一种三维微型加热器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种三维微型加热器及制备方法，制备包括：提供半导体衬底，形成具有平台腐蚀窗口牺牲层；腐蚀半导体衬形成若干个下沉平台结构；形成定义有加热膜区、支撑梁区及电极区的介质薄膜，加热膜区经支撑梁区与电极区连接；制备加热电阻丝、连接引线、电极、电极引线；于介质薄膜上形成薄膜释放窗口；腐蚀半导体衬底形成隔热腔体，以释放出加热膜区及支撑梁区。通过上述方案，本发明专利技术的三维加热器具有凹槽形下沉平台结构加热膜区阵列，加热电阻丝排布在下沉平台阵列内部，加热膜区结构稳定、功耗低，加热电阻丝加热分布均匀，具有大的气体接触面积和气体流通速度；在不同下沉平台结构上设置不同形状及布局的加热电阻丝，实现加热膜区热量调整。

【技术实现步骤摘要】
一种三维微型加热器及其制备方法
本专利技术属于微机械系统(MEMS)领域，特别是涉及一种三维微型加热器及其制备方法。
技术介绍
随着微机械加工技术的不断发展，基于MEMS工艺的微型加热器已开始在气体探测，环境监控和红外光源等领域广泛应用，随着应用的不断推广和深入，对微型加热器的低功耗、低成本、高性能、高可靠的要求也日益强烈。如何制作出低功耗高性能的加热器一直是本领域内技术人员追求的目标。目前，基于硅衬底的微型加热器从中心加热膜区结构来分，主要有两种类型，分别是封闭膜式(closedmembranetype)和悬膜式(suspendedmembranetype)。封闭膜式微型加热器的支撑膜边界都与衬底框架相连，通过背面体硅加工技术腐蚀衬底硅实现加热膜区的释放，如M.Gall，TheSi-planar-pellistor：alow-powerpellistorsensorinSi-thin-filmtechnology，SensorsandActuatorsB，Vol.4(1991)，pp.533-538；悬膜式微型加热器通常利用数条长条形支撑悬臂梁把中心加热膜区与衬底框架相连，利用正面体硅加工技术实现加热膜区的释放，如MichaelGaitan，et.al，Micro-hotplatedevicesandmethodsfortheirfabrication，USPatentNO.5,464,966。随着十多年的发展，为了满足不同需求，封闭膜式的微型加热器和悬膜式的微型加热器的加热膜区出现了很多种形状，如：圆形，矩形，长条形，或者多边形等。但不管是哪一种形状，这些加热膜区都是平面型的，是一种二维结构。然而，在某些领域内应用时这种平面式加热膜区的微型加热器却有些不足，特别是作为气体传感器，敏感材料在微型加热器中心加热膜区的覆盖率不高，敏感膜同被测气体的接触面积较小。而传统的三维微型加热器，增加了加热膜区的实际面积，但在气体传感器应用方面依旧存在缺陷，一方面是敏感材料很难在三维加热膜区内均匀沉积，另一方面是敏感材料分布在三维加热膜区的凹槽内部，气流流通教少，不利于敏感材料对被测气体的探测。因此，如何设计一种兼具传统二维微型加热器和三维加热器优点，除基本的低功耗、高加热效率的性能外，既具有更大的接触面积，又不影响气体流通的新型加热器实属必要。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种三维微型加热器及其制备方法，用于解决现有技术敏感材料难以在三维加热膜区均匀沉积、气体流通较少以及加热膜区的热量分配受限等问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种三维微型加热器的制备方法，包括如下步骤：1)提供一半导体衬底，并于所述半导体衬底上形成一牺牲层，所述牺牲层上形成有若干个平台腐蚀窗口，且相邻所述平台腐蚀窗口之间具有间距；2)基于所述平台腐蚀窗口腐蚀所述半导体衬底，以于所述半导体衬底中形成若干个间隔排布的下沉平台结构；3)去除所述牺牲层并于步骤2)所得到的结构的表面形成介质薄膜，所述介质薄膜上定义有加热膜区、支撑梁区及电极区，其中，所述加热膜区经由所述支撑梁区与所述电极区相连接，且所述加热膜区至少覆盖各所述下沉平台结构；4)于所述下沉平台结构对应的所述介质薄膜上制备加热电阻丝，于所述下沉平台结构之间的所述介质薄膜上制备连接引线，于所述电极区上制备电极，于所述支撑梁区上制备电极引线，其中，所述加热电阻丝与所述连接引线首尾连接形成导线结构，所述导线结构的两端分别经由不同的所述电极引线与不同的所述电极相连接；5)于所述介质薄膜上形成薄膜释放窗口；以及6)基于所述薄膜释放窗口腐蚀所述半导体衬底形成一隔热腔体，以释放出所述加热膜区及所述支撑梁区。作为本专利技术的一种优选方案，步骤1)中，所述半导体衬底包括(100)面的硅衬底；所述牺牲层包括氧化硅层，并通过光刻-刻蚀的工艺于所述氧化硅层上形成所述平台腐蚀窗口；所述牺牲层的厚度介于0.1～3微米之间。作为本专利技术的一种优选方案，步骤2)中，所述下沉平台结构呈阵列排布或无规则排布。作为本专利技术的一种优选方案，步骤2)中，所述下沉平台结构的截面形状包括倒梯形、半圆形及具有圆角的倒梯形中的任意一种；所述下沉平台结构的深度介于1～10微米之间。作为本专利技术的一种优选方案，步骤2)中，基于所述平台腐蚀窗口腐蚀所述半导体衬底的工艺包括各向异性腐蚀、各向同性腐蚀以及各向异性腐蚀和各向同性腐蚀的共同腐蚀中的任意一种。作为本专利技术的一种优选方案，所述各向异性腐蚀的腐蚀液包括氢氧化钾、四甲基氢氧化铵及乙二胺中的至少一种；所述各向同性腐蚀的腐蚀液包括氢氟酸、硝酸及水构成的混合液。作为本专利技术的一种优选方案，步骤3)中，所述介质薄膜包括由至少一层氧化硅层及至少一层氮化硅层，其中，每一层所述氧化硅层的厚度介于0.2～1微米之间，每一层所述氮化硅层的厚度介于0.2～1微米之间，所述介质薄膜的厚度介于0.4～5微米之间。作为本专利技术的一种优选方案，所述氧化硅的形成工艺包括热氧化、低压化学气相沉积及等离子体增强化学气相沉积中的任意一种；所述氮化硅的形成工艺包括低压化学气相沉积及等离子体增强化学气相沉积中的任意一种。作为本专利技术的一种优选方案，步骤3)中，所述介质薄膜上定义有一个所述加热膜区、至少两个所述支撑梁区以及至少两个所述电极区，其中，所述支撑梁区相对于所述加热膜区呈中心对称排布。作为本专利技术的一种优选方案，步骤4)中，所述加热电阻丝、所述连接引线、所述电极以及所述电极引线在同一制备工艺下制备，所述制备工艺包括剥离工艺及电镀工艺中的任意一种。作为本专利技术的一种优选方案，采用剥离工艺制备所述加热电阻丝、所述连接引线、所述电极和所述电极引线的步骤包括：4-1)于所述介质薄膜表面形成一层光刻胶层，并于所述光刻胶层上定义出加热电阻丝图形、连接引线图形、电极图形以及电极引线图形；4-2)于步骤4-1)得到的结构的表面形成一层金属材料层；及4-3)去除所述光刻胶层及其上的部分所述金属材料层，以得到所述加热电阻丝、所述连接引线、所述电极以及所述电极引线。作为本专利技术的一种优选方案，采用电镀工艺制备所述加热电阻丝、所述连接引线、所述电极和所述电极引线的步骤包括：4-1)于所述介质薄膜表面形成一层种子层；4-2)于所述种子层表面形成一层光刻胶层，并基于所述光刻胶层图形化所述种子层以于所述种子层上定义出加热电阻丝图形、连接引线图形、电极图形以及电极引线图形；4-3)于图形化的所述种子层上电镀形成金属材料层，以得到所述加热电阻丝、所述连接引线、所述电极以及所述电极引线。作为本专利技术的一种优选方案，步骤4)中，所述加热电阻丝位于所述下沉平台结构的底部及侧壁；每一所述下沉平台结构对应的所述加热电阻丝呈折线排列。作为本专利技术的一种优选方案，步骤4)中，所述加热电阻丝、所述连接引线、所述电极以及所述电极引线具有相同的厚度，且所述厚度介于0.2～2微米之间。作为本专利技术的一种优选方案，步骤5)中，形成所述薄膜释放窗口的步骤包括：于所述介质薄膜的表面形成一层光刻胶层，并通过光刻工艺于所述光刻胶层中形成薄膜释放窗口图形，基于所述光刻胶层刻蚀所述介质薄膜，以于所述介质薄膜中形成显露所述半导体衬底的所述薄膜释放窗口。作为本专利技术的一种优选方案，步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维微型加热器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)提供一半导体衬底，并于所述半导体衬底上形成一牺牲层，所述牺牲层上形成有若干个平台腐蚀窗口，且相邻所述平台腐蚀窗口之间具有间距；2)基于所述平台腐蚀窗口腐蚀所述半导体衬底，以于所述半导体衬底中形成若干个间隔排布的下沉平台结构；3)去除所述牺牲层并于步骤2)所得到的结构的表面形成介质薄膜，所述介质薄膜上定义有加热膜区、支撑梁区及电极区，其中，所述加热膜区经由所述支撑梁区与所述电极区相连接，且所述加热膜区至少覆盖各所述下沉平台结构；4)于所述下沉平台结构对应的所述介质薄膜上制备加热电阻丝，于所述下沉平台结构之间的所述介质薄膜上制备连接引线，于所述电极区上制备电极，于所述支撑梁区上制备电极引线，其中，所述加热电阻丝与所述连接引线首尾连接形成导线结构，所述导线结构的两端分别经由不同的所述电极引线与不同的所述电极相连接；5)于所述介质薄膜上形成薄膜释放窗口；以及6)基于所述薄膜释放窗口腐蚀所述半导体衬底形成一隔热腔体，以释放出所述加热膜区及所述支撑梁区。

【技术特征摘要】
1.一种三维微型加热器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)提供一半导体衬底，并于所述半导体衬底上形成一牺牲层，所述牺牲层上形成有若干个平台腐蚀窗口，且相邻所述平台腐蚀窗口之间具有间距；2)基于所述平台腐蚀窗口腐蚀所述半导体衬底，以于所述半导体衬底中形成若干个间隔排布的下沉平台结构；3)去除所述牺牲层并于步骤2)所得到的结构的表面形成介质薄膜，所述介质薄膜上定义有加热膜区、支撑梁区及电极区，其中，所述加热膜区经由所述支撑梁区与所述电极区相连接，且所述加热膜区至少覆盖各所述下沉平台结构；4)于所述下沉平台结构对应的所述介质薄膜上制备加热电阻丝，于所述下沉平台结构之间的所述介质薄膜上制备连接引线，于所述电极区上制备电极，于所述支撑梁区上制备电极引线，其中，所述加热电阻丝与所述连接引线首尾连接形成导线结构，所述导线结构的两端分别经由不同的所述电极引线与不同的所述电极相连接；5)于所述介质薄膜上形成薄膜释放窗口；以及6)基于所述薄膜释放窗口腐蚀所述半导体衬底形成一隔热腔体，以释放出所述加热膜区及所述支撑梁区。2.根据权利要求1所述的三维微型加热器的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述半导体衬底包括(100)面的硅衬底；所述牺牲层包括氧化硅层，并通过光刻-刻蚀的工艺于所述氧化硅层上形成所述平台腐蚀窗口；所述牺牲层的厚度介于0.1～3微米之间。3.根据权利要求1所述的三维微型加热器的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述下沉平台结构呈阵列排布或无规则排布。4.根据权利要求1所述的三维微型加热器的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述下沉平台结构的截面形状包括倒梯形、半圆形及具有圆角的倒梯形中的任意一种；所述下沉平台结构的深度介于1～10微米之间。5.根据权利要求1所述的三维微型加热器的制备方法，其特征在于，步骤2)中，基于所述平台腐蚀窗口腐蚀所述半导体衬底的工艺包括各向异性腐蚀、各向同性腐蚀以及各向异性腐蚀和各向同性腐蚀的共同腐蚀中的任意一种。6.根据权利要求5所述的三维微型加热器的制备方法，其特征在于，所述各向异性腐蚀的腐蚀液包括氢氧化钾、四甲基氢氧化铵及乙二胺中的至少一种；所述各向同性腐蚀的腐蚀液包括氢氟酸、硝酸及水构成的混合液。7.根据权利要求1所述的三维微型加热器的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述介质薄膜包括由至少一层氧化硅层及至少一层氮化硅层，其中，每一层所述氧化硅层的厚度介于0.2～1微米之间，每一层所述氮化硅层的厚度介于0.2～1微米之间，所述介质薄膜的厚度介于0.4～5微米之间。8.根据权利要求7所述的三维微型加热器的制备方法，其特征在于，所述氧化硅的形成工艺包括热氧化、低压化学气相沉积及等离子体增强化学气相沉积中的任意一种；所述氮化硅的形成工艺包括低压化学气相沉积及等离子体增强化学气相沉积中的任意一种。9.根据权利要求1所述的三维微型加热器的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述介质薄膜上定义有一个所述加热膜区、至少两个所述支撑梁区以及至少两个所述电极区，其中，所述支撑梁区相对于所述加热膜区呈中心对称排布。10.根据权利要求1所述的三维微型加热器的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述加热电阻丝、所述连接引线、所述电极以及所述电极引线在同一制备工艺下制备，所述制备工艺包括剥离工艺及电镀工艺中的任意一种；所述加热电阻丝、所述连接引线、所述电极以及所述电极引线具有相同的厚度，且所述厚度介于0.2～2微米之间。11.根据权利要求10所述的三维微型加热器的制备方法，其特征在于，采用剥离工艺制备所述加热电阻丝、所述连接引线、所述电极和所述电极引线的步骤包括：4-1)于所述介质薄膜表面形成一层光刻胶层，并于所述光刻胶层上定义出加热电阻丝图形、连接引线图形、电极图形以及电极引线图形；4-2)于步骤4-1)得到的结构的表面形成一层金属材料层；及4-3)去除所述光刻胶层及其上的部分所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李铁，王辉，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31