CN102730621B - 一种加热丝嵌入式硅基微热板及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加热丝嵌入式硅基微热板及制备方法，所述微热板采用硅基材料制备，易于MEMS加工工艺上的实现。其特征在于，在传统“三明治”夹层结构的基础上，将加热丝埋入到基底绝缘膜层中，通过周围致密绝缘膜层对加热丝的约束作用，减小了加热丝与绝缘层热膨胀系数失配所产生的热应力对器件稳定性造成的影响，同时有效的缓解电迁移对加热丝变形的影响，从而提高微热板在高温工作时的稳定性。

Description

一种加热丝嵌入式硅基微热板及加工方法

技术领域

本发明涉及一种基于MEMS（微机电系统）工艺的硅基微热板（microhotplate）及其加工方法，该硅基微热板作为微热源广泛应用于微型气体传感器以及需要一定工作温度环境的微器件中。

背景技术

众所周知，随着工业化的发展，大气中二氧化碳、氯氟烃、甲烷、低空臭氧和氮氧化物等温室气体的浓度不断增加，形成的温室效应已经引起了气候的显著变化。除了以上常见温室气体外，其他对人体有害气体，如芳香族类气体（主要为苯）等也越来越受到人们的关注。这些对人体有害的气体会随着工业废气、汽车尾气等被释放出来，进入到空气中，对人们的身体健康产生不良影响。

综上，对温室气体（如CO2等）以及其他有害气体（如苯、甲醛等）的监测与控制已成为众多学者关注的一项重要研究课题。为此，人们根据不同的工作原理，开发了各种不同类型的气体传感器，包括半导体式、固体电解质式、红外吸收式、接触燃烧式等。其中，半导体式气体传感器与固体电解质气体传感器以其良好的灵敏度、较低的成本以及与IC工艺的兼容性，日益成为科研工作者的研究热点，并且向着微型化、低功耗化、集成化方向发展。为达到较好的测量效果，这两类传感器都需要一定的工作温度。目前为止，基于焦耳热的加热板被广泛用作气体传感器的工作热源。

为了适应气体传感器微型化的发展需求，作为气体传感器供热平台的加热板也需要微型化，即需要与微型气体传感器尺寸匹配的微热板。一种常规的硅基微热板结构如图1所示。在单晶硅基底上沉积一Si₃N₄作为下绝缘层，背部绝热槽可以更好的防止热量的散失以降低功耗，下绝缘层上方通过lift-off工艺加工出Pt加热丝层，通过给加热丝通电即可产生热量，形成气体传感器工作所需要的温度。在Pt加热丝上又沉积上一层Si₃N₄上绝缘层。

但是，现有硅基微热板遇到了很多亟待解决的问题。最为关键的问题就是微热板的使用寿命问题。薄膜结构是微型化必然采用的一个方法，包括绝缘层薄膜化、加热丝薄膜化以及电极薄膜化等。但是薄膜结构的力学性能较之厚膜结构有着明显的差异，加工方法的不同也会造成薄膜结构的性能各异。高温环境下，由于多层膜结构中膜与膜之间的热膨胀系数不同而引起的失效是微热板失效的一个主要原因。而电迁移效应会造成加热丝形状的变化，同样会使器件失效。

目前，由于微热板薄膜结构在高温工作条件下不稳定导致的失效问题还没有得到很好的解决，从很大程度上抑制了微型气体传感器的发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种加热丝嵌入式硅基微热板膜层结构，通过加热丝周围致密的介质对加热丝的限定作用，降低微热板在高温工作条件下发生翘曲变形的应力，以及缓解电迁移造成的加热丝变形失效问题，提高微热板在高温工作条件下的稳定性，从而为微型气体传感器等器件提供可靠热源；同时该膜层结构能够满足传统的MEMS加工工艺要求，利于实现微热板样品制备与实验。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术放案予以实现的：

一种加热丝嵌入式硅基微热板，包括背部带绝热槽的单晶硅基底，该单晶硅基底上设置下绝缘层，下绝缘层上方设置带引线盘的加热丝层，加热丝上设置一层上绝缘层，在加热丝层引线盘位置的上绝缘层开有引线窗，其特征在于，所述加热丝层嵌入到下绝缘层的内部。

上述方案中，所述的加热丝层形状为双曲螺旋加热丝，并连接两个对角布置的矩形引线盘。

前述加热丝嵌入式硅基微热板的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

a．在晶向为（100）、双面抛光的单晶硅片的正面，通过热氧化及化学气相沉积工艺制作出下绝缘层；

b．在下绝缘层上匀胶光刻定义出加热丝层的形状及位置；

c．以光刻胶作为掩蔽层，利用反应离子刻蚀在下绝缘层上干法腐蚀沟槽；

d．在沟槽上面磁控溅射一层带引线盘的加热丝层，采用剥离工艺去除光刻胶，该加热丝层正好嵌入步骤c制作的沟槽之中；

e．在单晶硅片背面利用反应离子刻蚀出绝热槽形状，利用湿法腐蚀工艺腐蚀掉Si，形成绝热槽；

f．在单晶硅片正面的下绝缘层及加热丝层上再磁控溅射沉积一层上绝缘层，在相对加热丝层引线盘位置开引线窗。

上述方法中，所述的下绝缘层包括500nm厚的SiO₂膜层及150nm厚的Si₃N₄膜层。所述加热丝层为250nm厚的Pt加热丝层，该Pt加热丝层与沟槽之间设置一层50nm厚的Ti粘接层。

本发明在双面抛光硅基片上，制备出绝缘层，双曲螺旋形状的加热丝嵌入到预先制作好的位于绝缘层内部的限定沟槽；在硅片的背部加工出绝热槽，利用空气导热性比硅低，可以减少热量损失，从而降低微热板的功耗；在加热丝的上方沉积一层绝缘层并在引线盘位置开窗。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）所采用的微热板材料为硅基材料，易于通过传统MEMS技术实现，加工工艺性好；

2）通过加热丝周围致密介质对加热丝的限定作用，可以有效的降低微热板在高温工作条件下发生翘曲变形的应力，从而提高微热板的使用寿命和稳定性；

3）通过加热丝周围致密介质对加热丝的限定作用，可以缓解电迁移造成的加热丝变形，从而提高微热板的使用寿命和稳定性。

附图说明

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一笔的详细说明。

图1是一种常规硅基微热板的结构剖面图。图中：1、上绝缘层；2、下绝缘层；3、引线窗；4、加热丝层；5、带绝热槽的硅基底。该结构从上至下采用典型的“绝缘层-加热丝层-绝缘层-硅基底”结构，加热丝层简单附着在下层绝缘层上。

图2为本发明加热丝嵌入式硅基微热板的剖面结构示意图。图中加热丝嵌入到下层致密的绝缘层中。

图3是本发明图2微热板的一个具体实施例。图中：6、Ti粘接层；7、Si₃N₄膜层。

图4是本发明微热板所采用的加热丝形状，图中：8、引线盘；9、双曲螺旋加热丝。

具体实施方式

在图1结构中，加热丝层4简单附着在下层绝缘层上，仅受到上绝缘层1的约束，而上绝缘层只能采用沉积法制备，结构疏松，容易损坏失效。

图2中，加热丝层4嵌入到下绝缘层2内部，由于下绝缘层（可采用SiO₂热氧化法制备）结构致密，强度高，不容易破坏，从而可以有效的限制住嵌入其内部的加热丝层4；同时，在通电工作条件下，加热丝层的电迁移效应会引起加热丝粗细不均匀的变化，导致器件失效，而周围有致密绝缘层的限制就可有效减弱电迁移效应的影响。

如图3所示，本发明一种具体硅基底微热板结构，微热板俯视大小为5×5mm²正方形，厚度为0.5mm。该尺寸可以有效降低器件功耗，有利于后期功能部件的集成。上绝缘层1为SiO₂膜层，下绝缘层2为SiO₂膜层及Si3N₄膜层7，Pt加热丝层4嵌入到下层致密的SiO₂膜层中，加热丝层与下层SiO₂膜层之间由Ti粘接层6连接。

图3硅基底微热板的制备方法如下：

a．在4寸双面抛光单晶硅片，晶向（100），两面通过热氧化及LPCVD（低压化学气相沉积）方法制作出SiO₂膜层和Si₃N₄膜层，厚度分别为500nm、150nm；

b．在Si₃N₄膜层上匀胶光刻定义出加热丝层4的形状（图4）及位置；

c．利用RIE（反应离子刻蚀）在Si₃N₄膜层上干法腐蚀深度为200nm的沟槽至SiO₂膜层内，光刻胶作为掩蔽层；

d．在沟槽上面分别磁控溅射一层50nm厚的Ti粘接层，和一层250nm厚的Pt加热丝层，采用lift-off（剥离）工艺去除光刻胶，该加热丝层正好嵌入步骤c制作的沟槽之中；

e．在单晶硅片背面利用RIE腐蚀出绝热槽形状，利用湿法腐蚀工艺腐蚀掉Si，形成绝热槽，该步骤中单晶硅片背面的Si₃N₄膜层作掩蔽层；

f．在单晶硅片正面Si₃N₄膜层和加热丝层上再磁控溅射沉积一层SiO₂膜层作为上绝缘层，并开出引线窗3。

如图4所示，加热丝层4的形状采用双曲螺旋形状，且周围线宽较内部线宽细，从而保证在相同供电电流或电压下，加热区域有着更好的温度均匀性。

Claims (2)

1.一种加热丝嵌入式硅基微热板，包括背部带绝热槽的单晶硅基底，该单晶硅基底上设置下绝缘层，下绝缘层上方设置带引线盘的加热丝层，加热丝上设置一层上绝缘层，在加热丝层引线盘位置的上绝缘层开有引线窗，其特征在于，所述加热丝层嵌入到上、下绝缘层的内部；所述的加热丝层形状为双曲螺旋加热丝，并连接两个对角布置的矩形引线盘；所述加热丝层为250nm厚的Pt加热丝层，该Pt加热丝层与沟槽之间设置一层50nm厚的Ti粘接层。

2.一种权利要求1所述的加热丝嵌入式硅基微热板的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

a.在晶向为(100)、双面抛光的单晶硅片的正面，通过热氧化及化学气相沉积工艺制作出下绝缘层；

b.在下绝缘层上匀胶光刻定义出加热丝层的形状及位置；

c.以光刻胶作为掩蔽层，利用反应离子刻蚀在下绝缘层上干法腐蚀沟槽；

d.在沟槽上面磁控溅射一层带引线盘的加热丝层，采用剥离工艺去除光刻胶，该加热丝层正好嵌入步骤c制作的沟槽之中；加热丝层为250nm厚的Pt加热丝层，该Pt加热丝层与沟槽之间设置一层50nm厚的Ti粘接层；

e.在单晶硅片背面利用反应离子刻蚀出绝热槽形状，利用湿法腐蚀工艺腐蚀掉Si，形成绝热槽；

f.在单晶硅片正面的下绝缘层及加热丝层上再磁控溅射沉积一层上绝缘层，在相对加热丝层引线盘位置开引线窗。