复合结构的微加热板及其制作方法与流程

本发明涉及一种微加热板及其制作方法，特别涉及一种复合结构的微加热板及其制作方法，属于半导体微纳加工技术领域。

背景技术：

现阶段气敏传感器主要有半导体式、电化学式、催化燃烧式等几种，其中半导体式气体传感器最实用的一类气体传感器。它具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。目前成熟的半导体式气敏传感器以微加热板为基础，在其上面涂覆敏感材料，使敏感材料在一定温度下工作，可以实现半导体式气敏传感器的良好工作。

目前常用的微加热板主要以陶瓷基底或硅基底为主，陶瓷基底主要用于传统的高温敏感材料进行加热，相对体积较大，用于传统气体传感器的较多。硅基微加热板主要以悬空结构为主，在背面开腔体，表面用氮化硅、氧化硅形成复合层，用于绝缘和隔热层。从美国最早提出mems微加热板以来，国内外很多研究学者都对其进行了大量的研究，例如，在一些文献中报道了以soi硅为基底进行的微加热板研究。但目前mems硅基微加热板还存在良率低、难以抗高温、支撑薄膜容易损坏等方面的缺点。具体来说，现有的mems硅基微加热板一般采用背面形成空腔，表面用氮化硅、氧化硅等形成支撑层、绝热绝缘层，然后在上面形成加热结构，但是，一方面硅本身是热的良导体，在工作过程中热量损失会影响工作效率，另一方面在刻蚀硅背腔的时候，经常会损害表面氧化硅和氮化硅薄膜，影响其器件良率。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种复合结构的微加热板，其制作工艺简单、能在高温下工作、使用寿命长，从而克服了现有技术的不足。

本发明的另一目的在于提供一种制作所述复合结构的微加热板的方法。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种复合结构的微加热板，其包括第一衬底以及依次设置在第一衬底第一表面的第一绝缘层、隔热层、加热层、第二绝缘层和测试层，所述第一衬底的第二表面形成有空腔结构，所述第二表面与第一表面相背对设置。

本发明实施例还提供了一种复合结构的微加热板的制作方法，其包括：

于一第一衬底的第二表面加工形成空腔结构；

于一第二衬底表面依次生长形成隔热层和第一绝缘层；

将所述第一绝缘层与所述第一衬底的第一表面键合，所述第一表面与第二表面相背对，之后去除所述第二衬底；

在所述隔热层上依次形成加热层、第二绝缘层和测试层。

在一些实施方案中，前述第一衬底采用石英衬底，特别是高纯度石英衬底。

在一些实施方案中，前述第二衬底采用单晶硅衬底(即，硅晶圆)。

本发明实施例还提供了所述复合结构的微加热板于制备微加热传感器中的应用。

与现有技术相比，本发明提供的复合结构的微加热板的结构简单牢固，可靠性高，稳定性好，尤其是具有高效率的加热性能，同时其制备工艺简单易于操作，可以利用mems工艺快速实施，适于进行工业化生产。

附图说明

图1是本发明一典型实施例中一种复合结构的微加热板的结构示意图；

图2是本发明一典型实施例中一种复合结构的微加热板的制备工艺流程图；

图3是本发明一典型实施例中一种复合结构的微加热板的制备工艺原理图。

具体实施方式

如前所述，鉴于现有技术存在的诸多缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例的一个方面提供的一种复合结构的微加热板的制作方法包括：

于一第一衬底的第二表面加工形成空腔结构；

于一第二衬底表面依次生长形成隔热层和第一绝缘层；

将所述第一绝缘层与所述第一衬底的第一表面键合，所述第一表面与第二表面相背对，之后去除所述第二衬底；

在所述隔热层上依次形成加热层、第二绝缘层和测试层。

所述测试层包括测试电极。所述的测试电极可以是具有图形化结构的。

在一些实施方案中，所述的制作方法具体包括：采用三维热压成型工艺，在所述第一衬底的第二表面加工形成空腔结构。其中，通过采用三维热压成型，可以避免常规的湿法复合或者干法刻蚀的工艺对衬底正面的加热或者测试电极所造成的破坏，可以显著提高其良率。

在一些实施方案中，所述的制作方法具体包括：对所述第二衬底进行充分的清洗，清洗的方式包括酸洗、碱洗、有机溶剂清洗、去离子水清洗中的任意一种或多种的组合，之后真空干燥或在氮气气氛中干燥，再在第二衬底表面依次生长形成隔热层和第一绝缘层。

在一些实施方案中，所述的制作方法具体包括：采用阳极键合工艺将所述第一绝缘层与所述第一衬底的第一表面键合。采用这种键合工艺，可以使得两种衬底更牢固的结合起来，保证器件的机械强度。

在一些实施方案中，所述的制作方法具体包括：采用减薄工艺去除所述第二衬底，从而使所述隔热层露出，之后刻蚀第一衬底，使所述空腔结构沿轴向贯穿第一衬底。这样的操作，可以使得器件整体层次更薄，能更好的控制加热板的热效应。

在一些实施方案中，所述的制作方法具体包括：采用cvd方法生长形成所述隔热层、第一绝缘层、第二绝缘层中的至少一者。

在一些实施方案中，所述的制作方法具体包括：采用pvd法生长形成所述加热层、测试层中的至少一者。

在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法可以包括如下步骤：

(1)利用三维热压成型工艺，在第一衬底(例如高纯度石英衬底)背面形成一空腔结构(亦称背腔)，可以为圆形、方形等，空腔的长、宽、高尺寸可以在100um-5000um左右。优选的，此步骤中，所述空腔结构未沿轴向完全贯穿所述第一衬底，即，在所述空腔结构底部还有第一衬底的组成材料余留。如此可以控制加热板的热扩散，使得加热板具有良好的加热效果。

(2)将第二衬底(例如单晶硅衬底)充分清洗，包括酸洗、碱洗、有机溶剂清洗、去离子水清洗，之后在真空烘箱或氮气烘干充分干燥。

(3)利用cvd方式在第二衬底的一侧表面上生长绝热层(例如氮化硅层)和第一绝缘层(例如氧化硅层)。

(4)利用阳极键合工艺，将第一绝缘层表面与第一衬底正面键合在一起。

(5)将剩余的第二衬底通过减薄工艺去除，露出绝热层。

(6)将第一衬底背腔上面多余的衬底材料(如石英)以干法刻蚀工艺去除，露出第一绝缘层。如此可以使器件整体层次更薄，能更好的控制加热板的热效应。

(7)在绝热层表面利用pvd沉积加热层。

(8)在加热层表面利用cvd方式沉积第二绝缘层。

(9)在第二绝缘层表面利用pvd方式沉积测试层。

本发明实施例的另一个方面提供的一种复合结构的微加热板包括第一衬底以及依次设置在第一衬底第一表面的第一绝缘层、隔热层、加热层、第二绝缘层和测试层，所述第一衬底的第二表面形成有空腔结构，所述第二表面与第一表面相背对设置。

进一步地，所述第一衬底包括石英衬底。

进一步地，所述第二衬底包括单晶硅衬底。

进一步地，所述第一绝缘层、第二绝缘层的材质包括氧化硅，例如可以为氧化硅层。

进一步地，所述隔热层的材质包括氮化硅，例如可以为氮化硅层。

进一步地，所述加热层的材质包括金属，例如可以是pt、mo、w中的任意一种或两种以上的组合或其合金形成的金属结构层。

进一步地，所述测试层的材质包括金属，例如可以是au和/或ag或其合金形成的金属结构层。

在一些实施方案中，所述第一衬底与第一绝缘层通过阳极键合工艺结合。

较为优选的，所述第一绝缘层、第二绝缘层的厚度为100nm-5000nm。

较为优选的，所述隔热层的厚度为100nm-5000nm。

较为优选的，所述加热层的厚度为100nm-1000nm。

较为优选的，所述测试层的厚度为100nm-1000nm。

较为优选的，所述空腔结构沿轴向贯穿所述第一衬底。

较为优选的，所述空腔结构的长、宽、高尺寸为100μm-5000μm。

通过采用前述的结构参数设置，可以使得所述加热板中的各结构层能良好的结合在一起，促成良好的加热效果，并可以使整体器件的良率被控制在较高水平。

本发明实施例的另一个方面还提供了所述复合结构的微加热板于制备微加热传感器中的应用。例如，本发明实施例提供了一种装置，所述装置包括前述复合结构的微加热板，优选的，所述装置可以包括微加热传感器。

本发明提供的复合结构的微加热板的结构简单、牢固、可靠性高、稳定性好、加热性能高效，同时其制备工艺简单易于操作，可以利用mems工艺快速实施，适于进行工业化生产。

下面将结合附图及典型案例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

请参阅图1所示，在本发明的一个典型实施例中，一种复合结构的微加热板包括第一衬底1以及依次设置在第一衬底第一表面的第一绝缘层2、隔热层3、加热层4、第二绝缘层5和测试层6，所述第一衬底的第二表面形成有空腔结构7，所述第二表面与第一表面相背对设置。优选地，所述空腔结构沿轴向贯穿所述第一衬底。

进一步地，所述第一衬底可以采用高纯度石英衬底。

进一步地，所述第二衬底可以采用硅晶圆，即单晶硅衬底。

进一步地，所述第一绝缘层、第二绝缘层均可以是氧化硅层。

进一步地，所述隔热层可以是氮化硅层。

进一步地，所述加热层可以是由pt、mo、w中的任意一种或两种以上的组合或其合金形成。

进一步地，所述测试层可以是由au和/或ag或其合金形成。

进一步地，所述第一衬底与第一绝缘层可以是通过阳极键合工艺结合。

进一步地，所述第一绝缘层、第二绝缘层的厚度可以为100nm-5000nm。

进一步地，所述隔热层的厚度为100nm-5000nm。

进一步地，所述加热层的厚度为100nm-1000nm。

进一步地，所述测试层的厚度为100nm-1000nm。

进一步地，所述空腔结构的长、宽、高尺寸为100μm-5000μm。

该实施例的微加热板可以利用mems工艺制作，例如，一种制作该微加热板的方法可以参阅图2、图3所示。该制作方法具体包括如下步骤：

(1)准备高纯度石英衬底1、单晶硅衬底8，其中石英衬底的厚度可以为约200-500um，单晶硅衬底的厚度可以为约200-500um。

(2)对单晶硅衬底进行充分清洗，包括：a、用浓硫酸，85℃煮15分钟；b、然后用50wt％氢氧化钾溶液浸泡10min；c、用丙酮溶液超声15min、去离子水溶液超声15min；之后在真空烘箱或氮气烘干充分干燥(120℃干燥约1h)。

(3)利用cvd方式在单晶硅衬底8的一侧表面上生长作为绝热层的氮化硅层3和作为绝缘层的氧化硅层2。氮化硅层3、氧化硅层2的厚度可以分别为100nm-5000nm。

(4)利用三维热压成型工艺，控制热压温度在500-800min，压力在20-100kg，在石英衬底1背面形成一空腔结构7’(亦称背腔)，可以为圆形、方形等，长、宽、高尺寸可以在100μm-5000μm左右。此步骤中，所述空腔结构未沿轴向完全贯穿所述第一衬底，即，在所述空腔结构底部还有第一衬底的组成材料余留，厚度约20-50um。

(5)利用阳极键合工艺，控制键合温度在200-500度，压力在10-200mpa，将第一绝缘层表面与第一衬底正面键合在一起。

(6)将剩余的单晶硅衬底8通过减薄工艺去除，露出氮化硅层3。

(7)将石英衬底背腔上面多余的衬底材料以干法刻蚀工艺去除，形成空腔结构7，并露出氧化硅层2。

(8)在氮化硅层3表面利用pvd沉积pt、mo、w等金属或其合金形成加热层4。该加热层的厚度可以为100nm-1000nm。

(9)在加热层4表面利用cvd方式沉积氧化硅等形成绝缘层5。该绝缘层的厚度可以为100nm-5000nm。

(10)在绝缘层5表面利用pvd方式沉积au、ag等金属或其合金形成加测试层6。该测试层的厚度可以为100nm-1000nm。

前述制作方法中采用的cvd、pvd、干法刻蚀等的工艺条件均可以是业界已知的。

该实施例提供的制作方法中，通过在硅晶圆的键合面上，预先形成一定厚度的氧化层和氮化层作为支撑，以及，在石英衬底背面预先制作好空腔结构，再将硅晶圆与高纯度石英衬底相结合，形成硅和石英的综合体，继而可以形成以石英衬底为支撑结构的微加热板，达使其实现高效率的加热性能。该制作方法简单易于操作，可以利用mems工艺快速实施，适于大规模生产，而且制作形成的复合结构的微加热板的结构简单牢固、加热效率高、可靠性高、工作稳定性好。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。