阅读说明：本技术 温度传感器制备方法及温度传感器 (Temperature sensor preparation method and temperature sensor ) 是由 苏佳乐 张新伟 周国平 夏长奉 于 2018-08-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种温度传感器制备方法,包括：在硅片形成若干沟槽；热退火使若干沟槽变形后相互连通形成一空腔,且硅片在空腔上方连接起来,将空腔封闭；氧化空腔上部的硅片得到氧化硅薄膜；在氧化硅薄膜上形成测温单元。通过该制备方法得到的温度传感器,其氧化硅薄膜与硅之间形成有空腔,可通过空腔隔离,无需通过深刻蚀工艺将多余的硅刻蚀掉,因此节省了制备时间,节约了制备成本。本发明还涉及一种温度传感器。(The invention relates to a preparation method of a temperature sensor, which comprises the following steps: forming a plurality of grooves on a silicon wafer; the thermal annealing enables the grooves to be mutually communicated after being deformed to form a cavity, and the silicon wafers are connected above the cavity to seal the cavity; oxidizing the silicon chip on the upper part of the cavity to obtain a silicon oxide film; and forming a temperature measuring unit on the silicon oxide film. According to the temperature sensor obtained by the preparation method, the cavity is formed between the silicon oxide film and the silicon, the cavity can be used for isolation, and unnecessary silicon is not required to be etched by a deep etching process, so that the preparation time is saved, and the preparation cost is saved. The invention also relates to a temperature sensor.)

温度传感器制备方法及温度传感器

技术领域

本发明涉及温度传感器领域，特别是涉及一种温度传感器制备方法及温度传感器。

背景技术

温度传感器包括测温单元和承载该测温单元的基底。温度传感器通常以导热率低的材料做基底，如在二氧化硅上淀积测温材料形成温度传感器。在工艺制程中，通过氧化硅片以在硅片表面生产一层二氧化硅，其中，二氧化硅的导热率较低，但是硅的导热率较高，为避免通过基底下部的硅导热，通常还需通过深槽刻蚀的方式对氧化硅层背面的硅进行刻蚀，如通过氢氧化钾的刻蚀液进行湿法刻蚀，也可用深反应离子刻蚀(Deep Reactive IonEtching)工艺进行干法刻蚀。无论是湿法刻蚀还是干法刻蚀，其工艺时间都会较长且成本较高。

发明内容

基于此，有必要针对传统技术中温度传感器以二氧化硅为基底时获取基底的工艺时间较长且成本较高的问题，提出了一种新的温度传感器制备方法。

一种温度传感器制备方法，包括：

在硅片形成若干沟槽；

热退火使所述若干沟槽变形后相互连通形成一空腔，且所述硅片在所述空腔上方连接起来，将所述空腔封闭；

氧化所述空腔上部的硅片得到氧化硅薄膜；

在所述氧化硅薄膜上形成测温单元，所述测温单元用于感测环境温度。

上述温度传感器制备方法，先通过刻蚀在硅片上形成若干沟槽，再在高温环境下进行退火，由于高温环境下硅原子会发生迁移，硅原子发生迁移后硅片内部的结构会发生改变，之前的若干沟槽会相互连通以在硅片内部形成一空腔结构。氧化空腔上部的硅片部分可以得到所需的氧化硅薄膜，然后在氧化硅薄膜上淀积测温材料形成测温单元，测温单元用于感测环境温度，从而得到温度传感器。通过本方案得到的温度传感器，其基底包含一空腔以及位于空腔上部的氧化硅薄膜和位于空腔下部的硅，即氧化硅薄膜和硅通过空腔隔开，基底下部的硅不会影响上部氧化硅的隔热效果，因此无需通过刻蚀工艺将基底下部的硅刻蚀掉，从而大大缩短产品制备的时间，且节约了成本。

在其中一个实施例中，所述沟槽的宽度范围为0.6μm～1μm，所述沟槽的深度范围为1μm～10μm，所述相邻沟槽之间的间隔范围为0.6μm～1μm。

在其中一个实施例中，所述热退火具体为在氢气环境中热退火，所述热退火的温度为1000℃。

在其中一个实施例中，在得到所述氧化硅薄膜后还包括在所述氧化硅薄膜上形成氮化硅薄膜或者聚酰亚胺薄膜。

在其中一个实施例中，在所述氧化硅薄膜上形成测温单元具体为：

在所述氧化硅薄膜上淀积一层第一金属层，所述第一金属层为金属铂层，所述金属铂层呈连续弓字形结构；

在所述金属铂层最外侧两端各淀积一层第二金属层，用于引出所述温度传感器的输出端子。

在其中一个实施例中，在所述氧化硅薄膜上形成测温单元具体为：

在所述氧化硅薄膜上淀积一层多晶硅层，所述多晶硅层包括并排且间隔设置的N型多晶硅条和P型多晶硅条；

在所述多晶硅上淀积第三金属层，所述第三金属层包括位于相邻多晶硅条之间的第一金属结构，所述N型多晶硅条和P型多晶硅条通过所述第一金属结构串联，所述第三金属层还包括位于所述多晶硅层最外侧两端的第二金属结构，用于引出所述温度传感器的输出端子。

在其中一个实施例中，所述制备方法还包括：

在所述金属层上形成钝化层，并在所述钝化层上对应所述温度传感器引出输出端子处设有通孔。

本发明还公开了一种温度传感器，包括：

基底，所述基底包括硅片和在所述硅片上形成的氧化硅薄膜，所述硅片与所述氧化硅薄膜之间形成有空腔；

和测温单元，所述测温单元形成于所述空腔上方的氧化硅薄膜上，所述测温单元用于感测环境温度。

上述温度传感器，由于其基底中氧化硅薄膜与硅之间形成有空腔，空腔下部的硅不会影响上部氧化硅的隔热效果，因此无需通过刻蚀工艺将基底下部的硅刻蚀掉，从而大大缩短产品制备的时间，且节约了成本。由于基底隔热效果较好，测温单元形成于空腔上方的氧化硅薄膜后得到的温度传感器性能较好。

在其中一个实施例中，所述测温单元包括：

第一金属层，所述第一金属层为金属铂层，所述金属铂层呈连续弓字形结构；

和第二金属层，位于所述金属铂层最外侧两端，用于引出所述温度传感器的输出端子。

在其中一个实施例中，所述测温单元包括：

多晶硅层，包括并排且间隔设置的N型多晶硅条和P型多晶硅条；

和第三金属层，所述第三金属层包括位于相邻多晶硅条之间的第一金属结构，所述N型多晶硅条和P型多晶硅条通过所述第一金属结构串联，所述第三金属层还包括位于所述多晶硅层最外侧两端的第二金属结构，用于引出所述温度传感器的输出端子。

附图说明

图1为一实施例中温度传感器制备方法的方法流程图；

图2a～2c为一实施例中温度传感器制备方法各步骤对应生成的结构剖视图。

图3为一实施例中温度传感器侧视图；

图4为与图3对应的温度传感器俯视图；

图5为另一实施例中温度传感器侧视图；

图6为与图5对应的温度传感器俯视图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请提供一种温度传感器的制备方法，如图1所示，其步骤包括：

步骤S110：在硅片上形成若干沟槽。

结合图2a所示，获取一硅晶片20，从硅片20上方垂直向下开设若干并列的沟槽21形成沟槽阵列。在一实施例中，先在硅片20上形成具有阵列图案的光刻胶层，再以光刻胶作为掩膜版对硅片20进行刻蚀形成若干沟槽21。在本实施例中，刻蚀可为常规的干法刻蚀，具体为深度离子刻蚀。干法刻蚀具有更高的刻蚀精度和更好的各向异性性能，其精度可达亚微米级别，通过干法刻蚀，可以得到形态较好的沟槽，尤其是沟槽尺寸较小时利用干法刻蚀效果更佳。可通过调节掩膜板图案和控制刻蚀参数得到不同形态的沟槽，其中，沟槽21的宽度可为0.6～1μm，沟槽21的深度可为1～10μm，相邻沟槽21之间的间隔可为0.6～1μm。沟槽21的俯视形貌可以为圆形、方形或其他形状，沟槽的宽度为沟槽侧壁的最大距离，如果沟槽为圆形，则沟槽的宽度为其直径，如果沟槽为正方形，则沟槽的宽度为其对角的距离。

步骤S120：热退火使所述若干沟槽变形后相互连通形成一空腔，且所述硅片在空腔上方连接起来，将所述空腔封闭。

对开设有沟槽21的硅片20进行适当的热处理，当硅片被加热到一定温度时，硅原子的振动能较大，导致原子的移动能加强，硅原子会发生迁移。由于硅片上开设有沟槽，且沟槽侧壁的间距较小，当硅原子迁移运动达到一定程度时，硅原子会进入沟槽21内，硅片内部的沟槽21会发生形变，沟槽21上部被硅封闭，若干沟槽21中间部位相互连通，形成一空腔22(如图2b所示)。即空腔22处于硅片的中间，空腔22的上部和下部均具有硅结构，上下硅结构被空腔22隔离开。在一实施例中，热退火的温度可为1000℃。改变沟槽21的间距，可以得到不同形态的空腔，且间距越大，所需的退火温度就越高，但是退火的持续时间不超过20min。在本实施例中，沟槽阵列中最***沟槽之间的间距大于内部沟槽的间距，如此可以避免在空腔边缘处形成缺口。同时，热退火需要在一隔离环境中进行，如真空环境或者惰性气体环境，保证在热退火过程中硅不会与环境中的物质发生化学反应。在本实施例中，热退火在氢气环境中进行。

步骤S130：氧化所述空腔上部的硅片得到氧化硅薄膜。

通过热氧化工艺氧化空腔上部的硅片以形成氧化硅薄膜23(如图2c所示)。在900℃～1200℃的高温环境中，通过外部供给氧气或者水蒸气使之与硅发生化学反应，可以在空腔上方得到一层热生长的氧化层。由于当氧化层达到一定厚度时，氧化反应几乎停止，因此当难以通过一次氧化工艺将空腔上方的硅全部氧化成氧化硅时，需要通过多次氧化步骤实现将空腔上方的硅全部氧化，具体为，进行第一次热氧化生成一层氧化硅薄膜后，空腔上方为残留的未氧化的硅以及在硅上生成的氧化硅薄膜，通过刻蚀工艺去除最上方的氧化硅薄膜，保留空腔上方的硅，此时硅的厚度减小，继续通过上述热氧化、刻蚀和热氧化的循环工艺逐渐减小空腔上方硅的厚度，直至最后一次热氧化后空腔上方的硅全部生成氧化硅薄膜，由此实现上层氧化硅薄膜与下层硅通过空腔隔离。此时，温度传感器的基底制作完成。

在一实施例中，在得到上述氧化硅薄膜后还可在氧化硅薄膜上形成氮化硅薄膜或者聚酰亚胺薄膜，由于氧化硅内部存在较大的应力，氧化硅薄膜容易断裂，在氧化硅薄膜上面再淀积一层氮化硅薄膜或者聚酰亚胺薄膜，可以平衡氧化硅内部应力，使氧化硅薄膜结构更加稳定。

步骤S130：在所述氧化硅薄膜上形成测温单元，所述测温单元用于感测环境温度。

在温度传感器基底制作完成后，需要做基底上形成测温单元，测温单元是温度传感器的工作单元，温度传感器通过该测温单元感知温度后形成电信号并输出。

在一实施例中，测温单元为一热电阻传感结构，其具体形成过程为：

步骤S131：在氧化硅薄膜上淀积一层第一金属层，第一金属层为金属铂层，金属铂层呈连续弓字形结构。

参考图3所示，在氧化硅薄膜23上淀积一层第一金属层30，该第一金属层30可为金属铂层，即热电阻传感结构选用铂热电阻。在另一实施例中，也可选用其他电阻温度系数较高的材料如镍、铁等。为减小温度传感器的尺寸，在小尺寸的基底上增大铂热电阻的接触面积，将铂热电阻做成连续弓字形结构(如图4所示)。

步骤S132：在所述金属铂层最外侧两端各淀积一层第二金属层，用于引出所述温度传感器的输出端子。

继续参见图3和图4，在金属铂层30最外侧两端淀积一层第二金属层40，该第二金属层40可为金属铝层，从金属铝处引出该温度传感器的输出端子，即温度传感器的输出导线与铝层连接以通过铝层与金属铂层连接。

上述铂热电阻传感器，利用金属铂在温度变化时自身电阻值也会随着温度改变的特性来测量温度，温度传感器的输出端子与显示仪表连接，显示仪表会显示受温度影响得到的铂电阻对应的温度值。

通常，形成测温单元还包括钝化步骤，即，

步骤S133：在金属层上形成钝化层，并在钝化层上对应所述温度传感器引出输出端子处设有通孔。

因上述热电阻传感器中上层有金属结构如金属铝和金属铂，对于直接暴露在空气中时容易氧化的金属层，其上还形成一层钝化层，可对金属层进行保护。同时，需要在对应温度传感器引出端子处开设通孔，通过通孔可引出输出端子。在本实施例中，是在两端的金属铝上方的钝化层开设通孔。钝化层可为氧化硅层或氮化硅层，也可为叠设的氧化硅层和氮化硅层。

在一实施例中，测温单元为一热电偶传感结构，其具体形成过程为：

步骤S134：在所述氧化硅薄膜上淀积一层多晶硅层，所述多晶硅层包括并排且间隔设置的N型多晶硅条和P型多晶硅条。

如图5和图6所示，在氧化硅薄膜23上淀积一层多晶硅层50，该多晶硅层50包括并排且间隔设置的N型多晶硅条51和P型多晶硅条52。N型多晶硅可为在多晶硅内部掺杂Ⅴ族元素形成导电类型为N型的多晶硅，且其内部掺杂均匀；P型多晶硅可为在多晶硅内部掺杂Ⅲ族元素形成导电类型为P型的多晶硅，且其内部掺杂均匀。N型多晶硅条和P型多晶硅条形状相同，在本方案中，N型多晶硅条和P型多晶硅条为长条型，多晶硅条平行设置，具有相同的间距。

步骤S135：在多晶硅层上淀积第三金属层，第三金属层包括位于相邻多晶硅条之间的第一金属结构，N型多晶硅条和P型多晶硅条通过第一金属结构串联，第三金属层还包括位于多晶硅层最外侧两端的第二金属结构，用于引出温度传感器的输出端子。

继续参见图5和图6，在多晶硅层50上淀积第三金属层60，第三金属层60包括第一金属结构61和第二金属结构62。第一金属结构61位于相邻多晶硅条之间以连接该多晶硅条，具体为位于相邻多晶硅条端部位置，所有N型多晶硅条51和P型多晶硅条52通过该第一金属结构61形成一串联结构，因此，当具有M个多晶硅条时，需要M-1个第一金属结构61使多晶硅条串联起来。一个N型多晶硅条与一个P型多晶硅条串联形成一个塞贝克(Seebeck)结构，在本方案中，是多个塞贝克结构串联形成一个测温单元，因此，M需为偶数。第二金属结构62淀积于多晶硅层最外侧的两端，以便于引出温度传感器的输出端子。在本实施例中，第三金属层60为金属铝层。

上述热电偶传感结构，利用半导体两端的温度不同时，会在半导体内部产生温差电动势，不同类型的半导体其温差电动势不同，将两种半导体两端连接形成闭合回路时，在回路中有电流产生，半导体两端的温差不同时，所产生的电动势不同。在本方案中，采用N型半导体和P型半导体构成塞贝克结构且多个塞贝克结构串联，可以增强温度传感器的灵敏度。在一实施例中，可以将温度传感器两输出端子作为冷端且保持冷端温度恒定，将串联的多晶硅层作为热端感测实际环境温度，当环境温度发生变化时，冷端和热端的温差发生变化，因此冷端的电势会发生变化，与显示仪表连接后，显示仪表会显示热电偶受当前环境温度影响得到的电势所对应的热端温度，即当前环境温度。

通常，形成测温单元还包括钝化步骤，即，

步骤S136：在金属层上形成钝化层，并在钝化层上对应温度传感器引出输出端子处设有通孔。

因上述热电偶传感器中上层有金属结构如金属铝层，对于直接暴露在空气中时容易氧化的金属层，其上还形成一层钝化层，可对金属结构进行保护。同时，需要在对应温度传感器引出端子处开设通孔，通过通孔可引出输出端子。在本实施例中，是在外侧多晶硅端部的金属铝上方的钝化层开设通孔。钝化层可为氧化硅层或氮化硅层，也可为叠设的氧化硅层和氮化硅层。

上述温度传感器制备方法，可以得到氧化硅薄膜，且氧化硅薄膜与硅通过空腔隔离，空腔下方的硅不会影响上方氧化硅薄膜的隔离效果，因此无需通过深槽刻蚀工艺将多余的硅刻蚀掉，简化了制备过程，节约制备时间，节省了制备成本。由于氧化硅薄膜导热率低，将测温单元制备在氧化硅薄膜上，具有较好的测温效果，使温度传感器性能更加稳定。

本发明还涉及一种温度传感器，包括：

基底，基底包括硅片和在硅片上形成的氧化硅薄膜，硅片和氧化硅薄膜之间形成有空腔；

和测温单元，测温单元形成于所述空腔上方的氧化硅薄膜上，所述测温单元用于感测环境温度。

如图2c所示，基底包括硅片20和氧化硅薄膜23，硅片20和氧化硅薄膜之间形成有空腔22。测温单元是温度传感器的工作单元，温度传感器通过该测温单元感知温度后形成电信号并输出，在本方案中，测温单元形成于氧化硅薄膜23上且位于空腔上方。

在一实施例中，测温单元为一热电阻传感结构，包括：

第一金属层，第一金属层为金属铂层，金属铂层呈连续弓字形结构；

和第二金属层，位于金属铂层最外侧两端，用于引出温度传感器的输出端子。

如图3和图4所示，氧化硅薄膜23上淀积有一层第一金属层30，该第一金属层30为金属铂层，即热电阻传感结构选用铂热电阻。在另一实施例中，也可选用其他电阻温度系数较高的材料如镍、铁等。为减小温度传感器的尺寸，在小尺寸的基底上增大铂热电阻的接触面积，铂热电阻呈连续弓字形结构(如图4所示)。金属铂层30最外侧两端淀积有一层第二金属层40，该第二金属层40可为金属铝层，用于从金属铝处引出该温度传感器的输出端子，即温度传感器的输出导线与铝层连接以通过铝层与金属铂层连接。

上述铂热电阻传感器，利用金属铂在温度变化时自身电阻值也会随着温度改变的特性来测量温度，温度传感器的输出端子与显示仪表连接，显示仪表会显示受温度影响得到的铂电阻对应的温度值。

在一实施例中，因上述热电阻传感器中上层有金属结构如金属铝和金属铂，对于直接暴露在空气中时容易氧化的金属层，其上还形成有一层钝化层，可对金属层进行保护。同时，需要在对应温度传感器引出端子处开设有通孔，通过通孔可引出输出端子。在本实施例中，是在两端的金属铝上方的钝化层开设有通孔。钝化层可为氧化硅层或氮化硅层，也可为叠设的氧化硅层和氮化硅层。

在一实施例中，测温单元为一热电偶传感结构，包括：

多晶硅层，包括并排且间隔设置的N型多晶硅条和P型多晶硅条；

和第三金属层，第三金属层包括位于相邻多晶硅条之间的第一金属结构，N型多晶硅和P型多晶硅通过第一金属结构串联，第三金属层还包括位于多晶硅层最外侧两端的第二金属结构，用于引出温度传感器的输出端子。

如图5和图6所示，氧化硅薄膜23上形成有一层多晶硅层50，该多晶硅层50包括并排且间隔设置的N型多晶硅条51和P型多晶硅条52。N型多晶硅可为在多晶硅内部掺杂Ⅴ族元素形成导电类型为N型的多晶硅，且其内部掺杂均匀；P型多晶硅可为在多晶硅内部掺杂Ⅲ族元素形成导电类型为P型的多晶硅，且其内部掺杂均匀。N型多晶硅条和P型多晶硅条形状相同，在本方案中，N型多晶硅条和P型多晶硅条为长条型，多晶硅条平行设置，具有相同的间距。在多晶硅层50上淀积有第三金属层60，第三金属层60包括第一金属结构61和第二金属结构62。第一金属结构61位于相邻多晶硅条之间，该多晶硅条通过第一金属结构61连接，第一金属结构61具体为位于相邻多晶硅条端部位置，所有N型多晶硅条51和P型多晶硅条52通过该第一金属结构61形成一串联结构，因此，当具有M个多晶硅条时，需要M-1个第一金属结构61使多晶硅条串联起来。一个N型多晶硅条与一个P型多晶硅条串联形成一个塞贝克(Seebeck)结构，在本方案中，是多个塞贝克结构串联形成一个测温单元，因此，M需为偶数。第二金属结构62淀积于多晶硅层最外侧的两端，以便于引出温度传感器的输出端子。在本实施例中，第三金属层60为金属铝层。

上述热电偶传感结构，利用两不同类型的半导体两端的温度不同时，会在半导体内部产生温差电动势，不同类型的半导体其温差电动势不同，将两种半导体两端连接形成闭合回路时，在回路中有电流产生，半导体两端的温差不同时，所产生的电动势不同。在本方案中，采用N型半导体和P型半导体构成塞贝克结构且多个塞贝克结构串联，可以增强温度传感器的灵敏度。在一实施例中，可以将温度传感器两输出端子作为冷端且保持冷端温度恒定，将串联的多晶硅层作为热端感测实际环境温度，当环境温度发生变化时，冷端和热端的温差发生变化，因此冷端的电势会发生变化，与显示仪表连接后，显示仪表会显示热电偶受当前环境温度影响得到的电势所对应的热端温度，即当前环境温度。

因上述热电偶传感器中上层有金属结构，对于直接暴露在空气中时容易氧化的金属层，其上还需形成有一层钝化层，可对金属结构进行保护。同时，需要在对应温度传感器引出端子处开设有通孔，通过通孔可引出输出端子。在本实施例中，是在外侧多晶硅端部的金属铝上方的钝化层开设有通孔。钝化层可为氧化硅层或氮化硅层，也可为叠设的氧化硅层和氮化硅层。

上述温度传感器，测温单元设于氧化硅薄膜上，氧化硅薄膜具有较低的导热率，因此不会影响测温单元的测温效果。且氧化硅薄膜与硅之间形成有空腔，空腔下方的硅不会影响空腔上方的氧化硅的隔离效果，在温度传感器的制备过程中，无需通过深槽刻蚀工艺将多余的硅刻蚀掉，因此大大简化了温度传感器的制备时间，节约了成本。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。