热电堆层设计
为了保证传感器在接触热流的环境下能够保持稳定的热物理性能，热电偶材料必须满足：良好的热电特性，急剧温度变化的情况下保持稳定热物性，热电势沿长度方向均匀化程度高。综合市场现有各种热电偶系列，选择热电特性线性好，灵敏度较高的镍铬-镍硅热电偶。选用Ni：Cr=90：10的镍铬合金和Ni：Si=97：3的镍硅合金作为靶材，按照图形设计分步骤沉积溅射在基底上，利用光刻工艺、物理气相沉积工艺制备形成镍铬-镍硅（以下简称K型）热电堆。
K型热电偶具有线性好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性好的特点，使用温度范围为-200~1200℃，比较容易成型各种尺寸靶材，材料成分比纯度高，有利于保证薄膜热电堆稳定的热电性能，对于未来工程化、批量化提供很好的先决条件。
由公式（4）可知，热电偶材料的塞贝克系数是影响传感器灵敏度的重要因素之一，传感器目标最大量程为100 kW/m2，设置满量程输出时传感器的理想输出信号不小于10mV，传感器灵敏度系数需要0.0003mV/(W/m2)，K型偶在0~850℃范围内的塞贝克系数约为0.042mV/K，SiO2薄膜的导热系数为0.52W/m·K，按公式（4）可以得到热阻层厚度差dx和热电堆结点数目N之间的关系。
受工艺技术限制，为提高薄膜制备的成功率，热电偶的线越窄，结合强度越低，易脱落，此处设计按照线宽为100μm，热电偶线长度和厚度对传感器的输出无影响，此处设计线长为1000μm，膜厚度为1μm。预设计热阻层冷端厚度为3μm，则冷热结点厚度差为2μm，由公式（4）可以推导出热电堆结点总对数约为620对，热电堆层的总有效面积约250mm2，具体走线布局可以按照环形或矩形实现，热阻层厚度和节点对数要根据实际样片测试数据进行适当调节。
      
（4）过渡层设计
基底层蓝宝石材料的热膨胀系数为5.8μm/K，热电堆层镍铬/镍硅材料的热膨胀系数为17μm/K，热阻层SiO2材料的热膨胀系数为0.52μm/K，传感器高温工作时热应力较大，当应力增大到一定程度时就会开裂，薄膜的厚度是影响薄膜间应力的重要因素，直接影响器件的高温可靠性，因此需要在蓝宝石基底和热电堆层中间、热电堆层和热阻层之间插入一层热膨胀系数居中的过度膜层，此处选用氧化镁材料，该材料热膨胀系数为13.6μm/K，熔点2852℃，导热系数为36W/m·K,非常适合上下两层间的热膨胀系数匹配，过渡层氧化镁薄膜厚度预设计为0.25μm，热匹配效果需在后期工艺实现过程中进行考核试验。

（5）引线设计
     对传感器薄膜进行的引线封装是传感器制备的最终环节，传感器薄膜引线选用纯银导线，通过银浆将银丝端与热电堆层输出端进行键合焊接，经马弗炉整体烧结或激光局部高温烧结，完成薄膜热流传感器的信号引线焊接工作。

热流传感器样机制备

图8 主要工艺流程

标准薄膜热流传感器样机各镀层的实现工艺主要采用光刻工艺和物理气相沉积工艺相结合。主要工艺过程如图8所示。整个流程涉及到三次光刻、两次磁控溅射镀膜、三次原子层沉积（ALD）镀膜、四次清洗。热流传感器制备过程中光刻胶涂胶厚度和均匀性参数控制直接影响各薄膜层厚度和均匀性，光刻掩膜版对准精度控制直接影响热电堆镍铬/镍硅结合面的结合效果，属于薄膜制备过程中的关键工艺内容。

1. 蓝宝石基底减薄处理
     市场上成熟的蓝宝石基板厚度均在300μm以上，蓝宝石基板硬度仅次于金刚石，减薄难度较大，同时还要确保良好的表面粗糙度和平整度，有利于后续镀膜处理。方案拟采用化学机械抛光（CMP）工艺对市购蓝宝石基板进行减薄抛光处理，选用含有金刚石超细粉的抛光液，通过调整抛光下压力、转速、抛光液浓度等参数，完成对蓝宝石基板的二次加工，再采用专用的抛光清洗液，通过通过刷洗和兆声波去除抛光液中的金刚石超细粉，对抛光片进行清洗。化学机械抛光（CMP）工艺利用化学腐蚀和机械力对加工过程中的衬底材料进行厚度和平滑处理工艺，如图9所示。

图9 化学机械抛光机（CMP）     图10 原子层沉积（ALD）设备

2.  过渡层和热阻层沉积
     传感器要求氧化镁过渡层和氧化铝热阻层致密无缺陷，由于氧化镁过渡层要作为热电堆层材料生长的衬底，要求其表面粗糙度要小于20nm，表面不能存在较大颗粒物。制备氧化物膜层的方法主要有磁控溅射、热蒸发、激光沉积等，但考虑以上工艺方法制备膜层致密度较低，存在针孔缺陷和大颗粒等，本项目拟采用原子层沉积（ALD）工艺制备过渡层和热阻层，该工艺虽然生长速率较低，但膜层致密度高，厚度均匀性较好，且膜层包覆性极好，尤其适合此两种膜层的制备。原子层沉积ALD薄膜制备工艺作为一种表面控制的、自限制性的化学气相沉积方法，可以在大面积平面衬底表面进行100%均匀性、保形性、无缺陷、裂痕与针孔的薄膜生长，如图10所示。

3.  镍铬/镍硅热电堆层沉积
镍铬/镍硅热电堆层作为传感器性能的核心层，薄膜成分和结合效果对膜层的热点性能影响显著，因此要求薄膜制备时膜层成分可控，镍铬/镍硅结合界面良好，不能出现“虚结”情况。制备金属膜层的方法主要有磁控溅射、热蒸发、激光沉积等，本方案拟采用磁控溅射工艺制备镍铬/镍硅热电堆层，沉积温度可以为沉积到过渡层的原子提供动能，有力于提高结合力和膜层致密度。考虑由于高温引起的镍铬/镍硅结合界面发生扩散影响结性能，采用大功率、低气压、低温沉积，提高沉积到衬底的原子动能，避免高温沉积时镍铬/镍硅结合界面热扩散的同时提高膜层结晶性能和结合力。磁控溅射工艺
是利用磁场束缚电子运动，提高电子的离化率，具有“低温”“高速”两大特点，属于物理气相沉积的一种，具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强的优点，如图11所示。

图11 磁控溅射设备

4. 引线键合
指标要求传感器工作温度小于850℃，一般的导线焊接工艺已不满足要求。本方案拟采用银浆或铂浆烧结工艺实现引线处理，传感器引线选用银丝，银丝性柔软，延展性好，是热和电的良导体，不易氧化，熔点为960℃满足高温要求。将银丝在热电堆层引线焊盘处点固银浆，通过流平、干燥、烧结处理后，可以满足信号采集要求。

5. 表面涂覆
    为增加薄膜热流传感器表面辐射热吸收率，需要在传感器表面涂覆高吸收率的涂层材料，本方案采用成熟工艺，涂覆三氧化二钴漆料。
在涂刷辐射涂料前需用脱脂棉沾甲苯溶剂将底材表面清洗干净，按图12所示工艺流程完成漆料的涂覆工作。

图12 表面涂覆主要工艺流程

6.  光刻工艺
光刻技术主要方法为：将设计的薄膜图形通过牺牲光刻胶的方法转移到基底材料表面，为镀膜提供附着窗口，工艺示意图如图13所示。整个光刻流程有清洗、预烘烤、涂胶、软烘烤、对准曝光、显影、硬烘烤、图形检测。
清洗：由于传感器敏感区域洁净程度对光刻效果的影响很大，一般对于基板表面的颗粒、有机物、无机物等污染物质颗粒需要清除干净。如果表面存在微小尘埃颗粒，会导致热电堆电路断路，通过清洗可以清除传感器表面的有机污染物，增强光刻胶和基底之间、金属薄膜和基底之间的粘附性。主要清洗工艺为：180℃食人鱼溶液浸泡——去离子水清洗——兆声波清洗——无水乙醇甩干——120℃真空烘干——检验，全部过程均在洁净环境中进行。
预烘烤：目的是去除基底表面湿气，使传感器基底表面尽可能的干燥，提高光刻胶附着力。基底清洗后，放置干燥箱100℃保温1小时，干燥后用等离子机进行灰化处理，增强光刻胶附着力，全部过程均在洁净环境中进行。
涂胶：采用旋转法在传感器表面均匀涂覆一层光刻胶。将传感器基底粘牢在转盘上，轻滴液体光刻胶到基底表面，将转盘转移到涂胶机上，依靠离心力将光刻胶均匀散开，离心机转速直接影响光刻胶厚度与均匀性，用台阶仪测量涂胶厚度，逐步摸索两者之间的工艺关系，获得理想光刻胶厚度。
对准和曝光：对准是把所需图形在基底表面上定位或对准，曝光是通过曝光设备将图形转移到光刻胶涂层上，薄膜图形最终是由多个掩膜版按照一定顺序在基底表面上叠加建立起来的。掩膜版制作必须高精度，无损伤，在进行第二种材料镀膜前需要精准比对掩膜版和第一种材料的图形，以保证镍铬薄膜和镍硅薄膜层相对位置吻合。曝光设备对曝光剂量的控制和光刻胶、掩膜版有关，制作时需结合曝光强度、掩膜曝光时间、泛曝光时间、显影时间控制参数，已达到最好的效果。
 
图13 光刻工艺流程图
显影：目的是把掩膜版图形准确的复制到光刻胶上。重点在于产生的关键尺寸达到规格要求。通过改变显影液成分，显影温度，显影方式与显影步骤等因素可以加快曝光和光刻胶的溶解速率。
显影检查：目的是对光刻完成后的图形进行检测。此工序可借助高倍显微镜完成，以查找光刻胶中图形的缺陷，两种材料薄膜是否对准，薄膜表面是否有多余物颗粒。