CN115057406A - 一种基于蛇形多孔硅隔热层的mems真空计及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于蛇形多孔硅隔热层的MEMS真空计及制备方法，该真空计包括真空计主体和键合于其上方的硅帽，真空计主体包括由下到上依次设置的硅衬底、掩膜层一、绝缘介质层一和铂金电极；硅衬底上通过电化学刻蚀方法形成蛇形多孔硅隔热层，蛇形多孔硅隔热层上方依次沉积有绝缘介质层一和铂金电极，相邻的蛇形多孔硅隔热层之间的硅衬底上依次沉积有掩膜层二和绝缘介质层一；硅帽位于蛇形多孔硅隔热层的上方，并与真空计主体形成检测腔体，硅帽具有空气微流道。本发明所公开的真空计可以解决薄膜型真空计在强烈的气体对流中易造成薄膜损坏的问题，能够增强真空计的鲁棒性，提高在实际工作环境中的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及真空测量技术领域，特别涉及一种基于蛇形多孔硅隔热层的MEMS真空计及制备方法。
背景技术
MEMS真空计被广泛应用于真空度检测等领域。MEMS真空计是利用MEMS加热铂金电极的温度对气体压强敏感的原理来测量腔体或环境的气体压强。MEMS真空计由单晶硅衬底、悬浮微热板、加热电极、通气型硅帽组成。单晶硅衬底是整个芯片的基础作为支撑芯片的整体结构。悬浮微热板是由支撑薄膜和加热金属电极构成。通过在加热电极两端施加电压产生焦耳热。通气型硅帽加装在金属加热电极上，一方面增强了气体热传导过程从而增强了真空计的灵敏度，另一方面是通过控制硅帽空气隙的尺寸来控制真空计的不同敏感范围。MEMS真空计通过在微尺寸下利用气体导热原理来测量真空度。
目前，MEMS真空计采用半导体加工工艺制备。首先在单晶硅晶圆上生长沉积一定厚度的二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者以上三种的复合薄膜结构，然后在所沉积的薄膜上制作加热层。最后通过体硅刻蚀或者正面刻蚀牺牲层技术释放薄膜结构。但是在实际的真空计工作过程中，真空计往往会面对抽气过程中的强烈气体对流的冲击，这在一定程度上会对真空计薄膜造成永久性伤害，从而降低了薄膜结构的真空计的稳定性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于蛇形多孔硅隔热层的MEMS真空计及制备方法，可以解决薄膜型MEMS真空计在强烈的气体对流中易造成薄膜损坏的问题，增强MEMS真空计的鲁棒性，提高MEMS真空计在实际工作环境中的稳定性，同时蛇形多孔硅隔热层也保证了较好的的隔热效果。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于蛇形多孔硅隔热层的MEMS真空计，包括真空计主体和键合于其上方的硅帽，所述真空计主体包括由下到上依次设置的硅衬底、掩膜层一、绝缘介质层一和铂金电极，所述铂金电极分布于所述绝缘介质层一的局部区域上；所述硅衬底上通过电化学刻蚀方法形成蛇形多孔硅隔热层，所述蛇形多孔硅隔热层上方依次沉积有绝缘介质层一和铂金电极，相邻的蛇形多孔硅隔热层之间的硅衬底上依次沉积有掩膜层二和绝缘介质层一；所述硅帽位于所述蛇形多孔硅隔热层的上方，并与所述真空计主体形成检测腔体，所述硅帽具有与外界连通的空气微流道。
进一步的技术方案中，所述掩膜层一和绝缘介质层一之间还设置有掩膜层二。
上述方案中，所述掩膜层一和掩膜层二均包括由下到上依次设置的绝缘介质层二和多晶硅层。
上述方案中，所述绝缘介质层一和绝缘介质层二的材料为氮氧化硅、二氧化硅或氮化硅。
上述方案中，所述硅帽内部依次生长有铂金层和铂黑层。
上述方案中，所述铂金电极采用惠斯通电桥结构。
一种基于蛇形多孔硅隔热层的MEMS真空计的制备方法，包括如下步骤：
(1)在硅晶圆上使用薄膜生长技术生长掩膜层一；
(2)经过光刻曝光后采用干法刻蚀技术，形成蛇形硅条；
(3)将刻蚀后的硅晶圆使用薄膜生长技术生长掩膜层二；
(4)经过光刻曝光采用干法选择性刻蚀技术，刻蚀掉生长在蛇形硅条上的掩膜层二；
(5)利用电化学刻蚀方法对硅晶圆上暴露出硅的区域进行腐蚀，形成蛇形多孔硅隔热层；
(6)在形成蛇形多孔硅隔热层的硅晶圆上利用薄膜生长技术沉积绝缘介质层一；
(7)利用电子束蒸镀或者磁控溅射技术在硅晶圆上沉积一层铂金属，经过lift-off工艺后形成设计形状的铂金电极，得到真空计主体；
(8)最后将带有空气微流道的硅帽使用键合材料键合在真空计主体的非多孔硅隔热层区域，并与多孔硅隔热层区域形成检测腔体。
上述方案中，所述电化学刻蚀方法中用一定体积分数的HF和无水乙醇按照1:1的体积比混合后进行刻蚀，通电刻蚀时间为100分钟。
上述方案中，所述蛇形多孔硅隔热层的孔隙率为68％。
上述方案中，所述硅帽的制备方法如下：在硅晶圆上生长沉积一层抗KOH腐蚀的薄膜，再经过光刻曝光后形成区域化刻蚀区域，最后通过KOH湿法体硅刻蚀形成硅帽。
通过上述技术方案，本发明提供的一种基于蛇形多孔硅隔热层的MEMS真空计及制备方法具有如下有益效果：
1、本发明创新性地提出了使用高机械稳定性和低导热系数的多孔硅隔热层作为MEMS真空计的隔热结构，并搭配了惠斯通电桥结构提高了器件的灵敏度且相较于现有的使用薄膜结构的MEMS真空计的易碎性，本发明具有更好的抗冲击和更高的鲁棒性。
2、本发明采用蛇形多孔硅隔热层相比于整体的多孔硅隔热层具有更好的隔热效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例1所公开的一种基于蛇形多孔硅隔热层的MEMS真空计正视截面图；
图2为本发明实施例1和2所公开的真空计主体俯视图；
图3a-3h分别为本发明实施例1所公开的一种基于多孔硅隔热层的MEMS真空计的制备方法过程示意图；
图4为本发明实施例2所公开的一种基于蛇形多孔硅隔热层的MEMS真空计正视截面图；
图5a-5h分别为本发明实施例2所公开的一种基于多孔硅隔热层的MEMS真空计的制备方法过程示意图。
图中，1、硅帽；2、硅衬底；3、二氧化硅层；4、多晶硅层；5、氮氧化硅层；6、铂金电极；7、蛇形多孔硅隔热层；8、检测腔体；9、空气微流道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种基于蛇形多孔硅隔热层7的MEMS真空计，包括真空计主体和键合于其上方的硅帽1。如图2所示，真空计主体包括由下到上依次设置的硅衬底2、掩膜层一、掩膜层二、氮氧化硅层5和铂金电极6，铂金电极6分布于氮氧化硅层5的局部区域上；硅衬底2上通过电化学刻蚀方法形成蛇形多孔硅隔热层7，蛇形多孔硅隔热层7上方依次沉积有氮氧化硅层5和铂金电极6，相邻的蛇形多孔硅隔热层7之间的硅衬底2上依次沉积有掩膜层二和氮氧化硅层5；硅帽1位于真空计主体的上方，并与蛇形多孔硅隔热层7之间形成检测腔体8，硅帽1具有与外界连通的空气微流道9，外界气体可以通过空气微流道9进入检测腔体8内，并且检测腔体8内气压与外界气压一致；该空气微流道9可设置在硅帽1的任一位置。通过不同气体压强下的气体导热系数不同，通过铂金电极6(集成有加热电阻和热敏电阻的功能)就可以得到不同气压下的加热电阻的温度，从而计算出不同温度下的气压值。
掩膜层可以抗HF(氢氟酸)腐蚀，本实施例中，掩膜层一和掩膜层二包括由下到上依次设置的二氧化硅层3和多晶硅层4。
氮氧化硅层5作为绝缘介质层一，材料也可以为二氧化硅或氮化硅。
二氧化硅层3作为绝缘介质层二，材料也可以为氮氧化硅或氮化硅。
本实施例中，绝缘介质层一的材料为氮氧化硅，绝缘介质层二的材料为二氧化硅。
另外，掩膜层一和掩膜层二也可以为铂金层。
本实施例中，硅衬底2为单晶硅衬底。
硅帽1内部依次生长有铂金层和铂黑层，以增加气体散热，提高真空计的灵敏度。
本实施例中，铂金电极6采用惠斯通电桥结构，可以增强器件的灵敏度。
一种基于蛇形多孔硅隔热层的MEMS真空计的制备方法，包括如下步骤：
(1)在如图3a所示的硅晶圆上使用薄膜生长技术(如LPCVD)生长二氧化硅层3，然后使用多晶硅生长技术(如LPCVD)在二氧化硅层3上生长多晶硅层4，得到图3b所示结构；本发明使用的硅晶圆为P型<100>晶向，厚度为500微米。
(2)经过光刻曝光后采用RIE(反应离子刻蚀)或者ICP(电感耦合等离子体)等干法刻蚀技术，形成蛇形硅条，如图3c所示；
(3)重复步骤(1)，即将刻蚀后的硅晶圆使用薄膜生长技术(如LPCVD)生长二氧化硅层3，然后使用多晶硅生长技术(如LPCVD)在二氧化硅层3上生长多晶硅层4，此时，蛇形硅条之间的硅晶圆上也沉积有二氧化硅层3和多晶硅层4，得到图3d所示结构；
(4)经过光刻曝光后采用RIE或者ICP等干法选择性刻蚀技术，刻蚀掉生长在蛇形硅条上的二氧化硅层3和多晶硅层4，以暴露出硅；在刻蚀时，需要避免刻蚀掉沉积在蛇形硅条间隙中的二氧化硅层3和多晶硅层4，本实施例中，其他区域的二氧化硅层3和多晶硅层4全部保留，如图3e所示；
(5)利用电化学刻蚀方法对硅晶圆上暴露出硅的区域进行腐蚀，形成蛇形多孔硅隔热层7，如图3f所示；具体为：
将硅晶圆浸入HF和无水乙醇的混合溶液中，并通过电化学腐蚀的方法腐蚀单晶硅，通过控制刻蚀液的比例、腐蚀时间和腐蚀电流可以形成不同厚度和孔隙率的多孔硅。本实施例中，体积分数为49％的HF和无水乙醇按照1:1的体积比混合，通电刻蚀时间为100分钟；形成的蛇形多孔硅隔热层7的孔隙率为68％，导热率为0.8W/(m·K)。
(6)在形成蛇形多孔硅隔热层7的硅晶圆上利用薄膜生长技术，如PECVD(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition,等离子体增强化学气相沉积法)生长沉积氮氧化硅层5(绝缘介质层一)，如图3g所示；氮氧化硅层5具有疏水性和密闭性，可以有效避免空气或者设备中的水分对多孔硅隔热层7形成污染从而降低器件的稳定性。
(7)利用电子束蒸镀或者磁控溅射技术在硅晶圆上沉积一层铂金属，经过lift-off工艺后形成设计形状的铂金电极6，得到真空计主体，如图3h所示；其中铂金电极6采用惠斯通电桥，以增强器件的灵敏度。
(8)最后将带有空气微流道9的硅帽1键合在真空计主体的非蛇形多孔硅隔热层的区域上，并与蛇形多孔硅隔热层7区域形成检测腔体,得到图1所示结构。
其中，硅帽1的制备可以通过KOH体硅刻蚀技术或者ICP等干法刻蚀技术得到。具体方法如下：在硅晶圆上生长沉积一层抗KOH掩膜层(如氮化硅薄膜)，再经过光刻曝光后形成区域化刻蚀区域，最后通过KOH湿法刻蚀形成硅帽1。硅帽1内部利用电子束蒸镀技术或者磁控溅射技术生长一层铂金层，并通过电镀的方式在铂金层上生长铂黑层，以增强热量的传递。
实施例2
实施例2的结构如图4所示，与实施例1的区别在于，真空计主体上只有掩膜层一(二氧化硅层3和多晶硅层4)，其它结构同实施例1。
具体体现在，制备过程中，步骤(4)，在刻蚀时，真空计主体上其他区域第二次沉积的掩膜层二(二氧化硅层3和多晶硅层4)被刻蚀，形成如图5e所示的结构，其它制备过程与实施例1相同，具体见图5a-5h，在此不做赘述。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于蛇形多孔硅隔热层的MEMS真空计，其特征在于，包括真空计主体和键合于其上方的硅帽，所述真空计主体包括由下到上依次设置的硅衬底、掩膜层一、绝缘介质层一和铂金电极，所述铂金电极分布于所述绝缘介质层一的局部区域上；所述硅衬底上通过电化学刻蚀方法形成蛇形多孔硅隔热层，所述蛇形多孔硅隔热层上方依次沉积有绝缘介质层一和铂金电极，相邻的蛇形多孔硅隔热层之间的硅衬底上依次沉积有掩膜层二和绝缘介质层一；所述硅帽位于所述蛇形多孔硅隔热层的上方，并与所述真空计主体形成检测腔体，所述硅帽具有与外界连通的空气微流道。
2.根据权利要求1所述的一种基于蛇形多孔硅隔热层的MEMS真空计，其特征在于，所述掩膜层一和绝缘介质层一之间还设置有掩膜层二。
3.根据权利要求2所述的一种基于蛇形多孔硅隔热层的MEMS真空计，其特征在于，所述掩膜层一和掩膜层二均包括由下到上依次设置的绝缘介质层二和多晶硅层。
4.根据权利要求3所述的一种基于蛇形多孔硅隔热层的MEMS真空计，其特征在于，所述绝缘介质层一和绝缘介质层二的材料为氮氧化硅、二氧化硅或氮化硅。
5.根据权利要求1所述的一种基于蛇形多孔硅隔热层的MEMS真空计，其特征在于，所述硅帽内部依次生长有铂金层和铂黑层。
6.根据权利要求1所述的一种基于蛇形多孔硅隔热层的MEMS真空计，其特征在于，所述铂金电极采用惠斯通电桥结构。
7.一种如权利要求1所述的基于蛇形多孔硅隔热层的MEMS真空计的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在硅晶圆上使用薄膜生长技术生长掩膜层一；
(2)经过光刻曝光后采用干法刻蚀技术，形成蛇形硅条；
(3)将刻蚀后的硅晶圆使用薄膜生长技术生长掩膜层二；
(4)经过光刻曝光采用干法选择性刻蚀技术，刻蚀掉生长在蛇形硅条上的掩膜层二；
(5)利用电化学刻蚀方法对硅晶圆上暴露出硅的区域进行腐蚀，形成蛇形多孔硅隔热层；
(6)在形成蛇形多孔硅隔热层的硅晶圆上利用薄膜生长技术沉积绝缘介质层一；
(7)利用电子束蒸镀或者磁控溅射技术在硅晶圆上沉积一层铂金属，经过lift-off工艺后形成设计形状的铂金电极，得到真空计主体；
(8)最后将带有空气微流道的硅帽使用键合材料键合在真空计主体的非多孔硅隔热层区域，并与多孔硅隔热层区域形成检测腔体。
8.根据权利要求7所述的基于蛇形多孔硅隔热层的MEMS真空计的制备方法，其特征在于，所述电化学刻蚀方法中用一定体积分数的HF和无水乙醇按照1:1的体积比混合后进行刻蚀，通电刻蚀时间为100分钟。
9.根据权利要求7所述的基于蛇形多孔硅隔热层的MEMS真空计的制备方法，其特征在于，所述蛇形多孔硅隔热层的孔隙率为68％。
10.根据权利要求7所述的基于蛇形多孔硅隔热层的MEMS真空计的制备方法，其特征在于，所述硅帽的制备方法如下：在硅晶圆上生长沉积一层抗KOH腐蚀的薄膜，再经过光刻曝光后形成区域化刻蚀区域，最后通过KOH湿法体硅刻蚀形成硅帽。
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