述热电堆的尖端处两条轮廓线的夹角为120°，每个所述热电堆由至少一对悬挂于所述隔热薄膜下表面的P⁺单晶硅热偶臂和N⁺单晶硅热偶臂组成的P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对构成，相邻两所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对冷端由位于所述隔热薄膜上的金属层通过所述隔热薄膜上的通孔实现互连，每个所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对热端由位于所述隔热薄膜上的所述金属层通过所述隔热薄膜上的通孔实现互连，其中，所述P⁺单晶硅热偶臂和所述N⁺单晶硅热偶臂沿<110>晶向；所述P⁺单晶硅热偶臂和所述N⁺单晶硅热偶臂之间通过所述隔热薄膜上的第一隔离槽隔离，所述热电堆与所述单晶硅加热元件之间通过所述隔热薄膜上的第二隔离槽隔离。本发明通过在所述衬底的上表面设置凹槽，最后再通过设置于所述衬底上的隔热薄膜形成一个隔热腔体，使所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对与所述衬底之间物理隔离，减少了本发明的衬底散热，并且所述隔热薄膜上设置有所述第一隔离槽及所述第二隔离槽，有效防止热量在隔热薄膜之间的传递；另外，所述热电堆采用P型及N型的单晶硅材料的热偶臂，两者的塞贝克系数最大，有效提高传感器的灵敏度；再者，采用(111)面的单晶硅衬底，使所述P⁺单晶硅热偶臂和所述N⁺单晶硅热偶臂沿<110>晶向呈“<>”状，可将所述P⁺单晶硅热偶臂和所述N⁺单晶硅热偶臂的有效长度做的更长，且在释放形成所述P⁺单晶硅热偶臂和所述N⁺单晶硅热偶臂时，腐蚀方向沿较难腐蚀的<111>晶向，需要相邻的P⁺单晶硅热偶臂151和N⁺单晶硅热偶臂152间距要足够小，从而可在限定的尺寸下设置更多的P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对，在这两者的共同作用下可得到更长的等效热偶臂长度，使芯片尺寸在限定的条件下明显提高传感器的灵敏度，同时，使所述单晶硅加热元件沿<111>晶向，则在释放形成所述单晶硅加热元件时，腐蚀方向沿易于腐蚀的<110>晶向，使得P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对热端154与单晶硅加热元件14之间的间距不再像传统单晶硅-金属热电堆式气体质量流量传感器那样受隔热腔体深度的限制，从而可有效增大P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对热端与单晶硅加热元件之间的间距，调整传感器量程和测量精度，满足不同应用需求。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种热堆式气体质量流量传感器，其特征在于，所述传感器包括：

(111)单晶硅衬底，具有凹槽，所述凹槽开设于所述衬底的上表面；

隔热薄膜，覆盖于所述凹槽上方，且与所述衬底相连接，所述隔热薄膜与所述衬底共同围成一个隔热腔体；

单晶硅加热元件，位于所述隔热薄膜下表面，所述单晶硅加热元件沿<111>晶向；

一对呈“<>”状的热电堆，位于所述隔热薄膜下表面且对称分布于所述单晶硅加热元件的两侧，每个所述热电堆的尖端处两条轮廓线的夹角为120°，每个所述热电堆由至少一对悬挂于所述隔热薄膜下表面的P⁺单晶硅热偶臂和N⁺单晶硅热偶臂组成的P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对构成，相邻两所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对冷端由位于所述隔热薄膜上的金属层通过所述隔热薄膜上的通孔实现互连，每个所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对热端由位于所述隔热薄膜上的所述金属层通过所述隔热薄膜上的通孔实现互连，其中，所述P⁺单晶硅热偶臂和所述N⁺单晶硅热偶臂沿<110>晶向；

所述P⁺单晶硅热偶臂和所述N⁺单晶硅热偶臂之间通过所述隔热薄膜上的第一隔离槽隔离，所述热电堆与所述单晶硅加热元件之间通过所述隔热薄膜上的第二隔离槽隔离。

2.根据权利要求1所述的热堆式气体质量流量传感器，其特征在于：位于所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对冷端的所述金属层延伸至所述衬底上，以使所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对冷端与所述衬底充分接触。

3.根据权利要求1所述的热堆式气体质量流量传感器，其特征在于：还包括单晶硅环境测温电阻，设置于其中一个所述热电堆冷端的外侧。

4.根据权利要求3所述的热堆式气体质量流量传感器，其特征在于：还包括若干个引线焊盘，位于所述衬底上，且设置于所述单晶硅加热元件、所述单晶硅环境测温电阻及所述热电堆的两端，并与其电连接。

5.根据权利要求3所述的热堆式气体质量流量传感器，其特征在于：所述单晶硅环境测温电阻为P⁺单晶硅环境测温电阻。

6.根据权利要求5所述的热堆式气体质量流量传感器，其特征在于：所述P⁺单晶硅热偶臂、所述单晶硅加热元件及所述P⁺单晶硅环境测温电阻为硼掺杂的单晶硅，所述N⁺单晶硅热偶臂为磷掺杂的单晶硅。

7.根据权利要求1所述的热堆式气体质量流量传感器，其特征在于：所述P⁺单晶硅热偶臂和所述N⁺单晶硅热偶臂的掺杂浓度介于1.8*10¹⁹/cm³～2.2*10¹⁹/cm³之间。

8.根据权利要求1所述的热堆式气体质量流量传感器，其特征在于：所述隔热薄膜的材料为氮化硅薄膜或氮化硅层和氧化硅层的复合薄膜，所述金属层为Ti/Pt/Au的复合金属层或Cr/Pt/Au的复合金属层。

9.一种热堆式气体质量流量传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)提供(111)单晶硅衬底，并于所述衬底上定义出单晶硅加热元件区与两个热电堆区，两个所述热电堆区位于所述单晶硅加热元件区两侧，且每个所述热电堆区包括至少一个P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对区；

2)在所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对区分别进行P型离子注入及N型离子注入，形成P⁺单晶硅热偶臂及N⁺单晶硅热偶臂，相邻所述P⁺单晶硅热偶臂及所述N⁺单晶硅热偶臂形成为P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对，其中，所述P⁺单晶硅热偶臂和所述N⁺单晶硅热偶臂沿<110>晶向；

3)刻蚀所述衬底形成浅槽，以定义出所述P⁺单晶硅热偶臂、所述N⁺单晶硅热偶臂及单晶硅加热元件，其中，所述浅槽包围区域为所述P⁺单晶硅热偶臂、所述N⁺单晶硅热偶臂及所述单晶硅加热元件的位置及厚度，所述单晶硅加热元件沿<111>晶向；

4)于所述浅槽侧壁形成侧壁保护层，并于形成有所述侧壁保护层的所述浅槽中沉积牺牲层；

5)于步骤4)所得到的结构表面沉积隔热薄膜，并于所述隔热薄膜上形成通孔，所述通孔暴露出所述单晶硅加热元件两端的接触孔及所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对热端和冷端的接触孔；

6)于步骤5)所得到的结构表面沉积金属层并对其图形化，以实现相邻两所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对冷端的互连，每个所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对热端的互连，从而形成热电堆，另外，通过所述金属层形成所述单晶硅加热元件及所述热电堆的引线焊盘；

7)刻蚀所述隔热薄膜及所述衬底以形成释放槽，所述释放槽包括第一深隔离槽及第二深隔离槽，其中，所述第一深隔离槽形成于相邻所述P⁺单晶硅热偶臂及所述N⁺单晶硅热偶臂之间，所述第二深隔离槽形成于所述单晶硅加热元件两侧；

8)以所述释放槽为窗口腐蚀部分所述衬底及所述牺牲层形成隔热腔体，以释放所述隔热薄膜、所述P⁺单晶硅-N⁺单晶硅热偶对及所述单晶硅加热元件，其中，所述隔热薄膜与所述衬底相连接，并与所述衬底共同围成所述隔热腔体。

10.根据权利要求9所述的热堆式气体质量流量传感器的制备方法，其特征在于：步骤2)中，形成所述P⁺单晶硅热偶臂及所述N⁺单晶硅热偶臂的具体步骤为：

2-1)于所述衬底表面形成第一阻挡层并对其图形化，形成P型离子注入窗口，所述P型离子注入窗口显露出所述P+单晶硅热偶臂所在区域，藉由所述P型离子注入窗口进行P型离子注入，形成P型硅掺杂区；

2-2)于步骤2-1)所得结构表面形成第二阻挡层，对所述第一阻挡层及所述第二阻挡层图形化，形成N型离子注入窗口，所述N型离子注入窗口显露出所述N+单晶硅热偶臂所在区域，藉由所述N型离子注入窗口进行N型离子注入，形成N型硅掺杂区；

2-3)去除所述第二阻挡层，然后在氧气环境下进行主扩工艺，形成所述P+单晶硅热偶臂及所述N+单晶硅热偶臂，同时在衬底表面形成氧化硅层。

11.根据权利要求9所述的热堆式气体质量流量传感器的制备方法，其特征在于：步骤7)中，形成所述释放槽的具体步骤为：

7-1)刻蚀所述释放槽所在区域的所述隔热薄膜，形成第一隔离槽及第二隔离槽；

7-2)沿所述释放槽所在区域继续刻蚀预设深度，以加深所述第一隔离槽及所述第二隔离槽的深度，形成所述释放槽的所述第一深隔离槽及所述第二深隔离槽。

12.根据权利要求9所述的热堆式气体质量流量传感器的制备方法，其特征在于：步骤8)中，形成所述隔热腔体的具体步骤为：

8-1)将步骤7)得到的结构放置于TMAH湿刻溶液中腐蚀，以去除部分所述衬底及所述牺牲层；

8-2)采用BOE湿刻溶液去除所述侧壁保护层。

13.根据权利要求9所述的热堆式气体质量流量传感器的制备方法，其特征在于：所述单晶硅加热元件为P⁺单晶硅加热元件，通过在步骤2)的P型离子注入形成所述P⁺单晶硅热偶臂时，同时在所述单晶硅加热元件区进行P型离子注入形成所述P⁺单晶硅加热元件。

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