Способ изготовления терморезистивного преобразователя

 

Использование: при изготовлении датчиков температуры, давления, тепловых и газовых потоков и т.д. Сущность изобретения: на кремниевой подложке формируют диэлектрическую пленку из слоев SiO₂ толщиной 0,05 - 0,1 мкм и Si₃N₄ толщиной 0,1 мкм, на которую напыляют термочувствительный металлический слой. Подложку анизотропно травят для получения микромоста. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при изготовлении датчиков температуры, давления, тепловых и газовых потоков (термоанемометров) и т.д.

Известен способ изготовления тонкопленочных, свободно висящих термопреобразователей методами микроэлектронной технологии [1] К недостаткам этого способа можно отнести сравнительно толстые получаемые пленки (характерные толщины этих пленок -не менее 0,8 2,0 мкм), что ограничивает быстродействие термопреобразователя из-за сравнительно большой термической массы. Дальнейшее уменьшение толщин термопреобразователей, получаемых этим методом, невозможно как из-за понижения прочности пленок, так и из-за низкого выхода годных преобразователей.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ [2] по которому термочувствительная пленка формируется путем нанесения на кремниевую пластину диэлектрических и металлических слоев с последующим формированием рисунка термопреобразователя и анизотропным подтравливанием кремния под пленкой. Травление производится со стороны фотолитографии. При недостаточной толщине пленки она плохо маскирует кремний, что вызывает нежелательные подтравы и снижение прочности. При анизотропном травлении кремния в растворе КОН образуются пузырьки H₂, что также приводит к повреждению пленки в случае ее недостаточной прочности.

Снижение прочности пленки обусловлено различием термических коэффициентов материала диэлектрической пленки и кремниевой подложки, которое является причиной механических напряжений по периметру висящей пленки.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в получении терморезистивного преобразователя, обладающего высоким быстродействием и повышенной механической прочностью.

Результат достигается тем, что при осуществлении известного способа изготовления терморезистивного преобразователя, заключающегося в том, что на подложке из кремния формируют диэлектрическую пленку путем нанесения слоя нитрида кремния толщиной 0,1 мкм и термочувствительный металлический слой, а также рисунок последнего, и анизотропно травят подложку для получения микромоста перед нанесением слоя нитрида кремния, которое осуществляют парогазовым осаждением в реакторе пониженного давления, на подложке путем термического окисления кремния до толщины слоя двуокиси кремния 0,05 0,1 мкм образуют другой слой диэлектрической пленкой.

На чертеже показан термопреобразователь, полученный по предлагаемому способу.

На подложке кремния 1 путем термического окисления по стандартной технологии формируется пленка SiO₂ 2 толщиной 0,05 0,1 мкм. Методом парогазового осаждения формируется диэлектрическая пленка нитрида кремния Si₃N₄ 3 толщиной 0,1 мкм.

Минимальное значение 0,1 мкм определяется тем, что при меньших толщинах пленка Si₃N₄ может быть несплошной, что снижает механическую прочность мембраны и ухудшает маскировочные свойства Si₃N₄. Выбор толщины Si₃N₄ более 0,3 мкм приводит к нарастанию механических напряжений и увеличению термической массы. Толщина подслоя SiO₂ в пределах 0,05 0,1 мкм выбрана из соображений максимального снижения термических напряжений в пленке Si₃N₄. При толщинах менее 0,05 мкм возрастает неравномерность пленки и снижается эффект уменьшения механических напряжений. При толщинах более 0,1 мкм возможно разрушение диэлектрических пленок термическими напряжениями в момент перед окончательным стравливанием SiO₂. Затем на пленке 3 формируют термочувствительный элемент 4. В качестве термочувствительного элемента может быть использован пленочный терморезистор из Ni, Pt толщиной 0,1 0,2 мкм с подслоем Ti, Cr, Ta толщиной 300 500 После проведения двусторонней фотолитографии в диэлектрической пленке вскрывают окна 5 методом химического или плазмохимического травления для последующего локального травления подложки 1. Травление производят с обратной стороны подложки одним из известных травителей, обеспечивающих получение требуемых структур, например 40%-ный водный раствор КОН. Травление производится при температуре 80 90^oC. Данный травитель должен быть анизотропным и селективным. Его скорость травления кристаллической плотности (100) в кремнии равна 2 мкм/мин, что в 300 400 раз превышает скорость подтравливания.

Предлагаемый способ позволяет получить тонкие -(0,15 0,4) мкм двухслойной пленки из SiO₂ и Si₃N₄, образующие диэлектрический "микромост" (мембрану) для создания быстродействующего (малая термическая масса) термочувствительного элемента с хорошей тепловой изоляцией от подложки и высокой механической прочностью, равномерным распределением механических напряжений.

Подслой SiO₂ с малым коэффициентом термического расширения снижает механические напряжения в слое Si₃N₄, вызванные более высоким коэффициентом термического расширения кремния ( α Si до 4,5 · 10^-6K^-1; a Si₃N₄-3·10^-6K^-1).

Травление кремния с обратной стороны исключает образование под пленкой пузырей и снижение выхода годных изделий по этой причине, а также нежелательные подтравы кремния при малой толщине пленки.

Формула изобретения

Способ изготовления терморезистивного преобразователя, заключающийся в том, что на подложке из кремния формируют диэлектрическую пленку путем нанесения слоя нитрида кремния толщиной 0,1 мкм и термочувствительный металлический слой, а также рисунок последнего, и анизотропно травят подложку для получения микромоста, отличающийся тем, что перед нанесением слоя нитрида кремния, которое осуществляют парогазовым осаждением в реакторе пониженного давления, на подложке путем термического окисления кремния до толщины слоя двуокиси кремния 0,05 0,1 мкм образуют другой слой диэлектрической пленки.

РИСУНКИ

Рисунок 1