專利名稱：具有非均勻線寬加熱電阻絲的矩形微型加熱器及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有非均勻線寬加熱電阻絲的矩形微型加熱器及其制作方法，屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)領域。
背景技術：
隨著微加工技術的不斷發(fā)展，基于MEMS工藝的微型加熱器已開始在氣體探測，環(huán)境監(jiān)控和紅外光源等領域廣泛應用。由于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。如何制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。在應用于氣體傳感領域時，為了達到更好的性能，加熱器的加熱膜區(qū)需要有較好的溫度均勻性。比如在金屬氧化物半導體式氣體傳感器中，傳感器在某一溫度下對不同氣體有不同的靈敏度，因此穩(wěn)定且均勻的溫度必將有利于提高傳感器對特定氣體的選擇性。 在催化燃燒式氣體傳感器中，為了實現(xiàn)低功耗和高靈敏度，良好的溫度均勻性也是必要的。然而，基于硅襯底的微型加熱器通常只采用兩種方式來提高加熱膜區(qū)的溫度均勻性。一種是在加熱區(qū)下方增加一塊硅島，通過導熱的方式分散熱量。例如Markus Graf, Diego Barrettino, Kay-Uwe Kirstein, Andreas hierlemann, "COMS microhotplate sensor system for operating temperatures up to 500°C，"Sensors and Actuators B, vol. 117, 2006,pp. 346-352。另一種方法是在加熱膜區(qū)上方增加一層金屬層，如鋁，金等，利用金屬良好的導熱性來提高溫度均勻性。例如=Tekin A. Kunt, Thomas J. McAvoy, Richard Ε. Cavicchi, Steve Semancik, "Optimization of temperature programmed sensing for gas identification using micro-hotplate sensors,，，Sensors and Actuators B, vol. 53，1998，pp. 24-43.這兩種方法都能夠在一定程度上提高溫度均勻性，但是工藝復雜， 增加成本，而且還會增加加熱器的功耗，影響機械強度。本發(fā)明擬提供一種采用非均勻線寬加熱電阻絲的矩形加熱器，它是通過增加折線形加熱電阻絲中心的線寬從而有效減小加熱膜區(qū)中心的發(fā)熱功耗，以實現(xiàn)良好的溫度均勻性。該結構只需改變折線形加熱電阻絲的版圖設計，不會增加任何工藝或成本，而且對功耗和機械強度幾乎沒有影響。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有非均勻線寬加熱電阻絲的矩形微型加熱器及其制作方法，從而提高微型加熱器的溫度均勻性，進而提高其在氣體傳感應用中的性能。所提供的微型加熱器的結構如圖1所示，包括襯底框架，矩形加熱膜區(qū)，支撐懸梁，梯形過渡區(qū)，折線形加熱電阻絲，引線，接觸電極，和隔熱腔體。本發(fā)明所提供的具有良好溫度均勻性的微型加熱器的結構特征在于1.矩形加熱膜區(qū)的兩端分別通過一個梯形過渡區(qū)與支撐懸梁的一端相連，支撐懸梁的另一端連接襯底框架起到支撐的作用；
2.折線形加熱電阻絲通過支撐懸梁上的引線與襯底框架上的接觸電極相連；3.折線形加熱電阻絲以中心對稱或左右對稱的方式排布在矩形加熱膜區(qū)上，電阻絲的線寬按照在加熱膜區(qū)中心處較寬、在加熱膜區(qū)兩端處較窄的方式分布；4.線寬在加熱膜區(qū)中心處最寬，在加熱膜區(qū)兩端處最窄，線寬最寬為100微米，最窄為1微米。5.線寬的寬度按照從加熱膜區(qū)的中心向左右兩端逐漸遞減，單次遞減的幅度的范圍在5%到60%之間。6.支撐懸梁的方向與< 100>晶向的夾角保持在士 30度以內，或與< 110>晶向的夾角保持在士 15度以內。7.折線形加熱電阻絲的線間距是可以變化的，實際應用中可以通過增加調整電阻絲的線間距來進一步提高加熱膜區(qū)處的溫度均勻性。8.在矩形加熱膜區(qū)和支撐懸梁的下方是是隔熱腔體，隔熱腔體可以有兩種形狀， 一種是通過正面硅各向異性濕法腐蝕形成的橫截面呈倒梯形或“V”字形的結構，另一種是通過各向同性釋放腐蝕或各向同性干法刻蝕形成的橫截面呈圓弧形的結構。本發(fā)明的制作方法如圖2所示，具體如下1.選擇襯底。選取(100)面的硅片作為襯底，雙面拋光或單面拋光的硅片均可，N 型或P型的都可以。2.制作復合膜。復合膜用于形成加熱膜區(qū)，梯形過渡區(qū)和支撐懸梁。復合膜由單層或多層的氧化硅和氮化硅復合而成。可以采用氧化、等離子增強化學氣相沉積(PECVD)、 或低壓化學氣相沉積(LPCVD)等方法制備。3.制作折線形加熱電阻絲，引線和電極。對于金屬材料，如鉬、金等，利用 lift-off工藝或者濕法腐蝕工藝制作；對于半導體材料，如多晶硅等，采用先沉積再干法刻蝕的方法制作。4.開薄膜釋放窗口。如果支撐懸梁的方向與<100>晶向的夾角保持在士30度以內，直接利用反應離子刻蝕(RIE)或離子束刻蝕(Ion-beam)徹底刻蝕暴露的氧化硅和氮化硅復合膜，形成薄膜釋放窗口。如果支撐懸梁的方向與<110>晶向的夾角保持在士 15度以內，先利用反應離子刻蝕(RIE)或離子束刻蝕(Ion-beam)徹底刻蝕暴露的氧化硅和氮化硅復合膜，再利用深反應離子刻蝕(DRIE)刻蝕襯底硅，刻蝕深度要大于支撐懸梁寬度的0.7 倍，最后形成薄膜釋放窗口。5.釋放薄膜。一種方法是使用各向異性濕法腐蝕液，如四甲基氫氧化銨(TMAH) 或氫氧化鉀(KOH)等；另一種方法是使用各向同性濕法腐，如氫氟酸(HF) +硝酸(HNO3) +水 (H2O)等或者各向同性干法刻蝕氣體，如乂評2等。通過這兩種方法掏空復合膜下面的襯底硅釋放出薄膜結構即形成微型加熱器。本發(fā)明提供的一種具有非均勻線寬加熱電阻絲的矩形微型加熱器的結構和制造方法，與以往的微型加熱器相比，其優(yōu)點在于1.這個器件只需要兩塊光刻版就能完成，制造工藝相對簡單。2.采用線寬中心較寬兩端較窄的折線形加熱電阻絲，只需要改變版圖的設計，不增加額外工藝，降低了成本。3.加熱膜區(qū)溫度分布均勻，利于提高加熱器在氣體傳感應用中的性能(圖5)。
4.兩支撐懸梁的結構減小了中心加熱膜區(qū)向襯底的熱傳導，進而降低了功耗。綜上所述，本發(fā)明提供了一種具有非均勻線寬的加熱電阻絲的矩形微型加熱器， 加熱電阻絲也可以為非均勻線間距(已另案申請)，甚至可以將非均勻線寬與非均勻線間距相結合提出新的申請，則顯然仍屬于本申請構思范疇之列，兩者相結合的結果可能會使加熱膜區(qū)的溫度分布更均勻，發(fā)熱功耗更小。


圖1為本發(fā)明提供的一種具有非均勻線寬加熱電阻絲的矩形微型加熱器的結構示意圖，其中(a)為矩形微型加熱器的立體結構示意圖，支撐懸梁沿著<100>晶向，(b)為圖1(a)所示的加熱器的加熱膜區(qū)的放大圖，折線形加熱電阻絲的線寬保持中心較寬兩端較窄。圖2為本發(fā)明提供的一種具有非均勻線寬加熱電阻絲的矩形微型加熱器的制作流程圖，其中(a)選擇襯底，(b)制作復合膜，(c)制作折線形加熱電阻絲，引線和電極，(d) 開薄膜釋放窗口，(e)釋放薄膜。圖3為實施例2中微型加熱器的立體結構示意圖，支撐懸梁沿著<110>晶向。圖4為實施例3中微型加熱器的結構示意圖，其中(a)為俯視圖，(b)為截面圖， 薄膜釋放采用的干法刻蝕工藝。圖5為兩個加熱器在相同功耗下工作時的紅外照片對比圖，其中(a)為具有均勻線寬和均勻線間距折線形加熱電阻絲的加熱器的紅外照片，加熱膜區(qū)中心處的顏色要明顯比兩端紅，可見中心處的溫度要比兩端高出很多，(b)為具有非均勻線寬和均勻線間距折線形加熱電阻絲的加熱器的紅外照片，加熱膜區(qū)中心處的顏色和兩端處的顏色度是紅色，說明中心處的溫度和兩端差不多。對比可見這種采用非均勻線寬加熱電阻絲的結構設計能夠顯著提高加熱膜區(qū)的溫度均勻性。圖中1為襯底框架，2為矩形加熱膜區(qū)，3為支撐懸梁，4為梯形過渡區(qū)，5為折線形加熱電阻絲，6為引線，7為接觸電極，8為隔熱腔體。
具體實施例方式實施例1 該實施例的結構示意圖參見圖1(a)所示，具體制作方法如下1.選擇襯底。選取N型(100)面的4英寸雙面拋光的硅片作為襯底，電阻率 3-8 Ω · cm，硅片厚度為350 士 10微米，切邊的角度誤差< 1%。2.制作復合膜。采用單層復合膜，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微米的氧化硅和一層厚度為0. 3微米的氮化硅。3.制作折線形加熱電阻絲，引線和電極。采用剝離工藝(lift-off)制作。薄膠光刻(光刻膠厚度為2.0微米)定義出折線形加熱電阻絲，引線和電極的圖形，然后濺射一層 0.2微米厚的鈦鉬，最后丙酮去膠后形成了折線形加熱電阻絲，引線和電極。4.開薄膜釋放窗口。正面光刻定義出用于釋放加熱膜區(qū)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硅和氮化硅復合膜。
5.釋放薄膜。利用TMAH腐蝕液通過薄膜釋放窗口腐蝕襯底硅，并在中心膜區(qū)和支撐懸梁的下方形成倒梯形的隔熱腔體。施例2:該實施例的結構示意圖參見圖3所示，具體制作方法如下1.襯底選擇。選擇P型(100)面的4英寸單面拋光的硅片作為襯底，電阻率 3-8 Ω · cm，硅片厚度為350 士 10微米，切邊的角度誤差< 1%。2.制作復合膜。采用單層復合膜，利用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)的方法依次生長一層厚度為0. 4微米的氧化硅和一層厚度為0. 6微米的氮化硅。3.制作折線形加熱電阻絲，引線和電極。采用濕法腐蝕工藝制作。先濺射一層0. 2 微米厚的鈦鉬，再進行薄膠光刻(光刻膠厚度為1.8微米)定義出折線形加熱電阻絲，引線和電極的圖形，最后濕法腐蝕形成折線形加熱電阻絲，引線和電極。4.開薄膜釋放窗口。第一步，正面光刻定義出用于釋放加熱膜區(qū)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硅和氮化硅復合膜；第二步，利用深反應離子刻蝕(DRIE)刻蝕襯底硅，刻蝕深度要大于支撐懸梁寬度的0. 7倍；最后去膠后就形成薄膜釋放窗口。5.釋放薄膜。利用KOH腐蝕液通過薄膜釋放窗口腐蝕襯底硅，并在中心膜區(qū)和支撐懸梁的下方形成倒梯形的隔熱腔體。實施例3 該實施例的結構示意圖參見圖4所示，具體制作方法如下1.襯底選擇。選擇P型(100)面的4英寸雙面拋光的硅片作為襯底，電阻率 3-8 Ω · cm，硅片厚度為350 士 10微米，切邊的角度誤差< 1%。2.制作復合膜。采用多層復合膜，先利用低壓化學氣相沉積(LPCVD)的方法依次沉積一層厚度為0. 2微米的氧化硅和一層厚度為0. 2微米的氮化硅，再利用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)的方法依次沉積一層厚度為0. 2微米的氧化硅和一層厚度為0. 2微米的氮化硅。3.制作折線形加熱電阻絲，引線和電極。采用剝離工藝(lift-off)制作。薄膠光刻(光刻膠厚度為1.4微米)定義出折線形加熱電阻絲，引線和電極的圖形，然后濺射一層 0.2微米厚的鈦鉬，最后丙酮去膠后形成了折線形加熱電阻絲，引線和電極。4.開薄膜釋放窗口。正面光刻定義出用于釋放加熱膜區(qū)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硅和氮化硅復合膜。5.釋放薄膜。利用XeF2刻蝕通過薄膜釋放窗口腐蝕襯底硅，并在中心膜區(qū)和支撐懸梁的下方形成弧形的隔熱腔體。
權利要求
1.一種具有非均勻線寬加熱電阻絲的矩形微型加熱器，包括襯底框架，矩形加熱膜區(qū)， 支撐懸梁，梯形過渡區(qū)，折線形加熱電阻絲，引線，接觸電極和隔熱腔體；其特征在于1)矩形加熱膜區(qū)的兩端分別通過一個梯形過渡區(qū)與支撐懸梁的一端相連，支撐懸梁的另一端連接襯底框架起到支撐的作用；2)折線形加熱電阻絲通過支撐懸梁上的引線與襯底框架上的接觸電極相連；3)折線形加熱電阻絲以中心對稱或左右對稱的方式排布在矩形加熱膜區(qū)上，電阻絲的線寬按照在加熱膜區(qū)中心處較寬、在加熱膜區(qū)兩端處較窄的方式分布；4)在矩形加熱膜區(qū)和支撐懸梁的下方是隔熱腔體。
2.按權利要求1所述的微型加熱器，其特征在于所述的梯形過渡區(qū)的上底與支撐懸梁相連，下底則與矩形加熱區(qū)相連。
3.按權利要求1所述的微型加熱器，其特征在于加熱電阻絲的線寬的寬度按照從加熱膜區(qū)的中心向左右兩端逐漸遞減，單次遞減的幅度的范圍在5%到60%之間。
4.按權利要求1所述的微型加熱器，其特征在于加熱電阻絲的線寬在加熱膜區(qū)中心處最寬，在加熱膜區(qū)兩端處最窄，線寬最寬為100微米，最窄為1微米。
5.按權利要求3所述的微型加熱器，其特征在于加熱電阻絲的線寬在加熱膜區(qū)中心處最寬，在加熱膜區(qū)兩端處最窄，線寬最寬為100微米，最窄為1微米。
6.按權利要求1所述的微型加熱器，其特征在于隔熱腔體有兩種形狀，一種是通過正面硅各向異性濕法腐蝕形成的橫截面呈倒梯形或“V”字形的結構，另一種是通過各向同性釋放腐蝕或各向同性干法刻蝕形成的橫截面呈圓弧形的結構。
7.按權利要求1所述的微型加熱器，其特征在于支撐懸梁的方向與<100>晶向的夾角保持在士30度以內，或與<110>晶向的夾角保持在士 15度以內。
8.制備如權利要求1-7中任一項所述的微型加熱器的方法，其特征在于具體步驟是1)選取(100)面硅片作為襯底，雙面拋光或單面拋光；2)在步驟1選取的硅片上制作復合膜用于形成加熱膜區(qū)，梯形過渡區(qū)和支撐懸梁，復合膜由氧化硅和氮化硅復合而成，采用氧化、等離子增強化學氣相沉積、或低壓化學氣相沉積方法制備；3)接著制作折線形加熱電阻絲，引線和電極，對于鉬或金金屬材料，利用lift-off工藝或者濕法腐蝕工藝制作；對于多晶硅半導體材料，則采用先沉積再干法刻蝕的方法制作；4)開薄膜釋放窗口，如果支撐懸梁的方向與<100>晶向的夾角保持在士30度以內， 直接利用反應離子刻蝕或離子束刻蝕刻蝕暴露的氧化硅和氮化硅復合膜，形成薄膜釋放窗口 ；如果支撐懸梁的方向與<110>晶向的夾角保持在士 15度以內，先利用反應離子刻蝕或離子束刻蝕刻蝕暴露的氧化硅和氮化硅復合膜，再利用深反應離子刻蝕刻蝕襯底硅，最后形成薄膜釋放窗口；5)釋放薄膜，一種方法是使用四甲基氫氧化銨或氫氧化鉀各向異性濕法腐蝕液；另一種方法是使用各向同性濕法腐蝕液或者各向同性干法氣體刻蝕，通過這兩種方法掏空復合膜下面的襯底硅釋放出薄膜結構，從而形成微型加熱器。
9.按權利要求8所述的方法，其特征在于1)步驟1中所述的(100)面硅襯底為N型或P型；2)步驟2中所述的復合膜為單層或多層；3)步驟4中所述的刻蝕襯底硅的刻蝕深度大于支撐梁寬度的0.7倍；4)步驟5中所述的各向同性腐蝕的腐蝕液為HF+HN03+H20，所述各向同性干法刻蝕的氣體為XeF2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有非均勻線寬加熱電阻絲的矩形微型加熱器及方法，所述的微型加熱器包括襯底框架，矩形加熱膜區(qū)，支撐懸梁，梯形過渡區(qū)，折線形加熱電阻絲，引線，接觸電極，和隔熱腔體。其特征在于矩形加熱膜區(qū)通過過渡區(qū)和支撐懸梁與襯底框架相連，折線形加熱電阻絲按照在加熱膜區(qū)中心處線寬較寬、在加熱膜區(qū)兩端處線寬較窄的方式排布在矩形加熱膜區(qū)上，并通過支撐懸梁上的引線與襯底框架上的接觸電極相連，在矩形加熱膜區(qū)和支撐懸梁的下方是隔熱腔體。
文檔編號B81C1/00GK102256387SQ20111013257
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月20日 優(yōu)先權日2011年5月20日
發(fā)明者李鐵, 王躍林, 許磊 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所