[發明專利]一種MEMS硅基微熱板及其加工方法

在審

• 申請號: 201410344534.6
• 申請日: 2014-07-18
• 公開（公告）號: CN104108677A
• 公開（公告）日: 2014-10-22
• 發明（設計）人: 沈方平;張珽;祁明鋒;劉瑞;丁海燕;谷文
• 申請（專利權）人: 蘇州能斯達電子科技有限公司
• 主分類號: B81B7/00
• 分類號: B81B7/00;B81C1/00
• 代理公司: 廣州三環專利代理有限公司 44202
• 代理人: 郝傳鑫

技術領域

本發明涉及硅基微熱板，具體涉及一種MEMS硅基微熱板及其加工方法。

背景技術

微熱板是一種常用的加熱平臺，用于對其上的元件進行加熱，從而保證該元件在需要的工作溫度下工作。目前，硅基微熱板已廣泛應用于微型氣體傳感器、薄膜量熱卡計、微加速度計以及氣壓計等微器件。微熱板的基本結構包括懸空介質薄膜以及薄膜電阻條。當電流通過薄膜電阻條時，電阻產生的焦耳熱一部分用于加熱微熱板，另一部分以傳導、對流和輻射的方式耗散于周圍環境中。

基于硅微加工技術的微熱板利用微電子機械系統(MEMS)對硅基半導體材料進行微加工而成。

微機電系統(MEMS,Micro-Electro-Mechanical?System)是一種先進的制造技術平臺。MEMS的技術包括微電子技術和微加工技術兩大部分。微電子技術的主要內容有:氧化層生長、光刻掩膜制作、光刻選擇摻雜(屏蔽擴散、離子注入)、薄膜(層)生長、連線制作等。微加工技術的主要內容有:硅表面微加工和硅體微加工(各向異性腐蝕、犧牲層)技術、晶片鍵合技術、制作高深寬比結構的深結構曝光和電鑄技術(LIGA)等。利用微電子技術可制造集成電路和許多傳感器。硅基加工技術是在微電子加工技術基礎上發展起來的一種微加工技術，主要依靠光刻、擴散、氧化、薄膜生長、干法刻蝕、濕法刻蝕和蒸發濺射等工藝技術。

隨著MEMS技術與微電子的發展，體積小，功耗低且易與其他材料或器件組合的微熱板越來越受到重視，但使用微加熱板會帶來一定的功率損耗。

現有技術中，為降低功耗，實現結構保溫普遍采用懸空結構的絕熱槽。目前基于MEMS加工技術制作的硅基微熱板普遍采用的結構是：在單晶硅基底的上表面沉積一層氮化硅膜層作為下絕緣層，在單晶硅基底的下表面制備絕熱槽。制備絕熱槽時可使用背面濕法刻蝕工藝，也可先對下絕緣層蝕刻出懸臂梁，再往下濕法刻蝕出倒金字塔式絕熱槽。兩種絕熱槽可以更好的防止熱量的散失以降低功耗。下絕緣層上方通過剝離工藝(lift-off)加工出鉑加熱絲層，通過給加熱絲通電即可產生熱量，形成傳感器工作所需要的溫度。在鉑加熱絲表面上又沉積一層氮化硅層作為上絕緣層。例如申請號為201210199078.1的中國專利公開了的硅基微熱板及其加工方法便采用了絕熱槽的工藝。但是這種方法蝕刻出絕熱槽后加熱層與氣體敏感層僅靠一層薄膜結構的氮化硅層支撐，而該薄膜僅在兩端被懸臂結構的支撐襯底支撐，這種薄膜結構的絕緣層力學性能較差，在器件受到震動或者碰撞時易發生破裂導致器件失效。除此之外，由于隔熱層與加熱絲的熱膨脹系數的差異，在高溫下隔熱層易翹曲使加熱絲易從隔熱層脫落，同樣導致器件失效。其次，懸臂結構的絕熱槽利用懸臂之間的空氣隔熱，由于空間較大，空氣流動較快，也會造成熱量散失較快，影響隔熱效果。再次，該種絕熱槽的制備工藝復雜，對控制條件要求較高，從而增加加工難度。

綜上，現有技術中的微熱板的隔熱結構主要存在以下問題：

(1)穩定性差，由于受力不均勻引起器件發生變形破裂，導致器件失效。

(2)隔熱效果差，絕熱槽間的空氣間隔較大導致熱量散失較快，影響隔熱效果。

(3)加工工藝復雜，絕熱槽的制備工藝復雜，制備時間較長。

發明內容

為了解決現有技術中硅基微熱板存在的諸多問題，本發明提供一種MEMS硅基微熱板及其加工方法，采用孔壁表面形成有二氧化硅薄膜的多孔硅層作為絕熱層，同時作為支撐層，可以有效減少熱量損失，降低功耗，增強微熱板的穩定性。

本發明的發明人發現：與單晶硅相比，多孔硅的多孔結構使其具有良好的隔熱性能，可以作為傳感器的隔熱層。與傳統絕熱槽相比，多孔硅的孔隙細密，可以有效減少空氣流動速度，增強隔熱效果。且多孔硅制備工藝簡單，成本低廉，可以通過簡單的電化學方法在硅襯底刻蝕，短時間內形成較厚的多孔硅層。采用孔硅作為隔熱層，由于所述多孔硅層設置于所述加熱層下方，而多孔硅具有良好的隔熱性能，可以有效減少所述加熱層熱量流失，減少功耗。且多孔硅層均勻分布在單晶硅襯底的上表面，可以穩定地支撐其上的絕緣層及其他微熱板組件，從而提高微熱板的穩定性，增加其使用壽命。

另外，二氧化硅也是一種隔熱材料，導熱系數低于單晶硅。在多孔硅層的上表面及孔壁表面覆蓋一層二氧化硅薄膜，可以有效解決暴露在空氣中的多孔硅表面導致的熱量損耗，進一步地降低功耗，增強微熱板的加熱性能。