微型加熱器及其製造方法
2023-05-09 08:41:41
微型加熱器及其製造方法
【專利摘要】本發明提供一種微型加熱器及其製造方法，所述微型加熱器具有（111）型矽片襯底、設置於（111）型矽片襯底上表面的抗腐蝕掩膜層和功能結構層。所述功能結構層具有貼附在抗腐蝕掩膜層上表面的加熱電阻條及其引線結構。所述（111）型矽片襯底和抗腐蝕掩膜層及功能結構層共同形成有位於微型加熱器整體中間上側位置處且懸空設置的加熱區、間隔形成在加熱區周圍的框架區。所述抗腐蝕掩膜層和功能結構層共同形成有連接加熱區和框架區的薄膜狀支撐懸梁。所述（111）型矽片襯底包括形成在框架區下側的襯底框架、形成在加熱區底部的矽結構層、採用各向異性溼法腐蝕工藝形成在襯底框架和矽結構層之間的絕熱腔。
【專利說明】微型加熱器及其製造方法
【技術領域】
[0001]本發明位於微電子機械系統【技術領域】，尤其涉及一種微型加熱器及其製造方法。
【背景技術】
[0002]加熱器是熱相關氣體傳感器和熱輻射型紅外光源的關鍵部件之一。基於MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微機電系統)技術製造的微型加熱器由於其低功耗、低成本、小體積和批量製造的特點，具有很高的性價比。MEMS微加熱器上覆蓋金屬氧化物半導體和電極即構成金屬氧化物半導體式氣體傳感器；對於金屬鉬材料構成的加熱電阻絲，由於其本身便具有一定的氣敏特性，在其上覆蓋一層催化劑材料，則構成催化燃燒式氣體傳感器；在微加熱器上製作一層高福射率材料則構成紅外光源。由於這類熱相關氣體傳感器和紅外光源的加熱溫度對輸出信號有非常大的影響，因此在工作過程中需要保持溫度的穩定。另一方面，為了降低器件的功耗，加熱區和襯底間常常製作空腔、懸臂梁等絕熱結構，用來降低器件最主要的熱損耗——熱傳導。從襯底材料上看，這些MEMS加熱器主要有兩種，一種是採用如氧化矽、氮化矽複合層作為支撐膜，與加熱電阻絲、氣敏層或輻射層等形成加熱區，這種結構具有較高的絕熱性，並且熱質量較小，適用於需要對溫度進行高頻調製的應用，但同時也因為比表面積大，容易由於熱對流造成溫度擾動，影響信號輸出的穩定性?』另一種是採用SOI (Silicon-On-1nsulator,絕緣襯底上的娃)襯底，除了第一種所述的複合層外，在其下方還具有一定厚度的矽結構，既可以增加加熱區的機械強度，也可由於具有更大的熱容而實現對加熱區的保溫作用，減小表面熱對流對加熱區溫度的擾動，但這種結構由於支撐梁也集成了一定厚度的矽材料，造成熱阻變小，增大了熱傳導，從而使器件功耗上升。
[0003]因此，有必要對現有的微型加熱器及其製造方法予以改進以解決上述問題。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供一種具有較大熱容同時熱損耗較小的微型加熱器及其製造方法。
[0005]為實現上述發明目的，本發明提供了一種微型加熱器，其具有(111)型矽片襯底、設置於(111)型矽片襯底上表面的抗腐蝕掩膜層和功能結構層；所述功能結構層具有貼附在抗腐蝕掩膜層上表面的加熱電阻條及其引線結構，所述(111)型矽片襯底和抗腐蝕掩膜層及功能結構層共同形成有位於微型加熱器整體中間上側位置處且懸空設置的加熱區、間隔形成在加熱區周圍的框架區，所述抗腐蝕掩膜層和功能結構層共同形成有連接加熱區和框架區的薄膜狀支撐懸梁，所述(111)型矽片襯底包括形成在框架區下側的襯底框架、形成在加熱區底部的矽結構層、採用各向異性溼法腐蝕工藝形成在襯底框架和矽結構層之間的絕熱腔。
[0006]作為本發明的進一步改進，所述抗腐蝕掩膜層採用氧化矽掩膜、或氮化矽掩膜、或氧化矽和氮化矽複合掩膜。
[0007]作為本發明的進一步改進，所述支撐懸梁的長寬比在1.7至300之間。
[0008]為實現上述發明目的，本發明還提供了一種微型加熱器的製造方法，其包括以下步驟:
51、提供一(111)型矽片作為襯底，並在該襯底上表面刻蝕深度為tl的多個凹槽，以在襯底頂部形成位於凹槽之間的加熱區矽結構層和多個連接加熱區矽結構層的支撐梁凸臺；
52、在步驟SI獲得的結構上表面製作絕緣的抗腐蝕掩膜層；
53、在步驟S2獲得的結構上表面製作功能結構層，該功能結構層具有貼附在抗腐蝕掩膜層上表面的加熱電阻條及其引線結構；
54、在步驟S3獲得的結構上製作光刻膠，並利用掩膜板光刻凹槽底部及各支撐梁凸臺與凹槽相鄰的兩側區域的光刻膠，然後去除前述兩部分的光刻膠及位於該兩部分光刻膠下側的抗腐蝕掩膜層，直至暴露所述襯底；
55、幹法刻蝕步驟S4中被暴露的所述襯底的上表面直至一預設深度t2，以形成腐蝕槽，所述腐蝕槽和凹槽共同形成腐蝕窗口 ；
56、去除光刻膠，通過腐蝕窗口對襯底進行各項異性溼法腐蝕，形成下表面在平面內投影為六邊形t2深度的絕熱腔，同時，位於腐蝕窗口之間的支撐梁凸臺也被完全腐蝕，從而形成具有tl厚度的矽結構層、抗腐蝕掩膜層和功能結構層的懸空設置的加熱區以及連接在加熱區周圍且由抗腐蝕掩膜層和功能結構層構成的支撐懸梁。
[0009]作為本發明的進一步改進，所述抗腐蝕掩膜層採用氧化矽掩膜、或氮化矽掩膜、或氧化矽和氮化矽複合掩膜。
[0010]作為本發明的進一步改進，所述支撐懸梁的長寬比在1.7至300之間。
[0011]作為本發明的進一步改進，步驟S4中採用負性光刻膠進行光刻。
[0012]作為本發明的進一步改進,所述腐蝕槽除與支撐梁凸臺相鄰的部位外，其他部位的邊緣與凹槽側壁存在I微米的間距。
[0013]作為本發明的進一步改進，步驟S4中的去除抗腐蝕掩膜層採用BOE溶液溼法腐蝕或RIE幹法刻蝕的方法。
[0014]作為本發明的進一步改進，步驟S6中的各項異性腐蝕採用KOH溶液或TMAH溶液進行，並且腐蝕溫度在45°C至90°C。
[0015]本發明的有益效果是:本發明微型加熱器利用(111)矽片襯底的各向異性溼法腐蝕機制，在加熱區下側製作了一定厚度的矽結構層，使加熱區具有較大的熱容，減小溫度的擾動，同時加熱區與襯底框架之間形成有絕熱腔，且支撐懸梁仍為薄膜結構，具有較高的絕熱性能，熱傳導較小，從而可有效降低微型加熱器的功耗，並且本發明微型加熱器具有製作工藝簡單，加工成本低的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1a是本發明微型加熱器的製造方法中步驟SI所呈現的結構示意圖。
[0017]圖1b是本發明微型加熱器的製造方法中步驟S2所呈現的結構示意圖。
[0018]圖1c是本發明微型加熱器的製造方法中步驟S3所呈現的部分結構示意圖。
[0019]圖1d是本發明微型加熱器的製造方法中步驟S3所呈現的另一結構示意圖。
[0020]圖1e是本發明微型加熱器的製造方法中步驟S4-S5所呈現的結構示意圖。
[0021]圖1f是本發明微型加熱器的製造方法中步驟S6所呈現的結構示意圖。
[0022]圖2a是本發明微型加熱器的製造方法中步驟S2所呈現的與支撐懸梁軸向垂直的截面結構示意圖。
[0023]圖2b是本發明微型加熱器的製造方法中步驟S4所呈現的與支撐懸梁軸向垂直的截面結構示意圖。
[0024]圖2c是本發明微型加熱器的製造方法中步驟S5所呈現的與支撐懸梁軸向垂直的截面結構示意圖。
[0025]圖2d是本發明微型加熱器的製造方法中步驟S6所呈現的與支撐懸梁軸向垂直的截面結構示意圖。
[0026]圖3a是本發明微型加熱器的製造方法中步驟S3所呈現的結構俯視示意圖。
[0027]圖3b是本發明微型加熱器的製造方法中步驟S5所呈現的結構俯視示意圖。
[0028]圖3c是本發明微型加熱器的製造方法中步驟S6所呈現的結構俯視示意圖。
【具體實施方式】
[0029]以下將結合附圖所示的各實施方式對本發明進行詳細描述。但這些實施方式並不限制本發明，本領域的普通技術人員根據這些實施方式所做出的結構、方法、或功能上的變換均包含在本發明的保護範圍內。
[0030]請參照圖1f、圖2d及圖3c所示為本發明微型加熱器的一較佳實施例。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。
[0031 ] 本發明所述微型加熱器具有(111)型矽片襯底101、設置於(111)型矽片襯底101上表面的抗腐蝕掩膜層102和功能結構層；所述功能結構層具有貼附在抗腐蝕掩膜層102上表面的加熱電阻條及其引線結構103。
[0032]其中，所述(111)型矽片襯底101和抗腐蝕掩膜層102及功能結構層共同形成有位於微型加熱器整體中間上側位置處且懸空設置的加熱區2、通過腐蝕窗口 105間隔形成在加熱區2周圍的框架區3。所述抗腐蝕掩膜層102和功能結構層共同形成有連接加熱區2和框架區3的薄膜狀支撐懸梁109。所述(111)型矽片襯底101包括形成在框架區3下側的襯底框架1011、形成在加熱區2底部的矽結構層107、採用各向異性溼法腐蝕工藝形成在襯底框架1011和矽結構層107之間的絕熱腔106。
[0033]請結合圖1a至圖1f、圖2a至圖2d以及圖3a至圖所示,本發明還涉及所述微型加熱器的製造方法，其包括以下步驟:
51、如圖1a所示，提供一(111)型矽片101作為襯底，並在該襯底101上表面刻蝕深度為tl的多個凹槽1010，以在襯底101頂部形成位於凹槽1010之間的加熱區矽結構層107和多個連接加熱區矽結構層107的支撐梁凸臺108 (如圖2a、3a所示)；
52、如圖la、2a和3a所示，在步驟SI獲得的結構上表面製作絕緣的抗腐蝕掩膜層102；該上表面包括凹槽1010的內壁面；其中，在本步驟中，所述抗腐蝕掩膜層可採用氧化矽掩膜、或氮化矽掩膜、或氧化矽和氮化矽複合掩膜； 53、如圖1c和Id所示，在步驟S2獲得的結構上表面製作功能結構層，該功能結構層中具有貼附在抗腐蝕掩膜層102上表面的加熱電阻條及其引線結構103 ;其中，所述加熱電阻條及其引線結構103可用磁控濺射、電子束蒸發或者熱蒸發的方法進行製作；另外，本發明微型加熱器作為氣體傳感器或熱輻射型紅外光源應用時，在該步驟中，所述功能結構層的成型還包括在抗腐蝕掩膜層102上側再成型絕緣層和位於絕緣層上側的金屬氧化物氣敏層104，或者在抗腐蝕掩膜層102上再成型高輻射率層104 ；
54、如圖2b和3b所示，在步驟S3獲得的結構上製作光刻膠，並利用掩膜板光刻凹槽1010底部111及各支撐梁凸臺108與凹槽1010相鄰的兩側區域的光刻膠，然後去除前述兩部分的光刻膠及位於該兩部分光刻膠下側的抗腐蝕掩膜層102，直至暴露所述襯底101 ;其中，該步驟中主要採用負性光刻膠進行光刻，並且抗腐蝕掩膜層的去除採用BOE溶液溼法腐蝕或RIE幹法刻蝕(即反應離子刻蝕)的方法；
55、如圖1e和2c所示，幹法刻蝕步驟S4中被暴露的所述襯底101的上表面直至一預設深度t2，以形成腐蝕槽105，所述凹槽1010和腐蝕槽105共同構成腐蝕窗口 ；其中，所述腐蝕槽105除與支撐梁凸臺108相鄰的部位外，其他部位的邊緣與凹槽1010側壁存在I微米的間距，由此使得在S6步驟中進行腐蝕時可將支撐梁凸臺108腐蝕掉，而除與支撐梁凸臺108相鄰的部位外，其他與凹槽相鄰的部位因有抗腐蝕掩膜層102的存在而不會被腐蝕；即在水平方向上，所述加熱區2與框架區3的相對側存在有抗腐蝕掩膜層，以使得加熱區2底部的矽結構層107在步驟S6不會被腐蝕；
56、如圖lf、2d和3c所示，去除光刻膠，通過腐蝕窗口對襯底101進行各項異性溼法腐蝕，形成下表面在平面內投影為六邊形的t2深度的絕熱腔106，同時，位於腐蝕窗口之間的支撐梁凸臺108也因為其表面抗腐蝕掩膜層102的去除而被完全腐蝕，從而形成具有tl厚度的矽結構層107、抗腐蝕掩膜層102和功能結構層的懸空設置的加熱區2，以及連接在加熱區2周圍且由抗腐蝕掩膜層102和功能結構層構成的支撐懸梁109。其中，所述支撐懸梁的長寬比在1.7至300之間；除加熱區2和支撐懸梁109外的其他微型加熱器部分為框架區3，處於框架區3的襯底部分為襯底框架1011。
[0034]其中，步驟S6中的各項異性腐蝕採用KOH溶液(氫氧化鉀溶液)或TMAH溶液(四甲基氫氧化銨溶液)進行，並且腐蝕溫度在45°C至90°C。
[0035]結合上述本發明微型加熱器的製造方法，如下具體介紹一種基於本發明上述微型加熱器的製造方法進行高熱容低功耗的MEMS紅外光源製造的方法，其中設所需加熱區2的大小為200 μ m*200 μ m的正方形；設定加熱區2的矽結構層107厚度為tl=10 μ m,支撐懸梁109為分布在正方形四個角上的方向沿〈112〉晶向的平行矩形，長度為1=100 μ m,寬度為w=10ym，矽結構層107和襯底框架1011間間距(亦即絕熱腔106的高度)為t2=20 μ m。
[0036]結合圖1a至圖3c以及上述微型加熱器的製造方法，該MEMS紅外光源的製造方法包括以下步驟:
51:提供一(111)型矽片101作為襯底，在所述襯底上表面幹法刻蝕深度為1ym的多個凹槽1010，以在所述襯底頂部形成一 200 μ m*200 μ m的正方形加熱區矽結構層107以及四個連接於所述加熱區矽結構層107的支撐梁凸臺108，該支撐梁凸臺108的寬度大於目標支撐懸梁109的寬度，本實施例中，該支撐梁凸臺108的寬度取為20μπι;
52:在步驟SI獲得的結構表面進行熱氧化，生長一層厚度為500nm的氧化矽，作為絕緣的抗腐蝕掩膜層102 ；
53:在步驟S2獲得的結構上表面用濺射的方法製作用於加熱的鉬電阻條及其引線結構103 ;然後再在上表面製作一層高輻射率材料104，本實施例中採用LPCVD沉積的300nm厚的SiNx薄膜作為輻射層；鉬電阻條及其引線結構103和高輻射率材料104構成所述功能結構層；
54:在步驟S3獲得的結構上用噴膠的方法製作光刻膠，利用掩膜版光刻步驟SI中凹槽1010的底部111及各支撐梁凸臺108沿長度方向兩側部分區域(即與凹槽1010相鄰的兩側區域)的光刻膠，形成預製備的腐蝕槽112。其中，凹槽1010底部除與支撐梁凸臺108相鄰的底邊以外，其它底邊與預製備的腐蝕槽112間的距離大於等於2μπι;而與支撐梁凸臺108相鄰的底邊，預製備的腐蝕槽112由該邊所在側壁向支撐梁凸臺108上表面延伸，至支撐梁凸臺108上表面時，兩側預製備的腐蝕槽112間距離為10 μ m;然後去除所述預製備的腐蝕槽112對應的光刻膠及位於其下的抗腐蝕掩膜層102和功能結構層，直至暴露所述襯底；
55:幹法刻蝕步驟S4中被暴露的所述襯底的上表面，刻蝕深度為20 μ m,以形成所述腐蝕槽105 ;所述凹槽1010和腐蝕槽105共同構成腐蝕窗口 ；
56:去除光刻膠，通過所述腐蝕窗口對所述襯底在50°C、30wt%的KOH溶液中進行各向異性溼法腐蝕，以形成下表面在平面內投影為六邊形的絕熱腔106，每個支撐梁凸臺108上腐蝕窗口之間的矽結構完全被腐蝕，僅留下寬度為1ym的氧化矽、SiNx薄膜支撐懸梁109，加熱區2底部形成厚度為10 μ m的矽結構層107，並且矽結構層107下側形成高度為20 μ m的絕熱腔106，從而形成加熱區2懸空、支撐懸梁109為薄膜結構的熱輻射型MEMS紅外光源器件。
[0037]綜上所述，本發明微型加熱器利用(111)矽片襯底101的各向異性溼法腐蝕機制，在加熱區2下側製作了一定厚度的矽結構層107，使加熱區2具有較大的熱容，減小溫度的擾動，而支撐懸梁109仍為薄膜結構，具有較高的絕熱性能，熱傳導較小，有效降低了微型加熱器的功耗，並且具有製作工藝簡單，加工成本低的優點。
[0038]應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施方式中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
[0039]上文所列出的一系列的詳細說明僅僅是針對本發明的可行性實施方式的具體說明，它們並非用以限制本發明的保護範圍，凡未脫離本發明技藝精神所作的等效實施方式或變更均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種微型加熱器，其具有(111)型娃片襯底、設置於(111)型娃片襯底上表面的抗腐蝕掩膜層和功能結構層；所述功能結構層具有貼附在抗腐蝕掩膜層上表面的加熱電阻條及其引線結構，其特徵在於:所述(111)型矽片襯底和抗腐蝕掩膜層及功能結構層共同形成有位於微型加熱器整體中間上側位置處且懸空設置的加熱區、間隔形成在加熱區周圍的框架區，所述抗腐蝕掩膜層和功能結構層共同形成有連接加熱區和框架區的薄膜狀支撐懸梁，所述(111)型矽片襯底包括形成在框架區下側的襯底框架、形成在加熱區底部的矽結構層、採用各向異性溼法腐蝕工藝形成在襯底框架和矽結構層之間的絕熱腔。
2.根據權利要求1所述的微型加熱器，其特徵在於:所述抗腐蝕掩膜層採用氧化矽掩膜、或氮化矽掩膜、或氧化矽和氮化矽複合掩膜。
3.根據權利要求1所述的微型加熱器。其特徵在於:所述支撐懸梁的長寬比在1.7至300之間。
4.一種微型加熱器的製造方法，其特徵在於，包括以下步驟: 51、提供一(111)型矽片作為襯底，並在該襯底上表面刻蝕深度為tl的多個凹槽，以在襯底頂部形成位於凹槽之間的加熱區矽結構層和多個連接加熱區矽結構層的支撐梁凸臺； 52、在步驟SI獲得的結構上表面製作絕緣的抗腐蝕掩膜層； 53、在步驟S2獲得的結構上表面製作功能結構層，該功能結構層具有貼附在抗腐蝕掩膜層上表面的加熱電阻條及其引線結構； 54、在步驟S3獲得的結構上製作光刻膠，並利用掩膜板光刻凹槽底部及各支撐梁凸臺與凹槽相鄰的兩側區域的光刻膠，然後去除前述兩部分的光刻膠及位於該兩部分光刻膠下側的抗腐蝕掩膜層，直至暴露所述襯底； 55、幹法刻蝕步驟S4中被暴露的所述襯底的上表面直至一預設深度t2，以形成腐蝕槽，所述腐蝕槽和凹槽共同形成腐蝕窗口 ； 56、去除光刻膠，通過腐蝕窗口對襯底進行各項異性溼法腐蝕，形成下表面在平面內投影為六邊形t2深度的絕熱腔，同時，位於腐蝕窗口之間的支撐梁凸臺也被完全腐蝕，從而形成具有tl厚度的矽結構層、抗腐蝕掩膜層和功能結構層的懸空設置的加熱區以及連接在加熱區周圍且由抗腐蝕掩膜層和功能結構層構成的支撐懸梁。
5.根據權利要求4所述的微型加熱器的製造方法，其特徵在於:所述抗腐蝕掩膜層採用氧化矽掩膜、或氮化矽掩膜、或氧化矽和氮化矽複合掩膜。
6.根據權利要求4所述的微型加熱器的製造方法，其特徵在於:所述支撐懸梁的長寬比在1.7至300之間。
7.根據權利要求4所述的微型加熱器的製造方法，其特徵在於:步驟S4中採用負性光刻膠進行光刻。
8.根據權利要求4所述的微型加熱器的製造方法，其特徵在於:所述腐蝕槽除與支撐梁凸臺相鄰的部位外，其他部位的邊緣與凹槽側壁存在I微米的間距。
9.根據權利要求4所述的微型加熱器的製造方法，其特徵在於:步驟S4中的去除抗腐蝕掩膜層採用BOE溶液溼法腐蝕或RIE幹法刻蝕的方法。
10.根據權利要求4所述的微型加熱器的製造方法，其特徵在於:步驟S6中的各項異性腐蝕採用KOH溶液或TMAH溶液進行，並且腐蝕溫度在45°C至90°C。
【文檔編號】B81C1/00GK104401931SQ201410678768
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月24日 優先權日:2014年11月24日
【發明者】羅雯雯 申請人:蘇州諾聯芯電子科技有限公司