无引线玻璃基底的微热板及其制备方法与流程

本公开涉及微电子机电系统(micro-electro-mechanical system，mems)，特别涉及一种无引线玻璃基底的微热板及其制备方法。

背景技术：

1、气体传感器作为一种重要的传感器，其种类丰富，常见的类型有半导体式、电化学式、催化燃烧式、固体电解质式和光学式等，其中半导体金属氧化物气体传感器自1962年问世以来，因其具备灵敏度高、响应迅速、成本低等优点，已成为当前应用最普遍的一类气体传感器，但其仍存在功耗较高、体积较大、以及与电路难集成等问题。mems技术的应用能够有效解决上述问题，而微热板作为mems气体传感器的核心部件之一，其技术进步正推动气体传感器向低功耗、小体积、高集成方向的进一步发展。

2、目前典型的商业化mems气体传感器的微热板多采用硅基底，在硅基底上集成加热器和检测电极。由于硅基底具有较高的导热系数，容易造成热损失，为了降低功耗，硅基微热板需要刻蚀掉加热器和检测电极的底部的支持硅，形成一种悬浮式的薄膜结构，这类结构仅依靠悬空梁结构或薄膜本体作为支撑，结构强度相对较低，而且微热板通常在高温下工作，这类结构易产生形变，从而导致微热板的结构稳定性减弱。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种无引线玻璃基底的微热板及其制备方法，以减少微热板的热损失，提高微热板结构稳定性。

3、(二)技术方案

4、根据本公开的一个方面，提供了一种无引线玻璃基底的微热板，应用于气体传感器，该微热板包括：

5、一玻璃基底，在该玻璃基底的正面具有一玻璃薄膜结构，在该玻璃薄膜结构两侧分别设有二通孔结构，在每一通孔结构内设有一导电硅柱；在与该玻璃薄膜结构相对的该玻璃基底的背面具有一隔热槽，在该玻璃基底背面的该导电硅柱的底端设有欧姆接触金属电极；

6、一加热电极和一检测电极，形成于该玻璃薄膜结构之上；以及

7、一绝缘结构，形成于该玻璃薄膜结构之上的该加热电极和该检测电极之间。

8、在一些实施例中，所述玻璃薄膜结构为正方体或圆柱体结构，与四周的玻璃边缘结构直接连接一体化成形，或通过四个悬空梁结构支撑连接于四周的玻璃边缘结构。

9、在一些实施例中，所述加热电极、所述绝缘结构和所述检测电极采用分层结构依次形成于该玻璃薄膜结构之上，先在该玻璃薄膜结构之上形成加热电极，接着在加热电极和该玻璃薄膜结构之上形成绝缘结构，然后在该绝缘结构之上形成检测电极。

10、在一些实施例中，所述加热电极、所述绝缘结构和所述检测电极采用同层结构形成于该玻璃薄膜结构之上，先在该玻璃薄膜结构之上采用沉积电极层的方式同时形成加热电极和检测电极，且检测电极在内，加热电极在外，呈包围状；然后在形成加热电极和检测电极的金属条之间及该玻璃薄膜结构之上形成绝缘结构。

11、在一些实施例中，所述检测电极采用叉指结构。

12、在一些实施例中，所述绝缘结构采用的材料为sio2，或者是在sio2层上叠加si3n4层形成的复合材料层。

13、根据本公开的另一个方面，提供了一种无引线玻璃基底的微热板的制备方法，该方法包括：

14、对硅晶圆正面进行刻蚀，形成硅凹槽和导电硅柱；

15、将玻璃晶圆与刻蚀后的硅晶圆的正面进行阳极键合，并采用热回流工艺将玻璃晶圆经高温软化和熔融，回流至硅晶圆经刻蚀后的硅结构内，形成块状玻璃；

16、对块状玻璃的上表面进行平坦化，直至露出导电硅柱的上表面为止，形成玻璃薄膜结构和玻璃边缘结构；

17、对硅晶圆的背面进行减薄，直至露出导电硅柱的下表面为止；

18、在玻璃薄膜结构上形成加热电极、绝缘结构和检测电极；

19、在硅晶圆背面露出的导电硅柱的下表面，形成欧姆接触金属；以及

20、从硅晶圆的背面，对玻璃薄膜结构下的硅晶圆进行刻蚀，直至玻璃薄膜结构悬空，在玻璃薄膜结构下方形成隔热槽。

21、在一些实施例中，所述对硅晶圆正面进行刻蚀，形成硅凹槽和导电硅柱，包括：选用双表面抛光，晶向<100>，电阻率≤0.001ω·cm的单晶硅圆片作为硅晶圆；利用光刻胶或sio2作为掩膜，采用光刻和深反应离子刻蚀工艺对硅晶圆正面进行刻蚀，形成硅凹槽；采用光刻和深反应离子刻蚀工艺在硅凹槽外侧对硅晶圆正面进行刻蚀，形成导电硅柱。

22、在一些实施例中，所述将玻璃晶圆与刻蚀后的硅晶圆的正面进行阳极键合，并采用热回流工艺将玻璃晶圆经高温软化和熔融，回流至硅晶圆经刻蚀后的硅结构内，形成块状玻璃，包括：选用bf33高硼硅玻璃作为玻璃晶圆，将玻璃晶圆与刻蚀后的硅晶圆的正面进行阳极键合，阳极键合电压选用800v～1000v，温度选用450℃，键合时间30min；在高温管式炉内对阳极键合后的玻璃晶圆和硅晶圆进行热回流，玻璃晶圆经高温软化和熔融，回流至硅晶圆经刻蚀后的硅结构内，形成块状玻璃，热回流温度采用750℃～900℃。

23、在一些实施例中，所述对块状玻璃的上表面进行平坦化和所述对硅晶圆的背面进行减薄，均采用化学机械抛光方法完成。

24、在一些实施例中，所述在玻璃薄膜结构上形成加热电极、绝缘结构和检测电极，包括：在该玻璃薄膜结构之上形成加热电极；在加热电极和该玻璃薄膜结构之上形成绝缘结构；以及在该绝缘结构之上形成检测电极。

25、在一些实施例中，所述在玻璃薄膜结构上形成加热电极、绝缘结构和检测电极，包括：在玻璃薄膜结构之上采用沉积电极层的方式同时形成加热电极和检测电极，其中，检测电极在内，加热电极在外，呈包围状；以及在形成加热电极和检测电极的金属条之间及该玻璃薄膜结构之上形成绝缘结构。

26、在一些实施例中，所述在硅晶圆背面露出的导电硅柱的下表面，形成欧姆接触金属，包括：采用光刻腐蚀或剥离法在硅晶圆背面露出的导电硅柱的下表面，形成欧姆接触金属，其中，欧姆接触金属采用金属a1，厚度为0.3μm～1μm。

27、在一些实施例中，所述从硅晶圆的背面，对玻璃薄膜结构下的硅晶圆进行刻蚀，直至玻璃薄膜结构悬空，在玻璃薄膜结构下方形成隔热槽，包括：采用深反应离子刻蚀技术，从硅晶圆的背面，对玻璃薄膜结构正下方的硅晶圆进行刻蚀，直至玻璃薄膜结构悬空，在玻璃薄膜结构下方形成隔热槽，完成整个微热板的制作；

28、其中，所述隔热槽为经玻璃晶圆热回流后，刻蚀玻璃薄膜结构正下方的硅晶圆形成的腔体。

29、在一些实施例中，该方法在完成整个微热板的制作之后，还包括：将微热板与集成电路采用焊点方式进行无引线封装。

30、根据本公开的另一个方面，还提供了一种气体传感器，采用所述的无引线玻璃基底的微热板制备而成，或者采用所述的方法制备的微热板制备而成。

31、(三)有益效果

32、从上述技术方案可以看出，本公开提供的无引线玻璃基底的微热板及其制备方法，至少具有以下有益效果：

33、1、本公开提供的无引线玻璃基底的微热板及其制备方法，利用玻璃基底的导热系数比硅基底低的特性，采用玻璃基底来制备微热板，能够有效地减少微热板的热损失，提高能量利用率。

34、2、本公开提供的无引线玻璃基底的微热板及其制备方法，玻璃基底是采用热回流工艺将玻璃晶圆经高温软化和熔融回流至硅晶圆经刻蚀后的硅结构内一体成形的，对加热电极、绝缘结构和检测电极具有较好的支撑作用，并且玻璃基底制作技术无需刻蚀或腐蚀玻璃，玻璃基底成形质量高，能够有效地提高微热板结构稳定性，并且玻璃基底易于加工成型，有效地降低了加工难度，是玻璃基微热板工艺实现的有效途径。

35、3、本公开提供的无引线玻璃基底的微热板及其制备方法，采用玻璃-硅阳极键合结合和玻璃热回流工艺，实现了导电硅柱与微热板同步成形，微热板的金属电极与集成电路采用焊点方式进行封装连接，相较于金丝焊接引线键合方式，器件抵御机械冲击和热冲击能力大幅提升，进而增加了器件的结构稳定性和性能可靠性。

36、4、本公开提供的无引线玻璃基底的微热板及其制备方法，采用无引线玻璃基底，缩小了微热板和封装器件的结构尺寸，利于器件向低功耗、小体积、高集成方向的进一步发展。