CN1664523A - 纳米尺度微型温度传感器的制作方法 - Google Patents

纳米尺度微型温度传感器的制作方法 Download PDF

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杨拥军
徐淑静
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Abstract

本发明公开了一种纳米尺度微型温度传感器的制作方法，涉及传感器领域中的一种纳米尺度测量温度传感器器件的制作。本发明制作的器件由单晶硅片、下层氮化硅膜层、上层氮化硅膜层、粘附层、温敏电阻层、导电层、悬臂梁、二氧化硅膜层构成。它采用微机械加工工艺制作温敏电阻层作为测量温度的敏感元件，周围环境温度的变化引起其阻值的变化，达到测量温度，作为传感器的目的。本发明制作的器件还具有体积极小、温度测量范围极宽、结构简单、重量轻、热容量小、响应速度快、线性度好、功耗低、可靠性高、一致性好、成本低等特点。特别适用于微流体传感器等要求体积较小的场合作为精确温度测量及IC芯片、传感器芯片等嵌入式在片温度测量的传感器装置。

Description

纳米尺度微型温度传感器的制作方法
技术领域
本发明涉及传感器领域中的一种纳米尺度微型温度传感器的制作方法，本发明制作的器件特别适用于微流体传感器等要求体积较小的场合作为精确温度测量及IC芯片、传感器芯片等嵌入式在片温度测量的传感器装置。
背景技术
温度传感器被广泛的应用于个人计算机、移动电话、汽车、医用设备、游戏控制台、微流体传感器等设备中。随着IC集成度的提高和笔记本电脑、移动终端、PDA等便携式设备的普及，功耗散热问题变得越来越突出。只有对芯片的工作温度进行精确的控制，才能保证设备稳定工作。微流体传感器中也需要体积很小的温度传感器来敏感气流的温度。传统的温度传感器由于体积大、功耗高、线性度不好等不足，从而制约了其进一步发展和应用。
纳电子机械系统又称NEMS，是在微电子系统(MEMS)基础上发展起来的、特征尺寸在0.1-100纳米范围内的一种新兴技术。纳米技术的主要应用领域有：光通信、微波通信、医学、家电等，因此采用纳米技术制作温度传感器，来进一步提高电子产品的性能已成为关键技术。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种采用微机械加工工艺的纳米尺度微型温度传感器的制作方法，并且本发明方法制作的器件还具有体积极小、温度测量范围极宽、结构简单、重量轻、热容量小、响应速度快、测量精度高、线性度好、功耗低、可靠性高、一致性好、成本低等特点。
本发明的目的是这样实现的，它包括步骤：
①在单晶硅片1上面采用低压化学气相淀积工艺或等离子增强化学气相淀积工艺淀积、热生长一层二氧化硅膜层8；
②在单晶硅片1下面采用低压化学气相淀积工艺或等离子增强化学气相淀积工艺淀积一层下层氮化硅膜层2；
③二氧化硅膜层8上面采用低压化学气相淀积工艺或等离子增强化学气相淀积工艺淀积一层上层氮化硅膜层3；
④在上层氮化硅膜层3上面涂一层光刻胶，采用光刻工艺光刻形成温敏电阻层5的结构图形；
⑤采用磁控溅射工艺在上层氮化硅膜层3上、温敏电阻层5的结构图形上溅射一层粘附层4；
⑥采用磁控溅射工艺在粘附层4上面溅射一层温敏电阻层5；
⑦采用磁控溅射工艺在温敏电阻层5上面溅射一层导电层6；
⑧将单晶硅片1放入酒精容器内，采用超声剥离工艺剥离掉温敏电阻层5结构图形以外的粘附层4、温敏电阻层5、导电层6，单晶硅片1上两侧露出上层氮化硅膜层3，形成粘附层4、温敏电阻层5、导电层6结构层；
⑨在导电层6结构层上涂一层光刻胶，采用光刻工艺光刻形成导电层6电极结构图形；
⑩采用碘化钾湿法腐蚀工艺，腐蚀温敏电阻层5上面中间部位的导电层6，露出中间部位的温敏电阻层5，形成导电层6电极结构；
在单晶硅片1上露出的两侧上层氮化硅膜层3上、露出中间部位的温敏电阻层5上、导电层6电极结构上面涂一层光刻胶，光刻出悬臂梁7结构图形；
采用等离子体刻蚀工艺在上层氮化硅膜层3上面刻蚀形成悬臂梁7结构，露出上层氮化硅膜层3下面的二氧化硅膜层8；
采用氢氟酸缓冲液腐蚀掉露出上层氮化硅膜层3下面的二氧化硅膜层8、悬臂梁7结构下面的二氧化硅膜层8，形成悬空的悬臂梁7结构；
采用硅各向异性湿法腐蚀工艺腐蚀单晶硅片1形成腔体结构，悬臂梁7、粘附层4、温敏电阻层5、导电层6悬空固定在单晶硅片1腔体上，完成纳米尺度微型温度传感器制作。
本发明下层氮化硅膜层2的厚度尺寸为300纳米至3000纳米；上层氮化硅膜层3的厚度尺寸为300纳米至3000纳米；粘附层4的厚度尺寸为5纳米至500纳米；温敏电阻层5的厚度尺寸为5纳米至500纳米；导电层6的厚度尺寸为5纳米至3000纳米。
本发明上层氮化硅膜层3可采用氮化硅、或浓硼硅、二氧化硅制作；粘附层4可采用铬、或钛、镍铬合金制作；温敏电阻层5可采用铂、或钨、镍铬合金、铂铑合金制作；导电层6可采用金、或铜、铝制作。
本发明相比背景技术具有如下优点：
1、本发明采用微电子加工工艺制作成多层薄膜结构的温度测量传感器，因此本发明制作的器件体积极小；采用温敏电阻层5作为测温敏感元件，具有温度测量精度高、线性度好、一致性好、性能稳定可靠、温度测量范围宽(可达-78℃至600℃)的优点。
2、本发明采用单晶硅片1腔体结构和悬臂梁7结构，将整体结构悬空，使本发明制作的传感器降低热容量、温度响应快、功耗低。
3、本发明采用微机械工艺加工制作，使器件具有结构简单、重量轻、加工成品率高、成本低、便于批量生产等优点。
附图说明
图1是本发明的主视结构示意图。
图2是本发明的三维结构示意图。
图1、图2中，1为单晶硅片、2为下层氮化硅膜层、3为上层氮化硅膜层、4为粘附层、5为温敏电阻层、6为导电层、7为悬臂梁、8为二氧化硅膜层。
具体实施方式
参照图1图2，本发明制作步骤是：
(1)在单晶硅片1上面采用通用的低压化学气相淀积设备的低压化学气相淀积工艺或等离子增强化学气相淀积设备的等离子增强化学气相淀积工艺淀积、氧化炉设备的热生长工艺热生长一层二氧化硅膜层8结构，作为腐蚀单晶硅片1的牺牲层。实施例采用氧化炉设备热生长一层二氧化硅膜8。
(2)在单晶硅片1下面采用通用的化学气相淀积设备的低压化学气相淀积工艺或等离子增强化学气相淀积设备的等离子增强化学气相淀积工艺淀积一层下层氮化硅膜层2，下层氮化硅膜层2的淀积厚度为300纳米至3000纳米。实施例采用低压化学气相淀积工艺淀积下层氮化硅膜2，淀积厚度为500纳米。
(3)二氧化硅膜层8上面采用通用的低压化学气相淀积设备的低压化学气相淀积工艺或等离子增强化学气相淀积工艺淀积一层上层氮化硅膜层3结构，下层氮化硅膜层3可采用氮化硅、或浓硼硅、二氧化硅制作，淀积厚度为300纳米至3000纳米。实施例采用低压化学气相淀积工艺淀积下层氮化硅膜3，淀积厚度为500纳米，采用氮化硅材料制作。
(4)在上层氮化硅膜层3上面用涂胶机涂一层正胶AZ1500型光刻胶，采用通用光刻机的光刻工艺光刻形成温敏电阻层5的结构图形；
(5)采用磁控溅射台的磁控溅射工艺在上层氮化硅膜层3上、温敏电阻层5的结构图形上溅射一层粘附层4，其作用是用来连接悬臂梁7和温敏电阻层5，粘附层4的厚度尺寸为5纳米至500纳米，材料可采用铬、或钛、镍铬合金制作。实施例粘附层4的加工厚度为10纳米，采用铬材料制作。
(6)采用磁控溅射台的磁控溅射工艺在粘附层4上面溅射一层温敏电阻层5，作为温度敏感元件，其原理是周围环境温度的变化引起阻值的变化，从而可以测量温度的变化。温敏电阻层5的厚度尺寸为5纳米至500纳米，根据温敏电阻层5的不同厚度可以制作成不同规格的温度传感器。材料可以采用铂、或钨、镍铬合金、铂铑合金制作。实施例制作温敏电阻层5的厚度为10纳米，采用铂材料制作，铂材料的温度测量范围可制作达到-78℃至600℃，温度测量范围极宽。
(7)采用磁控溅射台的磁控溅射工艺在温敏电阻层5上面溅射一层导电层6，其作用为降低引线电阻和限定温敏电阻层5感受温度变化的区域。导电层6的厚度尺寸为5纳米至3000纳米，可以采用金、或铜、铝制作。实施例导电层6的溅射厚度为10纳米，采用金材料制作。
(8)将单晶硅片1放入酒精容器内，采用超声设备的超声剥离工艺剥离掉温敏电阻层5的结构图形以外的粘附层4、温敏电阻层5、导电层6，单晶硅片1上两侧露出上层氮化硅膜层3，形成粘附层4、温敏电阻层5、导电层6结构层；
(9)在导电层6上用涂胶机涂一层正胶AZ1500型光刻胶，采用通用光刻机的光刻工艺光刻形成导电层6电极结构图形；
(10)采用碘化钾湿法腐蚀工艺，腐蚀温敏电阻层5上面中间部位的导电层6，露出中间部位的温敏电阻层5，温敏电阻层5两端形成导电层6电极结构；使用时整个传感器封装后由导电层6电极作为外电路的接线电极。
(11)在单晶硅片1上露出的两侧上层氮化硅膜层3上、露出中间部位的温敏电阻层5上、导电层6电极结构上涂一层正胶AZ1500型光刻胶，采用通用光刻机的光刻工艺光刻出悬臂梁7结构图形；
(12)采用等离子体刻蚀设备的等离子体刻蚀工艺在氮化硅膜层3上面刻蚀形成悬臂梁7结构，露出上层氮化硅膜层3下面的二氧化硅膜层8；
(13)采用氢氟酸缓冲液腐蚀掉露出上层氮化硅膜层3下面的二氧化硅膜层8、悬臂梁7结构下面的二氧化硅膜层8，形成悬空的悬臂梁7结构；
(14)采用硅各向异性湿法腐蚀工艺腐蚀单晶硅片1形成腔体结构，悬臂梁7、粘附层4、温敏电阻层5、导电层6悬空固定在单晶硅片1腔体上，完成纳米尺度微型温度传感器制作。
本发明的简要工作原理如下：导电层6两端接入被测电路中，由于温敏电阻层5周围温度的变化，引起温敏电阻层5阻值的变化，从而根据阻值变化的大小可以直接转换测出温度变化的大小，达到测量温度、作为传感器的目的。特别适用于微流体传感器等要求体积较小的场合作为精确温度测量及IC芯片、传感器芯片等嵌入式在片温度测量的传感器装置。

Claims (3)

1、一种纳米尺度微型温度传感器的制作方法，其特征在于包括步骤：
①在单晶硅片(1)上面采用低压化学气相淀积工艺或等离子增强化学气相淀积工艺淀积、热生长工艺热生长一层二氧化硅膜层(8)；
②在单晶硅片(1)下面采用低压化学气相淀积工艺或等离子增强化学气相淀积工艺淀积一层下层氮化硅膜层(2)；
③二氧化硅膜层(8)上面采用低压化学气相淀积工艺或等离子增强化学气相淀积工艺淀积一层上层氮化硅膜层(3)；
④在上层氮化硅膜层(3)上面涂一层光刻胶，采用光刻工艺光刻形成温敏电阻层(5)的结构图形；
⑤采用磁控溅射工艺在上层氮化硅膜层(3)上、温敏电阻层(5)的结构图形上溅射一层粘附层(4)；
⑥采用磁控溅射工艺在粘附层(4)上面溅射一层温敏电阻层(5)；
⑦采用磁控溅射工艺在温敏电阻层(5)上面溅射一层导电层(6)；
⑧将单晶硅片(1)放入酒精容器内，采用超声剥离工艺剥离掉温敏电阻层(5)结构图形以外的粘附层(4)、温敏电阻层(5)、导电层(6)，单晶硅片(1)上两侧露出上层氮化硅膜层(3)，形成粘附层(4)、温敏电阻层(5)、导电层(6)结构层；
⑨在导电层(6)结构层上涂一层光刻胶，采用光刻工艺光刻形成导电层(6)电极结构图形；
⑩采用碘化钾湿法腐蚀工艺，腐蚀温敏电阻层(5)上面中间部位的导电层(6)，露出中间部位的温敏电阻层(5)，温敏电阻层(5)两端形成导电层(6)电极结构；
在单晶硅片(1)上露出的两侧上层氮化硅膜层(3)上、露出中间部位的温敏电阻层(5)上、导电层(6)电极结构上面涂一层光刻胶，光刻出悬臂梁(7)结构图形；
采用等离子体刻蚀工艺在上层氮化硅膜层(3)上面刻蚀形成悬臂梁(7)结构，露出上层氮化硅膜层(3)下面的二氧化硅膜层(8)；
采用氢氟酸缓冲液腐蚀掉露出上层氮化硅膜层(3)下面的二氧化硅膜层(8)、悬臂梁(7)结构下面的二氧化硅膜层(8)，形成悬空的悬臂梁(7)结构；
采用硅各向异性湿法腐蚀工艺腐蚀单晶硅片(1)形成腔体结构，悬臂梁(7)、粘附层(4)、温敏电阻层(5)、导电层(6)悬空固定在单晶硅片(1)腔体上，完成纳米尺度微型温度传感器制作。
2、根据权利要求1所述的纳米尺度微型温度传感器的制作方法，其特征在于：下层氮化硅膜层(2)的厚度尺寸为300纳米至3000纳米；上层氮化硅膜层(3)的厚度尺寸为300纳米至3000内米；粘附层(4)的厚度尺寸为5纳米至500纳米；温敏电阻层(5)的厚度尺寸为5纳米至500纳米；导电层(6)的厚度尺寸为5纳米至3000纳米。
3、根据权利要求书1或2所述的纳米尺度微型温度传感器的制作方法，其特征在于：上层氮化硅膜层(3)可采用氮化硅、或浓硼硅、二氧化硅制作；粘附层(4)可采用铬、或钛、镍铬合金制作；温敏电阻层(5)可采用铂、或钨、镍铬合金、铂铑合金制作；导电层(6)可采用金、或铜、铝制作。
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