薄膜型微热导检测器的制作方法

本实用新型属于微电子机械系统领域，特别是涉及一种薄膜型微热导检测器及其制作方法。

背景技术：

热导检测器是气相色谱仪的一种重要的检测器，这种检测器只对被检测气体的浓度敏感，几乎对所有气体都响应。传统的气相色谱仪热导检测器一般采用不锈钢或陶瓷加工而成，体积大、重量重，功耗大、更重要的是由于加工技术制约，传统热导检测器一般都具有较大的死体积，约几十至几百微升，这限制了热导检测器检测下限的降低。

随着MEMS(Micro-electro-mechanical system)技术的发展，采用MEMS技术设计、制作的微热导检测器芯片具有体积小、重量轻、功耗小等优点，更为重要的是基于MEMS技术制作的热导检测器的死体积大为降低(一般小于1微升，为纳升量级)，其检测下限可达几个ppm甚至小于1ppm。

在现有的微热导检测器技术方案中，热敏电阻制作于支撑层上并悬浮于微沟道之中，但存在几个问题：

1、热敏电阻的支撑层一般为氮化硅单层膜或氮化硅/氧化硅复合膜结构，由于应力过大或失配问题，释放后的结构会发生断裂、较大变形、塌陷等问题，这种支撑结构稳定性差、易受气流影响。

2、基于氢氧化钾(KOH)各向异性腐蚀或两步深反应离子刻蚀工艺(DRIE，第一步为各向异性刻蚀，第二步为各向同性刻蚀)从正面(热敏电阻一侧)腐蚀硅释放支撑结构并形成相应的微沟道，会带来过大的多余的死体积。

为了获得高性能的微热导检测器，上述问题是从事微热导检测器的本领域的研究人员需要着力解决的技术问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种薄膜型微热导检测器及其制备方法，用于解决现有技术中热敏电阻的支撑层容易断裂及多余死体积过大等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种薄膜型微热导检测器，包括：硅衬底，所述硅衬底中形成有微沟槽结构；由第一介质薄膜-热敏电阻-第二介质薄膜形成的图形化堆叠结构，悬挂于所述硅衬底的正面的微沟槽结构中；带有微沟道的玻璃片，键合于所述硅衬底正面，且使得所述图形化堆叠结构位于所述玻璃片的微沟道内；玻璃衬底，键合于所述硅衬底的背面。

作为本实用新型的薄膜型微热导检测器的一种优选方案，所述微沟槽结构贯穿所述硅衬底正面及背面。

作为本实用新型的薄膜型微热导检测器的一种优选方案，所述硅衬底中还形成有焊盘凹槽，所述焊盘凹槽中形成有焊盘结构，所述焊盘结构与所述热敏电阻电性相连。

作为本实用新型的薄膜型微热导检测器的一种优选方案，所述热敏电阻所采用的金属包括Pt/Ti叠层、Ni/Cr叠层、W/Ti叠层及W/Re叠层中的一种。

作为本实用新型的薄膜型微热导检测器的一种优选方案，所述第一介质薄膜及第二介质薄膜的平面结构为交叉网状结构，且所述交叉网状结构中具有多个延伸部，各延伸部与所述硅衬底连接，以支撑所述交叉网状结构。

作为本实用新型的薄膜型微热导检测器的一种优选方案，所述热敏电阻呈锯齿状沿所述交叉网状结构延伸，并连接于所述焊盘结构之间。

作为本实用新型的薄膜型微热导检测器的一种优选方案，所述第一介质薄膜及第二介质薄膜包括氧化硅薄膜及氮化硅薄膜的一种或两种组成的叠层结构。

优选地，所述第一介质薄膜及第二介质薄膜为氧化硅薄膜及氮化硅薄膜组成的叠层结构，所述第一介质薄膜自下而上为氧化硅薄膜与氮化硅薄膜叠层结构，所述第二介质薄膜自下而上为氮化硅薄膜与氧化硅薄膜叠层结构。

作为本实用新型的薄膜型微热导检测器的一种优选方案，所述第一介质薄膜及第二介质薄膜为包裹所述热敏电阻或夹持所述热敏电阻。

作为本实用新型的薄膜型微热导检测器的一种优选方案，所述图形化堆叠结构悬挂于所述硅衬底的正面的微沟槽结构的中央区域，且位于所述玻璃片的微沟道内的中央区域。

作为本实用新型的薄膜型微热导检测器的一种优选方案，所述玻璃片与硅衬底、所述玻璃衬底与硅衬底均为静电键合。

本实用新型还提供一种薄膜型微热导检测器的制备方法，所述制备方法包括步骤：步骤1)，提供一硅衬底，于所述硅衬底表面沉积第一介质薄膜；步骤2)，于所述第一介质薄膜上沉积金属并图形化形成热敏电阻；步骤3)，于所述热敏电阻及第一介质层薄膜上沉积第二介质薄膜，对所述第一介质薄膜及第二介质薄膜图形化形成第一介质薄膜-热敏电阻-第二介质薄膜的图形化堆叠结构；步骤4)，提供一带有微沟道的玻璃片，键合所述玻璃片及所述硅衬底，并使得所述图形化堆叠结构位于所述玻璃片的微沟道内；步骤5)，从背面刻蚀所述硅衬底，释放出所述第一介质薄膜-热敏电阻-第二介质薄膜的图形化堆叠结构；步骤6)，提供一玻璃衬底，并将所述玻璃衬底键合于所述硅衬底的背面。

作为本实用新型的薄膜型微热导检测器的制备方法的一种优选方案，步骤1)在沉积第一介质薄膜前还包括于所述硅衬底上形成焊盘区凹槽的步骤；步骤2)沉积金属后，图形化同时于所述焊盘凹槽中形成焊盘结构，所述焊盘结构与所述热敏电阻电性相连；步骤3)中，对所述第一介质薄膜及第二介质薄膜图形化同时露出所述焊盘结构以及硅衬底的键合区域。

作为本实用新型的薄膜型微热导检测器的制备方法的一种优选方案，步骤2)中，所述金属包括Pt/Ti叠层、Ni/Cr叠层、W/Ti叠层及W/Re叠层中的一种。

作为本实用新型的薄膜型微热导检测器的制备方法的一种优选方案，步骤3)图形化后，所述第一介质薄膜及第二介质薄膜的平面结构为交叉网状结构，且所述交叉网状结构中具有多个延伸部，各延伸部在所述第一介质薄膜-热敏电阻-第二介质薄膜的图形化堆叠结构释放后，与所述硅衬底连接，以支撑所述交叉网状结构。

作为本实用新型的薄膜型微热导检测器的制备方法的一种优选方案，所述热敏电阻呈锯齿状沿所述交叉网状结构延伸，并连接于所述焊盘结构之间。

作为本实用新型的薄膜型微热导检测器的制备方法的一种优选方案，所述第一介质薄膜及第二介质薄膜包括氧化硅薄膜及氮化硅薄膜的一种或两种组成的叠层结构。

优选地，所述第一介质薄膜及第二介质薄膜为氧化硅薄膜及氮化硅薄膜组成的叠层结构，所述第一介质薄膜自下而上为氧化硅薄膜与氮化硅薄膜叠层结构，所述第二介质薄膜自下而上为氮化硅薄膜与氧化硅薄膜叠层结构。

作为本实用新型的薄膜型微热导检测器的制备方法的一种优选方案，所述第一介质薄膜及第二介质薄膜为包裹所述热敏电阻或夹持所述热敏电阻。

作为本实用新型的薄膜型微热导检测器的制备方法的一种优选方案，所述图形化堆叠结构悬挂于所述硅衬底的正面的微沟槽结构的中央区域，且步骤4)中，所述玻璃片及所述硅衬底键合后，所述图形化堆叠结构位于所述玻璃片的微沟道内的中央区域。

作为本实用新型的薄膜型微热导检测器的制备方法的一种优选方案，步骤5)中，采用深反应离子刻蚀工艺从背面刻蚀所述硅衬底，释放出所述第一介质薄膜-热敏电阻-第二介质薄膜的图形化堆叠结构。

作为本实用新型的薄膜型微热导检测器的制备方法的一种优选方案，步骤4)中的玻璃片与硅衬底、步骤6)中的玻璃衬底与硅衬底均采用静电键合工艺键合。

如上所述，本实用新型的薄膜型微热导检测器及其制备方法，具有以下有益效果：

1)本实用新型的热敏电阻的上下两层氧化硅/氮化硅薄膜不仅对其起到保护作用，另一方面由于结构的对称分布还能起到应力平衡的作用，减小了交叉网状结构的形变，从而大大提高了热敏电阻支撑结构的强度及稳定性；

2)本实用新型采用一步深反应离子刻蚀DRIE工艺释放交叉网状结构，使得微沟槽侧壁陡直，器件死体积小。

附图说明

图1显示为本实用新型的薄膜型微热导检测器中的交叉网状结构的示意图。

图2显示为具有四个热敏电阻的微热导检测器。

图3显示为四个热敏电阻所构成的惠斯通电桥。

图4～图12显示为本实用新型的薄膜型微热导检测器的制作方法各步骤所呈现的结构示意图，其中，图12显示为薄膜型微热导检测器结构示意图。

元件标号说明

1 硅衬底

11 微沟槽结构

12 交叉网状结构

2 氧化层

3 焊盘凹槽

41 第一介质薄膜

42 第二介质薄膜

51 热敏电阻

52 焊盘结构

6 具有微沟道的玻璃片

7 玻璃衬底

81、83 微通道

82 安装毛细管的接口通道

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图12。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图示中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图11及图12所示，本实用新型的薄膜型微热导检测器具有三明治结构，从下而上依次是玻璃衬底7、带微沟槽的硅衬底1和带微沟道的玻璃片6。交叉网状结构12制作于硅衬底1表面并悬浮于微沟槽的中央区域(交叉网状结构到微沟槽两个侧壁的距离相等)，如图11及12所示，其结构是由两层氧化硅/氮化硅薄膜所保护的热敏电阻51，至上而下分别为：氧化硅/氮化硅、热敏电阻51、氮化硅/氧化硅，值得注意的是，为了更清晰地画出热敏电阻51结构，图1中并没有画出上层的氧化硅/氮化硅。另外，需要说明的是：可采用其它结构的交叉网状结构12和热敏电阻51结构，并不局限于图1所示的结构。这种新的结构设计很好地解决了现有技术中的两个问题：第一，热敏电阻51的上下两层氧化硅/氮化硅薄膜不仅对其起到保护作用，另一方面由于结构的对称分布还能起到应力平衡的作用，减小了交叉网状结构12的形变；第二，采用一步DRIE工艺释放交叉网状结构12，微沟槽侧壁陡直，器件死体积小。

在图11及图12中只画出了一个热敏电阻51，一般而言，一个微热导检测器包括四个热敏电阻51R1、R2、R3、R4，如图2所示，其中R1、R4位于一个微通道81内，而R2、R3位于另外一个微通道83内，每一个微通道的两端分别有一个安装毛细管的接口通道82。R1、R2、R3、R4按照如图3所示的顺序连接构成一个惠斯通电桥。

如图11及图12所示，本实施例提供一种薄膜型微热导检测器，包括：硅衬底1，所述硅衬底1中形成有微沟槽结构11；由第一介质薄膜41-热敏电阻51-第二介质薄膜42形成的图形化堆叠结构，悬挂于所述硅衬底1的正面的微沟槽结构11中；带有微沟道的玻璃片6，键合于所述硅衬底1正面，且使得所述图形化堆叠结构位于所述玻璃片6的微沟道内；玻璃衬底7，键合于所述硅衬底1的背面。

作为示例，所述微沟槽结构11贯穿所述硅衬底1正面及背面。

作为示例，所述硅衬底1中还形成有焊盘凹槽3，所述焊盘凹槽中形成有焊盘结构52，所述焊盘结构52与所述热敏电阻51电性相连。所述热敏电阻51所采用的金属包括Pt/Ti叠层、Ni/Cr叠层、W/Ti叠层及W/Re叠层中的一种。

作为示例，所述第一介质薄膜41及第二介质薄膜42的平面结构为交叉网状结构12，且所述交叉网状结构12中具有多个延伸部，各延伸部与所述硅衬底1连接，以支撑所述交叉网状结构12。所述热敏电阻51呈锯齿状沿所述交叉网状结构12延伸，并连接于所述焊盘结构52之间。

作为示例，所述第一介质薄膜41及第二介质薄膜42包括氧化硅薄膜及氮化硅薄膜的一种或两种组成的叠层结构。所述第一介质薄膜41及第二介质薄膜42为包裹所述热敏电阻51或夹持所述热敏电阻51。

作为示例，所述图形化堆叠结构位于所述玻璃片6的微沟道内的中央区域。

作为示例，所述玻璃片6与硅衬底1、所述玻璃衬底7与硅衬底1均为静电键合。

如图4～图12所示，本实施例还提供一种薄膜型微热导检测器的制备方法，所述制备方法包括步骤：

如图4～图6所示，首先进行步骤1)，提供一硅衬底1，于所述硅衬底1上形成焊盘区凹槽，如图4～图5所示，然后于所述硅衬底1表面沉积第一介质薄膜41，如图6所示。

如图6所示，然后进行步骤2)，于所述第一介质薄膜41上沉积金属并图形化形成热敏电阻51。

作为示例，所述金属包括Pt/Ti叠层、Ni/Cr叠层、W/Ti叠层及W/Re叠层中的一种。

另外，在本实施例中，步骤2)沉积金属后，图形化同时于所述焊盘凹槽3中形成焊盘结构52，所述焊盘结构52与所述热敏电阻51电性相连。

如图7～图8所示，接着进行步骤3)，于所述热敏电阻51及第一介质层薄膜上沉积第二介质薄膜42，对所述第一介质薄膜41及第二介质薄膜42图形化形成第一介质薄膜41-热敏电阻51-第二介质薄膜42的图形化堆叠结构。

作为示例，步骤3)图形化后，所述第一介质薄膜41及第二介质薄膜42的平面结构为交叉网状结构12，且所述交叉网状结构12中具有多个延伸部，如图1所示，各延伸部在所述第一介质薄膜41-热敏电阻51-第二介质薄膜42的图形化堆叠结构释放后，与所述硅衬底1连接，以支撑所述交叉网状结构12。

作为示例，所述热敏电阻51呈锯齿状沿所述交叉网状结构12延伸，并连接于所述焊盘结构52之间，如图1所示。

作为示例，所述第一介质薄膜41及第二介质薄膜42为包裹所述热敏电阻51或夹持所述热敏电阻51。

作为示例，所述第一介质薄膜41及第二介质薄膜42包括氧化硅薄膜及氮化硅薄膜的一种或两种组成的叠层结构。在本实施例中，自下而上所述第一介质薄膜41为氧化硅薄膜及氮化硅薄膜叠层结构，自下而上所述第二介质薄膜42为氮化硅薄膜及氧化硅薄膜叠层结构，即与所述热敏电阻51接触的均为氮化硅薄膜，而氧化硅薄膜则位于所述氮化硅薄膜之外，将所述氧化硅薄膜设置于氮化硅薄膜之外，可以更有效的保护所述热敏电阻51，增加热敏电阻51的抗氧化性能及叠层结构的抗刻蚀/腐蚀性。

本实用新型的热敏电阻51的上下两层氧化硅/氮化硅薄膜不仅对其起到保护作用，另一方面由于结构的对称分布还能起到应力平衡的作用，减小了交叉网状结构12的形变，从而大大提高了热敏电阻51支撑结构的强度及稳定性。

作为示例，步骤3)中，对所述第一介质薄膜41及第二介质薄膜42图形化同时露出所述焊盘结构52以及硅衬底1的键合区域。

如图9所示，接着进行步骤4)，提供一带有微沟道的玻璃片6，键合所述玻璃片6及所述硅衬底1，并使得所述图形化堆叠结构位于所述玻璃片6的微沟道内，所述玻璃片6的微沟道及所述硅衬底1上的微沟槽共同组成薄膜型微热导检测器的微通道81、83。

作为示例，所述玻璃片6及所述硅衬底1键合后，所述图形化堆叠结构位于所述玻璃片6的微沟道内的中央区域。

作为示例，步骤4)中的玻璃片6与硅衬底1采用静电键合工艺键合。

需要说明的是，玻璃上微沟道及硅衬底上的微沟槽的具体尺寸可跟据实际需要来确定。玻璃上微沟道的尺寸可通过控制腐蚀时间来确定；硅衬底上的微沟槽的深度由硅片厚度决定。

如图10所示，接着进行步骤5)，从背面刻蚀所述硅衬底1，释放出所述第一介质薄膜41-热敏电阻51-第二介质薄膜42的图形化堆叠结构。

作为示例，采用深反应离子刻蚀工艺从背面刻蚀所述硅衬底1，释放出所述第一介质薄膜41-热敏电阻51-第二介质薄膜42的图形化堆叠结构。本实用新型采用一步深反应离子刻蚀DRIE工艺释放交叉网状结构12，使得微沟槽侧壁陡直，器件死体积小。

如图11及图12所示，最后进行步骤6)，提供一玻璃衬底7，并将所述玻璃衬底7键合于所述硅衬底1的背面。

作为示例，所述玻璃衬底7与硅衬底1采用静电键合工艺键合。

在一个具体的实施过程中，所述薄膜型微热导检测器的制备方法包括以下步骤：

1)提供一硅衬底1，对所述硅衬底1进行氧化形成氧化层2并图形化，如图4所示；

2)采用KOH腐蚀出焊盘凹槽3，腐蚀深度大于0.5微米且小于10微米，如图5所示；

3)淀积氧化硅/氮化硅薄膜，接着溅射金属Pt/Ti或Ni/Cr或W/Ti或W/Re，并图形化，形成热敏电阻51及金属焊盘，如图6所示；

4)淀积氮化硅/氧化硅薄膜，如图7所示；

5)刻蚀氮化硅/氧化硅薄膜，暴露出焊盘区和键合区的硅(值得注意的是，热敏电阻51上方的氮化硅/氧化硅薄膜及下方的氧化硅/氮化硅可以完全包裹金属Pr/Ti或Ni/Cr或W/Ti或W/Re，也可以夹持Pr/Ti或Ni/Cr或W/Ti或W/Re)，如图8所示；

6)将腐蚀有微沟道的玻璃片6和硅衬底1正面进行静电键合，如图9所示；

7)DRIE刻蚀硅衬底1的背面硅，释放交叉网状结构12，如图10所示；

8)硅衬底1的背面硅与玻璃衬底7进行静电键合并划片形成微热导检测器芯片，如图11及图12所示。

如上所述，本实用新型的薄膜型微热导检测器及其制备方法，具有以下有益效果：

1)本实用新型的热敏电阻51的上下两层氧化硅/氮化硅薄膜不仅对其起到保护作用，另一方面由于结构的对称分布还能起到应力平衡的作用，减小了交叉网状结构12的形变，从而大大提高了热敏电阻51支撑结构的强度及稳定性；

2)本实用新型采用一步深反应离子刻蚀DRIE工艺释放交叉网状结构12，使得微沟槽侧壁陡直，器件死体积小。

所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。