CN101932146A - 具有圆弧形凹槽加热膜区的三维微型加热器及制作方法 - Google Patents
具有圆弧形凹槽加热膜区的三维微型加热器及制作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101932146A CN101932146A CN 201010278511 CN201010278511A CN101932146A CN 101932146 A CN101932146 A CN 101932146A CN 201010278511 CN201010278511 CN 201010278511 CN 201010278511 A CN201010278511 A CN 201010278511A CN 101932146 A CN101932146 A CN 101932146A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- silicon
- heating film
- groove
- heater
- overarm
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title claims abstract description 86
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 25
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 12
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 94
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 90
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 90
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 79
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 60
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 53
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 47
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 30
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 28
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 27
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 23
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 21
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 claims description 20
- 238000004518 low pressure chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 18
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 18
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 18
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 18
- BLIQUJLAJXRXSG-UHFFFAOYSA-N 1-benzyl-3-(trifluoromethyl)pyrrolidin-1-ium-3-carboxylate Chemical compound C1C(C(=O)O)(C(F)(F)F)CCN1CC1=CC=CC=C1 BLIQUJLAJXRXSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims description 16
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims description 16
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 11
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 10
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 claims description 10
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 10
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims description 9
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims description 9
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 claims description 8
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 claims description 8
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 8
- UUWCBFKLGFQDME-UHFFFAOYSA-N platinum titanium Chemical compound [Ti].[Pt] UUWCBFKLGFQDME-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 7
- 239000003973 paint Substances 0.000 claims description 7
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 6
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 6
- WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M tetramethylammonium hydroxide Chemical compound [OH-].C[N+](C)(C)C WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 4
- MAKDTFFYCIMFQP-UHFFFAOYSA-N titanium tungsten Chemical compound [Ti].[W] MAKDTFFYCIMFQP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 claims description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 2
- 238000011536 re-plating Methods 0.000 claims 1
- 230000008642 heat stress Effects 0.000 abstract 1
- WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N lead(0) Chemical compound [Pb] WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 91
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 3
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 3
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 3
- YCIMNLLNPGFGHC-UHFFFAOYSA-N catechol Chemical compound OC1=CC=CC=C1O YCIMNLLNPGFGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- PIICEJLVQHRZGT-UHFFFAOYSA-N Ethylenediamine Chemical compound NCCN PIICEJLVQHRZGT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010923 batch production Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Micromachines (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
本发明涉及一种具有圆弧形凹槽加热膜区的三维微型加热器及其制作方法，其特征在于横截面呈圆弧形结构的凹槽形加热膜区通过支撑悬梁与衬底框架相连，加热电阻丝以折线或曲线的形式排布在加热膜区凹槽的内部并通过支撑悬梁上的引线与衬底框架上的电极相连，在加热膜区和支撑悬梁下方是隔热腔体。本发明提供的加热器的加热电阻丝排布在具有三维结构的中心加热膜区的凹槽内部，对流换热引起的热量散失较小，可以有效降低加热器的功耗。圆弧形结构的凹槽形加热膜区避免了转角的存在，使得热应力在加热膜区内均匀分布，从而提高了加热器在高温下的机械强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有圆弧形凹槽加热膜区的三维微型加热器及其制作方法，属于微电子机械系统(MEMS)领域。
背景技术
随着微加工技术的不断发展，基于MEMS工艺的微型加热器已开始在气体探测，环境监控和红外热源等领域广泛应用。由于应用的不断推广和深入，对微型加热器的低功耗、低成本、高性能、高可靠的要求也日益强烈。如何制作出低功耗高性能的加热器一直是本领域内技术人员追求的目标。
目前基于硅衬底的微型加热器从支撑膜结构来分，主要有两种类型，分别是封闭膜式(closed membrane type)和悬膜式(suspended membrane type)。封闭膜式微型加热器的支撑膜边界都与衬底框架相连，通过背面体硅加工技术腐蚀衬底硅实现加热膜区的释放，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。悬膜式微型加热器通常利用数条长条形支撑悬臂梁把中心加热膜区与衬底框架相连，利用正面体硅加工技术实现加热膜区的释放，如Michael Gaitan，et.al，Micro-hotplate devices and methods for theirfabrication，US Patent NO.5,464,966。随着十多年的发展，为了满足不同需求，封闭膜式的微型加热器和悬膜式的微型加热器的加热膜区出现了很多种形状，如：圆形，矩形，长条形，或者多边形等。但不管是哪一种形状，这些加热膜区都是平面型的，是一种二维结构。
然而在某些领域内应用时这种平面式加热膜区的微型加热器却有一些不足。比如，作为红外热源时，平面式加热器的热量分散，受气流的影响较大。用于催化燃烧原理的气体传感器时，催化剂在平面式加热器的中心膜区的覆盖率不高，且加热效率较低，影响了传感器的灵敏度。因此，如何设计一种低功耗、高加热效率和高性能的加热器是解决这些问题的关键。
本发明拟提供一种利用各向同性干法刻蚀工艺制作的具有圆弧形加热膜区的三维微型加热器，基于喷胶光刻的剥离工艺解决了在凹槽内部制作加热电阻丝的难题。所制作的微型加热器由于其独特的三维结构使得热量更加集中，具有功耗低，机械强度高等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有圆弧形凹槽加热膜区的三维微型加热器及其制作方法，从而解决目前平面型微型加热器在某些应用领域的局限性。
本发明采用硅各向同性干法刻蚀工艺刻蚀衬底硅形成横截面呈圆弧形结构的凹槽，利用多次“生长氧化硅——去除氧化硅”的方法使凹槽内表面更加光滑，通过在该凹槽内沉积介质层复合膜形成横截面呈圆弧形的凹槽形加热膜区，加热电阻丝以折线或曲线的形式排布在圆弧形加热膜区的内部，干法刻蚀定义出加热膜区和支持悬梁的形状，释放后的加热膜区由支撑悬梁支撑并悬浮在衬底之上。
圆弧形凹槽加热膜区避免了转角的存在，有利于热应力在加热膜区内均匀分布，从而可以提高加热器在高温下的机械强度。加热电阻丝在圆弧形凹槽加热膜区内既能以折线的形式排布也能以曲线的形式排布，因此这种结构的三维加热器可以满足多种应用需求。
综上所述，本发明提供的一种具有圆弧形凹槽加热膜区的三维微型加热器的特征在于横截面呈圆弧形结构的凹槽形加热膜区通过支撑悬梁与衬底框架相连，加热电阻丝以折线或曲线的形式排布在加热膜区凹槽的内部并通过支撑悬梁上的引线与衬底框架上的电极相连，加热膜区和支撑悬梁下方是隔热腔体。
其中，1.加热膜区是横截面呈圆弧形的凹槽，凹槽的开口(腐蚀窗口)是圆形或椭圆形，凹槽是利用硅各向同性干法刻蚀形成的。
2.支撑悬梁的一端与衬底框架相连，另一端与凹槽形的加热膜区相连，支撑悬梁以加热膜区为中心对称排布。
3.加热电阻丝以折线或曲线的的形式排布在加热膜区的凹槽内部。
4.引线排布在任意两个支撑悬梁上并连接加热膜区内的加热电阻丝和衬底框架上的电极。
5.隔热腔体位于加热膜区和支撑悬梁的下方，所述的隔热腔体可以由硅各向同性干法刻蚀，硅各向异性湿法腐蚀，或者两者结合使用形成。隔热腔体使得加热膜区在支撑悬梁的支撑下悬浮在衬底之上。
本发明另一目的在于提供一种具有圆弧形凹槽加热膜区的三维微型加热器的制作方法，具体制作步骤如下：
1.硅衬底的选择。根据最后加热膜区和支撑悬梁的释放方法不同衬底的选择也不同。如果释放方法采用了硅各向异性湿法腐蚀，那么衬底仅限于(100)面的硅片；如果释放方法仅采用硅各向同性干法刻蚀，那么衬底不受晶面的限制，可以是常见的(100)，(110)或(111)面的硅片。
2.制作用于形成凹槽结构的正面腐蚀窗口。采用热氧化、低压化学气相沉积(LPCVD)或等离子增强化学气相沉积(PECVD)的方法在硅片表面形成一层厚度在0.1-3.0微米之间的氧化硅薄膜。然后进行光刻做出窗口图形，在光刻胶的保护下利用反应离子刻蚀(RIE)或离子束刻蚀(Ion-beam)方法，彻底刻蚀暴露的氧化硅，形成正面腐蚀窗口，如图2(a)所示。
3.制作横截面呈圆弧形结构的凹槽。在氧化硅的保护下利用硅各向同性干法刻蚀的方法通过步骤2形成的腐蚀窗口在硅片上腐蚀出圆弧形的凹槽，凹槽深度在5-150微米之间。硅各向同性干法刻蚀气体可以使用二氟化氙(XeF2)。
4.多次氧化使圆弧形凹槽内部更光滑。把经过步骤3干法刻蚀后的硅片进行氧化，生长一层厚度在0.1-1.0微米之间的氧化硅薄膜，然后彻底去除这层氧化硅薄膜。通过多次“生长氧化硅——去除氧化硅”的方法使凹槽内部更加光滑，如图2(b)所示。
5.制作凹槽形加热膜区和支撑悬梁的介质层薄膜。介质层薄膜是由氧化硅和氮化硅组成的多层复合膜，如图2(c)所示。氧化硅可以通过热氧化、低压化学气相沉积(LPCVD)或等离子增强化学气相沉积(PECVD)的方法制备，单层厚度在0.2-1.0微米之间。氮化硅可以通过低压化学气相沉积(LPCVD)或等离子增强化学气相沉积(PECVD)的方法制备，单层厚度在0.2-1.0微米之间。介质层的总厚度在0.4-5.0微米之间。
6.制作加热电阻丝，引线和电极。有两种工艺，一种是剥离工艺(lift-off)，另一种是电镀工艺(electroplating)。采用剥离工艺的制作方法为：喷胶光刻(光刻胶厚度为1-10微米)定义出加热电阻丝，引线和电极的图形，然后溅射一层0.2-2.0微米厚的钛铂，最后丙酮去胶后形成了加热电阻丝，引线和电极。采用电镀工艺的制作方法为：溅射金属种子层(如：钛铂、钛金、铂、金、钛钨/金、钛钨/铂)，使得介质层表面均覆盖有金属种子层。喷胶光刻(光刻胶厚度为1-10微米)定义出加热电阻丝，引线和电极的图形，电镀一层0.2-2微米厚的金属铂。最后去除光刻胶和种子层即可。制作好的加热电阻丝，引线和电极如图2(d)所示。
7.制作介质层薄膜的释放窗口。正面光刻定义出用于释放加热膜区和支撑悬梁的腐蚀窗口图形，在光刻胶的保护下利用反应离子刻蚀(RIE)或离子束刻蚀(Ion-beam)彻底刻蚀暴露的氧化硅和氮化硅复合膜，形成薄膜释放窗口。
8.加热膜区和支撑悬梁的释放。根据硅衬底的晶面和支撑悬梁的方向的不同可以使用以下三种方法：一，利用硅各向同性干法刻蚀气体二氟化氙(XeF2)实现加热膜区和支持悬梁的释放。这种方法不受硅衬底的晶面和支撑悬梁的方向的限制。二，利用硅各向异性腐蚀液通过薄膜释放窗口腐蚀衬底硅，并在中心膜区和支撑悬梁的下方形成隔热腔体。这种方法仅限于衬底是(100)面的硅片，并且支撑悬梁的方向与<100>晶向的夹角保持在±30度以内。腐蚀液有多种选择，比如：KOH(氢氧化钾)，TMAH(四甲基氢氧化铵)，或者EPW(乙二胺，邻苯二酚和水)等。三，当衬底是(100)面的硅片，并且支撑悬梁的方向与<110>晶向的夹角保持在±15度以内时，可以先使用硅各向同性干法刻蚀再使用各向异性湿法腐蚀的方法实现加热膜区和支撑悬梁的释放。采用方法二释放后的结构如图2(e)所示。
相对传统的基于MEMS工艺的平面式二维微型加热器来说，本发明提供的一种具有圆弧形凹槽加热膜区的三维微型加热器的主要特点如下：
1.三维微型加热器的加热电阻丝排布在中心膜区的凹槽内部，气体在凹槽中的对流系数较小，减小了因对流换热引起的热量散失，有利于降低加热器的功耗。
2.三维微型加热器的加热电阻丝通过剥离或电镀工艺制备，增加了器件的可靠性，特别是高温下的稳定性。
3.采用本发明提供的方法制作的三维微型加热器，器件体积小，性能高，易于阵列化和批量生产。
4.所述加热器的优点还体现在不同领域的应用中。用作红外热源时，嵌入的加热电阻丝能够形成热量集中的热源，这种热源相对传统平面式微型加热器形成的热源来说受空气流动的影响较小。用于生化传感领域时，催化剂可以植入到凹槽结构中，底部和侧部的电阻丝同时对催化剂加热，热量更集中，效率更高，利于提高传感器的性能。
附图说明
图1为本发明之具有圆弧形凹槽加热膜区的三维微型加热器的立体结构示意图。
图2为本发明之具有圆弧形凹槽加热膜区的三维微型加热器的主要流程示意图。其中，(a)为制作用于形成凹槽结构的正面腐蚀窗口，(b)为经过刻蚀和多次氧化后的圆弧形凹槽，(c)为制作凹槽形加热膜区和支撑悬梁的介质层薄膜，(d)为制作加热电阻丝、引线和电极，(e)为释放加热膜区和支撑悬梁。
图3为本发明实施例2中的加热器结构示意图。
图4为本发明实施例3中的加热器结构示意图。
图5为本发明实施例4中的加热器结构示意图。
图中1为衬底框架，2为加热膜区，3为支撑悬梁，4为加热电阻丝，5为引线，6为电极，7为隔热腔体。
具体实施方式
实施例1：
本实施例的结构示意图参见图1所示，具体制作方法如下：
1.硅衬底的选择：选择N型(110)面的4英寸硅片作为衬底，电阻率1-10Ω·cm，硅片厚度为450±10微米。
2.制作用于形成凹槽结构的正面腐蚀窗口：采用热氧化的方法在硅片表面形成一层厚度为2.0微米的氧化硅薄膜。然后进行光刻做出窗口图形，在光刻胶的保护下利用反应离子刻蚀(RIE)彻底刻蚀暴露的氧化硅，形成正面腐蚀窗口。
3.制作横截面呈圆弧形结构的凹槽：在氧化硅的保护下利用硅各向同性干法刻蚀的方法通过步骤2形成的腐蚀窗口在硅片上腐蚀出圆弧形的凹槽，凹槽深度约为20微米。硅各向同性干法刻蚀气体可以使用二氟化氙(XeF2)。
4.多次氧化使圆弧形凹槽内部更光滑：把经过步骤3干法刻蚀后的硅片进行氧化，生长一层厚度为0.5微米的氧化硅薄膜，然后彻底去除这层氧化硅薄膜。通过五次“生长氧化硅——去除氧化硅”的方法使凹槽内部更加光滑。
5.制作凹槽形加热膜区和支撑悬梁的介质层薄膜：利用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法依次生长一层厚度为0.5微米的氧化硅和一层厚度为0.3微米的氮化硅。
6.采用剥离工艺(lift-off)制作加热电阻丝，引线和电极：喷胶光刻(光刻胶厚度为8微米)定义出加热电阻丝，引线和电极的图形，然后溅射一层0.2微米厚的钛铂，最后丙酮去胶后形成了加热电阻丝，引线和电极。
7.制作介质层薄膜的释放窗口：正面光刻定义出用于释放加热膜区和支撑悬梁的腐蚀窗口图形，在光刻胶的保护下利用离子束刻蚀(Ion-beam)彻底刻蚀暴露的氧化硅和氮化硅复合膜，形成薄膜释放窗口。
8.加热膜区和支撑悬梁的释放：利用硅各向同性干法刻蚀气体二氟化氙(XeF2)刻蚀衬底硅实现加热膜区和支持悬梁的释放。
实施例2：
本实施例的结构示意图参见图3所示，具体制作方法如下：
1.硅衬底的选择：选择N型(100)面的4英寸硅片作为衬底，电阻率3-8Ω·cm，硅片厚度为350±10微米。
2.制作用于形成凹槽结构的正面腐蚀窗口：采用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法在硅片表面形成一层厚度为2.0微米的氧化硅薄膜。然后进行光刻做出窗口图形，在光刻胶的保护下利用离子束刻蚀(Ion-beam)彻底刻蚀暴露的氧化硅，形成正面腐蚀窗口。
3.制作横截面呈圆弧形结构的凹槽：在氧化硅的保护下利用硅各向同性干法刻蚀的方法通过步骤2形成的腐蚀窗口在硅片上腐蚀出圆弧形的凹槽，凹槽深度约为20微米。硅各向同性干法刻蚀气体可以使用二氟化氙(XeF2)。
4.多次氧化使圆弧形凹槽内部更光滑：把经过步骤3干法刻蚀后的硅片进行氧化，生长一层厚度为0.5微米的氧化硅薄膜，然后彻底去除这层氧化硅薄膜。通过五次“生长氧化硅——去除氧化硅”的方法使凹槽内部更加光滑。
5.制作凹槽形加热膜区和支撑悬梁的介质层薄膜：利用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法依次生长一层厚度为0.5微米的氧化硅和一层厚度为0.3微米的氮化硅。
6.采用剥离工艺(lift-off)制作加热电阻丝，引线和电极：喷胶光刻(光刻胶厚度为8微米)定义出加热电阻丝，引线和电极的图形，然后溅射一层0.2微米厚的钛铂，最后丙酮去胶后形成了加热电阻丝，引线和电极。
7.制作介质层薄膜的释放窗口：正面光刻定义出用于释放加热膜区和支撑悬梁的腐蚀窗口图形，在光刻胶的保护下利用离子束刻蚀(Ion-beam)彻底刻蚀暴露的氧化硅和氮化硅复合膜，形成薄膜释放窗口。
8.加热膜区和支撑悬梁的释放：先使用硅各向同性干法刻蚀刻蚀衬底硅释放支撑悬梁，再使用各向异性湿法腐蚀的方法实现加热膜区的释放。
实施例3：
本实施例的结构示意图参见图4所示，具体制作方法如下：
1.硅衬底的选择：选择P型(111)面的4英寸硅片作为衬底，电阻率1-10Ω·cm，硅片厚度为450±10微米。
2.制作用于形成凹槽结构的正面腐蚀窗口：采用热氧化的方法在硅片表面形成一层厚度为1.0微米的氧化硅薄膜。然后进行光刻做出窗口图形，在光刻胶的保护下利用离子束刻蚀(Ion-beam)彻底刻蚀暴露的氧化硅，形成正面腐蚀窗口。
3.制作横截面呈圆弧形结构的凹槽：在氧化硅的保护下利用硅各向同性干法刻蚀的方法通过步骤2形成的腐蚀窗口在硅片上腐蚀出圆弧形的凹槽，凹槽深度约为30微米。硅各向同性干法刻蚀气体可以使用二氟化氙(XeF2)。
4.多次氧化使圆弧形凹槽内部更光滑：把经过步骤3干法刻蚀后的硅片进行氧化，生长一层厚度为0.5微米的氧化硅薄膜，然后彻底去除这层氧化硅薄膜。通过五次“生长氧化硅——去除氧化硅”的方法使凹槽内部更加光滑。
5.制作凹槽形加热膜区和支撑悬梁的介质层薄膜：利用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法依次生长一层厚度为0.5微米的氧化硅和一层厚度为0.3微米的氮化硅。
6.采用电镀工艺(electroplating)制作加热电阻丝，引线和电极：溅射金属种子层钛铂，使得介质层表面均覆盖有金属种子层，喷胶光刻(光刻胶厚度为6微米)定义出加热电阻丝，引线和电极的图形，电镀一层1.0微米厚的金属铂。最后去除光刻胶和种子层即可。
7.制作介质层薄膜的释放窗口：正面光刻定义出用于释放加热膜区和支撑悬梁的腐蚀窗口图形，在光刻胶的保护下利用离子束刻蚀(Ion-beam)彻底刻蚀暴露的氧化硅和氮化硅复合膜，形成薄膜释放窗口。
8.加热膜区和支撑悬梁的释放：利用硅各向同性干法刻蚀气体二氟化氙(XeF2)刻蚀衬底硅实现加热膜区和支持悬梁的释放。
实施例4：
本实施例的结构示意图参见图5所示，具体制作方法如下：
1.硅衬底的选择：选择P型(100)面的4英寸硅片作为衬底，电阻率3-8Ω·cm，硅片厚度为350±10微米。
2.制作用于形成凹槽结构的正面腐蚀窗口：采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)的方法在硅片表面形成一层厚度为2.0微米的氮化硅薄膜。然后进行光刻做出窗口图形，在光刻胶的保护下利用离子束刻蚀(Ion-beam)彻底刻蚀暴露的氮化硅，形成正面腐蚀窗口。
3.制作横截面呈圆弧形结构的凹槽：在氧化硅的保护下利用硅各向同性干法刻蚀的方法通过步骤2形成的腐蚀窗口在硅片上腐蚀出圆弧形的凹槽，凹槽深度约为30微米。硅各向同性干法刻蚀气体可以使用二氟化氙(XeF2)。
4.多次氧化使圆弧形凹槽内部更光滑：把经过步骤3干法刻蚀后的硅片进行氧化，生长一层厚度为0.5微米的氧化硅薄膜，然后彻底去除这层氧化硅薄膜。通过五次“生长氧化硅——去除氧化硅”的方法使凹槽内部更加光滑。
5.制作凹槽形加热膜区和支撑悬梁的介质层薄膜：利用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法依次生长一层厚度为0.5微米的氧化硅和一层厚度为0.3微米的氮化硅。
6.采用剥离工艺(lift-off)制作加热电阻丝，引线和电极：采用电镀工艺(electroplating)制作：溅射金属种子层钛铂，使得介质层表面均覆盖有金属种子层，喷胶光刻(光刻胶厚度为6微米)定义出加热电阻丝，引线和电极的图形，电镀一层1.0微米厚的金属铂。最后去除光刻胶和种子层即可。
7.制作介质层薄膜的释放窗口：正面光刻定义出用于释放加热膜区和支撑悬梁的腐蚀窗口图形，在光刻胶的保护下利用离子束刻蚀(Ion-beam)彻底刻蚀暴露的氧化硅和氮化硅复合膜，形成薄膜释放窗口。
8.加热膜区和支撑悬梁的释放：先使用硅各向同性干法刻蚀刻蚀衬底硅释放支撑悬梁，再使用各向异性湿法腐蚀的方法实现加热膜区的释放。
Claims (9)
1.一种具有圆弧形凹槽加热膜区的三维微型加热器，其特征在于横截面呈圆弧形结构的凹槽形加热膜区通过支撑悬梁与衬底框架相连，加热电阻丝以折线或曲线的形式排布在加热膜区凹槽的内部并通过支撑悬梁上的引线与衬底框架上的电极相连，加热膜区和支撑悬梁下方是隔热腔体。
2.按权利要求1所述的三维微型加热器，其特征在于圆弧形结构的凹槽的开口是圆形或椭圆形的，凹槽是利用硅各向同性干法刻蚀形成的。
3.按权利要求1所述的三维微型加热器，其特征在于支撑悬梁的一端与衬底框架相连，另一端与凹槽形的加热膜区相连，支撑悬梁以加热膜区为中心对称排布。
4.按权利要求1所述的三维微型加热器，其特征在于加热电阻丝以折线或曲线的的形式排布在加热膜区的凹槽内部。
5.按权利要求1所述的三维微型加热器，其特征在于引线排布在任意两个支撑悬梁上，并连接加热膜区内的加热电阻丝和衬底框架上的电极。
6.按权利要求1所述的三维微型加热器，其特征在于隔热腔体位于加热膜区和支撑悬梁的下方，隔热模腔体是由硅各向同性干法刻蚀，、硅各向异性湿法腐蚀或者两者结合使用形成，隔热腔体使得加热膜区在支撑悬梁的支撑下悬浮于衬底之上。
7.制作如权利要求1-6任一项所述的三维微型加热器的方法，其特征在于制作的步骤为：
(a)衬底选择，根据最后加热膜区和支撑悬梁的释放方法不同衬底的选择也不同：
①采用硅各向异性湿法腐蚀释放方法，则衬底仅限于(100)面的硅片；
②采用硅各向同性干法刻蚀释放方法，则衬底不受晶面的限制，为(100)、(110)或(111)面的硅片；
(b)制作用于形成凹槽结构的正面腐蚀窗口，首先在硅片表面生长一层厚度在0.1-3.0微米之间的氧化硅薄膜，然后进行光刻做出窗口图形，在光刻胶的保护下利用反应离子刻蚀或离子束刻蚀方法刻蚀暴露的氧化硅，形成正面腐蚀窗口；
(c)制作横截面呈圆弧形结构的凹槽，在氧化硅的保护下利用硅各向同性干法刻蚀的方法通过步骤(b)形成的腐蚀窗口在硅片上腐蚀出圆弧形的凹槽，凹槽深度在5-150微米之间；
(d)多次氧化使圆弧形凹槽内部更光滑，把经过步骤3干法刻蚀后的硅片进行氧化，生长一层厚度在0.1-1.0微米之间的氧化硅薄膜，然后去除这层氧化硅薄膜，通过多次“生长氧化硅——去除氧化硅”的方法使凹槽内部更加光滑；
(e)制作凹槽形加热膜区和支撑悬梁的介质层薄膜，介质层薄膜是由氧化硅和氮化硅组成的多层复合膜，单层薄膜厚度在0.2-1.0微米之间，介质层的总厚度在0.4-5.0微米之间；
(f)采用剥离工艺或电镀工艺制作加热电阻丝，引线和电极：
所述的剥离工艺：喷胶光刻，光刻胶厚度为1-10微米，定义出加热电阻丝，引线和电极的图形，然后溅射一层0.2-2.0微米厚的钛铂，最后丙酮去胶后形成了加热电阻丝，引线和电极；
所述的电镀工艺：溅射钛铂、钛金、铂、金、钛钨/金或钛钨/铂金属种子层，使得介质层表面均覆盖有金属种子层，然后喷胶光刻，光刻胶厚度为1-10微米，定义出加热电阻丝，引线和电极的图形，再电镀一层0.2-2微米厚的金属铂，最后去除光刻胶和种子层；
(g)制作介质层薄膜的释放窗口，正面光刻定义出用于释放加热膜区和支撑悬梁的腐蚀窗口图形，在光刻胶的保护下利用反应离子刻蚀或离子束刻蚀彻底刻蚀暴露的氧化硅和氮化硅复合膜，形成薄膜释放窗口；
(h)加热膜区和支撑悬梁的释放，根据硅衬底的晶面和支撑悬梁的方向的不同可以使用以下三种方法：一，利用硅各向同性干法刻蚀气体二氟化氙实现加热膜区和支持悬梁的释放，这种方法不受硅衬底的晶面和支撑悬梁的方向的限制；二，利用硅各向异性腐蚀液通过薄膜释放窗口腐蚀衬底硅，并在中心膜区和支撑悬梁的下方形成隔热腔体，这种方法仅限于衬底是(100)面的硅片，并且支撑悬梁的方向与<100>晶向的夹角保持在±30度以内；三，当衬底是(100)面的硅片，并且支撑悬梁的方向与<110>晶向的夹角保持在±15度以内时，可以先使用干法刻蚀再使用各向异性湿法腐蚀的方法实现加热膜区和支撑悬梁的释放。
8.按权利要求7所述的具有圆弧形凹槽加热膜区的三维微型加热器的制作方法，其特征在于步骤e制作的介质层薄膜中的氧化硅薄膜通过热氧化、低压化学气相沉积或等离子增强化学气相沉积的方法制备，氮化硅薄膜是通过低压化学气相沉积或等离子增强化学气相沉积的方法制备。
9.按照权利要求7所述的具有圆弧形凹槽加热膜区的三维微型加热器的制作方法，其特征在于硅各向异性腐蚀所采用的腐蚀液为KOH，TMAH，或者EPW；硅各向同性干法刻蚀使用XeF2气体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201010278511A CN101932146B (zh) | 2010-09-10 | 2010-09-10 | 具有圆弧形凹槽加热膜区的三维微型加热器及制作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201010278511A CN101932146B (zh) | 2010-09-10 | 2010-09-10 | 具有圆弧形凹槽加热膜区的三维微型加热器及制作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101932146A true CN101932146A (zh) | 2010-12-29 |
| CN101932146B CN101932146B (zh) | 2012-10-17 |
Family
ID=43370958
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201010278511A Active CN101932146B (zh) | 2010-09-10 | 2010-09-10 | 具有圆弧形凹槽加热膜区的三维微型加热器及制作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101932146B (zh) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102256386A (zh) * | 2011-05-20 | 2011-11-23 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 具有非均匀线间距加热电阻丝的矩形微型加热器及方法 |
| CN102256387A (zh) * | 2011-05-20 | 2011-11-23 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 具有非均匀线宽加热电阻丝的矩形微型加热器及方法 |
| CN103922274A (zh) * | 2014-04-30 | 2014-07-16 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种三维红外光源及其制作方法 |
| CN105873245A (zh) * | 2016-06-14 | 2016-08-17 | 无锡新辉龙科技有限公司 | 一种用于半导体真空管道加热的卡扣式加热器 |
| CN108011030A (zh) * | 2017-12-27 | 2018-05-08 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种SiC热电堆型高温热流传感器及其制备方法 |
| CN108260235A (zh) * | 2018-01-18 | 2018-07-06 | 北京吉泰亿阳科技有限公司 | 一种三维异形电加热膜及其制备方法 |
| CN109073675A (zh) * | 2015-12-14 | 2018-12-21 | 米纳斯吉拉斯联合大学 | 用于扫描探针显微术的金属装置及其制造方法 |
| CN110182754A (zh) * | 2019-05-17 | 2019-08-30 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种具有微纳结构增强的微加热器及其制备方法 |
| CN113023658A (zh) * | 2021-03-04 | 2021-06-25 | 上海迈振电子科技有限公司 | 一种谐振式微悬臂梁芯片及其制备方法 |
| CN113514499A (zh) * | 2020-04-10 | 2021-10-19 | 中国石油化工股份有限公司 | 内嵌式三维结构微加热板及制备方法、气体传感器 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5464966A (en) * | 1992-10-26 | 1995-11-07 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce | Micro-hotplate devices and methods for their fabrication |
| CN1538934A (zh) * | 2001-07-31 | 2004-10-20 | ����Ĭ������˹�����ҿ�ѧ�о����� | 制造悬浮多孔硅微结构的方法及其在气体传感器中的应用 |
| CN1920528A (zh) * | 2005-08-25 | 2007-02-28 | 横河电机株式会社 | 红外线气体分析器 |
-
2010
- 2010-09-10 CN CN201010278511A patent/CN101932146B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5464966A (en) * | 1992-10-26 | 1995-11-07 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce | Micro-hotplate devices and methods for their fabrication |
| CN1538934A (zh) * | 2001-07-31 | 2004-10-20 | ����Ĭ������˹�����ҿ�ѧ�о����� | 制造悬浮多孔硅微结构的方法及其在气体传感器中的应用 |
| CN1920528A (zh) * | 2005-08-25 | 2007-02-28 | 横河电机株式会社 | 红外线气体分析器 |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102256387A (zh) * | 2011-05-20 | 2011-11-23 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 具有非均匀线宽加热电阻丝的矩形微型加热器及方法 |
| CN102256386A (zh) * | 2011-05-20 | 2011-11-23 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 具有非均匀线间距加热电阻丝的矩形微型加热器及方法 |
| CN103922274A (zh) * | 2014-04-30 | 2014-07-16 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种三维红外光源及其制作方法 |
| CN103922274B (zh) * | 2014-04-30 | 2016-01-13 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种三维红外光源的制作方法 |
| CN109073675A (zh) * | 2015-12-14 | 2018-12-21 | 米纳斯吉拉斯联合大学 | 用于扫描探针显微术的金属装置及其制造方法 |
| CN109073675B (zh) * | 2015-12-14 | 2021-01-15 | 米纳斯吉拉斯联合大学 | 用于扫描探针显微术的金属装置及其制造方法 |
| CN105873245A (zh) * | 2016-06-14 | 2016-08-17 | 无锡新辉龙科技有限公司 | 一种用于半导体真空管道加热的卡扣式加热器 |
| CN108011030B (zh) * | 2017-12-27 | 2019-12-17 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种SiC热电堆型高温热流传感器及其制备方法 |
| CN108011030A (zh) * | 2017-12-27 | 2018-05-08 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种SiC热电堆型高温热流传感器及其制备方法 |
| CN108260235A (zh) * | 2018-01-18 | 2018-07-06 | 北京吉泰亿阳科技有限公司 | 一种三维异形电加热膜及其制备方法 |
| CN110182754A (zh) * | 2019-05-17 | 2019-08-30 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种具有微纳结构增强的微加热器及其制备方法 |
| CN110182754B (zh) * | 2019-05-17 | 2021-10-29 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种具有微纳结构增强的微加热器及其制备方法 |
| CN113514499A (zh) * | 2020-04-10 | 2021-10-19 | 中国石油化工股份有限公司 | 内嵌式三维结构微加热板及制备方法、气体传感器 |
| CN113023658A (zh) * | 2021-03-04 | 2021-06-25 | 上海迈振电子科技有限公司 | 一种谐振式微悬臂梁芯片及其制备方法 |
| CN113023658B (zh) * | 2021-03-04 | 2024-05-28 | 上海迈振电子科技有限公司 | 一种谐振式微悬臂梁芯片及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101932146B (zh) | 2012-10-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101917784B (zh) | 一种具有凹槽形加热膜区的三维微型加热器及其制作方法 | |
| CN101932146B (zh) | 具有圆弧形凹槽加热膜区的三维微型加热器及制作方法 | |
| CN101917783A (zh) | 具有弧度可调的圆弧形加热膜区的三维微型加热器及方法 | |
| CN101795505B (zh) | 一种具有网孔结构加热膜的低功耗微型加热器及制作方法 | |
| US7861575B2 (en) | Micro gas sensor and manufacturing method thereof | |
| US20150097260A1 (en) | Single Silicon Wafer Micromachined Thermal Conduction Sensor | |
| CN103663353B (zh) | 一种空气声质点振速传感器及其制造方法 | |
| CN103274350B (zh) | 一种基于Parylene填充的隔热结构及其制备方法 | |
| CN101691207A (zh) | 一种微纳结构的制备方法 | |
| CN102256386A (zh) | 具有非均匀线间距加热电阻丝的矩形微型加热器及方法 | |
| CN210626385U (zh) | 一种具有四支撑悬梁结构的电阻式半导体气体传感器 | |
| CN109827654A (zh) | 一种空气声质点振速敏感元件及其封装方式 | |
| CN101938862B (zh) | 一种具有螺管式加热电阻的三维微型加热器及其制作方法 | |
| CN104291263A (zh) | 一种金刚石桥膜结构微型红外光源芯片及制备方法 | |
| CN107316829B (zh) | 基于tmah的气相刻蚀方法及气相刻蚀装置 | |
| CN204129000U (zh) | 一种mems气体传感器 | |
| CN108271282A (zh) | 一种微热盘及其制作方法 | |
| CN108751122A (zh) | 一种三维微型加热器及其制备方法 | |
| CN102530847A (zh) | 热绝缘微结构及其制备方法 | |
| CN108318525B (zh) | 一种对流量不敏感的微型热导检测器 | |
| CN109633154A (zh) | 一种新型固态纳米孔结构及其制作方法 | |
| CN100396593C (zh) | 单层双材料微悬臂梁热隔离焦平面阵列的制作方法 | |
| CN206583873U (zh) | 薄膜型微热导检测器 | |
| CN102256387A (zh) | 具有非均匀线宽加热电阻丝的矩形微型加热器及方法 | |
| CN101590997B (zh) | 一种湿法腐蚀制作集成压阻SiO2悬臂梁的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20180928 Address after: 230000 room 1609, F3 building, innovation industry park, 2800 innovation Avenue, Hefei high tech Zone, Anhui. Patentee after: HEFEI MICRO NANO SENSING TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 200050 No. 865, Changning Road, Shanghai, Changning District Patentee before: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 230000 building D6, phase I, Zhongan chuanggu Science Park, No. 900, Wangjiang West Road, high tech Zone, Hefei, Anhui Patentee after: Micro nano perception (Hefei) Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 230000 room 1609, F3 building, innovation industry park, 2800 innovation Avenue, Hefei high tech Zone, Anhui. Patentee before: HEFEI MICRO NANO SENSING TECHNOLOGY Co.,Ltd. Country or region before: China |
|
| CP03 | Change of name, title or address |