一种高效率MEMS高温薄膜热电偶传感器的制造方法技术

本发明专利技术提供了一种高效率MEMS高温薄膜热电偶传感器的制造方法，涉及MEMS制造领域与传感器领域。包括：基片选择、绝缘层/过渡层材料选择与生长工艺、热偶层特定材料的厚度确定与沉积工艺、保护层材料选择与生长工艺。本发明专利技术针对高温恶劣环境，设计了传感器的耐高温膜层材料及结构，优化了薄膜溅射、剥离、退火等制备工艺，采用磁控溅射沉积、化学气相沉积技术，与MEMS工艺线相互兼容，解决了钨铼合金湿法图形化腐蚀的难题，攻克了大尺寸厚金属膜制备的应力问题，实现了可在1000℃下使用的微型化高温薄膜热电偶传感器的批量生产，制造良品率100％。100％。100％。

【技术实现步骤摘要】
一种高效率MEMS高温薄膜热电偶传感器的制造方法


[0001]本专利技术主要涉及MEMS制造领域与传感器领域，具体涉及一种高效率MEMS高温薄膜热电偶传感器的制造方法。

技术介绍

[0002]高温薄膜热电偶传感器是一种适用高温范围的测温传感器。其热结点多为微米级的薄膜，具有热容量小、响应迅速、耐腐蚀、抗干扰能力强、可靠性高等特点，能够快速而准确地测量瞬态温度的变化，适用于钢铁冶炼过程高温精确控制、废钢冶炼尾气高温监测、航空航天高温部件及流道温度测量等领域。
[0003]而现有的高温薄膜热电偶传感器由于沉积的薄膜在微米级，相比于其他半导体工艺制作的薄膜较厚，局限于实验室小尺寸晶圆制作，当采用6英寸晶圆生产线大批量制作时会由于应力释放不够导致应力集中，造成薄膜龟裂，无法实现大批量产业化生产以满足实际应用。

技术实现思路

[0004]鉴于此，本专利技术提供了一种高效率MEMS高温薄膜热电偶传感器的制造方法，用以解决上述
技术介绍
中提出的无法大批量生产高温薄膜热电偶传感器的技术问题。
[0005]本专利技术提供了一种高效率MEMS高温薄膜热电偶传感器的制造方法，至少包括：基片选择、绝缘层/过渡层材料选择与生长工艺、热偶层厚度确定与沉积工艺、保护层材料选择与生长工艺。
[0006]进一步的，基片可采用400μm
±
40μm 6英寸硅基底、碳化硅基底、蓝宝石基底。
[0007]进一步的，绝缘层/过渡层为Si3N4膜层，采用低压力化学气相沉积技术制作而成，膜层厚度为<br/>[0008]进一步的，热偶层通过磁控溅射技术制备，由正极热电偶膜和负极热电偶膜采用头部
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头部搭接而成，其搭接部分构成热接点即测量端，正其尾部为冷端。正极热电偶膜可采用耐高温的W
‑
5Re/Pt
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10Rh/Pt
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13Rh材料，膜层厚度为(英寸热偶层临界龟裂厚度)；负极热电偶膜可采用耐高温的W
‑
26Re/Pt/Pt材料，膜层厚度为(英寸热偶层临界龟裂厚度)。
[0009]进一步的，保护层可选择Si3N4、AlN或Al2O3膜层，采用等离子体增强化学的气相沉积法制作而成，膜层厚度为
[0010]如上所述一种高效率MEMS高温薄膜热电偶传感器的制造方法，具体包括以下工艺流程：
[0011]1)质检区：准备400um
±
40μm厚度的双抛6英寸硅基底、碳化硅基底或蓝宝石基底，依次经紫外灯、测厚仪质检后，使用激光打标机于基片背面打标编号；
[0012]2)清洗腐蚀区：以9
‑
11片为1个批次送入清洗腐蚀区，在纯度酒精、丙酮、酒精中依次超声清洗18
‑
22分钟，流入高温箱中烘烤甩干，获得表面清洁干燥的衬底，通过显微镜镜检后送入氧化扩散区；
[0013]3)氧化扩散区：采用低气压化学气相沉积技术在非打标面沉积Si3N4膜层作为绝缘层/过渡层，记录薄膜厚度、沉积情况、应力等数据；
[0014]4)光刻键合区：第一次光刻。旋涂AZ5214型号光刻胶2.8um，利用光刻机、涂胶显影机在每个6英寸基片非打标面形成110个薄膜热电偶器件的正极图形，记录胶厚、线宽损失等数据；
[0015]5)成膜刻蚀区：利用磁控溅射仪采用直流磁控溅射技术于非打标面沉积W
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5Re/Pt
‑
10Rh/Pt
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13Rh正极热电偶薄膜，记录薄膜厚度、沉积情况等数据；
[0016]6)清洗腐蚀区：利用清洗机通过丙酮剥离液去除每个基片上图形以外的光刻胶和薄膜，得到110个薄膜热电偶器件的正极膜层，记录薄膜剥离情况；
[0017]7)光刻键合区：第二次光刻。旋涂AZ5214型号光刻胶2.8um，利用光刻机、涂胶显影机在每个6英寸基片非打标面形成110个薄膜热电偶器件的负极图形，记录胶厚、线宽损失等数据；
[0018]8)成膜刻蚀区：利用磁控溅射仪采用直流磁控溅射技术于非打标面沉积W
‑
26Re/Pt/Pt负极热电偶薄膜，记录薄膜厚度、沉积情况等数据；
[0019]9)清洗腐蚀区：利用清洗机通过丙酮剥离液去除每个基片上图形以外的光刻胶和薄膜，得到110个薄膜热电偶器件的负极膜层，记录薄膜剥离情况；
[0020]10)氧化扩散区：采用等离子体增强化学气相沉积技术在非打标面沉积Si3N4、AlN或Al2O3膜层作为绝缘层/过渡层，记录薄膜厚度、沉积情况、应力等数据。在氮气气氛下300℃退火2h，记录薄膜厚度、沉积情况、应力等数据；
[0021]11)光刻键合区：第三次光刻。旋涂AZ5214型号光刻胶2.8um，利用光刻机、涂胶显影机形成划片道，并在器件Pad位置形成110个薄膜热电偶器件的Pad图形，记录胶厚、线宽损失等数据；
[0022]12)成膜刻蚀区：利用反应离子刻蚀机刻蚀形成划片道并露出110个薄膜热电偶器件的冷端Pad；
[0023]13)清洗腐蚀区：利用清洗机通过丙酮剥离液去除每个基片上图形以外的光刻胶和薄膜，分批次得到6英寸硅基底初步加工器件成品；
[0024]14)封装测试区：打标面贴蓝膜，使用划片机根据划片道进行划片，每批次得到1100个分立的薄膜热电偶器件。
[0025]与传统热电偶、其他薄膜热电偶传感器制作方式相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0026]1.绝缘层/过渡层为Si3N4膜层，采用低压力化学气相沉积技术制作而成，膜层厚度为Si3N4膜层太薄介质层在高温环境下绝缘效果较差，太厚由于薄膜的内应力容易发生龟裂现象，同时增加加工工艺难度；
[0027]2.W
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5Re/Pt
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10Rh/Pt
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13Rh正极热电偶薄膜与W
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26Re/Pt/Pt负极热电偶薄膜。该厚度是经过大量实验取得最优值，低于这个值引线互联难度增高，在高温环境下无法形成良好的欧姆接触，高于这个值，整面金属薄膜由于内应力会出现
龟裂、脱落等现象，良品率无法保证100％。
[0028]3.Si3N4、AlN或Al2O3的绝缘保护层，该厚度是经过仿真分析设计的，低于该厚度在高温环境下不具备良好的保护效果，高于该厚度会影响整个传感器对温度的响应时间，响应时间会随着保护层厚度增加而增加，影响器件的整体性能。
[0029]4.本专利技术采用MEMS兼容的工艺实现了钨铼和铂铑高温薄膜热电偶传感器的加工，通过调控绝缘层/过渡层与敏感层的厚度及生长制备工艺，实现了6英寸大面积低应力多层膜制备，解决了热偶层由中心向四周龟裂的问题，克服了钨铼和铂铑热电偶正负热偶层的厚膜生长、图形化与微纳加工兼容的难题，实现了钨铼和铂铑高温薄膜热电偶传感器的批量制造，制造良品率100％。
附图说明
[0030]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高效率MEMS高温薄膜热电偶传感器的制造方法，其特征在于，包括：基片选择、绝缘层/过渡层材料选择与生长工艺、热偶层厚度确定与沉积工艺、保护层材料选择与生长工艺。2.根据权利要求1所述的一种高效率MEMS高温薄膜热电偶传感器的制造方法，其特征在于，所述基片采用400μm
±
40μm 6英寸硅基底、碳化硅基底、蓝宝石基底。3.根据权利要求1所述的一种高效率MEMS高温薄膜热电偶传感器的制造方法，其特征在于，所述绝缘层/过渡层为Si3N4膜层，采用低压力化学气相沉积技术制作而成，膜层厚度为4.根据权利要求1所述的一种高效率MEMS高温薄膜热电偶传感器的制造方法，其特征在于，所述热偶层通过磁控溅射技术制备，由正极热电偶膜和负极热电偶膜采用头部
‑
头部搭接而成，其搭接部分构成热接点即测量端，正其尾部为冷端；正极热电偶膜采用耐高温的W
‑
5Re/Pt
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10Rh/Pt
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13Rh材料，膜层厚度为(英寸热偶层临界龟裂厚度)；负极热电偶膜采用耐高温的W
‑
26Re/Pt/Pt材料，膜层厚度为(英寸热偶层临界龟裂厚度)。5.根据权利要求1所述的一种高效率MEMS高温薄膜热电偶传感器的制造方法，其特征在于，所述保护层选择Si3N4、AlN或Al2O3膜层，采用等离子体增强化学的气相沉积法制作而成，膜层厚度为6.根据权利要求1所述的一种高效率MEMS高温薄膜热电偶传感器的制造方法，其特征在于，包括以下工艺流程：1)质检区：准备400um
±
40μm厚度的双抛6英寸硅基底、碳化硅基底或蓝宝石基底，依次经紫外灯、测厚仪质检后，使用激光打标机于基片背面打标编号；2)清洗腐蚀区：以9
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11片为1批次送入清洗腐蚀区，在纯度酒精、丙酮、酒精中依次超声清洗18
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22分钟，流入高温箱中烘烤甩干，获得表面清洁干燥的衬底，通过显微镜镜检后送入氧化扩散区；3)氧化扩散区：采用低气压化学气相沉积技术在非...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛美霞，滕蛟，吴宇，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：