专利名称：一种三维真空传感器及其制备方法
技术领域：
本发明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领域。
背景技术：
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。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种三维真空传感器及其制备方法，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，本发明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。本发明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、以及键合于所述第二支撑膜表面的盖板。可选地，所述半导体衬底为SOI衬底或硅片。可选地，所述盖板的材质为硅片，且该盖板的侧面开有小孔，以维持所述三维真空传感器在封装腔内和外部大气环境保持相同的压强。可选地，所述第一支撑膜和第二支撑膜的结构为自下向上依次由氧化硅层、氮化硅层、氧化硅层组成的复合介质膜。所述第一支撑膜和第二支撑膜之间的垂直距离为I μ m 10 μ m0可选地，所述三维真空传感器还包括位于所述盖板两侧的微加热器引出焊盘和热电堆引出焊盘。所述第一支撑膜与第二支撑膜具有接触部，所述微加热器产生的热量通过所述第二支撑膜、所述接触部以及第一支撑膜传送到所述热电堆的热端。所述热电堆结构的材质采用掺杂单晶硅和金属铝、或掺杂的多晶硅和金属铝；所述微加热器结构的材质采用招、怕金或鹤。如上所述，本发明的三维真空传感器及其制备方法，具有以下有益效果该方法制备的热电堆和加热器位于不同的平面上，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工艺的兼容。
图Ia 图Im显示为本发明实施例I中的三维真空传感器制备工艺流程示意图。CN 102928153 A
书
明
说
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其中，图Ih Ij显示为形成释放通孔中各个步骤中的平面简化图。
图2显示为本发明实施例2中的三维真空传感器结构的示意图。
元件标号说明
10硅衬底
100凹腔
11第一氧化硅层
12、15(Τ多晶娃层
13第一氮化硅层
130引线孔
14、19、15Γ铝金属层
15、15,热电偶对
150、18,热电堆引出焊盘
16第二氧化硅层
17
170接触孔
18第二氧化娃层
190、13r微加热器
191、17r微加热器引出焊盘
20第二氮化硅层
21第四氧化硅层
22释放通孔
23、16,焊料层
24、14,盖板
1(T半导体衬底
100,、14(T凹槽
ir第一支撑膜
11(Τ、112Λ、12(Τ、122Λ氧化硅层
111\12Γ氮化娃层
12r第二支撑膜
SrS8步骤具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书
所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式
加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。 请参阅图Ia至图Im,以及图2。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的
7改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。实施例I如图所示，本发明提供一种三维真空传感器的制备方法，该方法包括以下步骤SI :如图Ia所示，提供一半导体衬底，该半导体衬底可以为SOI衬底，或普通的硅片，本实施例中暂选为普通的硅衬底10。利用热氧化生成工艺在所述硅衬底10上制备第一氧化娃层11作为第一电介质层，然后利用LPCVD工艺在该第一氧化娃层11上沉积一层多晶硅层12 ;接着利用离子注入工艺对所述多晶硅层12进行掺杂使其导电作为第一导电层，在其它实施例中，所述第一导电层也可替换为掺杂的单晶硅。所掺杂的离子可以为N型或P型离子，例如N型掺杂常用的掺杂剂为磷、砷等，P型掺杂常用的掺杂剂为硼、铟、镓、铝、或氟化硼等；最后在所述掺杂过的多晶硅12上进行图形化刻蚀，刻蚀工艺可采用本领域技术人员所熟知的干法或湿法刻蚀工艺，本实施中采用RIE (反应离子刻蚀)工艺，将所述多晶硅层12刻蚀成条状结构作为热电偶的一部分。需要说明的是，当所述半导体衬底选为SOI衬底时，该SOI衬底中的埋层氧化硅作为第一氧化硅层，在所述SOI衬底的顶层硅中进行掺杂使其导电，然后将所述顶层硅进行图形化刻蚀成条状结构作为热电偶的一部分。因此采用SOI衬底可以省去热生长第一氧化硅层的工艺，其它工艺与采用普通的硅衬底相同，本实施例中不再赘述。S2 :如图Ib所示,利用PECVD (等离子体增强化学气相沉积)工艺在所述步骤SI形成的结构上沉积第二电介质层，本实施例中该第二电介质层暂选为第一氮化硅层13，然后对该第一氮化硅层13进行图形化刻蚀形成引线孔130，并同时露出条状的所述多晶硅层12。S3 :如图Ic至图Id所示，在所述第一氮化硅层13上沉积第二导电层，本实施例中该第二导电层选为铝金属层14，并采用真空蒸发或溅射工艺制备；然后对铝金属层14进行图形化刻蚀形成特定的布线层；所述铝金属层14通过所述引线孔130与所述多晶硅层12接触形成热电偶对15结构；同时该铝金属层14将所述热电偶对15结构串联形成热电堆(未示出)结构，并同时形成该热电堆引出焊盘150 ;接着利用PECVD工艺在所述铝金属层14上沉积第三电介质层将所述热电堆结构覆盖，本实施例中该第三电介质层选为第二氧化硅层16，但并不限于此，在其它实施例中亦可选用其它与本实施例中第三电介质层具有相同功效的电介质层。至此，所述第二氧化硅层16与所述第一氧化硅层11、第一氮化硅层13共同组成将所述热电堆包裹的第一支撑膜。S4:如图Id所示，在所述步骤S3形成的结构上沉积一层牺牲层，本实施例中所述牺牲层选为α -Si层17，但并不限于此，在其它实施例亦可选用其它牺牲层材料。然后对所述α -Si层17进行图形化刻蚀，以在所述热电堆结构上方的该α -Si层17上形成连通所述第二氧化硅层16的接触孔170。需要说明的是，所述α-Si层17的厚度为Iym ΙΟμπι，本实施例中a -Si层17的厚度暂选为2 μ m，但并不限于此，该厚度可以根据所制备的传感器性能的不同而改变。S5 :如图Ie所示，利用PECVD工艺在所述a -Si层17沉积第四电介质层，本实施例中该第四电介质层暂选为第三氧化硅层18，该第三氧化硅层通过所述a -Si层17上的接触孔170与所述第二氧化硅层16相接触。S6 :如图Ie至If所示，在所述第三氧化硅层18上制备第三导电层，本实施例中该第三导电层为通过蒸发或溅射工艺沉积的金属层，该金属层的材质可以为铝、钼金、或钨，本实施例中暂选为铝金属层19，然后对所述铝金属层19进行光刻和腐蚀，以形成电阻条状的微加热器190结构，同时形成微加热器引出焊盘191。S7 :如图Ig所示，利用PECVD工艺由下向上依次在所述微加热器结构上面沉积第五电介质层和第六电介质层，本实施例中该第五电介质层暂选为第二氮化娃层20,该第六电介质层暂选为第四氧化硅层21 ;所述第三氧化硅层18与所述第二氮化硅层20、第四氧化硅层21共同组成包裹所述微加热器190结构的三明治结构的第二支撑膜；然后在所述第四氧化硅层21上进行光刻，刻蚀露出所述微加热器引出焊盘191以及所述热电堆引出焊盘150，接着由上向下刻蚀所述第二支撑膜直至露出下方的所述半导体衬底以形成释放通孔22。所述释放通孔22的形成过程分三步，具体如下第一步，在预定区域由上向下依次刻蚀第六介质层、第五介质层、第四介质层、α-Si层17、第三介质层、第二介质层、以及第一介质层，直到露出衬底硅10，该阶段形成的释放通孔22的平面图如图Ih所示。第二步，再次在预定区域由上向下依次刻蚀第六介质层、第五介质层和第四介质层，直到露出α-Si层17停止，该阶段的目的是去除预定区域的第二支撑膜，以防止所述微加热器190的热量会通过该区域的第二支撑膜耗散掉，从而提高该微加热器190的加热效率，该阶段形成的释放通孔22的平面图如图Ii所示。第三步，在第二步形成的区域上进行图形化刻蚀，依次刻蚀α-Si层17、第三介质层、第二介质层、以及第一介质层，直到露出衬底硅10，该阶段形成的释放通孔22的平面图如图Ij所示，(为方便视图和理解，图Ih至图Ij只是显示出其必要形状的部分层)。需要说明的是，所述第一支撑薄膜与所述第二支撑薄膜通过所述α-Si层17上的接触孔170相接触，所述微型加热器190产生的热量经由该第一支撑薄膜与所述第二支撑薄膜接触部向下传输到所述热电堆的热端(即所述多晶硅层12与电阻条状铝金属薄膜19接触端)。本领域技术人员所熟知的是，介质薄膜的应力是影响器件性能的重要因素。一般而言，介质薄膜具备一定低值的张应力是最理想的状态，张应力过大，会导致驱动电压过高，甚至引起薄膜破裂而失效；应力为零，或者呈现为压应力，则有可能使介质膜在没有外加驱动时塌陷而导致器件失效。由于PECVD工艺具有淀积温度低、淀积膜针孔密度小、均匀性好、台阶覆盖性好等优点，因此成为制备介质薄膜的首选工艺。本实施例中采用PECVD工艺来制备第一支撑膜和第二支撑膜，而第一支撑膜和第二支撑膜分别自下向上由氧化硅、氮化硅层以及氧化硅层组成的三明治结构的介质薄膜，本实施例中制备的氧化硅层具有张应力，氮化硅层具有较大的压应力。因此，本发明通过制备三明治结构的复合介质薄膜，不仅有机械支撑作用，而且对介质薄膜的应力有较好控制。S8 :如图Ik所示，利用干法刻蚀工艺，向所述释放通孔22中通入硅的腐蚀气体，先将所述第一支撑膜与第二支撑膜之间的所述α -Si层17腐蚀掉，接着在所述硅衬底10上腐蚀出凹腔结构100，从而释放所述热电堆结构(未示出)和微加热器结构190，实现了所述第一支撑膜与硅衬底10的热绝缘。所述干法腐蚀为本领域技术人员所述熟知的，在此不再赘述。S9 :如图11所示，利用圆片级键合工艺通过焊料层23在所述第二支撑膜上键合一盖板24，本实施例中盖板采用硅盖板，并在所述硅盖板侧面开一小孔(未示出)以保持封装腔内和外界相同的压强，从而完成所述三维真空传感器的制作。需要说明的是，在所述热传导真空传感器上方通过键合加一个硅盖板24，不仅可以增加真空传感器在较高气体压强端的测量灵敏度，增强气体的热传导，而且可以保护传感器远离外界污染。SlO :如图Im所示，通过划片将所述硅衬底10上的多个所述三维真空传感器单元进行分离，并同时露出所述微加热器的引出焊盘191和热电堆的引出焊盘150。由上述所述三维真空传感器的制备方法可知，由于本发明的热电堆和加热器分别制作，且热电堆和加热器位于不同的平面上，热电堆位于微加热器的下面，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结构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，即增加了盖板和微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。实施例2如图2所示，本实施例提供一种三维真空传感器的结构，至少包括半导体衬底1(Τ、第一支撑膜1Γ、热电堆(未示出)、第二支撑膜12'、微加热器13'以及盖板14'。所述半导体衬底1(Τ具有一凹槽10(Τ，该半导体衬底1(Τ可以为一普通的硅衬底，也可以为SOI衬底；所述第一支撑膜1Γ包裹所述热电堆，并以所述凹槽10(Τ周缘的侧壁为支撑悬于所述凹槽10(Τ上方；该第一支撑膜1Γ为复合薄膜，本实施例中的第一支撑膜ir为自下向上依次包括第一氧化硅层ι (Τ、第一氮化硅层ιιι\第二氧化硅层ι 2Λ的三明治结构的复合薄膜，该三明治结构的复合介质薄膜不仅起机械制成作用，还可以达到对介质薄膜应力的较好控制。但并不限于此，在其它实施例中所述第一支撑膜1Γ可以为不同结构，一切以未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。所述热电堆由多个热电偶对15'串联组成，所述热电偶对15'的材料采用掺杂的多晶硅层15(Τ以及铝金属层151、需要说明的是，在其它实施例中，所述掺杂的多晶硅层15(Τ也可被掺杂的单晶硅所替代作为热电偶对15'的一部分。所述多晶硅层15(Τ位于所述铝金属层15Γ的下方，均呈电阻条状，且条状的所述多晶硅15(Τ和铝金属层15Γ的一端相连作为热电偶对15'的热端，其它部分具有绝缘介质层隔离。本实施例中的绝缘介质层选为氮化硅或氧化硅。所述第二支撑膜12'包裹所述热电堆，平行悬于所述第一支撑膜11'的上方，且该第二支撑膜12'与所述第一支撑膜1Γ之间具有一接触部；所述接触部下方为被第一支撑成膜1Γ所包裹的微加热器13、该接触部上方为被第二支撑膜12'所述包括的热电堆的热端。所述微加热器13'产生的热量通过所述接触部传送到所述热电堆的热端。此外，本实施例中，所述第一支撑膜1Γ与第二支撑膜12'之间除接触部外的垂直距离为I μ m 10 μ m。需要说明的是，所述第二支撑膜12'为复合介质薄膜，本实施例中所述第二支撑膜12'为自下向上依次包括第三氧化硅层12(Τ、第二氮化硅层12Γ、第四氧化硅层122'的三明治结构的复合薄膜，与所述第一支撑膜1Γ的结构和功效相同，在此不再赘述。所述微加热器13'材料采用铝、钼金、或钨等金属材料，也可采用经掺杂导电的半导体材料，本实施例中所述微加热器13'材料暂选为铝，且所述微加热器13'呈电阻条状。所述盖板14'具有一凹槽14(Τ，通过焊料层16'将所述盖板14'具有凹槽14(Τ的一面键合于所述第二支撑膜12'上面与所述半导体衬底1(Τ组成一个封装腔；所述盖板14'侧面还有具有小孔(未示出)以保持封装腔内和外界相同的压强。本实施例中盖板14'米用娃盖板。需要说明的是，在所述热传导真空传感器上方通过键合加一个盖板14、不仅可以增加真空传感器在较高气体压强端的测量灵敏度，增强气体的热传导，而且可以保护传感器远离外界污染。此外，所述三维真空传感器还包括位于所述封装腔外的微加热器引出焊盘17'和热电堆引出焊盘If。为了进一步阐明本发明所述三维真空传感器的功效，下面对其工作原理进行说明。当所述微加热器通电加热时，该微加热器区温度就会上升，因为所述热电堆的热端通过第一和第二支撑膜的接触部与微加热器相连，所以热电堆的热端温度也上升；而该热电堆的冷端由于位于衬底娃基体上，其温度保持为环境温度；由于热电堆的塞贝克效应，热端和冷端的温度差被转换成电压信号输出。当所述微加热器周围的气体压强改变时，该微加热器区通过气体热传导损失的热量改变，则该微加热器区的温度发生改变，所述热电堆输出的电压随之改变，因此通过对所述热电堆输出电压的检测可以检测微加热器周围气体压强的大小。综上所述，本发明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，热电堆位于微加热器的下面，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，即增强了盖板与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。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
权利要求
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。
8.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工艺在该氧化娃层上制备掺杂的多晶娃层作为第一导电层。
9.根据权利要求6所述的三维真空传感器的制作方法，其特征在于所述第一电介质层和第三电介质层的材料为氧化娃,所述第二电介质层的材料为氮化娃；所述第一导电层的材料为掺杂的单晶硅或多晶硅，所述第二导电层的材料为铝。
10.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。
11.根据权利要求10所述的三维真空传感器的制作方法，其特征在于所述第四电介质层和第六电介质层的材料为氧化娃，所述第五电介质层的材料为氮化娃；所述第三导电层的材料为铝、钼金或钨。
12.—种三维真空传感器，其特征在于，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、以及键合于所述第二支撑膜表面的盖板。
13.根据权利要求12所述的三维真空传感器，其特征在于所述半导体衬底为SOI衬底或硅片。
14.根据权利要求12所述的三维真空传感器，其特征在于所述盖板的材质为硅片，且该盖板的侧面开有小孔，以维持所述三维真空传感器在封装腔内和外部大气环境保持相同的压强。
15.根据权利要求12所述的三维真空传感器，其特征在于所述第一支撑膜和第二支撑膜的结构为自下向上依次由氧化硅层、氮化硅层、氧化硅层组成的复合介质膜。
16.根据权利要求12所述的三维真空传感器，其特征在于所述第一支撑膜和第二支撑膜之间的垂直距离为Iym 10 μπι。
17.根据权利要求12所述的三维真空传感器，其特征在于所述三维真空传感器还包括位于所述盖板两侧的微加热器引出焊盘和热电堆引出焊盘。
18.根据权利要求12所述的三维真空传感器，其特征在于所述第一支撑膜与第二支撑膜之间具有接触部，所述微加热器产生的热量通过所述第二支撑膜、所述接触部以及所述第一支撑膜传送到所述热电堆结构的热端。
19.根据权利要求12所述的三维真空传感器，其特征在于所述热电堆的材质采用掺杂的单晶硅和金属铝、或掺杂的多晶硅和金属铝；所述微加热器的材质采用铝、钼金或钨。
全文摘要
本发明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。
文档编号B81B7/00GK102928153SQ201210473448
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月20日 优先权日2012年11月20日
发明者熊斌, 孙晓, 徐德辉, 王跃林 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所