一种MEMS微热板及其制备方法与流程

本发明涉及微电子机械系统(micro-electro-mechanical systems， mems)传感器，特别涉及一种mems微热板及其制备方法。

背景技术：

1、科学技术的迅猛发展在给人们带来诸多便捷的同时，也伴随着资源和环境等问题。尤其是一些污染气体处理和排放不规范，严重影响了空气质量，时时刻刻影响我们的身体健康。在一些室内操作环境中，空间狭小气体不容易发散，更需要关注空气中有害物的浓度。气体传感器能够对空气环境进行有效检测和预防，广泛应用于环境监测、防灾报警、化学工业等领域，已经成为日常生产生活中不可缺少的部分。

2、传统的气体传感器体积大、功耗高，电路集成度低。mems气体传感器具有结构微纳化、功耗低、集成度高和重复性好等优点，成为便携式和分布式监控应用中的研究热点。以硅晶圆为基础的金属氧化物半导体式气体传感器灵敏度高、响应和稳定性好，是目前被广泛使用的气体传感器种类。微热板是mems气体传感器的核心结构，用于加热涂敷于传感器上的气敏材料（金属氧化物半导体），使其达到工作温度 ，提高其气敏响应。

3、常规的微热板多为悬浮式结构，悬浮式结构的微热板通过几个悬臂梁作为机械支撑，连接加热平台和绝缘层并通过正面体硅工艺或牺牲层工艺将其悬空，制作难度大且机械强度低，难以满足实际需求。

技术实现思路

1、本技术通过提供一种mems微热板及其制备方法，解决了现有技术中常规微热板制作难度大且机械强度低的问题，降低了微热板的制作难度且提高了微热板的机械强度。

2、本技术实施例提供了一种mems微热板，包括：

3、硅基底；

4、隔热层，设置于所述硅基底上部，所述隔热层材质为多孔硅；

5、绝缘层，设置于所述隔热层上方，所述绝缘层从下至上依次包括第一氧化硅层、氮化硅层和第二氧化硅层；

6、金属层，设置于所述绝缘层上方，所述金属层包括共平面的加热电极和测试电极，所述测试电极被所述加热电极所包围，所述测试电极和加所述热电极之间设置有隔离环。

7、上述实施例的有益效果在于：相较于悬空结构，该mems微热板的结构稳定性好，且无需悬空加热区工艺，制作难度低，从而增强了mems微热板的稳定性和实用性；该mems微热板的绝缘层选择氧化硅-氮化硅-氧化硅的复合结构，氧化硅维持稳态所需的功耗小，但是温度分布波动幅度大；氮化硅维持稳态所需的功耗大，但是温度分布较均匀，第一氧化硅层作为接触层同时对硅基底进行保护，氮化硅层作为填充层使温度分布更加均匀且热稳定性好，第二氧化硅层作为保护层，氧化硅导热系数小，可以在加热区拥有更高的温度避免温度向边缘扩散，保护下层结构的同时贴近金属层提高微热板的热响应，这种复合结构提高了器件的机械强度和抗冷热冲击的能力，同时还具备良好的电绝缘性和对杂质的阻挡能力；另外，该mems微热板的加热电极和测试电极采用共平面结构，避免寄生参数对器件的影响；同时加热区域和测试区域相互独立，避免气敏材料涂敷时造成短路。

8、在上述实施例基础上，本技术可进一步改进，具体如下：

9、在本技术其中一个实施例中，所述硅基底采用电阻率为 0.01～0.02ω.cm，厚度为380~420μm，晶向<100>的p型硅。

10、在本技术其中一个实施例中，所述多孔硅的孔隙率为65%~70%。多孔硅内丰富的孔洞可以吸收空气，因此热导率低，但由于本微热板的硅基底和绝缘层之间通过隔热层连接，因此，这里多孔硅需兼顾支撑作用，过高的孔隙率导致机械强度过低，因此，多孔硅的孔隙率不能高于70%。

11、在本技术其中一个实施例中，所述绝缘层的厚度为11000å，所述第一氧化硅层、氮化硅层和第二氧化硅层的厚度比为3:5:3。提高器件的机械强度的同时提高器件抗冷热冲击的能力。

12、在本技术其中一个实施例中，所述加热电极采用蜿蜒型结构包围所述测试电极，所述测试电极采用对称梳状叉指电极结构，且所述测试电极与pad端连接段的弯折角度为135°。若测试电极走线成直角或锐角会产生强烈的电荷边缘，边缘成聚集能态，引起电磁干扰；测试电极弯折角度为135度会让边缘分布更加均匀，电流更加平滑，渐少信号的反射；电极对称分布会抵消引通电产生的磁场，因此该微热板中采用对称设计的测试电极、连接段采用135°弯折，从而减少对测试信号的电磁干扰和信号损失。

13、在本技术其中一个实施例中，所述测试电极末端与所述pad端连接处宽度逐渐增大。测试电极末端采用延申型设计且连接于pad端侧面，增大与pad端接触，固定电极。

14、在本技术其中一个实施例中，所述隔离环材质为氮化硅。氮化硅具有一定的导热性且热膨胀系数低，稳定性好，是良好的绝缘材料，采用氮化硅做隔离层，防止涂覆导电的气敏材料时，加热区和测试区短路影响器件的正常工作。

15、在本技术其中一个实施例中，所述硅基底下方设置有钝化层。钝化层为氧化硅，用以保护硅基底。

16、本技术实施例提供了一种上述mems微热板的制备方法，包括以下步骤：

17、s1：准备p型所述硅基底；

18、s2：在所述硅基底表面采用电化学腐蚀制备多孔硅，形成所述隔热层；

19、s3：使用化学气相沉积的方法在所述隔热层上方淀积作为所述绝缘层；

20、s4：采用光刻结合刻蚀的方式形成光刻胶的图形化，通过磁控溅射将金属淀积在所述绝缘层上，形成所述金属层；

21、s5：在所述金属层上方淀积氮化硅，经过光刻和刻蚀后，在所述金属层的加热电极和测试电极之间形成所述隔离环；

22、s6：在所述金属层上的pad处使用pvd溅射加厚电极。

23、在本技术其中一个实施例中，步骤s2中，所述多孔硅制备方法如下：在电流密度为60ma/cm2的条件下，在氢氟酸和乙醇的混合液中腐蚀30分钟。在氢氟酸和乙醇的混合液中，对硅片施加一定的电流密度，从而获得多孔硅，多余的多孔硅可由koh溶液腐蚀。

24、在本技术其中一个实施例中，所述绝缘层中的氧化硅用lpcvd制备，所述绝缘层中的氮化硅用pecvd进行制备，所述隔离环的氮化硅用pecvd制备。氧化硅绝缘性能好，热膨胀系数低，氮化硅结构更致密，抗冷热冲击能力强；用pecvd制备氮化硅，制备温度符合mems微热板金属化之后的承受温度。

25、本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

26、1.相较于悬空结构，该mems微热板的结构稳定性好，且无需悬空加热区工艺，制作难度低，从而增强了mems微热板的稳定性和实用性；

27、2.该mems微热板的绝缘层选择氧化硅-氮化硅-氧化硅的复合结构，这种复合结构提高了器件的机械强度和抗冷热冲击的能力；

28、3.该mems微热板的加热电极和测试电极采用共平面结构，避免寄生参数对器件的影响；同时加热区域和测试区域相互独立，避免气敏材料涂敷时造成短路；

29、4.该微热板中采用对称设计的测试电极、连接段采用135°弯折，从而减少对测试信号的电磁干扰和信号损失。