專利名稱：具有圓弧形凹槽加熱膜區(qū)的三維微型加熱器及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有圓弧形凹槽加熱膜區(qū)的三維微型加熱器及其制作方法，屬于 微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著微加工技術(shù)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(cè)，環(huán) 境監(jiān)控和紅外熱源等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。由于應(yīng)用的不斷推廣和深入，對(duì)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(qiáng)烈。如何制作出低功耗高性能的加熱器一直是本領(lǐng) 域內(nèi)技術(shù)人員追求的目標(biāo)。目前基于硅襯底的微型加熱器從支撐膜結(jié)構(gòu)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，通過背面體硅加工技術(shù)腐蝕襯底硅實(shí)現(xiàn)加熱膜 區(qū)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(shù)條長(zhǎng)條形支撐懸臂梁把中心加熱膜區(qū)與襯底框架相連，利用正面體硅 力口工技術(shù)實(shí)現(xiàn)力口熱膜區(qū)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(fā)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(qū)出現(xiàn)了很多種形狀， 如圓形，矩形，長(zhǎng)條形，或者多邊形等。但不管是哪一種形狀，這些加熱膜區(qū)都是平面型的， 是一種二維結(jié)構(gòu)。然而在某些領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用時(shí)這種平面式加熱膜區(qū)的微型加熱器卻有一些不足。比 如，作為紅外熱源時(shí)，平面式加熱器的熱量分散，受氣流的影響較大。用于催化燃燒原理的 氣體傳感器時(shí)，催化劑在平面式加熱器的中心膜區(qū)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(shè)計(jì)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(guān)鍵。本發(fā)明擬提供一種利用各向同性干法刻蝕工藝制作的具有圓弧形加熱膜區(qū)的三 維微型加熱器，基于噴膠光刻的剝離工藝解決了在凹槽內(nèi)部制作加熱電阻絲的難題。所制 作的微型加熱器由于其獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)使得熱量更加集中，具有功耗低，機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)
點(diǎn)ο

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有圓弧形凹槽加熱膜區(qū)的三維微型加熱器及其制 作方法，從而解決目前平面型微型加熱器在某些應(yīng)用領(lǐng)域的局限性。本發(fā)明采用硅各向同性干法刻蝕工藝刻蝕襯底硅形成橫截面呈圓弧形結(jié)構(gòu)的凹 槽，利用多次“生長(zhǎng)氧化硅一一去除氧化硅”的方法使凹槽內(nèi)表面更加光滑，通過在該凹槽 內(nèi)沉積介質(zhì)層復(fù)合膜形成橫截面呈圓弧形的凹槽形加熱膜區(qū)，加熱電阻絲以折線或曲線的形式排布在圓弧形加熱膜區(qū)的內(nèi)部，干法刻蝕定義出加熱膜區(qū)和支持懸梁的形狀，釋放后 的加熱膜區(qū)由支撐懸梁支撐并懸浮在襯底之上。圓弧形凹槽加熱膜區(qū)避免了轉(zhuǎn)角的存在，有利于熱應(yīng)力在加熱膜區(qū)內(nèi)均勻分布， 從而可以提高加熱器在高溫下的機(jī)械強(qiáng)度。加熱電阻絲在圓弧形凹槽加熱膜區(qū)內(nèi)既能以 折線的形式排布也能以曲線的形式排布，因此這種結(jié)構(gòu)的三維加熱器可以滿足多種應(yīng)用需 求。綜上所述，本發(fā)明提供的一種具有圓弧形凹槽加熱膜區(qū)的三維微型加熱器的特征 在于橫截面呈圓弧形結(jié)構(gòu)的凹槽形加熱膜區(qū)通過支撐懸梁與襯底框架相連，加熱電阻絲以 折線或曲線的形式排布在加熱膜區(qū)凹槽的內(nèi)部并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(qū)和支撐懸梁下方是隔熱腔體。其中，1.加熱膜區(qū)是橫截面呈圓弧形的凹槽，凹槽的開口(腐蝕窗口)是圓形或橢 圓形，凹槽是利用硅各向同性干法刻蝕形成的。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(qū)相連，支撐懸梁 以加熱膜區(qū)為中心對(duì)稱排布。3.加熱電阻絲以折線或曲線的的形式排布在加熱膜區(qū)的凹槽內(nèi)部。4.引線排布在任意兩個(gè)支撐懸梁上并連接加熱膜區(qū)內(nèi)的加熱電阻絲和襯底框架 上的電極。5.隔熱腔體位于加熱膜區(qū)和支撐懸梁的下方，所述的隔熱腔體可以由硅各向同性 干法刻蝕，硅各向異性濕法腐蝕，或者兩者結(jié)合使用形成。隔熱腔體使得加熱膜區(qū)在支撐懸 梁的支撐下懸浮在襯底之上。本發(fā)明另一目的在于提供一種具有圓弧形凹槽加熱膜區(qū)的三維微型加熱器的制 作方法，具體制作步驟如下1.硅襯底的選擇。根據(jù)最后加熱膜區(qū)和支撐懸梁的釋放方法不同襯底的選擇也 不同。如果釋放方法采用了硅各向異性濕法腐蝕，那么襯底僅限于(100)面的硅片；如果釋 放方法僅采用硅各向同性干法刻蝕，那么襯底不受晶面的限制，可以是常見的(100)，(110) 或(111)面的硅片。2.制作用于形成凹槽結(jié)構(gòu)的正面腐蝕窗口。采用熱氧化、低壓化學(xué)氣相沉積 (LPCVD)或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法在硅片表面形成一層厚度在0. 1-3. 0 微米之間的氧化硅薄膜。然后進(jìn)行光刻做出窗口圖形，在光刻膠的保護(hù)下利用反應(yīng)離子刻 蝕(RIE)或離子束刻蝕(Ion-beam)方法，徹底刻蝕暴露的氧化硅，形成正面腐蝕窗口，如圖 2(a)所示。3.制作橫截面呈圓弧形結(jié)構(gòu)的凹槽。在氧化硅的保護(hù)下利用硅各向同性干法刻蝕 的方法通過步驟2形成的腐蝕窗口在硅片上腐蝕出圓弧形的凹槽，凹槽深度在5-150微米 之間。硅各向同性干法刻蝕氣體可以使用二氟化氙(XeF2)。4.多次氧化使圓弧形凹槽內(nèi)部更光滑。把經(jīng)過步驟3干法刻蝕后的硅片進(jìn)行氧 化，生長(zhǎng)一層厚度在0.1-1.0微米之間的氧化硅薄膜，然后徹底去除這層氧化硅薄膜。通過 多次“生長(zhǎng)氧化硅——去除氧化硅”的方法使凹槽內(nèi)部更加光滑，如圖2(b)所示。5.制作凹槽形加熱膜區(qū)和支撐懸梁的介質(zhì)層薄膜。介質(zhì)層薄膜是由氧化硅和氮化 硅組成的多層復(fù)合膜，如圖2(c)所示。氧化硅可以通過熱氧化、低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)
5或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法制備，單層厚度在0.2-1.0微米之間。氮化硅 可以通過低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法制備，單 層厚度在0. 2-1. 0微米之間。介質(zhì)層的總厚度在0. 4-5. 0微米之間。6.制作加熱電阻絲，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)。采用剝離工藝的制作方法為噴膠光刻(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，然后濺射一層0. 2-2. 0微米厚的鈦鉬， 最后丙酮去膠后形成了加熱電阻絲，引線和電極。采用電鍍工藝的制作方法為濺射金屬 種子層(如鈦鉬、鈦金、鉬、金、鈦鎢/金、鈦鎢/鉬)，使得介質(zhì)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。最后去除光刻膠和種子層即可。制作好的加熱電阻絲，引線和 電極如圖2(d)所示。7.制作介質(zhì)層薄膜的釋放窗口。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(hù)下利用反應(yīng)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(fù)合膜，形成薄膜釋放窗口。8.加熱膜區(qū)和支撐懸梁的釋放。根據(jù)硅襯底的晶面和支撐懸梁的方向的不同可 以使用以下三種方法一，利用硅各向同性干法刻蝕氣體二氟化氙(XeF2)實(shí)現(xiàn)加熱膜區(qū) 和支持懸梁的釋放。這種方法不受硅襯底的晶面和支撐懸梁的方向的限制。二，利用硅各 向異性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隔熱腔 體。這種方法僅限于襯底是(100)面的硅片，并且支撐懸梁的方向與<100>晶向的夾角保 持在士 30度以內(nèi)。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。三，當(dāng)襯底是(100)面的硅片，并且支撐懸梁的方向與 <110>晶向的夾角保持在士 15度以內(nèi)時(shí)，可以先使用硅各向同性干法刻蝕再使用各向異性 濕法腐蝕的方法實(shí)現(xiàn)加熱膜區(qū)和支撐懸梁的釋放。采用方法二釋放后的結(jié)構(gòu)如圖2(e)所
7J\ ο相對(duì)傳統(tǒng)的基于MEMS工藝的平面式二維微型加熱器來說，本發(fā)明提供的一種具 有圓弧形凹槽加熱膜區(qū)的三維微型加熱器的主要特點(diǎn)如下1.三維微型加熱器的加熱電阻絲排布在中心膜區(qū)的凹槽內(nèi)部，氣體在凹槽中的對(duì) 流系數(shù)較小，減小了因?qū)α鲹Q熱引起的熱量散失，有利于降低加熱器的功耗。2.三維微型加熱器的加熱電阻絲通過剝離或電鍍工藝制備，增加了器件的可靠 性，特別是高溫下的穩(wěn)定性。3.采用本發(fā)明提供的方法制作的三維微型加熱器，器件體積小，性能高，易于陣列 化和批量生產(chǎn)。4.所述加熱器的優(yōu)點(diǎn)還體現(xiàn)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用中。用作紅外熱源時(shí)，嵌入的加熱 電阻絲能夠形成熱量集中的熱源，這種熱源相對(duì)傳統(tǒng)平面式微型加熱器形成的熱源來說受 空氣流動(dòng)的影響較小。用于生化傳感領(lǐng)域時(shí)，催化劑可以植入到凹槽結(jié)構(gòu)中，底部和側(cè)部的 電阻絲同時(shí)對(duì)催化劑加熱，熱量更集中，效率更高，利于提高傳感器的性能。


圖1為本發(fā)明之具有圓弧形凹槽加熱膜區(qū)的三維微型加熱器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明之具有圓弧形凹槽加熱膜區(qū)的三維微型加熱器的主要流程示意圖。 其中，(a)為制作用于形成凹槽結(jié)構(gòu)的正面腐蝕窗口，(b)為經(jīng)過刻蝕和多次氧化后的圓弧 形凹槽，(c)為制作凹槽形加熱膜區(qū)和支撐懸梁的介質(zhì)層薄膜，(d)為制作加熱電阻絲、引 線和電極，(e)為釋放加熱膜區(qū)和支撐懸梁。圖3為本發(fā)明實(shí)施例2中的加熱器結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例3中的加熱器結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例4中的加熱器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1為襯底框架，2為加熱膜區(qū)，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(shí)施例方式實(shí)施例1 本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖參見圖1所示，具體制作方法如下1.硅襯底的選擇選擇N型(110)面的4英寸硅片作為襯底，電阻率1-10 Ω -cm, 硅片厚度為450士 10微米。2.制作用于形成凹槽結(jié)構(gòu)的正面腐蝕窗口 采用熱氧化的方法在硅片表面形成 一層厚度為2. 0微米的氧化硅薄膜。然后進(jìn)行光刻做出窗口圖形，在光刻膠的保護(hù)下利用 反應(yīng)離子刻蝕(RIE)徹底刻蝕暴露的氧化硅，形成正面腐蝕窗口。3.制作橫截面呈圓弧形結(jié)構(gòu)的凹槽在氧化硅的保護(hù)下利用硅各向同性干法刻 蝕的方法通過步驟2形成的腐蝕窗口在硅片上腐蝕出圓弧形的凹槽，凹槽深度約為20微 米。硅各向同性干法刻蝕氣體可以使用二氟化氙(XeF2)。4.多次氧化使圓弧形凹槽內(nèi)部更光滑把經(jīng)過步驟3干法刻蝕后的硅片進(jìn)行氧 化，生長(zhǎng)一層厚度為0. 5微米的氧化硅薄膜，然后徹底去除這層氧化硅薄膜。通過五次“生 長(zhǎng)氧化硅——去除氧化硅”的方法使凹槽內(nèi)部更加光滑。5.制作凹槽形加熱膜區(qū)和支撐懸梁的介質(zhì)層薄膜利用低壓化學(xué)氣相沉積 (LPCVD)的方法依次生長(zhǎng)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。6.采用剝離工藝(lift-off)制作加熱電阻絲，引線和電極噴膠光刻(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，然后濺射一層0.2微米厚的鈦鉬，最 后丙酮去膠后形成了加熱電阻絲，引線和電極。7.制作介質(zhì)層薄膜的釋放窗口 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(hù)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(fù)合膜，形成薄膜釋放窗口。8.加熱膜區(qū)和支撐懸梁的釋放利用硅各向同性干法刻蝕氣體二氟化氙(XeF2) 刻蝕襯底硅實(shí)現(xiàn)加熱膜區(qū)和支持懸梁的釋放。實(shí)施例2 本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖參見圖3所示，具體制作方法如下1.硅襯底的選擇選擇N型(100)面的4英寸硅片作為襯底，電阻率3_8 Ω · cm, 硅片厚度為350士 10微米。2.制作用于形成凹槽結(jié)構(gòu)的正面腐蝕窗口 采用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)的方法在硅片表面形成一層厚度為2.0微米的氧化硅薄膜。然后進(jìn)行光刻做出窗口圖形，在光 刻膠的保護(hù)下利用離子束刻蝕(Ion-beam)徹底刻蝕暴露的氧化硅，形成正面腐蝕窗口。3.制作橫截面呈圓弧形結(jié)構(gòu)的凹槽在氧化硅的保護(hù)下利用硅各向同性干法刻 蝕的方法通過步驟2形成的腐蝕窗口在硅片上腐蝕出圓弧形的凹槽，凹槽深度約為20微 米。硅各向同性干法刻蝕氣體可以使用二氟化氙(XeF2)。4.多次氧化使圓弧形凹槽內(nèi)部更光滑把經(jīng)過步驟3干法刻蝕后的硅片進(jìn)行氧 化，生長(zhǎng)一層厚度為0. 5微米的氧化硅薄膜，然后徹底去除這層氧化硅薄膜。通過五次“生 長(zhǎng)氧化硅——去除氧化硅”的方法使凹槽內(nèi)部更加光滑。5.制作凹槽形加熱膜區(qū)和支撐懸梁的介質(zhì)層薄膜利用低壓化學(xué)氣相沉積 (LPCVD)的方法依次生長(zhǎng)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。6.采用剝離工藝(lift-off)制作加熱電阻絲，引線和電極噴膠光刻(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，然后濺射一層0.2微米厚的鈦鉬，最 后丙酮去膠后形成了加熱電阻絲，引線和電極。7.制作介質(zhì)層薄膜的釋放窗口 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(hù)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(fù)合膜，形成薄膜釋放窗口。8.加熱膜區(qū)和支撐懸梁的釋放先使用硅各向同性干法刻蝕刻蝕襯底硅釋放支 撐懸梁，再使用各向異性濕法腐蝕的方法實(shí)現(xiàn)加熱膜區(qū)的釋放。實(shí)施例3 本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖參見圖4所示，具體制作方法如下1.硅襯底的選擇選擇P型(111)面的4英寸硅片作為襯底，電阻率1-10 Ω -cm, 硅片厚度為450士 10微米。2.制作用于形成凹槽結(jié)構(gòu)的正面腐蝕窗口 采用熱氧化的方法在硅片表面形成 一層厚度為1.0微米的氧化硅薄膜。然后進(jìn)行光刻做出窗口圖形，在光刻膠的保護(hù)下利用 離子束刻蝕(Ion-beam)徹底刻蝕暴露的氧化硅，形成正面腐蝕窗口。3.制作橫截面呈圓弧形結(jié)構(gòu)的凹槽在氧化硅的保護(hù)下利用硅各向同性干法刻 蝕的方法通過步驟2形成的腐蝕窗口在硅片上腐蝕出圓弧形的凹槽，凹槽深度約為30微 米。硅各向同性干法刻蝕氣體可以使用二氟化氙(XeF2)。4.多次氧化使圓弧形凹槽內(nèi)部更光滑把經(jīng)過步驟3干法刻蝕后的硅片進(jìn)行氧 化，生長(zhǎng)一層厚度為0. 5微米的氧化硅薄膜，然后徹底去除這層氧化硅薄膜。通過五次“生 長(zhǎng)氧化硅——去除氧化硅”的方法使凹槽內(nèi)部更加光滑。5.制作凹槽形加熱膜區(qū)和支撐懸梁的介質(zhì)層薄膜利用低壓化學(xué)氣相沉積 (LPCVD)的方法依次生長(zhǎng)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。6.采用電鍍工藝(electroplating)制作加熱電阻絲，引線和電極濺射金屬種子 層鈦鉬，使得介質(zhì)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。最后去除光刻膠和種子層即 可。7.制作介質(zhì)層薄膜的釋放窗口 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(hù)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(fù)合膜，形成薄膜釋放窗口。8.加熱膜區(qū)和支撐懸梁的釋放利用硅各向同性干法刻蝕氣體二氟化氙(XeF2) 刻蝕襯底硅實(shí)現(xiàn)加熱膜區(qū)和支持懸梁的釋放。實(shí)施例4 本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖參見圖5所示，具體制作方法如下1.硅襯底的選擇選擇P型(100)面的4英寸硅片作為襯底，電阻率3-8 Ω · cm, 硅片厚度為350士 10微米。2.制作用于形成凹槽結(jié)構(gòu)的正面腐蝕窗口 采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 (PECVD)的方法在硅片表面形成一層厚度為2.0微米的氮化硅薄膜。然后進(jìn)行光刻做出窗 口圖形，在光刻膠的保護(hù)下利用離子束刻蝕(Ion-beam)徹底刻蝕暴露的氮化硅，形成正面 腐蝕窗口。3.制作橫截面呈圓弧形結(jié)構(gòu)的凹槽在氧化硅的保護(hù)下利用硅各向同性干法刻 蝕的方法通過步驟2形成的腐蝕窗口在硅片上腐蝕出圓弧形的凹槽，凹槽深度約為30微 米。硅各向同性干法刻蝕氣體可以使用二氟化氙(XeF2)。4.多次氧化使圓弧形凹槽內(nèi)部更光滑把經(jīng)過步驟3干法刻蝕后的硅片進(jìn)行氧 化，生長(zhǎng)一層厚度為0. 5微米的氧化硅薄膜，然后徹底去除這層氧化硅薄膜。通過五次“生 長(zhǎng)氧化硅——去除氧化硅”的方法使凹槽內(nèi)部更加光滑。5.制作凹槽形加熱膜區(qū)和支撐懸梁的介質(zhì)層薄膜利用低壓化學(xué)氣相沉積 (LPCVD)的方法依次生長(zhǎng)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。6.采用剝離工藝(lift-off)制作加熱電阻絲，引線和電極采用電鍍工藝 (electroplating)制作濺射金屬種子層鈦鉬，使得介質(zhì)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。最后去除光刻膠和種子層即可。7.制作介質(zhì)層薄膜的釋放窗口 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(hù)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(fù)合膜，形成薄膜釋放窗口。8.加熱膜區(qū)和支撐懸梁的釋放先使用硅各向同性干法刻蝕刻蝕襯底硅釋放支 撐懸梁，再使用各向異性濕法腐蝕的方法實(shí)現(xiàn)加熱膜區(qū)的釋放。
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權(quán)利要求
一種具有圓弧形凹槽加熱膜區(qū)的三維微型加熱器，其特征在于橫截面呈圓弧形結(jié)構(gòu)的凹槽形加熱膜區(qū)通過支撐懸梁與襯底框架相連，加熱電阻絲以折線或曲線的形式排布在加熱膜區(qū)凹槽的內(nèi)部并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(qū)和支撐懸梁下方是隔熱腔體。
2.按權(quán)利要求1所述的三維微型加熱器，其特征在于圓弧形結(jié)構(gòu)的凹槽的開口是圓形 或橢圓形的，凹槽是利用硅各向同性干法刻蝕形成的。
3.按權(quán)利要求1所述的三維微型加熱器，其特征在于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(qū)相連，支撐懸梁以加熱膜區(qū)為中心對(duì)稱排布。
4.按權(quán)利要求1所述的三維微型加熱器，其特征在于加熱電阻絲以折線或曲線的的形 式排布在加熱膜區(qū)的凹槽內(nèi)部。
5.按權(quán)利要求1所述的三維微型加熱器，其特征在于引線排布在任意兩個(gè)支撐懸梁 上，并連接加熱膜區(qū)內(nèi)的加熱電阻絲和襯底框架上的電極。
6.按權(quán)利要求1所述的三維微型加熱器，其特征在于隔熱腔體位于加熱膜區(qū)和支撐懸 梁的下方，隔熱模腔體是由硅各向同性干法刻蝕，、硅各向異性濕法腐蝕或者兩者結(jié)合使用 形成，隔熱腔體使得加熱膜區(qū)在支撐懸梁的支撐下懸浮于襯底之上。
7.制作如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的三維微型加熱器的方法，其特征在于制作的步驟為(a)襯底選擇，根據(jù)最后加熱膜區(qū)和支撐懸梁的釋放方法不同襯底的選擇也不同①采用硅各向異性濕法腐蝕釋放方法，則襯底僅限于(100)面的硅片；②采用硅各向同性干法刻蝕釋放方法，則襯底不受晶面的限制，為(100)、(110)或 (111)面的硅片；(b)制作用于形成凹槽結(jié)構(gòu)的正面腐蝕窗口，首先在硅片表面生長(zhǎng)一層厚度在 0. 1-3. 0微米之間的氧化硅薄膜，然后進(jìn)行光刻做出窗口圖形，在光刻膠的保護(hù)下利用反應(yīng) 離子刻蝕或離子束刻蝕方法刻蝕暴露的氧化硅，形成正面腐蝕窗口 ；(c)制作橫截面呈圓弧形結(jié)構(gòu)的凹槽，在氧化硅的保護(hù)下利用硅各向同性干法刻蝕的 方法通過步驟(b)形成的腐蝕窗口在硅片上腐蝕出圓弧形的凹槽，凹槽深度在5-150微米 之間；(d)多次氧化使圓弧形凹槽內(nèi)部更光滑，把經(jīng)過步驟3干法刻蝕后的硅片進(jìn)行氧化，生 長(zhǎng)一層厚度在0. 1-1. 0微米之間的氧化硅薄膜，然后去除這層氧化硅薄膜，通過多次“生長(zhǎng) 氧化硅——去除氧化硅”的方法使凹槽內(nèi)部更加光滑；(e)制作凹槽形加熱膜區(qū)和支撐懸梁的介質(zhì)層薄膜，介質(zhì)層薄膜是由氧化硅和氮化硅 組成的多層復(fù)合膜，單層薄膜厚度在0. 2-1. 0微米之間，介質(zhì)層的總厚度在0. 4-5. 0微米之 間；(f)采用剝離工藝或電鍍工藝制作加熱電阻絲，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，然后濺射一層0. 2-2.0微米厚的鈦鉬，最后丙酮去膠后形成了加熱電阻絲，引線和 電極；所述的電鍍工藝濺射鈦鉬、鈦金、鉬、金、鈦鎢/金或鈦鎢/鉬金屬種子層，使得介質(zhì)層 表面均覆蓋有金屬種子層，然后噴膠光刻，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，再電鍍一層0. 2-2微米厚的金屬鉬，最后去除光刻膠和種子層；(g)制作介質(zhì)層薄膜的釋放窗口，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(hù)下利用反應(yīng)離子刻蝕或離子束刻蝕徹底刻蝕暴露的氧化硅和 氮化硅復(fù)合膜，形成薄膜釋放窗口 ；(h)加熱膜區(qū)和支撐懸梁的釋放，根據(jù)硅襯底的晶面和支撐懸梁的方向的不同可以使 用以下三種方法一，利用硅各向同性干法刻蝕氣體二氟化氙實(shí)現(xiàn)加熱膜區(qū)和支持懸梁的 釋放，這種方法不受硅襯底的晶面和支撐懸梁的方向的限制；二，利用硅各向異性腐蝕液通 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隔熱腔體，這種方法僅 限于襯底是(100)面的硅片，并且支撐懸梁的方向與<100>晶向的夾角保持在士 30度以 內(nèi)；三，當(dāng)襯底是(100)面的硅片，并且支撐懸梁的方向與<110>晶向的夾角保持在士 15度 以內(nèi)時(shí)，可以先使用干法刻蝕再使用各向異性濕法腐蝕的方法實(shí)現(xiàn)加熱膜區(qū)和支撐懸梁的 釋放。
8.按權(quán)利要求7所述的具有圓弧形凹槽加熱膜區(qū)的三維微型加熱器的制作方法，其特 征在于步驟e制作的介質(zhì)層薄膜中的氧化硅薄膜通過熱氧化、低壓化學(xué)氣相沉積或等離子 增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的方法制備，氮化硅薄膜是通過低壓化學(xué)氣相沉積或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣 相沉積的方法制備。
9.按照權(quán)利要求7所述的具有圓弧形凹槽加熱膜區(qū)的三維微型加熱器的制作方法，其 特征在于硅各向異性腐蝕所采用的腐蝕液為KOH，TMAH，或者EPW ；硅各向同性干法刻蝕使 用XeF2氣體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有圓弧形凹槽加熱膜區(qū)的三維微型加熱器及其制作方法，其特征在于橫截面呈圓弧形結(jié)構(gòu)的凹槽形加熱膜區(qū)通過支撐懸梁與襯底框架相連，加熱電阻絲以折線或曲線的形式排布在加熱膜區(qū)凹槽的內(nèi)部并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(qū)和支撐懸梁下方是隔熱腔體。本發(fā)明提供的加熱器的加熱電阻絲排布在具有三維結(jié)構(gòu)的中心加熱膜區(qū)的凹槽內(nèi)部，對(duì)流換熱引起的熱量散失較小，可以有效降低加熱器的功耗。圓弧形結(jié)構(gòu)的凹槽形加熱膜區(qū)避免了轉(zhuǎn)角的存在，使得熱應(yīng)力在加熱膜區(qū)內(nèi)均勻分布，從而提高了加熱器在高溫下的機(jī)械強(qiáng)度。
文檔編號(hào)H05B3/14GK101932146SQ20101027851
公開日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者李鐵, 王躍林, 許磊 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所