CN108271282A - 一种微热盘及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微热盘及其制作方法，包括由下往上依次层叠的衬底、绝缘支撑层和电阻加热层，衬底的中部设置有温度隔离腔体，温度隔离腔体上部的绝缘支撑层为温度隔离悬膜，温度隔离腔体的边缘处的衬底上设置有与温度隔离腔体贯通为一体的形变隔离腔体，形变隔离腔体上部的悬膜为形变隔离悬膜，形变隔离悬膜上设有使得微热盘温度隔离腔体与外部环境之间气压平衡的通孔。本发明通过采用具有形变隔离腔体的结构，在形变隔离悬膜上开设通孔来实现悬膜两面压力平衡，消除了通孔处温度梯度造成的应力，同时抑制了温度隔离悬膜的形变向形变隔离悬膜上传导，其可以承受较高的工作温度，封装工艺简单，可进行单芯片系统集成，适用于产品进一步微型化。

Description

一种微热盘及其制作方法

技术领域

本发明涉及微电子系统技术领域，具体涉及一种微热盘及其制作方法。

背景技术

微热盘装置广泛应用于需要局部高温的产品中，包括高温化学传感器、微型化学反应器、红外光源、流量传感器等。

微热盘通过温度隔离技术，实现小尺寸和低功耗。微热盘的温度隔离结构可以是MEMS(微电子系统)工艺悬膜或悬梁，也可以是具有低热导率的高孔隙率材料、低热导系数的体材料。当微热盘工作在高温下时，考虑到热应力造成的结构形变影响，多采用密闭悬膜结构。为得到密闭悬膜结构，微热盘的温度隔离腔体采用衬底背部蚀刻工艺形成。微热盘(也即微热盘芯片)在封装和工作时，因为气体热胀冷缩效应、大气压力波动因素，温度隔离腔体需要跟环境空气导通以实现薄膜两边压力平衡，而随着产品尺寸持续缩小，温度隔离腔体越来越小，这造成了芯片粘结难度的提高，难以在普通封装基底上形成气体导通通道。传统的解决办法是：微型芯片需要采用特殊的封装结构，增加了封装的复杂性，而且，密闭悬膜结构只能采用背面蚀刻工艺，限制了产品的进一步小型化，限制了单芯片系统集成性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种微热盘及其制作方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种微热盘，包括由下往上依次层叠的衬底、绝缘支撑层和电阻加热层，所述衬底的中部设置有温度隔离腔体，所述温度隔离腔体上部的绝缘支撑层为温度隔离悬膜，所述电阻加热层位于所述绝缘支撑层上，所述电阻加热层的加热区域位于所述温度隔离悬膜的中部，其特征在于，所述温度隔离腔体的边缘处的衬底上设置有与所述温度隔离腔体贯通为一体的形变隔离腔体，所述形变隔离腔体上部的悬膜为形变隔离悬膜，所述形变隔离悬膜上设有使得微热盘温度隔离腔体与外部环境之间气压平衡的通孔。

如图1和图2所示，现有技术方案制造的一种常见微热盘结构示意图，大虚线框中的部分的绝缘支撑层2对应的衬底1被蚀刻掉而悬空，称为温度隔离悬膜21，衬底1被蚀刻掉的部分形成腔体，称为温度隔离腔体11，温度隔离腔体11和温度隔离悬膜21构成温度隔离腔体结构。由图中可看出，阴影部分电阻加热层3，其在绝缘支撑层的中间区域的导电轨迹宽度比在绝缘支撑层的边缘处的细，因此中间区域为发热区，图中小虚线框31为加热区域。

当微热盘尺寸持续缩小时，进行封装时，衬底上的粘结区域越来越小，当芯片(即为微热盘)尺寸为0.8mm×0.8mm(如图中衬底1的四边形边长)时，芯片的粘结区域处W尺寸(如图1中竖直方向的双向箭头的高度)约为0.16mm，L尺寸(如图1中水平方向的双向箭头的长度)为0.8mm。为保证芯片的粘结牢固度、平整度，满足芯片键合工艺要求，粘结胶水需要具有适当的扩散性，需要采用多个隔离的小胶点进行芯片粘结，而由于胶水的扩散性，胶水容易造成气体导通通道(即温度隔离腔体与外部环境之间的通道)的密闭。这时需要设计特殊的封装结构，而特殊的封装结构又会增加封装的复杂性。

为克服现有技术方案的不足，本发明通过采用具有形变隔离腔体的结构，在形变隔离腔体上的悬膜上开设通孔来实现悬膜两面压力平衡，开孔的位置选择在形变隔离悬膜上，该处的温度梯度较小甚至无温度梯度，在微热盘工作时，发热区域的高温在温度隔离悬膜上形成温度梯度以实现温度隔离，其热传导通过形变隔离悬膜时，该区域的温度梯度很小或温度等同，消除了温度梯度造成的应力；同时，形变隔离腔体的结构抑制了温度隔离悬膜的形变向形变隔离悬膜上传导。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步，所述通孔有多个通孔或形成环状通孔。

本发明的进一步有益效果是：设置多个通孔或形成环状通孔(把所有或部分孔全部打通即形成1个环状通孔)，可以加快悬膜两面压力平衡的速度，并适应正面MEMS释放工艺。

进一步，所述形变隔离悬膜的表面无所述电阻加热层。

本发明的进一步有益效果是：因为电阻加热层在绝缘支撑层上呈现特定形状，通孔的位置避开电阻加热层，有利于简化通孔蚀刻工艺。

进一步，所述温度隔离腔体的距离所述加热区域最远的边缘处的衬底上设置有所述形变隔离腔体。

本发明的进一步有益效果是：形变隔离腔体位于温度隔离腔体的距离电阻加热层的加热区域处最远的边缘处，实现形变隔离腔体上悬膜温度梯度很小甚至无温度梯度。

进一步，所述形变隔离腔体具有狭长的凹陷通道结构，凹陷通道的长度与宽度比大于1。

本发明的进一步有益效果是：形变隔离腔体具有狭长的凹陷通道结构，凹陷通道的长度与宽度比大于1，以有效抑制温度隔离悬膜的形变向形变隔离悬膜上传导。

进一步，所述通孔位于形变隔离腔体凹陷通道的最深处。

本发明的进一步有益效果是：孔位于形变隔离腔体凹陷通道的最深处，以减小或消除微热盘工作时导致的通孔位置的应力。

进一步，所述电阻加热层的材料为：金属铂，金属钽，金属钨，金属铱，金属钌，金属镍，以及其合金、掺杂单晶硅混合物、掺杂多晶硅混合物、金属硅化物中的一种；

所述衬底的材料为单晶硅、多晶硅、石英、蓝宝石、氧化钇、多孔阳极氧化铝或多孔硅；

所述绝缘支撑层的材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或其组合。

本发明的进一步有益效果是：电阻加热层采用贵金属铂Pt、钽Ta、钨W、铱Ir、钌Ru、镍Ni，以及其合金、掺杂单晶硅、掺杂多晶硅、金属硅化物中的一种，这些材料在高温下具有很好的长期稳定性。

为了解决本发明的技术问题，还提供了一种前述微热盘的制作方法，包括：

步骤1、在所述衬底上沉积所述绝缘支撑层；

步骤2、在所述绝缘支撑层上形成所述电阻加热层；

步骤3、光刻开通孔；

步骤4、对衬底进行蚀刻，释放悬膜，得到所述温度隔离腔体和所述形变隔离腔体，所述温度隔离腔体和所述形变隔离腔体贯通为一体。

进一步，所述步骤4中，当通过所述通孔对所述衬底进行正面蚀刻时，在所述步骤1之前，所述方法还包括：

步骤5、在所述衬底上的所述温度隔离腔体和所述形变隔离腔体的位置制作二氧化硅层，其中，所述二氧化硅层是通过电化学腐蚀或感应耦合等离子体蚀刻的方式形成多孔硅并对所述多孔硅进行氧化得到。

进一步，所述步骤5还包括：对所述二氧化硅层进行表面封孔，并通过回蚀刻方法或化学机械抛光技术对表面封孔的所述二氧化硅层表面进行表面平坦化处理。

本发明的有益效果是：本发明通过采用具有形变隔离腔体的结构，在形变隔离悬膜上开设通孔来实现悬膜两面压力平衡，消除了通孔处温度梯度造成的应力，同时抑制了温度隔离悬膜的形变向形变隔离悬膜上传导，其可以承受较高的工作温度，结构应力小，封装工艺简单，可进行单芯片系统集成，工作可靠性显著提高，适用于产品进一步微型化。

附图说明

图1为现有技术中的微热盘的俯视示意图；

图2为图1所示的微热盘沿A-A的剖面图；

图3为本发明实施例一提供的一种微热盘的俯视示意图；

图4为图3所示的微热盘沿A-A的剖面图；

图5为本发明实施例二提供的一种微热盘的俯视示意图；

图6为图5所示的微热盘沿A-A的剖面图；

附图中，各标号所代表的部位列表如下：

1、衬底，11、温度隔离腔体，12、形变隔离腔体，2、绝缘支撑层，21、温度隔离悬膜，22、形变隔离悬膜，23、通孔，3、电阻加热层，31、加热区域。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

一种微热盘，如图3和图4所示，包括：由下往上依次层叠的衬底1、绝缘支撑层2和电阻加热层3，衬底1的中部设置有温度隔离腔体11，温度隔离腔体11上部的绝缘支撑层为温度隔离悬膜21，电阻加热层3位于绝缘支撑层2上，电阻加热层3的加热区域31位于温度隔离悬膜21的中部，温度隔离腔体11的边缘处的衬底上设置有与温度隔离腔体11贯通为一体的形变隔离腔体12，形变隔离腔体12上部的绝缘支撑层为形变隔离悬膜22，形变隔离悬膜22上设有使得微热盘的温度隔离腔体11与外部环境之间气压平衡的通孔23。

其中，衬底1材料是单晶硅，绝缘支撑层2材料是氮化硅，电阻加热层3材料是Pt。

需要说明的是，形变隔离腔体即为一种腔体，形变隔离腔体对应的形变隔离悬膜上的通孔不受微热盘工作时高温的影响(因为加热区域位于温度隔离悬膜的中部，距离该形变隔离悬膜较远)，实现了温度传导的隔离；同时，形变隔离腔体的狭长凹陷结构抑制了温度隔离悬膜的形变向形变隔离悬膜上传导，实现了应力传导的隔离，避免了加热区域工作时热应力造成的结构形变影响，故将该腔体称为形变隔离腔体。

本实施例通过采用具有狭长凹陷结构的形变隔离腔体12，在形变隔离悬膜22上开设通孔23，实现悬膜两面压力平衡。开孔的位置选择在悬膜的边缘应力相对较小处，在微热盘工作时，发热区域31的高温在温度隔离悬膜21上形成温度梯度实现温度隔离，其热传导通过形变隔离腔体22时，该区域的温度梯度很小或温度等同，消除了在通孔23处温度梯度造成的应力，同时形变隔离腔体12的结构抑制了温度隔离悬膜21的形变向形变隔离悬膜22上传导。

优选的，通孔有多个或形成环状通孔，即为：通孔为多个，或者由多个通孔形成的环状通孔，如图3和图4所示，通孔23有4个。

优选的，形变隔离腔体12上部的形变隔离悬膜2的表面无电阻加热层，有利于简化蚀刻工艺。

优选的，温度隔离腔体的距离加热区域最远的边缘处的衬底上设置有形变隔离腔体，如图3和图4所示，通孔23设置在温度隔离悬膜21的四个角的延伸处形变隔离悬膜22上。

优选的，所述形变隔离腔体具有狭长的凹陷通道结构，如图3和图4所示，凹陷通道的长度与宽度比约为2，以有效抑制温度隔离悬膜21的形变向形变隔离悬膜22上传导。

优选的，所述通孔23位于形变隔离腔体12凹陷通道的最深处，以减小或消除微热盘工作时导致的通孔23位置的应力。

需要说明的是，通孔23位于形变隔离腔体12凹陷通道的最深处，凹陷通道的长即为通孔23和温度隔离腔体11的边缘之间的间距，凹陷通道的宽即为形变隔离腔体从上往下俯视方向的腔体宽度，通孔23和温度隔离腔体11的边缘之间的间距大于上述腔体宽度。

下面详细说明这种结构的微热盘的制造方法，它包括以下步骤：

1)在衬底上通过LPCVD法沉积绝缘支撑层1(氮化硅，500nm)；

2)通过剥离工艺在绝缘支撑层上沉积电阻加热层3(Pt，300nm)；

3)光刻，在绝缘支撑层2上蚀刻形成通孔23；

4)通过背面光刻、干法感应耦合等离子体各向异性蚀刻的方式释放悬膜，得到温度隔离腔体11和形变隔离腔体12，并使得温度隔离腔体11和形变隔离腔体12连通。

实施例二

一种微热盘，如图5和图6所示，包括：衬底1、绝缘支撑层2、电阻加热层3，绝缘支撑层2设置在衬底1上，电阻加热层3设置在绝缘支撑层2上，在衬底1设置有温度隔离腔体11，在温度隔离腔体11上部的绝缘支撑层2为温度隔离悬膜21，在温度隔离腔体11边缘设置有形变隔离腔体12，在形变隔离腔体12上部的绝缘支撑层2为形变隔离悬膜22，形变隔离悬膜22上设置有2个半环形通孔23。

其中，衬底1材料是单晶硅，绝缘支撑层2材料是氮化硅，电阻加热层3材料是Pt。

优选的，通孔有多个或形成环状通孔，即为：通孔为多个，或者由多个通孔形成的环状通孔，如图5和图6所示，通孔为2个半环形。

需要说明的是，形变隔离腔体可有多个，此时，每个形变隔离腔体对应的悬膜上可有一个通孔或者有多个通孔，或者多个通孔连通成为环状通孔。设置多个通孔或连通的环状通孔，可以加快悬膜两面压力平衡的速度，适应MEMS正面蚀刻工艺。

优选的，形变隔离腔体12上部的形变隔离悬膜22的表面无电阻加热层，有利于简化蚀刻工艺。

优选的，温度隔离腔体11的距离加热区域最远的边缘处的衬底上设置有形变隔离腔体12，如图5和图6所示，通孔23设置在温度隔离悬膜21的外侧形变隔离悬膜22圆环上。

形变隔离腔体12位于温度隔离腔体11的距离电阻加热层3的加热区域31最远的边缘处，保证形变隔离悬膜22的温度接近室温、温度梯度小甚至无温度梯度，以消除温度梯度造成的应力，这样可以大大减轻对通孔处的悬膜的破坏。

优选的，所述形变隔离腔体12具有狭长的凹陷通道结构，如图5和图6所示，凹陷通道的长度与宽度比约为3，以有效抑制温度隔离悬膜21的形变向形变隔离悬膜22上传导。

优选的，所述通孔位于形变隔离腔体12凹陷通道的最深处，以减小或消除微热盘工作时导致的通孔23位置的应力。

下面详细说明这种结构的微热盘的制造方法，它包括以下步骤：

1)对预设的温度隔离腔体和形变隔离腔体位置处的衬底正面ICP(感应耦合等离子体)蚀刻，形成多孔硅；

2)对该多孔硅进行氧化处理，使多孔硅转化为二氧化硅(SiO2)；

3)PECVD沉积SiO2，并对多孔二氧化硅进行表面封孔，对表面封孔的二氧化硅层通过Etch Back工艺进行表面平坦化处理；

4)通过LPCVD法沉积绝缘支撑层2(氮化硅，500nm)；

5)通过剥离工艺在绝缘支撑层上沉积电阻加热层3(Pt，300nm)；

6)光刻，在绝缘支撑层上蚀刻形成通孔23；；

7)通过通孔，对上述的SiO2进行正面干法HF选择性腐蚀，以释放悬膜，得到温度隔离腔体腔体11和形变隔离腔体12，且温度隔离腔体11和形变隔离腔体12贯通为一体。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微热盘，包括：由下往上依次层叠的衬底(1)、绝缘支撑层(2)和电阻加热层(3)，所述衬底(1)的中部设置有温度隔离腔体(11)，所述温度隔离腔体(11)上部的绝缘支撑层(2)为温度隔离悬膜(21)，所述电阻加热层(3)位于所述绝缘支撑层(2)上，所述电阻加热层(3)的加热区域(31)位于所述温度隔离悬膜(21)的中部，其特征在于，所述温度隔离腔体(11)的边缘处的衬底(1)上设置有与所述温度隔离腔体(11)贯通为一体的形变隔离腔体(12)，所述形变隔离腔体(12)上部的悬膜为形变隔离悬膜(22)，所述形变隔离悬膜(22)上设有使得所述温度隔离腔体(11)与外部环境之间气压平衡的通孔(23)。

2.根据权利要求1所述的一种微热盘，其特征在于，所述通孔有多个通孔或形成环状通孔。

3.根据权利要求1所述的一种微热盘，其特征在于，所述形变隔离悬膜(22)的表面无所述电阻加热层(3)。

4.根据权利要求3所述的一种微热盘，其特征在于，所述温度隔离腔体(11)的距离所述加热区域(31)最远的边缘处的衬底(1)上设置有所述形变隔离腔体(12)。

5.根据权利要求3所述的一种微热盘，其特征在于，所述形变隔离腔体(12)为具有狭长的凹陷通道的腔体结构，所述凹陷通道的长度与宽度比大于1，所述通孔(23)位于所述凹陷通道的最深处。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种微热盘，其特征在于，所述电阻加热层(3)的材料为：金属铂，金属钽，金属钨，金属铱，金属钌，金属镍，以及其合金、掺杂单晶硅混合物、掺杂多晶硅混合物、金属硅化物中的一种；

所述衬底(1)的材料为单晶硅、多晶硅、石英、蓝宝石、氧化钇、多孔阳极氧化铝或多孔硅；

所述绝缘支撑层(2)的材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或其组合。

7.一种如权利要求1至6任一项所述的微热盘的制作方法，其特征在于，包括：

步骤1、在所述衬底上沉积所述绝缘支撑层；

步骤2、在所述绝缘支撑层上形成所述电阻加热层；

步骤3、光刻开通孔；

步骤4、对所述衬底进行蚀刻，释放悬膜，得到所述温度隔离腔体和所述形变隔离腔体，所述温度隔离腔体和所述形变隔离腔体贯通为一体。

8.根据权利要求7所述的微热盘的制作方法，其特征在于，所述步骤4中，当通过所述通孔对所述衬底进行正面蚀刻时，在所述步骤1之前，所述方法还包括：

步骤5、在所述衬底上的所述温度隔离腔体和所述形变隔离腔体的位置预先制作厚二氧化硅层，其中，所述厚二氧化硅层是通过电化学腐蚀或感应耦合等离子体蚀刻的方式形成多孔硅并对所述多孔硅进行氧化得到。

9.根据权利要求8所述的微热盘的制作方法，其特征在于，所述步骤5还包括：对所述二氧化硅层进行表面封孔，并通过回蚀刻方法或化学机械抛光技术对表面封孔的所述二氧化硅层表面进行表面平坦化处理。