CN112501593B - 一种流量传感器芯片的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种流量传感器芯片的制造方法，包括步骤：基底，采用光刻法对铺设于基底表面的光刻胶进行显影形成光刻区域，再利用深反应离子刻蚀法刻蚀光刻区域至基底内部，在基底表面形成有至少一个用于制作空腔的槽体；在基底表面和槽体内壁形成保护层；利用聚酰亚胺填充槽体，且所填充高度大于等于槽体的高度；采用干法回刻法去除保护层表面的聚酰亚胺，使聚酰亚胺的表面与保护层表面处于同一水平面；采用等离子体增强化学气相淀积法对聚酰亚胺表面和保护层表面沉淀形成有隔离层；通过对聚酰亚胺加热，使聚酰亚胺固化收缩与隔离层之间形成空腔。本发明具有良好的结构稳定性，适合大批量生产的效果。

Description

一种流量传感器芯片的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体技术的技术领域，尤其是涉及一种流量传感器芯片的制造方法。
背景技术
目前流量传感器已广泛应用于汽车发动机、石油天然气以及医疗设备中气体流量的检测中。现有的一些与温度相关半导体传感器的结构中，有时需要将传感器处于一个悬空膜上，在封装后，传感器下方的基底不与封装的基座接触，而是悬空并与空气或者真空接触，达到降低外界环境温度干扰的目的。
例如公开号为CN102491260A的一篇中国发明专利公开了一种采用腐蚀自停止方式制造流量传感器的方法和公开号为CN102515087A的一篇中国发明专利公开了一种流量传感器的制造方法，都是通过背面腐蚀工艺形成空腔，主要通过对时间的精确控制，与所采用腐蚀溶液的纯度、浓度、温度息息相关，无法精确的控制腐蚀面积和深度，腐蚀基底背面向内凹陷形成槽体，来实现将传感器悬空设置，背面腐蚀会穿透整个基底，在一定程度上会降低传感器整体结构的稳定性，对传感器的寿命大大降低。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目是提供一种流量传感器芯片的制造方法，具有良好的结构稳定性，适合大批量生产。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：一种流量传感器芯片的制造方法，包括步骤：
基底，采用光刻法对铺设于所述基底表面的光刻胶进行显影形成光刻区域，再利用深反应离子刻蚀法刻蚀所述光刻区域至所述基底内部，在所述基底表面形成有至少一个用于制作空腔的槽体；
在所述基底表面和所述槽体内壁形成保护层；
利用聚酰亚胺填充所述槽体，且所填充高度大于等于所述槽体的高度；
采用干法回刻法去除所述保护层表面的聚酰亚胺，使所述聚酰亚胺的表面与所述保护层表面处于同一水平面；
采用等离子体增强化学气相淀积法对所述聚酰亚胺表面和所述保护层表面沉淀形成有隔离层；
通过对所述聚酰亚胺加热，使所述聚酰亚胺固化收缩与所述隔离层之间形成空腔。
通过采用上述技术方案，首先采用光刻法对铺设于所述基底表面的光刻胶进行显影形成光刻区域，再利用深反应离子刻蚀法刻蚀所述光刻区域至所述基底内部形成槽体，对基底精确刻蚀，以适应不同产品规格的需求；在所述基底表面和所述槽体内壁形成保护层，不仅可以修复凹槽刻蚀时造成槽底部和侧壁的损伤，而且提升器件稳定性，还可以对后续工艺进行有效抵挡，防止损伤器件的表面；利用聚酰亚胺填充所述槽体，且所填充高度大于等于所述槽体的高度，通过使用聚酰亚胺对槽体的填充，利用聚酰亚胺的流动性使聚酰亚胺铺设于整个基底表面的保护层上，以使基底表面更加平坦；采用干法回刻法去除所述保护层表面的聚酰亚胺，使所述聚酰亚胺的表面与所述保护层表面处于同一水平面，采用等离子体增强化学气相淀积法对所述聚酰亚胺表面和所述保护层表面沉淀形成有隔离层，首先去除保护层上的聚酰亚胺，使聚酰亚胺与保护层之间处在同一水平面为后续利用等离子体增强化学气相淀积法沉淀隔离层做平坦工艺，使整个传感器表面更加平坦，便于后续工艺的进行；通过对所述聚酰亚胺加热，使所述聚酰亚胺固化收缩与所述隔离层之间形成空腔，通过控制加热温度，实现聚酰亚胺的收缩，达到使隔离层底部与聚酰亚胺之间形成空腔，实现了对传感器的悬空处理，避免了从基底底部穿透基底，降低传感器的整体结构稳定性，增大了传感器的使用寿命，更加高效的制作传感器，适合大批量生产。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述光刻法采用光刻机进行光刻，所述光刻机的对准精确度的范围为±0.3µm。。
通过采用上述技术方案，选用对准精确度范围为±0.3µm的光刻机，实现对控制槽体刻蚀形状及面积的精准把控，便于后续工艺的开展。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述槽体的深度和形状是可调的。
通过采用上述技术方案，对所述槽体的深度和形状可调，来适应现有技术中各种规格传感器对槽体的要求，来实现将传感器与基座悬空。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述保护层包括二氧化硅保护层。
通过采用上述技术方案，利用二氧化硅的做保护层，致密的二氧化硅不仅能修复凹槽刻蚀时造成槽体底部和侧壁的损伤，还能提升器件稳定性以及器件的强度，还能有效抵挡后续工艺对器件表面的损伤。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：形成所述保护层的方法包括热氧化法、烷氧基硫硅烷热分解淀积法和低温氧化法中任意一项。
通过采用上述技术方案，对形成保护层的方法进一步解释，制备二氧化硅保护层可以为热氧化法、烷氧基硫硅烷热分解淀积法和低温氧化法中任意一项，增大了制备二氧化硅的途径，来适应不同条件下制备二氧化硅的局限性。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述干法回刻工艺包括氧等离子体轰击、氟基等离子体刻蚀法中任意一项。
通过采用上述技术方案，对干法回刻法进一步解释，采用氧等离子体轰击、氟基等离子体刻蚀法中任意一项，来适应不同条件下对去除所述保护层表面的聚酰亚胺的局限性。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：对所述隔离层进行平坦化处理。
通过采用上述技术方案，对隔离层进行平坦化处理，便于后续工艺中热电阻金属的布线。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：在所述隔离层上沉淀形成含金属材料的电热层，所述电热层为单层的或多层的结构，所述金属材料为温阻材料。
通过采用上述技术方案，在所述隔离层上沉淀形成含金属材料的电热层，电热层为单层结构或多层结构，使传感器更加多样化，以适应不同工业要求，金属材料选用为温阻材料，利用温阻材料的电阻率随温度变化的特性，实现对传感器的线路的保护，实用寿命更长。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述温阻材料包括金、银、镍或铂中任意一项。
通过采用上述技术方案，制作电热层的材料可以为金、银、镍或铂中任意一项，所列举的材料都是在通电的情况下能够作为电热装置的材料，并且随着温度的变化，材料表现出电阻率随着温度变化的特性。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：对所述电热层作图形化处理，使所述基底表面形成含金属材料的各类图形，所述含金属材料的各类图形为单层结构或是多层结构。
通过采用上述技术方案，对所述电热层作图形化处理，实现电热层的分块，最终实现电热层的多功能分区使用；所述含金属材料的各类图形为单层结构或是多层结构，更能有效的增加电热层的功能多样性。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：对所述聚酰亚胺加热步骤中具体为，对所述电热层作图形化后进行合金化处理，所述合金化温度大于所述聚酰亚胺的固化收缩温度。
通过采用上述技术方案，在对电热层进行合金化的同时，对聚酰亚胺进行加热，使合金化温度大于所述聚酰亚胺的固化收缩温度，在合金化的同时实现聚酰亚胺的固化收缩，在一定程度上减少了工艺步骤，不仅对电热层合金化，还能实现隔离层与聚酰亚胺之间形成空腔，降低工时，提高生产效率。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述合金化温度范围为350~450℃。
通过采用上述技术方案，将合金化温度控制在350~450℃，一方面为了使聚酰亚胺固化收缩，在隔离层与聚酰亚胺之间形成空腔，另一方面，防止温度过高，聚酰亚胺挥发，影响设备内部的洁净度，缩短设备保养清洁周期，影响生产进度，也防止温度过高对已成形部件造成损伤。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：还包括：在所述基底表面沉积形成防护层，并通过光刻和刻蚀工艺形成工作区。
通过采用上述技术方案，在所述基底表面形成防护层，保护电热层在使用时不受到外界的损伤，防止电热层之间的导电，造成短路，通过光刻和刻蚀工艺形成工作区，便于后续安装芯片工序的进行。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述防护层为单层结构或多层结构。
通过采用上述技术方案，将防护层设置为单层结构或多层结构，以适应不同工业要求对传感器规格的要求，实现传感器的多样性，保护传感器的不受到损坏。
综上所述，本发明包括以下有益技术效果：
1、首先采用采用光刻法对铺设于所述基底表面的光刻胶进行显影形成光刻区域，再利用深反应离子刻蚀法刻蚀所述光刻区域至所述基底内部形成槽体，对基底精确刻蚀，以适应不同产品规格的需求；在所述基底表面和所述槽体内壁形成保护层，不仅可以修复凹槽刻蚀时造成槽底部和侧壁的损伤，而且提升器件稳定性，还可以对后续工艺进行有效抵挡，防止损伤器件的表面；利用聚酰亚胺填充所述槽体，且所填充高度大于等于所述槽体的高度，通过使用聚酰亚胺对槽体的填充，利用聚酰亚胺的流动性使聚酰亚胺铺设于整个基底表面的保护层上，以使传感器表面更加平坦；采用干法回刻法去除所述保护层表面的聚酰亚胺，使所述聚酰亚胺的表面与所述保护层表面处于同一水平面，采用等离子体增强化学气相淀积法对所述聚酰亚胺表面和所述保护层表面沉淀形成有隔离层，首先去除保护层上的聚酰亚胺，使聚酰亚胺与保护层之间处在同一水平面为后续利用等离子体增强化学气相淀积法沉淀隔离层做平坦工艺，使整个传感器表面更加平坦，便于后续工艺的进行；通过对所述聚酰亚胺加热，使所述聚酰亚胺固化收缩与所述隔离层之间形成空腔，通过控制加热温度，实现聚酰亚胺的固化收缩，达到使隔离层底部与聚酰亚胺之间形成空腔，实现了对传感器的悬空处置，避免了从基底底部穿透基底，降低传感器的整体结构稳定性，增大了传感器的使用寿命，制作方法更加简单快捷，更加高效的制作传感器，适合大批量生产。
2、在进行合金化时，对聚酰亚胺进行加热，使合金化温度大于所述聚酰亚胺的固化收缩温度，在合金化的同时实现聚酰亚胺的固化收缩，在一定程度上减少了工艺步骤，不仅对电热层合金化，还能实现隔离层与聚酰亚胺之间形成空腔，实现了对传感器的悬空处置，降低工时，提高生产效率。
附图说明
图1为本发明一个实施例的流量传感器芯片的制造方法流程示意图；
图2为本发明一个实施例的结构示意图；
图3为图2沿A-A’方向上的剖面结构示意图；
图4至图12为本发明一个实施例的流量传感器芯片的制造过程的剖面结构示意图。
附图标记：1、基底；2、槽体；3、保护层；4、聚酰亚胺；5、隔离层；6、空腔；7、电热层；71、加热单元；72、测温单元；8、防护层。
具体实施方式
本发明公开了一种流量传感器芯片的制造方法，具体为一种更能不破坏芯片整体结构板稳定性和强度的制造方法。
以下结合附图和本发明的一个实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，该制造流量传感器的方法步骤包括：
步骤S101：基底１，采用光刻法对铺设于基底１表面的光刻胶进行显影形成光刻区域，再利用深反应离子刻蚀法刻蚀光刻区域至基底１内部，在基底１表面形成有至少一个用于制作空腔6的槽体2；
步骤S102：在基底１表面和槽体2内壁形成保护层3；
步骤S103：利用聚酰亚胺4填充槽体2，且所填充高度大于等于槽体2的高度；
步骤S104：采用干法回刻法去除保护层3表面的聚酰亚胺4，使聚酰亚胺4的表面与保护层3表面处于同一水平面；
步骤S105：采用等离子体增强化学气相淀积法对聚酰亚胺4表面和保护层3表面沉淀形成有隔离层5；
步骤S106：通过对聚酰亚胺4加热，使聚酰亚胺4固化收缩与隔离层5之间形成空腔6。
如图2所示，为本发明一个实施例的流量传感器结构的平面结构示意图，在图2所显示的传感器结构的平面图中，在基底１上包含空腔6、加热单元71、测温单元72、电极，为了更好地说明该流量传感器的结构，对上述的传感器结构在A-A’方向做剖面结构示意图，如图3所示。
图3为图2所示的流量传感器结构沿着图中的A-A’方向的剖面结构示意图，从图2中可见，加热单元71和测温单元72形成在具有一定的厚度的隔离层5上，隔离层5悬空在空腔6的顶部。
本领域的技术人员应该认识到，上述由图2和图3所示的流量传感器结构的分布图是示意性的，在此还要理解，其可以根据需要对流量传感器结构的内部各个单元进行位置的排布和调整，都是在本发明申请的保护范围之内另外，对于本发明中涉及加热单元71、测温单元72的形状和/或尺寸也都是可以根据需要进行任意调整的。
下面结合具体实施例和附图对本发明实施例的流量传感器结构的制造过程作进一步说明。
图 4~图 12为本发明一个实施例的流量传感器的制造过程的剖面结构示意图。需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。
如图4所示，在此基底１以硅为例，但是本发明可以采用的基底１材料显然不限于此，本领域技术人员可以根据实际的需要进行相应得调整。
刻蚀基底１，利用光刻工艺和深反应离子刻蚀工艺在基底１正面指定区域内形成制作空腔的槽体2，其中槽体2的形状和/或深度根据实际需要是可调节的，槽体2的形状可以是多边形（含矩形），也可以是圆形，显然也可以是其他形状，在此不在赘述。
优选地，光刻工艺所采用荷兰ASML光刻机进行光刻，形成正面凹槽窗口9，相关工艺要求：
光刻要求：胶厚1.3µm；
光刻参数：胶型HPR204，匀胶转速4500r/min，旋转时间20s，前烘温度100℃，前烘时间30s；曝光能量100mJ；显影时间40s，后烘温度90℃，后烘时间45s。
选用的光刻胶型号和光刻胶厚度可以按照实际情况进行选择，光刻胶的厚度根据刻蚀基底的深度而改变，刻蚀深度越深，需要的光刻胶也要相应加厚。选用的光刻胶也可采用光刻胶与氧化层的组合。优选地，光刻胶的厚度为0.5-2μm，氧化层的厚度为0.5-2μm。
光刻机的对准要求：凹槽层次与零层对准标记的对准精度控制在±0.3以内。
优选地，深反应离子刻蚀工艺所采用的英国SPTS刻蚀机或AVIZA深反应离子刻蚀机进行干法刻蚀，形成制作密封空腔的槽体2结构，相关工艺要求：
干法刻蚀要求：将光刻形成光刻区域内的硅刻蚀一定量，利用Olympus光学显微镜和α-Step台阶测试仪测量刻蚀深度，控制刻蚀深度。
刻蚀槽体2后，在基底１表面和槽体2的内壁上形成保护层3。
优选地，保护层3为二氧化硅保护层，采用热氧化法、烷氧基硫硅烷热分解淀积法或低温氧化法制备二氧化硅保护层。其中热氧化法制备二氧化硅，其反应方程式是Si+O2→SiO2，保护层3厚度可以由下式表示：x²=ct，x为保护层的厚度，c为氧化速率，t为氧化时间，优选采用干氧作为反应气体，干氧生成的二氧化硅层结构比较致密，可以更好的保护基底１，一般情况下有值：干氧(1200℃)，其中c=6.5x10-4μm/min，本领域技术人员可根据需求控制氧化时间，从而控制保护层的厚度。
如图5所示，利用聚酰亚胺4填充槽体2，且所填充高度大于等于槽体2的高度，利用聚酰亚胺4的流动性使聚酰亚胺4铺设于整个基底１表面的保护层3上，以使传感器的表面更加平坦，因此，具体采用何种的聚酰亚胺4材料取决于该种方法材料能否很好地填充满槽体2，并具有良好的流动性。
优选地，采用以下型号的聚酰亚胺4：
FUJI FILM AN3310 、ASAHI 8606，固化收缩温度350度 2小时。
如图6所示，通过干法回刻工艺去除保护层3表面的聚酰亚胺4，同时通过控制干法回刻工艺菜单，确保槽体2内的聚酰亚胺4不被过度刻蚀，使聚酰亚胺4的表面与保护层3的表面处于同一水平面上。
优选地，干法回刻法包括氧等离子体轰击、CHF3、SF6等刻蚀法中任意一项。
更进一步的，采用氧等离子体轰击法，通过控制时间可以有效控制聚酰亚胺4的去除量，同时也降低了因使用其他气体刻蚀而对无聚酰亚胺4覆盖区域的损伤。
如图7所示，采用等离子体增强化学气相淀积法对所述聚酰亚胺4表面和所述保护层3表面沉淀形成有隔离层5，等离子体增强化学气相淀积法可以通过高低频的设置对隔离层5的应力进行调整，从而平衡整个器件的应力，保证了隔离层5在悬空后不会因为内应力而崩裂。
如图8和图9所示，对隔离层5进行平坦化，再通过在隔离层5上沉淀形成含金属材料的电热层7，对电热层7作图形化处理，使隔离层5上形成含金属材料的各类图形。含金属的材料可以是单层结构也可以是多层结构，所沉积的含金属的材料的特征在于在通电的情况下能够作为电热装置的材料，并且随着温度的变化，材料表现出电阻率随着温度变化的特性，含金属的材料可以是金、银、镍或铂等温阻材料。
优选地，含金属的材料选用铂，铂具有很高的熔点，很稳定的化学性能，极强的抗腐蚀能力，电阻温度系数的线性度好，以及具有稳定而重现性极佳的热电性能，与其他温阻材料相比，铂具有较低的热膨胀系数，因此，就会使由于不同种隔膜热膨胀而引起的应力问题最小化。
如图10所示，对聚酰亚胺做加热处理，使加热温度大于聚酰亚胺的固化收缩温度，聚酰亚胺4受热固化收缩，使隔离层5底部与聚酰亚胺4之间形成空腔6，实现了对传感器的悬空处置。
优选地，在对电热层7作图形化时，通常采用炉管工艺对金属进行合金化处理，使合金化温度大于聚酰亚胺4的固化收缩温度。
更进一步的，采用400℃炉管工艺对金属材料进行合金化处理，当进行400℃炉管工艺时，已超过聚酰亚胺4固化温度，这会使得聚酰亚胺4收缩至原厚度的一半左右，由于聚酰亚胺4的收缩使得原先被聚酰亚胺4填满的槽体2会形成一个空腔6，空腔6的作用是热隔绝，流量传感器的测量灵敏度和精度直接取决于热电阻底部的热隔绝能力。在此需要明确指出，本发明中用于形成空腔6的聚酰亚胺4材料的选择不限于任何型号，其关键在于所选的聚酰亚胺4的填充效果和固化收缩温度，因此本领域技术人员可以根据实际的需要进行相应得调整。
如图11所示，在图形化后的电热层7表面沉积钝化防护层8，防护层8可以是单层结构或者多层结构。
优选地，防护层8采用氮化硅或氧化层与氮化硅的组合。
如图12所示，通过光刻和刻蚀工艺对防护层8进行刻蚀形成金属PAD窗口9。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种流量传感器芯片的制造方法，其特征在于，包括步骤：
基底(1)，采用光刻法对铺设于所述基底(1)表面的光刻胶进行显影形成光刻区域，再利用深反应离子刻蚀法刻蚀所述光刻区域至所述基底(1)内部，在所述基底(1)表面形成有至少一个用于制作空腔(6)的槽体(2)；
在所述基底(1)表面和所述槽体(2)内壁形成保护层(3)，保护层(3)为二氧化硅保护层(3);
利用聚酰亚胺(4)填充所述槽体(2)，且所填充高度大于等于所述槽体(2)的高度；
采用干法回刻法去除所述保护层(3)表面的聚酰亚胺(4)，使所述聚酰亚胺(4)的表面与所述保护层(3)表面处于同一水平面；
采用等离子体增强化学气相淀积法对所述聚酰亚胺(4)表面和所述保护层(3)表面沉淀形成隔离层(5)；
通过对所述聚酰亚胺(4)加热，使所述聚酰亚胺(4)固化收缩与所述隔离层(5)之间形成空腔(6)；其中聚酰亚胺(4)的固化收缩温度是350度、固化收缩时间是两小时。
2.根据权利要求1所述的流量传感器芯片的制造方法，其特征在于，所述光刻法采用光刻机进行光刻，所述光刻机的对准精确度的范围为±0.3µm。
3.根据权利要求1所述的流量传感器芯片的制造方法，其特征在于，所述槽体(2)的深度和形状是可调的。
4.根据权利要求1所述的流量传感器芯片的制造方法，其特征在于，形成所述保护层(3)的方法包括热氧化法、烷氧基硫硅烷热分解淀积法和低温氧化法中任意一项。
5.根据权利要求1所述的流量传感器芯片的制造方法，其特征在于，所述干法回刻法包括氧等离子体轰击、氟基等离子体刻蚀法中任意一项。
6.根据权利要求1所述的流量传感器芯片的制造方法，其特征在于，还包括：对所述隔离层(5)进行平坦化处理。
7.根据权利要求1所述的流量传感器芯片的制造方法，其特征在于，还包括：在所述隔离层(5)上沉淀形成含金属材料的电热层(7)，所述电热层(7)为单层的或多层的结构，所述金属材料为温阻材料。
8.根据权利要求7所述的流量传感器芯片的制造方法，其特征在于，所述温阻材料包括金、银、镍或铂中任意一项。
9.根据权利要求 7或8所述的流量传感器芯片的制造方法，其特征在于，还包括：对所述电热层(7)作图形化处理，使所述基底(1)表面形成含金属材料的各类图形，所述含金属材料的各类图形为单层结构或多层结构。
10.根据权利要求9所述的流量传感器芯片的制造方法，其特征在于，对所述聚酰亚胺(4)加热步骤具体为，对所述电热层(7)作图形化后进行合金化处理，所述合金化温度大于所述聚酰亚胺(4)的固化收缩温度。
11.根据权利要求10所述的流量传感器芯片的制造方法，其特征在于，所述合金化温度范围为350～450℃。
12.根据权利要求1所述的流量传感器芯片的制造方法，其特征在于，还包括：在所述基底(1)表面沉积形成防护层(8)，并通过光刻和刻蚀工艺形成工作区。
13.根据权利要求12所述的流量传感器芯片的制造方法，其特征在于，所述防护层(8)为单层结构或多层结构。
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