[发明专利]一种具有绝热缓冲层结构的热敏薄膜制备方法

说明书

本发明公开了一种具有绝热缓冲层结构的热敏薄膜的制备方法，该方法首先在硅衬底表面制备绝热缓冲层；然后再绝热缓冲层表面制备二氧化硅绝缘层；最后在二氧化硅绝缘层表面制备热敏薄膜，即得到具有绝热缓冲层结构的热敏薄膜。其中所述的绝热缓冲层是在硅片表面生长硅柱、硅球或硅棒，从而形成具有不同结构特点的多孔硅基结构，利用孔隙内部储存的空气，实现热敏薄膜与硅衬底之间热绝缘的作用，使得热敏薄膜整体热容量和热耗散减小，加快热敏电阻的响应时间，可被研制成具有快响应特点的微型热敏电阻器，非常适用于快响应温度监测领域。

技术领域

本发明涉及一种具有绝热缓冲层结构的热敏薄膜的制备方法。

背景技术

负温度系数(NTC)热敏电阻是一种常见的温度测控元件，具备测温精度高、灵敏度高、可靠性好、成本低、工作寿命长等特点，在航空、海洋和民用等领域具有广泛的应用。随着电子工业和信息技术水平的不断进步，现代电子信息系统正朝向微小型化和单片集成的方向发展。相比于块体陶瓷型热敏电阻，薄膜型NTC热敏电阻更易实现温度传感器微型化、快响应、集成化的目标，在半导体、集成电路、微纳器件等领域具有广阔的应用前景。

由于热敏薄膜作为一种依托于衬底而存在的材料，因此，其结构和特性必然受到衬底的影响。目前，热敏薄膜的衬底材料的选择主要从三方面考虑：1、衬底与材料的热膨胀系数需接近，如此可有效避免热处理和热环境应用过程中薄膜的龟裂的问题；2、衬底与材料的晶格匹配度高，这样便有望制备高质量单晶外延薄膜；3、衬底适用于现代半导体微加工技术，因而有利于薄膜的器件化和集成化。

在上述各类衬底材料中，Si基衬底兼备便于集成且价格低廉的优势，已在磁阻、磁性等传感器等其他无源敏感薄膜型传感器中得到了应用，是最有望将热敏薄膜带向应用的衬底材料。而在热敏薄膜从基础研究向薄膜温度传感器实用化转变的过程中，除了要实现厚度均匀的高品质膜材料的Si基异质生长外，还必须考虑衬底材料对薄膜热传导过程的影响。如果直接在普通Si衬底表面沉积热敏薄膜，那么Si衬底的高热导率(156W/cm·℃)将会引起热敏薄膜与衬底间的热传导，这将在无形中增大敏感单元的热容，引起薄膜材料响应时间的增加，因而很难满足极端温度监测领域对温度快响应传感的需求。

为了避免上述问题，本发明提出在硅衬底表面设计热绝缘层结构，以保证硅衬底热敏薄膜对温度快速动态响应的实现。

发明内容

本发明目的在于，提供一种具有绝热缓冲层结构的热敏薄膜的制备方法，该方法首先在硅衬底表面制备绝热缓冲层；然后再绝热缓冲层表面制备二氧化硅绝缘层；最后在二氧化硅绝缘层表面制备热敏薄膜，即得到具有绝热缓冲层结构的热敏薄膜。所述的绝热缓冲层是在硅片表面生长硅柱、硅球或硅棒，从而形成具有不同结构特点的多孔硅基结构，利用孔隙内部储存的空气，实现热敏薄膜与硅衬底之间热绝缘的作用，使得热敏薄膜整体热容量和热耗散减小，加快热敏电阻的响应时间，非常适用于快响应温度监测领域。通过本发明所述方法获得的具有绝热缓冲层结构的热敏薄膜，解决了热敏薄膜从基础研究向实用化研究转变过程的关键技术难题。该方法容易实现，重复性好，操作简单，适用于各种热敏薄膜，对各类薄膜型热敏电阻器的开发均具有普适性。

本发明所述的一种具有绝热缓冲层结构的热敏薄膜制备方法，该方法按下列步骤进行：

a.绝热缓冲层的制备：首先将购买的硅衬底(1)依次浸没于丙酮、无水乙醇、去离子水中进行超声洗涤3次，每次洗涤时间5-10分钟，取出硅衬底(1)，利用高纯氮气吹干硅衬底(1)表面，然后在硅衬底(1)表面制作各种形状的掩膜，并将硅衬底(1)放入电子束蒸发设备的腔体内，在硅衬底(1)表面掩膜镂空处生长硅材料(2)，形成硅柱、硅球或硅棒，通过调整电压1-2kV，蒸发时间5-60分钟，控制硅柱、硅球或硅棒的硅材料(2)的高度为10nm-200μm，利用硅柱、硅球或硅棒的空隙处的孔洞(3)中贮存的空气来实现热绝缘；