集成熱敏電阻的金剛石熱沉的製作方法

2023-04-25 03:52:21 1

專利名稱：集成熱敏電阻的金剛石熱沉的製作方法
技術領域：
本發明屬於半導體技術領域，它涉及到一種利用沉積法和光刻腐蝕法在絕緣金剛 石襯底上集成由Ti/Au雙層薄膜組成的熱敏電阻的金剛石熱沉。本發明的獨特之處在於成 本和工藝複雜性投入很小的前提下，形成具有體積小、製作容易、成本低廉、靈敏度高、熱慣 性小、線性度好、可靠性高的金剛石熱沉。
背景技術：
由於半導體器件的性能隨溫度變化而變化，能夠實時精確地檢測器件的溫度對其 工作壽命和可靠性是至關重要的。而隨著器件的小型化、微型化發展，把溫度傳感器集成 在器件的封裝結構內則是必然途徑。但目前，大部分集成熱敏電阻的器件普遍採用兩種方 法 1 :熱敏元件直接製作在器件上(例如CPU); 2 :熱敏元件直接製作在熱沉上(主要採用摻B金剛石熱敏電阻的金剛石熱沉)。
前一種方法增加了器件的設計和工藝複雜性；而後一種由於生長過程中需要額外 的設備因此有很昂貴的成本。如何在成本和工藝複雜性投入很小的前提下，把熱敏元件與 器件集成在一起將成為器件小型化發展的關鍵。由金屬薄膜組成集成熱敏電阻的金剛石熱 沉是解決這一問題的一個有效途徑。高熱導率金剛石熱沉的採用能顯著降低器件的熱阻， 對提高器件(尤其是大功率器件)的性能有重要作用。且由於本發明的熱敏電阻與器件燒 結區距離僅100-200um，因此具有高靈敏度的特點。現有技術中，金屬薄膜熱敏電阻廣泛採 用鉑、鎳、銅等金屬材料製成。其工藝比較成熟，已能基本滿足大溫度範圍、高精度等的各種 要求。鉑的電阻溫度係數較高，工作範圍大，也有良好的感溫靈敏度，但製造困難，成本昂 貴。鎳雖然有相當高的靈敏度，但其線性度差，需要作非線性校正。銅雖然線性度較好，但 具有熱容大、電阻率小的缺點，因此其面積較大且對溫度的反應比較緩慢，熱慣性大。金作 為一種熱敏電阻材料被研究的甚少，主要是由於其電阻溫度係數和價格並不佔優。但目前 很多器件，尤其是大功率器件，都被燒結在蒸發了 Ti/Au薄膜的絕緣襯底上，因此採用Ti/ Au雙層薄膜組成集成熱敏電阻的金剛石熱沉並未顯著增加其成本，而只是對沉積的Ti/Au 材料的質量和厚度提出了一定的要求，而由於其與現有工藝的可兼容性，工藝的複雜性也 並未大幅增加。而且Au具有熱容小、物理化學性質穩定等特點，因此本發明還具有熱慣性 小，後封裝工藝簡單的特點。

發明內容
本發明的目的在於設計一種集成熱敏電阻的金剛石熱沉，以實現熱敏電阻與器件 的集成，解決了以往熱敏元件與器件集成製作過程中設計和工藝複雜、成本昂貴等問題。
為了實現上述目的，本發明提供一種集成熱敏電阻的金剛石熱沉，包括
—襯底； —第一 Ti薄膜，該第一 Ti薄膜製作在襯底上的一側，該第一 Ti薄膜為一彎折條形結構； — Au薄膜，該Au薄膜製作在第一 Ti薄膜上，形狀與第一 Ti薄膜相同，該Au薄膜 分為第一熱敏電阻引線區、第二熱敏電阻引線區和熱敏電阻區； —第二 Ti薄膜，該第二 Ti薄膜製作在襯底上的另一側； —器件燒結區，該器件燒結區製作在第二 Ti薄膜上。 其中襯底為雙面拋光的高熱導率金剛石襯底。 其中熱敏電阻區的阻值為100-200Q，電阻溫度係數為3. 5X10—3/"，其能在 0°C -50°〇範圍內使用，最大非線性度僅0. 20-0. 24%。 其中熱敏電阻區上的第一 Ti薄膜和Au薄膜的線條寬度為10-15um。 其中第一 Ti薄膜和第二 Ti薄膜的厚度為30-50nm。 其中Au薄膜的厚度為400-500nm。 其中器件燒結區與熱敏電阻區的間隔寬度為100-200um。 其中該器件燒結區的材料為Au薄膜，厚度為400-500nm。


為詳細說明本發明的內容及特點，以下結合附圖及實施例對本發明作進一步的描 述，其中 圖1是本發明提供的集成熱敏電阻的金剛石熱沉結構示意圖。
圖2是本發明製備的熱敏電阻的兩次測量(正向、逆向)電阻-溫度特徵曲線。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明提供一種集成熱敏電阻的金剛石熱沉，包括
—襯底1，該襯底1為雙面拋光的高熱導率金剛石襯底； 由於金剛石襯底1具有非常高的熱導率，從器件有源區產生的熱量能很快傳導至 熱敏電阻，從而使本發明提供的集成熱敏電阻的金剛石熱沉具有較高的熱靈敏度及較小的 熱慣性。另外，雙面拋光的金剛石襯底l的採用，能顯著增加器件與熱沉、熱沉與製冷器的 有效接觸面積，從而使燒結在本發明提供的集成熱敏電阻的金剛石熱沉上的器件更容易散 熱。 —第一 Ti薄膜2，該第一 Ti薄膜2製作在襯底1上的一側，該第一 Ti薄膜2為一 彎折條形結構； 該第一 Ti薄膜2的厚度為30-50nm。該第一 Ti薄膜2能顯著增加Au薄膜3與金 剛石襯底1的粘附性。由於Ti的電阻率比Au要大約一個數量級，該第一Ti薄膜2對後敘 的熱敏電阻區33電阻的並聯影響很小。 — Au薄膜3，該Au薄膜3製作在第一 Ti薄膜2上，形狀與第一 Ti薄膜2相同， 該Au薄膜3分為第一熱敏電阻引線區31、第二熱敏電阻引線區32和熱敏電阻區33 ;其中 熱敏電阻區33上的第一 Ti薄膜2和Au薄膜3的線條寬度為10-15um。該Au薄膜3的厚 度為400-500nm，其阻值為100-200 Q ，電阻溫度係數約為3. 5X 10—V°C，能在0°C -5(TC範 圍內使用，最大非線性度僅O. 20-0. 24%。由於該熱敏電阻區33採用Au作為熱敏材料，其 具有很強惰性，不容易氧化，因此本發明提供的集成熱敏電阻的金剛石熱沉不需要過分考慮保護層，其結構更簡單，成本更低廉。 —第二 Ti薄膜4，該第二 Ti薄膜4製作在襯底1上的另一側；其厚度和作用與第一Ti薄膜2相同。 —器件燒結區5，該器件燒結區5製作在第二 Ti薄膜4上。 其中器件燒結區5與熱敏電阻區33的間隔寬為100-200um，因此能保證最大限度電絕緣及熱靈敏度。其厚度與Au薄膜3相同。該器件燒結區5由於採用Au作為器件燒結的接觸材料，容易製作成歐姆接觸，使整個器件的閾值電流降低。
具體的製備方法為 1.清潔金剛石襯底1 :使用水浴方法，依次使用三氯乙烯，丙酮，乙醇各清洗三遍，去除襯底1上的蠟、油等汙漬；清洗結束後用去離子束衝洗三十遍；放入120度烘箱中烘焙30分鐘(結合參閱圖1)。 2.電子束蒸發Ti/Au:將清潔後的金剛石襯底l裝入電子束蒸發室，抽真空至10—5-10—6託並加熱襯底至300度；將純度為99. 99%的Ti、Au用電子束蒸發的方法，依次沉積在金剛石襯底1上，其中第Ti薄膜的厚度為30-50nm，Au薄膜的厚度為400-500nm，沉積速度控制在每秒1-4埃之間；沉積完成後需在高真空狀態下自然降溫退火後取出。
3.刻蝕圖形然後塗光刻膠，前烘後用掩膜版進行曝光顯影；堅膜後，在光刻膠
的保護下，用12 : ki : h2o=i : i : 4稀釋液刻蝕Au薄膜至Ti薄膜顯露出來，再用
HF : NH4F : H20 = 3 : 6 : 9稀釋液刻蝕Ti薄膜形成具有彎曲條狀圖案熱敏電阻的金剛石熱沉(如圖1所示)，使之形成第一熱敏電阻引線區31、第二熱敏電阻引線區32、熱敏電阻區33和器件燒結區5。其中熱敏電阻區33中的第一 Ti薄膜2和Au薄膜3的線條寬度為10-15um。器件燒結區5與熱敏電阻區33的間隔寬僅100-200um，以保證電絕緣。
4.清潔熱沉將成型的金剛石熱沉依次用丙酮去膠、無水乙醇清潔、去離子水衝洗後放入烘箱中進行烘焙處理。 5.阻值標定本發明製備的熱敏電阻阻值為100-200 Q ，因此需要進行阻值標定。利用Lightwave LDT-5412型控溫臺設定溫度並讀取實際溫度，Tck-100型溫顯儀用於對本發明製備的熱敏電阻進行阻值標定。
下面通過實施實例來具體說明本發明的特點 附圖2是採用本發明製備的熱敏電阻的兩次測量(正向、逆向)電阻-溫度特徵曲線，其線條寬度為15咖，第一 Ti薄膜2的厚度為30nm，Au薄膜3的厚度為400nm，器件燒結區5與熱敏電阻的間隔寬150um。參考圖2，可看出其電阻約為104Q，線性度良好，最大非線性度僅約0. 22% ，正向、逆向電阻重複性好，正溫度係數約為3. 5X 10—3/°C ，能在0°C _50°C範圍內使用。 本發明相對於現有技術，其特點是 —、工藝簡單，製作成本低。利用一次光刻工藝，其製作過程與前序工藝兼容，在成本和工藝複雜性投入很小的前提下，形成具有高可靠性、高靈敏度的集成熱敏電阻的金剛石熱沉。且由於Au的再結晶化溫度較低(僅150度)，遠遠低於蒸發時襯底的溫度，因此自然降溫過程已能滿足退火的要求。另外相比現有技術對熱敏電阻的後序電阻修正的要求，本發明採用軟體來標定，進一步降低了生產過程中的成本。 二、線性度好、高可靠性。由於Au的惰性很強，不易氧化，使得熱敏電阻不用過多考慮保護層。參考圖2，可以看出兩次測量的電阻-溫度特徵曲線都近似線性，且阻值重複 性很好、可靠性高。 三、體積小、靈敏度高，熱慣性小。用電子束蒸發方法能很好控制薄膜的厚度和質 量，另外由於採用一次光刻形成熱敏電阻和器件燒結區，使得器件封裝小型化。且熱敏電 阻與器件燒結區5的間隔僅100-200um，在保證電絕緣的前提下，能最大限度地提高熱靈敏 度。而高熱導率金剛石的採用也提高了熱敏電阻的熱靈敏度。較小的熱容則使其具有熱慣 性小的特點。 Ti/Au薄膜熱敏電阻是一種新型的溫度傳感器。它具有線性度好、可靠性高、熱慣 性小等特點。而集成熱敏電阻的金剛石熱沉的製作更是具有體積小、製作容易、成本低廉、 靈敏度高的優點。因而它具有廣闊的應用前景。 以上所述的具體實施例，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所 做的任何修改、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
一種集成熱敏電阻的金剛石熱沉，包括一襯底；一第一Ti薄膜，該第一Ti薄膜製作在襯底上的一側，該第一Ti薄膜為一彎折條形結構；一Au薄膜，該Au薄膜製作在第一Ti薄膜上，形狀與第一Ti薄膜相同，該Au薄膜分為第一熱敏電阻引線區、第二熱敏電阻引線區和熱敏電阻區；一第二Ti薄膜，該第二Ti薄膜製作在襯底上的另一側；一器件燒結區，該器件燒結區製作在第二Ti薄膜上。
2. 根據權利要求1所述的集成熱敏電阻的金剛石熱沉，其中襯底為雙面拋光的高熱導率金剛石襯底。
3. 根據權利要求l所述的集成熱敏電阻的金剛石熱沉，其中熱敏電阻區的阻值為100-200 Q ，電阻溫度係數為3. 5X 10—3/°C ，其能在0°C _50"範圍內使用，最大非線性度僅0. 20-0. 24%。
4. 根據權利要求l所述的集成熱敏電阻的金剛石熱沉，其中熱敏電阻區上的第一Ti薄膜和Au薄膜的線條寬度為10-15um。
5. 根據權利要求1或4所述的集成熱敏電阻的金剛石熱沉，其中第一Ti薄膜和第二Ti薄膜的厚度為30-50nm。
6. 根據權利要求l所述的集成熱敏電阻的金剛石熱沉，其中Au薄膜的厚度為400-500nm。
7. 根據權利要求1所述的集成熱敏電阻的金剛石熱沉，其中器件燒結區與熱敏電阻區的間隔寬度為100-200um。
8. 根據權利要求l所述的集成熱敏電阻的金剛石熱沉，其中該器件燒結區的材料為Au薄膜，厚度為400-500nm。
全文摘要
一種集成熱敏電阻的金剛石熱沉，包括一襯底；一第一Ti薄膜，該第一Ti薄膜製作在襯底上的一側，該第一Ti薄膜為一彎折條形結構；一Au薄膜，該Au薄膜製作在第一Ti薄膜上，形狀與第一Ti薄膜相同，該Au薄膜分為第一熱敏電阻引線區、第二熱敏電阻引線區和熱敏電阻區；一第二Ti薄膜，該第二Ti薄膜製作在襯底上的另一側；一器件燒結區，該器件燒結區製作在第二Ti薄膜上。解決了以往熱敏元件與器件集成製作過程中設計和工藝複雜、成本昂貴等問題。
文檔編號H01C7/02GK101764107SQ20101003410
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月13日 優先權日2010年1月13日
發明者劉萬峰, 劉俊岐, 劉峰奇, 張偉, 張全德, 李路, 王利軍, 王佔國, 陸全勇 申請人:中國科學院半導體研究所