[发明专利]微型加热器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明位于微电子机械系统技术领域，尤其涉及一种微型加热器及其制造方法。

背景技术

加热器是热相关气体传感器和热辐射型红外光源的关键部件之一。基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统）技术制造的微型加热器由于其低功耗、低成本、小体积和批量制造的特点，具有很高的性价比。MEMS微加热器上覆盖金属氧化物半导体和电极即构成金属氧化物半导体式气体传感器；对于金属铂材料构成的加热电阻丝，由于其本身便具有一定的气敏特性，在其上覆盖一层催化剂材料，则构成催化燃烧式气体传感器；在微加热器上制作一层高辐射率材料则构成红外光源。由于这类热相关气体传感器和红外光源的加热温度对输出信号有非常大的影响，因此在工作过程中需要保持温度的稳定。另一方面，为了降低器件的功耗，加热区和衬底间常常制作空腔、悬臂梁等绝热结构，用来降低器件最主要的热损耗——热传导。从衬底材料上看，这些MEMS加热器主要有两种，一种是采用如氧化硅、氮化硅复合层作为支撑膜，与加热电阻丝、气敏层或辐射层等形成加热区，这种结构具有较高的绝热性，并且热质量较小，适用于需要对温度进行高频调制的应用，但同时也因为比表面积大，容易由于热对流造成温度扰动，影响信号输出的稳定性；另一种是采用SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）衬底，除了第一种所述的复合层外，在其下方还具有一定厚度的硅结构，既可以增加加热区的机械强度，也可由于具有更大的热容而实现对加热区的保温作用，减小表面热对流对加热区温度的扰动，但这种结构由于支撑梁也集成了一定厚度的硅材料，造成热阻变小，增大了热传导，从而使器件功耗上升。

因此，有必要对现有的微型加热器及其制造方法予以改进以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有较大热容同时热损耗较小的微型加热器及其制造方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种微型加热器，其具有（111）型硅片衬底、设置于（111）型硅片衬底上表面的抗腐蚀掩膜层和功能结构层；所述功能结构层具有贴附在抗腐蚀掩膜层上表面的加热电阻条及其引线结构，所述（111）型硅片衬底和抗腐蚀掩膜层及功能结构层共同形成有位于微型加热器整体中间上侧位置处且悬空设置的加热区、间隔形成在加热区周围的框架区，所述抗腐蚀掩膜层和功能结构层共同形成有连接加热区和框架区的薄膜状支撑悬梁，所述（111）型硅片衬底包括形成在框架区下侧的衬底框架、形成在加热区底部的硅结构层、采用各向异性湿法腐蚀工艺形成在衬底框架和硅结构层之间的绝热腔。 

作为本发明的进一步改进，所述抗腐蚀掩膜层采用氧化硅掩膜、或氮化硅掩膜、或氧化硅和氮化硅复合掩膜。

作为本发明的进一步改进，所述支撑悬梁的长宽比在1.7至300之间。

为实现上述发明目的，本发明还提供了一种微型加热器的制造方法，其包括以下步骤：

S1、提供一（111）型硅片作为衬底，并在该衬底上表面刻蚀深度为t1的多个凹槽，以在衬底顶部形成位于凹槽之间的加热区硅结构层和多个连接加热区硅结构层的支撑梁凸台；

S2、在步骤S1获得的结构上表面制作绝缘的抗腐蚀掩膜层；

S3、在步骤S2获得的结构上表面制作功能结构层，该功能结构层具有贴附在抗腐蚀掩膜层上表面的加热电阻条及其引线结构；

S4、在步骤S3获得的结构上制作光刻胶，并利用掩膜板光刻凹槽底部及各支撑梁凸台与凹槽相邻的两侧区域的光刻胶，然后去除前述两部分的光刻胶及位于该两部分光刻胶下侧的抗腐蚀掩膜层，直至暴露所述衬底；

S5、干法刻蚀步骤S4中被暴露的所述衬底的上表面直至一预设深度t2，以形成腐蚀槽，所述腐蚀槽和凹槽共同形成腐蚀窗口；

S6、去除光刻胶，通过腐蚀窗口对衬底进行各项异性湿法腐蚀，形成下表面在平面内投影为六边形t2深度的绝热腔，同时，位于腐蚀窗口之间的支撑梁凸台也被完全腐蚀，从而形成具有t1厚度的硅结构层、抗腐蚀掩膜层和功能结构层的悬空设置的加热区以及连接在加热区周围且由抗腐蚀掩膜层和功能结构层构成的支撑悬梁。

作为本发明的进一步改进，所述抗腐蚀掩膜层采用氧化硅掩膜、或氮化硅掩膜、或氧化硅和氮化硅复合掩膜。

作为本发明的进一步改进，所述支撑悬梁的长宽比在1.7至300之间。

作为本发明的进一步改进，步骤S4中采用负性光刻胶进行光刻。

作为本发明的进一步改进，所述腐蚀槽除与支撑梁凸台相邻的部位外，其他部位的边缘与凹槽侧壁存在1微米的间距。