CN102256386A - 具有非均匀线间距加热电阻丝的矩形微型加热器及方法 - Google Patents

具有非均匀线间距加热电阻丝的矩形微型加热器及方法 Download PDF

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许磊
李铁
王跃林
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本发明涉及一种具有非均匀线间距加热电阻丝的矩形微型加热器及方法，所述微型加热器包括：衬底框架，矩形加热膜区，支撑悬梁，梯形过渡区，折线形加热电阻丝，引线，接触电极，和隔热腔体。其特征在于矩形加热膜区通过过渡区和支撑悬梁与衬底框架相连，折线形加热电阻丝以线间距按照在加热膜区中心处稀疏、在加热膜区两端处稠密的方式排布在矩形加热膜区上，并通过支撑悬梁上的引线与衬底框架上的接触电极相连，在矩形加热膜区和支撑悬梁的下方是隔热腔体。

Description

具有非均匀线间距加热电阻丝的矩形微型加热器及方法
技术领域
本发明涉及一种具有非均匀线间距加热电阻丝的矩形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，环境监控和红外光源等领域广泛应用。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。如伺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。
在应用于气体传感领域时，为了达到更好的性能，加热器的加热膜区需要有较好的温度均匀性。比如在金属氧化物半导体式气体传感器中，传感器在某一温度下对不同气体有不同的灵敏度，因此稳定且均匀的温度必将有利于提高传感器对特定气体的选择性。在催化燃烧式气体传感器中，为了实现低功耗和高灵敏度，良好的温度均匀性也是必要的。
然而，基于硅衬底的微型加热器通常只采用两种方式来提高加热膜区的温度均匀性。一种是在加热区下方增加一块硅岛，通过导热的方式分散热量。例如：Markus Graf，Diego Barrettino，Kay-Uwe Kirstein，Andreas hierlemann，“COMS microhotplate sensor system for operating temperatures up to 500℃，”Sensors and Actuators B，vol.117，2006，pp.346-352。另一种方法是在加热膜区上方增加一层金属层，如铝，金等，利用金属良好的导热性来提高温度均匀性。例如：Tekin A.Kunt，Thomas J.McAvoy，Richard E.Cavicchi，SteveSemancik，“Optimization of temperature programmed sensing for gasidentification using micro-hotplate sensors，”Sensors and Actuators B，vol.53，1998，pp.24-43。这两种方法都能够在一定程度上提高温度均匀性，但是工艺复杂，增加成本，而且还会增加加热器的功耗，影响机械强度。
本发明拟提供的一种采用非均匀线间距加热电阻丝的矩形加热器，它是通过增加折线形加热电阻丝中心的线间距从而有效减小加热膜区中心的发热功耗，以实现良好的温度均匀性。该结构只需改变折线形加热电阻丝的版图设计，不会增加任何工艺或成本，而且对功耗和机械强度几乎没有影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有非均匀线间距加热电阻丝的矩形微型加热器及其制作方法，从而提高微型加热器的温度均匀性，进而提高其在气体传感应用中的性能。
所述加热器的结构如图1所示，包括：衬底框架，矩形加热膜区，支撑悬梁，梯形过渡区，折线形加热电阻丝，引线，接触电极，和隔热腔体。本发明所提供的具有非均匀线间距加热电阻丝的矩形微型加热器的结构特征在于：
1.矩形加热膜区的两端分别通过一个梯形过渡区与支撑悬梁的一端相连，支撑悬梁的另一端连接衬底框架起到支撑的作用；
2.折线形加热电阻丝通过支撑悬梁上的引线与衬底框架上的接触电极相连；
3.折线形加热电阻丝以中心对称或轴对称的方式排布在矩形加热膜区上，电阻丝的线间距按照在加热膜区中心处稀疏、在加热膜区两端处稠密的方式分布；
4.线间距在加热膜区中心处最宽，在加热膜区两端处最窄，线间距最宽为100微米，最窄为1微米。
5.线间距的宽度按照从加热膜区的中心向左右两端逐渐递减，单次递减的幅度的范围在5％到60％之间。
6.折线形加热电阻丝的线宽是可以变化的，实际应用中可以通过增加调整电阻丝的线宽来进一步提高加热膜区处的温度均匀性。
7.所述的支撑悬梁的方向与<100>晶向的夹角保持±30度以内或与<110>晶向的夹角保持在±15度范围以内。
8.在矩形加热膜区和支撑悬梁的下方是隔热腔体，隔热腔体可以有两种形状，一种是通过正面硅各向异性湿法腐蚀形成的横截面呈倒梯形或“V”字形的结构，另一种是通过各向同性湿法腐蚀或各向同性干法刻蚀形成的横截面呈圆弧形的结构。
本发明的制作方法如图2所示，具体如下：
1.选择衬底。选取(100)面的硅片作为衬底，双面抛光或单面抛光的硅片均可，N型或P型的都可以。
2.制作复合膜。复合膜用于形成加热膜区，梯形过渡区和支撑悬梁。复合膜由单层或多层的氧化硅和氮化硅复合而成。可以采用氧化、等离子增强化学气相沉积(PECVD)、或低压化学气相沉积(LPCVD)等方法制备。
3.制作折线形加热电阻丝，引线和电极。对于金属材料，如铂、金等，利用lift-off工艺或者湿法腐蚀工艺制作；对于半导体材料，如多晶硅等，采用先沉积再干法刻蚀的方法制作。
4.开薄膜释放窗口。如果支撑悬梁的方向与<100>晶向的夹角保持在±30度以内，直接利用反应离子刻蚀(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。如果支撑悬梁的方向与<110>晶向的夹角保持在±15度以内，先利用反应离子刻蚀(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，再利用深反应离子刻蚀(DRIE)刻蚀衬底硅，刻蚀深度要大于支撑悬梁宽度的0.7倍，最后形成薄膜释放窗口。
5.释放薄膜。一种方法是使用各向异性湿法腐蚀液，如四甲基氢氧化铵(TMAH)或氢氧化钾(KOH)等；另一种方法是使用各向同性湿法腐，如氢氟酸(HF)+硝酸(HNO3)+水(H2O)等或者各向同性干法刻蚀气体，如XeF2等。通过这两种方法掏空复合膜下面的衬底硅释放出薄膜结构即形成微型加热器。
本发明提供的一种具有非均匀线间距加热电阻丝的矩形微型加热器的结构，与以往的微型加热器相比，其优点在于：
1.这个器件只需要两块光刻版就能完成，制造工艺相对简单。
2.采用线间距中心稀疏两端稠密的折线形加热电阻丝，只需要改变版图的设计，不增加额外工艺，降低了成本。
3.加热膜区温度分布均匀，利于提高加热器在气体传感应用中的性能(图5)。
4.两支撑悬梁的结构减小了中心加热膜区向衬底的热传导，进而降低了功耗。
显然，本发明提供了一种具有非均匀线间距加热电阻丝的矩形微型加热器，加热电阻丝也可以为非均匀线宽(另案申请)，甚至可以将非均匀线间距和非均匀线宽相结合，构筑成微型加热器，以使加热膜区的温度分布均匀，但均属于本发明的构思范畴之列。
附图说明
图1为本发明提供的一种具有非均匀线间距加热电阻丝的矩形微型加热器的结构示意图，其中(a)为矩形微型加热器的立体结构示意图，支撑悬梁沿着<100>晶向，(b)为图1(a)所示的加热器的加热膜区的放大图，折线形加热电阻丝的线间距保持中心稀疏两端稠密。
图2为本发明提供的一种具有非均匀线间距加热电阻丝的矩形微型加热器的制作流程图，其中(a)选择衬底，(b)制作复合膜，(c)制作折线形加热电阻丝，引线和电极，(d)开薄膜释放窗口，(e)释放薄膜。
图3为实施例2中微型加热器的立体结构示意图，支撑悬梁沿着<110>晶向。
图4为实施例3中微型加热器的结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为截面图，薄膜释放采用干法刻蚀工艺。
图5为两个加热器在相同功耗下工作时的红外照片对比图，其中(a)为具有均匀线宽和均匀线间距折线形加热电阻丝的加热器的红外照片，加热膜区中心处的颜色要明显比两端红，可见中心处的温度要比两端高出很多，(b)为具有均匀线宽和非均匀线间距折线形加热电阻丝的加热器的红外照片，加热膜区中心处的颜色和两端处的颜色相近，说明中心处的温度和两端差不多。对比可见这种采用非均匀线间距加热电阻丝的结构设计能够有效提高加热膜区的温度均匀性。
图中1为衬底框架，2为矩形加热膜区，3为支撑悬梁，4为梯形过渡区，5为折线形加热电阻丝，6为引线，7为接触电极，8为隔热腔体。
实施例1：
该实施例的结构示意图参见图1(a)所示，具体制作方法如下：
1.选择衬底。选取N型(100)面的4英寸双面抛光的硅片作为衬底，电阻率3-8Ω·cm，硅片厚度为350±10微米，切边的角度误差＜1％。
2.制作复合膜。采用单层复合膜，利用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法依次沉积一层厚度为0.5微米的氧化硅和一层厚度为0.3微米的氮化硅。
3.制作折线形加热电阻丝，引线和电极。采用剥离工艺(lift-off)制作。薄胶光刻(光刻胶厚度为2.0微米)定义出折线形加热电阻丝，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折线形加热电阻丝，引线和电极。
4.开薄膜释放窗口。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。
5.释放薄膜。利用TMAH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倒梯形的隔热腔体。
实施例2：
该实施例的结构示意图参见图3所示，具体制作方法如下：
1.衬底选择。选择P型(100)面的4英寸单面抛光的硅片作为衬底，电阻率3-8Ω·cm，硅片厚度为350±10微米，切边的角度误差＜1％。
2.制作复合膜。采用单层复合膜，利用等离子增强化学气相沉积(PECVD)的方法依次沉积一层厚度为0.4微米的氧化硅和一层厚度为0.6微米的氮化硅。
3.制作折线形加热电阻丝，引线和电极。采用湿法腐蚀工艺制作。先溅射一层0.2微米厚的钛铂，再进行薄胶光刻(光刻胶厚度为1.8微米)定义出折线形加热电阻丝，引线和电极的图形，最后湿法腐蚀形成折线形加热电阻丝，引线和电极。
4.开薄膜释放窗口。第一步，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；第二步，利用深反应离子刻蚀(DRIE)刻蚀衬底硅，刻蚀深度要大于支撑悬梁宽度的0.7倍；最后去胶后就形成薄膜释放窗口。
5.释放薄膜。利用KOH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倒梯形的隔热腔体。
实施例3：
该实施例的结构示意图参见图4所示，具体制作方法如下：
1.衬底选择。选择P型(100)面的4英寸双面抛光的硅片作为衬底，电阻率3-8Ω·cm，硅片厚度为350±10微米，切边的角度误差＜1％。
2.制作复合膜。采用多层复合膜，先利用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法依次沉积一层厚度为0.2微米的氧化硅和一层厚度为0.2微米的氮化硅，再利用等离子增强化学气相沉积(PECVD)的方法依次沉积一层厚度为0.2微米的氧化硅和一层厚度为0.2微米的氮化硅。
3.制作折线形加热电阻丝，引线和电极。采用剥离工艺(lift-off)制作。薄胶光刻(光刻胶厚度为1.4微米)定义出折线形加热电阻丝，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折线形加热电阻丝，引线和电极。
4.开薄膜释放窗口。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。
5.释放薄膜。利用XeF2刻蚀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弧形的隔热腔体。

Claims (8)

1.一种具有非均匀线间距加热电阻丝的矩形微型加热器，其特征在于：
①矩形加热膜区的两端分别通过一个梯形过渡区与支撑悬梁的一端相连，支撑悬梁的另一端连接衬底框架；
②折线形加热电阻丝以中心对称或轴对称的方式排布在矩形加热膜区上；电阻丝的线间距按照在加热膜区中心处稀疏，在加热膜区两端处稠密的方式排布；
③折线形加热电阻丝通过支撑悬梁上的引线与衬底框架上的接触电极相连；
④在矩形加热膜区和支撑悬梁的下方是隔热腔体。
2.按权利要求1所述的微型加热器，其特征在于梯形过渡区的上底与支撑悬梁相连，下底则与矩形加热膜区相连。
3.按权利要求1所述的微型加热器，其特征在于折线形加热电阻丝的线间距的宽度是按照从加热膜区的中心向左右两端逐渐递减，单此递减的幅度范围在5％到60％之间。
4.按照权利要求3所述的微型加热器，其特征在于所述的线间距在矩形加热膜区中心处最宽，在矩形加热膜区两端处最窄，线间距最宽为100微米，最窄为1微米。
5.按照权利要求1所述的微型加热器，其特征在于所述的隔热腔体的形状有两种，一种是通过硅各向异性湿法腐蚀形成的横截面呈倒梯形或“V”字形的结构，另一种是通过各向同性湿法腐蚀或各向同性干法刻蚀形成的横截面呈圆弧形的结构。
6.按权利要求1所述的微型加热器，其特征在于所述的支撑悬梁的方向与<100>晶向的夹角保持±30度以内或与<110>晶向的夹角保持在±15度范围以内。
7.制备如权利要求1-6中任一项所述的微型加热器的方法，其特征在于制作步骤是：
1)选择衬底：选取(100)面的硅片，双面抛光或单面抛光；
2)在衬底上制作复合膜：复合膜用于形成矩形加热膜区，梯形过渡区和支撑悬梁。复合膜由单层或多层的氧化硅和氮化硅复合而成；采用氧化、等离子增强化学气相沉积、或低压化学气相沉积方法制备；
3)在步骤2的复合膜上制作折线形加热电阻丝、引线和电极：对于铂或金金属材料，利用lift-off工艺或者湿法腐蚀工艺制作；对于多晶硅半导体材料，采用先沉积再干法刻蚀的方法制作；
4)开薄膜释放窗口：如果支撑悬梁的方向与<100>晶向的夹角保持在±30度以内，直接利用反应离子刻蚀或离子束刻蚀刻蚀暴露的氧化硅和氮化硅复合膜，形成薄膜释放窗口。如果支撑悬梁的方向与<110>晶向的夹角保持在±15度以内，先利用反应离子刻蚀或离子束刻蚀刻蚀暴露的氧化硅和氮化硅复合膜，再利用深反应离子刻蚀刻蚀衬底硅，最后形成薄膜释放窗口；
5)释放薄膜：使用各向异性湿法腐蚀、各向同性湿法腐蚀或者各向同性干法气体刻蚀，掏空复合膜下面的衬底硅释放出薄膜结构，从而形成微型加热器。
8.按权利要求7所述的方法，其特征在于：
①步骤1中所述的衬底为N型或P型；
②步骤4中所述的刻蚀衬底硅的深度大于支撑悬梁宽度的0.7倍；
③步骤5中所述的各向同性湿法腐蚀的腐蚀液为硝酸+氢氟酸+水；
④步骤5中所述的各向同性干法气体刻蚀的气体为XeF2；
⑤步骤5中所述的各向异性湿法腐蚀的腐蚀液为四甲基氢氧化铵或氢氧化钾。
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