[发明专利]一种MEMS硅基微热板及其加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及硅基微热板，具体涉及一种MEMS硅基微热板及其加工方法。

背景技术

微热板是一种常用的加热平台，用于对其上的元件进行加热，从而保证该元件在需要的工作温度下工作。目前，硅基微热板已广泛应用于微型气体传感器、薄膜量热卡计、微加速度计以及气压计等微器件。微热板的基本结构包括悬空介质薄膜以及薄膜电阻条。当电流通过薄膜电阻条时，电阻产生的焦耳热一部分用于加热微热板，另一部分以传导、对流和辐射的方式耗散于周围环境中。

基于硅微加工技术的微热板利用微电子机械系统(MEMS)对硅基半导体材料进行微加工而成。

微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)是一种先进的制造技术平台。MEMS的技术包括微电子技术和微加工技术两大部分。微电子技术的主要内容有:氧化层生长、光刻掩膜制作、光刻选择掺杂(屏蔽扩散、离子注入)、薄膜(层)生长、连线制作等。微加工技术的主要内容有:硅表面微加工和硅体微加工(各向异性腐蚀、牺牲层)技术、晶片键合技术、制作高深宽比结构的深结构曝光和电铸技术(LIGA)等。利用微电子技术可制造集成电路和许多传感器。硅基加工技术是在微电子加工技术基础上发展起来的一种微加工技术，主要依靠光刻、扩散、氧化、薄膜生长、干法刻蚀、湿法刻蚀和蒸发溅射等工艺技术。

随着MEMS技术与微电子的发展，体积小，功耗低且易与其他材料或器件组合的微热板越来越受到重视，但使用微加热板会带来一定的功率损耗。

现有技术中，为降低功耗，实现结构保温普遍采用悬空结构的绝热槽。目前基于MEMS加工技术制作的硅基微热板普遍采用的结构是：在单晶硅基底的上表面沉积一层氮化硅膜层作为下绝缘层，在单晶硅基底的下表面制备绝热槽。制备绝热槽时可使用背面湿法刻蚀工艺，也可先对下绝缘层蚀刻出悬臂梁，再往下湿法刻蚀出倒金字塔式绝热槽。两种绝热槽可以更好的防止热量的散失以降低功耗。下绝缘层上方通过剥离工艺(lift-off)加工出铂加热丝层，通过给加热丝通电即可产生热量，形成传感器工作所需要的温度。在铂加热丝表面上又沉积一层氮化硅层作为上绝缘层。例如申请号为201210199078.1的中国专利公开了的硅基微热板及其加工方法便采用了绝热槽的工艺。但是这种方法蚀刻出绝热槽后加热层与气体敏感层仅靠一层薄膜结构的氮化硅层支撑，而该薄膜仅在两端被悬臂结构的支撑衬底支撑，这种薄膜结构的绝缘层力学性能较差，在器件受到震动或者碰撞时易发生破裂导致器件失效。除此之外，由于隔热层与加热丝的热膨胀系数的差异，在高温下隔热层易翘曲使加热丝易从隔热层脱落，同样导致器件失效。其次，悬臂结构的绝热槽利用悬臂之间的空气隔热，由于空间较大，空气流动较快，也会造成热量散失较快，影响隔热效果。再次，该种绝热槽的制备工艺复杂，对控制条件要求较高，从而增加加工难度。

综上，现有技术中的微热板的隔热结构主要存在以下问题：

(1)稳定性差，由于受力不均匀引起器件发生变形破裂，导致器件失效。

(2)隔热效果差，绝热槽间的空气间隔较大导致热量散失较快，影响隔热效果。

(3)加工工艺复杂，绝热槽的制备工艺复杂，制备时间较长。

发明内容

为了解决现有技术中硅基微热板存在的诸多问题，本发明提供一种MEMS硅基微热板及其加工方法，采用孔壁表面形成有二氧化硅薄膜的多孔硅层作为绝热层，同时作为支撑层，可以有效减少热量损失，降低功耗，增强微热板的稳定性。

本发明的发明人发现：与单晶硅相比，多孔硅的多孔结构使其具有良好的隔热性能，可以作为传感器的隔热层。与传统绝热槽相比，多孔硅的孔隙细密，可以有效减少空气流动速度，增强隔热效果。且多孔硅制备工艺简单，成本低廉，可以通过简单的电化学方法在硅衬底刻蚀，短时间内形成较厚的多孔硅层。采用孔硅作为隔热层，由于所述多孔硅层设置于所述加热层下方，而多孔硅具有良好的隔热性能，可以有效减少所述加热层热量流失，减少功耗。且多孔硅层均匀分布在单晶硅衬底的上表面，可以稳定地支撑其上的绝缘层及其他微热板组件，从而提高微热板的稳定性，增加其使用寿命。

另外，二氧化硅也是一种隔热材料，导热系数低于单晶硅。在多孔硅层的上表面及孔壁表面覆盖一层二氧化硅薄膜，可以有效解决暴露在空气中的多孔硅表面导致的热量损耗，进一步地降低功耗，增强微热板的加热性能。