本發(fā)明涉及微型加熱盤技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有電阻加熱層的微熱盤結(jié)構(gòu)及其制造方法。

背景技術(shù)：

微熱盤裝置廣泛應(yīng)用于需要局部高溫的產(chǎn)品中，包括高溫化學(xué)傳感器、微型化學(xué)反應(yīng)器、紅外光源、流量傳感器等。

微熱盤通過溫度隔離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)小尺寸和低功耗。微熱盤的溫度隔離結(jié)構(gòu)可以是mems工藝懸膜、懸梁；也可以是具有低熱導(dǎo)率的高孔隙率材料，如陽極氧化鋁(aao)、多孔硅(ps)；甚至可以是具有低熱導(dǎo)系數(shù)的藍(lán)寶石、氧化釔或石英等體材料。

目前廣泛采用的是mems工藝的微熱盤，這些產(chǎn)品的尺寸大多在1-5mm2。微熱盤通過電阻加熱層加熱至數(shù)百攝氏度，提供器件工作所需要的溫度條件。

一種常見的微熱盤應(yīng)用是用于氣體傳感器中。當(dāng)采用半導(dǎo)體電阻變化來感測氣體濃度變化時(shí)，為半導(dǎo)體材料進(jìn)行氧化還原反應(yīng)提供250~400℃的工作溫度；當(dāng)采用催化燃燒式工作原理時(shí)，工作溫度在400~800℃之間，通過感測催化燃燒導(dǎo)致的溫度變化來檢查可燃?xì)怏w濃度；當(dāng)用于紅外式氣體傳感器中發(fā)射紅外光源時(shí)，紅外線的輻射功率是溫度的4次方函數(shù)，高的紅外線輻射功率有利于改善信噪比，從而有利于提高氣體檢測的靈敏度，工作溫度一般在500℃以上。

在上面所述的應(yīng)用中，微熱盤裝置對器件性能和可靠性至關(guān)重要，關(guān)鍵是設(shè)計(jì)制造出可工作在較高溫度，具有高可靠性的微熱盤。

微熱盤的結(jié)構(gòu)主要由電阻加熱層及其兩側(cè)的絕緣支撐層組成，設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵是選擇合適的電阻加熱層材料，優(yōu)化電阻加熱層的導(dǎo)電軌跡，以及制造出高強(qiáng)度的絕緣支撐層。

目前電阻加熱層材料較常采用的有pt等低膨脹系數(shù)貴金屬、單晶硅、多晶硅、金屬硅化物等，導(dǎo)電軌跡多采用回型、圓環(huán)形、s型等，絕緣支撐層材料多采用氮化硅、氧化硅、氮氧化硅等。要找到具有更高性能的電阻加熱層材料和更高強(qiáng)度的絕緣支撐層材料都是比較困難的。

同時(shí)，為了保證加熱能量能夠有效集中于微熱盤工作區(qū)域，電阻加熱層一般設(shè)計(jì)為具有一定寬度的導(dǎo)電軌跡，導(dǎo)電軌跡的形狀可以通過有限元軟件加以優(yōu)化，來實(shí)現(xiàn)溫度均勻，避免局部熱點(diǎn)。

大家所公知的是，隨著加熱功率的提高，為了保證電阻加熱層導(dǎo)電軌跡可以承受足夠大的電流強(qiáng)度，防止因?yàn)殡娺w移而造成器件失效，加熱電阻層必須具有足夠厚度。但電阻加熱層厚度變大時(shí)，高溫工作時(shí)電阻加熱層和兩側(cè)的絕緣支撐層因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)失配造成的應(yīng)力將顯著增加，可能超出薄膜的承受極限而導(dǎo)致破裂，從而造成器件因絕緣支撐層破裂而失效。

上述所述的問題需要在電阻層的厚度上做出最優(yōu)設(shè)計(jì)，當(dāng)微熱盤的尺寸較大時(shí)，可以設(shè)計(jì)較厚的溫度隔離絕緣支撐層，來改善微熱盤的高溫機(jī)械性能。但需要更小尺寸產(chǎn)品的時(shí)候，同樣工作溫度的單位截面積的電阻發(fā)熱層電流就會增加，對應(yīng)的是電流密度的增加，在這種情況下，必須適當(dāng)增大電阻發(fā)熱層的厚度來防止電遷移而造成失效。但增大電極厚度又會造成絕緣支撐層破裂的可能性增加。上述問題導(dǎo)致了器件小型化時(shí)最高工作溫度會降低，器件的可靠性和壽命會下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有的技術(shù)問題，提供一種微熱盤裝置及其制造方法，按照現(xiàn)有的技術(shù)方案形成電阻加熱層，主要有剝離工藝（liftoff）和光刻蝕刻工藝兩種方案。當(dāng)采用剝離工藝（liftoff）時(shí)，側(cè)壁的傾斜角度在70~90°之間。當(dāng)采用光刻蝕刻工藝時(shí)，如采用各向異性蝕刻，側(cè)壁的傾斜角度在70~90°之間；當(dāng)采用各向同性蝕刻時(shí)，因?yàn)榇嬖谘谀は挛g刻延伸問題（undercut），側(cè)壁的傾斜角度在80~90°之間，側(cè)壁邊界具有比較尖銳的輪廓。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)方案制造的一種常見的微熱盤剖面結(jié)構(gòu)示意圖，當(dāng)微熱盤在高溫工作時(shí)，電阻加熱層與絕緣支撐層之間熱膨脹系數(shù)的差異將導(dǎo)致薄膜變形，電阻加熱層陡峭的側(cè)壁輪廓造成了絕緣支撐層上尖銳的區(qū)域，應(yīng)力在具有尖銳輪廓的位置聚集，超出材料的承受極限而造成破裂。另外，陡峭的側(cè)壁邊界輪廓會導(dǎo)致臺階覆蓋問題，造成后續(xù)沉積的絕緣支撐層在側(cè)壁位置處變薄，更進(jìn)一步降低了絕緣支撐層可承受的破裂強(qiáng)度。

為克服現(xiàn)有技術(shù)方案中的不足，本發(fā)明通過采用具有1~60°傾斜結(jié)構(gòu)、平滑過渡形貌結(jié)構(gòu)的側(cè)壁邊界輪廓，可以減小結(jié)構(gòu)中可能導(dǎo)致應(yīng)力集中的尖銳輪廓，改善臺階覆蓋問題，從而改善了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，顯著提高器件的耐溫性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種微熱盤，其特征在于，其包括襯底、第一絕緣支撐層、電阻加熱層、第二絕緣支撐層，所述第一絕緣支撐層設(shè)置在襯底上，所述電阻加熱層設(shè)置在第一絕緣支撐層上，所述第二絕緣支撐層設(shè)置在第一絕緣支撐層上，且完全覆蓋在電阻加熱層上方，所述第二絕緣支撐層上開設(shè)通孔，所述通孔設(shè)置有一組引線鍵合區(qū)，所述電阻加熱層的側(cè)壁邊界中間輪廓具有1~60°傾斜結(jié)構(gòu)，所述電阻加熱層的側(cè)壁邊界頂端輪廓具有平滑過渡形貌結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步，作為優(yōu)選，所述襯底材料可以是單晶硅、多晶硅、石英、藍(lán)寶石、氧化釔、多孔陽極氧化鋁（aao）、多孔硅（ps）等。

所述第一絕緣支撐層材料可以是氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、石英、藍(lán)寶石、氧化釔、多孔陽極氧化鋁（aao）、多孔硅（ps）等。

所述電阻加熱層材料可以是pt、ta、w、ir、ru、ni等低膨脹系數(shù)貴金屬及其合金、摻雜單晶硅、摻雜多晶硅、金屬硅化物等。

所述第二絕緣支撐層4材料可以是氮化硅、氧化硅、氮氧化硅等及其組合。

進(jìn)一步，作為優(yōu)選，所述電阻加熱層的側(cè)壁邊界中間輪廓具有1~60°直線狀傾斜結(jié)構(gòu)或1~60°臺階狀傾斜結(jié)構(gòu)，所述電阻加熱層的側(cè)壁邊界頂端輪廓具有平滑過渡形貌結(jié)構(gòu)。

此外，本發(fā)明提供了一種微熱盤的制造方法，其特征在于，其包括以下步驟：

①.在襯底上沉積第一絕緣支撐層；

②.在第一絕緣支撐層上沉積電阻加熱層，形成側(cè)壁邊界中間輪廓具有1~60°傾斜結(jié)構(gòu)，側(cè)壁邊界頂端輪廓具有平滑過渡形貌結(jié)構(gòu)；

③.在上述結(jié)構(gòu)表面沉積第二絕緣支撐層上，光刻出通孔，裸露出電阻加熱層的引線鍵合區(qū)；

④.進(jìn)行mems結(jié)構(gòu)釋放，得到溫度隔離結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步，作為優(yōu)選，所述電阻加熱層的一種制備方法可采用以下任意一種剝離工藝：一種是采用剝離工藝形成，通過改變光阻層的側(cè)壁邊界輪廓形貌，改變金屬蒸發(fā)、濺射路徑與晶圓表面的角度等方法，得到具有1~60°直線狀傾斜結(jié)構(gòu)的側(cè)壁邊界中間輪廓（5）；一種是采用剝離工藝形成，通過兩次或更多次剝離工藝，降低每次沉積材料的厚度，后續(xù)沉積的電阻加熱層導(dǎo)電軌跡可采取擴(kuò)大、縮小、偏移掩膜等方法，形成具有1~60°臺階狀傾斜結(jié)構(gòu)的側(cè)壁邊界中間輪廓；另一種是在剝離工藝后，通過適當(dāng)?shù)母飨蛲曰匚g刻或（和）化學(xué)機(jī)械拋光處理，得到具有平滑過渡形貌結(jié)構(gòu)的側(cè)壁邊界頂端輪廓（6）。

進(jìn)一步，作為優(yōu)選，所述電阻加熱層的一種制備方法可采用以下任意一種遮罩工藝形成：一種是采用遮罩工藝形成，通過增加遮罩與晶圓之間的間隔，改變金屬蒸發(fā)、濺射路徑與晶圓表面的角度等方法，得到具有1~60°直線狀傾斜結(jié)構(gòu)的側(cè)壁邊界中間輪廓（5）；一種是采用遮罩工藝形成，通過兩次或更多次遮罩工藝，降低每次沉積材料的厚度，后續(xù)沉積的電阻加熱層導(dǎo)電軌跡可采取擴(kuò)大、縮小、偏移掩膜方法，形成具有1~60°臺階狀傾斜結(jié)構(gòu)的側(cè)壁邊界中間輪廓（5）；另一種是在遮罩工藝后，通過適當(dāng)?shù)母飨蛲曰匚g刻、或（和）化學(xué)機(jī)械拋光處理，得到具有平滑過渡形貌結(jié)構(gòu)的側(cè)壁邊界頂端輪廓（6）。

進(jìn)一步，作為優(yōu)選，所述電阻加熱層的一種制備方法可采用以下任意一種光刻蝕刻工藝形成：一種是采用光刻蝕刻工藝形成，通過調(diào)整垂直和側(cè)向蝕刻速率比，得到具有1~60°直線狀傾斜結(jié)構(gòu)的側(cè)壁邊界中間輪廓（5）；一種是采用光刻蝕刻工藝形成，通過兩次或更多次光刻蝕刻工藝，降低每次沉積材料的厚度，后續(xù)沉積的電阻加熱層導(dǎo)電軌跡可采取擴(kuò)大掩膜方式，形成具有1~60°臺階狀傾斜結(jié)構(gòu)的側(cè)壁邊界中間輪廓（5）；另一種是在光刻蝕刻工藝后，增加適當(dāng)?shù)母飨蛲曰匚g刻或（和）化學(xué)機(jī)械拋光處理，得到具有平滑過渡形貌結(jié)構(gòu)的側(cè)壁邊界頂端輪廓（6）。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是：

①.本發(fā)明提供一種微熱盤結(jié)構(gòu)及其制造方法，克服現(xiàn)有技術(shù)方案中存在的不足，其可以承受較高的工作溫度，結(jié)構(gòu)應(yīng)力小，工作可靠性顯著提高，適用于產(chǎn)品進(jìn)一步小型化。

②.本發(fā)明通過改變電阻加熱層的側(cè)壁邊界輪廓，避免了采用工藝難度較大的特殊電阻加熱層材料，以及避免了采用工藝難度較大的具有高機(jī)械強(qiáng)度的特殊絕緣支撐層材料，工藝簡單可行，實(shí)用性強(qiáng)，制造成本低。

③.本發(fā)明通過改變電阻加熱層的側(cè)壁邊界輪廓，從而提高了器件最高可工作溫度，提高了器件的可靠性和延長了器件工作壽命。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)微熱盤剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：1、襯底；2、第一絕緣支撐層；3、電阻加熱層；4、第二絕緣支撐層；5、側(cè)壁邊界中間輪廓，傾斜角度θ：70~90°；6、側(cè)壁邊界輪廓尖銳的過渡形貌；7、絕緣支撐層上應(yīng)力集中區(qū)。

圖2是本發(fā)明具有1~60°直線狀傾斜結(jié)構(gòu)、平滑過渡形貌結(jié)構(gòu)的側(cè)壁邊界輪廓的微熱盤剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：1、襯底；2、第一絕緣支撐層；3、電阻加熱層；4、第二絕緣支撐層；5、直線狀側(cè)壁邊界中間輪廓，臺階間距w，傾斜角度θ：1~60°；6、側(cè)壁邊界頂端輪廓平滑的過渡形貌結(jié)構(gòu)。

圖3是本發(fā)明具有1~60°臺階狀傾斜結(jié)構(gòu)、平滑過渡形貌結(jié)構(gòu)的側(cè)壁邊界輪廓的微熱盤剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：1、襯底；2、第一絕緣支撐層；3、電阻加熱層；4、第二絕緣支撐層；5、臺階狀側(cè)壁邊界中間輪廓，傾斜角度θ：1~60°；6、側(cè)壁邊界頂端輪廓平滑的過渡形貌結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請參閱圖2-3，本發(fā)明提供一種技術(shù)方案：

實(shí)施例一

如圖2所示，本發(fā)明一種微熱盤結(jié)構(gòu)，它包括襯底1、第一絕緣支撐層2、電阻加熱層3、第二絕緣支撐層4，所述第一絕緣支撐層2設(shè)置在襯底1上，所述電阻加熱層3設(shè)置在第一絕緣支撐層2上，所述第二絕緣支撐層4設(shè)置在第一絕緣支撐層2上，且完全覆蓋在電阻加熱層3上方，并開通孔設(shè)置有一組引線鍵合區(qū)。所述第一絕緣支撐層2、電阻加熱層3、第二絕緣支撐層4形成三明治結(jié)構(gòu)，所述電阻加熱層3的側(cè)壁邊界中間輪廓5具有30°直線狀傾斜結(jié)構(gòu)，所述電阻加熱層3的側(cè)壁邊界頂端輪廓6具有平滑過渡形貌結(jié)構(gòu)。

其中，所述襯底1材料是單晶硅。所述第一絕緣支撐層2材料是氮化硅。所述的電阻加熱層3材料是pt。所述第二絕緣支撐層4材料是氮化硅。

下面詳細(xì)說明這種結(jié)構(gòu)的微熱盤的制造方法，它包括以下步驟：

①.lpcvd沉積第一絕緣支撐層氮化硅500nm；

②.liftoff沉積電阻加熱層pt300nm，減小金屬蒸發(fā)路徑與晶圓表面的角度，得到具有30°直線狀傾斜結(jié)構(gòu)的側(cè)壁邊界輪廓；

③.濕法etchback100nm，各向同性蝕刻時(shí)，凸起的位置腐蝕速率快，凹陷的位置腐蝕速率慢，得到具有平滑過渡形貌結(jié)構(gòu)的側(cè)壁邊界輪廓；

④.lpcvd沉積第二絕緣支撐層氮化硅500nm，光刻開通孔，裸露出電阻加熱層3的引線鍵合區(qū)；

⑤.背面光刻、干法icp各向異性蝕刻，釋放懸膜。

實(shí)施例二：

如圖3所示，本發(fā)明一種微熱盤結(jié)構(gòu)，它包括襯底1、第一絕緣支撐層2、電阻加熱層3、第二絕緣支撐層4，所述第一絕緣支撐層2設(shè)置在襯底1上，所述電阻加熱層3設(shè)置在第一絕緣支撐層2上，所述第二絕緣支撐層4設(shè)置在第一絕緣支撐層2上，且完全覆蓋在電阻加熱層3上方，并開通孔設(shè)置有一組引線鍵合區(qū)。所述第一絕緣支撐層2、電阻加熱層3、第二絕緣支撐層4形成三明治結(jié)構(gòu)，所述電阻加熱層3的側(cè)壁邊界中間輪廓5具有~5°臺階狀傾斜結(jié)構(gòu)，所述電阻加熱層3的側(cè)壁邊界頂端輪廓6具有平滑過渡形貌結(jié)構(gòu)。

其中，所述襯底1材料是單晶硅。所述第一絕緣支撐層2材料是氮化硅。

所述的電阻加熱層3材料是pt。所述第二絕緣支撐層4材料是氮化硅。

下面詳細(xì)說明這種結(jié)構(gòu)的微熱盤的制造方法，它包括以下步驟：

①.lpcvd沉積第一絕緣支撐層氮化硅500nm；

②.liftoff沉積電阻加熱層pt150nm；

③.采用縮小掩膜版，再次liftoff沉積電阻加熱層pt150nm，兩次沉積的側(cè)壁邊界間隔w為2um；

④.濕法etchback100nm，各向同性蝕刻時(shí)，凸起的位置腐蝕速率快，凹陷的位置腐蝕速率慢，得到具有平滑過渡形貌結(jié)構(gòu)的側(cè)壁邊界輪廓；

⑤.lpcvd沉積第二絕緣支撐層氮化硅500nm，光刻開通孔，裸露出電阻加熱層3的引線鍵合區(qū)；

⑥.背面光刻、干法icp各向異性蝕刻，釋放懸膜。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。