CN107381495B - 一种mems微热板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种MEMS微热板及其制造方法，该MEMS微热板包括：硅基衬底，硅基衬底包括测量区域和加热区域；第一介电层，位于硅基衬底的上表面；加热电极和测量电极，加热电极和测量电极同层绝缘设置且均位于第一介电层上，加热电极对应设置在加热区域，以及测量电极对应设置在测量区域；隔热凹槽，位于硅基衬底的下表面且贯穿硅基衬底，以及隔热凹槽的槽底在垂直于硅基衬底的方向上覆盖加热区域。本发明实施例中，MEMS微热板的加热电极和测量电极采用共平面设计，只需要沉积一层金属电极层并采用一次金属图案化工艺即可完成；与现有技术相比，降低了加工工艺复杂度、减少了制造工序、并降低了制造成本，还提高MEMS微热板的制造良率。
Description
技术领域
本发明实施例涉及MEMS技术，尤其涉及一种MEMS微热板及其制造方法。
背景技术
基于硅微加工技术的微热板(Micro Hot plate，MHP)是微电子机械系统(Microelectromechanical Systems，MEMS)中常用的加热平台，已广泛应用于微型气体传感器、薄膜量热卡计、微加速度计以及气压计等微器件。现有微热板的加工工艺主要依靠光刻、扩散、氧化、薄膜生长、干法刻蚀、湿法刻蚀和蒸发溅射等工艺技术。
然而，现有微热板的加工工艺中，需要制造加热电极以及在加热电极的上方制造测量电极，导致加工工艺复杂；另一方面，现有微热板的加工工艺中，加热电极采用铂以及测量电极采用金，导致加工成本高。
发明内容
本发明实施例提供一种MEMS微热板及其制造方法，以简化加工工艺以及降低加工成本。
第一方面，本发明实施例提供了一种MEMS微热板，该MEMS微热板包括：
硅基衬底，所述硅基衬底包括测量区域和加热区域；
第一介电层，位于所述硅基衬底的上表面；
加热电极和测量电极，所述加热电极和所述测量电极同层绝缘设置且均位于所述第一介电层上，所述加热电极对应设置在所述加热区域，以及所述测量电极对应设置在所述测量区域；
隔热凹槽，位于所述硅基衬底的下表面且贯穿所述硅基衬底，以及所述隔热凹槽的槽底在垂直于所述硅基衬底的方向上覆盖所述加热区域。
进一步地，所述MEMS微热板还包括：
第二介电层，位于所述加热电极和所述测量电极所在膜层上，以及所述第二介电层在对应所述测量电极的区域的表面与所述测量电极的表面平齐以露出所述测量电极的表面。
进一步地，所述测量电极和所述加热电极的组成材料均为金属铂，所述测量电极和所述加热电极的厚度均为100nm～400nm。
进一步地，所述加热区域围绕所述测量区域以及所述加热区域包括引线导出区域，所述测量电极的测量电极引线从所述引线导出区域引出。
进一步地，所述加热区域划分为呈第一对角线设置的第一角落区域和第二角落区域、呈第二对角线设置的第三角落区域和第四角落区域、以及剩余加热区域，其中，所述第一对角线和所述第二对角线交叉设置，所述剩余加热区域围绕所述测量区域。
进一步地，位于所述第一角落区域～所述第四角落区域中任一角落区域的加热电极具有至少一个开口。
进一步地，位于所述第一角落区域～所述第四角落区域中任一角落区域的加热电极的线宽小于位于所述剩余加热区域的加热电极的线宽。
进一步地，所述剩余加热区域的加热电极具有至少一个开口。
进一步地，所述第一角落区域～所述第四角落区域中任一角落区域的面积占据所述加热区域和所述测量区域的总区域面积的5％～50％。
第二方面，本发明实施例还提供了一种MEMS微热板的制造方法，该制造方法包括：
提供一硅基衬底，所述硅基衬底包括测量区域和加热区域；
在所述硅基衬底的上表面上形成第一介电层；
在所述第一介电层上形成加热电极和测量电极，所述加热电极和所述测量电极同层绝缘设置，所述加热电极对应设置在所述加热区域，以及所述测量电极对应设置在所述测量区域；
在所述硅基衬底的下表面形成贯穿所述硅基衬底的隔热凹槽，所述隔热凹槽的槽底在垂直于所述硅基衬底的方向上覆盖所述加热区域。
本发明实施例提供的MEMS微热板及其制造方法，加热电极和测量电极同层绝缘设置且均位于第一介电层上。本发明实施例中，MEMS微热板的加热电极和测量电极采用同层设置即共平面设计，只需要沉积一层金属电极层并采用一次金属图案化工艺即可完成MEMS微热板的加热电极和测量电极的制造。与现有技术相比，本发明实施例降低了加工工艺复杂度、减少了制造工序、并降低了制造成本，同时加热电极和测量电极采用共平面设计还能够提升了电极制造良率，进而提高MEMS微热板的制造良率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1～图3是本发明实施例提供的多种MEMS微热板的示意图；
图4～图5是本发明实施例提供的多种MEMS微热板的示意图；
图6是本发明实施例提供的一种MEMS微热板的制造方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1～图3所示，为本发明实施例提供的多种MEMS微热板的示意图，本实施例中该MEMS微热板可选为基于硅微加工技术的微电子机械系统(MEMS)中的加热平台，可应用于微型气体传感器、薄膜量热卡计、微加速度计以及气压计等微器件。
本实施例提供的MEMS微热板包括：硅基衬底10，硅基衬底10包括测量区域10a和加热区域10b；第一介电层11，位于硅基衬底10的上表面；加热电极13和测量电极12，加热电极13和测量电极12同层绝缘设置且均位于第一介电层11上，加热电极13对应设置在加热区域10b，以及测量电极12对应设置在测量区域10a；隔热凹槽14，位于硅基衬底10的下表面且贯穿硅基衬底10，以及隔热凹槽14的槽底在垂直于硅基衬底10的方向上覆盖加热区域10b。
本实施例中不限定硅基衬底10上测量区域10a和加热区域10b的排布方式，如图1所示可选硅基衬底10的加热区域10b围绕测量区域10a；如图2所示可选硅基衬底10的测量区域10a和加热区域10b并列顺序排布；如图3所示可选硅基衬底10的测量区域10a围绕加热区域10b。本领域技术人员可以理解，在不影响MEMS微热板的加热功能和测试功能的前提下，相关从业人员可以根据制造工艺、产品所需和生产条件等限制，合理设置硅基衬底上的各功能区域。
本实施例中可选硅基衬底10为<100>晶向的单晶硅，可选硅基衬底10的尺寸为2寸、4寸或6寸，可选硅基衬底10的厚度为200μm～525μm。在其他实施例中也可选硅基衬底的晶向、尺寸和厚度不同，例如可选为<111>或<110>，5英寸，550μm等。相关从业人员可以根据制造工艺、产品所需和生产条件等限制，合理选取所需晶向、尺寸和厚度的硅基衬底，在本发明中不进行具体限制。需要说明的是，硅基衬底上的一组加热区域和测量区域对应一个MEMS微热板，4英寸的硅基衬底可对应制造上千个MEMS微热板，在本实施例中仅以其中一个MEMS微热板的结构进行说明。
本实施例中在硅基衬底10上形成有第一介电层11，可选第一介电层11采用氧化硅、氮化硅、以及氧化硅和氮化硅的复合材料中的任意一种制造，第一介电层11的功能在于绝缘。需要说明的是，在硅基衬底10的下表面上还形成有第一介电层11。可选第一介电层11的厚度为500nm～2000nm。
本实施例中隔热凹槽14位于硅基衬底10的下表面且贯穿硅基衬底10，以及隔热凹槽14的槽底在垂直于硅基衬底10的方向上覆盖加热区域10b。隔热凹槽14起隔热效果，其隔热效果与该凹槽深度和宽度有关。本实施例中选取隔热凹槽14贯穿硅基衬底10且其槽底覆盖加热区域10b，显然该隔热凹槽14能够有效隔热。
本实施例中第一介电层11上还设置有加热电极13和测量电极12，加热电极13和测量电极12同层绝缘设置。本实施例中加热电极13和测量电极12采用同层设置即共平面设计，只需要沉积一层金属电极层并采用一次金属图案化工艺即可完成MEMS微热板的加热电极13和测量电极12的制造。而现有技术中需沉积两层金属电极层以及分别采用两次金属图案化工艺才能形成测量电极和加热电极，与现有技术相比，本实施例降低了加工工艺复杂度、减少了制造工序、以及降低了制造成本，同时加热电极13和测量电极12采用同层设置还能够提升了电极制造良率。
可选的，MEMS微热板中测量电极12和加热电极13的组成材料均为金属铂，测量电极12和加热电极13的厚度均为100nm～400nm。MEMS器件的工作温度通常在300°左右，在300°左右的温度下其他金属材料容易被氧化而金属铂或金不容易被氧化；另一方面，金的熔点较低，如果作为加热电极长期应用时，电极性能会变差。因此MEMS微热板中可选金属铂作为测量电极12和加热电极13的组成材料。本实施例中可选MEMS微热板的测量电极12和加热电极13的厚度均为100nm～400nm，电极的厚度与电阻呈反比，电极厚度越厚电阻越小，电极厚度越薄电阻越大。
本领域技术人员可以理解，根据MEMS微热板应用器件的工作温度的不同，相关从业人员可合理选取MEMS微热板的测量电极和加热电极的组成材料，不仅限于金属铂；以及根据MEMS微热板应用的MEMS器件，相关从业人员可合理选取MEMS微热板的测量电极和加热电极的厚度，不仅限于上述限定。
本实施例中加热电极13对应设置在加热区域10b，以及测量电极12对应设置在测量区域10a。本领域技术人员可以理解，在制造MEMS微热板时，相关从业人员可根据产品所需设计加热电极和测量电极的位置，对应加热电极的区域可定义为加热区域，对应测量电极的区域可定义为测量区域，因此并不具体限定加热区域和测量区域的位置，而是加热区域和测量区域随着加热电极和测量电极的设计变换而发生变化。
需要说明的是，本实施例中限定的硅基衬底、第一介电层和隔热凹槽的参数特征仅仅是一种具体示例，在其他可选实施例中，相关从业人员可根据产品应用领域、工艺条件等因素合理选取各膜层结构的参数特征，并不限于上述示例；本实施例中限定的硅基衬底、第一介电层、加热电极、测量电极和隔热凹槽的功能、工作原理等与现有技术相同，在此不再赘述；另一方面，MEMS微热板的结构包括但不限于图1～图3所示，本发明实施例中所述的MEMS微热板的加热电极和测量电极共平面的设计适用于现有任一结构的MEMS微热板，在本发明中不进行具体限定。
本实施例提供的MEMS微热板，加热电极和测量电极同层绝缘设置且均位于第一介电层上。本实施例中，MEMS微热板的加热电极和测量电极采用同层设置即共平面设计，只需要沉积一层金属电极层并采用一次金属图案化工艺即可完成MEMS微热板的加热电极和测量电极的制造。与现有技术相比，本实施例降低了加工工艺复杂度、减少了制造工序、并降低了制造成本，同时加热电极和测量电极采用共平面设计还能够提升了电极制造良率，进而提高MEMS微热板的制造良率。
可选的，MEMS微热板还包括：如图1～图3所示的第二介电层15，位于加热电极13和测量电极12所在膜层上，以及第二介电层15在对应测量电极12的区域的表面与测量电极12的表面平齐以露出测量电极12的表面。本实施例中可选第二介电层15为氮化硅或氧化硅，其厚度可选为150nm～1000nm。在测量电极12和加热电极13上形成第二介电层15后，可在MEMS微热板上覆盖不同材料以构成MEMS器件。例如在MEMS微热板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；在MEMS微热板上覆盖一层催化剂材料即构成催化燃烧式气体传感器；在MEMS微热板上覆盖一层高辐射率材料即构成红外光源。本实施例中，MEMS器件中加热电极13通过第二介电层15加热其上的覆盖材料，测量电极12通过第二介电层15与其上的覆盖材料电连接，则测量电极12用于测量该覆盖材料受加热电极13加热后的电阻变化。
可选的，参考图4所示为本发明实施例提供的一种MEMS微热板，该MEMS微热板中加热区域10b围绕测量区域10a以及加热区域10b包括引线导出区域10c，测量电极12的测量电极引线12a从引线导出区域10c引出。其中图1是图4沿A-A'的剖视图，需要说明的是，剖视图中为了表征测量电极12为一个整体而示意为块状，剖视图中为了表征加热电极13为一个整体而示意为块状。本实施例中加热电极13、加热电极引线13a、测量电极12和测量电极引线12a均同层设置，为了便于测量电极引线12a同层引出，加热区域10b中设置有引线导出区域10c，测量电极引线12a从该引线导出区域10c引出。本实施例中只需要沉积一层金属电极层并采用一次金属图案化工艺即可完成MEMS微热板的加热电极13、加热电极引线13a、测量电极12和测量电极引线12a的制造。与现有技术相比，降低了加工工艺复杂度、减少了制造工序、以及降低了制造成本，还能够提升了MEMS微热板的制造良率。
可选的，参考图5所示为本发明实施例提供的一种MEMS微热板，该MEMS微热板中加热区域10b围绕测量区域10a以及加热区域10b包括引线导出区域10c，测量电极12的测量电极引线12a从引线导出区域10c引出。可选加热区域10b划分为呈第一对角线设置的第一角落区域101a和第二角落区域101b、呈第二对角线设置的第三角落区域101c和第四角落区域101d、以及剩余加热区域101e，其中，第一对角线和第二对角线交叉设置，剩余加热区域101e围绕测量区域10a。可选位于第一角落区域101a～第四角落区域101d中任一角落区域的加热电极13具有至少一个开口13b。
方块加热区域的对称性高，相应的位于方块加热区域内部的测量区域的热均匀性好，因此本实施例中可选加热区域10b限定的区域为方块加热区域。加热区域10b中存在引线导出区域10c，引线导出区域10c未对应设置加热电极13，因此引出导线区域10c不加热，由此可能破坏加热区域10b的对称性，进而影响测量区域10a的热均匀性；而测量区域10a的热均匀性差可能导致测量电极12的测量精度低，最终影响MEMS器件的性能。
基于此，本实施例中在位于加热区域10b的第一角落区域101a～第四角落区域101d中任一角落区域的加热电极13上设置至少一个开口13b，加热区域10b的第一角落区域101a～第四角落区域101d位于方块加热区域的四个角落，通过在加热区域10b的四个角落的加热电极13上设置开口13b可增大加热电极13的电阻以及增加加热区域10b的四个角落的散热量，进而弥补测量区域10a的热均匀性，达到提高MEMS器件的测量精度和性能稳定性的效果。
本实施例中可选位于第一角落区域101a～第四角落区域101d中任一角落区域的加热电极13的开口13b数量可以不相等，则非平衡设计的加热电极13可弥补测量区域10a的热均匀性。需要说明的是，加热区域10b中设置有一个完整的加热电极13，位于任一角落区域的加热电极只是指代完整的加热电极13的位于角落区域的电极部分，并不是将加热电极13分割为独立的多个小电极。
可选第一角落区域101a～第四角落区域101d中任一角落区域的面积占据加热区域10b和测量区域10a的总区域面积的5％～50％。本实施例中四个角落区域的面积可以相同也可以不同，例如可选第一角落区域101a的面积为15％，第二角落区域101b～第四角落区域101d中任一角落区域的面积为20％。本领域技术人员可以理解，角落区域的划分仅仅是概念上的一个划分，并没有对加热区域10b进行实际物理意义上的划分。
在其他可选实施例中，还可选剩余加热区域101e的加热电极13具有至少一个开口13b。本领域技术人员可以理解，并不限定第一角落区域101a～第四角落区域101d以及剩余加热区域101e中任一区域的加热电极的开口13b数量。相关从业人员在提升测量区域10a热均匀性的目标下，可根据加热区域10b未设置开口13b之前的测量区域10a的热均匀性合理设计加热区域10b的加热电极13中分布的开口13b以及开口13b的数量，在本发明中不进行具体限制。
在其他可选实施例中，还可选引线导出区域10c的加热电极13、与测量区域10a临近的加热电极13分别具有至少一个开口13b，能够增大发热。本领域技术人员可以理解，并不限定引线导出区域10c的加热电极的开口13b数量。相关从业人员在提升测量区域10a热均匀性的目标下，可合理设计引线导出区域10c的加热电极13中分布的开口13b以及开口13b的数量，在本发明中不进行具体限制。
需要说明的是，除了在加热电极中设置开口之外，在其他可选实施例中还可选位于第一角落区域～第四角落区域中任一角落区域的加热电极的线宽小于位于剩余加热区域的加热电极的线宽。即通过设置加热区域的四个角落的加热电极的线宽小于剩余加热区域的加热电极的线宽，可增大加热电极的电阻以及增加加热区域的四个角落的散热量，进而弥补测量区域的热均匀性，达到提高MEMS器件的测量精度和性能稳定性的效果。相关从业人员在提升测量区域热均匀性的目标下，可根据测量区域的热均匀性合理设计加热区域中加热电极的线宽，在本发明中不进行具体限制。
本发明实施例中，加热电极中采用设置开口和调节线宽的设计，可以有效提升测量区域的热均匀性，并最终提升器件的整体性能。
参考图6所示，为本发明实施例提供的一种MEMS微热板的制造方法的流程图，该MEMS微热板的制造方法可适用于上述任意一种MEMS微热板，也可用于制造现有技术中任意一种MEMS微热板。
结合图1所示，本实施例提供的MEMS微热板的制造方法具体包括如下步骤：
步骤110、提供一硅基衬底，硅基衬底包括测量区域和加热区域。可选硅基衬底选用4英寸、<100>晶向、以及厚度350μm的单晶硅。在其他实施例中，相关从业人员可根据制造工艺、生产条件、产品等因素自行选取合理的硅基衬底，不限于上述尺寸、晶向和厚度等参数。
步骤120、在硅基衬底的上表面上形成第一介电层。可选采用低压化学气相沉积法(LPCVD)在硅基衬底的上表面和下表面分别沉积低应力的第一介电层，可选第一介电层的组成材料为氮化硅或氧化硅，第一介电层的应力<200MPa，第一介电层的厚度为500nm～2000nm。在其他实施例中，相关从业人员可根据制造工艺、生产条件、产品等因素自行选取合理的第一介电层，不限于上述工艺、材料、应力和厚度等参数。
步骤130、在第一介电层上形成加热电极和测量电极，加热电极和测量电极同层绝缘设置，加热电极对应设置在加热区域，以及测量电极对应设置在测量区域。可选采用磁控溅射法或电子束蒸发法沉积金属电极层，并采用光刻胶光刻图形化再剥离光刻胶以图形化金属电极层，形成测量电极与加热电极，可选测量电极与加热电极的组成材料均为金属铂，可选厚度为100nm～400nm。在其他实施例中，相关从业人员可根据制造工艺、生产条件、产品等因素自行选取合理的加热电极和测量电极，不限于上述工艺、材料和厚度等参数。
需要说明的是，参考图1所示，第一介电层上还形成有与加热电极和测量电极同层设置的外部连接焊盘17、加热电极引线和测量电极引线。
步骤140、在硅基衬底的下表面形成贯穿硅基衬底的隔热凹槽，隔热凹槽的槽底在垂直于硅基衬底的方向上覆盖加热区域。可采用湿法刻蚀工艺图形化硅基衬底的下表面并刻蚀形成隔热凹槽。在其他实施例中，还可选干法刻蚀工艺在硅基衬底的下表面形成隔热凹槽。
可选，MEMS微热板的制造方法还包括：在加热电极和测量电极所在膜层上形成第二介电层，第二介电层在对应测量电极的区域的表面与测量电极的表面平齐以露出测量电极的表面。后续可在第二介电层上沉积相应功能膜层以形成所需MEMS器件。可选采用PECVD沉积第二介电层，可选第二介电层的组成材料为氧化硅，然后图形化氧化硅以露出测量电极。
本实施例提供的MEMS微热板的制造方法，加热电极和测量电极采用同层设置即共平面设计，只需要沉积一层金属电极层并采用一次金属图案化工艺即可完成MEMS微热板的加热电极和测量电极的制造。与现有技术相比，本实施例降低了加工工艺复杂度、减少了制造工序、并降低了制造成本，同时加热电极和测量电极采用共平面设计还能够提升了电极制造良率，进而提高MEMS微热板的制造良率。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (4)
1.一种MEMS微热板，其特征在于，包括：
硅基衬底，所述硅基衬底包括测量区域和加热区域；
第一介电层，位于所述硅基衬底的上表面；
加热电极和测量电极，所述加热电极和所述测量电极同层绝缘设置且均位于所述第一介电层上，所述加热电极对应设置在所述加热区域，以及所述测量电极对应设置在所述测量区域；
隔热凹槽，位于所述硅基衬底的下表面且贯穿所述硅基衬底，以及所述隔热凹槽的槽底在垂直于所述硅基衬底的方向上覆盖所述加热区域；
所述MEMS微热板，还包括：第二介电层，位于所述第一介电层上并覆盖所述加热电极，以及所述第二介电层在对应所述测量区域的表面与所述测量电极的表面平齐以露出所述测量电极的表面；
所述加热区域划分为呈第一对角线设置的第一角落区域和第二角落区域、呈第二对角线设置的第三角落区域和第四角落区域、以及剩余加热区域，其中，所述第一对角线和所述第二对角线交叉设置，所述剩余加热区域围绕所述测量区域；
在所述第一角落区域~所述第四角落区域中，每个角落区域中的加热电极具有至少一个开口；
位于所述第一角落区域~所述第四角落区域中的每个角落区域的加热电极的线宽小于位于所述剩余加热区域的加热电极的线宽；
所述第一角落区域~所述第四角落区域中的每个角落区域的面积占据所述加热区域和所述测量区域的总区域面积的5%~50%；
所述剩余加热区域的加热电极具有至少一个开口。
2.根据权利要求1所述的MEMS微热板，其特征在于，所述测量电极和所述加热电极的组成材料均为金属铂，所述测量电极和所述加热电极的厚度均为100nm~400nm。
3.根据权利要求1所述的MEMS微热板，其特征在于，所述加热区域围绕所述测量区域以及所述加热区域包括引线导出区域，所述测量电极的测量电极引线从所述引线导出区域引出。
4.一种MEMS微热板的制造方法，其特征在于，用于制备如权利要求1-3任一项所述的MEMS微热板，包括：
提供一硅基衬底，所述硅基衬底包括测量区域和加热区域；
在所述硅基衬底的上表面上形成第一介电层；
在所述第一介电层上形成加热电极和测量电极，所述加热电极和所述测量电极同层绝缘设置，所述加热电极对应设置在所述加热区域，以及所述测量电极对应设置在所述测量区域；
在所述硅基衬底的下表面形成贯穿所述硅基衬底的隔热凹槽，所述隔热凹槽的槽底在垂直于所述硅基衬底的方向上覆盖所述加热区域；
在所述第一介电层上形成第二介电层，所述第二介电层覆盖所述加热电极，以及所述第二介电层在对应所述测量区域的表面与所述测量电极的表面平齐以露出所述测量电极的表面。
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