专利名称：具有弧度可调的圆弧形加热膜区的三维微型加热器及方法
技术领域：
本发明涉及一种具有弧度可调的圆弧形加热膜区的三维微型加热器及其制作方 法，属于微电子机械系统(MEMS)领域。
背景技术：
随着微加工技术的不断发展，基于MEMS工艺的微型加热器已开始在气体探测，环 境监控和红外热源等领域广泛应用。由于应用的不断推广和深入，对微型加热器的低功耗、 低成本、高性能、高可靠的要求也日益强烈。如何制作出低功耗高性能的加热器一直是本领 域内技术人员追求的目标。目前基于硅衬底的微型加热器从支撑膜结构来分，主要有两种类型，分别是封闭 膜式(closed membrane type)禾口悬膜式(suspended membrane type)。封闭膜式微型 加热器的支撑膜边界都与衬底框架相连，通过背面体硅加工技术腐蚀衬底硅实现加热膜 区的释放，如 M. Gall，The Si-planar-pellistor :alow_power pellistor sensor in Si thin-film technology, Sensors and Actuators B，Vol. 4 (1991)，pp. 533-538。悬膜式微 型加热器通常利用数条长条形支撑悬臂梁把中心加热膜区与衬底框架相连，利用正面体硅 力口工技术实现力口热膜区的释放，如 Michael Gaitan, et. al，Micro—hotplate devices and methods for theirfabrication,US Patent NO. 5，464，966。随着十多年的发展，为了满足 不同需求，封闭膜式的微型加热器和悬膜式的微型加热器的加热膜区出现了很多种形状， 如圆形，矩形，长条形，或者多边形等。但不管是哪一种形状，这些加热膜区都是平面型的， 是一种二维结构。然而在某些领域内应用时这种平面式加热膜区的微型加热器却有一些不足。比 如，作为红外热源时，平面式加热器的热量分散，受气流的影响较大。用于催化燃烧原理的 气体传感器时，催化剂在平面式加热器的中心膜区的覆盖率不高，且加热效率较低，影响了 传感器的灵敏度。因此，如何设计一种低功耗、高加热效率和高性能的加热器是解决这些问 题的关键。本发明拟提供一种利用硅各向同性干法刻蚀与硅各向异性干法刻蚀结合，或者 硅各向同性干法刻蚀与硅各向异性湿法腐蚀结合的方法形成具有弧度可调的圆弧形加热 膜区的三维微型加热器，基于喷胶光刻的剥离工艺解决了在凹槽内部制作加热电阻丝的难 题。所制作的微型加热器由于其独特的三维结构使得热量更加集中，具有功耗低，机械强度 高，应用范围广等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有弧度可调的圆弧形加热膜区的三维微型加热器 及其制作方法，从而解决目前平面型微型加热器在某些应用领域的局限性。圆弧形凹槽的弧度可以通过两种方式来调节，一种是利用硅各向异性干法刻蚀与 硅各向同性干法刻蚀结合调节圆弧形凹槽的弧度，如图1所示，其中(a)为干法刻蚀形成的
4阶梯式凹槽结构，台阶的高度较小，中心深度较浅，(b)通过各向同性干法刻蚀和多次“生长 氧化硅——去除氧化硅”后形成的弧形凹槽，凹槽的弧度较小；(C)为干法刻蚀形成的阶梯 式凹槽结构，台阶的高度较大，中心深度较深，(d)通过各向同性干法刻蚀和多次“生长氧化 硅——去除氧化硅”后形成的弧形凹槽，凹槽的弧度较大。另一种方法是利用硅各向异性湿 法腐蚀与硅各向同性干法刻蚀结合调节圆弧形凹槽的弧度，如图2所示，其中(a)为各向异 性湿法腐蚀形成的阶梯式凹槽结构，台阶的高度较小，中心深度较浅，(b)通过各向同性干 法刻蚀和多次“生长氧化硅——去除氧化硅”后形成的弧形凹槽，凹槽的弧度较小；(c)为 各向异性湿法腐蚀形成的阶梯式凹槽结构，台阶的高度较大，中心深度较深，(d)通过各向 同性干法刻蚀和多次“生长氧化硅——去除氧化硅”后形成的弧形凹槽，凹槽的弧度较大。 所以只要控制每次刻蚀或腐蚀形成的台阶的高度以及凹槽的中心深度就能达到调节圆弧 形凹槽弧度的目的。本发明采用硅各向同性干法刻蚀与硅各向异性干法刻蚀结合，或者硅各向同性干 法刻蚀与硅各向异性湿法腐蚀结合的方法形成横截面呈圆弧形结构的弧度可调的凹槽，利 用多次“生长氧化硅——去除氧化硅”的方法使凹槽内表面更加光滑，通过在该凹槽内沉积 介质层复合膜形成横截面呈圆弧形的凹槽形加热膜区，加热电阻丝以折线或曲线的形式排 布在圆弧形加热膜区的内部，干法刻蚀定义出加热膜区和支持悬梁的形状，释放后的加热 膜区由支撑悬梁支撑并悬浮在衬底之上。圆弧形凹槽加热膜区避免了转角的存在，有利于热应力在加热膜区内均勻分布， 从而可以提高加热器在高温下的机械强度。加热电阻丝在圆弧形凹槽加热膜区内既能以折 线的形式排布也能以曲线的形式排布，同时加热膜区的弧度是可调的，因此这种结构的三 维加热器会有较广的应用。综上所述，本发明提供一种具有弧度可调的圆弧形加热膜区的三维微型加热器的 特征在于横截面呈圆弧形凹槽且弧度可调的加热膜区通过支撑悬梁与衬底框架相连，加热 电阻丝以折线或曲线的形式排布在加热膜区凹槽的内部并通过支撑悬梁上的引线与衬底 框架上的电极相连，加热膜区和支撑悬梁下方是隔热腔体，圆弧形凹槽的弧度通过两种方 法进行调节一是硅各向异性干法刻蚀与硅各向同性干法刻蚀结合制作横截面呈圆弧形的 凹槽；二是硅各向异性湿法腐蚀与硅各向同性干法刻蚀结合制作横截面呈圆弧形的凹槽。其中，1.加热膜区是横截面呈圆弧形的凹槽，凹槽的开口(腐蚀窗口)是圆形或椭 圆形的，凹槽的弧度可以根据实际应用的不同需求进行调节。2.圆弧的弧度可以通过两种方法调节一，硅各向异性干法刻蚀与硅各向同性干 法刻蚀结合制作横截面呈圆弧形的凹槽，如图1所示；二，硅各向异性湿法腐蚀与硅各向同 性干法刻蚀结合制作横截面呈圆弧形的凹槽，如图2所示。3.支撑悬梁的一端与衬底框架相连，另一端与凹槽形的加热膜区相连，支撑悬梁 以加热膜区为中心对称排布。4.加热电阻丝以折线或曲线的的形式排布在加热膜区的凹槽内部。5.引线排布在任意两个支撑悬梁上并连接加热膜区内的加热电阻丝和衬底框架 上的电极。6.隔热腔体位于加热膜区和支撑悬梁的下方，可以由硅各向同性干法刻蚀，硅各 向异性湿法腐蚀，或者两者结合使用形成。隔热腔体使得加热膜区在支撑悬梁的支撑下悬
5浮在衬底之上。本发明的另一目的在于提供一种具有弧度可调的圆弧形加热膜区的三维微型加 热器的制作方法，具体制作步骤如下1.硅衬底的选择。如果采用硅各向异性干法刻蚀与硅各向同性干法刻蚀结合的方 法制作横截面呈圆弧形的凹槽，那么衬底不受晶面的限制，可以是常见的(100)，(110)或 (111)面的硅片；如果采用硅各向异性湿法腐蚀与硅各向同性干法刻蚀结合的方法制作横 截面呈圆弧形的凹槽，那么衬底仅限于(100)面的硅片。2.制作阶梯式凹槽。利用氧化硅或氮化硅做掩膜，通过多次硅各向异性干法刻 蚀或者硅各向异性湿法腐蚀形成具有一系列台阶的凹槽，如图3(a)或图4(a)所示。台阶 由中心向四周逐渐上升，中心的凹槽越深最终形成的圆弧形的凹槽的弧度就越大。阶梯 式凹槽的台阶越密最终形成的圆弧形凹槽的圆弧就越圆滑。硅各向异性干法刻蚀可采用 DRIE (Deep Reactive Ion Etching)。硅各向异性腐蚀液有多种选择，比如K0H(氢氧化 钾)，TMAH(四甲基氢氧化铵)，或者EPW(乙二胺，邻苯二酚和水)等。3.制作横截面呈圆弧形结构的凹槽。在氧化硅或氮化硅的保护下，利用硅各向同 性干法刻蚀的方法对步骤2形成的阶梯式的凹槽进行刻蚀，此时气体会进行削角刻蚀。最 后的凹槽深度在5-150微米之间，如图3(b)或图4(b)所示。硅各向同性干法刻蚀气体可 以使用二氟化氙(XeF2)。4.多次氧化使圆弧形凹槽内部更光滑。把经过步骤3干法刻蚀后的硅片进行氧 化，生长一层厚度在0. 1-2.0微米之间的氧化硅薄膜，然后彻底去除这层氧化硅薄膜。通过 多次“生长氧化硅——去除氧化硅”的方法使凹槽内部更加光滑，如图3(c)或图4(c)所示。 最终的凹槽结构如图6(a)所示。5.制作凹槽形加热膜区和支撑悬梁的介质层薄膜。介质层薄膜是由氧化硅和氮化 硅的多层复合膜组成，如图6(b)所示。氧化硅可以通过热氧化、低压化学气相沉积(LPCVD) 或等离子增强化学气相沉积(PECVD)的方法制备，单层厚度在0.2-1.0微米之间。氮化硅 可以通过低压化学气相沉积(LPCVD)或等离子增强化学气相沉积(PECVD)的方法制备，单 层厚度在0. 2-1. 0微米之间。介质层的总厚度在0. 4-5. 0微米之间。6.制作加热电阻丝，引线和电极。有两种工艺，一种是剥离工艺(lift-off)，另一 种是电镀工艺(electroplating)。采用剥离工艺的制作方法为喷胶光刻(光刻胶厚度为 1-10微米)定义出加热电阻丝，引线和电极的图形，然后溅射一层0. 2-2. 0微米厚的钛钼， 最后丙酮去胶后形成了加热电阻丝，引线和电极。采用电镀工艺的制作方法为溅射金属 种子层(如钛钼、钛金、钼、金、钛钨/金、钛钨/钼)，使得介质层表面均覆盖有金属种子 层。喷胶光刻(光刻胶厚度为1-10微米)定义出加热电阻丝，引线和电极的图形，电镀一 层0.2-2微米厚的金属钼。最后去除光刻胶和种子层即可。制作好的加热电阻丝，引线和 电极如图6(c)所示。7.制作介质层薄膜的释放窗口。正面光刻定义出用于释放加热膜区和支撑悬梁的 腐蚀窗口图形，在光刻胶的保护下利用反应离子刻蚀(RIE)或离子束刻蚀(Ion-beam)彻底 刻蚀暴露的氧化硅和氮化硅复合膜，形成薄膜释放窗口。8.加热膜区和支撑悬梁的释放。根据硅衬底的晶面和支撑悬梁的方向的不同可以 使用以下三种方法一，利用硅各向同性干法刻蚀气体二氟化氙(XeF2)实现加热膜区和支
6持悬梁的释放。这种方法不受硅衬底的晶面和支撑悬梁的方向的限制。二，利用硅各向异 性腐蚀液通过薄膜释放窗口腐蚀衬底硅，并在中心膜区和支撑悬梁的下方形成隔热腔体。 这种方法仅限于衬底是(100)面的硅片，并且支撑悬梁的方向与<100>晶向的夹角保持在 士 30度以内。三，当衬底是(100)面的硅片，并且支撑悬梁的方向与<110>晶向的夹角保持 在士 15度以内时，可以先使用硅各向同性干法刻蚀再使用各向异性释放腐蚀的方法实现 加热膜区和支撑悬梁的释放。采用方法一释放后的结构如图6(d)所示。相对传统的基于MEMS工艺的平面式二维微型加热器来说，本发明提供的一种具 有弧度可调的圆弧形加热膜区的三维微型加热器及方法的主要特点如下1.三维微型加热器的加热电阻丝排布在中心膜区的凹槽内部，气体在凹槽中的对 流系数较小，减小了因对流换热引起的热量散失，有利于降低加热器的功耗。2.圆弧形的加热器膜区可以降低热应力，提高加热器在高温下的机械强度，同时 圆弧形凹槽的弧度可以调节，从而满足不同的使用需求。3.多次“生长氧化硅——去除氧化硅”的方法可以使圆弧形凹槽的表面更加光滑。4.三维微型加热器的加热电阻丝通过剥离或电镀工艺制备，增加了器件的可靠 性，特别是高温下的稳定性。5.采用本发明提供的方法制作的三维微型加热器，器件体积小，性能高，易于阵列 化和批量生产。6.所述加热器的优点还体现在不同领域的应用中。用作红外热源时，嵌入的加热 电阻丝能够形成热量集中的热源，这种热源相对传统平面式微型加热器形成的热源来说受 空气流动的影响较小。用于生化传感领域时，催化剂可以植入到凹槽结构中，底部和侧部的 电阻丝同时对催化剂加热，热量更集中，效率更高，利于提高传感器的性能。
图1为利用硅各向异性干法刻蚀与硅各向同性干法刻蚀结合调节圆弧形凹槽弧 度的示意图。(a)为干法刻蚀形成的阶梯式凹槽结构，台阶的高度较小，中心深度较浅，(b) 由(a)最后形成的圆弧形凹槽，凹槽的弧度较小；(c)为干法刻蚀形成的阶梯式凹槽结构， 台阶的高度较大，中心深度较深，(d)由(c)最后形成的圆弧形凹槽，凹槽的弧度较大。图2为利用硅各向异性湿法腐蚀与硅各向同性干法刻蚀结合调节圆弧形凹槽弧 度的示意图。(a)为各向异性湿法腐蚀形成的阶梯式凹槽结构，台阶的高度较小，中心深度 较浅，(b)由(a)最后形成的弧形凹槽，凹槽的弧度较小；(c)为各向异性湿法腐蚀形成的阶 梯式凹槽结构，台阶的高度较大，中心深度较深，(d)由(c)最后形成的弧形凹槽，凹槽的弧 度较大。图3为硅各向异性干法刻蚀与硅各向同性干法刻蚀结合的方法制作圆弧形凹槽 结构的示意图(截面图)。(a)为干法刻蚀形成的阶梯式凹槽，(b)为各向同性刻蚀后的示 意图，(c)多次“生长氧化硅——去除氧化硅”后的示意图。图4为利用硅各向异性湿法腐蚀与硅各向同性干法刻蚀结合的方法制作圆弧形 凹槽结构的示意图(截面图)。(a)为各向异性湿法腐蚀形成的阶梯式凹槽，(b)为各向同 性刻蚀后的示意图，(c)多次“生长氧化硅——去除氧化硅”后的示意图。图5为本发明之具有弧度可调的圆弧形加热膜区的三维微型加热器的立体结构
7示意图。图6为本发明之具有弧度可调的圆弧形加热膜区的三维微型加热器的主要流程 示意图。其中，(a)为经刻蚀和多次氧化后的圆弧形凹槽，(b)为制作凹槽形加热膜区和支 撑梁的介质层薄膜，(c)为制作加热电阻丝、引线和电极，(d)为释放加热膜区和支撑悬梁。图7为本发明实施例2中的加热器结构示意图。图8为本发明实施例3中的加热器结构示意图。图9为本发明实施例4中的加热器结构示意图。图中1为衬底框架，2为加热膜区，3为支撑悬梁，4为加热电阻丝，5为引线，6为电 极，7为隔热腔体。实施例1 本实施例的结构示意图参见图5所示，具体制作方法如下1.硅衬底的选择选择N型(110)面的4英寸硅片作为衬底，电阻率1-10 Ω -cm, 硅片厚度为450士 10微米。2.制作阶梯式凹槽利用氧化硅做掩膜，通过多次硅各向异性干法刻蚀形成具有 一系列台阶的凹槽。硅各向异性干法刻蚀可采用DRIE(De印Reactive Ion Etching)。3.制作横截面呈圆弧形结构的凹槽在氧化硅的保护下，利用硅各向同性干法刻 蚀的方法对步骤2形成的阶梯式的凹槽进行刻蚀，此时气体会进行削角刻蚀。最后的凹槽 深度约为50微米。4.多次氧化使圆弧形凹槽内部更光滑把经过步骤3干法刻蚀后的硅片进行氧 化，生长一层厚度为0. 5微米的氧化硅薄膜，然后彻底去除这层氧化硅薄膜。通过五次“生 长氧化硅——去除氧化硅”的方法使凹槽内部更加光滑。5.制作凹槽形加热膜区和支撑悬梁的介质层薄膜利用低压化学气相沉积 (LPCVD)的方法依次生长一层厚度为0. 5微米的氧化硅和一层厚度为0. 3微米的氮化硅。6.采用剥离工艺(lift-off)制作加热电阻丝，引线和电极喷胶光刻(光刻胶厚 度为8微米)定义出加热电阻丝，引线和电极的图形，然后溅射一层0.2微米厚的钛钼，最 后丙酮去胶后形成了加热电阻丝，引线和电极。7.制作介质层薄膜的释放窗口 正面光刻定义出用于释放加热膜区和支撑悬梁 的腐蚀窗口图形，在光刻胶的保护下利用反应离子刻蚀(RIE)彻底刻蚀暴露的氧化硅和氮 化硅复合膜，形成薄膜释放窗口。8.加热膜区和支撑悬梁的释放利用硅各向同性干法刻蚀气体二氟化氙(XeF2) 刻蚀衬底硅实现加热膜区和支持悬梁的释放。实施例2 本实施例的结构示意图参见图7所示，具体制作方法如下1.硅衬底的选择选择P型(111)面的4英寸硅片作为衬底，电阻率1-10 Ω -cm, 硅片厚度为450士 10微米。2.制作阶梯式凹槽利用氧化硅做掩膜，通过多次硅各向异性干法刻蚀形成具有 一系列台阶的凹槽。硅各向异性干法刻蚀可采用DRIE(De印Reactive Ion Etching)。3.制作横截面呈圆弧形结构的凹槽在氧化硅的保护下，利用硅各向同性干法刻 蚀的方法对步骤2形成的阶梯式的凹槽进行刻蚀，此时气体会进行削角刻蚀。最后的凹槽
4.多次氧化使圆弧形凹槽内部更光滑把经过步骤3干法刻蚀后的硅片进行氧 化，生长一层厚度为0. 5微米的氧化硅薄膜，然后彻底去除这层氧化硅薄膜。通过五次“生 长氧化硅——去除氧化硅”的方法使凹槽内部更加光滑。5.制作凹槽形加热膜区和支撑悬梁的介质层薄膜利用低压化学气相沉积 (LPCVD)的方法依次生长一层厚度为0. 5微米的氧化硅和一层厚度为0. 3微米的氮化硅。6.采用电镀工艺(electroplating)制作加热电阻丝，引线和电极溅射金属种子 层钛钼，使得介质层表面均覆盖有金属种子层，喷胶光刻(光刻胶厚度为6微米)定义出加 热电阻丝，引线和电极的图形，电镀一层1.0微米厚的金属钼。最后去除光刻胶和种子层即 可。7.制作介质层薄膜的释放窗口 正面光刻定义出用于释放加热膜区和支撑悬梁 的腐蚀窗口图形，在光刻胶的保护下利用离子束刻蚀(Ion-beam)彻底刻蚀暴露的氧化硅 和氮化硅复合膜，形成薄膜释放窗口。8.加热膜区和支撑悬梁的释放利用硅各向同性干法刻蚀气体二氟化氙(XeF2) 刻蚀衬底硅实现加热膜区和支持悬梁的释放。实施例3 本实施例的结构示意图参见图8所示，具体制作方法如下1.硅衬底的选择选择N型(100)面的4英寸硅片作为衬底，电阻率3-8 Ω · cm, 硅片厚度为350士 10微米。2.制作阶梯式凹槽利用氧化硅做掩膜，通过多次硅各向异性湿法腐蚀的方法形 成具有一系列台阶的凹槽。硅各向异性腐蚀液有多种选择，比如Κ0Η(氢氧化钾)，TMAH(四 甲基氢氧化铵)，或者EPW(乙二胺，邻苯二酚和水)等。3.制作横截面呈圆弧形结构的凹槽在氧化硅的保护下，利用硅各向同性干法刻 蚀的方法对步骤2形成的阶梯式的凹槽进行刻蚀，此时气体会进行削角刻蚀。最后的凹槽 深度约为40微米。4.多次氧化使圆弧形凹槽内部更光滑把经过步骤3干法刻蚀后的硅片进行氧 化，生长一层厚度为0. 5微米的氧化硅薄膜，然后彻底去除这层氧化硅薄膜。通过五次“生 长氧化硅——去除氧化硅”的方法使凹槽内部更加光滑。5.制作凹槽形加热膜区和支撑悬梁的介质层薄膜利用低压化学气相沉积 (LPCVD)的方法依次生长一层厚度为0. 5微米的氧化硅和一层厚度为0. 3微米的氮化硅。6.采用剥离工艺(lift-off)制作加热电阻丝，引线和电极喷胶光刻(光刻胶厚 度为8微米)定义出加热电阻丝，引线和电极的图形，然后溅射一层0.2微米厚的钛钼，最 后丙酮去胶后形成了加热电阻丝，引线和电极。7.制作介质层薄膜的释放窗口 正面光刻定义出用于释放加热膜区和支撑悬梁 的腐蚀窗口图形，在光刻胶的保护下利用反应离子刻蚀(RIE)彻底刻蚀暴露的氧化硅和氮 化硅复合膜，形成薄膜释放窗口。8.加热膜区和支撑悬梁的释放先使用硅各向同性干法刻蚀刻蚀衬底硅释放支 撑悬梁，再使用各向异性湿法腐蚀的方法实现加热膜区的释放。实施例4
9
本实施例的结构示意图参见图9所示，具体制作方法如下1.硅衬底的选择选择P型(100)面的4英寸硅片作为衬底，电阻率3-8 Ω · cm, 硅片厚度为350士 10微米。2.制作阶梯式凹槽利用氧化硅做掩膜，通过多次硅各向异性湿法腐蚀的方法形 成具有一系列台阶的凹槽。硅各向异性腐蚀液有多种选择，比如Κ0Η(氢氧化钾)，TMAH(四 甲基氢氧化铵)，或者EPW(乙二胺，邻苯二酚和水)等。3.制作横截面呈圆弧形结构的凹槽在氧化硅的保护下，利用硅各向同性干法刻 蚀的方法对步骤2形成的阶梯式的凹槽进行刻蚀，此时气体会进行削角刻蚀。最后的凹槽 深度约为30微米。4.多次氧化使圆弧形凹槽内部更光滑把经过步骤3干法刻蚀后的硅片进行氧 化，生长一层厚度在0.5微米的氧化硅薄膜，然后彻底去除这层氧化硅薄膜。通过五次“生 长氧化硅——去除氧化硅”的方法使凹槽内部更加光滑。5.制作凹槽形加热膜区和支撑悬梁的介质层薄膜利用低压化学气相沉积 (LPCVD)的方法依次生长一层厚度为0. 5微米的氧化硅和一层厚度为0. 3微米的氮化硅。6.采用电镀工艺(electroplating)制作加热电阻丝，引线和电极溅射金属种子 层钛钼，使得介质层表面均覆盖有金属种子层，喷胶光刻(光刻胶厚度为6微米)定义出加 热电阻丝，引线和电极的图形，电镀一层1.0微米厚的金属钼。最后去除光刻胶和种子层即 可。7.制作介质层薄膜的释放窗口 正面光刻定义出用于释放加热膜区和支撑悬梁 的腐蚀窗口图形，在光刻胶的保护下利用离子束刻蚀(Ion-beam)彻底刻蚀暴露的氧化硅 和氮化硅复合膜，形成薄膜释放窗口。8.加热膜区和支撑悬梁的释放先使用硅各向同性干法刻蚀刻蚀衬底硅释放支 撑悬梁，再使用各向异性湿法腐蚀的方法实现加热膜区的释放。
10
权利要求
一种具有弧度可调的圆弧形加热膜区的三维微型加热器，其特征在于横截面呈圆弧形凹槽且弧度可调的加热膜区通过支撑悬梁与衬底框架相连，加热电阻丝以折线或曲线的形式排布在加热膜区凹槽的内部并通过支撑悬梁上的引线与衬底框架上的电极相连，加热膜区和支撑悬梁下方是隔热腔体，圆弧形凹槽的弧度通过两种方法进行调节一是硅各向异性干法刻蚀与硅各向同性干法刻蚀结合制作横截面呈圆弧形的凹槽；二是硅各向异性湿法腐蚀与硅各向同性干法刻蚀结合制作横截面呈圆弧形的凹槽。
2.按权利要求1所述的三维微型加热器，其特征在于圆弧形凹槽的开口是圆形或椭圆 形的。
3.按权利要求1所述的三维微型加热器，其特征在于①圆弧形凹槽的内表面光滑是利用多次生长氧化硅_去除氧化硅方法实现的；②控制每次刻蚀形成的台阶高度和凹槽的深度达到调节圆弧形凹槽弧度。
4.按权利要求1所述的三维微型加热器，其特征在于支撑悬梁的一端与衬底框架相 连，另一端与凹槽形的加热膜区相连，支撑悬梁以加热膜区为中心对称排布。
5.按权利要求1所述的三维微型加热器，其特征在于加热电阻丝是以折线或曲线的的 形式排布在加热膜区的凹槽内部。
6.按权利要求1所述的三维微型加热器，其特征在于引线排布在任意两个支撑悬梁 上，并连接加热膜区内的加热电阻丝和衬底框架上的电极。
7.按权利要求1所述的三维微型加热器，其特征在于隔热腔体位于加热膜区和支撑悬 梁的下方，由硅各向同性干法刻蚀，硅各向异性湿法腐蚀或者两者结合使用形成，隔热腔体 使得加热膜区在支撑悬梁的支撑下悬浮于衬底之上。
8.制作如权利要求1所述的三维微型加热器的方法，其特征在于制作的步骤包括(a)衬底选择①采用硅各向异性干法刻蚀与硅各向同性干法刻蚀结合的方法制作横截面呈圆弧形 的凹槽，衬底晶面不受限制，为(100)，(110)或(111)面的硅片；②采用硅各向异性湿法腐蚀与硅各向同性干法刻蚀结合的方法制作横截面呈圆弧形 的凹槽，衬底仅限于(100)面的硅片；(b)制作阶梯式凹槽，利用氧化硅或氮化硅做掩膜，通过多次硅各向异性干法刻蚀或者 硅各向异性湿法腐蚀形成具有一系列台阶的凹槽，台阶由中心向四周逐渐上升，中心的凹 槽越深最终形成的圆弧形的凹槽的弧度就越大，阶梯式凹槽的台阶越密最终形成的圆弧形 凹槽的圆弧就越圆滑；(c)制作横截面呈圆弧形结构的凹槽，在氧化硅或氮化硅的保护下，利用硅各向同性干 法刻蚀的方法对步骤(b)形成的阶梯式的凹槽进行刻蚀，此时气体会进行削角刻蚀，最后 的凹槽深度在5-150微米之间；(d)多次氧化使圆弧形凹槽内部更光滑，将经过步骤(c)干法刻蚀后的硅片进行氧化， 生长一层厚度在0. 1-2.0微米之间的氧化硅薄膜，然后去除这层氧化硅薄膜。通过多次“生 长氧化硅——去除氧化硅”的方法使凹槽内部更加光滑；(e)制作凹槽形加热膜区和支撑悬梁的介质层薄膜，介质层薄膜是由氧化硅和氮化硅 的多层复合膜组成，单层薄膜厚度在0. 2-1. 0微米之间，介质层的总厚度在0. 4-5. 0微米之 间；(f)采用剥离工艺或电镀工艺制作加热电阻丝，引线和电极①剥离工艺喷胶光刻，光刻胶厚度为1-10微米，定义出加热电阻丝，引线和电极的 图形，然后溅射一层0. 2-2.0微米厚的钛钼，最后丙酮去胶后形成了加热电阻丝，引线和电 极；②电镀工艺溅射钛钼、钛金、钼、金、钛钨/金或钛钨/钼金属种子层，使得介质层表面 均覆盖有金属种子层，然后喷胶光刻，光刻胶厚度为1-10微米，定义出加热电阻丝，引线和 电极的图形，电镀一层0. 2-2微米厚的金属钼，最后去除光刻胶和种子层；(g)制作介质层薄膜的释放窗口，正面光刻定义出用于释放加热膜区和支撑悬梁的腐 蚀窗口图形，在光刻胶的保护下利用反应离子刻蚀或离子束刻蚀彻底刻蚀暴露的氧化硅和 氮化硅复合膜，形成薄膜释放窗口 ；(h)加热膜区和支撑悬梁的释放，根据硅衬底的晶面和支撑悬梁的方向的不同使用以 下三种方法一，利用硅各向同性干法刻蚀气体二氟化氙实现加热膜区和支持悬梁的释放， 这种方法不受硅衬底的晶面和支撑悬梁的方向的限制；二，利用硅各向异性腐蚀液通过薄 膜释放窗口腐蚀衬底硅，并在中心膜区和支撑悬梁的下方形成隔热腔体，这种方法仅限于 衬底是(100)面的硅片，并且支撑悬梁的方向与<100>晶向的夹角保持在士30度以内； 三，当衬底是(100)面的硅片，并且支撑悬梁的方向与<110>晶向的夹角保持在士 15度以 内时，可以先使用干法刻蚀再使用各向异性释放腐蚀的方法实现加热膜区和支撑悬梁的释 放。
9.按照权利要求8所述的三维微型加热器的制作方法，其特征在于步骤e生成的介质 层薄膜中的氧化硅是通过热氧化、低压化学气相沉积或等离子增强化学气相沉积的方法制 备；氮化硅是通过低压化学气相沉积或等离子增强化学气相沉积的方法制备。
10.按照权利要求8所述的三维微型加热器的制作方法，其特征在于硅各向同性干法 刻蚀气体使用二氟化氙，硅各向异性干法刻蚀采用DRIE，硅各向异性腐蚀液为Κ0Η、ΤΜΑΗ或 者 EPW。
全文摘要
本发明涉及具有弧度可调的圆弧形加热膜区的三维微型加热器和方法，其特征在于横截面呈圆弧形凹槽且弧度可调的加热膜区通过支撑悬梁与衬底框架相连，圆弧形凹槽的弧度通过刻蚀方法进行调节，加热电阻丝以折线或曲线的形式排布在加热膜区凹槽的内部并通过支撑悬梁上的引线与衬底框架上的电极相连，在加热膜区和支撑悬梁下方是隔热腔体。提供的加热器的加热电阻丝排布在具有三维结构的中心加热膜区的圆弧形凹槽内部，对流换热引起的热量散失较小，有效降低加热器的功耗。使圆弧形的加热膜区热应力降低，提高高温下的机械强度，且加热膜区的弧度可以调节以满足不同应用。
文档编号H05B3/14GK101917783SQ20101027825
公开日2010年12月15日 申请日期2010年9月10日 优先权日2010年9月10日
发明者李铁, 王跃林, 许磊 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所