CN109775654A

CN109775654A - 一种新型结构mems微热板

Info

Publication number: CN109775654A
Application number: CN201910015681.1A
Authority: CN
Inventors: 李欣宇; 李晓干; 林仕伟; 刘航
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2019-01-08
Filing date: 2019-01-08
Publication date: 2019-05-21

Abstract

本发明提供了一种新型结构MEMS微热板。该新型结构MEMS微热板包括硅基衬底、隔离支撑层、加热丝、介质保护层、测量电极、焊盘、隔热槽、腐蚀窗和滴涂槽。本发明提供一种新型结构MEMS微热板，测量区域上方有一滴涂槽，在用滴涂法制作微热版式传感器时只需将浆料液滴滴入槽内后干燥即可。与现有技术相比，滴涂槽内壁与液滴之间的张力作用可以使液滴表面呈平面，另一方面也可防止液滴溢出污染微热板非测量区域，使材料更加均匀地附着在测量区域。本发明的新型结构MEMS微热板可提升MEMS器件的测量精度和性能稳定。

Description

一种新型结构MEMS微热板

技术领域

本技术发明实施例涉及MEMS技术，具体涉及一种新型结构MEMS微热板。

背景技术

基于MEMS工艺的微热板以其功耗低、体积小、热响应快、可集成等优点广泛应用在微型气体传感器等领域。工作温度对半导体气敏材料的响应/恢复时间、灵敏度等气敏性能有着极大影响，大多数半导体气敏材料因其工作环境温度、最佳工作温度等限制，一般需要在200℃～400℃的高温下工作，这就要求气敏材料需要维持恒定温度，随着器件集成化发展，低功耗、加热稳定等因素颇为重要，微热板式气体传感器已成为当前传感器领域研究热点。

然而，目前制作微热板式气体传感器通常采用滴涂法，即将气敏材料悬浊液滴涂在微热板测试电极表面后干燥。由于微热板表面呈平面，液体滴在表面后因表面张力作用会形成半球状，在静置干燥过程中液体边界逐渐向里收缩，导致材料涂覆不均匀、厚度不一，容易造成与电极表面接触不佳，测试信号不稳定等。

发明内容

本技术发明实施例提供一种新型结构MEMS微热板及其制造工艺，以有效改善滴涂法造成材料涂覆不均匀的问题。

本发明的技术方案：

一种新型结构MEMS微热板，包括：

硅基衬底；

隔离支撑层，位于所述硅基衬底的上、下表面，所述隔离支撑层为了避免硅基衬底与引线短路，在所述腐蚀窗和所述隔热槽制造完成后对加热区域和测量区域起到支撑作用；

加热丝，位于隔离支撑层上方，所述加热丝对应组成加热区域；

介质保护层，位于所述加热电极上方，与所述隔离支撑层对齐，所述介质保护层的功能是对所述加热丝进行保护和绝缘；

测量电极和焊盘，位于介质保护层上方，所述测量电极组成测量区域，所述测量区域位于所述加热区域正上方，所述焊盘若干与加热丝端点相连，所述焊盘若干与测量电极端点相连；

隔热槽，位于所述硅基衬底内部，开口向上，贯穿所述硅基衬底或全部位于所述硅基衬底内部，所述隔热槽的槽底中心位于所述加热电极正下方；

腐蚀窗，贯穿所述介质保护层和所述隔离支撑层，所述腐蚀窗垂直于所述硅基衬底表面，与所述隔热槽相通；

滴涂槽，位于所述测量区域正上方，所述滴涂槽的内壁紧密包围所述测量区域，所述滴涂槽不遮盖所述腐蚀窗。

进一步地，所述隔离支撑层和所述介质保护层，可选用SiO₂、Si₃N₄、SiO₂和Si₃N₄复合材料中的一种制造。所述隔离支撑层厚度为350nm～4000nm。所述介质保护层厚度为350nm～4000nm。

进一步地，所述加热丝的组成材料为铂金或者钨，所述加热丝的厚度50nm～300nm。

进一步地，所述测量电极和焊盘的组成材料为金，所述测量电极和焊盘的厚度50nm～300nm。

进一步地，位于所述连接加热丝焊盘下方的介质保护层有若干垂直于所述硅基衬底表面的贯通通道，所述通道填充金属铂或金以连通所述焊盘与底层加热丝。

进一步地，所述滴涂槽，可选用SiO₂、Si₃N₄、SiO₂和Si₃N₄复合材料中的一种制造。所述滴涂槽壁厚为50nm～50μm，所述滴涂槽深度为100μm～5mm，所述滴涂槽底部面积占所在平面面积的5％～80％。

进一步地，所述测量区域的面积占所在平面面积的5％～80％，所述焊盘的面积占所在平面面积的5％～50％，所述腐蚀窗的窗口面积占所在平面面积的5％～80％。

本发明的有益效果：本发明提供一种新型结构MEMS微热板，测量区域上方有一滴涂槽，在用滴涂法制作微热版式传感器时只需将浆料液滴滴入槽内后干燥即可。与现有技术相比，滴涂槽内壁与液滴之间的张力作用可以使液滴表面呈平面，另一方面也可防止液滴溢出污染微热板非测量区域，使材料更加均匀地附着在测量区域。可提升MEMS器件的测量精度和性能稳定。

附图说明

图1为本技术发明实施例提供的一种MEMS微热板的剖面示意图；

图2为本技术发明实施例提供的另一种MEMS微热板的剖面示意图；

图3为本技术发明实施例提供的一种MEMS微热板的鸟瞰示意图；

图4为本技术发明实施例提供的另一种MEMS微热板的鸟瞰示意图；

图5为本技术发明实施例提供的一种MEMS微热板的制造方法流程图。

1硅基衬底；2隔离支撑层；3加热丝；4介质保护层；5a测量电极；5b焊盘；6隔热槽；7腐蚀窗；8滴涂槽。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本技术发明的目的、技术方案和优点，但不以任何方式限制本技术发明。所描述的实施例是本技术发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术发明中的实施例，本领域的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均属于本技术发明保护的范围。

以下结合附图和技术方案，进一步说明本技术发明的具体实施方式。

实施例1

参考图1～图2所示，本实施例提供的MEMS微热板包括：硅基衬底1；隔离支撑层2，位于所述硅基衬底的上、下表面；加热丝3，位于所述隔离支撑层上方，所述加热丝对应组成加热区域；介质保护层4，位于所述加热电极上方，与所述隔离支撑层对齐；测量电极5a和焊盘5b，所述测量电极位于所述介质保护层上方，所述测量电极组成测量区域，所述测量区域位于所述加热区域上方，所述焊盘共四个，其中两个焊盘与加热丝端点相连呈对角线分布，另两个焊盘若干与测量电极端点相连呈对角线分布；隔热槽6，位于所述硅基衬底内部，开口向上且贯穿所述硅基衬底，所述隔热槽的槽底中心位于所述加热电极下方；腐蚀窗7，贯穿所述介质保护层和所述隔离支撑层，所述腐蚀窗垂直于所述硅基衬底表面，与所述隔热槽相连；滴涂槽8，位于所述测量区域正上方，所述滴涂槽的内壁紧密包围所述测量区域，所述滴涂槽不遮盖所述腐蚀窗。

本实施例中可选硅基衬底1为(100)晶向的n型单晶硅，电阻率为5Ω*cm，厚度为300μm。在其他实施例中可以根据工艺、需求等限制合理选取所需不同晶向、尺寸、电阻率和厚度的硅基衬底，在本技术发明中不进行具体限制。

本实施例中隔离支撑层2和介质保护层4，隔离支撑层2选用Si₃N₄材料通过等离子体加强化学气相沉积法(PECVD)制造，厚度为650nm。介质保护层4选用SiO₂材料通过等离子体加强化学气相沉积法(PECVD)制造，厚度为1200nm。在其他实施例中可以根据对MEMS微热板中残余应力的考虑，本领域技术人员可合理选取材料、厚度和制造方法，不仅限于上述限定。

本实施例中加热丝3的组成材料为铂金，通过射频磁控溅射法和剥离法制造加热丝的厚度为100nm。可选的，制造加热丝可先溅射一层金属钛薄膜作为粘合层以增加加热丝与隔离支撑层的粘合力，薄膜厚度为5nm～20nm，所述加热区域的面积占所在平面面积的10％。在其他实施例中可以根据对MEMS微热板的工作温度需求，本领域技术人员可合理选取加热丝的材料、厚度和制造方法，不仅限于上述限定。

本实施例中测量电极5a和焊盘5b，通过射频磁控溅射法和剥离法制造测量电极和焊盘的厚度为100nm。可选的，制造测量电极和焊盘可先溅射一层金属铬薄膜作为粘合层以增加测试电极和焊盘与介质保护层的粘合力，薄膜厚度为5nm～20nm。所述测量电极为插指型结构。所述测量区域的面积占所在平面面积的10％。所述焊盘的面积占所在平面面积的11％。在其他实施例中可以根据对MEMS微热板的工作温度需求，本领域技术人员可合理选取测试电极和焊盘的材料、厚度和排布方式，不仅限于上述限定。

本实施例中腐蚀窗7，通过反应离子刻蚀法(RIE)对测量区域以外部分进行干法刻蚀，刻蚀深度为1850nm，直至露出硅基衬底。

本实施例中隔热槽6，通过湿法刻蚀工艺从硅基衬底上表面刻蚀形成隔热凹槽。

本实施例中滴涂槽8，选用Si₃N₄材料通过等离子体加强化学气相沉积法(PECVD)制造，厚度为100nm。过反应离子刻蚀法(RIE)刻蚀出槽体，直至露出测量电极，滴涂槽壁厚为10μm，槽底部面积占所在平面面积的10％。与现有技术相比，本实施例增加了滴涂槽，槽壁与材料液滴之间的张力作用可以使液滴表面呈平面，另一方面也可防止液滴溢出污染微热板的非测量区域，使材料更加均匀地附着在测量区域。

需要说明的是，本领域技术人员可以根据所需设计加热丝3、测量电极5a、焊盘5b和滴涂槽8的位置、分布，因此不具体限制加热区域和测量区域的位置。本实施例中隔热槽6、腐蚀窗7和滴涂槽8的刻蚀工艺、参数特征仅是一种具体示例，本领域技术人员可以根据所需合理定义结构参数，并不限于上述示例。

实施例2

参考图3～图4所示为本技术发明实施例提供的两种MEMS微热板。其中图1是图3沿着AB的剖面图，剖面图中为了表征测量电极5a为一个整体而是示意为块状。其中图2是图4沿着AB的剖面图，剖面图中为了表征测量电极5a为一个整体而是示意为块状。图4中加热区域具有高度对称性，可保证位于其正上方的测量区域受热均匀，可达到器件控温稳定的效果。本技术发明实施例中的滴涂槽可保证液滴限定在测量区域和加热区域内，可保证材料分布均匀且受热均匀，可防止污染非测量区域，可达到提升测量精度的效果。本领域技术人员在提升测量区域热均匀性的目标下，可根据需求合理设计加热区域中加热丝的线宽、排布和间距，在本技术发明中不进行具体限制。

实施例3

参考图5所示，结合本技术发明实施例1提供一种新型结构MEMS微热板的制造方法的流程图，该MEMS微热板的制造方法可以适用于上述任意一种MEMS微热板，也可以用于制造现有技术中的任意一种MEMS微热板。

上述仅为本技术发明的较佳实施例及所运用的技术原理，本技术发明不限定上述的特定实施例，在不脱离本技术发明构思的前提，还可以包括更多其他等效实施例。本领域技术人员进行各种非创新性改变、重新调整、相互结合和替代均不会脱离本技术发明的保护范围。

Claims

1.一种新型结构MEMS微热板，其特征在于，所述的新型结构MEMS微热板包括：

硅基衬底；

2.根据权利要求1所述的新型结构MEMS微热板，其特征在于，所述隔离支撑层和所述介质保护层的材质为SiO₂、Si₃N₄、SiO₂和Si₃N₄复合材料中的一种；所述隔离支撑层的厚度为350nm～4000nm；所述介质保护层厚度为350nm～4000nm。

3.根据权利要求1或2所述的新型结构MEMS微热板，其特征在于，所述加热丝的组成材料为铂金或钨，所述加热丝的厚度50nm～300nm。

4.根据权利要求3所述的新型结构MEMS微热板，其特征在于，所述测量电极和焊盘的组成材料为金，所述测量电极和焊盘的厚度50nm～300nm。

5.根据权利要求1、2或4所述的新型结构MEMS微热板，其特征在于，位于所述连接加热丝焊盘下方的介质保护层有若干垂直于所述硅基衬底表面的贯通通道，所述通道填充金属铂或金以连通所述焊盘与底层加热丝。

6.根据权利要求5所述的新型结构MEMS微热板，其特征在于，所述滴涂槽的材质为SiO₂、Si₃N₄、SiO₂和Si₃N₄复合材料中的一种；所述滴涂槽壁厚为50nm～50μm，所述滴涂槽深度为100μm～5mm，所述滴涂槽底部面积占所在平面面积的5％～80％。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的新型结构MEMS微热板，其特征在于，所述测量区域的面积占所在平面面积的5％～80％，所述焊盘的面积占所在平面面积的5％～50％，所述腐蚀窗的窗口面积占所在平面面积的5％～80％。

8.根据权利要求3所述的新型结构MEMS微热板，其特征在于，所述测量区域的面积占所在平面面积的5％～80％，所述焊盘的面积占所在平面面积的5％～50％，所述腐蚀窗的窗口面积占所在平面面积的5％～80％。

9.根据权利要求5所述的新型结构MEMS微热板，其特征在于，所述测量区域的面积占所在平面面积的5％～80％，所述焊盘的面积占所在平面面积的5％～50％，所述腐蚀窗的窗口面积占所在平面面积的5％～80％。