一种微热盘及其制造方法与流程

本发明涉及微型加热盘技术领域，具体涉及一种具有电阻加热层的微热盘结构及其制造方法。

背景技术：

微热盘装置广泛应用于需要局部高温的产品中，包括高温化学传感器、微型化学反应器、红外光源、流量传感器等。

微热盘通过温度隔离技术，实现小尺寸和低功耗。微热盘的温度隔离结构可以是mems工艺悬膜、悬梁；也可以是具有低热导率的高孔隙率材料，如阳极氧化铝(aao)、多孔硅(ps)；甚至可以是具有低热导系数的蓝宝石、氧化钇或石英等体材料。

目前广泛采用的是mems工艺的微热盘，这些产品的尺寸大多在1-5mm2。微热盘通过电阻加热层加热至数百摄氏度，提供器件工作所需要的温度条件。

一种常见的微热盘应用是用于气体传感器中。当采用半导体电阻变化来感测气体浓度变化时，为半导体材料进行氧化还原反应提供250~400℃的工作温度；当采用催化燃烧式工作原理时，工作温度在400~800℃之间，通过感测催化燃烧导致的温度变化来检查可燃气体浓度；当用于红外式气体传感器中发射红外光源时，红外线的辐射功率是温度的4次方函数，高的红外线辐射功率有利于改善信噪比，从而有利于提高气体检测的灵敏度，工作温度一般在500℃以上。

在上面所述的应用中，微热盘装置对器件性能和可靠性至关重要，关键是设计制造出可工作在较高温度，具有高可靠性的微热盘。

微热盘的结构主要由电阻加热层及其两侧的绝缘支撑层组成，设计制造的关键是选择合适的电阻加热层材料，优化电阻加热层的导电轨迹，以及制造出高强度的绝缘支撑层。

目前电阻加热层材料较常采用的有pt等低膨胀系数贵金属、单晶硅、多晶硅、金属硅化物等，导电轨迹多采用回型、圆环形、s型等，绝缘支撑层材料多采用氮化硅、氧化硅、氮氧化硅等。要找到具有更高性能的电阻加热层材料和更高强度的绝缘支撑层材料都是比较困难的。

同时，为了保证加热能量能够有效集中于微热盘工作区域，电阻加热层一般设计为具有一定宽度的导电轨迹，导电轨迹的形状可以通过有限元软件加以优化，来实现温度均匀，避免局部热点。

大家所公知的是，随着加热功率的提高，为了保证电阻加热层导电轨迹可以承受足够大的电流强度，防止因为电迁移而造成器件失效，加热电阻层必须具有足够厚度。但电阻加热层厚度变大时，高温工作时电阻加热层和两侧的绝缘支撑层因为热膨胀系数失配造成的应力将显著增加，可能超出薄膜的承受极限而导致破裂，从而造成器件因绝缘支撑层破裂而失效。

上述所述的问题需要在电阻层的厚度上做出最优设计，当微热盘的尺寸较大时，可以设计较厚的温度隔离绝缘支撑层，来改善微热盘的高温机械性能。但需要更小尺寸产品的时候，同样工作温度的单位截面积的电阻发热层电流就会增加，对应的是电流密度的增加，在这种情况下，必须适当增大电阻发热层的厚度来防止电迁移而造成失效。但增大电极厚度又会造成绝缘支撑层破裂的可能性增加。上述问题导致了器件小型化时最高工作温度会降低，器件的可靠性和寿命会下降。

技术实现要素：

本发明针对现有的技术问题，提供一种微热盘装置及其制造方法，按照现有的技术方案形成电阻加热层，主要有剥离工艺（liftoff）和光刻蚀刻工艺两种方案。当采用剥离工艺（liftoff）时，侧壁的倾斜角度在70~90°之间。当采用光刻蚀刻工艺时，如采用各向异性蚀刻，侧壁的倾斜角度在70~90°之间；当采用各向同性蚀刻时，因为存在掩膜下蚀刻延伸问题（undercut），侧壁的倾斜角度在80~90°之间，侧壁边界具有比较尖锐的轮廓。

图1是现有技术方案制造的一种常见的微热盘剖面结构示意图，当微热盘在高温工作时，电阻加热层与绝缘支撑层之间热膨胀系数的差异将导致薄膜变形，电阻加热层陡峭的侧壁轮廓造成了绝缘支撑层上尖锐的区域，应力在具有尖锐轮廓的位置聚集，超出材料的承受极限而造成破裂。另外，陡峭的侧壁边界轮廓会导致台阶覆盖问题，造成后续沉积的绝缘支撑层在侧壁位置处变薄，更进一步降低了绝缘支撑层可承受的破裂强度。

为克服现有技术方案中的不足，本发明通过采用具有1~60°倾斜结构、平滑过渡形貌结构的侧壁边界轮廓，可以减小结构中可能导致应力集中的尖锐轮廓，改善台阶覆盖问题，从而改善了结构的应力分布，显著提高器件的耐温性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种微热盘，其特征在于，其包括衬底、第一绝缘支撑层、电阻加热层、第二绝缘支撑层，所述第一绝缘支撑层设置在衬底上，所述电阻加热层设置在第一绝缘支撑层上，所述第二绝缘支撑层设置在第一绝缘支撑层上，且完全覆盖在电阻加热层上方，所述第二绝缘支撑层上开设通孔，所述通孔设置有一组引线键合区，所述电阻加热层的侧壁边界中间轮廓具有1~60°倾斜结构，所述电阻加热层的侧壁边界顶端轮廓具有平滑过渡形貌结构。

进一步，作为优选，所述衬底材料可以是单晶硅、多晶硅、石英、蓝宝石、氧化钇、多孔阳极氧化铝（aao）、多孔硅（ps）等。

所述第一绝缘支撑层材料可以是氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、石英、蓝宝石、氧化钇、多孔阳极氧化铝（aao）、多孔硅（ps）等。

所述电阻加热层材料可以是pt、ta、w、ir、ru、ni等低膨胀系数贵金属及其合金、掺杂单晶硅、掺杂多晶硅、金属硅化物等。

所述第二绝缘支撑层4材料可以是氮化硅、氧化硅、氮氧化硅等及其组合。

进一步，作为优选，所述电阻加热层的侧壁边界中间轮廓具有1~60°直线状倾斜结构或1~60°台阶状倾斜结构，所述电阻加热层的侧壁边界顶端轮廓具有平滑过渡形貌结构。

此外，本发明提供了一种微热盘的制造方法，其特征在于，其包括以下步骤：

①.在衬底上沉积第一绝缘支撑层；

②.在第一绝缘支撑层上沉积电阻加热层，形成侧壁边界中间轮廓具有1~60°倾斜结构，侧壁边界顶端轮廓具有平滑过渡形貌结构；

③.在上述结构表面沉积第二绝缘支撑层上，光刻出通孔，裸露出电阻加热层的引线键合区；

④.进行mems结构释放，得到温度隔离结构。

进一步，作为优选，所述电阻加热层的一种制备方法可采用以下任意一种剥离工艺：一种是采用剥离工艺形成，通过改变光阻层的侧壁边界轮廓形貌，改变金属蒸发、溅射路径与晶圆表面的角度等方法，得到具有1~60°直线状倾斜结构的侧壁边界中间轮廓（5）；一种是采用剥离工艺形成，通过两次或更多次剥离工艺，降低每次沉积材料的厚度，后续沉积的电阻加热层导电轨迹可采取扩大、缩小、偏移掩膜等方法，形成具有1~60°台阶状倾斜结构的侧壁边界中间轮廓；另一种是在剥离工艺后，通过适当的各向同性回蚀刻或（和）化学机械抛光处理，得到具有平滑过渡形貌结构的侧壁边界顶端轮廓（6）。

进一步，作为优选，所述电阻加热层的一种制备方法可采用以下任意一种遮罩工艺形成：一种是采用遮罩工艺形成，通过增加遮罩与晶圆之间的间隔，改变金属蒸发、溅射路径与晶圆表面的角度等方法，得到具有1~60°直线状倾斜结构的侧壁边界中间轮廓（5）；一种是采用遮罩工艺形成，通过两次或更多次遮罩工艺，降低每次沉积材料的厚度，后续沉积的电阻加热层导电轨迹可采取扩大、缩小、偏移掩膜方法，形成具有1~60°台阶状倾斜结构的侧壁边界中间轮廓（5）；另一种是在遮罩工艺后，通过适当的各向同性回蚀刻、或（和）化学机械抛光处理，得到具有平滑过渡形貌结构的侧壁边界顶端轮廓（6）。

进一步，作为优选，所述电阻加热层的一种制备方法可采用以下任意一种光刻蚀刻工艺形成：一种是采用光刻蚀刻工艺形成，通过调整垂直和侧向蚀刻速率比，得到具有1~60°直线状倾斜结构的侧壁边界中间轮廓（5）；一种是采用光刻蚀刻工艺形成，通过两次或更多次光刻蚀刻工艺，降低每次沉积材料的厚度，后续沉积的电阻加热层导电轨迹可采取扩大掩膜方式，形成具有1~60°台阶状倾斜结构的侧壁边界中间轮廓（5）；另一种是在光刻蚀刻工艺后，增加适当的各向同性回蚀刻或（和）化学机械抛光处理，得到具有平滑过渡形貌结构的侧壁边界顶端轮廓（6）。

本发明优点是：

①.本发明提供一种微热盘结构及其制造方法，克服现有技术方案中存在的不足，其可以承受较高的工作温度，结构应力小，工作可靠性显著提高，适用于产品进一步小型化。

②.本发明通过改变电阻加热层的侧壁边界轮廓，避免了采用工艺难度较大的特殊电阻加热层材料，以及避免了采用工艺难度较大的具有高机械强度的特殊绝缘支撑层材料，工艺简单可行，实用性强，制造成本低。

③.本发明通过改变电阻加热层的侧壁边界轮廓，从而提高了器件最高可工作温度，提高了器件的可靠性和延长了器件工作寿命。

附图说明

图1是现有技术微热盘剖面结构示意图。

其中：1、衬底；2、第一绝缘支撑层；3、电阻加热层；4、第二绝缘支撑层；5、侧壁边界中间轮廓，倾斜角度θ：70~90°；6、侧壁边界轮廓尖锐的过渡形貌；7、绝缘支撑层上应力集中区。

图2是本发明具有1~60°直线状倾斜结构、平滑过渡形貌结构的侧壁边界轮廓的微热盘剖面结构示意图。

其中：1、衬底；2、第一绝缘支撑层；3、电阻加热层；4、第二绝缘支撑层；5、直线状侧壁边界中间轮廓，台阶间距w，倾斜角度θ：1~60°；6、侧壁边界顶端轮廓平滑的过渡形貌结构。

图3是本发明具有1~60°台阶状倾斜结构、平滑过渡形貌结构的侧壁边界轮廓的微热盘剖面结构示意图。

其中：1、衬底；2、第一绝缘支撑层；3、电阻加热层；4、第二绝缘支撑层；5、台阶状侧壁边界中间轮廓，倾斜角度θ：1~60°；6、侧壁边界顶端轮廓平滑的过渡形貌结构。

具体实施方式

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。

请参阅图2-3，本发明提供一种技术方案：

实施例一

如图2所示，本发明一种微热盘结构，它包括衬底1、第一绝缘支撑层2、电阻加热层3、第二绝缘支撑层4，所述第一绝缘支撑层2设置在衬底1上，所述电阻加热层3设置在第一绝缘支撑层2上，所述第二绝缘支撑层4设置在第一绝缘支撑层2上，且完全覆盖在电阻加热层3上方，并开通孔设置有一组引线键合区。所述第一绝缘支撑层2、电阻加热层3、第二绝缘支撑层4形成三明治结构，所述电阻加热层3的侧壁边界中间轮廓5具有30°直线状倾斜结构，所述电阻加热层3的侧壁边界顶端轮廓6具有平滑过渡形貌结构。

其中，所述衬底1材料是单晶硅。所述第一绝缘支撑层2材料是氮化硅。所述的电阻加热层3材料是pt。所述第二绝缘支撑层4材料是氮化硅。

下面详细说明这种结构的微热盘的制造方法，它包括以下步骤：

①.lpcvd沉积第一绝缘支撑层氮化硅500nm；

②.liftoff沉积电阻加热层pt300nm，减小金属蒸发路径与晶圆表面的角度，得到具有30°直线状倾斜结构的侧壁边界轮廓；

③.湿法etchback100nm，各向同性蚀刻时，凸起的位置腐蚀速率快，凹陷的位置腐蚀速率慢，得到具有平滑过渡形貌结构的侧壁边界轮廓；

④.lpcvd沉积第二绝缘支撑层氮化硅500nm，光刻开通孔，裸露出电阻加热层3的引线键合区；

⑤.背面光刻、干法icp各向异性蚀刻，释放悬膜。

实施例二：

如图3所示，本发明一种微热盘结构，它包括衬底1、第一绝缘支撑层2、电阻加热层3、第二绝缘支撑层4，所述第一绝缘支撑层2设置在衬底1上，所述电阻加热层3设置在第一绝缘支撑层2上，所述第二绝缘支撑层4设置在第一绝缘支撑层2上，且完全覆盖在电阻加热层3上方，并开通孔设置有一组引线键合区。所述第一绝缘支撑层2、电阻加热层3、第二绝缘支撑层4形成三明治结构，所述电阻加热层3的侧壁边界中间轮廓5具有~5°台阶状倾斜结构，所述电阻加热层3的侧壁边界顶端轮廓6具有平滑过渡形貌结构。

其中，所述衬底1材料是单晶硅。所述第一绝缘支撑层2材料是氮化硅。

所述的电阻加热层3材料是pt。所述第二绝缘支撑层4材料是氮化硅。

下面详细说明这种结构的微热盘的制造方法，它包括以下步骤：

①.lpcvd沉积第一绝缘支撑层氮化硅500nm；

②.liftoff沉积电阻加热层pt150nm；

③.采用缩小掩膜版，再次liftoff沉积电阻加热层pt150nm，两次沉积的侧壁边界间隔w为2um；

④.湿法etchback100nm，各向同性蚀刻时，凸起的位置腐蚀速率快，凹陷的位置腐蚀速率慢，得到具有平滑过渡形貌结构的侧壁边界轮廓；

⑤.lpcvd沉积第二绝缘支撑层氮化硅500nm，光刻开通孔，裸露出电阻加热层3的引线键合区；

⑥.背面光刻、干法icp各向异性蚀刻，释放悬膜。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。