集成微热沉系统及其制备方法技术方案

本发明专利技术涉及一种集成微热沉系统及其制备方法，由玻璃片和硅片键合而成，在硅片的一个面上加工有均匀平行分布的微型冷却通道，另一面的氧化膜层上与微型冷却通道对应的区域中，纵向布置若干组微型测温元件和微型发热元件，每组元件均横向均匀平行布置，在氧化膜层及其上的元件上覆盖低温氧化层，低温氧化层上沉积一层氮化硅绝缘层，从微型测温元件和微型发热元件引出输入输出铝硅导线。本发明专利技术特别采用了哑铃形微型测温元件和蛇状微型发热元件，缩短了发热元件与散热元件之间的距离，降低散热热阻，从而提高单位体积内的换热面积，增大换热量，同时使芯片温度的测量更加精确可靠，可用于微电子芯片发热系统的模拟试验。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，通过在集成微热沉系统上集成制作发热元件和测温元件，缩短发热元件与散热元件间的距离，降低散热热阻，提高芯片温度的测量精度。制得的集成微热沉系统可用于微电子芯片的模拟以及微型发热元件的冷却研究。
技术介绍
随着现代微电子技术及大规模集成电路技术的迅速发展，电子芯片的发热强度越来越大，温度越来越高，而随着温度的升高，微电子元件的性能和工作寿命将会受到很大影响。因而，急需发展一种有效的微电子冷却(miroelectronic-cooling)方法。目前比较常用的散热方式为由外及内散热，即通过通风扇或其它散热元件与电子芯片直接接触而将电子芯片产生的热量传输出去，从而降低电子元件的温度。这种散热方式的缺点是接触热阻大、散热效率低。由大量内置式冷却微通道构成的微热沉(micro-heat-sink)被认为是一种理想的微电子冷却方式，其突出优点是冷媒与热源间的距离较传统外置式风扇大为缩短，换热量大为增加。近年来，随着MEMS(微电子机械加工系统)技术的迅速发展，将这种大量冷却微通道集成制作在发热芯片上的思想已变为可能，目前常用的方法仅仅是将微型散热器集成在芯片上，这样虽然也能降低散热热阻，但由于测温元件仍采用外置接触式，这样会使得测温元件对发热芯片温度变化的灵敏度较低，并不能准确反映发热芯片的温度变化状况。而集成微热沉系统的开发和研究将能有效地解决现存的这些问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种，缩短发热元件与散热元件之间的距离，降低散热热阻，提高单位体积内的换热面积，增大换热量；提高芯片温度的测量精度。制得的集成微热沉系统可用于微电子芯片发热系统的模拟试验，使得芯片发热量的调节更为精确可控。为实现这一目的，本专利技术提供的集成微热沉系统由一个玻璃片和一个硅片键合而成，其中在硅片的一个与玻璃片接触的侧面上加工有若干条均匀平行分布的微型冷却通道，在硅片另一侧面的氧化膜层上与微型冷却通道对应的区域中，纵向布置若干组微型测温元件和若干组微型发热元件，每组微型测温元件和每组微型发热元件均横向均匀平行布置。在氧化膜层及其上的元件上覆盖一层低温氧化层，低温氧化层上沉积一层氮化硅绝缘层。从每组微型测温元件和每组微型发热元件分别引出的输入输出铝硅导线经铝硅导线节点连接外部元件。本专利技术提供的集成微热沉系统的制备方法如下1、将硅片置于实验用高纯度硫酸和双氧水重量比为10∶1的溶液中，在110-130℃的温度下浸泡10-15分钟后，冲洗后再在氮气环境中加热10-15分钟，除去硅片表面的杂质后进行双面抛光处理；2、将处理后的硅片置于900～1100℃的高温环境下进行氧化反应，参与反应的氧气流动速率为4-5L/min，氧化时间为350-450分钟，使硅片的两面均生成厚度为4000的氧化膜层；然后采用红外双面对准工艺，将微型通道图形显影到硅片正面，在二氧化硅的选择性保护下进行刻蚀，以形成微型冷却通道，刻蚀速率为3200～3300/min；3、在硅片背面的氧化膜层上，用低压化学气相沉积法沉结一层厚度为4000的多晶硅薄层，然后采用选择性掺杂及光刻工艺在多晶硅薄层制作微型测温元件和微型发热元件；4、待微型发热元件和微型测温元件形成后，再在氧化膜层及其上的元件上溅射一层厚度为1μm的铝硅层，然后在铝硅层上采用选择性掺杂及光刻工艺，定型制作成微型测温元件的输入输出铝硅导和微型发热元件的输入输出铝硅导线； 5、在铝硅层上覆盖一层厚度为3000-4000的低温氧化层，再在低温氧化层上沉积3000-4000厚的氮化硅膜作为绝缘层；获得所需的集成微热沉系统。本专利技术集成微热沉系统中的玻璃片的作用为封闭硅片正面的平行微型通道，引导冷却剂的进出，并使平行微型通道内的流动和传热过程可视化。为有效调控芯片温度的测量范围及提高测量精度，本专利技术特别设计了哑铃形的微型测温元件和蛇状微型发热元件。玻璃片和硅片之间的键合可通过阳极焊接的方式键合在一起，硅片要双面抛光，玻璃片要经过有效清洗，以确保表面平整光滑、透明为宜。硅片上平行微型冷却通道的加工采用湿刻工艺，微型冷却通道的截面形状根据单晶硅独特的晶格结构和湿刻工艺可分为等腰梯形和三角形，微型冷却通道的侧边与水平底边的夹角为54.7°，微型冷却通道的长度和宽度范围分别为20μm～1mm和5mm～20mm。本专利技术成功设计和制作了一个包含有微型冷却通道、微型测温元件和微型发热元件的集成微热沉系统，该系统可以有效缩短散热器件和发热元件间的传热距离，从而极大地降低了散热热阻，提高了单位体积内的散热面积，使得换热量大为增加；同时由于该系统将测温元件直接集成在硅片上，这使得对硅片上发热元件的温度测量更为精确；由于该系统还可以通过改变蛇形发热元件间的电压来调节发热量，使得对芯片发热量的调节变得更为精准、可控，因而该系统还可以用于芯片发热系统的模拟实验研究以及为热沉冷却性能的实验研究。附图说明图1为本专利技术的集成微热沉系统结构的横向截面剖视图。图1中，1为玻璃片，2为硅片，3为微型冷却通道，4为氧化膜层，5为微型发热元件，6为低温氧化层(LTO)，7为氮化硅绝缘层，8为铝硅导线。图2为本专利技术的集成微热沉系统纵向截面的剖视图。图2中，1为玻璃片，2为硅片，3为微型冷却通道，4为氧化膜层，5为微型发热元件，6为低温氧化层(LTO)，7为氮化硅绝缘层，8为铝硅导线，9为微型测温元件，10为冷却剂进出通道。图3为本专利技术集成微热沉系统结构的底面视图。图3中，5为微型发热元件，9为微型测温元件，11为铝硅导线节点，8为铝硅导线。具体实施例方式以下结合附图对本专利技术的技术方案作进一步描述。本专利技术的集成微热沉系统横向截面的结构如图1所示，由一个玻璃片1(如Pyrex玻璃片)和一个硅片2(如<100>P型硅片)键合而成，在硅片2的一个与玻璃片1接触的侧面上加工有均匀平行分布的微型冷却通道3，硅片2的另一侧面上有一层氧化膜层4，氧化膜层4上与微型冷却通道3对应的区域中布置若干组微型测温元件和若干组微型发热元件5，在氧化膜层4及其上的元件上覆盖一层低温氧化层6，低温氧化层6上沉积一层氮化硅绝缘层7，由微型测温元件、微型发热元件5引出输入输出铝硅导线8。图2为本专利技术集成微热沉系统的纵向截面结构示意图。如图2所示，系统由玻璃片1和硅片2键合而成，在硅片2的与玻璃片1接触的侧面上加工有若干条微型冷却通道3，硅片2的另一侧面上有一层氧化膜层4，氧化膜层4上与微型冷却通道3对应的区域中布置若干组微型测温元件9和若干组微型发热元件5，在氧化膜层4及其上的元件上覆盖一层低温氧化层6，低温氧化层6上沉积一层氮化硅绝缘层7，由微型测温元件9、微型发热元件5引出输入输出铝硅导线8。图中10为冷却剂进出通道。图3为本专利技术集成微热沉系统结构的底面视图，示出了纵向布置的5组微型测温元件9和4组微型发热元件5，每组微型测温元件9和每组微型发热元件5均在横向均匀平行布置，从每组微型测温元件9和每组微型发热元件5分别引出铝硅导线8，经铝硅导线节点11连接外部元件。其中，所述微型测温元件9采用哑铃形，所述微型发热元件5为蛇状微型发热元件。所述微型测温元件9和微型发热元件5不限于上述形状。集成微热沉系统的工作原理为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成微热沉系统，由玻璃片（１）和硅片（２）键合而成，在硅片（２）的与玻璃片（１）接触的侧面上加工有若干条均匀平行分布的微型冷却通道（３），其特征在于在所述硅片（２）另一侧面的氧化膜层（４）上与微型冷却通道（３）对应的区域中，纵向布置若干组微型测温元件（９）和若干组微型发热元件（５），每组微型测温元件（９）和每组微型发热元件（５）均横向均匀平行布置，在氧化膜层（４）及其上的元件上覆盖一层低温氧化层（６），低温氧化层（６）上沉积一层氮化硅绝缘层（７），从每组微型测温元件（９）和每组微型发热元件（５）分别引出的输入输出铝硅导线（８）经铝硅导线节点（１１）连接外部元件。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴慧英，郑平，刘恩光，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]