一种三维真空传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种三维真空传感器及其制备方法，该方法制备的热电堆和加热器位于不同的平面上，热电堆位于加热器的下面，可以进一步实现热电型真空传感器的微型化；采用干法腐蚀释放结构，可以避免湿法腐蚀释放过程中存在的结构层与衬底黏连的问题，提高了器件的成品率；增加了硅盖板，即增加了盖板和加热器之间的气体热传导，有利于提高热传导真空计在较高气体压强端的灵敏度。此外，本发明专利技术中所采用的半导体衬底、热电堆和微加热器的材料、以及采用的制备工艺都是半导体工艺中常用的，可以很容易与现有CMOS工艺相兼容。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种传感器及其制备方法，特别是涉及一种三维热传导型真空传感器及制作方法，属于真空技术和微机电系统

技术介绍
真空测量在工业、航天及核原料提纯等领域有着十分广泛的应用，传统的真空传感器种类繁多且体积较大，限制了它们在某些领域的运用，特别是运用到一些微小器件与仪器仪表中。结合真空传感器的发展历史和使用需求，目前常用真空计具有向小型化、集成化、系统化和智能化方向发展的趋势。MEMS的迅速发展，尤其是微加工技术的迅速发展，使真空传感器微型化的发展成为现实。微型真空传感器具有以下显著的优点功耗低、测量灵敏度较高、动态测量范围得到改善、体积小、可批量生产、成本低。微型热传导真空传感器是微型真空传感器中的一种，利用微加工技术加工而成。它的工作原理当气体分子的平均自由程比两个温度不同的平行平板间的距离大时，两个平板间传递的热量和传递热量的分子数成比例关系，即气体的热传导率随压强的变化而变化。微型热传导真空传感器根据测量温度方法的不同分为两类电阻型(皮拉尼型)真空传感器和热电型真空传感器(F. Volklein and A. Meier, “Microstructured vacuumgauges and their future perspectives, ” Vacuum, vol. 82, no. 4, pp. 420 - 430,Dec. 2007)。传统的热电型真空传感器由两部分组成加热器部分和热电堆部分。热电堆的热端与加热器相连，冷端与娃衬底相连，热电堆输出的电压值反映出了热电型真空传感器周围气压的变化。传统的热电型真空传感器利用体微机械加工技术制作而成，采用正面湿法腐蚀技术(O. Paul, O. Brand, R. Lenggenhager, and H. Baltes, “Vacuumgauging with complementary metal - oxide - semiconductor microsensors. ” J. Vac.Sci. Technol. A 13, 503 (1995))和背面湿法腐蚀技术(A. ff. van Herwaarden, D.C. van Duyn, and J. Groeneweg, “Small-size Vacuum Sensors Based on SiliconThermopiles.” Sensors and Actuators A 25-27，565 (1991))，把加热器和热电堆下面的硅衬底材料去除，实现加热器、热电堆与硅衬底之间的热隔离。然而，传统的微型热电型真空传感器制作方法存在以下问题加热器和热电堆制作在同一平面上，限制了热电型真空传感器的进一步微型化；采用湿法腐蚀技术释放结构，存在结构层容易与衬底黏连的问题，降低了器件的成品率；由于采用背面湿法腐蚀技术释放，加热器到衬底的距离很大，很难提高热电型真空传感器的压强测量上限，使热电型真空传感器的测量范围较窄。鉴于此，如何提出一种微型热电型真空传感器及其制作方法以克服上述现有技术中的缺点，成为了目前亟待解决的问题。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供，用于解决现有技术中成品率低、体积大、测量范围窄及测量精度低的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种三维真空传感器的制备方法，所述制备方法至少包括I)提供一半导体衬底，在该半导体衬底上制备由第一支撑膜所包裹的热电堆结构以及热电堆引出焊盘；2 )在所述步骤I)形成的结构上沉积一层牺牲层，然后对所述牺牲层进行图形化刻蚀，以在该牺牲层上形成连通所述第一支撑膜的接触孔；3)在所述步骤2)形成的结构上制备由第二支撑膜所包裹的微加热器结构以及微加热器引出焊盘；4)在所述第二支撑膜上进行图形化刻蚀，刻蚀露出所述热电堆引出焊盘和微加热器引出焊盘，然后再刻蚀所述第二支撑膜直至形成连通所述半导体衬底的释放通孔；5)通过所述释放通孔并利用干法腐蚀工艺将所述第一支撑膜与第二支撑膜之间的所述牺牲层腐蚀掉，同时在所述半导体衬底上腐蚀形成凹腔结构，从而释放了所述热电堆结构和微加热器结构；6)提供一盖板，通过湿法腐蚀工艺在所述盖板一侧形成空腔，同时在该盖板侧面腐蚀出小孔以保持封装腔内和外界相同的压强；然后利用圆片级键合工艺将所述盖板具有空腔的一侧键合于所述步骤5)中形成的结构上，从而完成所述三维真空传感器的制作；7)通过划片将所述半导体衬底上的多个三维真空传感器单元进行分离，并同时露出所述热电堆引出焊盘和微加热器引出焊盘。可选地，所述牺牲层的材料为α -Si，且该牺牲层的厚度为I μ m 10 μ m。可选地，所述步骤6)中的盖板材质为硅。可选地，所述第一支撑薄膜与所述第二支撑薄膜通过所述接触孔相接触，所述微型加热器结构产生的热量分别经由该第二支撑膜和第一支撑膜由上向下传输到所述热电堆的热端。可选地，所述三维真空传感器结构的释放是一次完成的，即腐蚀气体通过释放通孔依次腐蚀所述牺牲层和半导体衬底。可选地，所述步骤I)包括1-1)在所述半导体衬底上制备第一电介质层，然后在该第一电介质层上制备第一导电层，接着将该第一导电层图形化刻蚀成条状，作为热电偶结构的一部分；1-2 )在所述步骤1-1)结构上沉积第二电介质层，然后在该第二电介质层上进行图形化刻蚀以形成暴露出下方所述第一导电层的引线孔；1-3)在所述第二电介质层上沉积第二导电层，将第二导电层进行图形化刻蚀形成特定的金属布线，并通过所述引线孔与所述第一导电层接触形成热电偶对结构；所述金属布线将所述热电偶对结构串联形成热电堆结构，并同时形成热电堆引出焊盘；1-4)在所述步骤1-3)形成的结构上沉积第三电介质层，该第三电介质层、与所述第二电质层、所述第一电介质层共同组成包裹所述热电堆结构的第一支撑膜。可选地，所述半导体衬底为SOI衬底时，所述步骤1-1)中的第一电介质层为所述SOI衬底的埋层氧化硅，并通过离子注入工艺在所述SOI衬底的顶层硅上进行掺杂形成第一导电层。所述半导体衬底为硅衬底时，利用热生长工艺在所述硅衬底上制备氧化硅层作为所述步骤1-1)中的第一电介质层，并通过LPCVD工艺在该氧化硅层上制备掺杂的多晶硅层作为第一导电层。可选地，所述第一电介质层和第三电介质层的材质为氧化硅，所述第二电介质层的材质为氮化硅；所述第一导电层的材质为掺杂的单晶硅或多晶硅，所述第二导电层的材质为招。可选地，所述步骤3)包括3-1)在所述牺牲层上沉积第四电介质层，然后在该第四电介质层上沉积第三导电层，并将该第三导电层图形化刻蚀成电阻条状形成微加热器结构，同时形成微加热器引出焊盘；3-2)在所述步骤3-1)形成的结构上由下向上依次沉积第五电介质层和第六电介质层，该第五电介质层与所述第四电介质层、所述第六电介质层共同组成了包裹所述微加热器结构的第二支撑膜。可选地，所述第四电介质层和第六电介质层的材质为氧化硅，所述第五电介质层的材质为氮化硅；所述第三导电层的材质为铝、钼金或钨。本专利技术的另一目的是提供一种三维真空传感器，至少包括具有凹槽的半导体衬底、悬于所述凹槽上方的第一支撑膜、被所述第一支撑膜所包裹的热电堆、平行悬于所述第一支撑膜之上的第二支撑膜、被所述第二支撑膜所包裹的微加热器、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维真空传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：1）提供一半导体衬底，在该半导体衬底上制备由第一支撑膜所包裹的热电堆结构以及热电堆引出焊盘；2）在所述步骤1）形成的结构上沉积一层牺牲层，然后对所述牺牲层进行图形化刻蚀，以在该牺牲层上形成连通所述第一支撑膜的接触孔；3）在所述步骤2）形成的结构上制备由第二支撑膜所包裹的微加热器结构以及该微加热器引出焊盘；4）在所述第二支撑膜上进行图形化刻蚀，露出所述热电堆引出焊盘和微加热器引出焊盘，然后再由上向下刻蚀所述第二支撑膜直至形成连通所述半导体衬底的释放通孔；5）通过所述释放通孔并利用干法腐蚀工艺将所述第一支撑膜与第二支撑膜之间的所述牺牲层腐蚀掉，同时在所述半导体衬底上腐蚀形成凹腔结构，从而释放了所述热电堆结构和微加热器结构；6）提供一盖板，通过湿法腐蚀工艺在所述盖板一侧形成空腔，同时在该盖板侧面腐蚀出小孔以保持封装腔内和外界相同的压强；然后利用圆片级键合工艺将所述盖板具有空腔的一侧键合于所述步骤5）中形成的结构上，从而完成所述三维真空传感器的制作；7）通过划片将所述半导体衬底上的多个三维真空传感器单元进行分离，并同时露出所述热电堆引出焊盘和微加热器引出焊盘。...

【技术特征摘要】
1.一种三维真空传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括1)提供一半导体衬底，在该半导体衬底上制备由第一支撑膜所包裹的热电堆结构以及热电堆引出焊盘；2)在所述步骤I)形成的结构上沉积一层牺牲层，然后对所述牺牲层进行图形化刻蚀，以在该牺牲层上形成连通所述第一支撑膜的接触孔；3)在所述步骤2)形成的结构上制备由第二支撑膜所包裹的微加热器结构以及该微加热器引出焊盘；4)在所述第二支撑膜上进行图形化刻蚀，露出所述热电堆引出焊盘和微加热器引出焊盘，然后再由上向下刻蚀所述第二支撑膜直至形成连通所述半导体衬底的释放通孔；5)通过所述释放通孔并利用干法腐蚀工艺将所述第一支撑膜与第二支撑膜之间的所述牺牲层腐蚀掉，同时在所述半导体衬底上腐蚀形成凹腔结构，从而释放了所述热电堆结构和微加热器结构；6)提供一盖板，通过湿法腐蚀工艺在所述盖板一侧形成空腔，同时在该盖板侧面腐蚀出小孔以保持封装腔内和外界相同的压强；然后利用圆片级键合工艺将所述盖板具有空腔的一侧键合于所述步骤5)中形成的结构上，从而完成所述三维真空传感器的制作；7)通过划片将所述半导体衬底上的多个三维真空传感器单元进行分离，并同时露出所述热电堆引出焊盘和微加热器引出焊盘。2.据权利要求I所述的三维真空传感器的制作方法，其特征在于所述牺牲层的材料为α-Si,且该牺牲层的厚度为I μ m 10 μ m。3.根据权利要求I所述的三维真空传感器的制作方法，其特征在于所述步骤6)中的盖板材质为娃。4.根据权利要求I所述的三维真空传感器的制作方法，其特征在于所述第一支撑薄膜与所述第二支撑薄膜通过所述接触孔相接触，所述微型加热器产生的热量分别经由该第二支撑膜和第一支撑膜由上向下传输到所述热电堆的热端。5.根据权利要求I所述的三维真空传感器的制作方法，其特征在于所述三维真空传感器结构的释放是一次完成的，即腐蚀气体通过释放通孔依次腐蚀所述牺牲层和半导体衬。6.根据权利要求I所述的三维真空传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤I)包括1-1)在所述半导体衬底上制备第一电介质层，然后在该第一电介质层上制备第一导电层，接着将该第一导电层图形化刻蚀、离子注入形成条状，作为热电偶结构的一部分；1-2 )在所述步骤1-1)结构上沉积第二电介质层，然后在该第二电介质层上进行图形化刻蚀以形成暴露出下方所述第一导电层的引线孔；1-3)在所述第二电介质层上沉积第二导电层，将第二导电层进行图形化刻蚀形成特定的金属布线，并通过所述引线孔与所述第一导电层接触形成热电偶对结构；所述金属布线将所述热电偶对结构串联形成热电堆结构，并同时形成热电堆引出焊盘；1-4)在所述步骤1-3)形成的结构上沉积第三电介质层，该第三电介质层、与所述第二电质层、所述第一电介质层共同组成包裹所述热电堆结构的第一支撑膜。7.根据权利要求6所述的三维真空传感器的制作方法，其特征在于所述半导体衬底为...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊斌，孙晓，徐德辉，王跃林，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：