[发明专利]一种具有微纳结构增强的微加热器及其制备方法

说明书

本发明提供一种具有微纳结构增强的微加热器及其制备方法，包括步骤：提供半导体单晶衬底，在衬底表面制备薄膜掩膜，并刻蚀窗口阵列；采用湿法技术腐蚀衬底表面，在该表面形成微纳金字塔结构；移除薄膜掩膜，在衬底表面制备出薄膜，在微纳金字塔结构表面制备出微纳结构薄膜；采用金属沉积技术和金属薄膜图形化技术在微纳结构薄膜表面制备出微加热器电阻丝和电极；对薄膜进行图形化和薄膜刻蚀形成释放区域；以及采用干法刻蚀技术或湿法腐蚀技术释放微纳结构薄膜，即得。本发明采用微加工技术，通过薄膜的微纳结构改变其热传导特性，可以显著降低热量损耗，增强光辐射，为获得低功耗、热稳定性强的微加热器和强辐射的光源开辟了新道路。

技术领域

本发明涉及MEMS传感器制造领域，更具体地涉及一种具有微纳结构增强的微加热器及其制备方法。

背景技术

随着微加工技术的不断发展，基于MEMS工艺的微型加热器已开始在气体探测，环境监控和红外光源等领域广泛应用。但是，由于探测器应用环境的多样性以及复杂性，人们对微型加热器的低功耗、低成本、高性能、高可靠的要求也日益强烈。如何制作出低功耗高性能的微加热器成为该领域研究热点。

当前基于硅衬底的MEMS微加热器根据支撑方式不同主要分为两大类，一类是封闭膜式，另一类是悬臂膜式。封闭膜式MEMS微加热器是指微加热器的热区通过薄膜与硅衬底相连，采用背面干法刻蚀或湿法腐蚀的方法释放正面的整个膜区。悬臂膜式MEMS微加热器是指微加热的热区与衬底由数条悬臂梁连接，采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法释放正面的热区和悬臂梁区。随着MEMS器件的不断发展以及应用环境的多样性，基于两种膜式的MEMS微加热器出现了各式各样的形状，比如：圆形、矩形、正方形或多边形等，悬臂膜式的MEMS微加热器发展出单悬臂、双悬臂、三悬臂以及四悬臂的支撑膜式。

由于应用的不断推广和深入，对微型加热器的低功耗、低成本、高性能、高可靠的要求也日益强烈。不管是封闭膜式还是悬臂膜式的MEMS微加热器的热区是二维平面型结构，这种结构易受热对流影响，使得微加热器热区温度不稳定，影响器件响应的稳定性和灵敏度。同时，两类微加热器的对流热量损耗大，导致了器件实际应用中功耗大。因此，如何解决当前二维微加热器热量损耗高、功耗大和热稳定性不足的问题成为研究重点。

本发明采用微加工技术，通过薄膜的微纳结构改变其热传导特性，可以显著降低热量损耗，增强光辐射，为获得低功耗、热稳定性强的微加热器和强辐射的光源提供有效的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有微纳结构增强的微加热器及其制备方法，从而解决现有技术中二维微加热器热量损耗高、功耗大、热稳定性和光辐射不足的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

根据本发明的第一方面，提供一种具有微纳结构增强的微加热器的其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：S1：提供一种半导体单晶衬底，在所述半导体单晶衬底的表面制备出薄膜掩膜，并在所述薄膜掩膜表面刻蚀出窗口阵列，露出所述窗口阵列内的半导体单晶衬底表面；S2：采用湿法技术腐蚀所述窗口阵列内露出的半导体单晶衬底表面，并在该表面形成微纳金字塔结构；S3：移除步骤S1中形成的所述薄膜掩膜，继而在所述半导体单晶衬底的表面制备出薄膜，在步骤S2中形成的所述微纳金字塔结构的表面制备出微纳结构薄膜；S4：采用金属沉积技术和金属薄膜图形化技术在所述微纳结构薄膜的表面制备出微加热器电阻丝和电极；S5：对步骤S3中在所述半导体单晶衬底的表面形成的薄膜进行图形化和薄膜刻蚀形成释放区域，所述微纳结构薄膜通过支撑膜结构支撑；以及S6：采用干法刻蚀技术或湿法腐蚀技术释放所述微纳结构薄膜，获得一种具有微纳结构增强的微加热器。

在所述步骤S1中：半导体单晶衬底包括单晶硅衬底、SOI衬底以及锗衬底中的任意一种；所述薄膜掩膜包括高温热氧化形成的氧化硅或者化学气相沉积形成的氧化硅或氮化硅；所述窗口阵列采用等离子刻蚀方法刻蚀；所述窗口阵列的形状包括正方形、矩形或圆形中的任意一种及其组合。