CN110040678A - 微传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种微传感器及其制备方法，微传感器包括：衬底，衬底的上表面形成有凹槽；热匀散结构层，悬置于凹槽的上方；支撑梁，位于凹槽的上方，且位于热匀散结构层与凹槽的侧壁之间；支撑梁一端与热匀散结构层相连接，另一端与衬底相连接；主体支撑层，至少位于热匀散结构层的上表面；限定环，位于主体支撑层的下表面，且位于热匀散结构层的外围；测试电极，位于主体支撑层的上表面；加热元件，位于主体支撑层的上表面；焊盘，位于衬底的上表面上，且位于凹槽的外侧。本发明的微传感器中加热元件下方设有热匀散结构，增强加热区域的散热能力，使得加热区域的温度均匀性好；加热元件与测试电极之间绝缘隔离，可以避免漏电，确保微传感器的性能。

Description

微传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体结构技术领域，特别是涉及一种微传感器及其制备方法。
背景技术
随着微机械加工技术的不断发展，不同功能的MEMS器件在各个领域都得到了广泛应用，其中微加热器在气体传感器、微热量计、气体流量计、红外光源等等方面都得到了广泛应用。其中基于MEMS微加热器的气体传感器具有体积小、功耗低、可批量生产、价格低廉的鲜明优势，特别适合于在智能终端、可穿戴产品、物联网等领域的气体传感应用，是近年来产品研发的热点领域。
常见的MEMS气体传感器采用主体支撑层，加热元件、绝缘层和测试电极叠加的“三明治”式结构，形成“直热式”微加热传感器结构，其加热回路与测试回路之间有一层绝缘层，采用等离子增强化学气相沉积法在加热元件上制备氧化硅、氮化硅或复合材料，其工艺沉积温度低，致密性差，不可避免地存在针孔，导致测试回路与加热回路之间漏电，影响传感器性能；同时，现有的微传感器还存在加热区域温度均匀性差、工艺复杂、加工时间较长及成本较高等问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微传感器及其制备方法，用于解决现有技术中的微传感器存在的测试回路与加热回路之间容易导致漏电，从而影响传感器性能的问题，以及微传感器存在的加热区域温度均匀性差、工艺复杂、加工时间较长及成本较高的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微传感器，所述微传感器包括：
衬底，所述衬底的上表面形成有凹槽；
热匀散结构层，悬置于所述凹槽的上方，且与所述凹槽的底部及所述凹槽的侧壁具有间距；
支撑梁，位于所述凹槽的上方，且位于所述热匀散结构层与所述凹槽的侧壁之间；所述支撑梁一端与所述热匀散结构层相连接，另一端与所述衬底相连接；
主体支撑层，至少位于所述热匀散结构层的上表面；
限定环，位于所述主体支撑层的下表面，且位于所述热匀散结构层的外围；
测试电极，位于所述主体支撑层的上表面；
加热元件，位于所述主体支撑层的上表面；
焊盘，位于所述衬底的上表面上，且位于所述凹槽的外侧。
可选地，所述衬底包括(111)晶面的单晶硅片。
可选地，所述加热元件包括具有缺口的环形，所述加热元件在所述热匀散结构层所在平面的投影位于所述热匀散结构层的外围。
可选地，所述测试电极位于所述加热元件内侧，所述测试电极在所述限定环所在平面的投影位于所述限定环的内侧。
可选地，所述主体支撑层的材料包括绝缘材料，所述主体支撑层还位于所述衬底的上表面及所述支撑梁的上表面；所述焊盘位于所述主体支撑层的上表面。
可选地，所述微传感器还包括绝缘层，所述绝缘层覆盖所述加热元件的表面及所述焊盘的部分表面。
本发明还提供一种微传感器的制备方法，所述微传感器的制备方法包括如下步骤：
提供衬底，于所述衬底的上表面形成限定槽，所述限定槽定义出后续形成的热匀散结构层的位置及形状；
于所述衬底的上表面及所述限定槽内形成绝缘材料层，填充于所述限定槽内的所述绝缘材料层构成限定环；
于所述绝缘材料层的上表面形成测试电极、加热元件及焊盘；
刻蚀所述绝缘材料层，以定义出所述主体支撑层及所述支撑梁的形状及位置；
刻蚀所述衬底，以于所述衬底内形成释放沟槽；
基于所述释放沟槽刻蚀所述衬底，以于所述衬底内形成凹槽并释放所述支撑梁、所述主体支撑层及悬置于所述凹槽上方的所述热匀散结构。
可选地，所述衬底包括(111)晶面的单晶硅片。
可选地，所述测试电极、所述加热元件及所述焊盘均位于所述主体支撑层的上表面，且所述焊盘位于所述凹槽的外侧。
可选地，所述加热元件包括具有缺口的环形，所述加热元件在所述热匀散结构层所在平面的投影位于所述热匀散结构层的外围。
可选地，所述测试电极位于所述加热元件内侧，所述测试电极在所述限定环所在平面的投影位于所述限定环的内侧。
可选地，形成所述测试电极、所述加热元件及所述焊盘之后且刻蚀所述绝缘材料层之前，还包括如下步骤：
于所述加热元件的表面及所述焊盘的表面形成绝缘层，所述绝缘层包覆所述加热元件及所述焊盘；
刻蚀包覆所述焊盘的所述绝缘层以裸露出所述焊盘的部分表面。
如上所述，本发明的微传感器及其制备方法具有以下有益效果：
本发明的微传感器中加热元件下方设有热匀散结构，可以增强加热区域的散热能力，使得加热区域的温度均匀性好；加热元件与测试电极之间绝缘隔离，可以避免漏电，从而确保微传感器的性能；本发明的微传感器可以采用单面释放结构工艺制备，具有工艺时间短、工艺简单及成本较低等优点。
附图说明
图1显示为本发明实施例一中提供的微传感器的制备方法的流程图。
图2显示为本发明实施例一中提供的微传感器的制备方法中步骤1)所得结构的截面结构示意图。
图3显示为本发明实施例一中提供的微传感器的制备方法中步骤2)所得结构的截面结构示意图。
图4显示为本发明实施例一中提供的微传感器的制备方法中步骤3)所得结构的截面结构示意图。
图5显示为本发明实施例一中提供的微传感器的制备方法中步骤4)所得结构的截面结构示意图。
图6显示为本发明实施例一中提供的微传感器的制备方法中步骤5)所得结构的截面结构示意图。
图7显示为本发明实施例一中提供的微传感器的制备方法中步骤6)所得结构的俯视结构示意图。
图8显示为沿图7中AA方向的截面结构示意图。
元件标号说明
10 衬底
101 限定槽
102 凹槽
11 绝缘材料层
111 限定环
12 测试电极
13 加热元件
14 焊盘
15 释放沟槽
16 支撑梁
17 主体支撑层
18 热匀散结构
19 绝缘层
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图8。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例一
请参阅图1，本发明提供一种微传感器的制备方法，所述微传感器的制备方法包括如下步骤：
1)提供衬底，于所述衬底的上表面形成限定槽，所述限定槽定义出后续形成的热匀散结构层的位置及形状；
2)于所述衬底的上表面及所述限定槽内形成绝缘材料层，填充于所述限定槽内的所述绝缘材料层构成限定环；
3)于所述绝缘材料层的上表面形成测试电极、加热元件及焊盘；
4)刻蚀所述绝缘材料层，以定义出所述主体支撑层及所述支撑梁的形状及位置；
5)刻蚀所述衬底，以于所述衬底内形成释放沟槽；
6)基于所述释放沟槽刻蚀所述衬底，以于所述衬底内形成凹槽并释放所述支撑梁、所述主体支撑层及悬置于所述凹槽上方的所述热匀散结构。
在步骤1)中，请参阅图1中的S1步骤及图2，提供衬底10，于所述衬底10的上表面形成限定槽101，所述限定槽101定义出后续形成的热匀散结构层的位置及形状。
作为示例，所述衬底10可以包括但不仅限于单晶硅基片，具体的，所述衬底10可以包括单面抛光或双面抛光的单晶硅基片；更为具体的，所述衬底10可以包括N型掺杂的单面抛光或双面抛光的(111)单晶硅基片；所述单晶硅基片的电阻率可以包括但不仅限于1Ω·cm～10Ω·cm。
作为示例，可以采用刻蚀工艺刻蚀所述衬底10的上表面以形成所述限定槽101，具体的，可以采用硅深度反应离子刻蚀工艺刻蚀所述衬底10的上表面以形成所述限定槽101。
作为示例，所述限定槽101的形状可以根据实际需要进行设定，譬如，所述限定槽101的形状可以包括但不仅限于环形(譬如，圆环形或矩形环形等等)；优选地，本实施例中，所述限定槽101的形状为圆环形。
在步骤2)中，请参阅图1中的S2步骤及图3，于所述衬底10的上表面及所述限定槽101内形成绝缘材料层11，填充于所述限定槽101内的所述绝缘材料层11构成限定环111。
作为示例，可以采用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)工艺、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)工艺或原子层沉积(Atomic LayerDeposition，ALD)工艺于所述衬底10的上表面及所述限定槽101内形成所述绝缘材料层11，所述绝缘材料层11的材料可以根据实际需要进行设定；优选地，采用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺沉积低应力氮化硅以形成所述绝缘材料层11；所述低应力氮化硅的应力优选为低于100MPa(兆帕)的张应力，譬如，可以为几十兆帕的张应力。
在步骤3)中，请参阅图1中的S3步骤及图4，于所述绝缘材料层11的上表面形成测试电极12、加热元件13及焊盘14。
作为示例，步骤3)中，于所述绝缘材料层11的上表面形成所述测试电极12、所述加热元件13及所述焊盘14可以包括如下步骤：
3-1)于所述绝缘材料层11的上表面沉积金属材料层(未示出)；
3-2)将所述金属材料层进行图形化以得到所述测试电极12、所述加热元件13及所述焊盘14。
作为示例，步骤3)之后还包括如下步骤：
于所述加热元件13的表面及所述焊盘14的表面形成绝缘层19，所述绝缘层19包覆所述加热元件13及所述焊盘14；
刻蚀包覆所述焊盘14的所述绝缘层19以裸露出所述焊盘14的部分表面；具体的，可以采用干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺刻蚀包覆所述焊盘14的所述绝缘层19。
作为示例，所述测试电极12位于所述加热元件13内侧，所述测试电极12在所述限定环111所在平面的投影位于所述限定环111的内侧。
在步骤4)中，请参阅图1中的S4步骤及图5，刻蚀所述绝缘材料层11，以定义出所述主体支撑层及所述支撑梁的形状及位置。
作为示例，可以采用反应离子刻蚀工艺刻蚀所述绝缘材料层11。
在步骤5)中，请参阅图1中的S5步骤及图6，刻蚀所述衬底10，以于所述衬底10内形成释放沟槽15。
作为示例，可以采用硅深度反应离子刻蚀工艺刻蚀所述衬底10以形成所述释放沟槽15。
在步骤6)中，请参阅图1中的S6步骤及图7至图8，基于所述释放沟槽15刻蚀所述衬底10，以于所述衬底10内形成凹槽102并释放所述支撑梁16、所述主体支撑层17及悬置于所述凹槽102结构上方的所述热匀散结构18。
作为示例，可以采用湿法刻蚀工艺基于所述释放沟槽15刻蚀所述衬底10。
作为示例，所述测试电极12、所述加热元件13及所述焊盘14均位于所述主体支撑层16的上表面，且所述焊盘14位于所述凹槽102的外侧。
作为示例，所述加热元件13包括具有缺口的环形，所述加热元件13在所述热匀散结构层18所在平面的投影位于所述热匀散结构层18的外围。
作为示例，所述限定环111内侧的所述衬底10即构成所述热匀散结构；位于所述衬底10上表面的所述绝缘材料层11即构成所述主体支撑层17。
作为示例，所述支撑梁16的数量可以根据实际需要进行设定，图7中以所述支撑梁16的数量为四个作为示例，在实际示例中，所述支撑梁16的数量并不以此为限。所述支撑梁16一端与位于所述凹槽102外侧的所述衬底10相连接，另一端与悬浮于所述凹槽102上方的所述热匀散结构18相连接。
作为示例，所述主体支撑层17的形状可以包括但不仅限于圆形(如图7所示)或矩形等等。
本发明的微传感器的制备方法具有工艺时间短、工艺简单及成本较低等优点；本发明的微传感器的制备方法制备的所述微传感器中所述加热元件13下方设有所述热匀散结构18，可以增强加热区域的散热能力，使得加热区域的温度均匀性好；所述加热元件13与所述测试电极12之间绝缘隔离，可以避免漏电，从而确保所述微传感器的性能。
实施例二
请继续参阅图7及图8，本发明还提供一种微传感器，所述微传感器包括：衬底10，所述衬底10的上表面形成有凹槽102；热匀散结构层18，所述热匀散结构18悬置于所述凹槽102的上方，且所述热匀散结构18与所述凹槽102的底部及所述凹槽102的侧壁具有间距；支撑梁16，所述支撑梁16位于所述凹槽102的上方，且所述支撑梁16位于所述热匀散结构层18与所述凹槽102的侧壁之间；所述支撑梁16一端与所述热匀散结构层18相连接，另一端与所述衬底10相连接；主体支撑层17，所述主体支撑层17至少位于所述热匀散结构层18的上表面；限定环111，所述限定环111位于所述主体支撑层17的下表面，且所述限定环111位于所述热匀散结构层18的外围；测试电极12，所述测试电极12位于所述主体支撑层17的上表面；加热元件13，所述加热元件13位于所述主体支撑层17的上表面；焊盘14，所述焊盘14位于所述衬底10的上表面上，且所述焊盘14位于所述凹槽102的外侧。
作为示例，所述衬底10可以包括但不仅限于单晶硅基片，具体的，所述衬底10可以包括单面抛光或双面抛光的单晶硅基片；更为具体的，所述衬底10可以包括N型掺杂的单面抛光或双面抛光的(111)单晶硅基片；所述单晶硅基片的电阻率可以包括但不仅限于1Ω·cm～10Ω·cm。
作为示例，所述限定环111的形状可以根据实际需要进行设定，譬如，所述限定环111的形状可以包括但不仅限于环形(譬如，圆环形或矩形环形等等)；优选地，本实施例中，所述限定环111的形状为圆环形。
作为示例，所述主体支撑层17的材料包括绝缘材料，所述主体支撑层17还位于所述衬底10的上表面及所述支撑梁16的上表面；所述焊盘14位于所述主体支撑层17的上表面。所述主体支撑层17可以包括低应力氮化硅，所述低应力氮化硅的应力优选为低于100MPa(兆帕)的张应力，譬如，可以为几十兆帕的张应力。
作为示例，所述主体支撑层17的形状可以包括但不仅限于圆形(如图7所示)或矩形等等。
作为示例，所述热匀散结构18的材料可以与所述衬底10的材料相同。
作为示例，所述测试电极12、所述加热元件13及所述焊盘14的材料可以均包括金属。
作为示例，所述测试电极12位于所述加热元件13内侧，所述测试电极12在所述限定环111所在平面的投影位于所述限定环111的内侧。
作为示例，所述测试电极12、所述加热元件13及所述焊盘14均位于所述主体支撑层16的上表面，且所述焊盘14位于所述凹槽102的外侧。
作为示例，所述加热元件13包括具有缺口的环形，所述加热元件13在所述热匀散结构层18所在平面的投影位于所述热匀散结构层18的外围。
作为示例，所述支撑梁16的数量可以根据实际需要进行设定，图7中以所述支撑梁16的数量为四个作为示例，在实际示例中，所述支撑梁16的数量并不以此为限。所述支撑梁16一端与位于所述凹槽102外侧的所述衬底10相连接，另一端与悬浮于所述凹槽102上方的所述热匀散结构18相连接。
本发明的所述微传感器中所述加热元件13下方设有所述热匀散结构18，可以增强加热区域的散热能力，使得加热区域的温度均匀性好；所述加热元件13与所述测试电极12之间绝缘隔离，可以避免漏电，从而确保所述微传感器的性能。
综上所述，本发明提供一种微传感器及其制备方法，所述微传感器包括：衬底，所述衬底的上表面形成有凹槽；热匀散结构层，悬置于所述凹槽的上方，且与所述凹槽的底部及所述凹槽的侧壁具有间距；支撑梁，位于所述凹槽的上方，且位于所述热匀散结构层与所述凹槽的侧壁之间；所述支撑梁一端与所述热匀散结构层相连接，另一端与所述衬底相连接；主体支撑层，至少位于所述热匀散结构层的上表面；限定环，位于所述主体支撑层的下表面，且位于所述热匀散结构层的外围；测试电极，位于所述主体支撑层的上表面；加热元件，位于所述主体支撑层的上表面；焊盘，位于所述衬底的上表面上，且位于所述凹槽的外侧。本发明的微传感器中加热元件下方设有热匀散结构，可以增强加热区域的散热能力，使得加热区域的温度均匀性好；加热元件与测试电极之间绝缘隔离，可以避免漏电，从而确保微传感器的性能；本发明的微传感器可以采用单面释放结构工艺制备，具有工艺时间短、工艺简单及成本较低等优点；本发明的微传感器的制备方法具有工艺时间短、工艺简单及成本较低等优点。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种微传感器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底的上表面形成有凹槽；
热匀散结构层，悬置于所述凹槽的上方，且与所述凹槽的底部及所述凹槽的侧壁具有间距；
支撑梁，位于所述凹槽的上方，且位于所述热匀散结构层与所述凹槽的侧壁之间；所述支撑梁一端与所述热匀散结构层相连接，另一端与所述衬底相连接；
主体支撑层，至少位于所述热匀散结构层的上表面；
限定环，位于所述主体支撑层的下表面，且位于所述热匀散结构层的外围；
测试电极，位于所述主体支撑层的上表面；
加热元件，位于所述主体支撑层的上表面；
焊盘，位于所述衬底的上表面上，且位于所述凹槽的外侧。
2.根据权利要求1所述的微传感器，其特征在于，所述衬底包括(111)晶面的单晶硅片。
3.根据权利要求1所述的微传感器，其特征在于，所述加热元件包括具有缺口的环形，所述加热元件在所述热匀散结构层所在平面的投影位于所述热匀散结构层的外围。
4.根据权利要求3所述的微传感器，其特征在于，所述测试电极位于所述加热元件内侧，所述测试电极在所述限定环所在平面的投影位于所述限定环的内侧。
5.根据权利要求1所述的微传感器，其特征在于，所述主体支撑层的材料包括绝缘材料，所述主体支撑层还位于所述衬底的上表面及所述支撑梁的上表面；所述焊盘位于所述主体支撑层的上表面。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的微传感器，其特征在于，所述微传感器还包括绝缘层，所述绝缘层覆盖所述加热元件的表面及所述焊盘的部分表面。
7.一种微传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供衬底，于所述衬底的上表面形成限定槽，所述限定槽定义出后续形成的热匀散结构层的位置及形状；
于所述衬底的上表面及所述限定槽内形成绝缘材料层，填充于所述限定槽内的所述绝缘材料层构成限定环；
于所述绝缘材料层的上表面形成测试电极、加热元件及焊盘；
刻蚀所述绝缘材料层，以定义出所述主体支撑层及所述支撑梁的形状及位置；
刻蚀所述衬底，以于所述衬底内形成释放沟槽；
基于所述释放沟槽刻蚀所述衬底，以于所述衬底内形成凹槽并释放所述支撑梁、所述主体支撑层及悬置于所述凹槽上方的所述热匀散结构。
8.根据权利要求7所述的微传感器的制备方法，其特征在于，所述衬底包括(111)晶面的单晶硅片。
9.根据权利要求7所述的微传感器的制备方法，其特征在于，所述测试电极、所述加热元件及所述焊盘均位于所述主体支撑层的上表面，且所述焊盘位于所述凹槽的外侧。
10.根据权利要求7所述的微传感器的制备方法，其特征在于，所述加热元件包括具有缺口的环形，所述加热元件在所述热匀散结构层所在平面的投影位于所述热匀散结构层的外围。
11.根据权利要求10所述的微传感器的制备方法，其特征在于，所述测试电极位于所述加热元件内侧，所述测试电极在所述限定环所在平面的投影位于所述限定环的内侧。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的微传感器的制备方法，其特征在于，形成所述测试电极、所述加热元件及所述焊盘之后且刻蚀所述绝缘材料层之前，还包括如下步骤：
于所述加热元件的表面及所述焊盘的表面形成绝缘层，所述绝缘层包覆所述加热元件及所述焊盘；
刻蚀包覆所述焊盘的所述绝缘层以裸露出所述焊盘的部分表面。
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