一种具有绝热沟槽的mems硅基微热板及其加工方法
【专利摘要】本发明涉及硅基微热板领域，公开了一种具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板及其加工方法，包括单晶硅衬底；绝热沟槽，形成于所述单晶硅衬底的上表面且具有一定深度，所述绝热沟槽包括一组或多组沟槽，其中每组沟槽包括多个平行排列的直线沟槽；下绝缘层，覆盖所述绝热沟槽及所述单晶硅衬底的上表面；以及设置于下绝缘层上方的加热层和上绝缘层。本发明的绝热沟槽可以稳定地支撑下绝缘层薄膜及其上的加热板和上绝缘层，避免器件在高温工作时下绝缘层变形翘曲导致的加热层脱落。同时，所述绝热沟槽的沟槽表面覆有二氧化硅薄膜，可以起到更好的保温隔热效果，增加微热板的探测灵敏度和使用寿命。
【专利说明】一种具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板及其加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及硅基微热板，具体涉及一种具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板及其加工方法。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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:娃表面微加工和娃体微加工(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。
[0005]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。
[0006]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)加工出钼加热丝层，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。在钼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仅靠一层薄膜结构的氮化硅层支撑，而该薄膜仅在两端被支撑衬底支撑，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。
[0007]综上，现有技术中的微热板的隔热结构主要存在以下问题:
[0008](I)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。
[0009](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。
【发明内容】
[0010]为了解决现有技术中硅基微热板存在的诸多问题，本发明提供一种具有绝热沟槽MEMS硅基微热板及其加工方法，在单晶硅衬底的上表面刻蚀出若干沟槽作为绝热沟槽，同时作为支撑层，可以有效减少热量损失，降低功耗，同时提高微热板的稳定性。
[0011]本发明的发明人发现:在单晶硅衬底的上表面刻蚀若干沟槽可以大幅降低其导热性，从而起到保温隔热的作用。与传统的悬臂绝热槽相比，在单晶硅衬底的上表面刻蚀若干条一定深度的沟槽，可以有效减少空气流动速度，增强隔热效果，且绝热沟槽均匀分布在单晶硅衬底的上表面，可以稳定地支撑位于其上的绝缘层及其他组件，从而提高气体传感器的稳定性，增加其使用寿命。由于带有沟槽的绝热沟槽具有良好的隔热性能，将其设置于所述加热层下方，可以有效减少所述加热层热量流失，降低功耗。
[0012]另外，二氧化硅也是一种隔热材料，导热系数低于单晶硅。在绝热沟槽的上表面及沟槽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。
[0013]基于以上发现，本发明提出的技术方案是:一种具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板，包括:单晶硅衬底；绝热沟槽，形成于所述单晶硅衬底的上表面，且具有一定深度，所述绝热沟槽包括一组或多组沟槽，其中每组沟槽包括多个平行排列的沟槽；下绝缘层，覆盖所述绝热沟槽及所述单晶硅衬底的上表面；加热层，设置于所述下绝缘层的上表面，且所述加热层位于所述绝热沟槽的正上方区域内；上绝缘层，覆盖所述加热层的上表面。
[0014]本发明的所述加热层位于所述绝热沟槽的正上方区域内，使得所述绝热沟槽能够更稳定地支撑加热层，有效防止器件受到震动碰撞时因为没有有效支撑而发生的破裂，还可以有效避免微热板在高温工作时下绝缘层变形翘曲导致的加热层脱落。同时，所述加热层位于所述绝热沟槽的正上方区域内，还能保证充分的隔热效果。
[0015]绝热沟槽的隔热效果与其沟槽的深度、宽度及沟槽间距有关。在保证工艺实现的前提下，沟槽越深、宽度越小、间距越小、隔热效果越好。本发明的所述绝热沟槽包括两组相交的直线状沟槽，每组沟槽包括多个相互平行的沟槽；或者，所述绝热沟槽包括多个由外向内渐变缩小的回状沟槽。
[0016]为了保证较好的隔热效果，所述绝热沟槽的沟槽深度为20-100μπι，宽度为300-1000nm，沟槽间距为 1-5 μ m。
[0017]为了增强绝热沟槽保温隔热效果，所述绝热沟槽的表面形成有二氧化硅薄膜，且所述二氧化硅薄膜的厚度为100-500nm。
[0018]为了便于加热层引线，本发明的所述上绝缘层边缘具有若干缺口形成加热层弓I线窗。
[0019]本发明还提供了一种具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板的加工方法，包括以下步骤:
[0020]S1、在单晶硅衬底的上表面制备绝热沟槽；
[0021]S2、在具有所述绝热沟槽的单晶硅衬底的上表面制备下绝缘层；
[0022]S3、在制备好的下绝缘层的上表面制备加热层，所述加热层位于所述绝热沟槽的正上方区域内；
[0023]S4、在制备好的加热层的上表面，按照步骤S2的方法制备上绝缘层。
[0024]本发明的所述加热层位于所述绝热沟槽的正上方区域内，使得所述绝热沟槽能够更稳定地支撑加热层，有效防止器件受到震动碰撞时因为没有有效支撑而发生的破裂，还可以有效避免微热板在高温工作时下绝缘层变形翘曲导致的加热层脱落。同时，所述加热层位于所述绝热沟槽的正上方区域内，还能保证充分的隔热效果。
[0025]所述步骤SI中的制备所述绝热沟槽的方法为干法刻蚀。
[0026]绝热沟槽的隔热效果与其沟槽的深度、宽度及沟槽间距有关。在保证工艺实现的前提下，沟槽越深、宽度越小、间距越小、隔热效果越好。本发明的步骤Si刻蚀出的所述步骤Si中制备得到的所述绝热沟槽包括两组相交的直线状沟槽，每组沟槽包括多个相互平行的沟槽。或者，所述步骤Si中制备得到的所述绝热沟槽包括多个由外向内渐变缩小的回状沟槽。
[0027]为了保证较好的隔热效果，所述绝热沟槽的沟槽深度为20-100μπι，宽度为300-1000nm，沟槽间距为 1-5 μ m。
[0028]所述步骤SI步骤之后，还包括:在制备好的绝热沟槽的表面制备二氧化硅薄膜。制备二氧化硅薄膜的方法为热氧化方法，且所述二氧化硅薄膜的厚度为100-500nm。
[0029]为了便于加热层引线，本发明在步骤S4中制备所述上绝缘层时边缘保留若干缺口形成加热层引线窗。
[0030]实施本发明，可达到以下有益效果:
[0031](I)在单晶硅衬底上设置绝热沟槽，由于绝热沟槽均匀分布于单晶硅衬底上，受力均匀，因此可以稳定地支撑其上的下绝缘层薄膜，从而有效避免器件受到震动或者碰撞时薄膜状绝缘层发生破裂造成微热板损坏，提高微热板的抗震能力和稳定性，降低对其工作环境的要求。另外，还可以有效避免微热板在高温工作时下绝缘层变形翘曲导致的加热层脱落，从而提高微热板的使用寿命。
[0032](2)与传统的绝热槽相比，由于绝热沟槽的沟槽细密，其间的空气流动较慢，使其具有良好的隔热性能。
[0033](3)将加热层设置于绝热沟槽的正上方区域内，可以起到更好的保温隔热的效果，从而提闻微热板的性能。
[0034](4)在绝热沟槽的上表面及沟槽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沟槽热导率较高导致的热量损耗，进一步地降低功耗，增强隔热效果。
[0035](5)在单晶硅衬底上刻蚀绝热沟槽作为隔热层，同时作为支撑层，可以节省微热板的空间，简化微热板的整体结构。
[0036](6)采用硅基材料作为微热板材料，易于通过MEMS加工技术制作，加工工艺成熟，
加工效率高。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
[0038]图1是本发明的具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板的结构示意图；
[0039]图2是本发明的具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板的实施例1的绝热沟槽的结构示意图；
[0040]图3是本发明的具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板的实施例2的绝热沟槽的结构示意图；
[0041]图4是本发明的具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板的实施例3的绝热沟槽的结构示意图；
[0042]图5是本发明的具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板中，具有二氧化硅薄膜微热板的结构示意图；
[0043]图6是本发明的具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板中，具有二氧化硅薄膜的绝热沟槽的局部放大示意图；
[0044]图7是本发明的具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板加工方法中步骤SI完成后的结构示意图；
[0045]图8是本发明的具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板加工方法中步骤SI完成后的制备好二氧化硅薄膜后的结构示意图；
[0046]图9是本发明的具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板加工方法中步骤S2完成后的结构示意图；
[0047]图10是本发明的具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板加工方法中步骤S3完成后的结构示意图；
[0048]图中的附图标记对应为:1-单晶硅衬底，2-绝热沟槽，21- 二氧化硅薄膜，3-下绝缘层，4-加热层，5-上绝缘层，6-加热层引线窗。
【具体实施方式】
[0049]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050]实施例1
[0051]请参见图1、图2，本发明实施例1公开了一种具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板，包括:单晶硅衬底I ;绝热沟槽2，形成于所述单晶硅衬底I的上表面且具有一定深度，绝热沟槽2包括一组或多组沟槽，其中每组沟槽包括多个平行排列的直线沟槽；下绝缘层3，覆盖所述绝热沟槽2及所述单晶硅衬底I的上表面；加热层4，设置于所述下绝缘层3的上表面，且所述加热层4位于所述绝热沟槽2的正上方区域内；上绝缘层5，覆盖所述加热层4的上表面。
[0052]本发明的所述加热层4位于所述绝热沟槽2的正上方区域内，使得所述绝热沟槽2能够更稳定地支撑加热层，有效防止器件受到震动碰撞时因为没有有效支撑而发生的破裂，还可以有效避免微热板在高温工作时下绝缘层变形翘曲导致的加热层脱落。同时，所述加热层4位于所述绝热沟槽2的正上方区域内，还能保证充分的隔热效果。
[0053]绝热沟槽的隔热效果与其沟槽的深度、宽度及沟槽间距有关。在保证工艺实现的前提下，沟槽越深、宽度越小、间距越小、隔热效果越好。请参见图2，本发明实施例1中的所述绝热沟槽2包括多个平行排列的直线状沟槽。
[0054]为了保证较好的隔热效果,所述绝热沟槽的沟槽深度为20 μ m,宽度为300nm,沟槽间距为I μ m。
[0055]请参见图5、图6，为了增强绝热沟槽保温隔热效果，所述绝热沟槽2的表面形成有二氧化硅薄膜21，且所述二氧化硅薄膜21的厚度为lOOnm。
[0056]由于加热层一般电导率较高，为了保证安全，在所述单晶硅衬底I及所述绝热沟槽2上设置下绝缘层3。由于二氧化硅具有较好的绝缘性能，所述的下绝缘层3是厚度为100-500nm的二氧化娃,本实施例中优选为lOOnm。
[0057]可选的，所述下绝缘层3也可以是厚度为10-SOOnm的氮化硅膜层。
[0058]所述加热层4是厚度为100-500nm的多晶硅加热丝层，本实施例中选为250nm。
[0059]可选的，所述加热层4也可以是50-200nm的金属钼加热丝，优选为200nm。
[0060]可选的，为了使所述加热层4更加稳固地连接到所述下绝缘层3上，在所述下绝缘层3的上表面上与所述加热层4相对应的位置设置粘接层31，优选为钛粘接层，厚度优选为50nmo
[0061]同样的，由于加热层一般电导率较高，为了保证安全，在所述加热层4上设置上绝缘层5。由于二氧化硅具有较好的绝缘性能，所述的上绝缘层5是厚度为100-500nm的二氧化硅，本实施例中优选为lOOnm。
[0062]可选的，所述上绝缘层5也可以是厚度为10-SOOnm的氮化硅膜层。
[0063]为了便于加热层引线，本发明的所述上绝缘层边缘具有若干缺口形成加热层弓I线窗6。
[0064]本发明还提供了一种具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板的加工方法，包括以下步骤:
[0065]S1、在单晶硅衬底I的上表面制备绝热沟槽2，如图7所示；
[0066]S2、在具有所述绝热沟槽2的单晶硅衬底I的上表面制备下绝缘层3，如图9所示；
[0067]S3、在制备好的下绝缘层3的上表面制备加热层4，所述加热层4位于所述绝热沟槽2的正上方区域内，如图10所示；
[0068]S4、在制备好的加热层4的上表面，按照步骤S2的方法制备上绝缘层5。
[0069]优选的，为了便于加热层引线，本发明在步骤S4中制备所述上绝缘层时边缘保留若干缺口形成加热层引线窗6，如图1所示。
[0070]可选的，所述单晶硅衬底I的尺寸可以为2寸、4寸或6寸。
[0071]所述的方法还包括:在所述SI步骤前，利用酸溶液、有机溶剂和去离子水等溶液对所述单晶硅衬底进行清洗，然后用氮气吹干。
[0072]所述步骤SI中的制备所述绝热沟槽2的方法为干法刻蚀，具体为:先用光刻胶定义出沟槽的位置及形状，再用干法刻蚀工艺制作出沟槽。请参见图2，本发明实施例1中的所述绝热沟槽2包括多个平行排列的直线状沟槽。
[0073]为了保证较好的隔热效果，所述绝热沟槽的沟槽深度为20 μ m，宽度为300nm，沟槽间距为I μ m。
[0074]请参见图8、图6，为了增强绝热沟槽保温隔热效果，所述步骤SI步骤之后，还包括:在制备好的绝热沟槽的表面制备二氧化硅薄膜。制备二氧化硅薄膜的方法为热氧化方法，且所述二氧化硅薄膜的厚度为lOOnm。具体过程为:将具有所述绝热沟槽2的单晶硅衬底I使用热氧化工艺退火，温度为900摄氏度，时间为5小时。
[0075]所述步骤SI中，制备所述绝热沟槽2时，所述加热层4落在所述绝热沟槽2的正上方区域内，使得所述绝热沟槽2能够更稳定地支撑加热层4，有效防止器件受到震动碰撞时因为没有有效支撑而发生的破裂。同时，所述加热层4位于所述绝热沟槽2的正上方区域内，还能保证充分的隔热效果。
[0076]为了保证安全，在所述单晶硅衬底I及所述绝热沟槽2上设置下绝缘层3。由于二氧化硅具有较好的绝缘性能，可以用做绝缘层。步骤S3中制备下绝缘层3的方法为:在所述单晶硅衬底I及所述绝热沟槽2上磁控溅射沉积一层二氧化硅，其厚度为100-500nm，本实施例中优选为lOOnm。
[0077]可选的，所述下绝缘层3也可以是厚度为10-SOOnm的氮化硅膜层。
[0078]所述步骤S3中制备所述加热层的方法为:在所述下绝缘层上沉积一层多晶硅，在多晶硅上匀胶光刻定义出加热层的形状及位置作为阻挡层，利用离子反应刻蚀去掉多余的多晶硅得到多晶硅加热丝层，所述多晶硅加热丝层的厚度为100-500nm，本实施例中优选为250nmo
[0079]可选的，所述步骤S3中制备所述加热层的方法还可以为:在所述下绝缘层上匀胶光刻定义出加热层的形状及位置，磁控溅射沉积一层金属钼，采用剥离工艺去除光刻胶，得到金属钼加热丝层。优选的，所述金属钼加热丝层厚度为50-200nm，优选为200nm。
[0080]可选的，为了使所述加热层4更加稳固地连接到所述下绝缘层3上，在所述下绝缘层3的上表面与所述加热层4对应的位置磁控溅射沉积金属钛，形成粘接层，厚度优选为50nmo
[0081 ] 为了保证安全，在所述加热层4上设置上绝缘层5。由于二氧化硅具有较好的绝缘性能，可以用做绝缘层。步骤S4中制备上绝缘层5的方法为:在所述加热层4上磁控溅射沉积一层二氧化硅，其厚度为100-500nm，本实施例中优选为lOOnm。
[0082]可选的，所述上绝缘层5也可以是厚度为10-SOOnm的氮化硅膜层。
[0083]实施本发明，可达到以下有益效果:
[0084](I)在单晶硅衬底上设置绝热沟槽，由于绝热沟槽均匀分布于单晶硅衬底上，受力均匀，因此可以稳定地支撑其上的下绝缘层薄膜，从而有效避免器件受到震动或者碰撞时薄膜状绝缘层发生破裂造成微热板损坏，提高微热板的抗震能力和稳定性，降低对其工作环境的要求。另外，还可以有效避免微热板在高温工作时下绝缘层变形翘曲导致的加热层脱落，从而提高微热板的使用寿命。
[0085](2)与传统的绝热槽相比，由于绝热沟槽的沟槽细密，其间的空气流动较慢，使其具有良好的隔热性能。
[0086](3)将加热层设置于绝热沟槽的正上方区域内，可以起到更好的保温隔热的效果，从而提闻微热板的性能。
[0087](4)在绝热沟槽的上表面及沟槽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沟槽热导率较高导致的热量损耗，进一步地降低功耗，增强隔热效果。
[0088](5)在单晶硅衬底上刻蚀绝热沟槽作为隔热层，同时作为支撑层，可以节省微热板的空间，简化微热板的整体结构。
[0089](6)采用硅基材料作为微热板材料，易于通过MEMS加工技术制作，加工工艺成熟，加工效率高。
[0090]实施例2
[0091]请参见图1、图3，本发明实施例2公开了一种具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板，包括:单晶硅衬底I ;绝热沟槽2，形成于所述单晶硅衬底I的上表面且具有一定深度，绝热沟槽2包括一组或多组沟槽，其中每组沟槽包括多个平行排列的直线沟槽；下绝缘层3，覆盖所述绝热沟槽2及所述单晶硅衬底I的上表面；加热层4，设置于所述下绝缘层3的上表面，且所述加热层4位于所述绝热沟槽2的正上方区域内；上绝缘层5，覆盖所述加热层4的上表面。
[0092]本发明的所述加热层4位于所述绝热沟槽2的正上方区域内，使得所述绝热沟槽2能够更稳定地支撑加热层，有效防止器件受到震动碰撞时因为没有有效支撑而发生的破裂，还可以有效避免微热板在高温工作时下绝缘层变形翘曲导致的加热层脱落。同时，所述加热层4位于所述绝热沟槽2的正上方区域内，还能保证充分的隔热效果。
[0093]绝热沟槽的隔热效果与其沟槽的深度、宽度及沟槽间距有关。在保证工艺实现的前提下，沟槽越深、宽度越小、间距越小、隔热效果越好。请参见图3，本发明实施例2中的所述绝热沟槽2包括两组相交的直线状沟槽，每组沟槽包括多个相互平行的沟槽。
[0094]为了保证较好的隔热效果,所述绝热沟槽的沟槽深度为100 μ m,宽度为100nm,沟槽间距为5 μ m。
[0095]请参见图5、图6，为了增强绝热沟槽保温隔热效果，所述绝热沟槽2的表面形成有二氧化硅薄膜21，且所述二氧化硅薄膜21的厚度为500nm。
[0096]由于加热层一般电导率较高，为了保证安全，在所述单晶硅衬底I及所述绝热沟槽2上设置下绝缘层3。由于二氧化硅具有较好的绝缘性能，所述的下绝缘层3是厚度为100-500nm的二氧化娃,本实施例中优选为500nm。
[0097]可选的，所述下绝缘层3也可以是厚度为10-SOOnm的氮化硅膜层。
[0098]所述加热层4是厚度为50-200nm的金属钼加热丝，本实施例中选为200nm。
[0099]可选的，为了使所述加热层4更加稳固地连接到所述下绝缘层3上，在所述下绝缘层3的上表面上与所述加热层4相对应的位置设置粘接层，优选为钛粘接层，厚度优选为50nmo
[0100]可选的,所述加热层4为厚度为100-500nm的多晶娃加热丝层,优选为250nm。
[0101]由于加热层一般电导率较高，为了保证安全，在所述加热层4上设置上绝缘层5。由于二氧化硅具有较好的绝缘性能，所述的上绝缘层5是厚度为100-500nm的二氧化硅，本实施例中优选为500nm。
[0102]可选的，所述上绝缘层5也可以是厚度为10-SOOnm的氮化硅膜层。
[0103]为了便于加热层引线，本发明的所述上绝缘层边缘具有若干缺口形成加热层引线窗6。
[0104]本发明还提供了一种具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板的加工方法，包括以下步骤:
[0105]S1、在单晶硅衬底I的上表面制备绝热沟槽2，如图7所示；
[0106]S2、在具有所述绝热沟槽2的单晶硅衬底I的上表面制备下绝缘层3，如图9所示；
[0107]S3、在制备好的下绝缘层3的上表面制备加热层4，所述加热层4位于所述绝热沟槽2的正上方区域内，如图10所示；
[0108]S4、在制备好的加热层4的上表面，按照步骤S2的方法制备上绝缘层5。
[0109]优选的，为了便于加热层引线，本发明在步骤S4中制备所述上绝缘层时边缘保留若干缺口形成加热层引线窗6，如图1所示。
[0110]可选的，所述单晶硅衬底I的尺寸可以为2寸、4寸或6寸。
[0111]所述的方法还包括:在所述SI步骤前，利用酸溶液、有机溶剂和去离子水等溶液对所述单晶硅衬底进行清洗，然后用氮气吹干。
[0112]所述步骤SI中的制备所述绝热沟槽2的方法为干法刻蚀，具体为:先用光刻胶定义出沟槽的位置及形状，再用干法刻蚀工艺制作出沟槽。请参见图3，本发明实施例2中的所述绝热沟槽2包括两组相交的直线状沟槽，每组沟槽包括多个相互平行的沟槽。
[0113]为了保证较好的隔热效果,所述绝热沟槽的沟槽深度为100 μ m,宽度为100nm,沟槽间距为5 μ m。
[0114]请参见图8、图6，为了增强绝热沟槽保温隔热效果，所述步骤SI步骤之后，还包括:在制备好的绝热沟槽的表面制备二氧化硅薄膜。制备二氧化硅薄膜的方法为热氧化方法，且所述二氧化硅薄膜的厚度为500nm。具体过程为:将具有所述绝热沟槽2的单晶硅衬底I使用热氧化工艺退火，温度为1200摄氏度，时间为10小时。
[0115]所述步骤SI中，制备所述绝热沟槽2时，所述加热层4落在所述绝热沟槽2的正上方区域内，使得所述绝热沟槽2能够更稳定地支撑加热层4，有效防止器件受到震动碰撞时因为没有有效支撑而发生的破裂。同时，所述加热层4位于所述绝热沟槽2的正上方区域内，还能保证充分的隔热效果。
[0116]为了保证安全，在所述单晶硅衬底I及所述绝热沟槽2上设置下绝缘层3。由于二氧化硅具有较好的绝缘性能，可以用做绝缘层。步骤S3中制备下绝缘层3的方法为:在所述单晶硅衬底I及所述绝热沟槽2上磁控溅射沉积一层二氧化硅，其厚度为100-500nm，本实施例中优选为500nm。
[0117]可选的，所述下绝缘层3也可以是厚度为10-SOOnm的氮化硅膜层。
[0118]所述步骤S3中制备所述加热层的方法为:在所述下绝缘层上匀胶光刻定义出加热层的形状及位置，磁控溅射沉积一层金属钼，采用剥离工艺去除光刻胶，得到金属钼加热丝层。优选的，所述金属钼加热丝层厚度为50-200nm，本实施例中优选为200nm。
[0119]可选的，为了使所述加热层4更加稳固地连接到所述下绝缘层3上，在所述下绝缘层3的上表面与所述加热层4对应的位置磁控溅射沉积金属钛，形成粘接层，厚度优选为50nmo
[0120]可选的，所述步骤S3中制备所述加热层的方法还可以是:在所述下绝缘层上沉积一层多晶硅，在多晶硅上匀胶光刻定义出加热层的形状及位置作为阻挡层，利用离子反应刻蚀去掉多余的多晶硅得到多晶硅加热丝层，所述多晶硅加热丝层的厚度为100-500nm，优选为250nm。
[0121]为了保证安全，在所述加热层4上设置上绝缘层5。由于二氧化硅具有较好的绝缘性能，可以用做绝缘层。步骤S4中制备上绝缘层5的方法为:在所述加热层4上磁控溅射沉积一层二氧化硅，其厚度为100-500nm，本实施例中优选为500nm。
[0122]可选的，所述上绝缘层5也可以是厚度为10-SOOnm的氮化硅膜层。
[0123]实施本发明，可达到以下有益效果:
[0124](I)在单晶硅衬底上设置绝热沟槽，由于绝热沟槽均匀分布于单晶硅衬底上，受力均匀，因此可以稳定地支撑其上的下绝缘层薄膜，从而有效避免器件受到震动或者碰撞时薄膜状绝缘层发生破裂造成微热板损坏，提高微热板的抗震能力和稳定性，降低对其工作环境的要求。另外，还可以有效避免微热板在高温工作时下绝缘层变形翘曲导致的加热层脱落，从而提高微热板的使用寿命。
[0125](2)与传统的绝热槽相比，由于绝热沟槽的沟槽细密，其间的空气流动较慢，使其具有良好的隔热性能。
[0126](3)将加热层设置于绝热沟槽的正上方区域内，可以起到更好的保温隔热的效果，从而提闻微热板的性能。
[0127](4)在绝热沟槽的上表面及沟槽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沟槽热导率较高导致的热量损耗，进一步地降低功耗，增强隔热效果。
[0128](5)在单晶硅衬底上刻蚀绝热沟槽作为隔热层，同时作为支撑层，可以节省微热板的空间，简化微热板的整体结构。
[0129](6)采用硅基材料作为微热板材料，易于通过MEMS加工技术制作，加工工艺成熟，加工效率高。
[0130]实施例3
[0131]请参见图1、图4，本发明实施例3公开了一种具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板，包括:单晶硅衬底I ;绝热沟槽2，形成于所述单晶硅衬底I的上表面且具有一定深度，绝热沟槽2包括一组或多组沟槽，其中每组沟槽包括多个平行排列的直线沟槽；下绝缘层3，覆盖所述绝热沟槽2及所述单晶硅衬底I的上表面；加热层4，设置于所述下绝缘层3的上表面，且所述加热层4位于所述绝热沟槽2的正上方区域内；上绝缘层5，覆盖所述加热层4的上表面。
[0132]本发明的所述加热层4位于所述绝热沟槽2的正上方区域内，使得所述绝热沟槽2能够更稳定地支撑加热层，有效防止器件受到震动碰撞时因为没有有效支撑而发生的破裂，还可以有效避免微热板在高温工作时下绝缘层变形翘曲导致的加热层脱落。同时，所述加热层4位于所述绝热沟槽2的正上方区域内，还能保证充分的隔热效果。
[0133]绝热沟槽的隔热效果与其沟槽的深度、宽度及沟槽间距有关。在保证工艺实现的前提下，沟槽越深、宽度越小、间距越小、隔热效果越好。请参见图4，本发明实施例3中的所述绝热沟槽2包括多个由外向内渐变缩小的回状沟槽。
[0134]为了保证较好的隔热效果,所述绝热沟槽的沟槽深度为100 μ m,宽度为100nm,沟槽两相邻的平行边的间距为5 μ m。
[0135]请参见图5、图6，为了增强绝热沟槽保温隔热效果，所述绝热沟槽2的表面形成有二氧化硅薄膜21，且所述二氧化硅薄膜21的厚度为500nm。
[0136]由于加热层一般电导率较高，为了保证安全，在所述单晶硅衬底I及所述绝热沟槽2上设置下绝缘层3。由于二氧化硅具有较好的绝缘性能，所述的下绝缘层3是厚度为100-500nm的二氧化娃,本实施例中优选为500nm。
[0137]可选的，所述下绝缘层3也可以是厚度为10-SOOnm的氮化硅膜层。
[0138]所述加热层4是厚度为50-200nm的金属钼加热丝，本实施例中选为200nm。
[0139]可选的，为了使所述加热层4更加稳固地连接到所述下绝缘层3上，在所述下绝缘层3的上表面上与所述加热层4相对应的位置设置粘接层，优选为钛粘接层，厚度优选为50nmo
[0140]可选的,所述加热层4为厚度为100-500nm的多晶娃加热丝层,优选为250nm。
[0141]由于加热层一般电导率较高，为了保证安全，在所述加热层4上设置上绝缘层5。由于二氧化硅具有较好的绝缘性能，所述的上绝缘层5是厚度为100-500nm的二氧化硅，本实施例中优选为500nm。
[0142]可选的，所述上绝缘层5也可以是厚度为10-SOOnm的氮化硅膜层。
[0143]为了便于加热层引线，本发明的所述上绝缘层边缘具有若干缺口形成加热层引线窗6。
[0144]本发明还提供了一种具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板的加工方法，包括以下步骤:
[0145]S1、在单晶硅衬底I的上表面制备绝热沟槽2，如图7所示；
[0146]S2、在具有所述绝热沟槽2的单晶硅衬底I的上表面制备下绝缘层3，如图9所示；
[0147]S3、在制备好的下绝缘层3的上表面制备加热层4，所述加热层4位于所述绝热沟槽2的正上方区域内，如图10所示；
[0148]S4、在制备好的加热层4的上表面，按照步骤S2的方法制备上绝缘层5。
[0149]优选的，为了便于加热层引线，本发明在步骤S4中制备所述上绝缘层时边缘保留若干缺口形成加热层引线窗6，如图1所示。
[0150]可选的，所述单晶硅衬底I的尺寸可以为2寸、4寸或6寸。
[0151]所述的方法还包括:在所述SI步骤前，利用酸溶液、有机溶剂和去离子水等溶液对所述单晶硅衬底进行清洗，然后用氮气吹干。
[0152]所述步骤SI中的制备所述绝热沟槽2的方法为干法刻蚀，具体为:先用光刻胶定义出沟槽的位置及形状，再用干法刻蚀工艺制作出沟槽。请参见图4，本发明实施例2中的所述绝热沟槽2包括多个由外向内渐变缩小的回状沟槽。
[0153]为了保证较好的隔热效果，所述绝热沟槽的沟槽深度为100 μ m，宽度为lOOOnm，沟槽两相邻的平行边的间距为5 μ m。
[0154]请参见图8、图6，为了增强绝热沟槽保温隔热效果，所述步骤SI步骤之后，还包括:在制备好的绝热沟槽的表面制备二氧化硅薄膜。制备二氧化硅薄膜的方法为热氧化方法，且所述二氧化硅薄膜的厚度为500nm。具体过程为:将具有所述绝热沟槽2的单晶硅衬底I使用热氧化工艺退火，温度为1200摄氏度，时间为10小时。
[0155]所述步骤SI中，制备所述绝热沟槽2时，所述加热层4落在所述绝热沟槽2的正上方区域内，使得所述绝热沟槽2能够更稳定地支撑加热层4，有效防止器件受到震动碰撞时因为没有有效支撑而发生的破裂。同时，所述加热层4位于所述绝热沟槽2的正上方区域内，还能保证充分的隔热效果。
[0156]为了保证安全，在所述单晶硅衬底I及所述绝热沟槽2上设置下绝缘层3。由于二氧化硅具有较好的绝缘性能，可以用做绝缘层。步骤S3中制备下绝缘层3的方法为:在所述单晶硅衬底I及所述绝热沟槽2上磁控溅射沉积一层二氧化硅，其厚度为100-500nm，本实施例中优选为500nm。
[0157]可选的，所述下绝缘层3也可以是厚度为10-SOOnm的氮化硅膜层。
[0158]所述步骤S3中制备所述加热层的方法为:在所述下绝缘层上匀胶光刻定义出加热层的形状及位置，磁控溅射沉积一层金属钼，采用剥离工艺去除光刻胶，得到金属钼加热丝层。优选的，所述金属钼加热丝层厚度为50-200nm，本实施例中优选为200nm。
[0159]可选的，为了使所述加热层4更加稳固地连接到所述下绝缘层3上，在所述下绝缘层3的上表面与所述加热层4对应的位置磁控溅射沉积金属钛，形成粘接层，厚度优选为50nmo
[0160]可选的，所述步骤S3中制备所述加热层的方法还可以是:在所述下绝缘层上沉积一层多晶硅，在多晶硅上匀胶光刻定义出加热层的形状及位置作为阻挡层，利用离子反应刻蚀去掉多余的多晶硅得到多晶硅加热丝层，所述多晶硅加热丝层的厚度为100-500nm，优选为250nm。
[0161]为了保证安全，在所述加热层4上设置上绝缘层5。由于二氧化硅具有较好的绝缘性能，可以用做绝缘层。步骤S4中制备上绝缘层5的方法为:在所述加热层4上磁控溅射沉积一层二氧化硅，其厚度为100-500nm，本实施例中优选为500nm。
[0162]可选的，所述上绝缘层5也可以是厚度为10-SOOnm的氮化硅膜层。
[0163]实施本发明，可达到以下有益效果:
[0164](I)在单晶硅衬底上设置绝热沟槽，由于绝热沟槽均匀分布于单晶硅衬底上，受力均匀，因此可以稳定地支撑其上的下绝缘层薄膜，从而有效避免器件受到震动或者碰撞时薄膜状绝缘层发生破裂造成微热板损坏，提高微热板的抗震能力和稳定性，降低对其工作环境的要求。另外，还可以有效避免微热板在高温工作时下绝缘层变形翘曲导致的加热层脱落，从而提高微热板的使用寿命。
[0165](2)与传统的绝热槽相比，由于绝热沟槽的沟槽细密，其间的空气流动较慢，使其具有良好的隔热性能。
[0166](3)将加热层设置于绝热沟槽的正上方区域内，可以起到更好的保温隔热的效果，从而提高微热板的性能。
[0167](4)在绝热沟槽的上表面及沟槽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沟槽热导率较高导致的热量损耗，进一步地降低功耗，增强隔热效果。
[0168](5)在单晶硅衬底上刻蚀绝热沟槽作为隔热层，同时作为支撑层，可以节省微热板的空间，简化微热板的整体结构。
[0169](6)采用硅基材料作为微热板材料，易于通过MEMS加工技术制作，加工工艺成熟，
加工效率高。
[0170]以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
【权利要求】
1.一种具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板，其特征在于，包括: 单晶娃衬底⑴； 绝热沟槽(2)，形成于所述单晶硅衬底(I)的上表面且具有一定深度，所述绝热沟槽(2)包括一组或多组沟槽，其中每组沟槽包括多个平行排列的沟槽； 下绝缘层(3)，覆盖所述单晶硅衬底(I)的上表面； 加热层(4)，设置于所述下绝缘层(3)的上表面，且所述加热层(4)位于所述绝热沟槽(2)的正上方区域内； 上绝缘层(5)，覆盖所述加热层(4)的上表面。
2.如权利要求1所述的具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板，其特征在于，所述绝热沟槽(2)包括两组相交的直线状沟槽，每组沟槽包括多个相互平行的沟槽。
3.如权利要求1所述的具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板，其特征在于，所述绝热沟槽(2)包括多个由外向内渐变缩小的回状沟槽。
4.如权利要求1-3中任意一项权利要求所述的具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板，其特征在于，所述绝热沟槽(2)的沟槽深度为20-10(^111，宽度为300-100011111，每组沟槽的间距为 1-5 μ m0
5.如权利要求1-3中任意一项权利要求所述的具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板，其特征在于，所述绝热沟槽(2)的表面形成有二氧化硅薄膜(21)，且所述二氧化硅薄膜(21)的厚度为 100-500nm。
6.一种具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板的加工方法，其特征在于，包括以下步骤: 51、在单晶硅衬底的上表面制备绝热沟槽； 52、在具有所述绝热沟槽的单晶硅衬底的上表面制备下绝缘层； 53、在制备好的下绝缘层的上表面制备加热层，所述加热层位于所述绝热沟槽的正上方区域内； 54、在制备好的加热层的上表面，按照步骤S2的方法制备上绝缘层。
7.如权利要求6所述的具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板的加工方法，其特征在于，所述步骤SI中制备得到的所述绝热沟槽包括两组相交的直线状沟槽，每组沟槽包括多个相互平行的沟槽。
8.如权利要求6所述的具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板的加工方法，其特征在于，所述步骤SI中制备得到的所述绝热沟槽包括多个由外向内渐变缩小的回状沟槽。
9.如权利要求6-8中任意一项权利要求所述的具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板的加工方法，其特征在于，所述步骤SI中的制备所述绝热沟槽的方法为干法刻蚀，且所述绝热沟槽的沟槽深度为20-100 μ m,宽度为300-1000nm，沟槽间距为1_5 μ m。
10.如权利要求6-8中任意一项权利要求所述的具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板的加工方法，其特征在于，所述步骤Si步骤之后，还包括:在制备好的绝热沟槽的表面制备厚度为100-500nm的二氧化硅薄膜。
【文档编号】B81B7/02GK104176699SQ201410344533
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2014年7月18日
【发明者】沈方平, 张珽, 祁明锋, 刘瑞, 丁海燕, 谷文 申请人:苏州能斯达电子科技有限公司