一种基于横向复合介电膜的MEMS微热板及制造方法技术

本发明专利技术公开了一种基于横向复合介电膜的MEMS微热板，所述微热板以硅衬底背面刻蚀为基础，在底部隔离支撑层上，中心区域为高导热系数的传热材料，外围区域为低导热系数材料的构成横向复合膜作为复合介电层，有效降低平面式微热板的横向热传导损失，提高热板的加热效率，并且降低热应力引起的机械形变，同时可在外部低导热系数材料区域刻蚀冲孔形成冲孔网格结构，进一步阻隔微热板的横向热传导损失，降低加热功耗。本发明专利技术还公开了一种基于横向复合介电膜的MEMS微热板的制作方法。合介电膜的MEMS微热板的制作方法。合介电膜的MEMS微热板的制作方法。

A MEMS Micro hot plate based on transverse composite dielectric film and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
一种基于横向复合介电膜的MEMS微热板及制造方法


[0001]本专利技术涉及MEMS
，具体涉及一种基于横向复合介电膜的MEMS微热板及制造方法。

技术介绍

[0002]基于MEMS工艺的微热板已经证实具有小型化、低功耗、热响应快、易于集成等优点，被广泛应用在微气体传感器、微气体流量计、红外发射器和微温度计等方面。例如，微热板用于微气体传感器时，微气体传感器的性能受到其工作温度和机械稳定性的影响，通常用于微型气体传感器的微热板需要提供150℃～400℃的均匀温度和良好的机械稳定性，要求微热板的升热速度快且分布均匀。为集成在移动设备中，微热板需要尽可能降低功耗并提供合适的温度，还要保持良好的温度均匀性、机械性能和升温速度，成为微热板研究领域的热点。
[0003]当前MEMS平面式微热板一般采用SiO2、Si3N4或垂直方向组合的SiO2、Si3N4膜形成支撑层和介电层。但仅使用SiO2材料的微热板，其较低的导热系数易增加热损耗，并易引起高温热形变，仅使用Si3N4材料的微热板，能缓解高温热形变，提升升温速度，但高导热的性质导致横向热量损失增加，使用垂直方向组合的SiO2、Si3N4膜构成的热板，形变降低，但横向热损耗依然存在。这些因素导致平面式微热板比悬桥式微热板的热传导损失大，功耗高。但悬桥式微热板存在的严重问题是形变大，易损伤，不易与后期其它工艺兼容，从而导致基于此类微热板的器件制备的良率低，稳定性和可靠性低。

技术实现思路

[0004]针对上述技术问题，本专利技术提供了一种基于横向复合介电膜的MEMS微热板及制造方法。
[0005]本专利技术目的在于提供一种横向热传导损失低、微热板的功耗效率高和热应力引起的机械形变低的平面式微热板，满足诸如气体传感器所需要的低功耗、低形变、高稳定性和可靠性的需求。
[0006]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：
[0007]一种基于横向复合介电膜的MEMS微热板，所述微热板包括复合介电层、硅基衬底、隔离支撑层、加热电极、信号电极和焊盘、背面刻蚀区域；
[0008]所述硅基衬底为制造微热板的底座；
[0009]所述隔离支撑层位于硅基衬底上方，用于绝缘、降低热量损失，为电极加热区域和信号测量区域提供支撑；
[0010]所述加热电极设置在隔离支撑层上方，所述加热电极产生加热区域，为所述微热板提供所需要的工作温度；
[0011]所述复合介电层设置在所述加热电极上方，以高导热系数材料
‑
低导热系数材料组成横向复合膜为复合介电层，所述复合介电层对所述加热电极进行绝缘并选择性导热；
[0012]所述焊盘和信号电极，信号电极位于复合介电层上方，所述的信号电极构成信号测量区域，信号测量区域位于加热区域正上方，焊盘用于提供对外引脚接口，与对应加热电阻和信号电极相连；
[0013]所述背面刻蚀区域，刻蚀形状为圆形，位于加热电极的下方，腐蚀贯穿硅基衬底和背面隔离支撑层，刻蚀区域垂直于硅基衬底。
[0014]进一步地，所述高导热系数材料为Si3N4，外围低导热系数材料为SiO2，形成氮化硅
‑
二氧化硅复合介电膜，位于加热电极上方和周围，对加热电极进行绝缘和选择性导热。
[0015]进一步地，氮化硅
‑
二氧化硅复合介电膜厚度0.2um～1um，中心嵌入Si3N4面积占氮化硅
‑
二氧化硅复合介电膜面积的30％～90％。
[0016]进一步地，在低导热材料区域，设置冲孔网格结构实现横向热阻隔，冲孔排列形成内外两圈且互相错位，开孔深度贯穿微热板。
[0017]进一步地，所述冲孔网格结构为方形孔，冲孔边长范围1.5um～200um。
[0018]进一步地，所述隔离支撑层的所用材料为SiO2，所述隔离支撑层厚度为0.1um～5um。
[0019]进一步地，背面刻蚀区域刻蚀面积占所在平面面积的10％
‑
90％。
[0020]进一步地，所述加热电极所用材料为铂金、钨、多晶硅的任意一种，加热电极形状设计为多个同心圆相连的环形，厚度100nm～600nm，电极宽度和间距0.1um～50um，加热区域占所在平面面积的10％
‑
50％。
[0021]进一步地，信号电极和焊盘选用材料为金，厚度100nm～200nm，信号测量区域占所在平面面积的10
‑
50％；焊盘边长100um
‑
1000um。
[0022]一种基于横向复合介电膜的MEMS微热板的制造方法，包括以下步骤：
[0023]步骤S1.准备硅基衬底；
[0024]步骤S2.在硅基衬底上采用热氧化工艺形成隔离支撑层；
[0025]步骤S3.使用溅射工艺和光刻
‑
剥离工艺制造加热电极，加热电极对应组成加热区域；
[0026]步骤S4.在加热区域化学气相沉积Si3N4层；
[0027]步骤S5.在Si3N4层周围化学气相沉积SiO2层，以形成二氧化硅
‑
氮化硅复合介电层；
[0028]步骤S6.引入退火工艺与化学机械抛光工艺以消除残余力和表面平坦化；
[0029]步骤S7.在复合介电层上方采用溅射工艺和光刻
‑
剥离工艺形成信号电极；
[0030]步骤S8.湿法刻蚀或干法刻蚀或干法湿法结合刻蚀形成背面刻蚀区域，正面刻蚀形成冲孔网格结构。
[0031]与现有技术相比，本专利技术具有如下技术效果：
[0032](1)利用高导热系数材料
‑
低导热系数的材料(例如SiO2和Si3N4构成的复合膜)组成横向复合膜为介电层，相比单一介电层的微热板，二氧化硅
‑
氮化硅复合介电膜可以利用外部低导热系数的材料减少热传导损失从而减少热量损失；中心高导热系数材料能够快速传热、改善温度分布、缓解高温热形变、提升微热板的机械性能；
[0033](2)在复合膜的外部低导热材料区域制作冲孔网格结构，通过减少热接触面积进一步阻止热量在横向上的传导，减少平面式微热板的热量损失，提高微热板的功率效率并
且能够将热量进一步封闭在加热区域改善微热板的温度分布。
附图说明
[0034]图1为本专利技术的一种基于横向复合介电膜的MEMS微热板的横向剖面示意图；
[0035]图2为本专利技术的一种基于横向复合介电膜的MEMS微热板的纵向剖面示意图；
[0036]图3为本专利技术的一种基于横向复合介电膜的MEMS微热板鸟瞰示意图；
[0037]图4为本专利技术的一种基于横向复合介电膜的MEMS微热板加热电极平面的鸟瞰示意图；
[0038]图5为本专利技术的一种基于横向复合介电膜的MEMS微热板背面鸟瞰图；
[0039]图6为本专利技术的一种基于横向复合介电膜的MEMS微热板设计流程图；
[0040]图7为本专利技术的一种基于横向复合介电膜的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于横向复合介电膜的MEMS微热板，其特征在于，所述微热板包括复合介电层、硅基衬底、隔离支撑层、加热电极、信号电极和焊盘、背面刻蚀区域；所述硅基衬底为制造微热板的底座；所述隔离支撑层位于硅基衬底上方，用于绝缘、降低热量损失，为电极加热区域和信号测量区域提供支撑；所述加热电极设置在隔离支撑层上方，所述加热电极产生加热区域，为所述微热板提供所需要的工作温度；所述复合介电层设置在所述加热电极上方，以高导热系数材料
‑
低导热系数材料组成横向复合膜为复合介电层，所述复合介电层对所述加热电极进行绝缘并选择性导热；所述焊盘和信号电极，信号电极位于复合介电层上方，所述的信号电极构成信号测量区域，信号测量区域位于加热区域正上方，焊盘用于提供对外引脚接口，与对应加热电阻和信号电极相连；所述背面刻蚀区域，刻蚀形状为圆形，位于加热电极的下方，腐蚀贯穿硅基衬底和背面隔离支撑层，刻蚀区域垂直于硅基衬底。2.根据权利要求1所述的一种基于横向复合介电膜的MEMS微热板，其特征在于，所述高导热系数材料为Si3N4，外围低导热系数材料为SiO2，形成氮化硅
‑
二氧化硅复合介电膜，位于加热电极上方和周围，对加热电极进行绝缘和选择性导热。3.根据权利要求2所述的一种基于横向复合介电膜的MEMS微热板，其特征在于，氮化硅
‑
二氧化硅复合介电膜厚度为0.2um～1um，中心嵌入Si3N4面积占氮化硅
‑
二氧化硅复合介电膜面积的30％～90％。4.根据权利要求3所述的一种基于横向复合介电膜的MEMS微热板，其特征在于，在低导热材料区域，设置冲孔网格结构实现横向热阻隔，冲孔排列形成内外两圈且互相错位，开孔深度贯穿微热板。5.根据权利要求4所述的一种基于横向复合介电膜的MEMS微热板，其特征在于，所述冲孔网格结构为方形孔，冲孔边长范围1.5um～20...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏广芬，王鹏飞，林忠海，何爱香，李美花，
申请(专利权)人：山东工商学院，
类型：发明
国别省市：