CN103274349A - 一种热应力隔离的mems微加热器互联基板及其制备方法 - Google Patents

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江少波
苏卫国
邓康发
郑焕
夏文
万松
李雷
朱宁莉
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Abstract

本发明公开了一种热应力隔离的MEMS微加热器互联基板及其制备方法。本发明的MEMS微加热器互联基板包括：在衬底上形成绝缘层；在绝缘层上形成加热电阻；在加热电阻上形成第一隔离层，加热电阻镶嵌在第一隔离层的下表面；在第一隔离层上形成热沉；在热沉上形成第二隔离层；在第二隔离层上互联层；在衬底的四周设置弹簧；在弹簧的外围设置边框。本发明的MEMS微加热器互联基板，通过四周弹簧结构的设计能实现衬底热应力吸收，使MEMS微加热器互联基板具有热应力隔离的功能，该MEMS微加热器互联基板包含互联层，支持多芯片互联，并且主体结构为硅基材料，与半导体芯片的热匹配性很好，可采用MEMS工艺加工，适用于大规模制备。

Description

一种热应力隔离的MEMS微加热器互联基板及其制备方法
技术领域
本发明涉及微电子机械系统领域，尤其涉及一种热应力隔离的MEMS微加热器互联基板及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的进步，半导体行业在著名的摩尔定律的推动下，半导体制造工艺水平不断提高，芯片的集成度增加，封装体积越来越小。人们发现，大部分敏感材料在特定的温度下才能充分的发挥其敏感作用，因此在很多传感器设计中，微机电系统MEMS微加热器的设计至关重要。由于MEMS微加热器能提供特定的工作温度，使器件工作在最佳状态，因此MEMS微加热器在气体传感器、红外探测器、生物芯片、加速度计、压力计以及对温度敏感的其他微传感器与执行器等领域被广泛的使用。
随着封装芯片体积的小型化，多芯片封装和多芯片互联成为趋势，在这种情况下，MEMS微加热器工作时产生的热应力作用影响不可忽略。因而有必要设计一种具有热应力隔离效果的MEMS微加热器互联基板，为多芯片封装和互联提供保障。
发明内容
针对以上提出的应用需求，提出本发明，本发明的MEMS微加热器互联基板具有热应力隔离功能，支持多芯片互联，其主体结构为硅基材料，与半导体芯片的热匹配性很好，可采用MEMS工艺加工，适用于大规模制备。
本发明的一个目的在于提供一种热应力隔离的MEMS微加热器互联基板。
本发明的MEMS微加热器互联基板包括：衬底、绝缘层、加热电阻、第一隔离层、热沉、第二隔离层、互联层、弹簧及边框；其中，在衬底上形成绝缘层；在绝缘层上形成加热电阻；在加热电阻上形成第一隔离层，加热电阻镶嵌在第一隔离层的下表面；在第一隔离层上形成热沉；在热沉上形成第二隔离层；在第二隔离层上互联层；在衬底的四周设置弹簧；在弹簧的外围设置边框。
本发明中，绝缘层位于加热电阻和衬底之间，实现绝缘保护。加热电阻同时具有加热功能和测温功能。第一和第二隔离层起到热、电隔离作用。热沉有利于温度均匀分布，提高MEMS微加热器互联基板的均温特性，同时具有电磁屏蔽的作用。互联层位于最上方，提供多芯片在MEMS微加热器互联基板上的封装互联。弹簧位于衬底的四周，可实现对MEMS微加热器互联基板的热应力吸收；边框位于衬底的外围，实现对结构的支撑和固定作用。
加热电阻可以采用多晶硅或者金属等与MEMS工艺兼容性好的材料。当加热电阻采用铂等具有比较好的温度特性材料时，同时可以作为MEMS微加热器互联基板的温度测量电阻。
弹簧的材料采用单晶硅、多晶硅及金属中的一种。
进一步，弹簧的结构为对称的，可以对称的吸收热应力。弹簧的形状为L型、U型及蛇形中的一种。
衬底和边框等主体结构所用材料均为单晶硅；绝缘层和第一和第二隔离层等可采用硅基化合物，具有对MEMS工艺很强的兼容性；加热电阻、热沉及互联层可采用对MEMS工艺兼容性强的铂、铝及铜等金属。
压力计等MEMS传感器安装在MEMS微加热器互联基板的互联层，MEMS微加热器互联基板的加热电阻可以对基板进行加热，通过控制加热电阻的工作状态，可以使MEMS微加热器互联基板以及互联层上的MEMS传感器组成的系统工作在特定的温度下，从而使压力计等MEMS传感器达到最佳工作状态。MEMS微加热器互联基板中间的热沉将使热量分布更加均为，提高了MEMS微加热器互联基板的均温特性。该过程中由于温度变化引起的热应力通过衬底四周的弹簧吸收，不会对边框造成损伤。
本发明的另一个目的在于提供一种热应力隔离的MEMS微加热器互联基板的制备方法。
本发明的热应力隔离的MEMS微加热器互联基板的制备方法，包括以下步骤：
1）在衬底上热生长绝缘层；
2）采用剥离工艺制备加热电阻；
3）低压化学气相沉积LPCVD工艺生长第一隔离层；
4）采用溅射工艺制作热沉；
5）LPCVD工艺生长第二隔离层；
6）采用剥离工艺制作互联层；
7）深反应离子刻蚀DRIE工艺制作弹簧。
本发明的优点：
本发明的MEMS微加热器互联基板，通过四周弹簧结构的设计能实现衬底热应力吸收，使MEMS微加热器互联基板具有热应力隔离的功能，该MEMS微加热器互联基板包含互联层，支持多芯片互联，并且主体结构为硅基材料，与半导体芯片的热匹配性很好，可采用MEMS工艺加工，适用于大规模制备。
附图说明
图1为本发明的热应力隔离的MEMS微加热器互联基板的剖面图；
图2为本发明的热应力隔离的MEMS微加热器互联基板的俯视图；
图3为本发明的热应力隔离的MEMS微加热器互联基板的一个实施例的加热电阻的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明的MEMS微加热器互联基板包括：衬底1、绝缘层2、加热电阻3、第一隔离层4、热沉5、第二隔离层6、互联层7、弹簧8及边框9；其中，衬底1上形成绝缘层2；在绝缘层2上形成加热电阻3；在加热电阻3上形成第一隔离层4，加热电阻3镶嵌在第一隔离层4的下表面；在第一隔离层4上形成热沉5；在热沉5上形成第二隔离层6；在第二隔离层6上互联层7；在衬底1的四周设置弹簧8；在弹簧8的外围设置边框9。
图2为本发明的MEMS微加热器互联基板的俯视图，可见衬底1、弹簧8和边框9的连接关系，在衬底1的四周分别设置四个弹簧，弹簧设计为L型弹簧梁形状，四个L型弹簧梁具有对称性，可以对称的吸收热应力。
如图3所示，本实施例的MEMS微加热器互联基板的加热电阻3的结构示意图，其形状设计为蛇形条状。
在本实施例中，衬底1、弹簧8和边框9的材料选择N型单晶硅；绝缘层2选用二氧化硅；加热电阻3材料为钛铂合金，其中金属钛作用为增加金属铂与N型单晶硅之间的粘附性；热沉5和互联层7的材料为导热性好、工艺兼容性强的金属铝；第一和第二隔离层4和6分别采用LPCVD工艺生长的二氧化硅\氮化硅薄膜。
本实例的具有热应力隔离的MEMS微加热器互联基板，其制备方法包括以下步骤：
1）在单晶硅的衬底1上热生长二氧化硅的绝缘层2；
2）采用剥离工艺制作钛铂合金的加热电阻3；
3）LPCVD工艺生长二氧化硅\氮化硅薄膜形成第一隔离层4；
4）采用溅射工艺制作材料为金属铝的热沉5；
5）LPCVD工艺生长二氧化硅\氮化硅薄膜形成第二隔离层6；
6）采用剥离工艺制作材料为金属铝的互联层7；
7）DRIE工艺制作L型弹簧梁。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种MEMS微加热器互联基板，其特征在于，所述MEMS微加热器互联基板包括：衬底(1)、绝缘层(2)、加热电阻(3)、第一隔离层(4)、热沉(5)、第二隔离层(6)、互联层(7)、弹簧(8)及边框(9)；其中，在衬底(1)上形成绝缘层(2)；在绝缘层(2)上形成加热电阻(3)；在加热电阻(3)上形成第一隔离层(4)，加热电阻(3)镶嵌在第一隔离层(4)的下表面；在第一隔离层(4)上形成热沉(5)；在热沉(5)上形成第二隔离层(6)；在第二隔离层(6)上互联层(7)；在衬底(1)的四周设置弹簧(8)；在弹簧(8)的外围设置边框(9)。
2.如权利要求1所述的MEMS微加热器互联基板，其特征在于，所述加热电阻(3)采用多晶硅或者金属等与MEMS工艺兼容性好的材料。
3.如权利要求1所述的MEMS微加热器互联基板，其特征在于，所述弹簧(8)的材料采用单晶硅、多晶硅及金属中的一种。
4.如权利要求1所述的MEMS微加热器互联基板，其特征在于，所述衬底(1)和边框(9)采用的材料为单晶硅。
5.如权利要求1所述的MEMS微加热器互联基板，其特征在于，所述绝缘层(2)和第一和第二隔离层采用具有对MEMS工艺很强的兼容性的硅基化合物。
6.如权利要求1所述的MEMS微加热器互联基板，其特征在于，所述加热电阻(3)、热沉(5)及互联层(7)采用对MEMS工艺兼容性强的铂、铝及铜等金属。
7.如权利要求1所述的MEMS微加热器互联基板，其特征在于，所述弹簧的结构为对称的。
8.如权利要求7所述的MEMS微加热器互联基板，其特征在于，所述弹簧的形状为L型、U型及蛇形中的一种。
9.MEMS微加热器互联基板的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)在衬底上热生长绝缘层；
2)采用剥离工艺制备加热电阻；
3)低压化学气相沉积LPCVD工艺生长第一隔离层；
4)采用溅射工艺制作热沉；
5)LPCVD工艺生长第二隔离层；
6)采用剥离工艺制作互联层；
7)深反应离子刻蚀DRIE工艺制作弹簧。
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