專利名稱：一種具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)加熱膜的低功耗微型加熱器及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)加熱膜的低功耗微型加熱器及其制作方法，屬于微 電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微型薄膜加熱器可以應(yīng)用到很多領(lǐng)域，如氣體探測，環(huán)境監(jiān)控和紅外光源等。隨著 應(yīng)用的不斷推廣，對微型薄膜加熱器的低功耗、低成本、高性能、高可靠的要求也日益強(qiáng)烈。 采用MEMS技術(shù)更有利于微型薄膜加熱器的低成本和低功耗。 目前基于硅襯底的微型薄膜加熱器從中心膜區(qū)結(jié)構(gòu)來分，主要有兩種形式，分別 是封閉膜式(closed membrane type)禾口懸膜式(suspended membranetype)。封閉膜式微
型薄膜加熱器的支撐膜邊界都與襯底框架相連，通過硅的各向異性腐蝕從體硅背面腐蝕得
至Ll該類型力口熱器，如Vincenzo Guidi， et. al， Thin—film gas sensor implemented on a low—power—consumption micromachinedsilicon structure, Sensors and Actuators B : Chemical, Volume 49， Issues l_2，25June 1998， Pages 88-92。由于腐蝕時(shí)間長，器件均 勻性差，且占空比低，特別是功耗較高，因此這類加熱器在應(yīng)用上受到了限制。懸膜式微型 薄膜加熱器通常利用數(shù)條長條形支撐懸臂梁把加熱膜區(qū)與襯底框架相連，利用正面體硅加 工技術(shù)實(shí)現(xiàn)中心力口熱膜區(qū)的懸空，如Michael Gaitan，et. al，Micro—hotplatedevices and methods for their fabrication, US Patent NO. 5， 464， 966。相比封閉膜式的加熱器來 說，該類加熱器縮短了腐蝕時(shí)間，提高了占空比，在功耗上也有顯著的降低。這種懸膜式微 型薄膜加熱器在氣體探測方面應(yīng)用時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的限制，催化劑只能在中心加熱膜區(qū)單面 涂覆，并且催化劑覆蓋率不高，直接影響到傳感器的靈敏度。本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)識到如果能 夠?qū)崿F(xiàn)催化劑在加熱器上的雙面涂覆并保持較高的覆蓋率，傳感器的靈敏度將會有很大的 提高，因此實(shí)現(xiàn)催化劑在加熱器加熱膜區(qū)的雙面涂覆是目前本領(lǐng)域的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。本發(fā) 明提供的微型加熱器，有望克服這一技術(shù)難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)加熱膜的低功耗微型加熱器及其制作 方法，其具體結(jié)構(gòu)示意見圖1，主要包括網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的加熱膜1、加熱電阻絲2、支撐懸梁3、引 線用電極4和襯底框架5。 本發(fā)明所提供的具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)加熱膜的低功耗微型加熱器的特征在于特殊形狀 的網(wǎng)孔按照一定的規(guī)則排布形成具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的加熱膜，加熱膜通過支撐懸梁與襯底框架 相連，加熱電阻絲以單折線或雙折線形式排布在加熱膜上并通過支撐懸梁與襯底框架上的 引線用電極相連。具體細(xì)節(jié)說明如下 1.加熱膜的形狀分為兩類。第一類是具有旋轉(zhuǎn)對稱性的包括正三邊(角)形、正 四邊形、正五邊形、正六邊形正八邊形、正十二邊形、正十六邊形等正多邊形(如圖2(a)所 示)或者圓形(如圖2(b)所示)。第二類是長條形(如圖2(c)所示)，長寬比大于2 : 1。所述的加熱膜可以以單個(gè)或陣列形式排列。 2.支撐懸梁的數(shù)目和連接方式由加熱膜的形狀決定，不同形狀的加熱膜對應(yīng)不同 的支撐懸梁的數(shù)目和連接方式正多邊形加熱膜的支撐懸梁的數(shù)目與多邊形的邊數(shù)相同， 支撐懸梁沿著多邊形的形心以放射狀與加熱膜的頂角相連，如圖3(a)所示；圓形加熱膜 的支撐懸梁的數(shù)量為兩條或兩條以上，支撐懸梁沿著半徑方向與圓形加熱膜對稱相連，如 圖3(b)所示；長條形加熱膜有兩條支撐懸梁，支撐懸梁沿著長條形的長度方向與加熱膜相 連，由于支撐懸梁和加熱膜的寬度不一樣，連接處可以做適當(dāng)?shù)慕嵌妊a(bǔ)償，如圖3(c)所示。 支撐懸梁的長寬比范圍在3 : 1到50 : l之間。 3.網(wǎng)孔的形狀是三邊(角)形、四邊形、五邊形和六邊形等多邊形或者圓形，如圖 4所示。 4.網(wǎng)孔以"一"字形、"十"字形、三角形、四邊形、六邊形或六角密排的形式排布， 如圖5所示。 5.加熱膜的形狀，網(wǎng)孔的形狀和網(wǎng)孔行政的排列方式在設(shè)計(jì)上相對獨(dú)立，三者通 過不同的組合方式可以形成不同的加熱膜。圖6列舉了幾種微型加熱器的加熱膜，必須強(qiáng) 調(diào)的是本發(fā)明所涉及的加熱器加熱膜絕不僅限于圖6所示的六種。 6.加熱電阻絲在中心加熱膜上以折線形式排列，加熱絲的寬度在1微米到50微米 之間，厚度在0. 1微米到10微米之間。 本發(fā)明所提供的一種具有網(wǎng)孔加熱膜的低功耗微型加熱器的制作方法，其制作的 關(guān)鍵步驟，使用材料和工藝說明具體如下 1.在硅片上制作介質(zhì)薄膜。介質(zhì)層薄膜是由氧化硅和氮化硅的單層或多層復(fù)合介 質(zhì)膜組成，用作微型加熱器的中心加熱膜和支撐懸梁。氧化硅可以通過熱氧化、低壓化學(xué)氣 相沉積(LPCVD)或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法制備，單層厚度在O. 1 l微 米之間。氮化硅可以通過低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD) 的方法制備，單層厚度在0. 1 1微米之間。多層復(fù)合介質(zhì)膜的總厚度在0. 2 5微米之 間 2.制作加熱電阻絲。加熱電阻絲的材料可以是金屬，金屬合金或半導(dǎo)體(如金、
鉬、鎳、鉻、鈦、鈦鉑、鈦金、鈦鎢金、氮化鈦或多晶硅等)。金屬類材料可以通過濺射，蒸發(fā)和
電鍍等方式制作，半導(dǎo)體類材料可以使用化學(xué)氣相沉積(CVD)的方式制作。 3.制作具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的加熱膜和支撐懸梁。首先正面光刻定義出加熱膜和支撐懸
梁的形狀，然后在光刻膠的保護(hù)下采用干法刻蝕徹底去除暴露的介質(zhì)層直到露出襯底硅，
去膠后就形成了正面腐蝕窗口和網(wǎng)孔。干法刻蝕可以使用反映離子刻蝕(RIE)或離子束刻
蝕(ion-Be咖)。 4.釋放薄膜。釋放薄膜的方法有兩種，一種是干法刻蝕襯底硅，刻蝕氣體是 XeF2。另一種是濕法腐蝕，采用硅各向異性腐蝕液，如K0H(氫氧化鉀)、NaOH(氫氧化鈉)、 TMAH(四甲基氫氧化銨)、EPW(乙二胺，鄰苯二酚和水)等。 本發(fā)明提供的一種具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)加熱膜的微型加熱器及其制作方法與以往的微 型加熱器相比，其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在 1.中心加熱膜的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)可以有效降低加熱器熱量向支撐懸梁的傳導(dǎo)，相比傳 統(tǒng)懸膜式微型薄膜加熱器，本發(fā)明提供的具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)加熱膜的微型加熱器需要的功耗更小。 2.中心加熱膜的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)為催化劑在加熱膜上的雙面涂覆提供了可能，有利用提 高傳感器的靈敏度。 3.中心加熱膜的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)在加工方面具有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)，一是釋放薄膜的方式可以有 多種選擇，既可以用干法刻蝕也可以用濕法腐蝕；二是如果采用干法刻蝕釋放薄膜，使用的 硅片就不受晶向的限制(目前制作加熱器釋放薄膜多采用各向異性腐蝕液，因此必需使用 (100)的硅片)；三是增加了腐蝕窗口面積，利于刻蝕氣體或腐蝕液的交換，加快了腐蝕速 度，大大降低了薄膜釋放時(shí)間，有助于提高器件的成品率和一致性。 4.采用本發(fā)明提供的方法制作的微型加熱器，具有器件體積小，性能高，易于陣列 化和批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，并且可以與CMOS工藝兼容。特別適合在氣體檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明之具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)加熱膜的低功耗微型加熱器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為微型加熱器的加熱膜的形狀。(a)具有旋轉(zhuǎn)對稱性的正多邊形加熱膜正
三邊形、正四邊形、正五邊形和正六邊形等，(b)圓形加熱膜，(c)長條形加熱膜。 圖3為加熱膜與支撐懸梁的連接方式。(a)正多邊形加熱膜與支撐懸梁連接，(b)
圓形加熱膜與支撐懸梁連接，(c)長條形加熱膜與支撐懸梁連接。 圖4為網(wǎng)孔形狀的舉例。 圖5為網(wǎng)孔的排布形式(圖中用六邊形的網(wǎng)孔舉例說明)。(a)"—"字形排布的 網(wǎng)孔，(b)"十"字形排布的網(wǎng)孔，(c)三角形排布的網(wǎng)孔，(d)四邊形排布的網(wǎng)孔，(e)六邊 形排布的網(wǎng)孔，(f)六角密排的網(wǎng)孔。 圖6為幾種具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的加熱膜舉例。(a)具有"一"字形排布的四邊形網(wǎng)孔 的長條形加熱膜，(b)具有"十"字形排布的四邊形網(wǎng)孔的正四邊形加熱膜，(c)具有三角 形排布的六邊形網(wǎng)孔的正三邊形加熱膜，(d)具有四邊形排布的圓形網(wǎng)孔的正四邊形加熱 膜，(e)具有六邊形排布的六邊形網(wǎng)孔的圓形加熱膜，(f)具有六角密排的圓形網(wǎng)孔的正六 邊形加熱膜。 圖7為實(shí)施例2中的微型加熱器的正面結(jié)構(gòu)俯視圖。 圖8為實(shí)施例3中的微型加熱器的正面結(jié)構(gòu)俯視圖。 圖9為實(shí)施例4中的微型加熱器的1 X 3陣列的正面結(jié)構(gòu)俯視圖。 圖中l(wèi)為網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的加熱膜，2為加熱電阻絲，3為支撐懸梁，4為引線用電極，5為
襯底框架。 實(shí)施例1 : 本實(shí)施例的所述的微型加熱器結(jié)構(gòu)參見圖1。其制作工藝如下
1.在硅片上制作介質(zhì)薄膜。選用N型(100)硅片，先熱氧化生長厚度為0-3微米 的氧化硅，接著利用LPCVD在硅片上沉積厚度為0. 5微米的氮化硅，再利用PECVD在硅片正 面沉積厚度為0. 2微米的氧化硅。 2.制作加熱電阻絲。正面光刻出加熱電阻絲和電極的圖形，濺射金屬Ti/Pt，厚度 為0.01/0. 3微米，再利用lift-off(剝離)工藝制作出單折線加熱電阻絲和引線用電極， 然后在氮?dú)夥諊?5(TC退火半小時(shí)。
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3.制作具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的加熱膜和支撐懸梁。正面光刻，在光刻膠的保護(hù)下，利用 ion-Beam干法刻蝕氧化硅和氮化硅的復(fù)合膜直到露出襯底硅，被刻蝕的地方形成網(wǎng)孔和正 面腐蝕窗口。最終形成具有四邊形網(wǎng)孔的正四邊形加熱膜，加熱膜通過四根支撐懸梁與襯 底框架相連。 4.釋放薄膜。采用質(zhì)量濃度為25%的TMAH各向異性腐蝕溶液釋放懸空薄膜結(jié)構(gòu)， 8(TC水浴約4小時(shí)即可完成結(jié)構(gòu)釋放，然后進(jìn)行酒精脫水干燥。
實(shí)施例2 : 本實(shí)施例的所述的微型加熱器正面結(jié)構(gòu)俯視圖參見圖7。其制作工藝如下
1.在硅片上制作介質(zhì)薄膜。選用P型(100)硅片，先熱氧化生長厚度為0. 5微米 的氧化硅，接著利用LPCVD在硅片上沉積厚度為1微米的氮化硅。 2.制作加熱電阻絲。首先濺射金屬Ti/Au，厚度約為0. 01/0. 2微米，然后圖形化 光刻，分別使用金腐蝕液和鈦腐蝕液制作出單折線的加熱電阻絲和引線用電極，最后在氮 氣氛圍下35(TC退火半小時(shí)。 3.制作具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的加熱膜和支撐懸梁。正面光刻，在光刻膠的保護(hù)下，利用 RIE干法刻蝕氧化硅和氮化硅的復(fù)合膜直到露出襯底硅，被刻蝕的地方形成網(wǎng)孔和正面腐 蝕窗口。最終形成具有圓形網(wǎng)孔的正四邊形加熱膜，加熱膜通過四根支撐懸梁和襯底框架 相連。 4.釋放薄膜。采用質(zhì)量濃度為40%的KOH各向異性腐蝕溶液釋放懸空薄膜結(jié)構(gòu)， 6(TC水浴約9小時(shí)即可完成結(jié)構(gòu)釋放，然后進(jìn)行酒精脫水干燥。
實(shí)施例3 : 本實(shí)施例的所述的微型加熱器的正面結(jié)構(gòu)俯視圖參見圖8。其制作工藝如下
1.在硅片上制作介質(zhì)薄膜。選用N型(110)硅片，利用LPCVD沉積厚度為0.5微 米的氧化硅。 2.制作加熱電阻絲。首先濺射金屬種子層鈦鉑，然后光刻定義出兩條并聯(lián)的雙折 線加熱電阻絲和引線用電極的圖形，電鍍一層厚度為1微米的金屬鉑，最后去除光刻膠和 種子層，并在氮?dú)夥諊?5(TC退火半小時(shí)。 3.制作具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的加熱膜和支撐懸梁。正面光刻，在光刻膠的保護(hù)下，利用
RIE干法刻蝕氧化硅薄膜直到露出襯底硅，被刻蝕的地方形成網(wǎng)孔和正面腐蝕窗口 。最終形
成具有四邊形網(wǎng)孔的正四邊形加熱膜，加熱膜通過四根支撐懸梁和襯底框架相連。 4.釋放薄膜。采用XeF2干法刻蝕的方法掏空加熱膜和支撐懸梁下的襯底硅，每個(gè)
循環(huán)20秒，約30個(gè)循環(huán)即可釋放薄膜。 實(shí)施例4 : 本實(shí)施例的所述的微型加熱器的正面結(jié)構(gòu)俯視圖參見圖9。其制作工藝如下
1.在硅片上制作介質(zhì)薄膜。選用P型(111)硅片，利用PECVD沉積厚度為0. 8微 米的高質(zhì)量氮化硅。 2.制作加熱電阻絲。首先正面光刻，圖形化加熱電阻絲和引線用電極的圖像，然后 蒸發(fā)一次厚度為0.2微米的金，最后利用lift-off(剝離)工藝制作出三組具有雙折線的 加熱電阻絲和引線用電極，并在氮?dú)夥諊?5(TC退火半小時(shí)。 3.制作具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的加熱膜和支撐懸梁。正面光刻，在光刻膠的保護(hù)下，利用
7ion-Beam干法刻蝕氮化硅直到露出襯底硅，被刻蝕的地方形成網(wǎng)孔和正面腐蝕窗口 。最終 形成具有四邊形網(wǎng)孔的長條形加熱膜的1X3陣列，每個(gè)加熱膜都通過兩根支撐懸梁與襯 底框架相連。 4.釋放薄膜。采用XeF2干法刻蝕的方法掏空襯底硅，每個(gè)循環(huán)20秒，約30個(gè)循 環(huán)即可釋放薄膜。 雖本實(shí)施例形成1X3陣列的長條形加熱膜，但也適用于其他陣列的微型加熱膜 的制作。
權(quán)利要求
一種具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)加熱膜的低功耗微型加熱器，特征在于所述的微型加熱器由特殊形狀的網(wǎng)孔按照一定的規(guī)則排布形成的具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的加熱膜，加熱膜通過支撐懸梁與襯底框架相連，加熱電阻絲以單折線或雙折線形式排列在中心加熱膜上并通過支撐懸梁與襯底框架上的引線用電極相連。
2. 按權(quán)利要求l所述的微型加熱器，其特征在于a) 所述的加熱膜的形狀分為兩類一類為具有旋轉(zhuǎn)對稱性的正多邊形或圓形，另一類 是長寬比大于2:l的長條形；b) 所述的加熱膜為單個(gè)或陣列的形式排列。
3. 按權(quán)利要求2所述的微型加熱器，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)對稱性的正多邊形加熱膜包括三角形、正四邊形、正五邊形、正六邊形、正八邊形、正十邊形、正十二邊形或正十六邊形。
4. 按權(quán)利要求1所述的微型加熱器，其特征在于所述的支撐懸梁的數(shù)目和連接方式由加熱膜的形狀決定，不同形狀的加熱膜對應(yīng)不同的支撐懸梁的數(shù)目和連接方式正多邊形 加熱膜的支撐懸梁的數(shù)目與正多邊形的邊數(shù)相同，支撐懸梁沿著多邊形的形心以放射狀與 加熱膜的頂角相連；圓形加熱膜的支撐懸梁的數(shù)量為兩條或兩條以上，支撐懸梁沿著半徑 方向與圓形加熱膜對稱相連；長條形加熱膜有兩條支撐懸梁，支撐懸梁沿著長條形的長度 方向與加熱膜相連。
5. 按權(quán)利要求1或4所述的微型加熱器，其特征在于所述支撐懸梁長寬比為3 : 1-50 : i。
6. 按權(quán)利要求1所述的微型加熱器，其特征在于① 所述的網(wǎng)孔形狀為三角形、四邊形、五邊形、六邊形或圓形；② 網(wǎng)孔的排列形式為"一"字形、"十"字形、三角形、四邊形、六邊形或六角密排。
7. 按權(quán)利要求1所述的微型加熱器，其特征在于加熱膜的形狀、網(wǎng)孔的形狀和排列方 式相對獨(dú)立，三者通過不同組合方式形成不同形狀的加熱膜。
8. 按權(quán)利要求6所述的微型加熱器，其特征在于所述的不同組合方式形成不同形狀的 加熱膜包括以下幾種(a) 具有"一"字形排布的四邊形網(wǎng)孔的長條形加熱膜；(b) 具有"十"字形排布的四邊形網(wǎng)孔的正四邊形加熱膜；(c) 具有三角形排布的六邊形網(wǎng)孔的正三邊形加熱膜；(d) 具有四邊形排布的圓形網(wǎng)孔的正四邊形加熱膜；(e) 具有六邊形排布的六邊形網(wǎng)孔的圓形加熱膜；(f) 具有六角密排的圓形網(wǎng)孔的正六邊形加熱膜。
9. 制作如權(quán)利要求1-4， 6-8中任一項(xiàng)所述的微型加熱器的方法，其特征在于(a) 在硅片上制作介質(zhì)薄膜介質(zhì)層薄膜是由氧化硅和氮化硅的單層或多層復(fù)合膜組 成，用作微型加熱器的中心加熱膜和支撐懸梁；其中，氧化硅膜通過熱氧化、低壓化學(xué)氣相 沉積或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法制備；氮化硅膜通過低壓化學(xué)氣相沉積或等離子增強(qiáng) 化學(xué)氣相沉積的方法制備。(b) 制作加熱電阻絲加熱電阻絲的材料為金、鉬、鎳、鉻、鈦、鈦鉑、鈦金、鈦鎢金、氮化 鈦或多晶硅，它們是通過濺射、蒸發(fā)、電鍍或化學(xué)氣相沉積工藝制作的；(c) 制作具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的加熱膜和支撐懸梁首先正面光刻定義出加熱膜和支撐懸梁的形狀，然后在光刻膠的保護(hù)下采用干法刻蝕徹底去除暴露的介質(zhì)層直到露出襯底硅，去 膠后就形成了正面腐蝕窗口和網(wǎng)孔，所述的干法刻蝕是使用反映離子刻蝕或離子束刻蝕實(shí) 施的；(d)釋放薄膜釋放薄膜的方法有兩種，一種是干法刻蝕襯底硅，刻蝕氣體是XeF2 ;另 一種是濕法腐蝕，采用K0H、 NaOH、 TMAH或EPW硅各向異性腐蝕液。
10.按權(quán)利要求9所述的微型加熱器的制作方法，其特征在于所述氧化硅和氮化硅的 單層膜厚度在0. 1-1微米，多層介質(zhì)復(fù)合膜的厚度為0. 2-5微米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)加熱膜的低功耗微型加熱器及其制作方法，其特征在于所提供的微型加熱器具有特殊形狀的網(wǎng)孔按照一定的規(guī)則排布形成具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的加熱膜，加熱膜通過支撐懸梁與襯底框架相連，加熱電阻絲以折線形式排布在加熱膜上并通過支撐懸梁與襯底框架上的引線用電極相連。這種結(jié)構(gòu)不但可以有效減少加熱器加熱膜區(qū)的熱量向支撐懸梁的傳導(dǎo)，進(jìn)一步降低器件功耗，而且可以拓展加熱器的制作方法。本發(fā)明所涉及的加熱器特別適合在氣體檢測領(lǐng)域應(yīng)用。
文檔編號H05B3/34GK101795505SQ20101011008
公開日2010年8月4日 申請日期2010年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月11日
發(fā)明者李鐵, 王躍林, 許磊 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所