[实用新型]双层悬空梁微结构薄膜量热计

说明书

技术领域

本实用新型属于微型传感器技术领域，涉及一种双层悬空梁微结构的薄膜量热计，应用于微纳米薄膜热力学参数的测试。

背景技术

近年来，随着集成电路、微加热式器件、微流控系统和热毛细管等研究的深入，微尺度热现象研究已得到广泛重视。其中，厚度在亚微米到纳米量级的超薄薄膜的热力学特性可能与相应的常规块体材料的热力学特性有很大的不同，还有一些材料只能制作为超薄薄膜形式。因此，超薄薄膜热力学特性的测试分析技术已成为微尺度热效应研究领域的研究热点之一。

量热计在200多年的历史中不断发展，在过去的二十年里，硅微加工技术的发展，悬空膜片、薄膜加热电阻、薄膜测温电阻、薄膜热电偶等的制造技术日趋完善。在此基础上，二十世纪九十年代诞生了微量热计，它采用集加热与测温于一体的悬空膜片结构，因此自身热容小，量热精度高，可用于微纳米薄膜热容、熔点等热力学参数的测试。

目前，国内外薄膜量热计均为单层结构，样品薄膜需要准确淀积在薄膜量热计样品区才能保证温度均匀性和测量的精度。这些薄膜量热计的样品薄膜定位淀积均采用硅掩膜技术，掩膜挖孔工艺及其与薄膜量热计的对准与定位工艺的误差均在十微米以上，具有操作难度大，定位精度差的缺点。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种双层悬空梁微结构的薄膜量热计，该薄膜量热计能够实现样品薄膜在量热计温度分布最均匀的中心温区的自对准定位淀积，不但定位误差小，而且使用方便。

本实用新型的量热计是一种双层悬空梁微结构的薄膜量热计，主要由硅衬底、第一层薄膜悬梁和第二层薄膜悬梁组成。

第一层薄膜悬梁两端固支，悬架在硅衬底上，平行于硅衬底表面。该薄膜悬梁可以采用表面微加工工艺、正面体硅微加工工艺或者背面体硅微加工工艺实现与硅衬底之间的悬空。

第二层薄膜悬梁两端固支，平行于硅衬底表面，悬架在第一层薄膜悬梁上，不与第一层薄膜悬梁相接触，与第一层薄膜悬梁垂直。该薄膜悬梁采用表面微加工工艺实现与第一层悬梁以及硅衬底之间的悬空。

硅衬底、第一层薄膜悬梁和第二层薄膜悬梁三者之间均有间隙。

第一层薄膜悬梁和第二层薄膜悬梁结构相同，都是两层绝缘介质薄膜中间夹着一层薄膜电阻的多层膜；两层绝缘介质薄膜可以是低应力氮化硅或者二氧化硅；悬梁夹层的薄膜电阻是加热电阻，同时它也是测温电阻；该薄膜电阻是有感温特性并适合微电子机械加工的薄膜材料；该薄膜材料可以是多晶硅、白金、铝、钛或者钨。

本实用新型的双层悬空梁微结构薄膜量热计可以在同一芯片上制作多个双层悬空梁微结构薄膜量热计，形成薄膜量热计阵列，从而一次待测薄膜加载就可同时获得多个待测样品。

本实用新型的有益效果是，在一个传感单元上垂直集成了方向正交的两层薄膜悬梁，作为两个薄膜量热计，能够实现样品薄膜在量热计温度分布最均匀的中心温区的自对准定位淀积，从而提高量热精度，而且使用方便。采用差式脉冲扫描量热，以下层量热计作为上层量热计的参考单元，样品薄膜溅射或蒸镀到量热计上时，下层量热计与上层量热计的唯一差别是中心交叉部分的样品区没有样品薄膜，因此通过差式脉冲扫描量热分析可以获得样品区薄膜的热容。

附图说明

图1(A)是本实用新型的双层悬空梁微结构薄膜量热计的结构示意图。

图1(B)是本实用新型的第一层悬空梁微结构薄膜的结构示意图。

图1(C)是本实用新型的第二层悬空梁微结构薄膜的结构示意图。

图2(A)是第一层薄膜悬梁采用表面微加工工艺的双层悬空梁微结构薄膜量热计的A-A剖面图。

图2(B)是第一层薄膜悬梁采用表面微加工工艺的双层悬空梁微结构薄膜量热计的B-B剖面图。

图3(A)是第一层薄膜悬梁采用正面体硅微加工工艺的双层悬空梁微结构薄膜量热计的A-A剖面图。

图3(B)是第一层薄膜悬梁采用正面体硅微加工工艺的双层悬空梁微结构薄膜量热计的B-B剖面图。

图4(A)是第一层薄膜悬梁采用背面体硅微加工工艺的双层悬空梁微结构薄膜量热计的A-A剖面图。

图4(B)是第一层薄膜悬梁采用背面体硅微加工工艺的双层悬空梁微结构薄膜量热计的B-B剖面图。

图5是本实用新型的双层悬空梁微结构薄膜量热计组成的九单元阵列。

图中：10是硅衬底；11是第一层薄膜悬梁；12是第二层薄膜悬梁；13、14、16、17是绝缘介质薄膜；15、18是薄膜电阻；19、20是多晶硅牺牲层；21、22是硅衬底腐蚀坑；23是第一层悬梁的腐蚀窗；24是第二层悬梁的腐蚀窗；25是氧化层；26是背面体硅腐蚀窗。

具体实施方式