一种硅材料热源结构及其制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种硅材料热源结构及其制作方法，首先采用光刻及剥离工艺(lift-off)制作发热体，然后刻蚀出相应的悬臂梁结构得到悬臂梁结构发热体，并在硅结构上构建附有高热阻反射膜的支撑腔体；所述硅材料热源结构由悬臂梁结构发热体和附有高热阻反射膜的支撑腔体表面处理后键合而成，为微米尺寸，其制备方法采用悬空方法形成热孤立岛；同时在其下方构建附有高热阻反射膜的周围热反射腔体，以保证热量辐射的方向性，可制作出单向辐射的热源，热传导效率高；本技术不仅适用于微机电领域，同样可以应用于传统发热器制造，精度更高。
【专利说明】一种硅材料热源结构及其制作方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及微机电机械加工领域，具体涉及一种硅材料热源结构及其制作方法。【背景技术】:
[0002]目前流行的微型加热器采用MEMS微加工技术，在硅高分子材料的微结构上制作微发热线圈，通过电热的方法提供工作温度。此技术广泛用于微型辐射加热器，以及需要提供一定工作温度的金属半导体气体传感器中。但是，其通常的加热范围通畅在数平方毫米范围以内，发热缺乏指向性，热辐射范围不集中。因此采用常规方法制作的微型加热器，存在发热不均匀，热指向性不够，效率低的问题。宏观加热领域也存在此问题，例如电陶炉的电热盘一般采用发热带盘绕在底盘上制作而成，具有众多优点，然而依然存在发热密度不高，热传播方向性不够集中的问题。
【发明内容】
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[0003]本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种硅材料热源结构及其制作方法。
[0004]本发明是通过以下技术方案予以实现的:
[0005]一种硅材料热源结构，由悬臂梁结构发热体和附有高热阻反射膜支撑腔体键合而成，所述悬臂梁结构发热体的发热金属层采用剥离工艺制备。
[0006]优选地，所述悬臂梁结构发热体基于SOI结构制作，由上至下依次为发热金属层、二氧化硅层、单晶硅层、绝缘材料埋层(二氧化硅层)以及衬底体硅层。
[0007]优选地，所述附有高热阻反射膜支撑腔体呈杯状结构。
[0008]所述硅材料热源结构的制备方法，包括以下步骤:
[0009]a、采用光刻及剥离工艺(lift-off)制作发热体:首先在硅材料表面氧化出一层二氧化硅，然后在该氧化的二氧化硅层上涂上光刻胶绘制出相应图形，并采用溅射或蒸着的方式在整个表面铺上一层发热材料，再以剥离工艺将光刻胶及光刻胶表面的材料刻蚀后，硅材料表面即形成了由发热材料构成的预设图形结构，得到发热体；
[0010]b、步骤a得到的发热体刻蚀出相应的悬臂梁结构得到悬臂梁结构发热体；
[0011]C、在硅结构上构建附有高热阻反射膜的支撑腔体；
[0012]d、步骤b得到的悬臂梁结构发热体跟步骤c得到的附有高热阻反射膜的支撑腔体经表面活化后键合而成。
[0013]所述在硅结构上构建附有高热阻反射膜的支撑腔体，先在硅结构上构建一个支撑腔体，然后采用化学沉积法在腔体表面沉积三层以上Si3N4与SiC，形成厚度I μ m以上的高热阻反射膜。
[0014]所述发热金属优选自铁镍合金。
[0015]步骤a所述硅材料优选自SOI。利用了 SOI结构的单晶硅层、绝缘材料埋层(二氧化硅层)的热阻高，具有很好的隔热作用，利于热量向外辐射而不是向腔体辐射，提高发热的方向性。
[0016]所述硅材料热源结构，为微米尺寸。
[0017]本发明具有如下有益效果:本发明采用光刻及剥离工艺(lift-off)微米加工方法制作发热体，采用悬空方法形成热孤立岛，同时在其下方构建附有高热阻反射膜的周围热反射腔体，以保证热量辐射的方向性，可制作出单向辐射的热源，热传导效率高；所述发热体发热金属层形状由于采用剥离工艺形成，剥离工艺(Lift-off)保证了由发热金属层构成的电阻丝加工的均匀，发热面温度分布均匀，具有向上方向的指向性，因此发热均匀且密度高；所述悬臂梁结构提高了热阻；采用SOI结构是利用了 SOI结构的单晶硅层、绝缘材料埋层(二氧化硅层)的热阻高，具有很好的隔热作用，利于热量向外辐射而不是向腔体辐射；所述附有高热阻反射膜的周围热反射腔体为反射杯结构，分层热阻结构加强发热反射，提高热能利用率。所述附有高热阻反射膜的支撑腔体采用硅材料制作，利于将其应用于集成电路的设计和制造中。
[0018]本发明采用改进的剥离技术，在大面积的硅平板上制作高密度的电阻丝，并引入阻热层(例如SOI结构的单晶硅层、绝缘材料埋层)和热反射杯结构，提高了热辐射的方向性，增加了加热面积和发热效率。把微型加热器的优点扩大到宏观加热范围，还可用于制作高电热效率的发热芯片，制作新型的电热炉具。因此本技术不仅适合于微机电领域，同样可以应用于传统发热器制造，精度更高。
【专利附图】
【附图说明】
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[0019]图1是本发明实施例在SOI结构表面氧化出一层二氧化硅的结构示意图；
[0020]图2是本发明实施例在该氧化的二氧化硅层上涂上光刻胶绘制出相应图形，并采用溅射方式铺上铁镍合金层的结构示意图；
[0021]图3是本发明实施例发热体的结构示意图；
[0022]图4是本发明实施例利用0.1 %浓度BHF (缓冲氢氟酸)在SOI结构表面的二氧化硅层刻蚀出窗口的结构示意图；
[0023]图5是本发明实施例用ICP刻蚀法继续刻蚀掉窗口下面的硅结构的示意图
[0024]图6是本发明实施例1CP刻蚀法继续刻蚀结构下方的SOI结构的衬底硅层得到的悬空腔体结构示意图；
[0025]图7是本发明实施例悬臂梁结构发热体的侧视图；
[0026]图8是本发明实施例悬臂梁结构发热体的俯视图；
[0027]图9是本发明实施例附有高热阻反射膜的支撑腔体的结构示意图；
[0028]图10是本发明实施例硅材料热源结构。
【具体实施方式】
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[0029]以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
[0030]实施例1:
[0031]如图10所示的一种硅材料热源结构，由悬臂梁结构发热体和附有高热阻反射膜的支撑腔体键合而成，所述悬臂梁结构发热体基于SOI结构制作，由上至下依次为发热金属层、二氧化硅层、单晶硅层、绝缘材料埋层(二氧化硅层)以及衬底体硅层，其制备方法如下:
[0032]a、在SOI结构上采用光刻及剥离工艺(lift-off)制作发热体:首先在SOI结构表面氧化出一层二氧化硅，得到如图1中所示的结构，由上至下依次为二氧化硅层、单晶硅层、绝缘材料埋层(二氧化硅层)以及衬底体硅层，然后在该氧化的二氧化硅层上涂上光刻胶绘制出相应图形，并采用溅射方式在整个表面铺上一层铁镍合金层，结构如图2所示，再以剥离工艺将光刻胶除去，光刻胶上层的铁镍合金层也一起脱落，留下附着在二氧化硅上的铁镍合金层图形，SOI结构表面即形成了由发热材料构成的预设图形结构，得到发热体如图3所示。
[0033]b、步骤a得到的发热体表面发热层形成后刻蚀出相应的悬臂梁结构得到悬臂梁结构发热体:首先利用0.1%浓度BHF (缓冲氢氟酸)SOI结构表面的二氧化硅层刻蚀出窗口，结构如图4所示；用ICP刻蚀法继续刻蚀掉窗口下面的硅结构，结构如图5所示。
[0034]为了形成热反射的腔体结构，同时也减少结构中不必要的热容浪费，采用ICP刻蚀法继续刻蚀SOI结构的衬底硅层，形成悬空腔体结构，其结构如图6所示。
[0035]对缺口下端的SOI结构中间的绝缘材料埋层(二氧化硅)，采用BHF溶液刻蚀除去，剩余结构即为悬臂梁结构发热体，其侧视图如图7所示，俯视图如图8所示。
[0036]C、在硅结构上构建附有高热阻反射膜的支撑腔体:在硅结构上构建一个杯状支撑腔体，然后采用化学沉积法在杯状腔体表面沉积三层以上Si3N4与SiC，形成厚度I μ m以上高热阻反射膜，得到附有高热阻反射膜的支撑腔体，其结构图如图9所示。
[0037]d、步骤b得到的悬臂梁结构发热体跟步骤c得到的附有高热阻反射膜的杯状支撑腔体首先在氧气等离子体中将粘合表面活化，并在适当的压强下键合，得到硅材料热源结构，其结构示意图如图10所示。
【权利要求】
1.一种硅材料热源结构，其特征在于，由悬臂梁结构发热体和附有高热阻反射膜支撑腔体键合而成，所述悬臂梁结构发热体的发热金属层采用剥离工艺制备。
2.根据权利要求1所述的硅材料热源结构，其特征在于，所述悬臂梁结构发热体基于SOI结构制作，由上至下依次为发热金属层、二氧化硅层、单晶硅层、绝缘材料埋层以及衬底体娃层。
3.根据权利要求1或2所述的硅材料热源结构，其特征在于，所述附有高热阻反射膜支撑腔体呈杯状结构。
4.一种权利要求1所述的硅材料热源结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: a、首先在硅材料表面氧化出一层二氧化硅，然后在该氧化的二氧化硅层上涂上光刻胶绘制出相应图形，并采用溅射或蒸着的方式在整个表面铺上一层发热材料，再以剥离工艺将光刻胶及光刻胶表面的材料刻蚀后，硅材料表面即形成了由发热材料构成的预设图形结构，得到发热体； b、步骤a得到的发热体刻蚀出相应的悬臂梁结构得到悬臂梁结构发热体； C、在硅结构上构建附有高热阻反射膜的支撑腔体； d、步骤b得到的悬臂梁结构发热体跟步骤c得到的附有高热阻反射膜的支撑腔体经表面活化后键合而成。
5.根据权利要求4所述的硅材料热源结构的制备方法，其特征在于，所述在硅结构上构建附有高热阻反射膜的支撑腔体，先在硅结构上构建一个支撑腔体，然后采用化学沉积法在腔体表面沉积三层以上Si3N4与SiC，形成厚度I μ m以上的高热阻反射膜。
6.根据权利要求4所述的硅材料热源结构的制备方法，其特征在于，所述发热金属选自铁镍合金。
7.根据权利要求4所述的硅材料热源结构的制备方法，其特征在于，步骤a所述硅材料选自SOI。
【文档编号】B81C1/00GK104401928SQ201410690293
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月25日 优先权日:2014年11月25日
【发明者】李凌瀚, 刘炳耀 申请人:广东万事泰集团有限公司