[发明专利]一种微热盘及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及微型加热盘技术领域，具体涉及一种具有电阻加热层的微热盘结构及其制造方法。

背景技术

微热盘装置广泛应用于需要局部高温的产品中，包括高温化学传感器、微型化学反应器、红外光源、流量传感器等。

微热盘通过温度隔离技术，实现小尺寸和低功耗。微热盘的温度隔离结构可以是MEMS工艺悬膜、悬梁；也可以是具有低热导率的高孔隙率材料，如阳极氧化铝(AAO)、多孔硅(PS)；甚至可以是具有低热导系数的蓝宝石、氧化钇或石英等体材料。

目前广泛采用的是MEMS工艺的微热盘，这些产品的尺寸大多在1-5mm2。微热盘通过电阻加热层加热至数百摄氏度，提供器件工作所需要的温度条件。

一种常见的微热盘应用是用于气体传感器中。当采用半导体电阻变化来感测气体浓度变化时，为半导体材料进行氧化还原反应提供250~400℃的工作温度；当采用催化燃烧式工作原理时，工作温度在400~800℃之间，通过感测催化燃烧导致的温度变化来检查可燃气体浓度；当用于红外式气体传感器中发射红外光源时，红外线的辐射功率是温度的4次方函数，高的红外线辐射功率有利于改善信噪比，从而有利于提高气体检测的灵敏度，工作温度一般在500℃以上。

在上面所述的应用中，微热盘装置对器件性能和可靠性至关重要，关键是设计制造出可工作在较高温度，具有高可靠性的微热盘。

微热盘的结构主要由电阻加热层及其两侧的绝缘支撑层组成，设计制造的关键是选择合适的电阻加热层材料，优化电阻加热层的导电轨迹，以及制造出高强度的绝缘支撑层。

目前电阻加热层材料较常采用的有Pt等低膨胀系数贵金属、单晶硅、多晶硅、金属硅化物等，导电轨迹多采用回型、圆环形、S型等，绝缘支撑层材料多采用氮化硅、氧化硅、氮氧化硅等。要找到具有更高性能的电阻加热层材料和更高强度的绝缘支撑层材料都是比较困难的。

同时，为了保证加热能量能够有效集中于微热盘工作区域，电阻加热层一般设计为具有一定宽度的导电轨迹，导电轨迹的形状可以通过有限元软件加以优化，来实现温度均匀，避免局部热点。

大家所公知的是，随着加热功率的提高，为了保证电阻加热层导电轨迹可以承受足够大的电流强度，防止因为电迁移而造成器件失效，加热电阻层必须具有足够厚度。但电阻加热层厚度变大时，高温工作时电阻加热层和两侧的绝缘支撑层因为热膨胀系数失配造成的应力将显著增加，可能超出薄膜的承受极限而导致破裂，从而造成器件因绝缘支撑层破裂而失效。

上述所述的问题需要在电阻层的厚度上做出最优设计，当微热盘的尺寸较大时，可以设计较厚的温度隔离绝缘支撑层，来改善微热盘的高温机械性能。但需要更小尺寸产品的时候，同样工作温度的单位截面积的电阻发热层电流就会增加，对应的是电流密度的增加，在这种情况下，必须适当增大电阻发热层的厚度来防止电迁移而造成失效。但增大电极厚度又会造成绝缘支撑层破裂的可能性增加。上述问题导致了器件小型化时最高工作温度会降低，器件的可靠性和寿命会下降。

发明内容

本发明针对现有的技术问题，提供一种微热盘装置及其制造方法，按照现有的技术方案形成电阻加热层，主要有剥离工艺（Lift off）和光刻蚀刻工艺两种方案。当采用剥离工艺（Lift off）时，侧壁的倾斜角度在70~90°之间。当采用光刻蚀刻工艺时，如采用各向异性蚀刻，侧壁的倾斜角度在70~90°之间；当采用各向同性蚀刻时，因为存在掩膜下蚀刻延伸问题（Under Cut），侧壁的倾斜角度在80~90°之间，侧壁边界具有比较尖锐的轮廓。

图1是现有技术方案制造的一种常见的微热盘剖面结构示意图，当微热盘在高温工作时，电阻加热层与绝缘支撑层之间热膨胀系数的差异将导致薄膜变形，电阻加热层陡峭的侧壁轮廓造成了绝缘支撑层上尖锐的区域，应力在具有尖锐轮廓的位置聚集，超出材料的承受极限而造成破裂。另外，陡峭的侧壁边界轮廓会导致台阶覆盖问题，造成后续沉积的绝缘支撑层在侧壁位置处变薄，更进一步降低了绝缘支撑层可承受的破裂强度。

为克服现有技术方案中的不足，本发明通过采用具有1~60°倾斜结构、平滑过渡形貌结构的侧壁边界轮廓，可以减小结构中可能导致应力集中的尖锐轮廓，改善台阶覆盖问题，从而改善了结构的应力分布，显著提高器件的耐温性。