本发明涉及检测领域，尤其涉及一种负温度系数热敏电阻温度传感器及其制造方法和应用。
背景技术：
1、负温度系数(ntc)热敏电阻温度传感器具有测温精度高、灵敏度高、稳定性好、价格低、使用寿命长等优点，在航空航天、海洋环境和家用电器等领域具有广泛而重要的应用。然而，随着集成电路工艺制程越来越小，晶圆多参数、多模块集成程度越来越高，要求ntc热敏电阻具有更小的尺寸、更高的测量准确性和更小的不确定度。
2、目前市场上有很多种块体、薄片、球体热敏电阻温度传感器，但是它们存在体积较大、制造工艺复杂、产品批次性能差异大、测量精度和准确性有待进一步提升等问题，不能满足集成电路、先进制造、微纳加工等领域对温度传感器更小尺寸、更高测量精度和更小测量不确定度的要求。
3、相比于块体、薄片和球体热敏温度传感器，负温度系数热敏薄膜最具有可能实现集成电路、先进制造、微纳器件的应用要求。目前，一些研究团队通过磁控溅射法、分子束外延法、泵浦激光沉积法或化学溶液沉积法等成功制备出了负温度系数热敏薄膜。其中，磁控溅射制备热敏薄膜是现有的主要方法，其技术路线是：首先在带二氧化硅层的单晶硅晶圆上磁控溅射生长制备热敏薄膜，制备的热敏薄膜厚度通常为几十到几百纳米，因为在(4～8)英寸单晶硅晶圆上生长制备脆性热敏薄膜，薄膜厚度一般不能超过1μm。如果脆性热敏薄膜的厚度超过1μm，其面内残余应力很大会导致薄膜开裂或从基底上脱落。
4、但是，如果热敏薄膜厚度太小(几十到几百纳米)，其电阻却很大，通常为(100～1000)kω，电阻太大，热敏薄膜的测温精度和分辨率会很差。因此，为了降低热敏薄膜电阻，必须对制备的热敏薄膜进行多次退火热处理，退火热处理一是可以降低热敏薄膜电阻，二是可以释放热敏薄的面内残余应力。退火热处理后，使用蒸发镀膜或其他技术在热敏薄膜表面制备电极。制备电极后，再使用激光切割机对晶圆片进行全厚度切割，得到分离的单个热敏器件。因为大晶圆片上有很多热敏器件，必须进行切割分离后才能实际使用。
5、现有的磁控溅射制备热敏薄膜技术路线存在的问题有：1)需要对制备的热敏薄膜进行多次退火热处理以降低电阻和面内残余应力，技术路线冗长，操作复杂；2)多次退火热处理过程中热敏薄膜易氧化，导致热敏薄膜的化学组成发生改变；3)使用蒸发镀膜或其他技术制备电极，增加了技术路线的复杂性和操作性，且这些技术制备的电极容易断开失效；4)最后进行切割分离晶圆上的热敏器件，容易污染和损坏热敏器件，降低良品率。这些问题阻碍了负温度系数热敏薄膜温度传感器在集成电路等领域的发展应用。
技术实现思路
1、发明目的
2、为克服上述不足，本发明的目的在于提供一种简单高效、生产效率和良品率非常高的负温度系数热敏电阻温度传感器及其制造方法和应用。
3、解决方案
4、为实现本发明目的，本发明采用的技术方案如下：
5、第一方面，本发明提供了一种负温度系数热敏电阻温度传感器，包括单晶硅基底块和生长在单晶硅基底块的二氧化硅层上的负温度系数热敏薄膜，所述负温度系数热敏薄膜为mn-co-ni-cu-o热敏薄膜，其具有尖晶石结构；所述负温度系数热敏薄膜中，mn、co、ni、cu、o的质量比为(28～32)∶(28～32)∶(14～16)∶(0.1～2.5)∶(20～28)。
6、进一步地，所述负温度系数热敏薄膜的两侧粘有铂丝，可选地，采用银胶粘结。
7、进一步地，所述负温度系数热敏薄膜的厚度≥7μm，可选地≥7.5μm，可选地≥7.7μm。
8、进一步地，所述负温度系数热敏薄膜的电阻小于700ω，可选地小于500ω。
9、进一步地，负温度系数热敏薄膜的尺寸为(2～10)mm×(2～10)mm，可选地为5mm×5mm。
10、进一步地，所述负温度系数热敏薄膜采用mn-co-ni-cu-o合金靶材通过物理沉积镀膜方法多次沉积而成；可选地，物理沉积镀膜方法包括磁控溅射法、激光分子束外延法或电子束蒸发法；可选地，沉积次数至少两次。
11、进一步地，所述负温度系数热敏薄膜中，mn、co、ni、cu、o的质量比为(28～30)∶(28～30)∶(15～15.5)∶(0.5～2)∶(23～28)，可选地为30∶30∶(15～15.5)∶(0.5～2)∶(23～24)。
12、进一步地，尖晶石结构单位晶胞的结构为ab2o4，其中a离子占据由四个氧原子构成的氧四面体空隙，b离子占据由六个氧原子构成的氧八面体空隙。
13、第二方面，提供一种用于制备第一方面所述的负温度系数热敏电阻温度传感器的单晶硅基底，所述单晶硅基底上切割有纵、横交织的凹槽，形成若干小单元，用于沿所述凹槽分成若干单晶硅基底块。
14、进一步地，所述单晶硅基底上的凹槽深度为160μm～320μm；可选地，凹槽深度为单晶硅基底厚度的1/4～1/2，可选地为1/3；
15、进一步地，所述若干小单元为若干正方形单元，可选地正方形单元的大小为(2～10)mm×(2～10)mm，可选地为5mm×5mm。
16、第三方面，提供一种负温度系数热敏薄膜的制造方法，包括如下步骤：
17、1)预处理mn-co-ni-cu-o合金靶材，去除表面氧化层和污染物；
18、2)预处理第二方面所述的单晶硅基底，去除表面杂质和污染物；
19、3)采用步骤1)预处理mn-co-ni-cu-o合金靶材在步骤2)预处理的单晶硅基底上进行物理沉积镀膜，至少镀膜两次，获得负温度系数热敏薄膜。
20、进一步地，步骤3)中，物理沉积镀膜的方法包括：开始镀膜时，在惰性气氛下，进行第一次溅射镀膜，然后冷却，进行第二次溅射镀膜，冷却；依次类推，通过至少两次溅射镀膜获得负温度系数热敏薄膜。
21、进一步地，第一次的溅射镀膜的时间为(150～250)min，可选地为200min。
22、进一步地，第二次的溅射镀膜的时间为(250～350)min，可选地为300min。
23、进一步地，溅射镀膜的功率为(200～260)w，可选地为240w。
24、进一步地，惰性气氛为氩气或氦气。
25、进一步地，惰性气氛的流量为(48～52)sccm，可选地为50sccm。
26、进一步地，溅射的真空度为(10-7～10-8)torr，可选地为10-7torr。
27、进一步地，步骤3)中，开始镀膜前，先将mn-co-ni-cu-o合金靶材进行预溅射，以去除靶材表面的污染物和杂质。
28、进一步地，还包括分割步骤：将步骤3)获得的负温度系数热敏薄膜分割，可选地沿单晶硅基底的凹槽对应处分割。
29、第四方面，提供一种第一方面所述的负温度系数热敏电阻温度传感器的制造方法，将合适大小的第三方面所述的制造方法制备的负温度系数热敏薄膜两侧加上液体银胶，将铂丝电极伸进液体银胶，稳定、固化、干燥，获得负温度系数热敏电阻温度传感器。
30、第五方面，提供一种第一方面所述的负温度系数热敏电阻温度传感器、第二方面所述的单晶硅基底、第三方面所述的制造方法制备的负温度系数热敏薄膜、第四方面所述的制造方法制备的负温度系数热敏电阻温度传感在集成电路、先进制造、微纳加工中的应用。
31、有益效果
32、本发明通过引入cu元素、在单晶硅基底进行1/3厚度预切割、采用两次磁控溅射工艺，优化了热敏薄膜的脆性和塑性，降低了热敏薄膜的面内残余应力，制备出了厚度超过7.7μm的mn-co-ni-cu-o热敏薄膜，且热敏薄膜表面完好且与二氧化硅层结合良好，未发生开裂和脱落；制备的热敏薄膜电阻小于500ω，无需进行退火热处理；相比于现有的技术路线，本技术的技术路线简单高效，生产效率和良品率非常高。
1.一种负温度系数热敏电阻温度传感器，特征在于，包括单晶硅基底块和生长在单晶硅基底块的二氧化硅层上的负温度系数热敏薄膜，所述负温度系数热敏薄膜为mn-co-ni-cu-o热敏薄膜，其具有尖晶石结构；
2.根据权利要求1所述的负温度系数热敏电阻温度传感器，其特征在于，所述负温度系数热敏薄膜的厚度≥7μm，可选地≥7.5μm，可选地≥7.7μm；
3.根据权利要求1或2所述的负温度系数热敏电阻温度传感器，其特征在于，所述负温度系数热敏薄膜采用mn-co-ni-cu-o合金靶材通过物理沉积镀膜方法多次沉积而成；可选地，物理沉积镀膜方法包括磁控溅射法、激光分子束外延法或电子束蒸发法；可选地，沉积次数至少两次；
4.一种用于制备权利要求1至3任一所述的负温度系数热敏电阻温度传感器的单晶硅基底，其特征在于，所述单晶硅基底上切割有纵、横交织的凹槽，形成若干小单元，用于沿所述凹槽分成若干单晶硅基底块。
5.根据权利要求4所述的单晶硅基底，其特征在于，所述单晶硅基底上的凹槽深度为160μm～320μm；可选地，凹槽深度为单晶硅基底厚度的1/4～1/2，可选地为1/3；
6.一种负温度系数热敏薄膜的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，步骤3)中，物理沉积镀膜的方法包括：开始镀膜时，在惰性气氛下，进行第一次溅射镀膜，然后冷却，进行第二次溅射镀膜，冷却；依次类推，通过至少两次溅射镀膜获得负温度系数热敏薄膜；
8.根据权利要求6或7所述的制造方法，其特征在于，步骤3)中，开始镀膜前，先将mn-co-ni-cu-o合金靶材进行预溅射，以去除靶材表面的污染物和杂质；
9.一种权利要求1至3任一所述的负温度系数热敏电阻温度传感器的制造方法，其特征在于，将合适大小的权利要求6至8任一所述的制造方法制备的负温度系数热敏薄膜两侧加上液体银胶，将铂丝电极伸进液体银胶，稳定、固化、干燥，获得负温度系数热敏电阻温度传感器。
10.一种权利要求1至3任一所述的负温度系数热敏电阻温度传感器、权利要求4或5所述的单晶硅基底、权利要求6至8任一所述的制造方法制备的负温度系数热敏薄膜、权利要求9所述的制造方法制备的负温度系数热敏电阻温度传感在集成电路、先进制造、微纳加工中的应用。
