自帶均熱板的微彈簧式懸臂梁微加熱器的研究

高升謙 傅剛 劉志宇 王笑天

摘 要：利用硅基MEMS工藝，通過背面分步刻蝕工藝濕法刻蝕<100>晶向硅片，結合SiO2薄膜熱氧化工藝、磁控濺射薄膜制備工藝、光刻工藝、lift-off工藝，制備了一種自帶均熱板的微彈簧式懸臂梁微加熱器。L型懸臂梁結構比直線型結構應力分布均勻。標定了微加熱器的R-T曲線、I-V曲線。微加熱器在工作電壓為2.3V時，加熱電阻值為60.96Ω，功耗為86.72mV，可獲得673K的工作溫度。

關鍵詞：MEMS 均熱板 懸臂梁 微彈簧 微加熱器

中圖分類號：TN37 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（c）-0004-02

隨著MEMS技術、微電子技術、薄膜技術的發(fā)展，在微加熱器研究領域，為了獲得高質量的均溫區(qū)域，主要的改進方法有調整加熱電阻空間布局，增大邊界的發(fā)熱和減小中間區(qū)域發(fā)熱的方式[1]，或通過多層沉積的調整，將均熱板與加熱回路、工作回路隔離開以便獲得更大面積的均溫區(qū)域[2]。微加熱器的加熱電阻一般選用較為昂貴的Pt作為加熱絲，不利于降低生產成本。因此該論文提出了一種Cr為加熱絲的自帶均熱板微彈簧式懸臂梁結構的微加熱器，采用基于MEMS技術的KOH濕法各向異性刻蝕工藝[3，4]，利用刻蝕液對單晶硅<100>方向的高度選擇性刻蝕機理，選擇性地刻蝕<100>方向的硅，制備雙層Cr+SiO2薄膜作為支撐梁[5]的結構，方法是通過背面臺階式分段刻蝕技術在工作區(qū)域下方制備倒金字塔形的單晶硅膜均熱板，利用硅的高熱導率，在覆蓋的區(qū)域獲得了均勻分布的溫度場；通過微彈簧式結構[6]提高懸臂梁的熱力學穩(wěn)定性。

1 實驗過程

采用n型400μm厚的<100>晶向雙面拋光硅片，清洗后通過管式爐高溫干法雙面氧化制備SiO2薄膜，厚度為700nm。然后由JCP-350磁控濺射鍍膜機在SiO2膜上制備鉻膜，鍍膜電流為200mA，預真空為2.1×10-3Pa，濺射真空為0.5Pa，氬氣流量為30sccm，濺射時間30min，膜厚為200nm；采用JKG-2A型光刻機光刻曝光，曝光時間為30s，負光刻膠為BN303-60；采用KOH作為各向異性刻蝕液，采用硝酸鈰銨溶液作為去Cr刻蝕劑，采用HF刻蝕劑作為去SiO2薄膜刻蝕劑。結構如圖1（a）所示。整個工藝流程為：（1）氮氣高溫退火處理，500℃，1h。（2）第1次光刻，并刻蝕掉窗口處Cr薄膜和SiO2薄膜暴露出正面要鏤空的區(qū)域的Si，再用KOH刻蝕5min，刻蝕深度為5.5μm。（3）第2次光刻，刻蝕出加熱回路、工作回路。（4）正反面對齊，背面第1次光刻，去Cr、SiO2。（5）采用KOH刻蝕液刻蝕出環(huán)島結構，島高為20μm。（6）背面第2次光刻，刻蝕掉島上覆蓋的Cr、SiO2薄膜，（7）然后繼續(xù)刻蝕直到刻穿單晶硅，露出第2步操作的窗口。（8）繼續(xù)刻蝕掉懸臂梁上剩余的5.5μm硅。在最后的第8步刻蝕背面時，采用圖1（b）所示結構包裝刻蝕，其中正面用勻漿機旋涂一層光刻膠薄膜保護層。實驗發(fā)現(xiàn)，用勻漿機高速甩膠（3000r/min），制備的厚度約為200nm厚度的光刻膠在3h烘干時，可在0.5h內有效保護硅片表面。以上前7步操作中刻蝕其中一面時，均采用厚膠保護另一面。

2 結果分析

2.1 微加熱器形貌分析

圖2為采用B008型多功能數(shù)碼顯微鏡獲得的L微彈簧式懸臂梁結構圖。圖2中，加熱電阻器寬度為0.030mm，長度為1.305mm。懸臂梁寬度為0.125mm。加熱電阻器下方深顏色部分為Si倒金字塔架構均熱板，淺色區(qū)域為部分透光的Si薄膜。其中，（a）通路為加熱通路，（b）通路在本實驗中用來測量（a）通路中間區(qū)域加熱電阻性能，在采用四引線法獲取加熱器I-V數(shù)據后，可斷開四引線法連接點，在中間區(qū)域生長氣敏材料，將（b）通路變?yōu)闇y量通路。由圖3可以看出，制備的微加熱器Gr膜表面形貌完好，SiO2支撐膜基本完好，由Cr+SiO2組成的懸臂梁各處應力分布較均勻。

2.2 微加熱器的溫度標定

微加熱器加熱電阻R隨溫度的變化曲線如圖4所示。根據電阻溫度系數(shù)公式：

R=R0·（1+αT+βT2+…） （1）

其中α、β、…分別為電阻的一階、二階、高階電阻溫度系數(shù)。

由圖4可知，在（1）區(qū)域，電阻近似一階變化，因此根據電阻溫度系數(shù)（TCR）的計算公式

（2）

其中R2和R1分別對應T2和T1時的電阻。利用公式（2）求得，當T<423K時，TCR為1.01×10-3/K，說明Cr成膜質量較好。

2.3 微加熱器的I-V特性曲線分析

測量了微加熱器在不同加熱電壓下的I-V曲線，如圖4（a）所示。通過計算得到微加熱器的R-V曲線，如圖4（b）所示。

根據圖4（b）曲線與圖4曲線的數(shù)據可得，微加熱器電阻值為60.96Ω時，能產生574K的溫度，此時電壓為2.3V，平均功率為86.72mW。

3 結論

通過背面分步刻蝕工藝，制備了一種自帶均熱板的懸臂梁微加熱器。加熱電阻器寬度為0.030mm，長度為1.305mm。加熱器表面無拱起現(xiàn)象，懸臂梁各處應力分布較均勻。在86.72W加熱功率時，加熱區(qū)溫度達到573K。在工作溫度適中（<650K）時，Cr代替較為昂貴的Pt，降低生產成本。該微加熱器可作為氣敏傳感器的基座。本實驗中所制備的中間部分的均熱板工藝，也為制備電容式加速度計[7]、微熱重分析儀[8]的反應皿等微構件提供了一種新方法。

參考文獻

[1] 李建平，高曉光，朱敏慧.微結構氣敏傳感器的熱分析與結構設計[J].傳感器技術學報，2000（3）：193-198.

[2] Yaowu Mo， Yuzo Okawa，Motoshi Tajima， Takehito Nakai， et al. Micro-machined gas sensor array based on metal film micro-heater[J]. Sens. Actuators B，1997，63：183-189.

[3] Y.Q.Fu， A.Colli， A.fasoli，J.K.Luo，et al. Deep reactive ion etching as a tool for nanostructure fabrication[J].Virtual Journal of Nanascale Science and technology，2009，19（23）：1520-1526.

[4] S.Negi，R.Bhandari.Silicon isotropic and anisotropic etching for MEMSapplications[J].Microsystem Technologies，2013，19（2）：203-210.

[5] Jae H S， Insun J， Arden L， et al. Two-Dimensional Phonon Transport in Supported Graphene[J]. Science，2010，328：213.

[6] Li Hua， Shi Gengchen. Analysis of Application Pattern of MEMS Microspring[J]. Chinese journal of Sens. Actuators，2007，20，（12）：2709-2712.

[7] Cheng Wei， Zeng Xiao-lu， Bian Jian-tao， Feng Yong-jian. Design of a micro capacitive acceleration sensor based on MEMS[J]. Journal of Transducer Technology，2003，22（8）：75-77.

[8] Veleria Toffoli， Sergio Carrato， Dongkyu Lee， Sangmin Jeon，et al. Heater-integrated Cantilevers for nano-samples thermogravimetric analysis[J].Sensors，2013，13：16657-16671.