专利名称：真空微电子多功能传感器及制备方法
技术领域：
本发明属于真空微电子传感器，特别是多功能真空微电子传感器。
近年来，传感器的发展很快，各种新型传感器层出不穷。真空微电子压力传感器正是其中之一。这种新型的压力传感器具有抗辐射、体积小、灵敏度高、温度稳定性好以及制造工艺与微电子技术兼容等优点，具有良好的应用前景。然而目前存在的真空微电子压力传感器器件尺寸均比较大，且只能测量单一的压力，不能测量外界压力的分布。
同时，目前常用的几种压力传感器与温度传感器集成也仍存在着一些问题。例如，硅压阻式压力传感器在温度变化范围较大时必须进行温度补偿，给集成化造成了困难；压电式压力传感器采用压电晶体作为工作物质，其制造工艺与微电子技术不兼容；电容式压力传感器则在器件的微型化上存在着较大的困难。由于真空微电子压力传感器具有较好的温度稳定性和IC兼容性，因此其与温度传感器的集成是可能的。
本发明的目的是实现真空微电子压力传感器的微型化，形成阵列以测量外界压力的分布。同时，将真空微电子压力传感器与温度传感器集成，实现传感器的多功能，能同时测量外界的压力和温度。本发明的主要特点是在真空微电子压力传感器的阳极版的背面制备薄膜温度传感器，传感器是阵列传感器。
图1是本发明原理及结构示意图，包括阴极硅片和阳极硅片两部分。
图2是真空微电子压力传感器阵列一个单元的剖面图。
图3是薄膜铂电阻的示意图。
图中1—阴极电子发射源，2—压力敏感膜，1和2组成“敏感膜—阴极”复合结构，3—阴极引线焊点，4—阳极阵列，5—阳极引线，6—薄膜铂电阻。
图4是生长有SiO2—Si3N4绝缘层的硅片示意图。
图5是硅片光刻后的示意图。
图6是腐蚀SiO2—Si3N4绝缘层后的硅片示意图。
图7是硅尖制备完成后的示意图。
图8是敏感膜制备完成后的硅片示意图。
图9是去除正面SiO2—Si3N4绝缘层及制备背面金引线后的硅片示意图。
图10是在有SiO2—Si3N4绝缘层的硅片上生长金膜后的示意图。
图11是制备阳极及阳极引线后的硅片示意图。
图12是制备真空封装过渡层后的硅片示意图。
图13是光刻铂电阻图形后的硅片示意图。
图14是溅射铂薄膜后的硅片示意图。
图15是去除正胶形成薄膜铂电阻后的硅片示意图。
下面结合附图详述本发明。
本发明提出真空微电子压力传感器阵列与薄膜铂电阻温度传感器集成系统，如图1所示，其特点是真空微电子压力传感器阵列的阴极1和2采用“敏感膜—阴极”复合型结构；阳极4和5为电极引线阵列；阵列各单元之间绝缘隔离；薄膜铂电阻温度传感器6制作在阳极阵列背面。其中，真空微电子压力传感器阵列的单元尺寸很小，压力敏感膜2边长在100μm—500μm之间，厚度在20μm以下，相邻两单元间距在100μm—500μm以内。阵列的单元数目至少为1×2个，这一数目可以根据需要增加。阳极电极引线阵列4和5制作在生长有绝缘层的硅片上，通过光刻工艺形成相互独立的结构，从而达到绝缘隔离的效果。因此各个单元能够独立地感知外界压力，对整个阵列而言就是能够测量外界压力的分布。阳极板背面的薄膜铂电阻温度传感器6的制备工艺与真空微电子压力传感器阵列的制备工艺相兼容。将这两种传感器集成，可以形成一个双功能的传感器，既能对外界压力的分布进行测量，又能对环境的温度进行感知。
真空微电子压力传感器阵列与薄膜铂电阻温度传感器集成系统的制作步骤分为两部分“敏感膜—阴极”复合型结构的制备、阳极引线及铂电阻的制备，其工艺流程如图4—图15所示。下面详述整个工艺流程。
“敏感膜—阴极”复合型结构的制备(采用双面抛光的n型硅片)如图4—图9所示，分为阴极的制备和敏感膜的制备。阴极的制备，如图4—图7所示1)如图4所示，生长SiO2—Si3N4薄膜SiO2薄膜的生长温度1000℃—1200℃，生长的SiO2厚度1μm-2.5μm，采用干氧湿氧交替生长的方法；Si3N4薄膜—1的生长温度800℃—1000℃，生长的Si3N4厚度1000埃—4000埃；2)如图5所示，正面光刻硅尖阵列框；3)如图6所示，去除SiO2—Si3N4薄膜Si3N4薄膜—1的腐蚀采用反应离子刻蚀的方法；SiO2薄膜—2的腐蚀采用BHF溶液或稀释的HF溶液，腐蚀时间以Si—3露出表面为准；4)如图7所示，各向同性制备硅尖阵列采用的腐蚀液为HNO3、HF和CH3COOH的混合液，体积比为25∶10∶3左右，腐蚀时间以硅尖掩膜正好脱落形成硅尖—4为准。敏感膜的制备，如图8—图9所示1)如图8所示，制备压力敏感膜首先生长SiO2—Si3N4薄膜—6保护硅尖—4，生长条件与图4相同，SiO2薄膜的厚度为50埃—500埃，Si3N4薄膜的厚度为500埃—2000埃；然后制备压力敏感膜—5，采用的腐蚀液为KOH、H2O和(CH3)2CHOH(异丙醇，缩写IPA)的混合溶液，比例为25.6g∶16.5ml60ml，溶液温度60℃—80℃之间，腐蚀时间以敏感膜透光为准；2)如图9所示，去除正面SiO2—Si3N4薄膜并制备背面金引线采用图6的方法去除正面硅尖—4处的SiO2—Si3N4薄膜，背面金采用电子束蒸发的方法，以100-500埃的Cr为衬底，金厚度在1000埃—3000埃之间。阳极引线及薄膜铂电阻的制备(采用双面抛光的n型硅片)，如图10—图15所示，分为阳极引线的制备和薄膜铂电阻的制备。阳极引线的制备，如图10—图12所示1)如图10所示，生长SiO2—Si3N4层和金膜生长条件与“敏感膜—场发射阴极”复合结构制备工艺中SiO2—Si3N4层和金膜的制备相同，SiO2薄膜—2的厚度为1μm—2.5μm，Si3N4薄膜—1的厚度为500埃—3000埃，金膜—4厚度为1000埃—3000埃；2)如图11所示，制备阳极及引线光刻完成后，进行金的腐蚀形成阳极及引线—4。采用的金腐蚀液为碘、碘化钾和水的溶液，配比为1g∶4g∶150ml；3)如图12所示，生长封装过渡层及光刻采用电子束蒸发的方法的硅片上生长—层1μm—4μm的Pyrex7740玻璃或者低熔点玻璃薄膜—5，采用BHF溶液或稀释的HF腐蚀。薄膜铂电阻的制备，如图13—图15所示1)如图13所示，正胶反刻背面的铂电阻图形光刻后正胶—6厚度为7μm—15μm；2)如图14所示，生长铂薄膜采用磁控溅射的方法，生长的拨薄膜铂电阻—7厚度为1000埃—3000埃；3)去除牺牲层形成薄膜铂电阻采用丙酮来溶解正胶，直到硅片上只剩下薄膜铂电阻—6的图形。
权利要求
1.一种真空微电子多功能传感器，包括真空微电子压力传感器，其特征在于在真空压力传感器的阳极版的背面制备薄膜温度传感器。
2.按权利要求1所述的传感器，其特征在于所述的传感器是阵列传感器。
3.按权利要求1所述的传感器，其特征在于所述的温度传感器是薄膜铂电阻温度传感器。
4.按权利要求2所述的传感器，其特征在于所述的阵列传感器的数目至少为1×2个，阵列各单元之间绝缘隔离。
5.按权利要求4所述的传感器，其特征在于阵列传感器相邻两单元之间的间距为100μm—500μm，
6.按权利要求2所述的传感器，其特征在于所述的压力传感器的压力敏感膜边长为100μm—500μm，膜的厚度在20μm以下。
7.一种真空微电子多功能传感器制备方法，包括步骤制备“敏感膜-阴极”复合型结构；制备阳极引线和铂电阻。
8.按权利要求7所述的方法，其特征在于包括阴极的制备。
9.按权利要求8所述的方法，其特征在于生长SiO2—Si3N4薄膜SiO2薄膜-2的生长温度1000℃—1200℃，生长的SiO2厚度1μm-2.5μm，Si3N4薄膜-1的生长温度800℃—1000℃，生长的Si3N4厚度1000埃—4000埃；
10.按权利要求8所述的方法，其特征在于去除SiO2—Si3N4薄膜Si3N4薄膜—1的腐蚀采用反应离子刻蚀的方法；SiO2薄膜—2的腐蚀采用BHF溶液或稀释的HF溶液，腐蚀时间以Si—3露出表面为准；
11.按权利要求8所述的方法，其特征在于各向同性制备硅尖阵列采用的腐蚀液为HNO3、HF和CH3COOH的混合液，体积比为25∶10∶3左右，腐蚀时间以硅尖掩膜正好脱落形成硅尖—4为准。
12.按权利要求7所述的方法，其特征在于包括敏感膜的制备。
13.按权利要求12所述的方法，其特征在于再次生长SiO2—Si3N4薄膜—6SiO2薄膜的厚度为50埃—500埃，Si3N4薄膜的厚度为500埃—2000埃；
14.按权利要求12所述的方法，其特征在于压力敏感膜—5制备采用的腐蚀液为KOH、H2O和(CH3)2CHOH的混合溶液，比例为25.6g∶16.5ml60ml，溶液温度60℃—80℃之间，腐蚀时间以敏感膜透光为准；
15.按权利要求7所述的方法，其特征在于包括制备阳极引线。
16.按权利要求15所述的方法，其特征在于生长SiO2—Si3N4层和金膜SiO2薄膜—2的厚度为1μm—2.5μm，Si3N4薄膜—1的厚度为500埃—3000埃，金膜—4厚度为1000埃—3000埃；
16.按权利要求15或16所述的方法，其特征在于光刻完成后，进行金的腐蚀形成阳极及引线—4，采用的金腐蚀液为碘、碘化钾和水的溶液，配比为1g∶4g∶150ml。
17.按权利要求15所述的方法，其特征在于采用电子束蒸发的方法的硅片上生长一层1μm—4μm的Pyrex7740玻璃或者低熔点玻璃薄膜—5，采用BHF溶液或稀释的HF腐蚀。
18.按权利要求7所述的方法，其特征在于包括制备薄膜铂电阻。
19.按权利要求18所述的方法，其特征在于正胶反刻背面的铂电阻图形光刻后正胶—6厚度为7μm—15μm；
20.按权利要求18或19所述的方法，其特征在于生长的拨薄膜铂电阻—7厚度为1000埃—3000埃；
全文摘要
一种真空微电子多功能传感器。在真空压力传感器的阳极版的背面制备薄膜温度传感器,所述的传感器是阵列传感器。本发明将两种传感器集成,可以形成一个双功能的传感器,既能对外界压力的分布进行测量,又能对环境的温度进行感知。
文档编号G01L21/00GK1330261SQ00109609
公开日2002年1月9日 申请日期2000年6月16日 优先权日2000年6月16日
发明者夏善红, 苏杰 申请人:中国科学院电子学研究所