摘要——基于硅（Si）甚至基于碳化硅（SiC）的热流传感器在高于1200 °C的温度下常常因应力而经历材料退化或结构失效。本文介绍了一种先进瞬态高温热流传感器的设计与制备，通过从硅衬底上的绝缘体上碳化硅（SiCOI）夹层结构中微加工一个空气圆柱形隔热腔来实现。通过利用SiCOI材料的热导率（远优于SOI材料），传感器在高热流下的温度显著降低。所提出的结构在高温条件下显著降低了应力，使其能够在极端环境中可靠工作。传感器安装在陶瓷基板上而非晶体管外壳（TO）封装以进行高温测试，并展现出优于传统设计的卓越性能，实现了1400 °C的最高工作温度，并在3.45 MW/m²的热流下稳定工作，无需水冷却。它提供了0.9 ms的快速响应时间和42 µV·m²/kW的高灵敏度。这些显著特性使其成为高温环境中检测热流的高度竞争性解决方案。关键词——高温，大热流，绝缘体上碳化硅（SiCOI），瞬态检测。我们为客户提供晶圆（硅晶圆，玻璃晶圆，SOI晶圆，GaAs，蓝宝石，碳化硅（导电，非绝缘），Ga2O3,金刚石，GaN（外延片/衬底）），镀膜（PVD,cvd,Ald，PLD）和材料（Au Cu Ag Pt Al Cr Ti Ni Sio2 Tio2 Ti3O5，Ta2O5,ZrO2,TiN，ALN,ZnO,HfO2。。更多材料），键合（石英石英键合，蓝宝石蓝宝石键合）光刻，高精度掩模版，外延，掺杂,6寸DUVKRF电子束光刻等产品及加工服务(请找小编领取我们晶圆标品库存列表，为您的科学实验加速。
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文章名：SiCOI-Based Heat Flux Sensor Working at 1400 ◦C作者：Zhiwei Ye , Ailun Yi , Zhongming Lu, Hong Zhou, Yi Wang, Jiushuai Xu, Xin Ou , Senior Member, IEEE, and Tie LiI. 引言
近年来，随着航天动力和快速热加工（RTP）技术的发展，航天发动机的点火过程通常在毫秒内完成[1]。在此过程中，温度在几秒内从1200 °C升至1800 °C[2]，而RTP设备在毫秒内释放10 MW/m²的热流[3]。
目前，高温热流检测可大致分为带水冷系统和不带水冷系统的热流传感器[4]。水冷系统集成了泵、管路和散热器。Gifford等人[5]开发了一种基于铝的9×7×3 mm热阻式热流传感器，配备15×14×3 mm铁质水冷散热器，可在1050 °C下工作[5]。Wanqing等人[6]用铜制造了一种4×4×16 mm圆箔热流传感器，配合更大的20×16×16 mm铜质水冷散热器，可在1600 °C下工作。为消除对大型水冷系统的需求并实现原位热流检测，无冷却水热流传感器得到了越来越多的开发[7]。为实现更高温度下的工作，研究人员专注于通过增加传感器体积来增强传感器散热。Wrbanek等人[8]使用非晶碳化硅（SiC）衬底制造了一种25×25×0.5 mm基于热阻的氧化铟锡（ITO）热电偶，可在高达1100 °C下工作[8]。Dong等人[9]开发了一种使用氧化铝衬底的氧化铟（In₂O₃）热电偶，体积为30×7.5×1 mm，具有在1200 °C以上工作的潜力。Li等人[10]开发了一种基于ITO-In₂O₃热电材料的陶瓷热流传感器，实现了高灵敏度，并在超过1200 °C的温度下可靠测量高达300 kW/m²的热流。上述金属氧化物传感器在1200 °C以上容易发生应力诱导开裂[11]，[12]，且大传感面积结合金属氧化物的低热导率将传感器的响应时间限制在秒级[13]。为满足小型化和易于集成的需求，研究人员越来越关注基于光学的热流传感器。这些传感器利用材料随温度变化的折射率来测量热流或温度。借助纳米级波长调谐和激光干涉测量，此类传感器表现出高灵敏度和精度。例如，Riza等人[14]开发了一种SiC法布里-珀罗腔热流传感器，可在高达1100 °C的温度下工作。Su等人[15]设计了一种基于微波背散射技术的SiC热流传感器，结合了衬底集成波导（SIW）和缝隙天线技术，可在高达1000 °C下工作。然而，在极端温度条件下，材料疲劳、电磁干扰和振动等挑战可能影响光学和微尺度测量的准确性。为实现高温条件下的瞬态检测，Chen等人[16]制造了具有高热导率的镧锰氧化物（La₁₋ₓCaₓMnO₃）材料，并开发了10×5×1 mm的热流传感器，在1000 °C下实现了纳秒响应。然而，上述传感器均无法满足1200 °C瞬态检测的要求。SiC是一种宽带隙化合物半导体材料[17]，具有优异的热导率（3.7 W/cm·K），约为传统金属氧化物半导体的50倍[18]。加上其低热膨胀系数、高机械硬度和强度、高电子迁移率以及稳定的物理化学性质，SiC在高性能电子学中得到了广泛应用，特别是在高功率、高温和高频环境中[19]。值得注意的是，SiC是制造发动机涡轮风扇叶片的主要材料[20]。在我们先前的工作中，我们对基于SiCOI的热流传感器进行了初步研究[21]。Ni电极-SiCOI热流传感器代表了我们将SiC用于热流传感的初步探索。然而，几个问题阻碍了其在高温和高热流检测中的应用。1）在SiC薄膜质量方面：由于工艺中使用的退火温度相对较低，SiC薄膜在退火后表现出低结晶度和相对较高的缺陷密度。这些结构缺陷降低了SiC的热导率，从而减弱了传感器在高温下的散热能力并增加了其响应时间。2）Ni电极稳定性：研究表明，Ni在800 °C以上开始氧化，形成氧化镍（NiO），这可能导致传感器的电连接失效[22]。3）深Si刻蚀工艺：由于刻蚀不彻底，薄膜上残留Si，形成分布不均匀的Si针状结构。这些结构在高温环境中增加了薄膜上的机械应力，使传感器容易失效。4）封装基板：使用了镀金晶体管外壳（TO-5）作为基板。然而，由于材料限制，这种封装无法在超过800 °C的温度下工作。此外，这种封装的底座无法与航天发动机中涡轮叶片表面完全接触，进一步降低了散热效率，并增加了局部热量积累和传感器失效的风险。基于上述限制，先前研究中的Ni电极绝缘体上碳化硅（SiCOI）热流传感器无法在超过800 °C的环境中实现可靠和高效的工作。1）SiC薄膜质量：通过优化退火工艺，改善了SiC薄膜的质量，提高了单晶SiC的结晶度，从而增加了其热导率和机械强度。2）电极优化：钛-铂（Ti–Pt）电极取代了Ni电极。在高温下，Ti与SiC表面形成TiC化合物，促进欧姆接触的形成。此外，Pt具有优异的抗氧化性，确保可靠的电信传输。3）深Si刻蚀工艺：采用分步刻蚀方法，并结合硅油应用以增强散热。该方法有效消除了释放孔中的残留Si，改善了刻蚀均匀性，提高了传感器灵敏度，并降低了因高温下过度热应力导致薄膜失效的风险。4）封装改进：采用Al₂O₃基板替代镀金TO-5基板。与金属相比，Al₂O₃陶瓷在高温环境中提供更大的稳定性。在结构上，增加了基板厚度，移除了封装引线，并减小了整体封装体积，从而改善了散热性能。通过这些优化，本工作中设计的SiCOI热流传感器克服了水冷系统的限制，在工作温度、灵敏度和热流范围方面取得了显著进展。封装后的传感器尺寸仅为9×9×1 mm，十分紧凑。热电偶是基于塞贝克效应[23]工作的器件，如图1(a)所示。当两种不同的导体或半导体（此处记为“a”和“b”）在两端连接成闭合回路时，如果两个接点之间存在温差（此处定义为“热端”和“冷端”），则会产生电流。在这种配置中，导体中的电子或半导体中的载流子向较冷端移动，最终达到稳态平衡并产生电势差[24]。该回路构成一个热电偶，产生的电压称为热电动势。该电压的大小与两个接点之间的温差成正比。热电动势可表示为：其中 N 表示热电偶对的总数，ϑ 表示热电偶的塞贝克系数，ϑ_a − ϑ_b 表示材料 a 和 b 之间塞贝克系数的差值，ΔT 表示沿热端到冷端的温度差。
微机械热电堆热流传感器工作原理的简化模型如图1(b)所示。根据傅里叶稳态热传导定律[25]，热端温度（T₂）与冷端温度（T₁）之间的差值可理想地计算如下：
其中 L 表示热端与冷端之间的距离，q 表示热流密度，λ₂ 表示空气的热导率，λ₁ 表示衬底的热导率，α 和 β 表示常数因子。
图1. (a) 塞贝克效应示意图。(b) 微机械热电堆热流传感器简化模型。本设计基于我们团队先前对微机械热流传感器的研究[26]，[27]。该传感器采用单热电偶对以减少高温应力，用SiC替代硅（Si）作为热电材料以增强热传导。由隔热腔与衬底之间的热导率差异产生的温度梯度产生热电动势。热流传感器的基本结构如图2(a)所示，沿中心轴的截面视图如图2(b)所示。Si衬底被刻蚀以形成隔热腔，而SiC层用作热电敏感材料。SiC与Si之间的中间二氧化硅（SiO₂）层确保电绝缘，最小化漏电流。此外，金属电极（Ti–Pt）与SiC之间的另一层SiO₂增强了附着力。进行模拟以评估腔体形状对高温条件下器件应力的影响。图2. (a) 热流传感器结构图。(b) 剖面结构图。(c) 圆柱形和碗形腔体的结构示意图，以及它们在1400 °C下对应的应力分布。如图2(c)所示，设计了两种绝缘结构：圆柱形腔和碗形腔。COMSOL有限元模拟在1400 °C下的应力分布显示，圆柱形腔的最大应力为0.67 GPa，显著低于碗形腔的30 GPa和该温度下的断裂应力[28]。选择圆柱形结构进行进一步开发。为确保器件热端和冷端在高温和高热流环境中的最佳温度，选择具有高热导率的材料对于防止超过材料极限至关重要。如图3(a)和(b)所示，在3 MW/m²热流下温度分布的COMSOL模拟表明，SiCOI传感器实现了比SOI传感器显著更低的温度，突显了SiCOI在此类应用中的优越性能。进行了热电模拟以模拟高热流密度和高温的实验条件。图4(a)显示了传感器在室温下、热流范围为0.18至3.45 MW/m²的热电模拟结果。图4(b)显示了传感器在1000 °C至1400 °C高温下的热电模拟结果。图3. SOI传感器和SiCOI传感器在3 MW/m²热流下的温度模拟，最高温度分别为(a) 1170 °C和(b) 550 °C。图4. (a) 高热流下和(b) 高温环境下热电动势输出的热电模拟。图5(a)–(d)显示了SiCOI晶圆的制造工艺。如图5(a)所示，使用中束流离子注入机将特定参数的H元素离子注入到4H-SiC单晶材料中，在材料中特定深度处形成富含注入离子的气泡和孔洞。如图5(b)所示，选择厚度为535 µm的单晶Si(100)晶圆，经标准RCA清洗后，使用干氧氧化在表层生成500 nm SiO₂，该层同时用作薄膜支撑层。图5. SiCOI传感器的示意性制备工艺。(a) 氢离子（H⁺）注入SiC。(b) 在Si晶圆表面沉积SiO₂层。(c) SiC晶圆与Si衬底之间的异质键合。(d) SiCOI晶圆的形成。(e) SiC刻蚀。(f) 低应力SiO₂层沉积。(g) 接触孔刻蚀。(h) 钛（Ti）-铂（Pt）金属层的制备。(i) 深硅刻蚀。图6. 在1000 °C和1200 °C退火的SiC薄膜的归一化XRD图谱。如图5(c)所示，4H-SiC晶圆和氧化Si(100)衬底在室温下直接键合，形成SiC–SiO₂–Si结构。如图5(d)所示，键合晶圆在氮气气氛中于1200 °C退火，SiC薄膜在热场作用下从单晶衬底上分离，形成硅衬底上的SiCOI结构[29]。在此阶段，SiC表面不平整且粗糙，需要进行化学机械抛光（CMP）。在先前工作中，SiCOI晶圆在1000 °C下退火，仅使用粗浆料进行抛光。相比之下，在本研究中，SiCOI晶圆在1200 °C下退火，随后进行两步抛光工艺：先用粗浆料进行初始快速研磨，然后用细浆料抛光以最小化SiC表面损伤。此外，仔细控制压力和转速等抛光参数，以确保结构能够承受反复的机械和热应力。如图6所示，进行了X射线衍射（XRD）分析以比较本研究中SiC质量与先前工作的差异。本研究中SiC衍射峰的半高全宽（FWHM）比先前工作的更窄，表明SiC结晶度得到改善。更窄的衍射峰意味着所制备材料中缺陷更少，从而导致更高的热导率。使用薄膜厚度测量仪对来自硅衬底上SiCOI晶圆的SiC薄膜进行了厚度表征。结果如图7所示。所制备SiCOI晶圆上的SiC薄膜基本具有均匀的厚度，能够满足设计要求。图5(e)–(i)显示了SiCOI晶圆的微加工工艺。如图5(e)所示，将厚度为2.1 µm的AZ5214光刻胶旋涂到SiCOI晶圆表面。使用NLD570中性环路放电刻蚀机刻蚀图案。刻蚀功率设为1000 W以刻蚀SiC，刻蚀速率为0.6 µm/min。功率不宜设置过高，因为过高功率可能导致光刻胶碳化，从而影响后续工艺[30]。刻蚀后，使用氧等离子体去除光刻胶。如图5(f)所示，使用LPCVD技术在SiC表面沉积300 nm低应力SiO₂层，作为电极（Pt）与SiC之间的绝缘层，并有效增加热电偶长度。如图5(g)所示，将厚度为1.7 µm的LC100A光刻胶旋涂在SiO₂表面，并使用Samco RIE刻蚀设备刻蚀隔离结构。由于RIE在4H-SiC上刻蚀的困难性，可适当增加刻蚀时间以确保接触孔被完全去除，最后通过等离子体去除光刻胶。如图5(h)所示，使用磁控溅射和剥离工艺制备Ti/Pt薄膜，作为另一种热电偶材料并形成电极。由于SiC的带隙较大，使用Ti作为过渡层以确保Pt与SiC之间良好的欧姆接触。Ti在高温下可与SiC形成TiC，从而降低接触电阻[31]。在本实验中，在氮气气氛中于1100 °C退火实现了良好的欧姆接触。对退火前后的器件进行了I–V测试。图8显示了欧姆接触与肖特基接触之间的比较。可以观察到，退火后的器件表现出更好的欧姆接触特性。如图5(i)所示，将厚度为12 µm的AZ4620光刻胶旋涂在晶圆背面。随后，使用SPTS深度反应离子刻蚀（DRIE）设备刻蚀衬底，直至SiO₂支撑层显现。然后停止刻蚀工艺。应避免使用先前工作中使用的湿法刻蚀工艺，因为刻蚀速率沿不同晶向变化。这导致热端薄膜面积小于设计面积，从而造成所制造传感器灵敏度的降低。在此工艺中，应使用硅油增强散热，并采用多步干法刻蚀技术以获得具有最小Si残留的均匀热端薄膜。完成的SiCOI传感器的显微图像及其局部放大图如图9(a)所示。在封装方面，还必须考虑高温条件下的可靠性。先前工作中使用的TO-5基板并非最优选择。由于金属的高热膨胀系数，TO-5基板在高温下在传感器与基板之间产生显著应力，可能导致传感器失效。此外，由于材料熔点的限制，TO-5封装基座无法在1000 °C以上的温度下使用。在本工作中，对封装基板进行了具体的设计改进。选择了具有低热膨胀系数、高熔点和优异高温稳定性的氧化铝陶瓷。在基板中加入了凹槽结构，以确保封装后的传感器衬底与基板接触，从而改善热导率。此外，该设计取消了TO-5引脚，使基板能够与安装表面完全接触，增强了系统的整体散热，并防止因局部热量积累导致的传感器失效。传感器封装示意图如图9(b)所示。首先，使用激光分割晶圆以获得SiCOI热流传感器裸片。然后，通过粉末注射成型技术，注入氧化铝粉末，经脱脂和烧结形成封装基板。随后，将涂有无机耐高温涂层的裸片放置在基板上，并在200 °C恒温下固定2小时。最后，在键合部分，使用Pt线作为电信号传输线。考虑到热膨胀匹配问题，使用Pt浆料通过高温烧结分别将铂线连接到传感器的Pt电极上。至此，传感器的封装完成。图9. (a) 制备的传感器显微图像及其局部放大图。(b) SiCOI热流传感器封装图。为展示我们的SiCOI传感器在一系列优化后的性能提升，我们在相同的黑体测试环境下对封装传感器进行了测试[21]。传感器在黑体温度为500 °C、600 °C、700 °C和800 °C下以4 Hz斩波频率进行测试。如图10所示的结果表明，优化后的SiCOI传感器在500 °C时保持了响应输出，而先前研究的Ni基SiCOI热流传感器在此温度下只能检测到噪声[21]，无法准确测量热流。此外，优化传感器在稳定输出阶段的噪声水平低于先前工作中观察到的水平。最值得注意的是，当前工作中传感器的灵敏度相比早期型号提高了十倍以上。这些测试结果证实了本工作中实施的一系列优化既有效又可靠。图10. 本工作中优化传感器在黑体温度为500 °C、600 °C、700 °C和800 °C下的响应曲线。图11. 由脉冲激光器组成的大热流测试系统示意图。图11显示了由脉冲激光器组成的大热流测试系统的示意图。使用高功率激光器作为热源，激光辐射照射到传感器表面，传感器将光子能转换为热能，从而在表面产生热流密度。在激光与传感器之间的距离以及激光光斑直径保持恒定的条件下，传感器接收到的热流密度与激光功率正相关，范围从0.18到3.45 MW/m²。如图12(a)所示，传感器对0.18至3.45 MW/m²的热流表现出可靠的响应。这一结果表明，所制备的SiCOI热流传感器能够在3.45 MW/m²的热流下稳定可靠地工作。在测试过程中，随着热流密度的增加，输出电压表现出非线性。这种非线性很可能是由于材料热导率随温度升高而下降所致。此外，本工作中使用低热导率的氧化铝陶瓷封装降低了传感器系统的散热能力。因此，冷端和热端之间的温度梯度变得非线性。在未来的实验中，将采用具有更高热导率的封装基板以进一步优化测试系统。图12. (a) SiCOI传感器对0.18至3.45 MW/m²热流的输出电压响应。(b) SiCOI传感器对3.45 MW/m²热流的响应曲线。灵敏度和响应时间是热流传感器的关键性能指标。如图12(b)所示，传感器在3.45 MW/m²的热流密度下产生约144.6 mV的显著输出信号，对应灵敏度约为42 µV·m²/kW。虽然传感器的灵敏度随热流密度的增加而降低，但传感器的结构设计确保其在检测高热流时仍保持高灵敏度的优势。在响应时间测试中，通过测量传感器输出电压达到其稳态值63%所需的时间来确定响应时间。传感器在0.9 ms内达到其稳定输出的63%，突显了其快速响应能力。如图13(a)所示，马弗炉利用加热的钨棒作为热源。该系统的温度控制精度为±1 °C。马弗炉的初始温度升高至所需的测试温度，然后稳定数分钟。使用标准S型热电偶测量传感器在炉内放置位置处的确切温度。热流传感器的信号采集设备连接到炉子的开口处。采集设备收集输出电压值。马弗炉中的不同温度具有与之对应的特定热流密度。如图13(b)所示，传感器在1000 °C至1400 °C之间无需水冷系统即可有效工作，计算灵敏度为39 µV·m²/kW。当配备水冷系统时，灵敏度测得为12 µV·m²/kW。图13(c)显示了传感器的寿命测试结果，展示了其耐久性：可在1400 °C下承受23分钟。图13. (a) 由马弗炉组成的高温环境测试系统示意图。(b) SiCOI传感器在有和没有水冷系统的情况下对1000 °C至1400 °C温度的输出响应。(c) SiCOI传感器在无水冷系统下对1400 °C的响应。注：w.c.表示水冷。在高温下，特别是在1400 °C左右，传感器材料承受显著的热循环应力。这些条件可能导致传感器组件（如热电偶接点和绝缘层）的微观结构变化或退化，导致输出信号的波动。此外，在如此高的温度下，金属更容易发生扩散现象，导致传感器敏感SiC层中杂质离子和缺陷的增加。这可能导致塞贝克系数的变化，进一步导致信号波动。在我们未来的研究中，我们将聚焦于解决这些问题，以增强传感器的稳定性和可靠性。由于Pt电极厚度仅为300 nm，在1400 °C的高温下，裸露的Pt电极容易发生团聚和蒸发，最终可能导致传感器失效。钝化层被省略是因为我们的研究主要关注高热流条件下的瞬态检测，而添加这样的层会显著减慢传感器的响应。基于这些发现，在我们未来的研究中，我们计划增加Pt电极的厚度并添加钝化层。这些改进预计将显著增强传感器的耐热性并延长其使用寿命。我们基于SOI和SiCOI的传感器以及最先进的无冷却系统热流传感器的性能总结在表I中。与已报道的金属和金属氧化物基热流传感器相比，SiCOI传感器表现出最高的灵敏度。此外，它在1400 °C下表现出可靠和稳定的性能，这是先前类似器件中未实现的能力。我们SiCOI传感器0.9 ms的响应时间意味着该传感器能够分析中频（小于1 kHz）热流动力学，使其能够捕捉与发动机燃烧室燃烧不稳定性相关的瞬态热流现象。为进一步改善响应时间，可采用低热阻路径结构。本研究开发了一种基于SiCOI的高温热流传感器。进行了模拟分析以检查高热流条件下器件表面的温度和应力分布。使用离子切割技术成功制备了SiCOI晶圆，从而实现了高温热流传感器的后续开发。所提出的SiCOI传感器在带水冷系统的情况下于1400 °C可靠工作，且可在无冷却的情况下承受1400 °C长达23分钟。它测量高达3.45 MW/m²的热流密度，响应时间快至0.9 ms。总之，该传感器在恶劣的高热流环境中显示出强大的应用潜力。未来的研究将聚焦于推进基于SiC的SiCOI晶圆材料并优化制造工艺，以进一步提高传感器的工作温度、灵敏度和响应时间。 
