專利名稱：采用微機(jī)械加工熱隔離結(jié)構(gòu)的熱式傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于采用熱隔離結(jié)構(gòu)的熱式傳感器及其制造方法，特別是關(guān)于采用微機(jī)械加工熱隔離結(jié)構(gòu)的熱式傳感器及其制造方法，包括采用微機(jī)械加工熱隔離結(jié)構(gòu)的熱式流量傳感器，采用微機(jī)械加工熱隔離結(jié)構(gòu)的熱式紅外溫度傳感器，采用微機(jī)械加工熱隔離結(jié)構(gòu)的熱式可燃?xì)怏w傳感器，以及采用微機(jī)械加工熱隔離結(jié)構(gòu)的熱式氧化和還原氣體傳感器。
背景技術(shù)：
熱式傳感器廣泛地用于國防、航空、航天、生物醫(yī)學(xué)、制造業(yè)、交通、通信、農(nóng)業(yè)、環(huán)保以及家庭。隨著四個(gè)現(xiàn)代化的不斷加強(qiáng)，對這類傳感器提出更多的要求，因此，微機(jī)械加工的熱式傳感器應(yīng)運(yùn)而生，其帶來的好處是微型化、集成化與便攜化、成數(shù)量級地提高器件與系統(tǒng)的功能密度、信息密度與互連密度，大幅度地節(jié)能、節(jié)材。
熱式流量傳感器的運(yùn)行基于在微小的空間建立熱區(qū)和泠區(qū)，由于流體從熱區(qū)流向泠區(qū)，使兩區(qū)之間溫差發(fā)生變化，根據(jù)熱偶堆測出的溫差變化值，從而推導(dǎo)出流體的速度。為了節(jié)省建立熱區(qū)所消耗的電功率，并且改善測量的精度，要求用微機(jī)械加工的熱隔離結(jié)構(gòu)支持熱區(qū)，以減少熱能通過支持結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)所產(chǎn)生的損耗。
熱式紅外溫度傳感器的工作原理是，凡是有溫度顯示的物體都會(huì)產(chǎn)生黑體輻射，而黑體輻射由固體材料吸收后會(huì)在其內(nèi)產(chǎn)生熱能，通過對吸收固體的溫度測量，就可確定輻射物體的溫度。顯然，溫度測量的靈敏度在很大程度上取決于熱能的收集和保存，為盡力降低熱傳導(dǎo)引起的熱能散失，應(yīng)該將紅外輻射吸收固體置于微機(jī)械加工熱隔離結(jié)構(gòu)之上，讓比較多的熱能用于提升溫度。
量熱式可燃?xì)怏w傳感器利用可燃?xì)怏w如甲烷的催化燃燒反應(yīng)，使燃燒反應(yīng)在遠(yuǎn)低于正常燃燒溫度下進(jìn)行，通過測量催化燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的溫度提升變化，可以計(jì)算出空氣中可燃?xì)怏w的濃度，這顯然需要配置微機(jī)械加工熱隔離結(jié)構(gòu)，以提高檢測靈敏度。另外，燃燒反應(yīng)又都是在300至450℃高溫條件內(nèi)發(fā)生的，需要提供電功率建立所需的溫度，為此微機(jī)械加工熱隔離結(jié)構(gòu)也是降低電功率消耗所必需的。
氣敏金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器都要求升溫運(yùn)行。某些金屬氧化物半導(dǎo)體材料，如二氧化錫等在加熱到200至400℃時(shí)，其表面先是吸附空氣中的氧，然后由空氣中還原性氣體如一氧化碳和氫氣等所還原，從而使其電導(dǎo)率增加，或者由氧化性氣體如二氧化氮等所氧化，使得其電導(dǎo)率下降，通過測量金屬氧化物半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率的改變，就可以確定空氣中還原性氣體或氧化性氣體的濃度。如用微機(jī)械加工熱隔離結(jié)構(gòu)支持金屬氧化物薄膜，就可以大幅度降低加熱功率消耗。
微機(jī)械加工熱隔離結(jié)構(gòu)通常有兩種形式，一種是封閉的薄膜，即薄膜的周邊由襯底支持，薄膜下的空腔是封閉的，另一種是由兩條或四條連接襯底表層的梁支持的薄膜，薄膜下的空腔是通過兩梁之間的開口與外部連通，后面這種形式的熱隔離結(jié)構(gòu)稱為懸掛薄膜結(jié)構(gòu)。
不管是封閉薄膜還是懸掛薄膜，其中心部位的熱源通過薄膜向襯底傳輸熱能都與薄膜材料的熱導(dǎo)率成正比。因此，為降低這種傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱能損失，必須采用盡可能低的熱導(dǎo)率材料。現(xiàn)在通常用來形成隔熱薄膜的材料為二氧化硅，四氮化三硅，以及未氧化的多孔單晶硅，其熱導(dǎo)率分別為1.4瓦/mk，22瓦/mk，低達(dá)0.025瓦/mk。從熱導(dǎo)率考慮，很顯然，未氧化的多孔單晶硅應(yīng)該是最佳選擇，其次是二氧化硅，而最差的是四氮化三硅。
機(jī)械的可靠性和穩(wěn)定性是微機(jī)械加工熱隔離結(jié)構(gòu)面臨的嚴(yán)重挑戰(zhàn)，不管是用什么材料形成的薄膜，都必需有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。首先要能夠經(jīng)受制造過程出現(xiàn)的機(jī)械沖擊，避免由此產(chǎn)生損失而降低產(chǎn)品的成品率。其次要能經(jīng)受使用考驗(yàn)，特別是使用時(shí)隔離結(jié)構(gòu)必須與周圍環(huán)境接觸的器件，如可燃?xì)怏w傳感器，氧化還原性氣體傳感器，以及流量傳感器等，要能抵抗住環(huán)境氣氛造成的物理和化學(xué)的損壞作用。二氧化硅薄膜和四氮化三硅薄膜的厚度都受到沉積技術(shù)的限制，主要是沉積產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的作用，使得薄膜的厚度不能太大，否則就會(huì)產(chǎn)生破裂或彎曲。如果采用低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)，二氧化硅中的殘余應(yīng)力一般在+100至+200MPa范圍內(nèi)，其安全厚度限制為2微米，超過這個(gè)限制，薄膜就會(huì)破裂，四氮化三硅中的殘余應(yīng)力高達(dá)-1GPa，其厚度限制為3000至4000埃，超過這個(gè)限制薄膜就會(huì)彎曲。如果制造的器件要求薄膜的橫向尺寸為幾百到上千微米，上述厚度限制不僅使得器件的制造變得非常困難，而且對器件運(yùn)行環(huán)境也提出苛刻的要求。相比二氧化硅和四氮化三硅，多孔單晶硅就顯得好多了。多孔單晶硅是單晶硅經(jīng)陽極氧化形成的，其形成造成的殘余應(yīng)力低達(dá)+10MPa，并且可以通過退火處理使殘余應(yīng)力進(jìn)一步降至+1MPa以下，因而其厚度高達(dá)上百微米厚的薄膜也不會(huì)出現(xiàn)破裂和嚴(yán)重的彎曲。由于多孔單晶硅層既有足夠低的熱傳導(dǎo)損失，又有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度，用于形成熱隔離的薄膜結(jié)構(gòu)應(yīng)是首選材料。
微機(jī)械加工熱隔離結(jié)構(gòu)都要求在比較高的溫度下工作，必須承受持續(xù)進(jìn)行的溫度循環(huán)過程中產(chǎn)生的熱脹泠縮考驗(yàn)，即薄膜不會(huì)由此因產(chǎn)生而發(fā)生破裂。為減小熱脹泠縮的影響，要求薄膜材料和硅襯底材料具有盡可能接近的熱脹系數(shù)。無孔單晶硅的熱漲系數(shù)為2.5×10-6/k，二氧化硅的熱漲系數(shù)為0.5×10-6/k，四氮化三硅的熱漲系數(shù)為2.3×10-6/k，多孔單晶硅的熱漲系數(shù)為2×10-6/k?？梢钥闯觯跓釢q系數(shù)方面，與無孔單晶硅最接近的是四氮化三硅，其次是多孔單晶硅，最差的是二氧化硅。
微機(jī)械加工熱隔離結(jié)構(gòu)的熱響應(yīng)時(shí)間與結(jié)構(gòu)材料的熱容成正比，為了提高熱響應(yīng)時(shí)間通常傾向采用熱容低的材料。，二氧化硅的熱容為1.61×106J/m3k，四氮化三硅的熱容為1.86-2.48×106J/m3k，多孔單晶硅的熱容為0.4×106J/m3k?？梢娡瑯芋w積的熱隔離結(jié)構(gòu)，采用多孔單晶硅，其熱響應(yīng)時(shí)間最短，或熱反應(yīng)速度最快。換句話說，如果要求具有相同的反應(yīng)速度，如用多孔單晶硅為材料，其薄膜的厚度可以允許比四氮化三硅或二氧化硅大四倍以上。
當(dāng)然，多孔單晶硅也存在急待解決的問題，即多孔單晶硅的表面積高達(dá)200-300m2/m3，因而其表面能高和表面化學(xué)活性強(qiáng)。高表面能的作用，容易在比較高的工作溫度下引起結(jié)構(gòu)氧化和粗化，使薄膜中的熱應(yīng)力增加，機(jī)械穩(wěn)定性變差。表面化學(xué)活性強(qiáng)的副作用，是在暴露環(huán)境氣氛中增加對各種氣體的吸附，并且在解吸過程中氣體須從孔隙中擴(kuò)散出來，因而在作氣體傳感器應(yīng)用時(shí)，靈敏度降低，反應(yīng)時(shí)間延長，選擇性變差，有時(shí)甚至使器件無法工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的總體目標(biāo)是提供一種微機(jī)械加工的熱隔離結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有熱阻大，反應(yīng)快，機(jī)械強(qiáng)度高，性能穩(wěn)定，以及制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且將此結(jié)構(gòu)用于制造性能優(yōu)異的紅外溫度傳感器，可燃?xì)怏w傳感器，氧化和還原氣體傳感器，以及熱式流量傳感器。
本發(fā)明的具體目標(biāo)之一是提供一種采用微機(jī)械加工熱隔離結(jié)構(gòu)的紅外溫度傳感器，該熱隔離結(jié)構(gòu)的優(yōu)異熱學(xué)性能和機(jī)械性能而使傳感器具有高靈敏度，快反應(yīng)速度，強(qiáng)抗振能力，高可靠性，以及低制造成本等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的具體目標(biāo)之二是提供一種采用微機(jī)械加工熱隔離結(jié)構(gòu)的可燃?xì)怏w傳感器，該熱隔離結(jié)構(gòu)的優(yōu)異熱學(xué)性能和機(jī)械性能而使傳感器具有高靈敏度，快反應(yīng)速度，強(qiáng)抗振能力，高可靠性，以及低制造成本等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的具體目標(biāo)之三是提供一種采用微機(jī)械加工熱隔離結(jié)構(gòu)的氧化和還原氣體傳感器，該熱隔離結(jié)構(gòu)的優(yōu)異熱學(xué)性能和機(jī)械性能而使傳感器具有高靈敏度，快反應(yīng)速度，強(qiáng)抗振能力，高可靠性，以及低制造成本等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的具體目標(biāo)之四是提供一種采用微機(jī)械加工熱隔離結(jié)構(gòu)的熱式流量傳感器，該熱隔離結(jié)構(gòu)的優(yōu)異熱學(xué)性能和機(jī)械性能而使傳感器具有高靈敏度，快反應(yīng)速度，強(qiáng)抗振能力，高可靠性，以及低制造成本等優(yōu)點(diǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)以及其它目標(biāo)，本發(fā)明提出一種基于多孔單晶硅的微機(jī)械加工的熱隔離結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮多孔單晶硅的優(yōu)點(diǎn)，而對其不利之處加以限制。并且利用這種熱隔離結(jié)構(gòu)制造性能優(yōu)異的紅外溫度傳感器，可燃?xì)怏w傳感器，氧化和還原氣體傳感器，以及熱式流量傳感器。
本發(fā)明的熱隔離結(jié)構(gòu)的組成包括硅片，處于硅片內(nèi)的平底空腔，連接于硅片表層并處于空腔上方的多孔單晶硅層，覆蓋多孔單晶硅層表面的二氧化硅薄膜，以及覆蓋多孔單晶硅層側(cè)面和底部的無孔單晶硅層。多孔單晶硅層為排筆寫成的十字形，十字分成中心的矩形部分和邊緣的伸出部分，伸出部分對稱分布，每條伸出部分的一端固定于圍繞空腔的硅片表層，另一端拉接矩形部分。無孔單晶硅層用于從側(cè)面和底部封閉多孔單晶硅層，阻止其與側(cè)面和底部的環(huán)境氣氛直接接觸。二氧化硅薄膜用于從正面封閉多孔單晶硅層，阻止其與正面的環(huán)境氣氛直接接觸。
本發(fā)明的紅外溫度傳感器組成為硅片，處于硅片內(nèi)的平底空腔，連接于硅片表層并處于空腔上方的多孔單晶硅層，覆蓋多孔單晶硅層側(cè)面和底部表面的無孔單晶硅層，覆蓋多孔單晶硅層正面的二氧化硅薄膜。多孔單晶硅層為排筆寫成的十字形，十字分成中心的矩形部分和邊緣的伸出部分，伸出部分對稱分布，每條伸出部分的一端固定于圍繞空腔的硅片表層，另一端拉接矩形部分。無孔單晶硅層用于從側(cè)面和底部封閉多孔單晶硅層，阻止其與側(cè)面和底部的環(huán)境氣氛直接接觸。二氧化硅薄膜用于從正面封閉多孔單晶硅層，阻止其與正面的環(huán)境氣氛直接接觸。還有處于二氧化硅薄膜上部表面中心部位的黑體紅外吸收薄膜，以及處于黑體紅外吸收薄膜兩側(cè)的熱偶堆。
本發(fā)明的可燃?xì)怏w傳感器組成有硅片，處于硅片內(nèi)的平底空腔，連接于硅片表層并處于空腔上方的多孔單晶硅層，覆蓋多孔單晶硅層側(cè)面和底部表面的無孔單晶硅層，覆蓋多孔單晶硅層正面的二氧化硅薄膜。多孔單晶硅層為排筆寫成的十字形，十字分成中心的矩形部分和邊緣的伸出部分，伸出部分對稱分布，每條伸出部分的一端固定于圍繞空腔的硅片表層，另一端拉接矩形部分。無孔單晶硅層用于從側(cè)面和底部封閉多孔單晶硅層，阻止其與側(cè)面和底部的環(huán)境氣氛直接接觸。二氧化硅薄膜用于從正面封閉多孔單晶硅層，阻止其與正面的環(huán)境氣氛直接接觸。還有處于多孔單晶硅層矩形部分上部表面中心部位的加熱電阻條，覆蓋加熱電阻條區(qū)域表面的二氧化硅薄膜，以及處于二氧化硅薄膜表面的燃燒反應(yīng)催化金屬薄膜。
本發(fā)明的氧化還原氣體傳感器組成部分硅片，處于硅片內(nèi)的平底空腔，連接于硅片表層并處于空腔上方的多孔單晶硅層，覆蓋多孔單晶硅層側(cè)面和底部表面的無孔單晶硅層，覆蓋多孔單晶硅層正面的二氧化硅薄膜。多孔單晶硅層為排筆寫成的十字形，十字分成中心的矩形部分和邊緣的伸出部份，伸出部分對稱分布，每條伸出部分的一端固定于圍繞空腔的硅片表層，另一端拉接矩形部分。無孔單晶硅層用于從側(cè)面和底部封閉多孔單晶硅層，阻止其與側(cè)面和底部的環(huán)境氣氛直接接觸。二氧化硅薄膜用于從正面封閉多孔單晶硅層，阻止其與正面的環(huán)境氣氛直接接觸。還有處于多孔單晶硅層矩形部分上部表面中心部位的加熱電阻條，覆蓋加熱電阻條區(qū)域表面的二氧化硅薄膜，處于二氧化硅薄膜表面的氣敏金屬氧化物電阻條，以及連接氣敏金屬氧化物電阻條的輸出電極。
本發(fā)明的熱式流量傳感器構(gòu)成涉及硅片，處于硅片內(nèi)的平底空腔，連接于硅片表層并處于空腔上方的多孔單晶硅層，覆蓋多孔單晶硅層側(cè)面和底部表面的無孔單晶硅層，覆蓋多孔單晶硅層正面的二氧化硅薄膜。多孔單晶硅層為排筆寫成的十字形，十字分成中心的矩形部分和邊緣的伸出部分，伸出部分對稱分布，每條伸出部分的一端固定于圍繞空腔的硅片表層，另一端拉接矩形部分。無孔單晶硅層用于從側(cè)面和底部封閉多孔單晶硅層，阻止其與側(cè)面和底部的環(huán)境氣氛直接接觸。二氧化硅薄膜用于從正面封閉多孔單晶硅層，阻止其與正面的環(huán)境氣氛直接接觸。還有處于多孔單晶硅層矩形部份上部表面中心部位的加熱電阻條，以及處于加熱電阻條兩側(cè)區(qū)域表面的兩組對稱分布的熱偶堆。
本發(fā)明用于形成熱隔離結(jié)構(gòu)的技術(shù)主要包括在無孔單晶硅片中選擇性形成多孔單晶硅層，并在有多孔單晶硅層的無孔單晶硅片表面進(jìn)行無孔單晶硅層的外延生長。選擇性形成多孔單晶硅層可以通過兩種方法實(shí)現(xiàn)，一是用抗氟化氫的保護(hù)薄膜限定多孔單晶硅形成的范圍，從而可以在無孔單晶硅襯底中形成多孔單晶硅層，二是利用無孔單晶硅形成多孔單晶硅依賴于外加陽極氧化電壓的關(guān)系，從而可以控制陽極氧化電壓值，僅將高摻雜的無孔單晶硅層轉(zhuǎn)變成多孔單晶硅層，而低摻雜或未摻雜的無孔單晶硅層保持原來的形態(tài)不變。多孔單晶硅雖然充滿10至1000埃直徑的微孔，但從晶體結(jié)構(gòu)看來，仍然屬于單晶硅范圍，因此可以用作單晶生長的子晶，只是為了改善單晶硅外延層的結(jié)晶質(zhì)量，生長前要在高溫下的氫氣中進(jìn)行熱處理，以使多孔單晶硅層表面的眾多的微孔開口收縮，從而形成致密的表面多孔單晶硅層。
為了腐蝕多孔單晶硅層，釋放其上用來形成熱隔離結(jié)構(gòu)的多孔單晶硅層，要將多孔單晶硅層加以保護(hù)，不讓其接觸腐蝕溶液，這就是本發(fā)明之所以用低摻雜或未摻雜單晶硅層將其上的多孔單晶硅層與其下的多孔單晶硅層進(jìn)行隔離的理由。


圖1是本發(fā)明提出的用于熱式傳感器的微機(jī)械加工的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)部份元件分離的透視示意圖。
圖2是本發(fā)明利用圖1所示的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)制造的紅外溫度傳感器部份元件分離的透視示意圖。
圖3是本發(fā)明利用圖1所示的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)制造的可燃?xì)怏w傳感器部份元件分離的透視示意圖。
圖4是本發(fā)明利用圖1所示的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)制造的氧化和還原氣體傳感器部分元件分離的透視示意圖。
圖5是本發(fā)明利用圖1所示的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)制造的熱式流量傳感器部分元件分離的透視示意圖。
圖6是本發(fā)明提出的用于熱式傳感器的微機(jī)械加工的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)完成前步制造流程時(shí)的透視示意圖。
圖7是本發(fā)明提出的用于熱式傳感器的微機(jī)械加工的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)完成后步制造流程時(shí)的透視示意圖。
圖8和圖9是利用圖6和圖7所示的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)進(jìn)一步制造紅外溫度傳感器的透視示意圖。
圖10和圖11是利用圖6和圖7所示的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)進(jìn)一步制造可燃?xì)怏w傳感器的透視示意圖。
圖12和圖13是利用圖6和圖7所示的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)進(jìn)一步制造氧化和還原氣體傳感器的透視示意圖。
圖14是利用圖6和圖7所示的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)進(jìn)一步制造熱式流量傳感器的透視示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的微機(jī)械加工的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)如圖1所示，其組成為單晶硅片101，處于硅片101內(nèi)，深度4至40微米的平底空腔102，連接于硅片表層并處于空腔上方，寬度300至1200微米，厚度2至20微米的多孔單晶硅層104，封閉多孔單晶硅層104側(cè)面和底部表面，厚度0.1至2微米的無孔單晶硅層103，封閉多孔單晶硅層104上部表面，厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜105。多孔單晶硅層104的形狀像是用排筆寫成的十字，其組成包括中心100至400微米寬的矩形部分和邊緣100至400微米長的伸出部分。伸出部分對稱分布，每條伸出部分的一端連接空腔102周圍硅片表層，另一端連接矩形部分，通過伸出部分的橫向拉力作用，維持矩形部分處于與硅片表面平行的懸掛狀態(tài)。每條伸出部分的兩側(cè)各有一個(gè)開口106，開口穿過二氧化硅薄膜105，直通多孔單晶硅層104下方的平底空腔102。開口106的兩相鄰側(cè)壁由平底空腔102周圍的部分硅片形成，其它兩側(cè)壁由伸出部分的側(cè)面形成。
圖1所示的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)主要用于熱式傳感器。該結(jié)構(gòu)的縱向熱傳導(dǎo)被充滿氣體或抽成真空的空腔所阻隔，而能進(jìn)行橫向熱傳導(dǎo)的薄膜，一則由于薄，二則由于熱導(dǎo)系數(shù)低，其傳導(dǎo)帶走的熱量很少。因此，如果需要加熱薄膜使其溫度上升，則所需要的功率可以明顯降低，如果需要檢測發(fā)生在薄膜上的物理或化學(xué)過程的熱效應(yīng)，則所能檢測到的信號顯著增強(qiáng)。
本發(fā)明利用微機(jī)械加工的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)制造的紅外溫度傳感器如圖2所示，其組成為單晶硅片201，處于硅片201內(nèi)，寬度300至1200微米，深度4至40微米的平底空腔202，連接于硅片表層并處于空腔上方，厚度2至20微米的多孔單晶硅層204，覆蓋多孔單晶硅層結(jié)構(gòu)側(cè)面和底部，厚度0.1至2微米的無孔單晶硅層203，以及封閉多孔單晶硅層204上部表面，厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜205。多孔單晶硅層204的形狀像是用排筆寫成的十字，其組成包括中心100至400微米寬的矩形部分，和邊緣100至400微米長對稱分布的伸出部分。伸出部分的外端與平底空腔202周圍硅片表層相連，而其內(nèi)端連接矩形部分，通過伸出部分的橫向拉力的作用，使矩形部分處于與硅片201表面成平行的懸掛狀態(tài)。伸出部分的兩邊各有一個(gè)通至空腔202的開口210，開口210的兩相鄰側(cè)壁由空腔202周圍的部分硅片形成，其它兩側(cè)壁由伸出部分的側(cè)面形成。傳感器組成還包括處于多孔單晶硅層204矩形部分邊緣上部表面及伸出部分上部表面的熱偶堆206，覆蓋矩形部分的二氧化硅薄膜211，覆蓋二氧化硅薄膜211表面的紅外吸收薄膜212，以及處于空腔202周圍硅片表面一側(cè)的測溫電阻條208。形成紅外吸收薄膜212所用的材料為黑金或黑碳等孔狀固體材料，厚度在2000至8000埃范圍內(nèi)。熱偶堆206含40至80對熱偶，其熱結(jié)處于多孔單晶硅層204的中心矩形部分邊緣上部表面，泠結(jié)處于空腔202周圍硅片表面，連接泠結(jié)輸出的金屬連線沿伸出部分表面布置。形成熱偶堆206的兩種材料分別為厚0.5微米摻雜多晶硅薄膜和厚0.5微米金屬鋁薄膜。在空腔202的周圍硅片表面上還有連接測溫電阻條208的金屬焊接塊209，連接熱偶堆206的金屬焊接塊207。
圖2所示的紅外溫度傳感器的紅外吸收薄膜212在吸收紅外輻射后，轉(zhuǎn)變成其晶格振動(dòng)產(chǎn)生熱能，使得多孔單晶硅層中心部位的溫度上升，而處于其邊緣的熱偶堆的熱結(jié)溫度也隨之上升，與泠結(jié)之間產(chǎn)生溫差，因而熱偶堆206有電壓信號輸出，這一電壓信號與測溫電阻條208測出的溫度信號進(jìn)行比較，以實(shí)現(xiàn)其溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償后的電壓信號與吸收的紅外輻射的強(qiáng)度成比例，而紅外輻射的強(qiáng)度由輻射體本身的溫度所決定，因此傳感器可以用來測定紅外輻射體的溫度。
本發(fā)明利用微機(jī)械加工的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)制造的可燃?xì)怏w傳感器如圖3所示，其組成為單晶硅片301，處于硅片301內(nèi)，深度4至40微米的平底空腔302，連接于硅片表層并處于空腔上方，寬度300至1200微米，厚度2至20微米的多孔單晶硅層304，覆蓋多孔單晶硅層304側(cè)面和底部，厚度0.1至2微米的無孔單晶硅層303，覆蓋多孔單晶硅層304及空腔周圍硅片表面，厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜305。多孔單晶硅層304為排筆寫成的十字形，包括中心部位100至400微米寬的矩形部分，和邊緣100至400微米長的四根對稱分布的伸出部分。伸出部分的外端與平底空腔302周圍的硅片表層相連，而其內(nèi)端連接矩形部分，通過伸出部分的橫向拉力的作用，使矩形部分處于與空腔302周圍硅片表面平行的懸掛狀態(tài)。伸出部分的兩邊各有一個(gè)抵達(dá)空腔302底部的開口314，開口的兩相鄰側(cè)面由空腔302周圍的部分硅片形成，其它兩側(cè)面由伸出部分的側(cè)面形成。傳感器組成還包括處于多孔單晶硅層304矩形部份上部表面的加熱電阻條306，其電流輸入金屬線通過伸出部分連接到處于空腔302周圍硅片表面的金屬壓焊塊307。矩形部分邊緣的上部表面布置有含40至80對熱偶的熱偶堆308的熱結(jié)，熱偶堆的引線通過伸出部分表面拉出，在空腔302周圍的硅片表面形成泠結(jié)，熱偶堆的輸出連接到處于硅片表面的壓焊塊309?？涨?02周圍硅片的一側(cè)還布置有測溫電阻條310及其輸出壓焊塊311。組成還有催化金屬氧化物薄膜313，該薄膜覆蓋整個(gè)多孔單晶硅層304矩形部分上部表面，其材料為一氧化鈀或二氧化釷等金屬氧化物，厚度在2000至8000埃范圍內(nèi)。氧化物薄膜313通過其下的二氧化硅薄膜312與加熱電阻條306進(jìn)行隔離。形成熱偶堆308的兩種材料分別為厚0.5微米摻雜多晶硅薄膜的和厚0.5微米金屬鋁薄膜。
圖3所示的可燃?xì)怏w傳感器的催化金屬氧化物薄膜313對可燃?xì)怏w的燃燒反應(yīng)有催化作用。可燃?xì)怏w如是甲烷，其燃燒反應(yīng)式為。
在沒有催化金屬氧化物薄膜的情況下面，其點(diǎn)火溫度一般高達(dá)900至1000℃，如果燃燒反應(yīng)是在催化金屬氧化物薄膜表面進(jìn)行，可以將點(diǎn)火溫度降低到400至600℃。
燃燒反應(yīng)可以通過控制加熱電阻條306的加熱電功率將矩形部分的溫度提升到某一數(shù)值。因是放熱反應(yīng)，其產(chǎn)生的熱量被矩形部分吸收，由于多孔單晶硅層304的隔熱作用，大部分熱量被保存在矩形部分，因而引起矩形部分的溫度上升。矩形部分的升溫?cái)?shù)值與可燃?xì)怏w在空氣中的濃度有關(guān)，因此可以通過測量矩形部分升溫?cái)?shù)值確定空氣中可燃?xì)怏w的濃度。熱偶堆308的熱結(jié)處于矩形部分的邊緣區(qū)域上部表面，其溫度基本上可以代表矩形部分的實(shí)際溫度，而熱偶堆的泠結(jié)處于空腔302周圍區(qū)域的硅片表面，由于硅片的良好導(dǎo)熱性能，可以認(rèn)為其溫度不受發(fā)生在矩形部分上部表面的燃燒反應(yīng)影響，而維持基本穩(wěn)定的溫度數(shù)值，因此熱偶堆308的輸出信號電壓可以反映燃燒反應(yīng)造成矩形部分相對硅片的溫度升高的數(shù)值。
本發(fā)明利用微機(jī)械加工的單晶硅熱隔離懸掛薄膜結(jié)構(gòu)制造的氧化和還原氣體傳感器如圖4所示，其組成為單晶硅片401，處于硅片401內(nèi)，深度4至40微米的平底空腔402，連接于硅片表層并處于空腔上方，寬度300至1200微米，厚度2至20微米的多孔單晶硅層404，覆蓋多孔單晶硅層404側(cè)面和底部，厚度0.1至2微米的無孔單晶硅層403，覆蓋多孔單晶硅層404及空腔周圍硅片表面，厚度2000-8000埃的二氧化硅薄膜405，處于多孔單晶硅層上部表面中心部位的加熱電阻條406，覆蓋加熱電阻條406區(qū)域上部表面的二氧化硅薄膜411，處于二氧化硅薄膜411表面的氣敏半導(dǎo)體電阻薄膜412，以及處于多孔單晶硅層上部表面邊緣區(qū)域，與氣敏半導(dǎo)體電阻薄膜412連接的金屬電極408，以及處于空腔402周圍硅片表面，連接加熱電阻條406的金屬壓焊塊407和連接金屬電極412的金屬壓焊塊409。形狀像是用排筆寫成的十字形的多孔單晶硅層404包括中心100至400微米寬的矩形部分，和邊緣100至400微米長的四條對稱分布的伸出部分。伸出部分的外端與平底空腔402周圍的硅片表層相連，而其內(nèi)端連接矩形部分，通過伸出部分的橫向拉力的作用，可以使矩形部分處于與空腔302周圍的硅片表面平行的懸掛狀態(tài)。伸出部分的兩邊各有一個(gè)通至空腔402的開口410，開口的兩相鄰側(cè)壁由空腔402周圍的部分硅片形成，其它兩側(cè)壁由伸出部分的側(cè)面形成。形成氣敏半導(dǎo)體電阻薄膜406的材料為二氧化錫或三氧化鎢等類似氣敏金屬氧化物半導(dǎo)體，薄膜厚度控制在2000至8000埃范圍內(nèi)。
圖4所示的氧化還原氣體傳感器的工作原理基于當(dāng)金屬氧化物晶體如二氧化錫在空氣中被加熱到一定的高溫時(shí)，空氣中的氧氣被吸附在帶一個(gè)負(fù)電荷的晶體表面。然后，晶體表面的供與電子被轉(zhuǎn)移到吸附的氧氣上，結(jié)果在一個(gè)空間電荷層留下正電荷。這樣，其表面勢能形成一個(gè)勢壘，從而阻礙電子流動(dòng)。在傳感器的內(nèi)部，電流流過二氧化錫微晶的結(jié)合部位或晶粒邊界時(shí)，在晶粒邊界，吸附的氧形成一個(gè)勢壘阻止載流子自由移動(dòng)，傳感器的電阻即起緣于這種勢壘。還原性氣體出現(xiàn)時(shí)，帶有負(fù)電荷的氧的表面濃度降低，導(dǎo)致晶粒邊界的勢壘降低，使傳感器的阻值減小。
本發(fā)明利用微機(jī)械加工的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)制造的熱式流量傳感器如圖5所示，其組成為單晶硅片501，處于硅片501內(nèi)，深度4至40微米的平底空腔502，連接于硅片表層并處于空腔上方，寬度300至1200微米，厚度2至20微米的多孔單晶硅層504，覆蓋多孔單晶硅層504側(cè)面和底部，厚度0.1至2微米的無孔單晶硅層503，覆蓋多孔單晶硅層504及空腔周圍硅片表面，厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜505，處于上部表面中心部位的加熱電阻條506，以及熱結(jié)處于多孔單晶硅層上部表面邊緣區(qū)域，兩組含20至40對熱偶，對稱分布的熱偶堆508和510。平底空腔502周圍硅片表面布置有連接加熱電阻條506的金屬焊接塊507，分別連接熱偶堆508和510的金屬焊接塊509和511。形成加熱電阻條506的材料為厚0.5微米摻雜多晶硅薄膜，形成熱偶堆的兩種材料分別為厚0.5微米摻雜多晶硅薄膜和厚0.5微米金屬鋁薄膜。形狀像用排筆寫成的十字的多孔單晶硅層504包括中心100至400微米寬的矩形部分，和邊緣100至400微米長的四根對稱分布的伸出部分。伸出部分的外端與平底空腔502周圍硅片表層相連，而其內(nèi)端連接矩形部分，通過伸出部分的橫向拉力的作用，可以使矩形部分處于與空腔502周圍區(qū)域的硅片表面平行的懸掛狀態(tài)。伸出部分的兩邊各有一個(gè)抵達(dá)空腔512的開口，開口的兩相鄰側(cè)壁由空腔502周圍的部分硅片形成，其它兩側(cè)壁由伸出部分的側(cè)面形成。
當(dāng)圖5所示的熱式流量傳感器工作時(shí)，兩組對稱分布的熱偶堆508和510分別處于流體流動(dòng)的上游和下游，加熱電阻條506提供固定的電功率，而空腔502邊緣的硅片表面維持一定的高溫。如果流體靜止不動(dòng)，矩形部分上部表面的溫度分布類似于高斯分布，即其中心處于溫度最高點(diǎn)，而兩邊緣處于溫度最低點(diǎn)，此時(shí)兩組熱偶堆的熱結(jié)所處的溫度應(yīng)該是相等的。如果流體以一定的速度定向流動(dòng)，由于流體流動(dòng)的傳熱作用，矩形部分的溫度分布會(huì)向下游方向移動(dòng)，即兩組熱偶堆的熱結(jié)所處的溫度不再是相等的，而是上游處偏低，下游處偏高。此時(shí)兩組熱偶堆的輸出電壓會(huì)產(chǎn)生差值，其大小與流體的流速成比例，由此可以推導(dǎo)出流體的速度。
圖6和圖7概略表示本發(fā)明用來制造單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)的方法。圖6所示的制造步驟包括準(zhǔn)備一塊單面拋光的單晶硅片601，硅片的晶向不受限制，(100)，(110)，以(111)晶向的硅片都可以用，最好是(100)晶向的硅片。硅片的摻雜的類型可以是P型，也可以是N型，最好是P型，并且摻雜電阻率最好在0.1至0.001歐姆-厘米的范圍內(nèi)。在硅片的拋光面通過熱氧化形成厚大約500埃的二氧化硅薄膜，接著通過低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)形成厚大約2000埃的四氮化三硅薄膜。進(jìn)行光刻腐蝕，在二氧化硅和四氮化三硅復(fù)合薄膜中形成窗口，以露出硅片表面。進(jìn)行陽極氧化，在硅片中形成寬300至1200微米，厚4至40微米的多孔單晶硅層602，陽極氧化用的電解質(zhì)為氫氟酸和無水乙醇混合溶液，40％氫氟酸和無水乙醇的組合比為1比1或2比1，陽極氧化用的電流密度控制在5至10mA/cm2范圍內(nèi)，使形成的多孔單晶硅的孔隙率保持在20至30％的范圍內(nèi)。
圖7所示制造步驟包括腐蝕掉硅片表面殘留的二氧化硅和四氮化三硅復(fù)合薄膜，然后進(jìn)行外延生長前的高溫氫處理，處理溫度1050至1100℃，處理氣氛為氫氣，處理時(shí)間為7至30分鐘。在高溫氫處理過程中，多孔單晶硅層602的表面能被大幅度降低，表面深度30至40埃深度范圍內(nèi)的硅原子得以重新成核和生長，導(dǎo)致于微孔直徑縮小或孔口封閉，使得表面變得致密光亮，成為質(zhì)量較好的外延生長子晶。進(jìn)行外延生長，形成無孔單晶硅外延層605，生長溫度1050至1100℃，生長硅源為三氯氫硅或二氯氫硅。外延分兩步進(jìn)行，第一步，不進(jìn)行摻雜，形成厚0.2至2微米的未摻雜外延層，外延層的摻雜類型可以為P型，也可以為N型，最好是N型，載流子濃度控制在1016/cm3以下，第二步，進(jìn)行摻雜，形成厚2至20微米厚的摻雜外延層。外延層的摻雜類型可以為P型，也可以為N型，最好是N型，載流子濃度控制在1018至1020/cm3范圍內(nèi)。接著在外延層605上形成大約500埃厚的二氧化硅和2000埃厚的四氮化三硅復(fù)合薄膜，并通過光刻腐蝕形成陽極氧化窗口，其形狀像是用100至400微米的排筆寫成的十字，包括中心的矩形部分和邊緣的伸出部分。然后進(jìn)行陽極氧化將摻雜外延層轉(zhuǎn)變成多孔單晶硅層604，而未摻雜外延層成為剩余的單晶硅外延層603。陽極氧化用的溶液為，1份40％氫氟酸和1份無水乙醇，陽極氧化用的電流密度維持在30至50mA/cm2范圍內(nèi)，形成的多孔單晶硅的孔隙率應(yīng)該在60至70％范圍內(nèi)?？刂脐枠O氧化電壓低于5至6V，以保證陽極氧化自動(dòng)停止在摻雜外延層和未摻雜外延層之間的界面。最后在外延層605表面，包括形成的多孔單晶硅層604表面，通過LPCVD沉積形成厚大約5000埃的二氧化硅薄膜606。需要指出的是，圖6和圖7所示的是尚未釋放的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)，即尚未形成懸掛的薄膜結(jié)構(gòu)。要形成懸掛的薄膜結(jié)構(gòu)，須將多孔單晶硅層602選擇性地腐蝕掉，以形成空腔，而空腔上懸掛的結(jié)構(gòu)即是最終所需要的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)。這一步制程就是所謂的微機(jī)械加工，只是遵照“先平面加工，后微機(jī)械加工”的原則安排在傳感器形成以后進(jìn)行。如果讓單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)提前釋放，由于其機(jī)械強(qiáng)度脆弱，容易在器件制造過程中遭受損壞，使產(chǎn)品的成品率降低。
圖8和圖9概略描繪紅外溫度傳感器的制造過程，圖8為前步制程，圖9為后步制程。如圖8所示，首先形成尚未釋放的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括硅片701，寬300至1200微米，厚4至40微米的厚多孔單晶硅層703，厚2.2至22微米無孔外延單晶硅層702，厚2至20微米薄多孔單晶硅層705，厚0.2至2微米的減薄無孔外延單晶硅層704，以及厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜706。薄多孔外延單晶硅層705和減薄無孔外延單晶硅層704均為寬100至400微米的排筆寫成的十字形，包括十字中心的矩形部分和邊緣的伸出部分。然后通過薄膜沉積和光刻腐蝕形成40至80對熱偶組成的熱偶堆707和電阻條709，以及金屬壓焊塊708和710。熱偶堆707的熱結(jié)處于十字矩形部分的上部表面邊緣區(qū)域，而其泠結(jié)處于十字周圍的硅區(qū)表面，其引線通過十字的伸出部分。熱偶堆707的兩種組成材料分別為電阻率為100至200歐姆-厘米，厚0.5微米摻雜多晶硅薄膜和厚0.5微米金屬鋁薄膜。電阻條709處于十字邊緣一側(cè)的硅區(qū)表面，組成材料為電阻率為100至200歐姆-厘米，厚0.5微米摻雜多晶硅薄膜。
參考圖9，先通過薄膜沉積形成厚大約5000埃的二氧化硅薄膜711，并采用頂脫(Lift-Off)技術(shù)，在十字的矩形部分表面形成厚1000至3000埃的紅外吸收薄膜712。這里所用的頂脫技術(shù)，不是用光刻膠作犧牲層，而是用金屬鋁作犧牲層，先通過電子束蒸發(fā)沉積鋁薄膜，然后進(jìn)行光刻腐蝕形成鋁薄膜圖形，再進(jìn)行紅外吸收薄膜的沉積，最后用不腐蝕紅外吸收薄膜的鋁腐蝕液(80％H3PO4+5％HNO3+5％HAc+10％H2O)腐蝕掉鋁薄膜，就可形成與鋁薄膜圖形相反的紅外吸收薄膜圖形。紅外吸收薄膜可以是黑金薄膜也可以是黑碳薄膜，黑金薄膜為多孔狀結(jié)構(gòu)，其孔隙率高達(dá)80％，在遠(yuǎn)紅外波長范圍內(nèi)，其吸收率幾乎是100％。黑金薄膜由電阻加熱蒸發(fā)沉積，蒸發(fā)前，蒸發(fā)爐中的真空度要抽到3×10-6托，然后充氮?dú)馐拐婵斩冉抵?至6托，在此條件下，從鎢絲蒸發(fā)出來的金原子聚集成團(tuán)沉積到硅片表面。蒸發(fā)時(shí)，硅片溫度維持在攝氏-20至0℃范圍內(nèi)，溫度太高蒸發(fā)速率則難以控制。然后進(jìn)行光刻腐蝕，先在十字伸出部分之間形成穿越二氧化硅薄膜和無孔單晶硅外延層的方形窗口713，接著用稀釋的氫氧化鉀溶液在室溫下腐蝕掉十字下面的多孔單晶硅層703，使其成為由十字伸出部分支持的十字形懸掛結(jié)構(gòu)，包括空腔714，多孔單晶硅層715，無孔單晶硅薄膜716。要說明的是，形成的方形窗口713的邊界須與十字的邊界保持0.2至2微米的距離，以保證伸出部分下部的多孔單晶硅層715的側(cè)面免于因腐蝕而暴露出來。
圖10和圖11概略表示可燃?xì)怏w傳感器的制造過程。圖10所示制造步驟包括，形成尚未釋放的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括硅片801，寬400至1200微米，厚4至40微米的厚多孔單晶硅層803，厚2.2至22微米無孔外延單晶硅層802，厚2至20微米薄多孔單晶硅層805，厚0.2至2微米的減薄無孔外延單晶硅層804，以及厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜806。薄多孔外延單晶硅層805和減薄無孔外延單晶硅層804均為寬100至400微米排筆寫成的十字形，包括十字中心的矩形部分和十字邊緣的伸出部分。然后通過薄膜沉積和光刻腐蝕在十字中心矩形部分的上部表面中心區(qū)域形成加熱電阻條807，在加熱電阻條807周圍形成40至80對熱偶組成的熱偶堆809，和在十字周圍一側(cè)硅片表面形成測溫電阻條811，以及金屬壓焊塊808，810，和812。熱偶堆809的熱結(jié)處于十字矩形部份上部表面的邊緣區(qū)域，而其泠結(jié)處于十字周圍的硅片表面，其引線通過十字的伸出部分拉出。熱偶堆809的構(gòu)造材料采用電阻率為100至200歐姆-厘米，厚0.5微米摻雜多晶硅薄膜和厚0.5微米金屬鋁薄膜。加熱電阻條807和測溫電阻條811的構(gòu)造材料采用電阻率為100至200歐姆-厘米，厚0.5微米摻雜多晶硅薄膜。
圖11所示制造步驟包括，通過薄膜沉積和光刻腐蝕在十字的矩形部分的上部表面中心區(qū)域形成厚大約5000埃的二氧化硅薄膜813和厚500至2000埃的燃燒反應(yīng)催化劑薄膜814，形成催化劑薄膜所用的形成材料為一氧化鈀或二氧化釷等金屬氧化物。一氧化鈀薄膜的形成可分兩步進(jìn)行，先由電子束蒸發(fā)配合陰影掩模在十字的矩形部分表面形成金屬鈀薄膜，然后在700℃的高溫的空氣中退火1小時(shí)。接著，通過光刻腐蝕，在兩十字伸出部分支間形成穿越二氧化硅層和無孔單晶硅外延層的方形窗口815，并用稀釋的氫氧化鉀溶液室溫下腐蝕去除厚多孔單晶硅層803，使其成為由十字伸出部分支持的十字形懸掛結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括空腔816，懸掛的薄多孔單晶硅層818，以及覆蓋薄多孔單晶硅層818底部和側(cè)面的無孔單晶硅薄膜817。要說明的是，形成的方形窗口815的邊緣須與十字的邊緣保持0.2至2微米的距離，以保證形成的伸出部分下部的薄多孔單晶硅層的側(cè)面免于因腐蝕而暴露出來。
圖12和圖13概略表示氧化還原氣體傳感器的制造過程。圖12所示制造步驟，主要為形成尚未釋放的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括硅片901，寬400至1200微米，厚4至40微米的厚多孔單晶硅層903，厚2.2至22微米無孔外延單晶硅層902，厚2至20微米薄多孔單晶硅層905，厚0.2至2微米的減薄無孔外延單晶硅層904，以及厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜906。薄多孔外延單晶硅層905和減薄無孔外延單晶硅層904均為寬100至400微米排筆寫成的十字形，包括十字中心的矩形部分和十字邊緣的伸出部分。然后通過薄膜沉積和光刻腐蝕在十字矩形部分的上部表面中心區(qū)域形成加熱電阻條907，在加熱電阻條907的邊緣的兩側(cè)形成金屬電極909，在十字邊緣周圍的硅片表面形成金屬壓焊塊908和910。加熱電阻條907的構(gòu)造材料采用電阻率為100至200歐姆-厘米，厚0.5微米摻雜多晶硅薄膜。
圖13所示制造步驟，主要在十字的矩形部分上部表面形成厚大約5000埃的二氧化硅薄膜911和厚大約500至2000埃氣敏半導(dǎo)體薄膜912。形成氣敏半導(dǎo)體薄膜的材料選用二氧化錫，也可用三氧化鎢取代。二氧化錫薄膜通過濺射沉積形成，用純金屬錫為靶，在室溫下操作，濺射爐中的氣壓設(shè)定為5托，氣流設(shè)定為氧氣6立方厘米/分鐘，氬氣6立方厘米/分鐘。二氧化錫薄膜形成后，在400℃的空氣氣氛中退火處理2小時(shí)。頂脫技術(shù)所用的犧牲薄膜為厚0.5微米金屬鋁薄膜，由電子束蒸發(fā)沉積，通過光刻腐蝕形成圖形，然后通過濺射沉積形成二氧化錫薄膜，用不腐蝕二氧化錫的稀釋的氯化鈉溶液在室溫下腐蝕去除鋁薄膜，即形成與鋁薄膜圖形相反的二氧化錫薄膜圖形。接著在兩十字伸出部分之間形成穿越二氧化硅薄膜和無孔單晶硅外延層的方形窗口913，并用稀釋的氫氧化鉀溶液室溫下腐蝕去除厚多孔單晶硅層903，使其成為由十字伸出部分支持的十字形懸掛結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括空腔914，懸掛的薄多孔單晶硅層916，以及覆蓋薄多孔單晶硅層底部和側(cè)面的無孔單晶硅薄膜915。要說明的是，形成的方形窗口913的邊緣須與十字的邊緣保持0.2至2微米的距離，以保證形成的伸出部分下部的薄多孔單晶硅層的側(cè)面免于因腐蝕而暴露出來。
圖14概略表示熱式流量傳感器的制造過程。該圖顯示出的制造步驟包括形成尚未釋放的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括硅片1001，寬400至1200微米，厚4至40微米的厚多孔單晶硅層，厚2.2至22微米無孔外延單晶硅層1002，厚2至20微米薄多孔單晶硅層1013，厚0.2至2微米的減薄無孔外延單晶硅層1012，以及厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜1003。薄多孔單晶硅層1013和減薄無孔外延單晶硅層1012為寬100至400微米排筆寫成的十字形，包括十字中心的矩形部分和十字邊緣的伸出部分。然后通過薄膜沉積和光刻腐蝕在十字中心矩形部分的中心區(qū)域形成加熱電阻條1004，在加熱電阻條1004的兩側(cè)形成兩組對稱分布的熱偶堆1006和1008。每組熱偶堆包含20至40對由兩種不同材料組成的熱偶。熱偶堆1006和1008的熱結(jié)處于十字中心矩形部分上部表面的邊緣區(qū)域，而其泠結(jié)處于十字周圍的硅片表面，其引線跨過十字的伸出部分拉出。熱偶堆1006和1008的構(gòu)造材料采用電阻率為100至200歐姆-厘米，厚0.5微米摻雜多晶硅薄膜和厚0.5微米金屬鋁薄膜。加熱電阻條1004的構(gòu)造材料采用電阻率為100至200歐姆-厘米，厚0.5微米摻雜多晶硅薄膜。接著在十字周圍的硅片表面形成金屬壓焊塊1005，1007，和1009。隨后進(jìn)行光刻腐蝕，在兩十字伸出部分之間形成穿越二氧化硅層和無孔外延單晶硅層的方形窗口1010，并用稀釋的氫氧化鉀溶液室溫下腐蝕去除厚多孔單晶硅層，使其成為由十字伸出部分支持的十字形懸掛結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括空腔1011，懸掛的薄多孔單晶硅層1013，以及覆蓋薄多孔單晶硅層底部和側(cè)面的無孔單晶硅薄膜1012。要說明的是，形成的方形窗口1011的邊緣須與十字的邊緣保持0.2至2微米的距離，以保證形成的伸出部分下部的薄多孔單晶硅層的側(cè)面免于因腐蝕而暴露出來。
上面詳細(xì)敘述了微機(jī)械加工的單晶硅熱隔離傳感器件的特征結(jié)構(gòu)及制造方法，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行局部調(diào)整和修改，不難重復(fù)出本發(fā)明的結(jié)果，但這并不會(huì)超出本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于熱式傳感器的微機(jī)械加工的單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)，其特征包括一塊硅片；處于硅片內(nèi)，寬度300至1200微米，深度4至40微米的平底空腔；連接于硅片表層并處于空腔上方，厚度2至20微米，像是用寬100至400微米的排筆寫成的十字形的多孔單晶硅層，十字包括中心的矩形部分和邊緣的伸出部分；封閉多孔單晶硅層側(cè)面和底部表面，厚度0.1至2微米的無孔單晶硅層；封閉多孔單晶硅層上部表面，厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜；以及四個(gè)對稱分布，每個(gè)分別處于十字兩條伸出部分之間，向下直通空腔，四壁覆蓋有無孔單晶硅層的開口。
2.一種采用微機(jī)械加工單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)的紅外溫度傳感器，其結(jié)構(gòu)特征包括一塊硅片；處于硅片內(nèi)，寬度300至1200微米，深度4至40微米的平底空腔；連接于硅片表層并處于空腔上方，厚度2至20微米，像是用寬100至400微米的排筆寫成的十字形的多孔單晶硅層，十字包括中心的矩形部分和邊緣的伸出部分；封閉多孔單晶硅層側(cè)面和底部表面，厚度0.1至2微米的無孔單晶硅層；封閉多孔單晶硅層上部表面，厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜；從多孔單晶硅層矩形部分上部表面邊緣開始，經(jīng)伸出部分，延伸到圍繞多孔單晶硅層，起支持作用的硅片表面上的熱偶堆，該熱偶堆含40至80對由厚0.5微米摻雜多晶硅薄膜和厚0.5微米金屬鋁薄膜形成的熱偶；覆蓋多孔單晶硅層矩形部分上部表面，厚度5000埃的二氧化硅薄膜；覆蓋多孔單晶硅層矩形部分上部表面，由黒(多孔)金或黒(多孔)碳薄膜形成的紅外吸收薄膜；以及處于多孔單晶硅層周圍硅片表面的測溫電阻條。
3.一種采用微機(jī)械加工單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)的可燃?xì)怏w傳感器，其結(jié)構(gòu)特征包括一塊硅片；處于硅片內(nèi)，寬度300至1200微米，深度4至40微米的平底空腔；連接于硅片表層并處于空腔上方，厚度2至20微米，像是用寬100至400微米的排筆寫成的十字形的多孔單晶硅層，十字包括中心的矩形部分和邊緣的伸出部分；封閉多孔單晶硅層側(cè)面和底部表面，厚度0.1至2微米的無孔單晶硅層；封閉多孔單晶硅層上部表面，厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜；處于多孔單晶硅層矩形部分上部表面的中心區(qū)域，由厚0.5微米摻雜多晶硅形成的加熱電阻條；從多孔單晶硅層矩形部分上部表面邊緣開始，沿伸出部分，延伸到圍繞多孔單晶硅層，起支持作用的硅片表面上的熱偶堆，該熱偶堆含40至80對由厚0.5微米的摻雜多晶硅和厚0.5微米的金屬鋁薄膜形成的熱偶；覆蓋加熱電阻條區(qū)域表面，厚度5000埃的二氧化硅薄膜；以及處于二氧化硅薄膜表面，由一氧化鈀或二氧化釷形成的催化燃燒反應(yīng)的金屬氧化物薄膜。
4.一種采用微機(jī)械加工單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)的氧化和還原氣體傳感器，其結(jié)構(gòu)特征包括一塊硅片；處于硅片內(nèi)，寬度300至1200微米，深度4至40微米的平底空腔；連接于硅片表層并處于空腔上方，厚度2至20微米，像是用寬100至400微米的排筆寫成的十字形的多孔單晶硅層，十字包括中心的矩形部分和邊緣的伸出部分；封閉多孔單晶硅層側(cè)面和底部表面，厚度0.1至2微米的無孔單晶硅層；封閉多孔單晶硅層上部表面，厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜；處于多孔單晶硅層矩形部分上部表面的中心區(qū)域，由厚0.5微米的摻雜多晶硅形成的加熱電阻條；覆蓋加熱電阻條區(qū)域表面，厚度5000埃的二氧化硅薄膜；處于二氧化硅薄膜表面，由厚500至2000埃的二氧化錫或三氧化鎢形成的氣敏金屬氧化物半導(dǎo)體電阻條；以及處于多孔單晶硅層矩形部分上部表面邊緣，連接氣敏金屬氧化物半導(dǎo)體電阻條的電極。
5.一種采用微機(jī)械加工單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)的流量傳感器，其結(jié)構(gòu)特征包括一塊硅片；處于硅片內(nèi)，寬度300至1200微米，深度4至40微米的平底空腔；連接于硅片表層并處于空腔上方，厚度2至20微米，像是用寬100至400微米的排筆寫成的十字形的多孔單晶硅層，十字包括中心的矩形部分和邊緣的伸出部分；封閉多孔單晶硅層側(cè)面和底部表面，厚度0.1至2微米的無孔單晶硅層；封閉多孔單晶硅薄膜上部表面，厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜；處于多孔單晶硅層矩形部分上部表面中心區(qū)域，由厚0.5微米的摻雜多晶硅薄膜形成的加熱電阻條；以及從多孔單晶硅層矩形部分上部表面邊緣開始，經(jīng)伸出部分，延伸到圍繞多孔單晶硅層，起支持作用的硅片表面上的兩組對稱分布的熱偶堆，每組熱偶堆含20至40對由摻雜多晶硅和金屬鋁薄膜形成的熱偶。
6.一種制造微機(jī)械加工單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)的方法，其特征制造步驟包括準(zhǔn)備一塊電阻率為0.1至0.001歐姆厘米的N-型或P-型無孔單晶硅襯底；通過陽極氧化，在單晶硅襯底表面選定的區(qū)域形成寬300至1200微米，深4至40微米的厚多孔單晶硅層；通過外延生長，在無孔單晶硅襯底表面，包括形成的厚多孔單晶硅埋層表面，先后形成厚0.1至2微米，載流子濃度低于1016/cm3的未摻雜無孔單晶硅外延層，和厚2至20微米，載流子濃度為1018至1020/cm3的高摻雜無孔單晶硅外延層，摻雜類型為N-型或P-型，但兩層外延層的摻雜類型要相同；通過陽極氧化，將處于厚多孔單晶硅層上部部分區(qū)域的高摻雜無孔單晶硅外延層轉(zhuǎn)變成薄多孔單晶硅層，其形狀像是用寬100至400微米的排筆寫成的十字，包括中心的矩形部分和邊緣的伸出部分；通過低壓氣相化學(xué)沉積，在高摻雜無孔單晶硅外延層表面，包括薄多孔單晶硅層表面，形成厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜；在形成傳感元件后，通過光刻腐蝕在多孔單晶硅十字的兩相鄰伸出部分之間形成開口，使其穿過二氧化硅薄膜和無孔單晶硅外延層，直抵厚多孔單晶硅層；以及選擇性腐蝕去掉厚多孔單晶硅層，使其變成空腔，空腔上部的薄多孔單晶硅層和未摻雜無孔單晶硅外延層變成懸掛的隔熱薄膜結(jié)構(gòu)，薄膜結(jié)構(gòu)的形狀為十字形，包括中心的矩形部分和邊緣的伸出部分。
7.一種制造采用微機(jī)械加工單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)的紅外溫度傳感器方法，其特征制造步驟包括準(zhǔn)備一塊電阻率為0.1至0.001歐姆厘米的N-型或P-型無孔單晶硅襯底；通過陽極氧化，在單晶硅襯底表面選定的區(qū)域形成寬300至1200微米，深4至40微米的厚多孔單晶硅層；通過外延生長，在單晶硅襯底表面，包括形成的厚多孔單晶硅埋層表面，先后形成厚0.1至2微米，載流子濃度低于1016/cm3的未摻雜無孔單晶硅外延層，和厚2至20微米，載流子濃度為1018至1020/cm3的高摻雜無孔單晶硅外延層，摻雜類型為N-型或P-型，但兩層外延層的摻雜類型要相同；通過陽極氧化，將處于厚多孔單晶硅層上部部分區(qū)域的高摻雜無孔單晶硅外延層轉(zhuǎn)變成薄多孔單晶硅層，其形狀像是用寬100至400微米的排筆寫成的十字，包括中心的矩形部分和邊緣的伸出部分；通過低壓氣相化學(xué)沉積，在高摻雜無孔單晶硅外延層表面，包括薄多孔單晶硅層表面，形成厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜；通過薄膜沉積和光刻腐蝕，在多孔單晶硅層矩形部分上部表面邊緣，伸出部分，以及十字周圍的硅片表面形成熱偶堆，該熱偶堆含40至80對由厚0.5微米摻雜多晶硅薄膜和厚0.5微米金屬鋁薄膜形成的熱偶；通過低壓氣相化學(xué)沉積，在多孔單晶硅層矩形部分上部表面，形成厚度5000埃的二氧化硅薄膜；通過真空蒸發(fā)，在二氧化硅薄膜表面形成厚500至2000埃，由黒(多孔)金或黒(多孔)碳形成的紅外吸收薄膜；通過光刻腐蝕，在多孔單晶硅十字的兩相鄰伸出部分之間形成開口，使其穿過二氧化硅薄膜和無孔單晶硅外延層，直抵厚多孔單晶硅層；以及選擇性腐蝕去掉厚多孔單晶硅層，使其變成空腔，空腔上部的薄多孔單晶硅層和未摻雜無孔單晶硅外延層變成懸掛的隔熱薄膜結(jié)構(gòu)，薄膜結(jié)構(gòu)的形狀為十字形，包括中心的矩形部分和邊緣的伸出部分。
8.一種制造采用微機(jī)械加工單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)的可燃?xì)怏w傳感器方法，其特征制造步驟包括準(zhǔn)備一塊電阻率為0.1至0.001歐姆厘米的N-型或P-型無孔單晶硅襯底；通過陽極氧化，在單晶硅襯底表面選定的區(qū)域形成寬300至1200微米，深4至40微米的厚多孔單晶硅層；通過外延生長，在單晶硅襯底表面，包括形成的厚多孔單晶硅埋層表面，先后形成厚0.1至2微米，載流子濃度低于1016/cm3的未摻雜無孔單晶硅外延層，和厚2至20微米，載流子濃度為1018至1020/cm3的高摻雜無孔單晶硅外延層，摻雜類型為N-型或P-型，但兩層外延層的摻雜類型要相同；通過陽極氧化，將處于厚多孔單晶硅層上部部分區(qū)域的高摻雜無孔單晶硅外延層轉(zhuǎn)變成薄多孔單晶硅層，其形狀像是用寬100至400微米的排筆寫成的十字，包括中心的矩形部分和邊緣的伸出部分；通過低壓氣相化學(xué)沉積，在高摻雜無孔單晶硅外延層表面，包括薄多孔單晶硅層表面，形成厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜；通過薄膜沉積和光刻腐蝕，在多孔單晶硅層的矩形部分上部表面的中心區(qū)域形成由厚0.5微米摻雜多晶硅薄膜形成的加熱電阻條；通過薄膜沉積和光刻腐蝕，在加熱電阻條的邊緣，以及厚多孔單晶硅層的伸出部分，和十字周圍的硅片表面形成熱偶堆，該熱偶堆含40至80對由厚0.5微米摻雜多晶硅薄膜和厚0.5微米金屬鋁薄膜形成的熱偶；通過低壓氣相化學(xué)沉積，在加熱電阻條區(qū)域的上部表面形成厚度5000埃的二氧化硅薄膜；通過薄膜沉積和頂脫(Lift-off)腐蝕，在二氧化硅薄膜表面形成厚500至2000埃，由一氧化鈀或二氧化釷形成催化燃燒反應(yīng)的金屬氧化物薄膜；通過光刻腐蝕，在多孔單晶硅十字的兩相鄰伸出部分之間形成開口，使其穿過二氧化硅薄膜和無孔單晶硅外延層，直抵厚多孔單晶硅層；以及選擇性腐蝕去掉厚多孔單晶硅層，使其變成空腔，空腔上部的薄多孔單晶硅層和未摻雜無孔單晶硅外延層變成懸掛的隔熱薄膜結(jié)構(gòu)，薄膜結(jié)構(gòu)的形狀為十字形，包括中心的矩形部分和邊緣的伸出部分。
9.一種制造采用微機(jī)械加工單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)的氧化和還原氣體傳感器方法，其特征制造步驟包括準(zhǔn)備一塊電阻率為0.1至0.001歐姆厘米的N-型或P-型無孔單晶硅襯底；通過陽極氧化，在單晶硅襯底表面選定的區(qū)域形成寬300至1200微米，深4至40微米的厚多孔單晶硅層；通過外延生長，在單晶硅襯底表面，包括形成的厚多孔單晶硅埋層表面，先后形成厚0.1至2微米，載流子濃度低于1016/cm3的未摻雜無孔單晶硅外延層，和厚2至20微米，載流子濃度為1018至1020/cm3的高摻雜無孔單晶硅外延層，摻雜類型為N-型或P-型，但兩層外延層的摻雜類型要相同；通過陽極氧化，將處于厚多孔單晶硅層上部部分區(qū)域的高摻雜無孔單晶硅外延層轉(zhuǎn)變成薄多孔單晶硅層，其形狀像是用寬100至400微米的排筆寫成的十字，包括中心的矩形部分和邊緣的伸出部分；通過低壓氣相化學(xué)沉積，在高摻雜無孔單晶硅外延層表面，包括薄多孔單晶硅層表面，形成厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜；通過薄膜沉積和光刻腐蝕，在多孔單晶硅層的矩形部分上部表面的中心區(qū)域形成由厚0.5微米摻雜多晶硅薄膜形成的加熱電阻條；通過低壓氣相化學(xué)沉積，在加熱電阻條區(qū)域的上部表面形成厚度5000埃的二氧化硅薄膜；通過薄膜沉積和光刻腐蝕，在加熱電阻條的邊緣形成金屬電極；通過薄膜沉積和頂脫(Lift-off)腐蝕，在二氧化硅薄膜表面形成厚500至2000埃，由二氧化錫或三氧化鎢形成氣敏金屬氧化物半導(dǎo)體電阻條，使其兩端與金屬電極相連；通過光刻腐蝕，在多孔單晶硅十字的兩相鄰伸出部分之間形成開口，使其穿過二氧化硅薄膜和無孔單晶硅外延層，直抵厚多孔單晶硅層；以及選擇性腐蝕去掉厚多孔單晶硅層，使其變成空腔，空腔上部的薄多孔單晶硅層和未摻雜無孔單晶硅外延層變成懸掛的隔熱薄膜結(jié)構(gòu)，薄膜結(jié)構(gòu)的形狀為十字形，包括中心的矩形部分和邊緣的伸出部分。
10.一種制造采用微機(jī)械加工單晶硅熱隔離結(jié)構(gòu)的流量傳感器方法，其特征制造步驟包括準(zhǔn)備一塊電阻率為0.1至0.001歐姆厘米的N-型或P-型無孔單晶硅襯底；通過陽極氧化，在單晶硅襯底表面選定的區(qū)域形成寬300至1200微米，深4至40微米的厚多孔單晶硅層；通過外延生長，在單晶硅襯底表面，包括形成的厚多孔單晶硅埋層表面，先后形成厚0.1至2微米，載流子濃度低于1016/cm3的未摻雜無孔單晶硅外延層，和厚2至20微米，載流子濃度為1018至1020/cm3的高摻雜無孔單晶硅外延層，摻雜類型為N-型或P-型，但兩層外延層的摻雜類型要相同；通過陽極氧化，將處于厚多孔單晶硅層上部部分區(qū)域的高摻雜無孔單晶硅外延層轉(zhuǎn)變成薄多孔單晶硅層，其形狀像是用寬100至400微米的排筆寫成的十字，包括中心的矩形部分和邊緣的伸出部分；通過低壓氣相化學(xué)沉積，在高摻雜無孔單晶硅外延層表面，包括薄多孔單晶硅層表面，形成厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜；通過薄膜沉積和光刻腐蝕，在多孔單晶硅層的矩形部分上部表面的中心區(qū)域形成由厚0.5微米摻雜多晶硅薄膜形成的加熱電阻條；通過薄膜沉積和光刻腐蝕，在加熱電阻條的邊緣，以及多孔單晶硅層十字的伸出部分，和十字周圍的硅片表面形成兩組對稱分布的熱偶堆，每組熱偶堆含20至40對由厚0.5微米摻雜多晶硅薄膜和厚0.5微米金屬鋁薄膜形成的熱偶；通過光刻腐蝕，在多孔單晶硅十字的兩相鄰伸出部分之間形成開口，使其穿過二氧化硅薄膜和無孔單晶硅外延層，直抵厚多孔單晶硅層；以及選擇性腐蝕去掉厚多孔單晶硅層，使其變成空腔，空腔上部的薄多孔單晶硅層和未摻雜無孔單晶硅外延層變成懸掛的隔熱薄膜結(jié)構(gòu)，薄膜結(jié)構(gòu)的形狀為十字形，包括中心的矩形部分和邊緣的伸出部分。
全文摘要
本發(fā)明的微機(jī)械加工的熱隔離結(jié)構(gòu)包括硅片，硅片內(nèi)的平底空腔，空腔上方的多孔單晶硅層，多孔單晶硅層表面的二氧化硅薄膜，以及多孔單晶硅層側(cè)面和底部的無孔單晶硅層。多孔單晶硅層包括中心的矩形部分和邊緣的伸出部分，伸出部分的一端固定于圍繞空腔的硅片表層，另一端連接矩形部分，使其處于與硅片表面平行的懸掛狀態(tài)。本發(fā)明利用上述熱隔離結(jié)構(gòu)制造紅外溫度傳感器，可燃?xì)怏w傳感器，氧化和還原氣體傳感器，以及熱式流量傳感器。這些傳感器具有靈敏度高，反應(yīng)快，抗振動(dòng)能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，以及制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H01L49/00GK1908603SQ20051008863
公開日2007年2月7日 申請日期2005年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月1日
發(fā)明者涂相征, 李韞言 申請人:李韞言