一种具有微纳结构增强的微加热器及其制备方法与流程

本发明涉及mems传感器制造领域，更具体地涉及一种具有微纳结构增强的微加热器及其制备方法。

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，环境监控和红外光源等领域广泛应用。但是，由于探测器应用环境的多样性以及复杂性，人们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微加热器成为该领域研究热点。

当前基于硅衬底的mems微加热器根据支撑方式不同主要分为两大类，一类是封闭膜式，另一类是悬臂膜式。封闭膜式mems微加热器是指微加热器的热区通过薄膜与硅衬底相连，采用背面干法刻蚀或湿法腐蚀的方法释放正面的整个膜区。悬臂膜式mems微加热器是指微加热的热区与衬底由数条悬臂梁连接，采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法释放正面的热区和悬臂梁区。随着mems器件的不断发展以及应用环境的多样性，基于两种膜式的mems微加热器出现了各式各样的形状，比如：圆形、矩形、正方形或多边形等，悬臂膜式的mems微加热器发展出单悬臂、双悬臂、三悬臂以及四悬臂的支撑膜式。

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。不管是封闭膜式还是悬臂膜式的mems微加热器的热区是二维平面型结构，这种结构易受热对流影响，使得微加热器热区温度不稳定，影响器件响应的稳定性和灵敏度。同时，两类微加热器的对流热量损耗大，导致了器件实际应用中功耗大。因此，如何解决当前二维微加热器热量损耗高、功耗大和热稳定性不足的问题成为研究重点。

本发明采用微加工技术，通过薄膜的微纳结构改变其热传导特性，可以显著降低热量损耗，增强光辐射，为获得低功耗、热稳定性强的微加热器和强辐射的光源提供有效的方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有微纳结构增强的微加热器及其制备方法，从而解决现有技术中二维微加热器热量损耗高、功耗大、热稳定性和光辐射不足的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

根据本发明的第一方面，提供一种具有微纳结构增强的微加热器的其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：s1：提供一种半导体单晶衬底，在所述半导体单晶衬底的表面制备出薄膜掩膜，并在所述薄膜掩膜表面刻蚀出窗口阵列，露出所述窗口阵列内的半导体单晶衬底表面；s2：采用湿法技术腐蚀所述窗口阵列内露出的半导体单晶衬底表面，并在该表面形成微纳金字塔结构；s3：移除步骤s1中形成的所述薄膜掩膜，继而在所述半导体单晶衬底的表面制备出薄膜，在步骤s2中形成的所述微纳金字塔结构的表面制备出微纳结构薄膜；s4：采用金属沉积技术和金属薄膜图形化技术在所述微纳结构薄膜的表面制备出微加热器电阻丝和电极；s5：对步骤s3中在所述半导体单晶衬底的表面形成的薄膜进行图形化和薄膜刻蚀形成释放区域，所述微纳结构薄膜通过支撑膜结构支撑；以及s6：采用干法刻蚀技术或湿法腐蚀技术释放所述微纳结构薄膜，获得一种具有微纳结构增强的微加热器。

在所述步骤s1中：半导体单晶衬底包括单晶硅衬底、soi衬底以及锗衬底中的任意一种；所述薄膜掩膜包括高温热氧化形成的氧化硅或者化学气相沉积形成的氧化硅或氮化硅；所述窗口阵列采用等离子刻蚀方法刻蚀；所述窗口阵列的形状包括正方形、矩形或圆形中的任意一种及其组合。

根据本发明的制备方法的一种实施方式，步骤s1包括：将标准清洗后的硅片放入高温氧化炉中，在硅片表面高温热氧化生长一层氧化硅层，用于后期的干法刻蚀掩膜层和湿法腐蚀过程中的阻挡层。

所述步骤s2中采用的湿法技术选自以下方法中的任意一种：a、采用氢氧化钾、异丙醇和去离子水的混合溶液在80～85℃下进行的硅腐蚀技术；b、采用氢氧化钠、亚硫酸钠、异丙醇和去离子水的混合溶液在75～80℃下进行的硅腐蚀技术；以及c、采用tmah溶液进行的硅腐蚀技术。

所述步骤s2中得到的微纳金字塔结构具有0.5um～1.5um的台阶高度，金字塔由(111)晶面组成，所述(111)晶面与所述半导体单晶衬底表面之间的夹角为54.7度。

根据本发明的制备方法的一种实施方式，步骤s2包括：采用光刻技术图形化硅片表面，再用刻蚀技术将图形刻蚀到硅片表面。具体过程：设计出光刻版，在版图中设计出规律排列的正方形的曝光区域；接着进行光刻，然后去离子水冲洗和氮气吹干，后烘30min；最后进行干法刻蚀，采用samco等离子刻蚀设备刻蚀氧化硅，去除光刻胶，暴露出正方形区域中的衬底表面；使用湿法腐蚀工艺处理步骤硅片，在正方形区域内的单晶衬底表面制备微纳金字塔结构，又称黑硅结构。具体步骤为：首先配置湿法腐蚀混合溶液，取koh、40ml的异丙醇和去离子水放到烧杯中充分搅拌，水浴加热；接着将所述硅片平放到混合溶液中，腐蚀；最后将硅片放到去离子水中冲洗和氮气吹干。

所述步骤s3中薄膜的制备方法选自以下方法中的任意一种：高温热氧化法、化学气相沉积法以及等离子增强化学沉积法。

所述步骤s3中制备的薄膜包括：氧化硅薄膜、氮化硅薄膜等等。

根据本发明的制备方法的一种实施方式，步骤s3包括：使用boe溶液去除所述硅片表面的氧化层掩膜，腐蚀一定时间后去离子水冲洗和氮气吹干；在所述硅片的表面沉积绝热的多层薄膜，在正方形区域内形成微纳结构薄膜。具体步骤：首先将硅片放入高温氧化炉中，在硅片表面高温热氧化生长一层氧化硅层；然后将其放到低压化学气相沉积系统中沉积氮化硅，残余应力在50～200mpa范围。

所述步骤s4中金属沉积技术包括磁控溅射金属沉积技术和金属蒸发沉积技术；金属薄膜图形化技术包括以厚光刻胶为牺牲层的有机-超声金属剥离图形化技术和物理作用的高能离子束刻蚀图形化技术；金属薄膜包括ti/pt、ni/pt和cr/pt等黏附层金属与温度系数稳定金属相结合的薄膜；微加热器电阻丝宽度为5um～10um，厚度为1000埃～5000埃；电阻丝形状包括蛇形、回字形或螺旋形。

根据本发明的制备方法的一种实施方式，步骤s4包括：首先设计微加热器电阻丝光刻版；接着进行光刻，然后去离子水冲洗和氮气吹干；再用磁控溅射技术在有图形面沉积200埃/2000埃的ti/pt金属；最后使用有机溶液和超声相结合的方法剥离图形区域以外的金属，制备出微加热电阻丝和电极；使用金合金化技术处理所述硅片。具体步骤：将所述硅片放置到350摄氏度的炉管中，在氮气环境中热处理。此步骤可使沉积的金属更加稳定，与薄膜的附着更强。

在所述步骤s5中，图形化采用紫外光刻技术；薄膜刻蚀采用等离子体刻蚀技术；所述支撑膜结构包括封闭膜式结构和悬臂膜式结构，所述悬臂膜式结构包括：单悬臂梁、双悬臂梁、三根悬臂梁或四根悬臂梁等等。

根据本发明的制备方法的一种实施方式，步骤s5包括：采用光刻技术转移图形到所述硅片表面，然后等离子刻蚀出释放区域图形。具体步骤：首先，设计出光刻版，在版图中设计出规律排列的图形，周期为2mm；接着进行光刻，然后去离子水冲洗和氮气吹干；最后进行干法刻蚀，采用samco等离子刻蚀设备刻蚀复合薄膜1.35um，刻蚀时间8min30s，去除光刻胶，暴露出图形区域中的衬底表面。

所述步骤s6中采用的干法刻蚀技术包括等离子体刻蚀技术和氟化氙各向同性腐蚀技术，湿法腐蚀技术包括koh和tmah的各向异性腐蚀技术以及硝酸/双氧水的各向同性腐蚀技术。

根据本发明的制备方法的一种实施方式，步骤s6包括：首先将tmah溶液水浴加热到80摄氏度，磁力搅拌；接着将所述硅片放入溶液中，湿法腐蚀后去离子清洗和氮气吹干，最后获得一种基于悬空的微纳结构薄膜的微加热器。

根据本发明的第二方面，提供一种根据上述制备方法制备得到的具有微纳结构增强的微加热器。

综上所述，本发明提供一种具有微纳结构增强的微加热器制备方法，包括步骤：提供一种半导体单晶衬底；首先采用高温热氧化技术在单晶衬底表面生长氧化硅薄膜，在其表面刻蚀出窗口，露出衬底单晶硅表面；接着采用湿法腐蚀方法在露出的单晶硅表面制备出微纳金塔结构，再依次沉积氧化硅或氮化硅复合薄膜，在窗口区域制备出微纳结构薄膜，并用金属薄膜图形化技术在其表面制备出微加热器电阻丝；最后采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法释放微纳结构薄膜，制备出具有微纳结构增强的微加热器。

本发明采用微加工技术，通过薄膜的微纳结构改变其热传导特性，可以显著降低热量损耗，增强光辐射，为获得低功耗、热稳定性强的微加热器和强辐射的光源提供有效的方法。

附图说明

图1显示为(100)单晶硅衬底；

图2显示为在(100)单晶硅衬底表面高温热氧化制备出氧化硅掩膜层之后的结构示意图；

图3显示为采用等离子刻蚀技术在氧化硅掩膜层上刻蚀出正方形窗口之后的结构示意图；

图4显示为正方形窗口内湿法腐蚀制备的微纳金字塔结构之后的结构示意图，图4a显示为微纳金字塔结构的放大示意图；

图5显示为通过boe去除氧化硅掩膜层之后的结构示意图；

图6显示为采用薄膜制备技术沉积的单层或多层薄膜，制备出微纳结构薄膜之后的结构示意图；

图7显示为在衬底表面制备微加热电阻丝和电极之后的结构示意图；

图8显示为采用等离子刻蚀技术刻蚀释放区域之后的结构示意图；

图9显示为采用湿法腐蚀技术制备的一种四根悬臂梁支撑的具有微纳结构增强的微加热器；

图10显示为根据本发明的另一优选实施例制备的双悬臂梁支撑的具有微纳结构增强的微加热器。

其中，1-单晶硅衬底；2-氧化硅薄膜；3-刻蚀出的正方形窗口；4-微纳金字塔结构；5-单层或多层薄膜；6/13-微纳结构薄膜；7-ti/pt电阻丝；8-ti/pt电极；9-刻蚀出的释放区；10-腐蚀槽；11-悬空的微纳结构薄膜；12-悬臂梁；13-长方形的微纳结构薄膜。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。

根据本发明的一个优选实施例，提供一种具有微纳结构增强的微加热器的制备方法，具体步骤如下：

1)选择一种(100)晶面的双面抛光单晶硅衬底1，晶圆的大切边晶向为<110>晶向，晶圆尺寸为4寸，厚度为400um～420um，电阻率为3～8欧姆厘米，掺杂类型为n型，如图1所示。实际上，该步骤s1中所选用的半导体衬底并不仅限于单晶硅衬底，也可以是soi衬底或锗衬底等等。

2)使用半导体工艺中的标准清洗过程对步骤s1中选择的单晶硅衬底1进行标洗。具体过程：将步骤s1选择的硅片首先放入体积比为7:1的浓硫酸和双氧水混合溶液中，清洗温度为120摄氏度，清洗10分钟后去离子水冲洗；接着将硅片放入体积比为7:1:1的去离子水、双氧水和氨水的混合溶液中，清洗温度为75摄氏度，清洗10分钟后去离子水冲洗；最后将硅片放入体积比为50:1的去离子水和氢氟酸混合溶液中，常温下清洗10分钟后去离子水冲洗，然后氮气吹干。

3)将步骤s2标准清洗后的硅片放入高温氧化炉中，温度设置为1100摄氏度，在硅片表面高温热氧化生长一层1000埃的高质量的氧化硅层2，用于后期的干法刻蚀掩膜层和湿法腐蚀过程中的阻挡层。图2显示为在(100)单晶硅衬底表面高温热氧化制备氧化硅掩膜层，1表示单晶硅，2表示为高温生长的氧化硅层。

4)采用光刻技术图形化硅片表面，再用刻蚀技术将图形3刻蚀到硅片表面。具体过程：首先，设计出光刻版，在版图中设计出规律排列的正方形3的曝光区域，正方形的边长为150um，周期为2mm；接着进行光刻，轨道涂胶机旋涂1.7um的lc100a光刻胶，前烘90s，紫外曝光4.5s，显影45s，然后去离子水冲洗和氮气吹干，后烘30min；最后进行干法刻蚀，采用samco等离子刻蚀设备刻蚀氧化硅1000埃，刻蚀时间1min，去除光刻胶，暴露出正方形区域中的衬底表面。图3显示为等离子刻蚀技术刻蚀的正方形窗口，3表示为正方形的图形区域。

5)使用湿法腐蚀工艺处理步骤4)所述的硅片，在正方形区域内的单晶衬底表面制备微纳金字塔结构4，又称黑硅结构。具体步骤为：首先配置湿法腐蚀混合溶液，取16.18g的koh、40ml的异丙醇和760ml的去离子水放到烧杯中充分搅拌，水浴加热到85摄氏度；接着将步骤4)所述硅片平放到混合溶液中，腐蚀5min；最后将硅片放到去离子水中冲洗和氮气吹干。图4显示为圆形窗口内湿法腐蚀制备的微纳金字塔结构，4表示微纳金字塔结构，图4a显示为微纳结构示意图。该微纳金字塔结构4的台阶高度为0.5um～1.5um，金字塔由(111)晶面组成，(111)晶面与衬底表面之间的夹角θ为54.7度。

6)使用boe溶液去除步骤5)所述硅片表面的氧化层掩膜，腐蚀时间2min后去离子水冲洗和氮气吹干。图5显示为通过boe去除氧化硅掩膜层，4表示微纳金字塔结构。

7)在步骤6)所述硅片的表面沉积绝热的多层薄膜5，在正方形区域内形成微纳结构薄膜6。具体步骤：首先将硅片放入高温氧化炉中，温度设置为1100摄氏度，在硅片表面高温热氧化生长一层3500埃的高质量的氧化硅层；然后将其放到低压化学气相沉积系统中沉积1um的低应力氮化硅，残余应力在50～200mpa范围。图6显示为薄膜制备技术沉积的单层或多层薄膜，制备微纳结构薄膜，5表示复合薄膜，6表示微纳结构薄膜。

8)在步骤7)所述衬底表面制备微加热电阻丝7和电极8。具体步骤：首先设计微加热器电阻丝光刻版；接着进行光刻，轨道涂胶机旋涂3um的lc100a光刻胶，前烘40s，紫外曝光7.5s，显影55s，然后去离子水冲洗和氮气吹干；再用磁控溅射技术在有图形面沉积200埃/2000埃的ti/pt金属；最后使用有机溶液和超声相结合的方法剥离图形区域以外的金属，制备出微加热电阻丝7和电极8。图7显示为微加热器加热电阻制备，6表示微加热电阻丝，8表示电极。

9)使用金合金化技术处理步骤s8所述硅片。具体步骤：将步骤8)所述硅片放置到350摄氏度的炉管中，在氮气环境中热处理30min。此步骤可使沉积的金属更加稳定，与薄膜的附着更强。

10)采用光刻技术转移图形9到步骤9)所述的硅片表面，然后等离子刻蚀出释放区域图形9。具体步骤：首先，设计出光刻版，在版图中设计出规律排列的如图6所示的图形7，周期为2mm；接着进行光刻，轨道涂胶机旋涂3um的lc100a光刻胶，前烘90s，紫外曝光14s，显影55s，然后去离子水冲洗和氮气吹干，后烘30min；最后进行干法刻蚀，采用samco等离子刻蚀设备刻蚀复合薄膜1.35um，刻蚀时间8min30s，去除光刻胶，暴露出图形9区域中的衬底表面。图8显示为等离子刻蚀技术刻蚀的释放区域，9表示为干法刻蚀的释放区域。

11)使用各向异性湿法腐蚀工艺腐蚀步骤s8所述的硅片，获得基于悬空的微纳结构薄膜11的微加热器。具体步骤：首先将tmah溶液水浴加热到80摄氏度，磁力搅拌速度为500转/秒；接着将步骤s8所述的硅片放入溶液中，湿法腐蚀4h后去离子清洗和氮气吹干，最后获得四根悬臂梁支撑的悬空的微纳结构薄膜的微加热器。图9显示为湿法腐蚀制备的具有微纳结构增强的微加热器，10表示腐蚀槽，11表示悬空的微纳结构薄膜，12表示悬臂梁。本实施例中采用的是四根悬臂梁的支撑膜结构，但是应当理解的是，此处仅作为举例而非限制，实际上还可以根据需求调整为单悬臂梁、双悬臂梁、三根悬臂梁或封闭膜式结构等等任何其他的结构，只要能够实现对微纳结构薄膜的支撑作用即可。

12)重复步骤1)-步骤11)，不同之处在于将微纳结构区改成长方形，以及支撑膜结构由原来的四悬臂梁改为双悬臂梁，最后湿法腐蚀释放得到双悬臂梁支撑的悬空的微纳结构增强的微加热器。图10显示为双悬臂梁支撑的具有微纳结构增强的微加热器，13表示长方形的微纳结构薄膜。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。