一种硅基结构的微热板及其制备方法[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810398572.8
(22)申请日 2018.04.28
(71)申请人 南京邮电大学
地址 210023 江苏省南京市栖霞区文苑路9
号
(72)发明人 李卫　刘菊燕　丁超　王琳琳　
蔡云　潘沛峰　
(74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限
公司 32200
代理人 楼高潮
(51)Int.Cl.
B81B 7/02(2006.01)
B81C 1/00(2006.01)
(54)发明名称
一种硅基结构的微热板及其制备方法
(57)摘要
本发明公开了一种硅基结构的微热板及其
制备方法，所述微热板的衬底采用晶向为<100>
的单晶硅，所述衬底表面由内致外依次覆盖有多
孔硅层、绝热层和加热区，所述绝热层为二氧化
硅层，所述加热区为Pt电极；其中，衬底背部与多
孔硅层被腐蚀成坑。

本发明的微热板在原有的腐
蚀基础上，进一步腐蚀中间的多孔硅层。

腐蚀后
的绝热层，与空气接触面积变大，因为空气的导
热性能差，所以可以有效的防止工作区的热量散
失到硅基上；新设计的旁热式Pt电极能将热量有
效的集中在工作区域内，提高工作效率。

所述制
备方法成本低，加工工艺稳定，
易于批量生产。

权利要求书1页 说明书4页 附图5页CN 108439326 A 2018.08.24
C N 108439326
A
1.一种硅基结构的微热板，包括衬底，其特征在于，所述衬底采用单晶硅，所述衬底表面由内致外依次覆盖有多孔硅层、绝热层和加热区，所述加热区为信号电极和加热电极；其中，衬底背部与多孔硅层被腐蚀成坑。

2.根据权利要求1所述的一种硅基结构的微热板，其特征在于，所述单晶硅的晶向为<100>。

3.根据权利要求1所述的一种硅基结构的微热板，其特征在于，所述绝热层为二氧化硅层。

4.根据权利要求1所述的一种硅基结构的微热板，其特征在于，所述信号电极和加热电极均采用Pt金属电极。

5.根据权利要求1所述的一种硅基结构的微热板，其特征在于，所述微热板整体的表面覆有一层二氧化锡薄膜。

6.权利要求1所述的一种硅基结构的微热板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)制备和清洗硅片，作为衬底；
步骤2)制备多孔硅：使用阳极氧化方法在步骤1)制备的衬底上形成多孔硅层；
步骤3)制备绝热层：在可编程控制的氧化炉中对步骤2)制备的多孔硅层进行热氧化，形成二氧化硅作为绝热层；
步骤4)溅射Pt电极：在步骤3)制备的绝热层上涂敷正性光刻胶，加掩模版后，进行紫外线曝光、显影，再磁控溅射Pt，利用Ar离子冲击，剥离光刻胶及其上面的Pt，制成Pt电极作为加热区；
步骤5)腐蚀衬底和多孔硅层：使用氢氧化钠溶液从背面腐蚀掉加热区下的硅衬底，并进一步腐蚀中部的多孔硅层，制成所述硅基结构的微热板。

权　利　要　求　书1/1页CN 108439326 A
一种硅基结构的微热板及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于半导体传感器领域，具体涉及一种硅基结构的微热板及其制备方法。

背景技术
[0002]工业的迅速发展在带来可观利益的同时，也对环境造成了污染。

工厂排放的有害有毒气体时刻在危害着生态环境和人类的健康。

在个人家庭中，易燃、易爆气体同样存在着威胁。

气敏传感器是一种电子鼻，它能够检测到空气中的有毒有害气体，并将检测到的气体成分和浓度转换成电信号。

广泛应用于化工、环境检测、防灾报警等方面。

[0003]近年来，微电子机械系统(MEMS)技术得到大力的发展。

在传感器上应用MEMS技术，是目前国内外的研究热点。

微结构的气敏传感器相比传统的气敏传感器，它具有体积小、功耗低、可集成、灵敏度高、成本低等优势。

[0004]气敏传感器的正常工作与其上的敏感材料有关。

敏感材料工作在空气中时，空气中的氧气吸附敏感材料表面的电子，从而使其带负电。

只有在相应的高温下，才能加速敏感材料与被测气体之间的氧化还原反应，这样电阻特性就会发生变化。

在微结构的气敏传感器中，微热板(MHP)为敏感材料提供相应的高温工作环境。

因此，在设计微热板结构时要考虑工作状态是否高温且工作的区域温度是否分布均匀。

[0005]空气具有很低的导热系数，充分发挥空气在绝热方面的优势，能够有效的提高工作温度，从而降低功耗。

[0006]CN 102730621B公开了一种加热丝嵌入式硅基微热板及加工方法，该微热板通过将加热丝埋入到基底绝缘膜层中，来提高微热板在高温工作时的稳定性。

但是该直热式的加热层存在以下缺点：首先信号回路与加热回路之间有影响；其次加热后器件膨胀收缩，容易造成接触不良。

[0007]CN 203998937U公开了一种MEMS硅基微热板，该微热板在上述专利的基础上，采用在硅衬底表面形成一层多孔硅层，并在多孔硅层上覆盖一层二氧化硅薄膜作为绝热层，起到更好的保温隔热效果，但并未解决直热式加热层存在的缺陷。

发明内容
[0008]针对现有技术的不足，本发明公开了一种硅基结构的微热板及其制备方法，在传统的硅基与二氧化硅绝热层之间新增加一层多孔硅，利用氧化多孔硅方法制备更好性能的二氧化硅绝热层；而新设计的旁热式Pt电极，不仅克服了直热式加热层存在的缺陷，而且产热更集中，能够使工作区的温度更高更均匀。

该硅基结构的微热板，能够达到更高的温度，因此仅需较低的功耗，就能达到正常工作温度。

[0009]本发明是通过以下技术方案实现的：
[0010]一种硅基结构的微热板，包括衬底，所述衬底采用单晶硅，所述衬底表面由内致外依次覆盖有多孔硅层、绝热层和加热区，所述加热区为信号电极和加热电极；其中，衬底背部与多孔硅层被腐蚀成坑。

[0011]优选的，所述单晶硅的晶向为<100>。

[0012]优选的，所述绝热层为二氧化硅层。

[0013]优选的，所述信号电极和加热电极均采用Pt金属电极。

[0014]优选的，所述微热板整体的表面覆有一层二氧化锡薄膜。

[0015]一种硅基结构的微热板的制备方法，包括以下步骤：
[0016]步骤1)制备和清洗硅片，作为衬底；
[0017]步骤2)制备多孔硅：使用阳极氧化方法在步骤1)制备的衬底上形成多孔硅层；[0018]步骤3)制备绝热层：在可编程控制的氧化炉中对步骤2)制备的多孔硅层进行热氧化，形成二氧化硅作为绝热层；
[0019]步骤4)溅射Pt电极：在步骤3)制备的绝热层上涂敷正性光刻胶，加掩模版后，进行紫外线曝光、显影，再磁控溅射Pt，利用Ar离子冲击，剥离光刻胶及其上面的Pt，制成Pt电极作为加热区；
[0020]步骤5)腐蚀衬底和多孔硅层：使用氢氧化钠溶液从背面腐蚀掉加热区下的硅衬底，并进一步腐蚀中部的多孔硅层，制成所述硅基结构的微热板。

[0021]本发明与现有技术相比较，具有以下突出的优点：
[0022]在传统的硅衬底和二氧化硅之间增加一层多孔硅。

在多孔硅上氧化制备出二氧化硅。

这种二氧化硅相比其他，厚度增加，能防止二氧化硅从表面剥落或卷曲。

传统工艺在微热板的工作区背部腐蚀成坑，使得加热工作区与起支撑作用的硅基隔离开，降低了热传导损耗。

本发明在原有的腐蚀基础上，进一步腐蚀中间的多孔硅层。

腐蚀后的绝热层，与空气接触面积变大，因为空气的导热性能差，所以可以有效的防止工作区的热量散失到硅基上。

新设计的Pt电极能够有效提高工作区域的温度，均匀温度分布。

[0023]1、绝热层的效果明显。

新加一层绝热性能好的多孔硅，二氧化硅厚度增加。

[0024]2、Pt电极产热更集中。

新设计的Pt电极能够使工作区的温度更高更均匀。

[0025]3、功耗降低，同时工作区的温度分布也均匀。

[0026]4、成本低、加工工艺稳定，易于批量生产。

附图说明
[0027]图1是微热板的结构示意图；
[0028]图2是微热板上加热电极和信号电极的结构示意图；
[0029]图3是施加相同热生成率时不增加多孔硅的微热板的有限元仿真结果图；[0030]图4是施加相同热生成率时增加多孔硅的微热板的有限元仿真结果图；
[0031]图5是清洗烘干后的硅片的示意图；
[0032]图6是在硅片上制备多孔硅的示意图；
[0033]图7是在多孔硅层上制备二氧化硅的示意图；
[0034]图8是涂敷正性光刻胶的示意图；
[0035]图9是加掩模版、对其紫外线曝光的示意图；
[0036]图10是对曝光后的器件进行显影的示意图；
[0037]图11是在器件表面溅射Pt的示意图；
[0038]图12是剥离光刻胶以及上面多余的Pt的示意图；
[0039]图13是背部腐蚀工作区下的硅衬底的示意图；
[0040]图14是进一步腐蚀中间的多孔硅的示意图。

[0041]图中：1、硅衬底；2、多孔硅；3、二氧化硅；4、信号电极；5、加热电极；6、正性光刻胶；
7、掩模版。

具体实施方式
[0042]下面结合附图与实施例对本发明做进一步阐述。

[0043]实施例1
[0044]一种硅基结构的微热板，如图1所示。

衬底选择<100>晶向的单晶硅，如图5所示；首先使用阳极氧化方法在单晶硅衬底上形成多孔硅2，如图6所示；然后将部分多孔硅2氧化形成二氧化硅3，附着在多孔硅2的表面，如图7所示；在二氧化硅3的表面进行甩胶，使得正性光刻胶6均匀分布在二氧化硅3上，如图8所示，为了增加正性光刻胶6与二氧化硅3之间的粘合性，在甩胶后立即对其烘干。

[0045]按照图2的电极形状，刻制相应的掩模版7，使硅片只露出需要溅射电极的位置，而其他部分都用光刻胶保护好。

新型的信号电极4与加热电极5，能够减少对工作区域的磁场干扰，提高工作区域的温度。

两者都采用Pt金属，因为Pt金属能够在高温下稳定工作，同时Pt金属与周围环境的温差比其他材料小，从而减少损耗。

[0046]使用掩模版7对正性光刻胶6进行紫外光曝光，如图9所示；正性光刻胶在被紫外光曝光后的部分更容易溶解于显影液中，显影后的器件如图10所示；利用磁控溅射在器件的表面镀上Pt金属，如图11所示；对于多余的光刻胶和Pt金属，利用Ar离子冲击剥离，剥离后的器件如图12所示；在微热板工作区的背部腐蚀成坑，使得加热区与起支撑作用的硅衬底1隔离开，减少热传导损耗，如图13所示；在原有的腐蚀基础上，采用化学腐蚀法腐蚀掉中间部分的多孔硅2，如图14所示；腐蚀后的绝热层，与空气接触面积变大，空气的导热性能差，能有效的防止工作区的热量散失到硅衬底1上。

[0047]一种优选的方案，可在微热板整体的表面磁控溅射二氧化锡薄膜作为气敏传感器的敏感材料。

[0048]一种硅基结构的微热板的工艺流程，采用硅微机械加工工艺制作而成，其具体步骤如下所示：
[0049](1)硅片的制备和清洗：将硅片在高温浓硫酸溶液中煮5min，然后用去离子水清洗硅片上沾染的杂质和灰尘等，最后用氮气枪吹干硅片，再在110℃烘箱中烘干30min。

[0050](2)制备多孔硅：使用阳极氧化方法在硅衬底1上形成多孔硅2。

[0051](3)制备二氧化硅：在可编程控制的氧化炉中对多孔硅2进行热氧化。

[0052](4)溅射Pt电极：在二氧化硅3上涂敷正性光刻胶6。

加掩模版7后，进行紫外线曝光、显影；磁控溅射Pt，利用Ar离子冲击，剥离光刻胶及其上面的Pt。

[0053](5)腐蚀硅衬底和部分绝热层：使用20％的氢氧化钠溶液从背面腐蚀掉工作区下的硅衬底1；在此基础上进一步腐蚀中间的多孔硅2的部分。

[0054]对比例1
[0055]通过ANSYS仿真软件对有无增加多孔硅的器件分别进行了热分析，如图3、图4所示，图3是施加相同热生成率时不增加多孔硅的微热板的有限元仿真结果图，图4是施加相
同热生成率时增加多孔硅的微热板的有限元仿真结果图。

通过对比图3、图4可以发现，新型的信号电极4和加热电极5使得高温区域的面积较大，温度分布均匀。

增加多孔硅后的微热板在相同热生成率下温度更高，温度分布更加均匀。

[0056]本发明的微热板在原有的基础上，仅腐蚀绝热层就能达到更优的效果。

具有功耗低、工作区温度分布均匀、成本低、易批量生产等优点。

[0057]在发明所披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明所揭露的技术范围之内。

因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

图1
图2
图3
图4
图5
图6
图7
图8
图9
图10
图11
图12
图13图14说　明　书　附　图5/5页CN 108439326 A 11。