專利名稱：集成微熱沉系統(tǒng)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成微熱沉系統(tǒng)及其制備方法，通過在集成微熱沉系統(tǒng)上集成制作發(fā)熱元件和測溫元件，縮短發(fā)熱元件與散熱元件間的距離，降低散熱熱阻，提高芯片溫度的測量精度。制得的集成微熱沉系統(tǒng)可用于微電子芯片的模擬以及微型發(fā)熱元件的冷卻研究。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)及大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，電子芯片的發(fā)熱強度越來越大，溫度越來越高，而隨著溫度的升高，微電子元件的性能和工作壽命將會受到很大影響。因而，急需發(fā)展一種有效的微電子冷卻(miroelectronic-cooling)方法。目前比較常用的散熱方式為由外及內(nèi)散熱，即通過通風扇或其它散熱元件與電子芯片直接接觸而將電子芯片產(chǎn)生的熱量傳輸出去，從而降低電子元件的溫度。這種散熱方式的缺點是接觸熱阻大、散熱效率低。由大量內(nèi)置式冷卻微通道構(gòu)成的微熱沉(micro-heat-sink)被認為是一種理想的微電子冷卻方式，其突出優(yōu)點是冷媒與熱源間的距離較傳統(tǒng)外置式風扇大為縮短，換熱量大為增加。近年來，隨著MEMS(微電子機械加工系統(tǒng))技術(shù)的迅速發(fā)展，將這種大量冷卻微通道集成制作在發(fā)熱芯片上的思想已變?yōu)榭赡?，目前常用的方法僅僅是將微型散熱器集成在芯片上，這樣雖然也能降低散熱熱阻，但由于測溫元件仍采用外置接觸式，這樣會使得測溫元件對發(fā)熱芯片溫度變化的靈敏度較低，并不能準確反映發(fā)熱芯片的溫度變化狀況。而集成微熱沉系統(tǒng)的開發(fā)和研究將能有效地解決現(xiàn)存的這些問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種集成微熱沉系統(tǒng)及其制備方法，縮短發(fā)熱元件與散熱元件之間的距離，降低散熱熱阻，提高單位體積內(nèi)的換熱面積，增大換熱量；提高芯片溫度的測量精度。制得的集成微熱沉系統(tǒng)可用于微電子芯片發(fā)熱系統(tǒng)的模擬試驗，使得芯片發(fā)熱量的調(diào)節(jié)更為精確可控。
為實現(xiàn)這一目的，本發(fā)明提供的集成微熱沉系統(tǒng)由一個玻璃片和一個硅片鍵合而成，其中在硅片的一個與玻璃片接觸的側(cè)面上加工有若干條均勻平行分布的微型冷卻通道，在硅片另一側(cè)面的氧化膜層上與微型冷卻通道對應的區(qū)域中，縱向布置若干組微型測溫元件和若干組微型發(fā)熱元件，每組微型測溫元件和每組微型發(fā)熱元件均橫向均勻平行布置。在氧化膜層及其上的元件上覆蓋一層低溫氧化層，低溫氧化層上沉積一層氮化硅絕緣層。從每組微型測溫元件和每組微型發(fā)熱元件分別引出的輸入輸出鋁硅導線經(jīng)鋁硅導線節(jié)點連接外部元件。
本發(fā)明提供的集成微熱沉系統(tǒng)的制備方法如下1、將硅片置于實驗用高純度硫酸和雙氧水重量比為10∶1的溶液中，在110-130℃的溫度下浸泡10-15分鐘后，沖洗后再在氮氣環(huán)境中加熱10-15分鐘，除去硅片表面的雜質(zhì)后進行雙面拋光處理；2、將處理后的硅片置于900～1100℃的高溫環(huán)境下進行氧化反應，參與反應的氧氣流動速率為4-5L/min，氧化時間為350-450分鐘，使硅片的兩面均生成厚度為4000的氧化膜層；然后采用紅外雙面對準工藝，將微型通道圖形顯影到硅片正面，在二氧化硅的選擇性保護下進行刻蝕，以形成微型冷卻通道，刻蝕速率為3200～3300/min；3、在硅片背面的氧化膜層上，用低壓化學氣相沉積法沉結(jié)一層厚度為4000的多晶硅薄層，然后采用選擇性摻雜及光刻工藝在多晶硅薄層制作微型測溫元件和微型發(fā)熱元件；4、待微型發(fā)熱元件和微型測溫元件形成后，再在氧化膜層及其上的元件上濺射一層厚度為1μm的鋁硅層，然后在鋁硅層上采用選擇性摻雜及光刻工藝，定型制作成微型測溫元件的輸入輸出鋁硅導和微型發(fā)熱元件的輸入輸出鋁硅導線；
5、在鋁硅層上覆蓋一層厚度為3000-4000的低溫氧化層，再在低溫氧化層上沉積3000-4000厚的氮化硅膜作為絕緣層；獲得所需的集成微熱沉系統(tǒng)。
本發(fā)明集成微熱沉系統(tǒng)中的玻璃片的作用為封閉硅片正面的平行微型通道，引導冷卻劑的進出，并使平行微型通道內(nèi)的流動和傳熱過程可視化。
為有效調(diào)控芯片溫度的測量范圍及提高測量精度，本發(fā)明特別設(shè)計了啞鈴形的微型測溫元件和蛇狀微型發(fā)熱元件。
玻璃片和硅片之間的鍵合可通過陽極焊接的方式鍵合在一起，硅片要雙面拋光，玻璃片要經(jīng)過有效清洗，以確保表面平整光滑、透明為宜。
硅片上平行微型冷卻通道的加工采用濕刻工藝，微型冷卻通道的截面形狀根據(jù)單晶硅獨特的晶格結(jié)構(gòu)和濕刻工藝可分為等腰梯形和三角形，微型冷卻通道的側(cè)邊與水平底邊的夾角為54.7°，微型冷卻通道的長度和寬度范圍分別為20μm～1mm和5mm～20mm。
本發(fā)明成功設(shè)計和制作了一個包含有微型冷卻通道、微型測溫元件和微型發(fā)熱元件的集成微熱沉系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以有效縮短散熱器件和發(fā)熱元件間的傳熱距離，從而極大地降低了散熱熱阻，提高了單位體積內(nèi)的散熱面積，使得換熱量大為增加；同時由于該系統(tǒng)將測溫元件直接集成在硅片上，這使得對硅片上發(fā)熱元件的溫度測量更為精確；由于該系統(tǒng)還可以通過改變蛇形發(fā)熱元件間的電壓來調(diào)節(jié)發(fā)熱量，使得對芯片發(fā)熱量的調(diào)節(jié)變得更為精準、可控，因而該系統(tǒng)還可以用于芯片發(fā)熱系統(tǒng)的模擬實驗研究以及為熱沉冷卻性能的實驗研究。


圖1為本發(fā)明的集成微熱沉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的橫向截面剖視圖。
圖1中，1為玻璃片，2為硅片，3為微型冷卻通道，4為氧化膜層，5為微型發(fā)熱元件，6為低溫氧化層(LTO)，7為氮化硅絕緣層，8為鋁硅導線。
圖2為本發(fā)明的集成微熱沉系統(tǒng)縱向截面的剖視圖。
圖2中，1為玻璃片，2為硅片，3為微型冷卻通道，4為氧化膜層，5為微型發(fā)熱元件，6為低溫氧化層(LTO)，7為氮化硅絕緣層，8為鋁硅導線，9為微型測溫元件，10為冷卻劑進出通道。
圖3為本發(fā)明集成微熱沉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的底面視圖。
圖3中，5為微型發(fā)熱元件，9為微型測溫元件，11為鋁硅導線節(jié)點，8為鋁硅導線。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步描述。
本發(fā)明的集成微熱沉系統(tǒng)橫向截面的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由一個玻璃片1(如Pyrex玻璃片)和一個硅片2(如<100>P型硅片)鍵合而成，在硅片2的一個與玻璃片1接觸的側(cè)面上加工有均勻平行分布的微型冷卻通道3，硅片2的另一側(cè)面上有一層氧化膜層4，氧化膜層4上與微型冷卻通道3對應的區(qū)域中布置若干組微型測溫元件和若干組微型發(fā)熱元件5，在氧化膜層4及其上的元件上覆蓋一層低溫氧化層6，低溫氧化層6上沉積一層氮化硅絕緣層7，由微型測溫元件、微型發(fā)熱元件5引出輸入輸出鋁硅導線8。
圖2為本發(fā)明集成微熱沉系統(tǒng)的縱向截面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，系統(tǒng)由玻璃片1和硅片2鍵合而成，在硅片2的與玻璃片1接觸的側(cè)面上加工有若干條微型冷卻通道3，硅片2的另一側(cè)面上有一層氧化膜層4，氧化膜層4上與微型冷卻通道3對應的區(qū)域中布置若干組微型測溫元件9和若干組微型發(fā)熱元件5，在氧化膜層4及其上的元件上覆蓋一層低溫氧化層6，低溫氧化層6上沉積一層氮化硅絕緣層7，由微型測溫元件9、微型發(fā)熱元件5引出輸入輸出鋁硅導線8。圖中10為冷卻劑進出通道。
圖3為本發(fā)明集成微熱沉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的底面視圖，示出了縱向布置的5組微型測溫元件9和4組微型發(fā)熱元件5，每組微型測溫元件9和每組微型發(fā)熱元件5均在橫向均勻平行布置，從每組微型測溫元件9和每組微型發(fā)熱元件5分別引出鋁硅導線8，經(jīng)鋁硅導線節(jié)點11連接外部元件。其中，所述微型測溫元件9采用啞鈴形，所述微型發(fā)熱元件5為蛇狀微型發(fā)熱元件。所述微型測溫元件9和微型發(fā)熱元件5不限于上述形狀。
集成微熱沉系統(tǒng)的工作原理為在進行微電子散熱和冷卻實驗研究中，用蛇形發(fā)熱元件模擬電子元件的工作，微熱沉系統(tǒng)中的平行微型冷卻通道中的冷卻劑將及時地把發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量散發(fā)到外界，從而實現(xiàn)微電子器件的高效冷卻；同時通過調(diào)整相鄰兩組導線間電壓，可以改變不同區(qū)域的熱流密度，這樣可以通過改變不同的實驗狀況，研究微型器件散熱的特點及其工作效率。
集成微熱沉系統(tǒng)中的玻璃片的作用為封閉硅片正面的平行微型通道，引導冷卻劑的進出，并使平行微型通道內(nèi)的流動和傳熱過程可視化。
結(jié)合附圖1-3所示結(jié)構(gòu)的一個實施例，本發(fā)明集成微熱沉系統(tǒng)的制備方法如下首先對硅片2進行標準清洗，將硅片2置于實驗用高純度硫酸和雙氧水重量比為10∶1的溶液中，在110-130℃的溫度下浸泡10-15分鐘后，用噴射法沖洗4次，再在氮氣環(huán)境中加熱10-15分鐘，除去硅片表面的雜質(zhì)后進行雙面拋光處理。
在硅片上生成氧化膜層4(比如二氧化硅薄層)，具體過程為將清洗處理后的硅片置于900～1100℃的高溫環(huán)境下進行氧化反應，參與反應的氧氣流動速率為4-5L/min，氧化時間約為400分鐘，使硅片的兩面均生成厚度為4000的氧化膜層4。
平行布置的微型冷卻通道3是在經(jīng)過拋光處理的硅片表面用濕刻工藝加工而成的。采用紅外雙面對準工藝，將微型通道圖形顯影到硅片正面，在二氧化硅的選擇性保護下，用濃度為25wt％的TMAH(四甲基氫氧化銨)刻蝕液在85℃溫度下(刻蝕速率為3200～3300/min)對硅片正面進行刻蝕，以形成微型冷卻通道3。
微型冷卻通道的截面形狀根據(jù)單晶硅獨特的晶格結(jié)構(gòu)和濕刻工藝可分為等腰梯形和三角形，微型冷卻通道的側(cè)邊與水平底邊的夾角為54.7°，微型通道的長度和寬度范圍分別為20μm～1mm和5mm～20mm。
在硅片背面的氧化膜層4上，用低壓化學氣相沉積法沉結(jié)一層厚度為4000的多晶硅薄層，然后采用選擇性摻雜及光刻工藝在多晶硅薄層制作微型測溫元件9和微型發(fā)熱元件5。
其中所述啞鈴形微型測溫元件9的中間感溫部位(圖3中的黑色區(qū)域)多晶硅摻雜劑量為1.0×1019cm-3，厚度為4000，長寬均為20μm，啞鈴形微型測溫元件9的兩頭為導線引出節(jié)點，導線引出節(jié)點及感溫部位之間作為信號連接線，信號連接線的多晶硅摻雜劑量為2.0×1020cm-3。所述蛇形微型發(fā)熱元件5的多晶硅摻雜劑量為2.0×1020cm-3。然后將經(jīng)摻雜工藝所形成的多晶硅在1000℃條件下煅煉30分鐘，最終形成微型發(fā)熱元件和微型測溫元件。
待微型發(fā)熱元件5和微型測溫元件9形成后，再在氧化膜層4及其上的元件上濺射一層厚度為1μm的鋁硅層，然后在鋁硅層上采用選擇性摻雜及光刻工藝，在400℃定型煅煉30分鐘后，定型制作成微型測溫元件的輸入輸出鋁硅導和微型發(fā)熱元件的輸入輸出鋁硅導線。
在鋁硅層上覆蓋一層厚度為3000-4000的低溫氧化層6，再在低溫氧化層6上沉積3000-4000厚的氮化硅膜作為絕緣層。氮化硅膜的形成是在840℃條件下，SiH2Cl2、NH3和N2的流動速率分別為64cm3/min、16cm3/min和100cm3/min(標準狀況下)，反應壓力為200mTorr(毫托)，在該條件下的沉積速度為49.4/min。最后獲得所需的集成微熱沉系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種集成微熱沉系統(tǒng)，由玻璃片(1)和硅片(2)鍵合而成，在硅片(2)的與玻璃片(1)接觸的側(cè)面上加工有若干條均勻平行分布的微型冷卻通道(3)，其特征在于在所述硅片(2)另一側(cè)面的氧化膜層(4)上與微型冷卻通道(3)對應的區(qū)域中，縱向布置若干組微型測溫元件(9)和若干組微型發(fā)熱元件(5)，每組微型測溫元件(9)和每組微型發(fā)熱元件(5)均橫向均勻平行布置，在氧化膜層(4)及其上的元件上覆蓋一層低溫氧化層(6)，低溫氧化層(6)上沉積一層氮化硅絕緣層(7)，從每組微型測溫元件(9)和每組微型發(fā)熱元件(5)分別引出的輸入輸出鋁硅導線(8)經(jīng)鋁硅導線節(jié)點(11)連接外部元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的集成微熱沉系統(tǒng)，其特征在于所述微型冷卻通道(3)的截面形狀分為等腰梯形和三角形，微型冷卻通道(3)的側(cè)邊與水平底邊的夾角為54.7°，微型冷卻通道(3)的長度和寬度分別為20μm～1mm和5mm～20mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的集成微熱沉系統(tǒng)，其特征在于所述微型測溫元件(9)采用啞鈴形，所述微型發(fā)熱元件(5)為蛇狀微型發(fā)熱元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的集成微熱沉系統(tǒng)，其特征在于所述啞鈴形微型測溫元件(9)的中間感溫部位多晶硅摻雜劑量為1.0×1019cm-3，厚度為4000，長寬均為20μm，中間感溫部位與兩頭導線引出節(jié)點之間為信號連接線，信號連接線的多晶硅摻雜劑量為2.0×1020cm-3；所述蛇形微型發(fā)熱元件(5)的多晶硅摻雜劑量為2.0×1020cm-3。
5.一種權(quán)利要求1所述的集成微熱沉系統(tǒng)的制備方法，其特征在于包括如下步驟1)將硅片(2)置于實驗用高純度硫酸和雙氧水重量比為10∶1的溶液中，在110-130℃的溫度下浸泡10-15分鐘后，沖洗后再在氮氣環(huán)境中加熱10-15分鐘，除去硅片表面的雜質(zhì)后進行雙面拋光處理；2)將處理后的硅片置于900～1100℃的高溫環(huán)境下進行氧化反應，參與反應的氧氣流動速率為4-5L/min，氧化時間為350-450分鐘，使硅片的兩面均生成厚度為4000的氧化膜層(4)；然后采用紅外雙面對準工藝，將微型通道圖形顯影到硅片正面，在二氧化硅的選擇性保護下進行刻蝕，以形成微型冷卻通道(3)，刻蝕速率為3200～3300/min；3)在硅片背面的氧化膜層(4)上，用低壓化學氣相沉積法沉結(jié)一層厚度為4000的多晶硅薄層，然后采用選擇性摻雜及光刻工藝在多晶硅薄層制作微型測溫元件(9)和微型發(fā)熱元件(5)；4)待微型發(fā)熱元件(5)和微型測溫元件(9)形成后，再在氧化膜層(4)及其上的元件上濺射一層厚度為1μm的鋁硅層，然后在鋁硅層上采用選擇性摻雜及光刻工藝，定型制作成微型測溫元件的輸入輸出鋁硅導線和微型發(fā)熱元件的輸入輸出鋁硅導線；5)在鋁硅層上覆蓋一層厚度為3000-4000 的低溫氧化層(6)，再在低溫氧化層(6)上沉積3000-4000厚的氮化硅膜作為絕緣層；獲得所需的集成微熱沉系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種集成微熱沉系統(tǒng)及其制備方法，由玻璃片和硅片鍵合而成，在硅片的一個面上加工有均勻平行分布的微型冷卻通道，另一面的氧化膜層上與微型冷卻通道對應的區(qū)域中，縱向布置若干組微型測溫元件和微型發(fā)熱元件，每組元件均橫向均勻平行布置，在氧化膜層及其上的元件上覆蓋低溫氧化層，低溫氧化層上沉積一層氮化硅絕緣層，從微型測溫元件和微型發(fā)熱元件引出輸入輸出鋁硅導線。本發(fā)明特別采用了啞鈴形微型測溫元件和蛇狀微型發(fā)熱元件，縮短了發(fā)熱元件與散熱元件之間的距離，降低散熱熱阻，從而提高單位體積內(nèi)的換熱面積，增大換熱量，同時使芯片溫度的測量更加精確可靠，可用于微電子芯片發(fā)熱系統(tǒng)的模擬試驗。
文檔編號H01L21/302GK101086987SQ20071004112
公開日2007年12月12日 申請日期2007年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月24日
發(fā)明者吳慧英, 鄭平, 劉恩光 申請人:上海交通大學