一種具有凹槽形加熱膜區的三維微型加熱器及其製作方法

2023-06-27 06:09:36 2

專利名稱：一種具有凹槽形加熱膜區的三維微型加熱器及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有凹槽形加熱膜區的三維微型加熱器及其製作方法，屬於微電 子機械系統(MEMS)領域。
背景技術：
隨著微加工技術的不斷發展，基於MEMS工藝的微型加熱器已開始在氣體探測，環 境監控和紅外光源等領域廣泛應用。由於應用的不斷推廣和深入，對微型加熱器的低功耗、 低成本、高性能、高可靠的要求也日益強烈。如何製作出低功耗高性能的加熱器一直是本領 域內技術人員追求的目標。目前基於矽襯底的微型加熱器從支撐膜結構來分，主要有兩種類型，分別是封閉 膜式(closed membrane type)禾口懸膜式(suspended membrane type)。封閉膜式微型 加熱器的支撐膜邊界都與襯底框架相連，通過背面體矽加工技術腐蝕襯底矽實現加熱膜 區的釋放，如 M. Gall，The Si-planar-pellistor :alow_power pellistor sensor in Si thin-film technology, Sensors and Actuators B，Vol. 4 (1991)，pp. 533-538。懸膜式微 型加熱器通常利用數條長條形支撐懸臂梁把中心加熱膜區與襯底框架相連，利用正面體矽 力口工技術實現力口熱膜區的釋放，如 Michael Gaitan, et. al，Micro—hotplate devices and methods for theirfabrication,US Patent NO. 5，464，966。隨著十多年的發展，為了滿足 不同需求，封閉膜式的微型加熱器和懸膜式的微型加熱器的加熱膜區出現了很多種形狀， 如圓形，矩形，長條形，或者多邊形等。但不管是哪一種形狀，這些加熱膜區都是平面型的， 是一種二維結構。然而在某些領域內應用時這種平面式加熱膜區的微型加熱器卻有一些不足。比 如，作為紅外光源時，平面式加熱器的熱量分散，受氣流的影響較大。用於催化燃燒原理的 氣體傳感器時，催化劑在平面式加熱器的中心膜區的覆蓋率不高，且加熱效率較低，影響了 傳感器的靈敏度。因此，如何設計一種低功耗、高加熱效率和高性能的加熱器是解決這些問 題的關鍵。本發明擬提供一種利用矽各向異性溼法腐蝕工藝製作的具有凹槽形加熱膜區的 三維微型加熱器，基於噴膠光刻的剝離工藝解決了在凹槽內部製作加熱電阻絲的難題。所 製作的微型加熱器由於其獨特的三維結構使得熱量更加集中，具有功耗低，機械強度高等 優點。

發明內容
本發明的目的在於提供一種具有凹槽形加熱膜區的三維微型加熱器及其製作方 法，從而解決目前平面型微型加熱器在某些應用領域的局限性。本發明利用矽各向異性溼法液腐蝕襯底矽形成橫截面呈「V」字形或倒梯形結構的 凹槽，通過在該凹槽內沉積介質層複合膜形成橫截面呈「V」字形或倒梯形的凹槽形加熱膜 區，加熱電阻絲以折線的形式排布在凹槽形加熱膜區的內部，幹法刻蝕定義出加熱膜區和支撐懸梁的形狀，釋放後的加熱膜區由支撐懸梁支撐並懸浮在襯底之上。本發明僅需要三塊光刻板就能實現所述的結構，且凹槽結構是由矽各向異性溼法 腐蝕形成，因此工藝簡單，成本低廉。凹槽的表面平整度很好，深度也可以通過控制腐蝕時 間來控制，由此製作的凹槽形加熱膜區不僅在結構上易於控制而且機械強度高。綜上所述，本發明提供的一種具有凹槽形加熱膜區的三維微型加熱器的結構特徵 在於橫截面呈「V」字形或倒梯形的凹槽形加熱膜區通過支撐懸梁與襯底框架相連，加熱電 阻絲以折線形式排布在加熱膜區凹槽的內部並通過支撐懸梁上的引線與襯底框架上的電 極相連，加熱膜區和支撐懸梁下方是採用矽各向異性溼法腐蝕形成的隔熱腔體。其中，1.加熱膜區是橫截面呈「V」字形或倒梯形結構的凹槽，凹槽的開口(腐蝕窗 口)是稜邊均沿著方向的矩形，凹槽是利用矽各向異性溼法腐蝕形成的。2.支撐懸梁的一端與襯底框架相連，另一端與凹槽形的加熱膜區相連，支撐懸梁 以加熱膜區為中心對稱排布；所述的支撐懸梁為二根或四根。3.以折線的形式排布在加熱膜區的凹槽內部的加熱電阻絲可以只排布在底部或 只排布在側部，也可以同時排布在底部和側部。4.引線排布在任意兩個支撐懸梁上並連接加熱膜區內的加熱電阻絲和襯底框架 上的電極。5.隔熱腔體由矽各向異性溼法腐蝕形成，位於加熱膜區和支撐懸梁的下方，隔熱 腔體使得加熱膜區在支撐懸梁的支撐下懸浮在襯底之上。本發明的另一目的在於提供一種所述的具有凹槽形加熱膜區的三維微型加熱器 的製作方法，具體製作步驟如下1.襯底選擇。襯底僅限於(100)面的矽片。2.製作用於形成凹槽結構的正面腐蝕窗口。首先選用普通N型或P型(100)矽片， 採用熱氧化、低壓化學氣相沉積(LPCVD)或等離子增強化學氣相沉積(PECVD)的方法在矽 片表面形成一層厚度在0. 1-3.0微米之間的氧化矽薄膜。然後進行光刻製作出窗口圖形， 在光刻膠的保護下利用反應離子刻蝕(RIE)或離子束刻蝕(Ion-beam)徹底刻蝕暴露的氧 化矽，形成正面腐蝕窗口，如圖3(a)所示。3.製作橫截面呈「V」字形或倒梯形結構的凹槽。在氧化矽的保護下利用矽各向 異性腐蝕液通過步驟2形成的腐蝕窗口在矽片上腐蝕出橫截面呈「V」字形或倒梯形結構的 凹槽，凹槽深度在5-150微米之間，如圖3(b)所示。腐蝕液有多種選擇，比如Κ0Η(氫氧化 鉀)，TMAH(四甲基氫氧化銨)，或者EPW(乙二胺，鄰苯二酚和水)等。4.製作凹槽形加熱膜區和支撐懸梁的介質層薄膜。介質層薄膜是由氧化矽和氮化 矽組成的多層複合膜，如圖3(c)所示。氧化矽可以通過熱氧化、低壓化學氣相沉積(LPCVD) 或等離子增強化學氣相沉積(PECVD)的方法製備，單層厚度在0.2-1.0微米之間。氮化矽 可以通過低壓化學氣相沉積(LPCVD)或等離子增強化學氣相沉積(PECVD)的方法製備，單 層厚度在0. 2-1. 0微米之間。介質層的總厚度在0. 4-5. 0微米之間。5.製作加熱電阻絲，引線和電極。有兩種工藝，一種是剝離工藝(lift-off)，另一 種是電鍍工藝(electroplating)。採用剝離工藝的製作方法為噴膠光刻(光刻膠厚度為 1-10微米)定義出加熱電阻絲，引線和電極的圖形，然後濺射一層0. 2-2. 0微米厚的鈦鉬， 最後丙酮去膠後形成了加熱電阻絲，引線和電極。採用電鍍工藝的製作方法為濺射金屬
5種子層(如鈦鉬、鈦金、鉬、金、鈦鎢/金、鈦鎢/鉬)，使得介質層表面均覆蓋有金屬種子 層。噴膠光刻(光刻膠厚度為1-10微米)定義出加熱電阻絲，引線和電極的圖形，電鍍一 層0.2-2微米厚的金屬鉬。最後去除光刻膠和種子層即可。製作好的加熱電阻絲，引線和 電極如圖3(d)所示。6.製作介質層薄膜的釋放窗口。根據支撐懸梁的方向不同可以分為兩類一類 是支撐懸梁的方向與晶向的夾角保持在士30度以內，其製作方法是正面光刻定 義出用於釋放加熱膜區和支撐懸梁的腐蝕窗口圖形，在光刻膠的保護下利用反應離子刻蝕 (RIE)或離子束刻蝕(Ion-beam)徹底刻蝕暴露的氧化矽和氮化矽複合膜，形成薄膜釋放窗 口。另一類是支撐懸梁的方向與晶向的夾角保持在士 15度以內，其製作方法是第 一步，正面光刻定義出用於釋放加熱膜區和支撐懸梁的腐蝕窗口圖形，在光刻膠的保護下 利用反應離子刻蝕(RIE)或離子束刻蝕(Ion-beam)徹底刻蝕暴露的氧化矽和氮化矽複合 膜；第二步，利用深反應離子刻蝕(DRIE)刻蝕襯底矽，刻蝕深度要大於支撐懸梁寬度的0. 7 倍；最後去膠後就形成薄膜釋放窗口。7.加熱膜區和支撐懸梁的釋放。利用各向異性腐蝕液通過薄膜釋放窗口腐蝕襯底 矽，並在中心膜區和支撐懸梁的下方形成隔熱腔體，如圖3(e)所示。腐蝕液有多種選擇，比 如Κ0Η(氫氧化鉀)，TMAH(四甲基氫氧化銨)，或者EPW(乙二胺，鄰苯二酚和水)等。相對傳統的基於MEMS工藝的平面式二維微型加熱器來說，本發明提供的一種具 有凹槽形加熱膜區的三維微型加熱器及其製作方法的主要特點如下1.三維微型加熱器的加熱電阻絲排布在橫截面呈「V」字形或倒梯形的凹槽形加 熱膜區的內部，氣體在凹槽中的對流係數較小，減小了因對流換熱引起的熱量散失，有利於 降低加熱器的功耗。2.三維微型加熱器的加熱電阻絲通過剝離或電鍍工藝製備，增加了器件的可靠 性，特別是高溫下的穩定性。3.採用本發明提供的方法製作的三維微型加熱器，器件體積小，性能高，易於陣列 化和批量生產。4.所述加熱器的優點還體現在不同領域的應用中。用作紅外光源時，嵌入的加熱 電阻絲能夠形成熱量集中的光源，這種光源相對傳統平面式微型加熱器形成的光源來說受 空氣流動的影響較小。用於生化傳感領域時，催化劑可以植入到凹槽結構中，底部和側部的 電阻絲同時對催化劑加熱，熱量更集中，效率更高，利於提高傳感器的性能。


圖1為本發明提供的具有凹槽形加熱膜區的三維微型加熱器的立體結構示意圖， 其中(a)為具有兩支撐懸梁的三維微型加熱器的立體結構示意圖，(b)為該兩支撐懸梁的 加熱器的中心加熱膜區的放大圖。圖2為本發明提供的具有凹槽形加熱膜區的三維微型加熱器的立體結構示意圖， 其中(a)為具有四支撐懸梁的三維微型加熱器的立體結構示意圖，(b)為該四支撐懸梁的 加熱器的中心加熱膜區的放大圖。圖3為本發明提供的具有凹槽形加熱膜區的三維微型加熱器的主要流程示意圖， 其中(a)為製作用於形成凹槽結構的正面腐蝕窗口，(b)為製作橫截面呈「V」字型或倒梯
6形結構的凹槽，(C)為製作凹槽形加熱膜區和支撐懸梁的介質層薄膜，(d)為製作的加熱電 阻絲、引線和電極，(e)為釋放的加熱膜區和支撐懸梁。圖4為本發明實施例3中三維微型加熱器的立體結構示意圖。圖5為本發明實施例4中三維微型加熱器的立體結構示意圖。圖6為本發明實施例5中三維微型加熱器的立體結構示意圖。圖中1為襯底框架，2為加熱膜區，3為支撐懸梁，4為加熱電阻絲，5為引線，6為電 極，7為隔熱腔體。
具體實施例方式實施例1 本實施例的結構示意圖參見圖1(a)所示，具體製作方法如下1.襯底選擇。選擇N型(100)面的4英寸矽片作為襯底，電阻率3-8 Ω ^m,矽片 厚度為350 士 10微米，切邊的角度誤差< 1%。2.製作用於形成凹槽結構的正面腐蝕窗口。首先利用熱氧化的方法在矽片表面生 長一層厚度為1.0微米的氧化矽薄膜。然後進行正面光刻做出窗口圖形，在光刻膠的保護 下利用反應離子刻蝕(RIE)徹底刻蝕暴露的氧化矽，形成正面腐蝕窗口。3.製作橫截面呈「V」字形或倒梯形結構的凹槽。在氧化矽的保護下利用KOH腐蝕 液通過步驟2形成的腐蝕窗口在矽片上腐蝕出倒臺面形的凹槽，凹槽深度約為30微米。4.製作凹槽形加熱膜區和支撐懸梁的介質層薄膜。利用低壓化學氣相沉積 (LPCVD)的方法依次生長一層厚度為0. 5微米的氧化矽和一層厚度為0. 3微米的氮化矽。5.製作加熱電阻絲，引線和電極。採用剝離工藝(lift-off)製作。噴膠光刻(光 刻膠厚度為8微米)定義出加熱電阻絲，引線和電極的圖形，然後濺射一層0. 2微米厚的鈦 鉬，最後丙酮去膠後形成了加熱電阻絲，引線和電極。6.製作介質層薄膜的釋放窗口。第一步，正面光刻定義出用於釋放加熱膜區和支 撐懸梁的腐蝕窗口圖形，在光刻膠的保護下利用離子束刻蝕(Ion-beam)徹底刻蝕暴露的 氧化矽和氮化矽複合膜；第二步，利用深反應離子刻蝕(DRIE)刻蝕襯底矽，刻蝕深度要大 於支撐懸梁寬度的0. 7倍；最後去膠後就形成薄膜釋放窗口。7.加熱膜區和支撐懸梁的釋放。利用TMAH腐蝕液通過薄膜釋放窗口腐蝕襯底矽， 並在中心膜區和支撐懸梁的下方形成隔熱腔體。由以上製作方法製作的三維微型加熱器中的中心加熱膜區的橫截面呈倒梯形結 構，加熱電阻絲排布在加熱膜區的底部和側部。實施例2 本實施例的結構示意圖參見圖2(a)所示，具體製作方法如下1.襯底選擇。選擇N型(100)面的4英寸矽片作為襯底，電阻率3_8 Ω ^m,矽片 厚度為350 士 10微米，切邊的角度誤差< 1%。2.製作用於形成凹槽結構的正面腐蝕窗口。首先利用熱氧化的方法在矽片表面生 長一層厚度為1.0微米的氧化矽薄膜。然後進行正面光刻做出窗口圖形，在光刻膠的保護 下利用反應離子刻蝕(RIE)徹底刻蝕暴露的氧化矽，形成正面腐蝕窗口。3.製作橫截面呈「V」字形或倒梯形結構的凹槽。在氧化矽的保護下利用KOH腐蝕液通過步驟2形成的腐蝕窗口在矽片上腐蝕出倒臺面形的凹槽，凹槽深度約為30微米。4.製作凹槽形加熱膜區和支撐懸梁的介質層薄膜。利用低壓化學氣相沉積 (LPCVD)的方法依次生長一層厚度為0. 5微米的氧化矽和一層厚度為0. 3微米的氮化矽。5.製作加熱電阻絲，引線和電極。採用剝離工藝(lift-off)製作。噴膠光刻(光 刻膠厚度為8微米)定義出加熱電阻絲，引線和電極的圖形，然後濺射一層0. 2微米厚的鈦 鉬，最後丙酮去膠後形成了加熱電阻絲，引線和電極。6.製作介質層薄膜的釋放窗口。正面光刻定義出用於釋放加熱膜區和支撐懸梁的 腐蝕窗口圖形，在光刻膠的保護下利用離子束刻蝕(Ion-beam)徹底刻蝕暴露的氧化矽和 氮化矽複合膜，形成薄膜釋放窗口。7.加熱膜區和支撐懸梁的釋放。利用TMAH腐蝕液通過薄膜釋放窗口腐蝕襯底矽， 並在中心膜區和支撐懸梁的下方形成隔熱腔體。由以上製作方法製作的三維微型加熱器的結構是中心加熱膜區的橫截面呈倒梯 形結構，加熱電阻絲排布在加熱膜區的底部。實施例3 本實施例的結構示意圖參見圖4所示，具體製作方法如下1.襯底選擇。選擇N型(100)面的4英寸矽片作為襯底，電阻率3_8 Ω ^m,矽片 厚度為450 士 10微米，切邊的角度誤差< 1%。2.製作用於形成凹槽結構的正面腐蝕窗口。首先利用低壓化學氣相沉積(LPCVD) 的方法在矽片表面生長一層厚度為1. 5微米的氧化矽薄膜。然後進行正面光刻做出窗口圖 形，在光刻膠的保護下利用反應離子刻蝕(RIE)徹底刻蝕暴露的氧化矽，形成正面腐蝕窗3.製作橫截面呈「V」字形或倒梯形結構的凹槽。在氧化矽的保護下利用KOH腐蝕 液通過步驟2形成的腐蝕窗口在矽片上腐蝕出倒金字塔形的凹槽，凹槽深度約為70微米。4.製作凹槽形加熱膜區和支撐懸梁的介質層薄膜。利用低壓化學氣相沉積 (LPCVD)的方法依次生長一層厚度為0. 5微米的氧化矽和一層厚度為0. 3微米的氮化矽。5.製作加熱電阻絲，引線和電極。採用剝離工藝(lift-off)製作。噴膠光刻(光 刻膠厚度為8微米)定義出加熱電阻絲，引線和電極的圖形，然後蒸發一層0. 2微米厚的鈦 金，最後丙酮去膠後形成了加熱電阻絲，引線和電極。6.製作介質層薄膜的釋放窗口。正面光刻定義出用於釋放加熱膜區和支撐懸梁的 腐蝕窗口圖形，在光刻膠的保護下利用離子束刻蝕(Ion-beam)徹底刻蝕暴露的氧化矽和 氮化矽複合膜，形成薄膜釋放窗口。7.加熱膜區和支撐懸梁的釋放。利用TMAH腐蝕液通過薄膜釋放窗口腐蝕襯底矽， 並在中心膜區和支撐懸梁的下方形成隔熱腔體。由以上製作方法製作的三維微型加熱器中的四支撐懸梁，中心加熱膜區的橫截面 呈「V」字形結構，加熱電阻絲排布在加熱膜區的側部。實施例4 本實施例的結構示意圖參見圖5所示，具體製作方法如下1.襯底選擇。選擇P型(100)面的4英寸矽片作為襯底，電阻率3-8 Ω ^m,矽片 厚度為450 士 10微米，切邊的角度誤差< 1%。
8的正面腐蝕窗口。首先利用熱氧化的方法在矽片表面生 長一層厚度為1.0微米的氧化矽薄膜。然後進行正面光刻做出窗口圖形，在光刻膠的保護 下利用反應離子刻蝕(RIE)徹底刻蝕暴露的氧化矽，形成正面腐蝕窗口。3.製作橫截面呈「V」字形或倒梯形結構的凹槽。在氧化矽的保護下利用KOH腐蝕 液通過步驟2形成的腐蝕窗口在矽片上腐蝕出倒臺面形的凹槽，凹槽深度約為30微米。4.製作凹槽形加熱膜區和支撐懸梁的介質層薄膜。利用低壓化學氣相沉積 (LPCVD)的方法依次生長一層厚度為0. 5微米的氧化矽和一層厚度為0. 3微米的氮化矽。5.製作加熱電阻絲，引線和電極。採用電鍍工藝(electroplating)製作濺射金 屬種子層鈦鉬，使得介質層表面均覆蓋有金屬種子層，噴膠光刻(光刻膠厚度為6微米)定 義出加熱電阻絲，引線和電極的圖形，電鍍一層1.0微米厚的金屬鉬。最後去除光刻膠和種 子層即可。6.製作介質層薄膜的釋放窗口。正面光刻定義出用於釋放加熱膜區和支撐懸梁的 腐蝕窗口圖形，在光刻膠的保護下利用反應離子刻蝕(RIE)徹底刻蝕暴露的氧化矽和氮化 矽複合膜，形成薄膜釋放窗口。7.加熱膜區和支撐懸梁的釋放。利用TMAH腐蝕液通過薄膜釋放窗口腐蝕襯底矽， 並在中心膜區和支撐懸梁的下方形成隔熱腔體。由以上製作方法製作的三維微型加熱器中的四支撐懸梁，中心加熱膜區的橫截面 呈倒梯形結構，加熱電阻絲排布在加熱膜區的側部和底部。實施例5 該實施例的結構示意參見圖6所示，具體製作方法如下1.襯底選擇。選擇P型(100)面的4英寸矽片作為襯底，電阻率3-8 Ω ^m,矽片 厚度為350 士 10微米，切邊的角度誤差< 1%。2.製作用於形成凹槽結構的正面腐蝕窗口。首先利用低壓化學氣相沉積(LPCVD) 的方法在矽片表面生長一層厚度為1. 5微米的氧化矽薄膜。然後進行正面光刻做出窗口圖 形，在光刻膠的保護下利用反應離子刻蝕(RIE)徹底刻蝕暴露的氧化矽，形成正面腐蝕窗3.製作橫截面呈「V」字形或倒梯形結構的凹槽。在氧化矽的保護下利用KOH腐蝕 液通過步驟2形成的腐蝕窗口在矽片上腐蝕出「V」字形的凹槽，凹槽深度約為50微米。4.製作凹槽形加熱膜區和支撐懸梁的介質層薄膜。利用低壓化學氣相沉積 (LPCVD)的方法依次生長一層厚度為0. 5微米的氧化矽和一層厚度為0. 3微米的氮化矽。5.製作加熱電阻絲，引線和電極。採用電鍍工藝(electroplating)製作濺射金 屬種子層鈦鉬，使得介質層表面均覆蓋有金屬種子層。噴膠光刻(光刻膠厚度為6微米) 定義出加熱電阻絲，引線和電極的圖形，電鍍一層1.0微米厚的金屬鉬。最後去除光刻膠和 種子層即可6.製作介質層薄膜的釋放窗口。第一步，正面光刻定義出用於釋放加熱膜區和支 撐懸梁的腐蝕窗口圖形，在光刻膠的保護下利用離子束刻蝕(Ion-beam)徹底刻蝕暴露的 氧化矽和氮化矽複合膜；第二步，利用深反應離子刻蝕(DRIE)刻蝕襯底矽，刻蝕深度要大 於支撐懸梁寬度的0. 7倍；最後去膠後就形成薄膜釋放窗口。7.加熱膜區和支撐懸梁的釋放。利用TMAH腐蝕液通過薄膜釋放窗口腐蝕襯底矽，
9並在中心膜區和支撐懸梁的下方形成隔熱腔體。 由以上製作方法製作的三維微型加熱器中的兩支撐懸梁，中心加熱膜區的橫截面 呈「V」字形結構，加熱電阻絲排布在加熱膜區的側部。
權利要求
一種具有凹槽形加熱膜區的三維微型加熱器，其特徵在於橫截面呈「V」字形或倒梯形的凹槽形加熱膜區通過支撐懸梁與襯底框架相連，加熱電阻絲以折線形式排布在加熱膜區凹槽的內部並通過支撐懸梁上的引線與襯底框架上的電極相連，加熱膜區和支撐懸梁下方是採用矽各向異性溼法腐蝕形成的隔熱腔體。
2.按權利要求1所述的三維微型加熱器，其特徵在於橫截面呈「V」字形或倒梯形的凹 槽是利用矽各向異性腐蝕形成的，該凹槽的開口是稜邊均沿著晶向的矩形。
3.按權利要求1所述的三維微型加熱器，其特徵在於支撐懸梁的一端與襯底框架相 連，另一端與凹槽形的加熱膜區相連，支撐懸梁以加熱膜區為中心對稱排布。
4.按權利要求1所述的三維微型加熱器，其特徵在於以折線形式排布在加熱膜區的凹 槽內部的加熱電阻絲只排布在底部或只排布在側部或同時排布在底部和側部。
5.按權利要求1所述的三維微型加熱器，其特徵在於引線排布在任意兩個支撐懸梁上 並連接加熱膜區內的加熱電阻絲和襯底框架上的電極。
6.按權利要求1所述的三維微型加熱器，其特徵在於隔熱腔體是由矽各向異性溼法腐 蝕形成的橫截面是「V」字形或倒梯形的結構，位於加熱膜區和支撐懸梁的下方，隔熱腔體使 得加熱膜區在支撐懸梁的支撐下懸浮於襯底之上。
7.按權利要求1或3所述的三維微型加熱器，其特徵在於所述的支撐懸梁為二根或四根。
8.製作如權利要求1-6中任一項所述的三維微型加熱器的方法，其特徵在於製作的步 驟為(a)襯底選擇，襯底僅限於(100)面的矽片；(b)製作用於形成凹槽結構的正面腐蝕窗口，首先選用(100)面的矽片，並在矽片表面 生長一層厚度在0. 1-3.0微米之間的氧化矽薄膜；然後進行光刻做出窗口圖形，在光刻膠 的保護下利用反應離子刻蝕或離子束刻蝕刻蝕暴露的氧化矽，形成正面腐蝕窗口 ；(c)製作橫截面呈「V」字形或倒梯形結構的凹槽，在氧化矽的保護下利用矽各向異性 腐蝕液通過步驟(b)形成的腐蝕窗口在矽片上腐蝕出橫截面呈「V」字形或倒梯形結構的凹 槽，凹槽深度在5-150微米之間；(d)製作凹槽形加熱膜區和支撐懸梁的介質層薄膜，介質層薄膜是由氧化矽和氮化矽 組成的多層複合膜，單層薄膜厚度在0. 2-1. 0微米之間，介質層的總厚度在0. 4-5. 0微米之 間；(e)採用剝離工藝或電鍍工藝製作加熱電阻絲，引線和電極所述的剝離工藝噴膠光刻，光刻膠厚度為1-10微米，定義出加熱電阻絲，引線和電極 的圖形，然後濺射一層0. 2-2. 0微米厚的鈦鉬，最後丙酮去膠後形成了加熱電阻絲，引線和 電極；所述的電鍍工藝濺射金屬種子層如鈦鉬、鈦金、鉬、金、鈦鎢/金、鈦鎢/鉬等，使得 介質層表面均覆蓋有金屬種子層，然後噴膠光刻，光刻膠厚度為1-10微米，定義出加熱電 阻絲，引線和電極的圖形，電鍍一層0. 2-2微米厚的金屬鉬，最後去除光刻膠和種子層；(f)製作介質層薄膜的釋放窗口，根據支撐懸梁的方向不同可以分為兩類，一類是支撐 懸梁的方向與晶向的夾角保持在士30度以內，其製作方法是正面光刻定義出用於 釋放加熱膜區和支撐懸梁的腐蝕窗口圖形，在光刻膠的保護下利用反應離子刻蝕或離子束刻蝕徹底刻蝕暴露的氧化矽和氮化矽複合膜，形成薄膜釋放窗口 ；另一類是支撐懸梁的方 向與晶向的夾角保持在士 15度以內，其製作方法是第一步，正面光刻定義出用於釋 放加熱膜區和支撐懸梁的腐蝕窗口圖形，在光刻膠的保護下利用反應離子刻蝕或離子束刻 蝕徹底刻蝕暴露的氧化矽和氮化矽複合膜，第二步，利用深反應離子刻蝕刻蝕襯底矽，刻蝕 深度要大於支撐懸梁寬度的0. 7倍，最後去膠後就形成薄膜釋放窗口 ；(g)加熱膜區和支撐懸梁的釋放。利用各向異性腐蝕液通過薄膜釋放窗口腐蝕襯底矽， 並在中心膜區和支撐懸梁的下方形成隔熱腔體。
9.按權利要求8所述的三維微型加熱器的製作方法，其特徵在於介質層薄膜中的氧化 矽是通過熱氧化、低壓化學氣相沉積或等離子增強化學氣相沉積的方法製備，氮化矽是通 過低壓化學氣相沉積或等離子增強化學氣相沉積的方法製備。
10.按權利要求8所述的三維微型加熱器的製作方法，其特徵在於矽各向異性腐蝕所 採用的腐蝕液為KOH，TMAH或者EPW。
全文摘要
發明涉及一種具有凹槽形加熱膜區的三維微型加熱器及其製作方法，其特徵在於橫截面呈「V」字形或倒梯形結構的凹槽形加熱膜區通過支撐懸梁與襯底框架相連，加熱電阻絲以折線形式排布在加熱膜區凹槽的內部並通過支撐懸梁上的引線與襯底框架上的電極相連，在加熱膜區和支撐懸梁下方是採用矽各向異性溼法腐蝕形成的隔熱腔體。本發明提供的三維微型加熱器的加熱電阻絲排布在具有三維結構的加熱膜區的凹槽內部，對流換熱引起的熱量散失較小，有利於降低加熱器的功耗。凹槽結構使得熱量集中並提高了加熱效率有利於加熱器在紅外光源和傳感領域的應用。
文檔編號B81C1/00GK101917784SQ20101027825
公開日2010年12月15日 申請日期2010年9月10日 優先權日2010年9月10日
發明者李鐵, 王躍林, 許磊 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所