專利名稱：集成熱敏電阻的金剛石熱沉的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)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(fā)明的獨(dú)特之處在于成 本和工藝復(fù)雜性投入很小的前提下，形成具有體積小、制作容易、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(shù)：
由于半導(dǎo)體器件的性能隨溫度變化而變化，能夠?qū)崟r(shí)精確地檢測(cè)器件的溫度對(duì)其 工作壽命和可靠性是至關(guān)重要的。而隨著器件的小型化、微型化發(fā)展，把溫度傳感器集成 在器件的封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)則是必然途徑。但目前，大部分集成熱敏電阻的器件普遍采用兩種方 法 1 :熱敏元件直接制作在器件上(例如CPU); 2 :熱敏元件直接制作在熱沉上(主要采用摻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(shè)計(jì)和工藝復(fù)雜性；而后一種由于生長(zhǎng)過(guò)程中需要額外 的設(shè)備因此有很昂貴的成本。如何在成本和工藝復(fù)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(fā)展的關(guān)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(wèn)題的一個(gè)有效途徑。高熱導(dǎo)率金剛石熱沉的采用能顯著降低器件的熱阻， 對(duì)提高器件(尤其是大功率器件)的性能有重要作用。且由于本發(fā)明的熱敏電阻與器件燒 結(jié)區(qū)距離僅100-200um，因此具有高靈敏度的特點(diǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)中，金屬薄膜熱敏電阻廣泛采 用鉑、鎳、銅等金屬材料制成。其工藝比較成熟，已能基本滿足大溫度范圍、高精度等的各種 要求。鉑的電阻溫度系數(shù)較高，工作范圍大，也有良好的感溫靈敏度，但制造困難，成本昂 貴。鎳雖然有相當(dāng)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(diǎn)，因此其面積較大且對(duì)溫度的反應(yīng)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，主要是由于其電阻溫度系數(shù)和價(jià)格并不占優(yōu)。但目前 很多器件，尤其是大功率器件，都被燒結(jié)在蒸發(fā)了 Ti/Au薄膜的絕緣襯底上，因此采用Ti/ Au雙層薄膜組成集成熱敏電阻的金剛石熱沉并未顯著增加其成本，而只是對(duì)沉積的Ti/Au 材料的質(zhì)量和厚度提出了一定的要求，而由于其與現(xiàn)有工藝的可兼容性，工藝的復(fù)雜性也 并未大幅增加。而且Au具有熱容小、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此本發(fā)明還具有熱慣性 小，后封裝工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種集成熱敏電阻的金剛石熱沉，以實(shí)現(xiàn)熱敏電阻與器件 的集成，解決了以往熱敏元件與器件集成制作過(guò)程中設(shè)計(jì)和工藝復(fù)雜、成本昂貴等問(wèn)題。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)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薄膜制作在襯底上的一側(cè)，該第一 Ti薄膜為一彎折條形結(jié)構(gòu)； — Au薄膜，該Au薄膜制作在第一 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(qū)、第二熱敏電阻引線區(qū)和熱敏電阻區(qū)； —第二 Ti薄膜，該第二 Ti薄膜制作在襯底上的另一側(cè)； —器件燒結(jié)區(qū)，該器件燒結(jié)區(qū)制作在第二 Ti薄膜上。 其中襯底為雙面拋光的高熱導(dǎo)率金剛石襯底。 其中熱敏電阻區(qū)的阻值為100-200Q，電阻溫度系數(shù)為3. 5X10—3/"，其能在 0°C -50°〇范圍內(nèi)使用，最大非線性度僅0. 20-0. 24%。 其中熱敏電阻區(qū)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(jié)區(qū)與熱敏電阻區(qū)的間隔寬度為100-200um。 其中該器件燒結(jié)區(qū)的材料為Au薄膜，厚度為400-500nm。


為詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容及特點(diǎn)，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描 述，其中 圖1是本發(fā)明提供的集成熱敏電阻的金剛石熱沉結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明制備的熱敏電阻的兩次測(cè)量(正向、逆向)電阻-溫度特征曲線。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)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(dǎo)率金剛石襯底； 由于金剛石襯底1具有非常高的熱導(dǎo)率，從器件有源區(qū)產(chǎn)生的熱量能很快傳導(dǎo)至 熱敏電阻，從而使本發(fā)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的采用，能顯著增加器件與熱沉、熱沉與制冷器的 有效接觸面積，從而使燒結(jié)在本發(fā)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制作在襯底1上的一側(cè)，該第一 Ti薄膜2為一 彎折條形結(jié)構(gòu)； 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。由于Ti的電阻率比Au要大約一個(gè)數(shù)量級(jí)，該第一Ti薄膜2對(duì)后敘 的熱敏電阻區(qū)33電阻的并聯(lián)影響很小。 — Au薄膜3，該Au薄膜3制作在第一 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(qū)31、第二熱敏電阻引線區(qū)32和熱敏電阻區(qū)33 ;其中 熱敏電阻區(qū)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 ，電阻溫度系數(shù)約為3. 5X 10—V°C，能在0°C -5(TC范 圍內(nèi)使用，最大非線性度僅O. 20-0. 24%。由于該熱敏電阻區(qū)33采用Au作為熱敏材料，其 具有很強(qiáng)惰性，不容易氧化，因此本發(fā)明提供的集成熱敏電阻的金剛石熱沉不需要過(guò)分考慮保護(hù)層，其結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，成本更低廉。 —第二 Ti薄膜4，該第二 Ti薄膜4制作在襯底1上的另一側(cè)；其厚度和作用與第一Ti薄膜2相同。 —器件燒結(jié)區(qū)5，該器件燒結(jié)區(qū)5制作在第二 Ti薄膜4上。 其中器件燒結(jié)區(qū)5與熱敏電阻區(qū)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(jié)區(qū)5由于采用Au作為器件燒結(jié)的接觸材料，容易制作成歐姆接觸，使整個(gè)器件的閾值電流降低。
具體的制備方法為 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、油等污漬；清洗結(jié)束后用去離子束沖洗三十遍；放入120度烘箱中烘焙30分鐘(結(jié)合參閱圖1)。 2.電子束蒸發(fā)Ti/Au:將清潔后的金剛石襯底l裝入電子束蒸發(fā)室，抽真空至10—5-10—6托并加熱襯底至300度；將純度為99. 99%的Ti、Au用電子束蒸發(fā)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；沉積完成后需在高真空狀態(tài)下自然降溫退火后取出。
3.刻蝕圖形然后涂光刻膠，前烘后用掩膜版進(jìn)行曝光顯影；堅(jiān)膜后，在光刻膠
的保護(hù)下，用12 : ki : h2o=i : i : 4稀釋液刻蝕Au薄膜至Ti薄膜顯露出來(lái)，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(qū)31、第二熱敏電阻引線區(qū)32、熱敏電阻區(qū)33和器件燒結(jié)區(qū)5。其中熱敏電阻區(qū)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(jié)區(qū)5與熱敏電阻區(qū)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(wú)水乙醇清潔、去離子水沖洗后放入烘箱中進(jìn)行烘焙處理。 5.阻值標(biāo)定本發(fā)明制備的熱敏電阻阻值為100-200 Q ，因此需要進(jìn)行阻值標(biāo)定。利用Lightwave LDT-5412型控溫臺(tái)設(shè)定溫度并讀取實(shí)際溫度，Tck-100型溫顯儀用于對(duì)本發(fā)明制備的熱敏電阻進(jìn)行阻值標(biāo)定。
下面通過(guò)實(shí)施實(shí)例來(lái)具體說(shuō)明本發(fā)明的特點(diǎn) 附圖2是采用本發(fā)明制備的熱敏電阻的兩次測(cè)量(正向、逆向)電阻-溫度特征曲線，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(jié)區(qū)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、逆向電阻重復(fù)性好，正溫度系數(shù)約為3. 5X 10—3/°C ，能在0°C _50°C范圍內(nèi)使用。 本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，其特點(diǎn)是 —、工藝簡(jiǎn)單，制作成本低。利用一次光刻工藝，其制作過(guò)程與前序工藝兼容，在成本和工藝復(fù)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。且由于Au的再結(jié)晶化溫度較低(僅150度)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于蒸發(fā)時(shí)襯底的溫度，因此自然降溫過(guò)程已能滿足退火的要求。另外相比現(xiàn)有技術(shù)對(duì)熱敏電阻的后序電阻修正的要求，本發(fā)明采用軟件來(lái)標(biāo)定，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)過(guò)程中的成本。 二、線性度好、高可靠性。由于Au的惰性很強(qiáng)，不易氧化，使得熱敏電阻不用過(guò)多考慮保護(hù)層。參考圖2，可以看出兩次測(cè)量的電阻-溫度特征曲線都近似線性，且阻值重復(fù) 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(fā)方法能很好控制薄膜的厚度和質(zhì) 量，另外由于采用一次光刻形成熱敏電阻和器件燒結(jié)區(qū)，使得器件封裝小型化。且熱敏電 阻與器件燒結(jié)區(qū)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(dǎo)率金剛石的采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(diǎn)。 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(diǎn)。而集成熱敏電阻的金剛石熱沉的制作更是具有體積小、制作容易、成本低廉、 靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。因而它具有廣闊的應(yīng)用前景。 以上所述的具體實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所 做的任何修改、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)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薄膜制作在襯底上的一側(cè)，該第一Ti薄膜為一彎折條形結(jié)構(gòu)；一Au薄膜，該Au薄膜制作在第一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(qū)、第二熱敏電阻引線區(qū)和熱敏電阻區(qū)；一第二Ti薄膜，該第二Ti薄膜制作在襯底上的另一側(cè)；一器件燒結(jié)區(qū)，該器件燒結(jié)區(qū)制作在第二Ti薄膜上。
2. 根據(jù)權(quán)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(dǎo)率金剛石襯底。
3. 根據(jù)權(quán)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(qū)的阻值為100-200 Q ，電阻溫度系數(shù)為3. 5X 10—3/°C ，其能在0°C _50"范圍內(nèi)使用，最大非線性度僅0. 20-0. 24%。
4. 根據(jù)權(quán)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(qū)上的第一Ti薄膜和Au薄膜的線條寬度為10-15um。
5. 根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jié)區(qū)與熱敏電阻區(qū)的間隔寬度為100-200um。
8. 根據(jù)權(quán)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(jié)區(qū)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薄膜制作在襯底上的一側(cè)，該第一Ti薄膜為一彎折條形結(jié)構(gòu)；一Au薄膜，該Au薄膜制作在第一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(qū)、第二熱敏電阻引線區(qū)和熱敏電阻區(qū)；一第二Ti薄膜，該第二Ti薄膜制作在襯底上的另一側(cè)；一器件燒結(jié)區(qū)，該器件燒結(jié)區(qū)制作在第二Ti薄膜上。解決了以往熱敏元件與器件集成制作過(guò)程中設(shè)計(jì)和工藝復(fù)雜、成本昂貴等問(wèn)題。
文檔編號(hào)H01C7/02GK101764107SQ20101003410
公開(kāi)日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2010年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月13日
發(fā)明者劉萬(wàn)峰, 劉俊岐, 劉峰奇, 張偉, 張全德, 李路, 王利軍, 王占國(guó), 陸全勇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所