一种聚酰亚胺隔热悬挂结构及其制备方法与流程

本发明属于微纳光学和量子传感器领域，更具体地，涉及一种聚酰亚胺隔热悬挂结构及制备方法。

背景技术：

1、微型化/芯片化的量子传感器件在国防科技领域和国民经济领域均有着持续增长的应用需求，在国防科技领域，由于量子传感器件，例如：陀螺仪、加速度计、磁力计、原子钟等，是武器装备、航空航天、军事通信、卫星导航等领域的整机系统关键基础器部件，对其实现小体积、低功耗、高精度、强环境耐受度都提出了更高的要求。由于量子传感器件在工作时都必须要维持一定的温度，必然带来整机功耗的增加，因此如何降低功耗这一问题亟待解决。

2、对器件进行绝热封装可以降低功耗，传统方法是陶瓷封装、填充隔离层、真空封装等，其中陶瓷封装属于气密性封装，主要材料包括al2o3、aln、beo与si3n4等，耐蚀性好、机械强度高、热膨胀系数小；基于环氧树脂的填充隔离层工艺是当前的主要封装技术，其中填充材料用于填充倒装芯片与印制电路基板(pcb)之间的空隙(间距＜100μm)，主要采用环氧树脂塑封料或环氧液体灌封料，但环氧树脂的导热性较差；真空封装可以分为器件级封装和圆片级封装，目前采用较多的是工艺简单、成本较低的圆片级封装技术，将具有一个空腔的作为封盖的晶圆和设置有器件的晶圆键合在一起，以形成一个真空环境。使用上述方法封装时，与量子传感器件物理系统其它组件装配在一起时接触面积大，难以达到减小热传导目的，此外，加热控温器需要独立装配，带来整体封装体积大的缺点。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种聚酰亚胺隔热悬挂结构及其制备方法，采用硅片作为载体，聚酰亚胺作为涂覆层制作隔热悬挂结构，限制导电导热损失，提高悬挂结构的热耗散程度，同时具有良好的抗震减震作用。

2、为达到上述发明目的，按照本发明的第一方面，提供一种聚酰亚胺隔热悬挂结构的制备方法，包括如下步骤：

3、s1：对硅片表面进行洁净处理；

4、s2：在所述硅片顶部制备二氧化硅悬臂梁；

5、s3：在所述硅片底部制备硅背腔悬臂梁；

6、s4：在所述二氧化硅悬臂梁上制备聚酰亚胺悬臂梁；

7、s5：沿所述硅背腔悬臂梁底部设置衬片，并在所述聚酰亚胺悬臂梁顶部涂覆正性光刻胶，刻穿硅片上的非聚酰亚胺悬臂梁、二氧化硅悬臂梁及背腔悬臂梁结构制备获得硅悬臂梁；

8、s6：在所述聚酰亚胺悬臂梁上制备加热温控器及加热温控器焊盘，得到聚酰亚胺隔热悬挂结构。

9、进一步的，步骤s1中，对所述硅片进行洁净清理的步骤包括：

10、s11:分别使用丙酮和酒精对硅片进行浸泡并超声震荡，用去离子水喷淋清洗基片表面，经干燥的氮气吹干硅片表面，以去除硅片表面的有机物沾污；

11、s12:分别使用三号标准清洗液、一号标准清洗液、二号标准清洗液依次浸泡腐蚀硅片，以去除硅片表面的金属粒子、金属、有机物、湿气分子沾污；

12、s13:使用腐蚀液腐蚀以去除硅片表面自然氧化层。

13、进一步的，所述三号标准清洗液的组成为98％ h2so4和30％ h2o2，其中98％h2so4：30％ h2o2＝3：1～4：1；和/或所述三号标准清洗液的温度范围包括：120℃～150℃；和/或使用所述三号标准清洗液的浸泡时间为15min。

14、进一步的，所述一号标准清洗液的组成为28％ nh4oh、30％ h2o2和h2o，其中28％nh4oh：30％ h2o2：h2o＝1：1：5～1：2：7；和/或，所述一号标准清洗液的温度范围包括：75℃～85℃；和/或，使用所述一号标准清洗液的浸泡时间为10min。

15、进一步的，所述二号标准清洗液的组成为37％ hcl、30％ h2o2和h2o，其中37％hcl：30％ h2o2：h2o＝1：1：6～1：2：8；和/或，所述二号标准清洗液的温度范围包括：75℃～85℃；和/或，使用所述二号标准清洗液的浸泡时间为10min。

16、进一步的，所述去除硅片表面自然氧化层的腐蚀液为5％的hf或者hf：h2o2＝1：50的溶液；和/或，所述腐蚀液的温度范围包括：20℃～25℃；和/或，使用腐蚀液的腐蚀时间为5s。

17、进一步的，步骤s2中，制备所述二氧化硅悬臂梁的步骤包括：

18、s21：利用等离子体增强化学的气相沉积法在所述硅片顶部生长一层致密的二氧化硅；

19、s22：在所述二氧化硅表面气相淀积膜涂布六甲基二硅氮烷(hmds)；

20、s23：在所述二氧化硅表面均匀涂覆正性光刻胶后利用第一掩模版光刻曝光，显影后在所述硅片顶部表面得到二氧化硅悬臂梁形状；

21、s24：反应离子刻蚀形成二氧化硅悬臂梁。

22、进一步的，步骤s3中，所述制备硅背腔悬臂梁的步骤包括：

23、s31:在所述硅片底部表面均匀涂覆正性光刻胶后，带有对准标记的第二掩模版进行背面对准曝光，在硅片底部表面得到硅背腔悬臂梁形状；

24、s32:深反应离子刻蚀形成硅背腔悬臂梁。

25、进一步的，步骤s4中，制备所述聚酰亚胺悬臂梁的步骤包括：

26、s41:均匀涂覆聚酰亚胺后，带有对准标记的第三掩模版进行正面对准曝光，显影后在所述二氧化硅悬臂梁表面形成聚酰亚胺悬臂梁形状；

27、s42:坚膜固化，得到聚酰亚胺悬臂梁。

28、进一步的，坚膜固化的温度为250～400℃；和/或坚膜固化的时间为1-2h。

29、进一步的，步骤s5中制备所述硅悬臂梁的步骤包括：

30、s51：在所述聚酰亚胺悬臂梁表面均匀涂覆正性光刻胶，带有对准标记的第四掩模版进行正面对准曝光，显影后在聚酰亚胺悬臂梁表面形成硅悬臂梁结构形状；

31、s52：深反应离子刻蚀一定深度，并在完全刻穿所述硅片前对硅背腔悬臂梁一侧进行贴衬片处理，贴衬片后继续进行深反应离子刻蚀，直至刻穿所述硅片形成硅悬臂梁结构；

32、s53：去除衬片，丙酮超声清洗。

33、进一步的，步骤s6中，制备所述加热温控器及加热温控器焊盘的步骤为：

34、s61：在所述聚酰亚胺悬臂梁上均匀涂覆正性光刻胶后，使用带有对准标记的第五掩模版进行正面对准曝光，显影后在所述聚酰亚胺悬臂梁表面形成加热温控器形状；

35、s62：采用磁控溅射的方式依次沉积ti、pt，对沉积得到的ti层与pt层采用剥离的方式得到加热温控器；

36、s63：匀正性光刻胶后，带有对准标记的第六掩模版进行正面对准曝光，显影后在聚酰亚胺悬臂梁表面形成加热温控器焊盘形状；

37、s64：采用磁控溅射的方式依次沉积ti、au，对沉积得到的ti层与au层采用剥离的方式得到加热温控器焊盘。

38、按照本发明的第二方面，本发明还提供一种聚酰亚胺隔热悬挂结构，包括：通过在硅片顶部表面沉积二氧化硅并光刻得到的二氧化硅悬臂梁；在所述二氧化硅悬臂梁顶部均匀涂覆聚酰亚胺并进行光刻制备而成的聚酰亚胺悬臂梁；以及通过刻穿所述硅片上的非聚酰亚胺悬臂梁和二氧化硅悬臂梁结构且设于所述二氧化硅悬臂梁底部的硅悬臂梁。

39、进一步的，所述聚酰亚胺悬臂梁上还设有导电层，所述导电层包括加热温控器及加热温控器焊盘。所述加热温控器由ti、pt制备而成，所述加热温控器焊盘由ti、au制备而成。

40、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

41、1.本发明采用硅片作为载体，聚酰亚胺作为涂覆层制作隔热悬挂结构，固化后的聚酰亚胺涂覆层使得整个器件具有良好的抗疲劳性能以及耐化学药性，减小了工作环境因素变化引起的自身性能的改变；聚酰亚胺隔热悬挂结构具有良好的机械性能、承载面积大、接触面积小、热耗散程度高、热辐射少，承受惯性载荷大的特点，此设计应用在量子传感器件的物理系统中可减小由垂直加速度引起的应力，具有良好的抗震减震作用。

42、2.本发明中加热控温器可直接制备在聚酰亚胺悬臂梁上，减小了物理系统的体积，减轻了物理系统重量，具有了更高的结构密度，使得更易于实现物理系统的小型化与芯片化。

43、3.本发明的聚酰亚胺隔热悬挂结构中，通过在硅片表面生成一层致密的二氧化硅薄膜，不仅增强了聚酰亚胺光刻胶与硅片之间的粘附性，而且在二氧化硅在深反应离子刻蚀步骤中作为刻蚀停止层，起到对悬臂梁层和聚酰亚胺悬臂梁层的保护与绝缘的作用，实现自停止刻蚀。