CN112960642B - 一种用于高温加热的金属线结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，本发明公开了一种用于高温加热的金属线结构的制备方法。该制备方法包括如下步骤：在硅衬底上制备形成金属线层；在该金属线层上制备绝缘保护层，得到待退火结构；对该待退火结构进行退火处理。本申请提供的制备方法得到的金属线结构具有高温自加热功能及耐高温的特点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种用于高温加热的金属线结构的制备方法。
背景技术
随着微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术的迅猛发展，基于MEMS微机械加工技术制作的微型加热器以其体积小、功耗低、响应时间短、易集成等优势被广泛应用于气体传感、红外探测等领域。
通常，高温加热金属线结构作为MEMS微加热器的核心单元，直接决定了器件整体的性能。目前常用的加热金属有Pt、Mo、W等，其中Pt在650℃以上电阻会出现不稳定现象，因而使用温度受限，要实现更高温的工作环境，还需采用Mo或者W作为加热金属。以Mo为例，其具有很高的熔点(2693℃)、能够图形化、不需粘附层，且与现有的腐蚀工艺相兼容。然而，Mo在350℃以上极易氧化，使得加热结构断路，因此，在Mo表面沉积一层绝缘保护层至关重要。
然而采用现有方法制备得到绝缘保护层仍然存在绝缘保护层致密度不高、残余应力较大的缺点，使得当其应用于高温加热场景中时，存在绝缘保护层翘曲剥落以及加热金属线结构氧化的问题。
发明内容
本发明要解决的是现有技术中绝缘保护层在高温加热条件下易存在的金属易氧化及绝缘保护层翘曲剥落的技术问题。
为解决上述技术问题，本申请公开了一种用于高温加热的金属线结构的制备方法，其包括如下步骤：
在硅衬底上制备形成金属线层；
在该金属线层上制备绝缘保护层，得到待退火结构；
对该待退火结构进行退火处理。
可选地，通过刻蚀或者剥离工艺制备该金属线层；
该金属线层的材料为钼或者钼合金。
可选地，该金属线层的厚度为100-5000埃。
可选地，该金属线层包括连接的加热区和引线区；
该加热区的金属线的宽度小于该引线区的金属线的宽度。
可选地，该加热区的金属线为螺旋结构。
可选地，该在该在硅衬底上制备形成金属线层之前，还包括：
提供一硅片；
采用低压气相沉积工艺在该硅片上沉积氮化硅膜，得到该硅衬底。
可选地，该绝缘保护层的材料为氮化硅；
制备该绝缘保护层的方法为等离子体增强化学气相沉积。
可选地，该在该金属线层上制备绝缘保护层之后，还包括：
利用光刻技术刻蚀该绝缘保护层，形成导电接触孔，该导电接触孔用于暴露出该金属线层的第一预设区域；
对该金属线层的第二预设区域对应的部分硅衬底进行蚀刻。
可选地，对该待退火结构进行退火处理包括：
通过电压设备对该金属线层进行加电压，该电压设备与该导电接触孔电连接。
可选地，该加电压的方法包括：
对该金属线层进行阶梯式施加电压，起始电压为1伏特，电压增量为1伏特，直至金属线层被加热到900-1100摄氏度，每次增加电压的持续时间范围为5-20分钟。
采用上述技术方案，本申请提供的用于高温环境的金属线结构的制备方法具有如下有益效果：
该制备方法包括如下步骤：在硅衬底上制备形成金属线层；在该金属线层上制备绝缘保护层，得到待退火结构；对该该待退火结构进行退火处理。如此情况下，能够使的制备出的该金属线结构具有在高温环境下(例如1000摄氏度以上)不氧化，绝缘保护层不翘曲剥落的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一种可选地实施方式中金属线结构的制备方法的流程图；
图2为本申请一种可选地实施方式中金属线结构的爆炸图；
图3为本申请一种可选地实施方式中金属线层的结构示意图；
图4为本申请另一种可选地实施方式中金属线结构的制备方法的流程图；
图5为本申请另一种可选地实施方式中金属线结构的结构示意图。
以下对附图作补充说明：
1-硅衬底；11-硅片；12-氮化硅膜；2-金属线层；21-加热区；22-引线区；3-绝缘保护层。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
如图1和2所示，图1为本申请一种可选地实施方式中金属线结构的制备方法的流程图；图2为本申请一种可选地实施方式中金属线结构的爆炸图。本申请公开了一种用于高温环境的金属线结构的制备方法，其包括如下步骤：
S101:在硅衬底1上制备形成金属线层2；
S102:在该金属线层2上制备绝缘保护层3，得到待退火结构；
S103:对该待退火结构进行退火处理。
在一种可选地实施方式中，通过刻蚀(干法/湿法)或者剥离(lift-off)工艺制备该金属线层2；该金属线层2的材料为钼或者钼合金。优选地，该金属线的材料为钼，钼具有高强度、高熔点、低热膨胀系数、高热导率以耐腐蚀等优点，可以利用微机械加工技术将其用于太阳能电池、显示屏以及微加热元器件中。
在一种可选地实施方式中，该金属线层2的厚度为100-5000埃。
在一种可选地实施方式中，如图3所示，图3为本申请一种可选地实施方式中金属线层的结构示意图。该金属线层2包括连接的加热区21和引线区22；该加热区21的金属线的宽度小于该引线区22的金属线的宽度。
可选地，从图3可以看出，该金属线的引线区22包括4个引线，优选地，每个引线的宽度在其尺寸范围内尽可能地宽，以降低能量损耗，使得电压能够更集中在加热区21上。
可选地，该金属线的引线区22还可以是2个引线，将该金属线层2的图案展开则形成一条金属线，该一条金属线的靠近端部的位置即为引线区22，加热区21为该金属线中部弯折形成的区域。
在一种可选地实施方式中，由图3可知，该加热区21的金属线为螺旋结构，也可称为双螺旋结构，从而使得该区域的金属线分布更为密集，当在该引线区22上施加电压电流时，由于这种螺旋结构使得加热区21的金属线的电阻较大，从而使得该加热区21产生更多的热量，可选地，该螺旋结构形成的结构可以是圆形、矩形或者椭圆形等，可以根据实际应用进行设计，在此不做限定。
在另一种可选地实施方式中，该加热区21的金属线为直线，当然根据需要还可以是其他形状，例如正余旋形、浪花形以及锯齿形等等，在此不做作限定。
在一种可选地实施方式中，如图4和5所示，图4为本申请另一种可选地实施方式中金属线结构的制备方法的流程图；图5为本申请另一种可选地实施方式中金属线结构的结构示意图。步骤S101之前，还包括：
1)提供一硅片11。
在本实施例中，该硅片11为N型(100)双抛硅片，从而有利于后续再该硅片11的两个表面上沉积氮化硅膜12。
2)采用低压气相沉积工艺在该硅片11上沉积氮化硅膜12，得到该硅衬底1。
可选地，该氮化硅膜12为低应力氮化硅，且沉积的氮化硅膜12的厚度为1000-10000埃。
在一种可选地实施方式中，该绝缘保护层3的材料为氮化硅；制备该绝缘保护层3的方法为等离子体增强化学气相沉积。
可选的，该绝缘保护层3的厚度为100-5000埃。
在一种可选地实施方式中，步骤S103之后，还包括：
S401:利用光刻技术刻蚀该绝缘保护层3，形成导电接触孔，该导电接触孔用于暴露出该金属线层2的第一预设区域。
可选地，该光刻技术为湿法腐蚀技术，腐蚀液为缓冲氧化物刻蚀液(BufferedOxide Etch，BOE)。
在本实施例中，该第一预设区域位于上述的引线区22。
S402:对该金属线层2的第二预设区域对应的部分硅衬底1进行蚀刻。
在本实施例中，从图5可以看出，该第二预设区域为加热区21。
可选地，步骤S402包括：
1)利用光刻及反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching,RIE)技术刻蚀掉硅片11的底部的部分氮化硅膜12，该硅片11的底部即为与制备金属线层2的表面相对的面，得到硅片的腐蚀孔；
2)利用氢氧化钾腐蚀液通过该腐蚀孔蚀刻部分硅片11，即第二预设区域对应的硅片部分。
蚀刻硅衬底1的部分硅片11，该部分硅片11对应上述第二预设区域，从而使得氮化硅膜12对应第二预设区域的部分悬空。
在一种可选地实施方式中，在步骤S103包括：
S403:通过电压设备对该金属线层2进行加电压，该电压设备与该导电接触孔电连接。
可选地，该电压设备包括探针台，将金属线结构置于探针台上，使得探针通过与导电接触孔接触。
可选地，步骤S403中的加压过程为：对所述金属线层2阶梯式施加电压，从1V开始逐渐递增，增量为1V，直至金属线结构被加热到1000℃左右，每伏加压时长范围为5-20分钟。
需要说明的是，上述加压过程中的起始电压还可以是O、0.1V、0.2V或者3V、4V,增量根据需要也可以是0.1V量级或者10V量级等，当然，不同的起始电压、电压增量对应所需的加压时长也会不同，上述实施例仅为优选实施例。
综上所述，本申请提供了一种用于高温加热的金属线结构的制备方法，以高温下易氧化的钼金属为例进行说明，首先利用刻蚀或者剥离工艺在生长了一层低应力氮化硅膜12的硅片11上实现钼金属的图形化，制备出了钼电阻双螺旋结构，即金属线层2。钼电阻结构制备完毕之后，利用PECVD工艺生长氮化硅膜，即绝缘保护层3。绝缘保护层制备完毕之后，对金属线层2和绝缘保护层3进行退火。
通过以上这种首先对钼电阻结构生长PECVD绝缘钝化层再退火的方式，使得该绝缘钝化层在温度达到1100℃的高温下仍然保持完好，而且能够耐受毫秒范围内1000℃温升的热冲击，使得钼金属得到了很好的保护。
以上所述仅为本申请可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于高温加热的金属线结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在硅衬底(1)上制备形成金属线层(2)；
在所述金属线层(2)上制备绝缘保护层(3)，得到待退火结构；
对所述待退火结构进行退火处理；
所述在所述金属线层(2)上制备绝缘保护层(3)之后，还包括：
利用光刻技术刻蚀所述绝缘保护层(3)，形成导电接触孔，所述导电接触孔用于暴露出所述金属线层(2)的第一预设区域；
对所述金属线层(2)的第二预设区域对应的部分硅衬底(1)进行蚀刻；
所述对所述待退火结构进行退火处理包括：
通过电压设备对所述金属线层(2)进行加电压，所述电压设备与所述导电接触孔电连接；
所述加电压的方法包括：
对所述金属线层(2)进行阶梯式施加电压，直至所述金属线层(2)被加热到900-1100摄氏度。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，通过刻蚀或者剥离工艺制备所述金属线层(2)；
所述金属线层(2)的材料为钼或者钼合金。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属线层(2)的厚度为100-5000埃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属线层(2)包括连接的加热区(21)和引线区(22)；
所述加热区(21)的金属线的宽度小于所述引线区(22)的金属线的宽度。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述加热区(21)的金属线为螺旋结构。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在所述硅衬底(1)上制备形成金属线层(2)之前，还包括：
提供一硅片(11)；
采用低压气相沉积工艺在所述硅片(11)上沉积氮化硅膜(12)，得到所述硅衬底(1)。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述绝缘保护层(3)的材料为氮化硅；
制备所述绝缘保护层(3)的方法为等离子体增强化学气相沉积。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述加电压的方法还包括：
起始电压为1伏特，电压增量为1伏特，每次增加电压的持续时间范围为5-20分钟。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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