本發(fā)明涉及mems傳感器制造領(lǐng)域，更具體地涉及一種具有微納結(jié)構(gòu)增強的微加熱器及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著微加工技術(shù)的不斷發(fā)展，基于mems工藝的微型加熱器已開始在氣體探測，環(huán)境監(jiān)控和紅外光源等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但是，由于探測器應(yīng)用環(huán)境的多樣性以及復(fù)雜性，人們對微型加熱器的低功耗、低成本、高性能、高可靠的要求也日益強烈。如何制作出低功耗高性能的微加熱器成為該領(lǐng)域研究熱點。

當(dāng)前基于硅襯底的mems微加熱器根據(jù)支撐方式不同主要分為兩大類，一類是封閉膜式，另一類是懸臂膜式。封閉膜式mems微加熱器是指微加熱器的熱區(qū)通過薄膜與硅襯底相連，采用背面干法刻蝕或濕法腐蝕的方法釋放正面的整個膜區(qū)。懸臂膜式mems微加熱器是指微加熱的熱區(qū)與襯底由數(shù)條懸臂梁連接，采用干法刻蝕或濕法腐蝕的方法釋放正面的熱區(qū)和懸臂梁區(qū)。隨著mems器件的不斷發(fā)展以及應(yīng)用環(huán)境的多樣性，基于兩種膜式的mems微加熱器出現(xiàn)了各式各樣的形狀，比如：圓形、矩形、正方形或多邊形等，懸臂膜式的mems微加熱器發(fā)展出單懸臂、雙懸臂、三懸臂以及四懸臂的支撐膜式。

由于應(yīng)用的不斷推廣和深入，對微型加熱器的低功耗、低成本、高性能、高可靠的要求也日益強烈。不管是封閉膜式還是懸臂膜式的mems微加熱器的熱區(qū)是二維平面型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)易受熱對流影響，使得微加熱器熱區(qū)溫度不穩(wěn)定，影響器件響應(yīng)的穩(wěn)定性和靈敏度。同時，兩類微加熱器的對流熱量損耗大，導(dǎo)致了器件實際應(yīng)用中功耗大。因此，如何解決當(dāng)前二維微加熱器熱量損耗高、功耗大和熱穩(wěn)定性不足的問題成為研究重點。

本發(fā)明采用微加工技術(shù)，通過薄膜的微納結(jié)構(gòu)改變其熱傳導(dǎo)特性，可以顯著降低熱量損耗，增強光輻射，為獲得低功耗、熱穩(wěn)定性強的微加熱器和強輻射的光源提供有效的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種具有微納結(jié)構(gòu)增強的微加熱器及其制備方法，從而解決現(xiàn)有技術(shù)中二維微加熱器熱量損耗高、功耗大、熱穩(wěn)定性和光輻射不足的問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種具有微納結(jié)構(gòu)增強的微加熱器的其制備方法，所述制備方法包括以下步驟：s1：提供一種半導(dǎo)體單晶襯底，在所述半導(dǎo)體單晶襯底的表面制備出薄膜掩膜，并在所述薄膜掩膜表面刻蝕出窗口陣列，露出所述窗口陣列內(nèi)的半導(dǎo)體單晶襯底表面；s2：采用濕法技術(shù)腐蝕所述窗口陣列內(nèi)露出的半導(dǎo)體單晶襯底表面，并在該表面形成微納金字塔結(jié)構(gòu)；s3：移除步驟s1中形成的所述薄膜掩膜，繼而在所述半導(dǎo)體單晶襯底的表面制備出薄膜，在步驟s2中形成的所述微納金字塔結(jié)構(gòu)的表面制備出微納結(jié)構(gòu)薄膜；s4：采用金屬沉積技術(shù)和金屬薄膜圖形化技術(shù)在所述微納結(jié)構(gòu)薄膜的表面制備出微加熱器電阻絲和電極；s5：對步驟s3中在所述半導(dǎo)體單晶襯底的表面形成的薄膜進行圖形化和薄膜刻蝕形成釋放區(qū)域，所述微納結(jié)構(gòu)薄膜通過支撐膜結(jié)構(gòu)支撐；以及s6：采用干法刻蝕技術(shù)或濕法腐蝕技術(shù)釋放所述微納結(jié)構(gòu)薄膜，獲得一種具有微納結(jié)構(gòu)增強的微加熱器。

在所述步驟s1中：半導(dǎo)體單晶襯底包括單晶硅襯底、soi襯底以及鍺襯底中的任意一種；所述薄膜掩膜包括高溫?zé)嵫趸纬傻难趸杌蛘呋瘜W(xué)氣相沉積形成的氧化硅或氮化硅；所述窗口陣列采用等離子刻蝕方法刻蝕；所述窗口陣列的形狀包括正方形、矩形或圓形中的任意一種及其組合。

根據(jù)本發(fā)明的制備方法的一種實施方式，步驟s1包括：將標(biāo)準(zhǔn)清洗后的硅片放入高溫氧化爐中，在硅片表面高溫?zé)嵫趸L一層氧化硅層，用于后期的干法刻蝕掩膜層和濕法腐蝕過程中的阻擋層。

所述步驟s2中采用的濕法技術(shù)選自以下方法中的任意一種：a、采用氫氧化鉀、異丙醇和去離子水的混合溶液在80～85℃下進行的硅腐蝕技術(shù)；b、采用氫氧化鈉、亞硫酸鈉、異丙醇和去離子水的混合溶液在75～80℃下進行的硅腐蝕技術(shù)；以及c、采用tmah溶液進行的硅腐蝕技術(shù)。

所述步驟s2中得到的微納金字塔結(jié)構(gòu)具有0.5um～1.5um的臺階高度，金字塔由(111)晶面組成，所述(111)晶面與所述半導(dǎo)體單晶襯底表面之間的夾角為54.7度。

根據(jù)本發(fā)明的制備方法的一種實施方式，步驟s2包括：采用光刻技術(shù)圖形化硅片表面，再用刻蝕技術(shù)將圖形刻蝕到硅片表面。具體過程：設(shè)計出光刻版，在版圖中設(shè)計出規(guī)律排列的正方形的曝光區(qū)域；接著進行光刻，然后去離子水沖洗和氮氣吹干，后烘30min；最后進行干法刻蝕，采用samco等離子刻蝕設(shè)備刻蝕氧化硅，去除光刻膠，暴露出正方形區(qū)域中的襯底表面；使用濕法腐蝕工藝處理步驟硅片，在正方形區(qū)域內(nèi)的單晶襯底表面制備微納金字塔結(jié)構(gòu)，又稱黑硅結(jié)構(gòu)。具體步驟為：首先配置濕法腐蝕混合溶液，取koh、40ml的異丙醇和去離子水放到燒杯中充分?jǐn)嚢?，水浴加熱；接著將所述硅片平放到混合溶液中，腐蝕；最后將硅片放到去離子水中沖洗和氮氣吹干。

所述步驟s3中薄膜的制備方法選自以下方法中的任意一種：高溫?zé)嵫趸ā⒒瘜W(xué)氣相沉積法以及等離子增強化學(xué)沉積法。

所述步驟s3中制備的薄膜包括：氧化硅薄膜、氮化硅薄膜等等。

根據(jù)本發(fā)明的制備方法的一種實施方式，步驟s3包括：使用boe溶液去除所述硅片表面的氧化層掩膜，腐蝕一定時間后去離子水沖洗和氮氣吹干；在所述硅片的表面沉積絕熱的多層薄膜，在正方形區(qū)域內(nèi)形成微納結(jié)構(gòu)薄膜。具體步驟：首先將硅片放入高溫氧化爐中，在硅片表面高溫?zé)嵫趸L一層氧化硅層；然后將其放到低壓化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中沉積氮化硅，殘余應(yīng)力在50～200mpa范圍。

所述步驟s4中金屬沉積技術(shù)包括磁控濺射金屬沉積技術(shù)和金屬蒸發(fā)沉積技術(shù)；金屬薄膜圖形化技術(shù)包括以厚光刻膠為犧牲層的有機-超聲金屬剝離圖形化技術(shù)和物理作用的高能離子束刻蝕圖形化技術(shù)；金屬薄膜包括ti/pt、ni/pt和cr/pt等黏附層金屬與溫度系數(shù)穩(wěn)定金屬相結(jié)合的薄膜；微加熱器電阻絲寬度為5um～10um，厚度為1000?！?000埃；電阻絲形狀包括蛇形、回字形或螺旋形。

根據(jù)本發(fā)明的制備方法的一種實施方式，步驟s4包括：首先設(shè)計微加熱器電阻絲光刻版；接著進行光刻，然后去離子水沖洗和氮氣吹干；再用磁控濺射技術(shù)在有圖形面沉積200埃/2000埃的ti/pt金屬；最后使用有機溶液和超聲相結(jié)合的方法剝離圖形區(qū)域以外的金屬，制備出微加熱電阻絲和電極；使用金合金化技術(shù)處理所述硅片。具體步驟：將所述硅片放置到350攝氏度的爐管中，在氮氣環(huán)境中熱處理。此步驟可使沉積的金屬更加穩(wěn)定，與薄膜的附著更強。

在所述步驟s5中，圖形化采用紫外光刻技術(shù)；薄膜刻蝕采用等離子體刻蝕技術(shù)；所述支撐膜結(jié)構(gòu)包括封閉膜式結(jié)構(gòu)和懸臂膜式結(jié)構(gòu)，所述懸臂膜式結(jié)構(gòu)包括：單懸臂梁、雙懸臂梁、三根懸臂梁或四根懸臂梁等等。

根據(jù)本發(fā)明的制備方法的一種實施方式，步驟s5包括：采用光刻技術(shù)轉(zhuǎn)移圖形到所述硅片表面，然后等離子刻蝕出釋放區(qū)域圖形。具體步驟：首先，設(shè)計出光刻版，在版圖中設(shè)計出規(guī)律排列的圖形，周期為2mm；接著進行光刻，然后去離子水沖洗和氮氣吹干；最后進行干法刻蝕，采用samco等離子刻蝕設(shè)備刻蝕復(fù)合薄膜1.35um，刻蝕時間8min30s，去除光刻膠，暴露出圖形區(qū)域中的襯底表面。

所述步驟s6中采用的干法刻蝕技術(shù)包括等離子體刻蝕技術(shù)和氟化氙各向同性腐蝕技術(shù)，濕法腐蝕技術(shù)包括koh和tmah的各向異性腐蝕技術(shù)以及硝酸/雙氧水的各向同性腐蝕技術(shù)。

根據(jù)本發(fā)明的制備方法的一種實施方式，步驟s6包括：首先將tmah溶液水浴加熱到80攝氏度，磁力攪拌；接著將所述硅片放入溶液中，濕法腐蝕后去離子清洗和氮氣吹干，最后獲得一種基于懸空的微納結(jié)構(gòu)薄膜的微加熱器。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種根據(jù)上述制備方法制備得到的具有微納結(jié)構(gòu)增強的微加熱器。

綜上所述，本發(fā)明提供一種具有微納結(jié)構(gòu)增強的微加熱器制備方法，包括步驟：提供一種半導(dǎo)體單晶襯底；首先采用高溫?zé)嵫趸夹g(shù)在單晶襯底表面生長氧化硅薄膜，在其表面刻蝕出窗口，露出襯底單晶硅表面；接著采用濕法腐蝕方法在露出的單晶硅表面制備出微納金塔結(jié)構(gòu)，再依次沉積氧化硅或氮化硅復(fù)合薄膜，在窗口區(qū)域制備出微納結(jié)構(gòu)薄膜，并用金屬薄膜圖形化技術(shù)在其表面制備出微加熱器電阻絲；最后采用濕法腐蝕或干法刻蝕的方法釋放微納結(jié)構(gòu)薄膜，制備出具有微納結(jié)構(gòu)增強的微加熱器。

本發(fā)明采用微加工技術(shù)，通過薄膜的微納結(jié)構(gòu)改變其熱傳導(dǎo)特性，可以顯著降低熱量損耗，增強光輻射，為獲得低功耗、熱穩(wěn)定性強的微加熱器和強輻射的光源提供有效的方法。

附圖說明

圖1顯示為(100)單晶硅襯底；

圖2顯示為在(100)單晶硅襯底表面高溫?zé)嵫趸苽涑鲅趸柩谀又蟮慕Y(jié)構(gòu)示意圖；

圖3顯示為采用等離子刻蝕技術(shù)在氧化硅掩膜層上刻蝕出正方形窗口之后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4顯示為正方形窗口內(nèi)濕法腐蝕制備的微納金字塔結(jié)構(gòu)之后的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4a顯示為微納金字塔結(jié)構(gòu)的放大示意圖；

圖5顯示為通過boe去除氧化硅掩膜層之后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6顯示為采用薄膜制備技術(shù)沉積的單層或多層薄膜，制備出微納結(jié)構(gòu)薄膜之后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7顯示為在襯底表面制備微加熱電阻絲和電極之后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8顯示為采用等離子刻蝕技術(shù)刻蝕釋放區(qū)域之后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9顯示為采用濕法腐蝕技術(shù)制備的一種四根懸臂梁支撐的具有微納結(jié)構(gòu)增強的微加熱器；

圖10顯示為根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例制備的雙懸臂梁支撐的具有微納結(jié)構(gòu)增強的微加熱器。

其中，1-單晶硅襯底；2-氧化硅薄膜；3-刻蝕出的正方形窗口；4-微納金字塔結(jié)構(gòu)；5-單層或多層薄膜；6/13-微納結(jié)構(gòu)薄膜；7-ti/pt電阻絲；8-ti/pt電極；9-刻蝕出的釋放區(qū)；10-腐蝕槽；11-懸空的微納結(jié)構(gòu)薄膜；12-懸臂梁；13-長方形的微納結(jié)構(gòu)薄膜。

具體實施方式

以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明做進一步說明。應(yīng)理解，以下實施例僅用于說明本發(fā)明而非用于限制本發(fā)明的范圍。

根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，提供一種具有微納結(jié)構(gòu)增強的微加熱器的制備方法，具體步驟如下：

1)選擇一種(100)晶面的雙面拋光單晶硅襯底1，晶圓的大切邊晶向為<110>晶向，晶圓尺寸為4寸，厚度為400um～420um，電阻率為3～8歐姆厘米，摻雜類型為n型，如圖1所示。實際上，該步驟s1中所選用的半導(dǎo)體襯底并不僅限于單晶硅襯底，也可以是soi襯底或鍺襯底等等。

2)使用半導(dǎo)體工藝中的標(biāo)準(zhǔn)清洗過程對步驟s1中選擇的單晶硅襯底1進行標(biāo)洗。具體過程：將步驟s1選擇的硅片首先放入體積比為7:1的濃硫酸和雙氧水混合溶液中，清洗溫度為120攝氏度，清洗10分鐘后去離子水沖洗；接著將硅片放入體積比為7:1:1的去離子水、雙氧水和氨水的混合溶液中，清洗溫度為75攝氏度，清洗10分鐘后去離子水沖洗；最后將硅片放入體積比為50:1的去離子水和氫氟酸混合溶液中，常溫下清洗10分鐘后去離子水沖洗，然后氮氣吹干。

3)將步驟s2標(biāo)準(zhǔn)清洗后的硅片放入高溫氧化爐中，溫度設(shè)置為1100攝氏度，在硅片表面高溫?zé)嵫趸L一層1000埃的高質(zhì)量的氧化硅層2，用于后期的干法刻蝕掩膜層和濕法腐蝕過程中的阻擋層。圖2顯示為在(100)單晶硅襯底表面高溫?zé)嵫趸苽溲趸柩谀樱?表示單晶硅，2表示為高溫生長的氧化硅層。

4)采用光刻技術(shù)圖形化硅片表面，再用刻蝕技術(shù)將圖形3刻蝕到硅片表面。具體過程：首先，設(shè)計出光刻版，在版圖中設(shè)計出規(guī)律排列的正方形3的曝光區(qū)域，正方形的邊長為150um，周期為2mm；接著進行光刻，軌道涂膠機旋涂1.7um的lc100a光刻膠，前烘90s，紫外曝光4.5s，顯影45s，然后去離子水沖洗和氮氣吹干，后烘30min；最后進行干法刻蝕，采用samco等離子刻蝕設(shè)備刻蝕氧化硅1000埃，刻蝕時間1min，去除光刻膠，暴露出正方形區(qū)域中的襯底表面。圖3顯示為等離子刻蝕技術(shù)刻蝕的正方形窗口，3表示為正方形的圖形區(qū)域。

5)使用濕法腐蝕工藝處理步驟4)所述的硅片，在正方形區(qū)域內(nèi)的單晶襯底表面制備微納金字塔結(jié)構(gòu)4，又稱黑硅結(jié)構(gòu)。具體步驟為：首先配置濕法腐蝕混合溶液，取16.18g的koh、40ml的異丙醇和760ml的去離子水放到燒杯中充分?jǐn)嚢?，水浴加熱?5攝氏度；接著將步驟4)所述硅片平放到混合溶液中，腐蝕5min；最后將硅片放到去離子水中沖洗和氮氣吹干。圖4顯示為圓形窗口內(nèi)濕法腐蝕制備的微納金字塔結(jié)構(gòu)，4表示微納金字塔結(jié)構(gòu)，圖4a顯示為微納結(jié)構(gòu)示意圖。該微納金字塔結(jié)構(gòu)4的臺階高度為0.5um～1.5um，金字塔由(111)晶面組成，(111)晶面與襯底表面之間的夾角θ為54.7度。

6)使用boe溶液去除步驟5)所述硅片表面的氧化層掩膜，腐蝕時間2min后去離子水沖洗和氮氣吹干。圖5顯示為通過boe去除氧化硅掩膜層，4表示微納金字塔結(jié)構(gòu)。

7)在步驟6)所述硅片的表面沉積絕熱的多層薄膜5，在正方形區(qū)域內(nèi)形成微納結(jié)構(gòu)薄膜6。具體步驟：首先將硅片放入高溫氧化爐中，溫度設(shè)置為1100攝氏度，在硅片表面高溫?zé)嵫趸L一層3500埃的高質(zhì)量的氧化硅層；然后將其放到低壓化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中沉積1um的低應(yīng)力氮化硅，殘余應(yīng)力在50～200mpa范圍。圖6顯示為薄膜制備技術(shù)沉積的單層或多層薄膜，制備微納結(jié)構(gòu)薄膜，5表示復(fù)合薄膜，6表示微納結(jié)構(gòu)薄膜。

8)在步驟7)所述襯底表面制備微加熱電阻絲7和電極8。具體步驟：首先設(shè)計微加熱器電阻絲光刻版；接著進行光刻，軌道涂膠機旋涂3um的lc100a光刻膠，前烘40s，紫外曝光7.5s，顯影55s，然后去離子水沖洗和氮氣吹干；再用磁控濺射技術(shù)在有圖形面沉積200埃/2000埃的ti/pt金屬；最后使用有機溶液和超聲相結(jié)合的方法剝離圖形區(qū)域以外的金屬，制備出微加熱電阻絲7和電極8。圖7顯示為微加熱器加熱電阻制備，6表示微加熱電阻絲，8表示電極。

9)使用金合金化技術(shù)處理步驟s8所述硅片。具體步驟：將步驟8)所述硅片放置到350攝氏度的爐管中，在氮氣環(huán)境中熱處理30min。此步驟可使沉積的金屬更加穩(wěn)定，與薄膜的附著更強。

10)采用光刻技術(shù)轉(zhuǎn)移圖形9到步驟9)所述的硅片表面，然后等離子刻蝕出釋放區(qū)域圖形9。具體步驟：首先，設(shè)計出光刻版，在版圖中設(shè)計出規(guī)律排列的如圖6所示的圖形7，周期為2mm；接著進行光刻，軌道涂膠機旋涂3um的lc100a光刻膠，前烘90s，紫外曝光14s，顯影55s，然后去離子水沖洗和氮氣吹干，后烘30min；最后進行干法刻蝕，采用samco等離子刻蝕設(shè)備刻蝕復(fù)合薄膜1.35um，刻蝕時間8min30s，去除光刻膠，暴露出圖形9區(qū)域中的襯底表面。圖8顯示為等離子刻蝕技術(shù)刻蝕的釋放區(qū)域，9表示為干法刻蝕的釋放區(qū)域。

11)使用各向異性濕法腐蝕工藝腐蝕步驟s8所述的硅片，獲得基于懸空的微納結(jié)構(gòu)薄膜11的微加熱器。具體步驟：首先將tmah溶液水浴加熱到80攝氏度，磁力攪拌速度為500轉(zhuǎn)/秒；接著將步驟s8所述的硅片放入溶液中，濕法腐蝕4h后去離子清洗和氮氣吹干，最后獲得四根懸臂梁支撐的懸空的微納結(jié)構(gòu)薄膜的微加熱器。圖9顯示為濕法腐蝕制備的具有微納結(jié)構(gòu)增強的微加熱器，10表示腐蝕槽，11表示懸空的微納結(jié)構(gòu)薄膜，12表示懸臂梁。本實施例中采用的是四根懸臂梁的支撐膜結(jié)構(gòu)，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，此處僅作為舉例而非限制，實際上還可以根據(jù)需求調(diào)整為單懸臂梁、雙懸臂梁、三根懸臂梁或封閉膜式結(jié)構(gòu)等等任何其他的結(jié)構(gòu)，只要能夠?qū)崿F(xiàn)對微納結(jié)構(gòu)薄膜的支撐作用即可。

12)重復(fù)步驟1)-步驟11)，不同之處在于將微納結(jié)構(gòu)區(qū)改成長方形，以及支撐膜結(jié)構(gòu)由原來的四懸臂梁改為雙懸臂梁，最后濕法腐蝕釋放得到雙懸臂梁支撐的懸空的微納結(jié)構(gòu)增強的微加熱器。圖10顯示為雙懸臂梁支撐的具有微納結(jié)構(gòu)增強的微加熱器，13表示長方形的微納結(jié)構(gòu)薄膜。

以上所述的，僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的上述實施例還可以做出各種變化。凡是依據(jù)本發(fā)明申請的權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明專利的權(quán)利要求保護范圍。本發(fā)明未詳盡描述的均為常規(guī)技術(shù)內(nèi)容。