CN104401931B - 微型加热器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微型加热器及其制造方法，所述微型加热器具有（111）型硅片衬底、设置于（111）型硅片衬底上表面的抗腐蚀掩膜层和功能结构层。所述功能结构层具有贴附在抗腐蚀掩膜层上表面的加热电阻条及其引线结构。所述（111）型硅片衬底和抗腐蚀掩膜层及功能结构层共同形成有位于微型加热器整体中间上侧位置处且悬空设置的加热区、间隔形成在加热区周围的框架区。所述抗腐蚀掩膜层和功能结构层共同形成有连接加热区和框架区的薄膜状支撑悬梁。所述（111）型硅片衬底包括形成在框架区下侧的衬底框架、形成在加热区底部的硅结构层、采用各向异性湿法腐蚀工艺形成在衬底框架和硅结构层之间的绝热腔。

Description

微型加热器及其制造方法

技术领域

本发明位于微电子机械系统技术领域，尤其涉及一种微型加热器及其制造方法。

背景技术

加热器是热相关气体传感器和热辐射型红外光源的关键部件之一。基于MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统）技术制造的微型加热器由于其低功耗、低成本、小体积和批量制造的特点，具有很高的性价比。MEMS微加热器上覆盖金属氧化物半导体和电极即构成金属氧化物半导体式气体传感器；对于金属铂材料构成的加热电阻丝，由于其本身便具有一定的气敏特性，在其上覆盖一层催化剂材料，则构成催化燃烧式气体传感器；在微加热器上制作一层高辐射率材料则构成红外光源。由于这类热相关气体传感器和红外光源的加热温度对输出信号有非常大的影响，因此在工作过程中需要保持温度的稳定。另一方面，为了降低器件的功耗，加热区和衬底间常常制作空腔、悬臂梁等绝热结构，用来降低器件最主要的热损耗——热传导。从衬底材料上看，这些MEMS加热器主要有两种，一种是采用如氧化硅、氮化硅复合层作为支撑膜，与加热电阻丝、气敏层或辐射层等形成加热区，这种结构具有较高的绝热性，并且热质量较小，适用于需要对温度进行高频调制的应用，但同时也因为比表面积大，容易由于热对流造成温度扰动，影响信号输出的稳定性；另一种是采用SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）衬底，除了第一种所述的复合层外，在其下方还具有一定厚度的硅结构，既可以增加加热区的机械强度，也可由于具有更大的热容而实现对加热区的保温作用，减小表面热对流对加热区温度的扰动，但这种结构由于支撑梁也集成了一定厚度的硅材料，造成热阻变小，增大了热传导，从而使器件功耗上升。

因此，有必要对现有的微型加热器及其制造方法予以改进以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有较大热容同时热损耗较小的微型加热器及其制造方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种微型加热器，其具有（111）型硅片衬底、设置于（111）型硅片衬底上表面的抗腐蚀掩膜层和功能结构层；所述功能结构层具有贴附在抗腐蚀掩膜层上表面的加热电阻条及其引线结构，所述（111）型硅片衬底和抗腐蚀掩膜层及功能结构层共同形成有位于微型加热器整体中间上侧位置处且悬空设置的加热区、间隔形成在加热区周围的框架区，所述抗腐蚀掩膜层和功能结构层共同形成有连接加热区和框架区的薄膜状支撑悬梁，所述（111）型硅片衬底包括形成在框架区下侧的衬底框架、形成在加热区底部的硅结构层、采用各向异性湿法腐蚀工艺形成在衬底框架和硅结构层之间的绝热腔。

作为本发明的进一步改进，所述抗腐蚀掩膜层采用氧化硅掩膜、或氮化硅掩膜、或氧化硅和氮化硅复合掩膜。

作为本发明的进一步改进，所述支撑悬梁的长宽比在1.7至300之间。

为实现上述发明目的，本发明还提供了一种微型加热器的制造方法，其包括以下步骤：

S1、提供一（111）型硅片作为衬底，并在该衬底上表面刻蚀深度为t1的多个凹槽，以在衬底顶部形成位于凹槽之间的加热区硅结构层和多个连接加热区硅结构层的支撑梁凸台；

S2、在步骤S1获得的结构上表面制作绝缘的抗腐蚀掩膜层；

S3、在步骤S2获得的结构上表面制作功能结构层，该功能结构层具有贴附在抗腐蚀掩膜层上表面的加热电阻条及其引线结构；

S4、在步骤S3获得的结构上制作光刻胶，并利用掩膜板光刻凹槽底部及各支撑梁凸台与凹槽相邻的两侧区域的光刻胶，然后去除前述两部分的光刻胶及位于该两部分光刻胶下侧的抗腐蚀掩膜层，直至暴露所述衬底；

S5、干法刻蚀步骤S4中被暴露的所述衬底的上表面直至一预设深度t2，以形成腐蚀槽，所述腐蚀槽和凹槽共同形成腐蚀窗口；

S6、去除光刻胶，通过腐蚀窗口对衬底进行各项异性湿法腐蚀，形成下表面在平面内投影为六边形t2深度的绝热腔，同时，位于腐蚀窗口之间的支撑梁凸台也被完全腐蚀，从而形成具有t1厚度的硅结构层、抗腐蚀掩膜层和功能结构层的悬空设置的加热区以及连接在加热区周围且由抗腐蚀掩膜层和功能结构层构成的支撑悬梁。

作为本发明的进一步改进，所述抗腐蚀掩膜层采用氧化硅掩膜、或氮化硅掩膜、或氧化硅和氮化硅复合掩膜。

作为本发明的进一步改进，所述支撑悬梁的长宽比在1.7至300之间。

作为本发明的进一步改进，步骤S4中采用负性光刻胶进行光刻。

作为本发明的进一步改进，所述腐蚀槽除与支撑梁凸台相邻的部位外，其他部位的边缘与凹槽侧壁存在1微米的间距。

作为本发明的进一步改进，步骤S4中的去除抗腐蚀掩膜层采用BOE溶液湿法腐蚀或RIE干法刻蚀的方法。

作为本发明的进一步改进，步骤S6中的各项异性腐蚀采用KOH溶液或TMAH溶液进行，并且腐蚀温度在45℃至90℃。

本发明的有益效果是：本发明微型加热器利用（111）硅片衬底的各向异性湿法腐蚀机制，在加热区下侧制作了一定厚度的硅结构层，使加热区具有较大的热容，减小温度的扰动，同时加热区与衬底框架之间形成有绝热腔，且支撑悬梁仍为薄膜结构，具有较高的绝热性能，热传导较小，从而可有效降低微型加热器的功耗，并且本发明微型加热器具有制作工艺简单，加工成本低的优点。

附图说明

图1a是本发明微型加热器的制造方法中步骤S1所呈现的结构示意图。

图1b是本发明微型加热器的制造方法中步骤S2所呈现的结构示意图。

图1c是本发明微型加热器的制造方法中步骤S3所呈现的部分结构示意图。

图1d是本发明微型加热器的制造方法中步骤S3所呈现的另一结构示意图。

图1e是本发明微型加热器的制造方法中步骤S4-S5所呈现的结构示意图。

图1f是本发明微型加热器的制造方法中步骤S6所呈现的结构示意图。

图2a是本发明微型加热器的制造方法中步骤S2所呈现的与支撑悬梁轴向垂直的截面结构示意图。

图2b是本发明微型加热器的制造方法中步骤S4所呈现的与支撑悬梁轴向垂直的截面结构示意图。

图2c是本发明微型加热器的制造方法中步骤S5所呈现的与支撑悬梁轴向垂直的截面结构示意图。

图2d是本发明微型加热器的制造方法中步骤S6所呈现的与支撑悬梁轴向垂直的截面结构示意图。

图3a是本发明微型加热器的制造方法中步骤S3所呈现的结构俯视示意图。

图3b是本发明微型加热器的制造方法中步骤S5所呈现的结构俯视示意图。

图3c是本发明微型加热器的制造方法中步骤S6所呈现的结构俯视示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

请参照图1f、图2d及图3c所示为本发明微型加热器的一较佳实施例。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明所述微型加热器具有（111）型硅片衬底101、设置于（111）型硅片衬底101上表面的抗腐蚀掩膜层102和功能结构层；所述功能结构层具有贴附在抗腐蚀掩膜层102上表面的加热电阻条及其引线结构103。

其中，所述（111）型硅片衬底101和抗腐蚀掩膜层102及功能结构层共同形成有位于微型加热器整体中间上侧位置处且悬空设置的加热区2、通过腐蚀窗口105间隔形成在加热区2周围的框架区3。所述抗腐蚀掩膜层102和功能结构层共同形成有连接加热区2和框架区3的薄膜状支撑悬梁109。所述（111）型硅片衬底101包括形成在框架区3下侧的衬底框架1011、形成在加热区2底部的硅结构层107、采用各向异性湿法腐蚀工艺形成在衬底框架1011和硅结构层107之间的绝热腔106。

请结合图1a至图1f、图2a至图2d以及图3a至图所示，本发明还涉及所述微型加热器的制造方法，其包括以下步骤：

S1、如图1a所示，提供一（111）型硅片101作为衬底，并在该衬底101上表面刻蚀深度为t1的多个凹槽1010，以在衬底101顶部形成位于凹槽1010之间的加热区硅结构层107和多个连接加热区硅结构层107的支撑梁凸台108（如图2a、3a所示）；

S2、如图1a、2a和3a所示，在步骤S1获得的结构上表面制作绝缘的抗腐蚀掩膜层102；该上表面包括凹槽1010的内壁面；其中，在本步骤中，所述抗腐蚀掩膜层可采用氧化硅掩膜、或氮化硅掩膜、或氧化硅和氮化硅复合掩膜；

S3、如图1c和1d所示，在步骤S2获得的结构上表面制作功能结构层，该功能结构层中具有贴附在抗腐蚀掩膜层102上表面的加热电阻条及其引线结构103；其中，所述加热电阻条及其引线结构103可用磁控溅射、电子束蒸发或者热蒸发的方法进行制作；另外，本发明微型加热器作为气体传感器或热辐射型红外光源应用时，在该步骤中，所述功能结构层的成型还包括在抗腐蚀掩膜层102上侧再成型绝缘层和位于绝缘层上侧的金属氧化物气敏层104，或者在抗腐蚀掩膜层102上再成型高辐射率层104；

S4、如图2b和3b所示，在步骤S3获得的结构上制作光刻胶，并利用掩膜板光刻凹槽1010底部111及各支撑梁凸台108与凹槽1010相邻的两侧区域的光刻胶，然后去除前述两部分的光刻胶及位于该两部分光刻胶下侧的抗腐蚀掩膜层102，直至暴露所述衬底101；其中，该步骤中主要采用负性光刻胶进行光刻，并且抗腐蚀掩膜层的去除采用BOE溶液湿法腐蚀或RIE干法刻蚀（即反应离子刻蚀）的方法；

S5、如图1e和2c所示，干法刻蚀步骤S4中被暴露的所述衬底101的上表面直至一预设深度t2，以形成腐蚀槽105，所述凹槽1010和腐蚀槽105共同构成腐蚀窗口；其中，所述腐蚀槽105除与支撑梁凸台108相邻的部位外，其他部位的边缘与凹槽1010侧壁存在1微米的间距，由此使得在S6步骤中进行腐蚀时可将支撑梁凸台108腐蚀掉，而除与支撑梁凸台108相邻的部位外，其他与凹槽相邻的部位因有抗腐蚀掩膜层102的存在而不会被腐蚀；即在水平方向上，所述加热区2与框架区3的相对侧存在有抗腐蚀掩膜层，以使得加热区2底部的硅结构层107在步骤S6不会被腐蚀；

S6、如图1f、2d和3c所示，去除光刻胶，通过腐蚀窗口对衬底101进行各项异性湿法腐蚀，形成下表面在平面内投影为六边形的t2深度的绝热腔106，同时，位于腐蚀窗口之间的支撑梁凸台108也因为其表面抗腐蚀掩膜层102的去除而被完全腐蚀，从而形成具有t1厚度的硅结构层107、抗腐蚀掩膜层102和功能结构层的悬空设置的加热区2，以及连接在加热区2周围且由抗腐蚀掩膜层102和功能结构层构成的支撑悬梁109。其中，所述支撑悬梁的长宽比在1.7至300之间；除加热区2和支撑悬梁109外的其他微型加热器部分为框架区3，处于框架区3的衬底部分为衬底框架1011。

其中，步骤S6中的各项异性腐蚀采用KOH溶液（氢氧化钾溶液）或TMAH溶液（四甲基氢氧化铵溶液）进行，并且腐蚀温度在45℃至90℃。

结合上述本发明微型加热器的制造方法，如下具体介绍一种基于本发明上述微型加热器的制造方法进行高热容低功耗的MEMS红外光源制造的方法，其中设所需加热区2的大小为200μm*200μm的正方形；设定加热区2的硅结构层107厚度为t1=10μm，支撑悬梁109为分布在正方形四个角上的方向沿<112>晶向的平行矩形，长度为l=100μm，宽度为w=10μm，硅结构层107和衬底框架1011间间距（亦即绝热腔106的高度）为t2=20μm。

结合图1a至图3c以及上述微型加热器的制造方法，该MEMS红外光源的制造方法包括以下步骤：

S1：提供一（111）型硅片101作为衬底，在所述衬底上表面干法刻蚀深度为10μm的多个凹槽1010，以在所述衬底顶部形成一200μm*200μm的正方形加热区硅结构层107以及四个连接于所述加热区硅结构层107的支撑梁凸台108，该支撑梁凸台108的宽度大于目标支撑悬梁109的宽度，本实施例中，该支撑梁凸台108的宽度取为20μm；

S2：在步骤S1获得的结构表面进行热氧化，生长一层厚度为500nm的氧化硅，作为绝缘的抗腐蚀掩膜层102；

S3：在步骤S2获得的结构上表面用溅射的方法制作用于加热的铂电阻条及其引线结构103；然后再在上表面制作一层高辐射率材料104，本实施例中采用LPCVD沉积的300nm厚的SiNx薄膜作为辐射层；铂电阻条及其引线结构103和高辐射率材料104构成所述功能结构层；

S4：在步骤S3获得的结构上用喷胶的方法制作光刻胶，利用掩膜版光刻步骤S1中凹槽1010的底部111及各支撑梁凸台108沿长度方向两侧部分区域（即与凹槽1010相邻的两侧区域）的光刻胶，形成预制备的腐蚀槽112。其中，凹槽1010底部除与支撑梁凸台108相邻的底边以外，其它底边与预制备的腐蚀槽112间的距离大于等于2μm；而与支撑梁凸台108相邻的底边，预制备的腐蚀槽112由该边所在侧壁向支撑梁凸台108上表面延伸，至支撑梁凸台108上表面时，两侧预制备的腐蚀槽112间距离为10μm；然后去除所述预制备的腐蚀槽112对应的光刻胶及位于其下的抗腐蚀掩膜层102和功能结构层，直至暴露所述衬底；

S5：干法刻蚀步骤S4中被暴露的所述衬底的上表面，刻蚀深度为20μm，以形成所述腐蚀槽105；所述凹槽1010和腐蚀槽105共同构成腐蚀窗口；

S6：去除光刻胶，通过所述腐蚀窗口对所述衬底在50℃、30wt%的KOH溶液中进行各向异性湿法腐蚀，以形成下表面在平面内投影为六边形的绝热腔106，每个支撑梁凸台108上腐蚀窗口之间的硅结构完全被腐蚀，仅留下宽度为10μm的氧化硅、SiNx薄膜支撑悬梁109，加热区2底部形成厚度为10μm的硅结构层107，并且硅结构层107下侧形成高度为20μm的绝热腔106，从而形成加热区2悬空、支撑悬梁109为薄膜结构的热辐射型MEMS红外光源器件。

综上所述，本发明微型加热器利用（111）硅片衬底101的各向异性湿法腐蚀机制，在加热区2下侧制作了一定厚度的硅结构层107，使加热区2具有较大的热容，减小温度的扰动，而支撑悬梁109仍为薄膜结构，具有较高的绝热性能，热传导较小，有效降低了微型加热器的功耗，并且具有制作工艺简单，加工成本低的优点。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微型加热器，其具有（111）型硅片衬底、设置于（111）型硅片衬底上表面的抗腐蚀掩膜层和功能结构层；所述功能结构层具有贴附在抗腐蚀掩膜层上表面的加热电阻条及其引线结构，其特征在于：所述（111）型硅片衬底和抗腐蚀掩膜层及功能结构层共同形成有位于微型加热器整体中间上侧位置处且悬空设置的加热区、间隔形成在加热区周围的框架区，所述抗腐蚀掩膜层和功能结构层共同形成有连接加热区和框架区的薄膜状支撑悬梁，所述（111）型硅片衬底包括形成在框架区下侧的衬底框架、形成在加热区底部的硅结构层、采用各向异性湿法腐蚀工艺形成在衬底框架和硅结构层之间的绝热腔。

2.根据权利要求1所述的微型加热器，其特征在于：所述抗腐蚀掩膜层采用氧化硅掩膜、或氮化硅掩膜、或氧化硅和氮化硅复合掩膜。

3.根据权利要求1所述的微型加热器，其特征在于：所述支撑悬梁的长宽比在1.7至300之间。

4.一种微型加热器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、提供一（111）型硅片作为衬底，并在该衬底上表面刻蚀深度为t1的多个凹槽，以在衬底顶部形成位于凹槽之间的加热区硅结构层和多个连接加热区硅结构层的支撑梁凸台；

S2、在步骤S1获得的结构上表面制作绝缘的抗腐蚀掩膜层；

S3、在步骤S2获得的结构上表面制作功能结构层，该功能结构层具有贴附在抗腐蚀掩膜层上表面的加热电阻条及其引线结构；

S4、在步骤S3获得的结构上制作光刻胶，并利用掩膜板光刻凹槽底部及各支撑梁凸台与凹槽相邻的两侧区域的光刻胶，然后去除前述两部分的光刻胶及位于该两部分光刻胶下侧的抗腐蚀掩膜层，直至暴露所述衬底；

S5、干法刻蚀步骤S4中被暴露的所述衬底的上表面直至一预设深度t2，以形成腐蚀槽，所述腐蚀槽和凹槽共同形成腐蚀窗口；

S6、去除光刻胶，通过腐蚀窗口对衬底进行各项异性湿法腐蚀，形成下表面在平面内投影为六边形t2深度的绝热腔，同时，位于腐蚀窗口之间的支撑梁凸台也被完全腐蚀，从而形成具有t1厚度的硅结构层、抗腐蚀掩膜层和功能结构层的悬空设置的加热区以及连接在加热区周围且由抗腐蚀掩膜层和功能结构层构成的支撑悬梁。

5.根据权利要求4所述的微型加热器的制造方法，其特征在于：所述抗腐蚀掩膜层采用氧化硅掩膜、或氮化硅掩膜、或氧化硅和氮化硅复合掩膜。

6.根据权利要求4所述的微型加热器的制造方法，其特征在于：所述支撑悬梁的长宽比在1.7至300之间。

7.根据权利要求4所述的微型加热器的制造方法，其特征在于：步骤S4中采用负性光刻胶进行光刻。

8.根据权利要求4所述的微型加热器的制造方法，其特征在于：所述腐蚀槽除与支撑梁凸台相邻的部位外，其他部位的边缘与凹槽侧壁存在1微米的间距。

9.根据权利要求4所述的微型加热器的制造方法，其特征在于：步骤S4中的去除抗腐蚀掩膜层采用BOE溶液湿法腐蚀或RIE干法刻蚀的方法。

10.根据权利要求4所述的微型加热器的制造方法，其特征在于：步骤S6中的各项异性腐蚀采用KOH溶液或TMAH溶液进行，并且腐蚀温度在45℃至90℃。