微彈簧式懸臂梁自帶均熱板微加熱器及其制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微加熱器，具體是一種微彈簧式懸臂梁自帶均熱板微加熱器及其制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]作為基于MEMS技術(shù)的面型傳感器，在聚合酶反應(yīng)芯片加熱器、以及紅外分析系統(tǒng)中的紅外光源、極端條件下的氣體探測(cè)、室內(nèi)甲醛氣體綜合癥預(yù)防等方面得到了廣泛的應(yīng)用。如何在功耗一定的情況下獲得較大面積均勻分布的溫度是衡量微加熱器性能高低的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。
[0003]目前，大多數(shù)的面型微加熱器都是通過控制加熱絲的空間布局的方式為了獲得高質(zhì)量的均溫區(qū)域，原理是通過改變加熱絲空間布局的方式，增加反映區(qū)域邊界的放熱、減小中間區(qū)域放熱的方式。該方式由于要顧及加熱絲空間布局從而限制了微加熱器微型化；或者通過三明治夾層的方式將加熱單元、均熱單元、反應(yīng)單元利用高絕緣系數(shù)、高臨界擊穿電場(chǎng)的材料隔離開來，由于是三層結(jié)構(gòu)，在支撐膜或者是懸臂梁結(jié)構(gòu)上制備成本以及功耗都相對(duì)較大；面型微加熱器的結(jié)構(gòu)主要有封閉膜結(jié)構(gòu)和懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁結(jié)構(gòu)的功耗要比封閉膜結(jié)構(gòu)功耗低，而懸臂梁結(jié)構(gòu)由于復(fù)合膜的熱應(yīng)力釋放問題將導(dǎo)致器件在水平面上起伏，而且隨著器件反應(yīng)溫度的升高，復(fù)合膜將受熱膨脹，這些都會(huì)增加懸臂梁結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力局部聚集。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為解決上述懸臂梁無應(yīng)力釋放以及反應(yīng)單元溫度不均勻問題，提供了一種微彈簧式懸臂梁自帶均熱板微加熱器及其制備工藝，為了達(dá)到上述目的本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0005]一種微彈簧式懸臂梁自帶均熱板微加熱器，包括硅基座、絕緣膜、加熱單元以及均熱板；所述硅基座中部設(shè)有通孔，所述絕緣膜覆蓋在所述基座及其通孔上，其中所述絕緣膜覆蓋在所述通孔上的部分設(shè)有空氣隙而形成懸臂梁；所述加熱單元包括加熱絲和電極，所述加熱絲設(shè)于所述懸臂梁上，所述電極設(shè)于所述絕緣膜上；所述均熱板位于所述通孔中，并連接于所述懸臂梁的下方。
[0006]優(yōu)選的，所述絕緣膜包括由第一絕緣膜構(gòu)成的壓應(yīng)力層和由第二絕緣膜構(gòu)成的張應(yīng)力層。
[0007]優(yōu)選的，所述壓應(yīng)力層由S12制成，所述張應(yīng)力層由Si xNy或SiC制成。
[0008]優(yōu)選的，所述懸臂梁包括一條以上懸臂，所述懸臂整體為呈直角的二次彎折結(jié)構(gòu)。
[0009]優(yōu)選的，一條以上所述懸臂組成的所述懸臂梁呈整體右旋或者左旋結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)中心位于所述通孔中心。
[0010]優(yōu)選的，所述加熱單元由鉻或鉑制成。
[0011]優(yōu)選的，所述均熱板由單晶硅制成。
[0012]優(yōu)選的，所述硅基座由100晶向單晶硅制成。
[0013]一種微彈簧式懸臂梁自帶均熱板微加熱器制備工藝，包括以下步驟:
[0014]在硅基座上生長(zhǎng)絕緣層；生長(zhǎng)第二絕緣層；
[0015]刻蝕第二絕緣層，露出第一絕緣層窗口 ；
[0016]刻蝕掉第一絕緣層，露出硅基座；繼續(xù)刻蝕硅基座1.5-2.5μπι；
[0017]制備加熱層；
[0018]制備電極；
[0019]退火處理；
[0020]將微加熱器反置，正反校正對(duì)齊，制作環(huán)形刻蝕槽，干法刻蝕硅基座20-25 μ m ;
[0021]去掉中央島上的第一、第二絕緣層；
[0022]濕法或干法同步刻蝕中央島以及環(huán)形刻蝕槽直至露出空氣隙；
[0023]繼續(xù)刻蝕掉懸臂梁上的硅，露出均熱板。
[0024]優(yōu)選的，微彈簧式懸臂梁自帶均熱板微加熱器制備工藝，包括以下步驟:
[0025]在100晶向的硅基座上通過干氧或者干氧濕氧結(jié)合的方法制備S12第一絕緣層，再通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD技術(shù)制備SixNy或SiC第二絕緣層；
[0026]用勻漿機(jī)在上均勻旋涂一層正膠BP212，利用光刻技術(shù)去除非空氣隙處光刻膠，然后磁控濺射Ni作為刻蝕掩膜，利用lift-of剝離工藝露出空氣隙窗口，然后進(jìn)行感應(yīng)耦合等離子體ICP技術(shù)刻蝕，刻蝕掉空氣隙的第二絕緣層；
[0027]利用HF酸刻蝕液繼續(xù)刻蝕掉空氣隙處的第一絕緣層，然后利用TMAH刻蝕繼續(xù)刻蝕硅基座；
[0028]清洗掉正面Ni保護(hù)膜，利用磁控濺射機(jī)濺射Pt或Ni加熱絲，旋涂負(fù)膠BN303-30，利用光刻技術(shù)制備出加熱絲；
[0029]利用電子束蒸發(fā)EBE技術(shù)以及l(fā)ift-off技術(shù)制備Au電極；
[0030]加熱到500°C，氮?dú)夥諊嘶鹛幚恚?br>[0031]將微加熱器反置，正反圖案校正，然后利用刻蝕第二絕緣層的工藝刻蝕出環(huán)形刻蝕槽的窗口并用反應(yīng)離子刻蝕RIE干法工藝蝕硅基座；
[0032]利用步驟刻蝕第二絕緣層的工藝刻蝕掉均熱板上面覆蓋的第一絕緣層、第二絕緣層；
[0033]利用四甲基氫氧化銨TMAH各向異性濕法刻蝕工藝或深反應(yīng)離子刻蝕DRIE干法刻蝕工藝同時(shí)刻蝕環(huán)形刻蝕槽和均熱板上面覆蓋的單晶硅直到刻穿露出正面的空氣隙；
[0034]將該器件放入TMAH刻蝕液中濕法刻蝕掉懸臂梁上剩余的單晶硅，釋放出懸臂梁，以及露出娃均熱板。
[0035]本發(fā)明提供的微彈簧式懸臂梁自帶均熱板微加熱器增強(qiáng)懸臂梁的強(qiáng)度與高溫工作極限；自帶均熱板結(jié)構(gòu)用以將熱量均勻分布于反應(yīng)單元處，提高了反應(yīng)精度和提高了反應(yīng)單元處的空間利用率。本發(fā)明的基于MEMS技術(shù)的微加熱器，采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，減少微加熱器的熱傳導(dǎo)散熱；采用復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力的補(bǔ)償，增大了懸臂梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；采用了微彈簧結(jié)構(gòu)，釋放了復(fù)合膜的本征應(yīng)力和微加熱器工作時(shí)產(chǎn)生的熱脹應(yīng)力；采用均熱板結(jié)構(gòu)，大大提高了反映區(qū)域的均溫性，提高了反應(yīng)精度；采用硅基MEMS工藝，可以和大規(guī)模集成電路工藝完美兼容，適于大規(guī)模生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0036]此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定，在附圖中:
[0037]圖1是本發(fā)明實(shí)施例左視圖示意圖；
[0038]圖2是本發(fā)明實(shí)施例俯視圖示意圖；
[0039]圖3是本發(fā)明實(shí)施例仰視圖示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]下面將結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明，在此本發(fā)明的示意性實(shí)施例以及說明用來解釋本發(fā)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
[0041]實(shí)施例:
[0042]如圖1?3所示，一種微彈簧式懸臂梁自帶均熱板微加熱器，包括硅基座1、絕緣月旲、加熱單兀4以及均熱板6 ;娃基座I由〈110〉晶向單晶娃制成，所述娃基座I中部設(shè)有通孔，所述絕緣膜覆蓋在所述基座及其通孔上，其中所述絕緣膜覆蓋在所述通孔上的部分設(shè)有空氣隙8而形成懸臂梁10 ;所述加熱單元4包括加熱絲11和電極5，加熱絲11寬度為20 μπι，長(zhǎng)度為L(zhǎng) 5mm,電極5為Au電極，所述加熱絲11設(shè)于所述懸臂梁10上，所述電極5設(shè)于所述絕緣膜上，加熱單元4同時(shí)具有加熱與測(cè)溫功能，可采用直流或者交流電源供電；所述均熱板6位于所述通孔中，并連接于所述懸臂梁10的下方。
[0043]本實(shí)施例中的所述絕緣膜包括由第一絕緣膜2構(gòu)成的壓應(yīng)力層和由第二絕緣膜3構(gòu)成的張應(yīng)力層，兩者組成的復(fù)合膜能進(jìn)行應(yīng)力補(bǔ)償，獲得較高機(jī)械性能穩(wěn)定的復(fù)合膜，復(fù)合膜都是絕緣膜起到電隔離作用。其中所述壓應(yīng)力層由S12制成，所述張應(yīng)力層由SixNy或SiC制成。
[0044]本實(shí)施例中的所述懸臂梁10包括一條以上懸臂，本實(shí)施例中的懸臂為四條，所述懸臂整體為呈直角的二次彎折結(jié)構(gòu)，即懸臂整體為L(zhǎng)形，包括連個(gè)45°的彎折部，避免了在制備過程中沿硅基座〈110〉方向的斷裂，此外懸臂也可以為S形。一條以上所述懸臂組成的所述懸臂梁10呈整體右旋或者左旋結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)中心位于所述通孔中心。
[0045]作為上述實(shí)施例方案的部分優(yōu)選方案，所述加熱單元4可以采用與MEMS工藝兼容性好的材料，Cr加熱層可以實(shí)現(xiàn)較低溫(<200°C )的加熱；Pt電阻可以實(shí)現(xiàn)較高溫度(200-8000C )的加熱與測(cè)溫，也可以是Ni。
[0046]作為上述實(shí)施例方案的部分優(yōu)選方案，所述均熱板6由單晶硅制