基于MEMS的微熱板結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化研究*

沈偉強(qiáng), 楊俊超, 馬 薇, 張根偉, 楊 杰, 曹樹亞

(1.國民核生化災(zāi)害防護(hù)國家重點實驗室,北京 102205； 2.蘇州力牧微電子有限公司,江蘇 蘇州 215000)

0 引 言

幾十年來,精確測量我們附近有用和有害氣體的能力一直是人們高度關(guān)注的話題。許多行業(yè)和應(yīng)用依賴于氣體傳感器,如汽車行業(yè)[1],環(huán)境監(jiān)測[2],化學(xué)戰(zhàn)劑探測[3],包括公共安全、醫(yī)療衛(wèi)生軍事航天等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景[4]。金屬氧化物半導(dǎo)體是氣體傳感器研究的熱點,而金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器在常溫下工作時功耗雖小,但是靈敏度也相對較低,需要采用加熱裝置,使敏感材料始終保持在特定溫度,最終實現(xiàn)對氣體的靈敏檢測?；谖C(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)工藝制作的微熱板可以作為加熱平臺,對敏感材料進(jìn)行加熱并使其保持在特定工作溫度,微熱板型氣體傳感器的功耗更小,更加符合傳感器快速響應(yīng)、靈敏檢測、低功耗、小體積等未來發(fā)展需求[5～7]。

微熱板作為加熱和支撐平臺,其加熱性能將直接影響敏感材料對目標(biāo)物的響應(yīng)狀態(tài),既要保證傳感器工作在指定的工作溫度,同時不能有太高的功率損耗,還要保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,避免在工藝制備過程中和實際使用過程中有斷裂的風(fēng)險。因此,功耗、溫度分布均勻性、形變是微熱板設(shè)計的核心指標(biāo)。

目前針對微熱板國內(nèi)外研究人員主要的研究方向是降低微熱板的功耗、提高加熱區(qū)域的溫度分布均勻性[8,9]。

英國華威大學(xué)工程智能學(xué)院的Lee S M等人[10]設(shè)計了驅(qū)動輪型電極結(jié)構(gòu),加熱區(qū)域有效面積為200 mm×200 mm,在500 ℃時,最低功耗為50 mW,加熱區(qū)域溫度變化梯度為2 %。印度科學(xué)研究所的Rao L L R等人設(shè)計了一種用于高溫廢氣傳感器的微熱板[11],電極為雙螺旋結(jié)構(gòu),最高溫度為800 ℃時的溫度梯度僅為1.03 %,功耗為83.65 mW,并且研究了懸膜的結(jié)構(gòu)變形,通過改變加熱電極的材料,將最大形變降到了15.25 μm。

本文研究的目標(biāo)是設(shè)計一種功耗較低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的微熱板,根據(jù)微熱板的結(jié)構(gòu)特點,由于硅的導(dǎo)熱率較高,懸浮式結(jié)構(gòu)與硅襯底的接觸面積較小,在功耗上小于膜式結(jié)構(gòu),因此擬基于懸浮式結(jié)構(gòu)開展微熱板設(shè)計。構(gòu)建微熱板仿真模型,進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱仿真,并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對微熱板支撐層和隔離層的材料組成、膜層厚度等因素進(jìn)行了仿真研究,通過分析上述因素對微熱板性能的影響趨勢,得出了最優(yōu)的參數(shù)設(shè)計。

1 微熱板原理及基本結(jié)構(gòu)

基于MEMS氣體傳感器包含2個部分[12],一是用于提供穩(wěn)定工作溫度的微熱板,二是氣敏材料[13]。氣敏材料較高的工作溫度對微熱板的結(jié)構(gòu)設(shè)計和溫度設(shè)計提供了具體的指標(biāo),如何降低微熱板的功耗,提升微熱板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是在傳感器設(shè)計階段需要重點考慮的問題。

1.1 微熱板工作原理

微熱板作為氣敏半導(dǎo)體傳感器的基底,起到支撐并為敏感材料提供工作溫度的作用,微熱板氣體傳感器工作原理是：加熱電極作為熱源,持續(xù)通電產(chǎn)生熱量,使微熱板升溫至工作狀態(tài),金屬加熱電極通電產(chǎn)生熱量之后,將熱量傳遞給絕緣層,空氣中的空氣對流也會帶走一部分熱量,熱量也會從絕緣層傳遞給襯底,在襯底表面耗散掉,最終整個微熱板將達(dá)到一個動態(tài)平衡,稱之為熱穩(wěn)態(tài)。微熱板型氣體傳感器工作過程如圖1所示。

圖1 微熱板型氣體傳感器工作過程

在微熱板仿真設(shè)計過程中,主要應(yīng)用的是熱損耗模型,包括熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。一般而言,600 ℃以下的溫度可忽略熱輻射,因此，在設(shè)置邊界條件時僅考慮熱傳導(dǎo)和熱對流。

1.2 微熱板基本結(jié)構(gòu)

懸浮式結(jié)構(gòu)從微熱板的底部向上依次包括襯底、支撐層、加熱電極和絕緣層四個部分[14]；其特點是通過幾個懸臂梁作為機(jī)械支撐,連接中間加熱平臺與絕緣層,使加熱平臺懸空[15],加熱電極產(chǎn)生的熱量主要集中在中間工作區(qū)域,結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 懸浮式結(jié)構(gòu)示意

溫度因為空氣絕熱的原因很難向邊緣擴(kuò)散,從而在相同的功耗下,達(dá)到較高的溫度,在此基礎(chǔ)上將氣敏半導(dǎo)體材料涂在微熱板中間受熱區(qū)域,能夠有良好的工作效率和穩(wěn)定性[16]。

2 微熱板設(shè)計

2.1 微熱板材料選擇

根據(jù)微熱板的基本結(jié)構(gòu),有襯底、支撐層、絕緣層、加熱電極四個主要組成部分。襯底材料要求機(jī)械性能穩(wěn)定,熔點高；支撐層材料要求絕熱性能良好,能夠減少熱量向襯底散失；絕緣層材料處在加熱電極和測量電極之間,避免電極導(dǎo)通；電極材料要求化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,具有溫阻系數(shù)大等特點。根據(jù)上述要求,選擇的材料及主要物理性質(zhì)如表1所示。

表1 微熱板材料物理性質(zhì)

由于硅的機(jī)械性能穩(wěn)定,較高的熔點也使得硅材料即使在高溫條件下也能保持幾何尺寸穩(wěn)定,并且硅襯底的加工處理和制造工藝技術(shù)目前十分成熟。因此襯底擬選擇硅材料；加熱電極和測量電極材料擬選擇鉑金(Pt),鉑金的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不易被氧化,不與強(qiáng)酸強(qiáng)堿發(fā)生反應(yīng),具有溫阻系數(shù)較大、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點,并且加工工藝一致性較好；對于支撐層和絕緣層材料,由于擬采用硅工藝,介質(zhì)材料主要為二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4),兩種薄膜分別為張應(yīng)力和壓應(yīng)力,單獨采用某一種材料都會造成應(yīng)力的失配導(dǎo)致微熱板容易斷裂,因此本文考慮交替沉積材料,研究材料組成及薄膜厚度對微熱板結(jié)構(gòu)的影響。

2.2 微熱板結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計

微熱板模型建立過程按照MEMS工藝加工流程進(jìn)行三維建模。具體流程如圖3所示。首先硅片尺寸為600 μm×600 μm×300 μm；然后在硅片表面熱氧化一層SiO2或者淀積一層Si3N4,既可以絕熱,又起到支撐作用,如圖3(a)所示；圖3(b)中采用剝離工藝淀積鉑電極,加熱電極設(shè)計為蛇形分布,電極寬度和間距均為10 μm,電極厚度為0.1 μm；在加熱電極表面繼續(xù)淀積SiO2或Si3N4隔離層,起到保護(hù)加熱電極并隔離加熱電極和測量電極的作用,如圖3(c)所示；測量電極與加熱電極一樣采用剝離工藝,電極寬度和間距均為10 μm,形狀為叉指電極；采用反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕懸臂梁,懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖如圖3(e)所示；經(jīng)過刻蝕之后將會露出襯底,使用濕法腐蝕工藝腐蝕襯底形成懸浮膜,得到圖3(f)所示的懸浮式微熱板三維模型結(jié)構(gòu)。

圖3 微熱板制作工藝流程

微熱板掩模板示意圖如圖4所示,加熱電極如圖4(a)所示采用蛇形電極結(jié)構(gòu),電極寬度和間距均為10 μm,電極厚度為0.3 μm；引腳尺寸為100 μm×100 μm；圖4(b)為刻蝕懸臂梁掩模板示意圖,懸臂梁寬度為28 μm ；測量電極如圖4(c)所示,采用叉指電極形狀,電極寬度和間距均為10 μm。

圖4 掩模板平面示意

3 微熱板結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.1 支撐層材料優(yōu)選

微熱板加熱區(qū)域通過懸臂梁與襯底相連,因此微熱板的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性直接取決于懸膜的支撐層。首先不考慮絕緣層和測量電極,對支撐層進(jìn)行仿真設(shè)計,研究支撐層材料組成及膜層厚度對加熱電極應(yīng)力的影響。單層支撐層時,設(shè)定材料厚度為1 μm,研究支撐層材料分別為SiO2和Si3N4時的溫度分布、形變大小。具體方式為調(diào)整熱生成率,使微熱板加熱區(qū)域中心溫度達(dá)到400 ℃,并提取加熱平臺截面溫度分布曲線和形變大小曲線,仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同支撐層材料對微熱板溫度分布和形變大小的影響

圖5(a)為加熱平臺的截面溫度分布情況,平臺中心溫度最高,邊界溫度最低,且兩側(cè)呈現(xiàn)對稱分布,當(dāng)支撐層為Si3N4時加熱區(qū)域溫度浮動較小,邊界溫度為395.77 ℃m,溫度梯度為1.06 %,分布更為均勻；圖5(b)顯示了兩種材料下微熱板形變的大小隨截面位置的變化情況,可以看出當(dāng)支撐層材料為Si3N4時微熱板的形變?yōu)?.975 3 μm,小于支撐層為SiO2時的7.780 8 μm。

因此,綜合考慮支撐層材料對溫度分布和形變大小的影響,使用Si3N4時溫度分布更加均勻,并且形變較小,微熱板結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,能夠降低由于形變過大而導(dǎo)致懸臂梁斷裂的風(fēng)險。

3.2 支撐層厚度優(yōu)化

為了將微熱板器件的引線與下方的硅襯底隔離開,避免加熱電極與硅襯底之間的短路和寄生電容等問題,在實際工藝制作過程中需要對硅片進(jìn)行熱氧化的操作,即在硅片表面生長一層SiO2薄膜,熱氧化得到的SiO2需要有一定的厚度才能達(dá)到良好的支撐作用,但是熱氧化SiO2具有很大的張應(yīng)力,而Si3N4產(chǎn)生的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力,為了最大程度的釋放微熱板的殘余應(yīng)力,需要將兩種材料交替沉積,前文也從仿真的角度證明了使用Si3N4可以有效地控制溫度分布和形變大小,因此,考慮支撐層使用復(fù)合膜,即硅片表面熱氧化一層SiO2,接著淀積一層Si3N4。

通過改變復(fù)合膜的厚度,研究支撐層厚度對微熱板形變的影響。首先,設(shè)定SiO2層厚度為1 μm,Si3N4厚度由0.5～1.0 μm變化,應(yīng)用有限元仿真方法,研究微熱板形變與Si3N4支撐層厚度的關(guān)系,如圖6所示。

圖6 不同Si3N4厚度對微熱板形變大小的影響

圖6表明,Si3N4厚度增加,微熱板的形變增大,即結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定。然后設(shè)定Si3N4厚度為1 μm,SiO2厚度由0.3～1 μm變化,如圖7所示。

圖7 不同SiO2厚度對微熱板形變大小的影響

從圖7可以看出,隨著SiO2厚度的增加,形變量呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢,當(dāng)SiO2厚度為0.5 μm時形變最小,僅為0.355 μm ,因此,確定SiO2支撐層厚度為0.5 μm。

然后設(shè)置Si3N4厚度從0.5～1.0 μm變化,穩(wěn)態(tài)熱分析及熱應(yīng)力分析結(jié)果如表2所示,在功耗相差不大的情況下,當(dāng)Si3N4厚度為0.9 μm時,溫度梯度最小,為1.32 %,整體應(yīng)力最小,為996.89 MPa,此時微熱板的形變僅為0.32 μm。綜上,選擇SiO2支撐層厚度為0.5 μm,Si3N4支撐層厚度為0.9 μm。

表2 SiO2厚度0.5 μm時不同Si3N4厚度下穩(wěn)態(tài)熱仿真結(jié)果

3.3 絕緣層材料選擇與參數(shù)優(yōu)化

微熱板的基本組成部分除了襯底、支撐層、加熱電極和測量電極之外,還需要在加熱電極和測量電極之間淀積一層絕緣層,避免電極之間短路。對絕緣層材料分別為SiO2和Si3N4進(jìn)行了仿真,設(shè)定材料厚度從0.3～1.1 μm變化,結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同絕緣層厚度對微熱板形變大小的影響

由圖8可知,隨著厚度的增加,在厚度小于0.4 μm時,形變下降較為明顯,在0.4～1.0 μm區(qū)間形變較為平穩(wěn),并且相比Si3N4,微熱板在絕緣層材料為SiO2時形變更小,因此擬選擇絕緣層材料為SiO2。

在仿真過程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)厚度不同時,微熱板加熱區(qū)域形變凹凸?fàn)顟B(tài)不同,圖9給出了微熱板形變狀態(tài)變化的典型示意圖,圖9(a)為微熱板加熱平臺為凹陷情況示意圖,圖9(b)為加熱平臺為凸起情況示意圖,并且當(dāng)SiO2厚度從0.6 μm變成0.7 μm時,微熱板加熱平臺由凸起狀態(tài)變?yōu)榘枷轄顟B(tài),在實際應(yīng)用中,需要將敏感材料鍍膜到微熱板加熱平臺上,凸起結(jié)構(gòu)可以更有效的支撐敏感材料,鍍膜也更加方便,因此考慮凸起狀態(tài)下,即SiO2厚度小于0.6 μm時微熱板的性能。

圖9 微熱板加熱平臺凹凸?fàn)顟B(tài)變化示意

表3給出了絕緣層材料為SiO2時的熱應(yīng)力仿真結(jié)果,當(dāng)SiO2厚度為0.6 μm時,加熱平臺為凸起狀態(tài),微熱板形變最小,為0.273 μm,并且應(yīng)力較小,為984.47 MPa,此時功耗為8.33 mW,綜合性能較為優(yōu)異。

表3 不同SiO2絕緣層厚度下穩(wěn)態(tài)熱仿真結(jié)果

4 微熱板設(shè)計性能評價

經(jīng)過微熱板結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化,最終確定支撐層采用復(fù)合膜,下層為熱氧化SiO2,上層淀積Si3N4,支撐層總厚度為1.4 μm,絕緣層采用SiO2,厚度為0.6 μm。穩(wěn)態(tài)熱仿真結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?熱量集中分布在微熱板加熱平臺區(qū)域,最高溫度為400.13 ℃,并且溫度分布較為均勻。

圖10 微熱板穩(wěn)態(tài)熱仿真結(jié)果

結(jié)構(gòu)參數(shù)確定之后,計算微熱板的功耗、溫度梯度,由于在仿真過程中通過對加熱電極施加熱生成率作為載荷,因此，計算熱生成率與加熱電極體積的乘積得到功耗。所設(shè)計的懸浮式結(jié)構(gòu)微熱板具體參數(shù)及性能指標(biāo)如表4所示。微熱板的功耗為8.33 mW,功耗較小,溫度梯度為1.1 %,溫度分布較為均勻,并且形變較小,僅為0.273 μm,結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。

表4 微熱板結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

5 結(jié) 論

本文從微熱板的工作原理出發(fā),構(gòu)建了微熱板仿真模型,并基于MEMS加工工藝技術(shù),對微熱板支撐層和隔離層的材料組成、膜層厚度等因素進(jìn)行了仿真研究。根據(jù)仿真結(jié)果。得到了上述因素對微熱板性能的影響趨勢,得出了最優(yōu)的參數(shù)設(shè)計。仿真結(jié)果表明：支撐層采用復(fù)合層結(jié)構(gòu)可以降低整體應(yīng)力大小,并且能夠減小微熱板的形變,結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,熱氧化SiO2支撐層厚度選定為0.5 μm,Si3N4支撐層為0.9 μm,SiO2絕緣層為0.6 μm 較為合適,功耗僅為8.33 mW,溫度梯度為1.1 %,加熱平臺形變?yōu)?.273 μm。研究結(jié)果對于微熱板的設(shè)計優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。