[發明專利]一種微熱盤及其制造方法

在審

• 申請號: 201710128204.7
• 申請日: 2017-03-06
• 公開（公告）號: CN106922042A
• 公開（公告）日: 2017-07-04
• 發明（設計）人: 雷鳴
• 申請（專利權）人: 武漢微納傳感技術有限公司
• 主分類號: H05B3/28
• 分類號: H05B3/28
• 代理公司: 北京華仲龍騰專利代理事務所(普通合伙)11548
• 代理人: 李靜

技術領域

本發明涉及微型加熱盤技術領域，具體涉及一種具有電阻加熱層的微熱盤結構及其制造方法。

背景技術

微熱盤裝置廣泛應用于需要局部高溫的產品中，包括高溫化學傳感器、微型化學反應器、紅外光源、流量傳感器等。

微熱盤通過溫度隔離技術，實現小尺寸和低功耗。微熱盤的溫度隔離結構可以是MEMS工藝懸膜、懸梁；也可以是具有低熱導率的高孔隙率材料，如陽極氧化鋁(AAO)、多孔硅(PS)；甚至可以是具有低熱導系數的藍寶石、氧化釔或石英等體材料。

目前廣泛采用的是MEMS工藝的微熱盤，這些產品的尺寸大多在1-5mm2。微熱盤通過電阻加熱層加熱至數百攝氏度，提供器件工作所需要的溫度條件。

一種常見的微熱盤應用是用于氣體傳感器中。當采用半導體電阻變化來感測氣體濃度變化時，為半導體材料進行氧化還原反應提供250~400℃的工作溫度；當采用催化燃燒式工作原理時，工作溫度在400~800℃之間，通過感測催化燃燒導致的溫度變化來檢查可燃氣體濃度；當用于紅外式氣體傳感器中發射紅外光源時，紅外線的輻射功率是溫度的4次方函數，高的紅外線輻射功率有利于改善信噪比，從而有利于提高氣體檢測的靈敏度，工作溫度一般在500℃以上。

在上面所述的應用中，微熱盤裝置對器件性能和可靠性至關重要，關鍵是設計制造出可工作在較高溫度，具有高可靠性的微熱盤。

微熱盤的結構主要由電阻加熱層及其兩側的絕緣支撐層組成，設計制造的關鍵是選擇合適的電阻加熱層材料，優化電阻加熱層的導電軌跡，以及制造出高強度的絕緣支撐層。

目前電阻加熱層材料較常采用的有Pt等低膨脹系數貴金屬、單晶硅、多晶硅、金屬硅化物等，導電軌跡多采用回型、圓環形、S型等，絕緣支撐層材料多采用氮化硅、氧化硅、氮氧化硅等。要找到具有更高性能的電阻加熱層材料和更高強度的絕緣支撐層材料都是比較困難的。

同時，為了保證加熱能量能夠有效集中于微熱盤工作區域，電阻加熱層一般設計為具有一定寬度的導電軌跡，導電軌跡的形狀可以通過有限元軟件加以優化，來實現溫度均勻，避免局部熱點。

大家所公知的是，隨著加熱功率的提高，為了保證電阻加熱層導電軌跡可以承受足夠大的電流強度，防止因為電遷移而造成器件失效，加熱電阻層必須具有足夠厚度。但電阻加熱層厚度變大時，高溫工作時電阻加熱層和兩側的絕緣支撐層因為熱膨脹系數失配造成的應力將顯著增加，可能超出薄膜的承受極限而導致破裂，從而造成器件因絕緣支撐層破裂而失效。

上述所述的問題需要在電阻層的厚度上做出最優設計，當微熱盤的尺寸較大時，可以設計較厚的溫度隔離絕緣支撐層，來改善微熱盤的高溫機械性能。但需要更小尺寸產品的時候，同樣工作溫度的單位截面積的電阻發熱層電流就會增加，對應的是電流密度的增加，在這種情況下，必須適當增大電阻發熱層的厚度來防止電遷移而造成失效。但增大電極厚度又會造成絕緣支撐層破裂的可能性增加。上述問題導致了器件小型化時最高工作溫度會降低，器件的可靠性和壽命會下降。

發明內容

本發明針對現有的技術問題，提供一種微熱盤裝置及其制造方法，按照現有的技術方案形成電阻加熱層，主要有剝離工藝（Lift off）和光刻蝕刻工藝兩種方案。當采用剝離工藝（Lift off）時，側壁的傾斜角度在70~90°之間。當采用光刻蝕刻工藝時，如采用各向異性蝕刻，側壁的傾斜角度在70~90°之間；當采用各向同性蝕刻時，因為存在掩膜下蝕刻延伸問題（Under Cut），側壁的傾斜角度在80~90°之間，側壁邊界具有比較尖銳的輪廓。

圖1是現有技術方案制造的一種常見的微熱盤剖面結構示意圖，當微熱盤在高溫工作時，電阻加熱層與絕緣支撐層之間熱膨脹系數的差異將導致薄膜變形，電阻加熱層陡峭的側壁輪廓造成了絕緣支撐層上尖銳的區域，應力在具有尖銳輪廓的位置聚集，超出材料的承受極限而造成破裂。另外，陡峭的側壁邊界輪廓會導致臺階覆蓋問題，造成后續沉積的絕緣支撐層在側壁位置處變薄，更進一步降低了絕緣支撐層可承受的破裂強度。

為克服現有技術方案中的不足，本發明通過采用具有1~60°傾斜結構、平滑過渡形貌結構的側壁邊界輪廓，可以減小結構中可能導致應力集中的尖銳輪廓，改善臺階覆蓋問題，從而改善了結構的應力分布，顯著提高器件的耐溫性。