自带均热板的微弹簧式悬臂梁微加热器的研究

高升谦 傅刚 刘志宇 王笑天

摘 要：利用硅基MEMS工藝，通过背面分步刻蚀工艺湿法刻蚀<100>晶向硅片，结合SiO2薄膜热氧化工艺、磁控溅射薄膜制备工艺、光刻工艺、lift-off工艺，制备了一种自带均热板的微弹簧式悬臂梁微加热器。L型悬臂梁结构比直线型结构应力分布均匀。标定了微加热器的R-T曲线、I-V曲线。微加热器在工作电压为2.3V时，加热电阻值为60.96Ω，功耗为86.72mV，可获得673K的工作温度。

关键词：MEMS 均热板 悬臂梁 微弹簧 微加热器

中图分类号：TN37 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）05（c）-0004-02

随着MEMS技术、微电子技术、薄膜技术的发展，在微加热器研究领域，为了获得高质量的均温区域，主要的改进方法有调整加热电阻空间布局，增大边界的发热和减小中间区域发热的方式[1]，或通过多层沉积的调整，将均热板与加热回路、工作回路隔离开以便获得更大面积的均温区域[2]。微加热器的加热电阻一般选用较为昂贵的Pt作为加热丝，不利于降低生产成本。因此该论文提出了一种Cr为加热丝的自带均热板微弹簧式悬臂梁结构的微加热器，采用基于MEMS技术的KOH湿法各向异性刻蚀工艺[3，4]，利用刻蚀液对单晶硅<100>方向的高度选择性刻蚀机理，选择性地刻蚀<100>方向的硅，制备双层Cr+SiO2薄膜作为支撑梁[5]的结构，方法是通过背面台阶式分段刻蚀技术在工作区域下方制备倒金字塔形的单晶硅膜均热板，利用硅的高热导率，在覆盖的区域获得了均匀分布的温度场；通过微弹簧式结构[6]提高悬臂梁的热力学稳定性。

1 实验过程

采用n型400μm厚的<100>晶向双面抛光硅片，清洗后通过管式炉高温干法双面氧化制备SiO2薄膜，厚度为700nm。然后由JCP-350磁控溅射镀膜机在SiO2膜上制备铬膜，镀膜电流为200mA，预真空为2.1×10-3Pa，溅射真空为0.5Pa，氩气流量为30sccm，溅射时间30min，膜厚为200nm；采用JKG-2A型光刻机光刻曝光，曝光时间为30s，负光刻胶为BN303-60；采用KOH作为各向异性刻蚀液，采用硝酸铈铵溶液作为去Cr刻蚀剂，采用HF刻蚀剂作为去SiO2薄膜刻蚀剂。结构如图1（a）所示。整个工艺流程为：（1）氮气高温退火处理，500℃，1h。（2）第1次光刻，并刻蚀掉窗口处Cr薄膜和SiO2薄膜暴露出正面要镂空的区域的Si，再用KOH刻蚀5min，刻蚀深度为5.5μm。（3）第2次光刻，刻蚀出加热回路、工作回路。（4）正反面对齐，背面第1次光刻，去Cr、SiO2。（5）采用KOH刻蚀液刻蚀出环岛结构，岛高为20μm。（6）背面第2次光刻，刻蚀掉岛上覆盖的Cr、SiO2薄膜，（7）然后继续刻蚀直到刻穿单晶硅，露出第2步操作的窗口。（8）继续刻蚀掉悬臂梁上剩余的5.5μm硅。在最后的第8步刻蚀背面时，采用图1（b）所示结构包装刻蚀，其中正面用匀浆机旋涂一层光刻胶薄膜保护层。实验发现，用匀浆机高速甩胶（3000r/min），制备的厚度约为200nm厚度的光刻胶在3h烘干时，可在0.5h内有效保护硅片表面。以上前7步操作中刻蚀其中一面时，均采用厚胶保护另一面。

2 结果分析

2.1 微加热器形貌分析

图2为采用B008型多功能数码显微镜获得的L微弹簧式悬臂梁结构图。图2中，加热电阻器宽度为0.030mm，长度为1.305mm。悬臂梁宽度为0.125mm。加热电阻器下方深颜色部分为Si倒金字塔架构均热板，浅色区域为部分透光的Si薄膜。其中，（a）通路为加热通路，（b）通路在本实验中用来测量（a）通路中间区域加热电阻性能，在采用四引线法获取加热器I-V数据后，可断开四引线法连接点，在中间区域生长气敏材料，将（b）通路变为测量通路。由图3可以看出，制备的微加热器Gr膜表面形貌完好，SiO2支撑膜基本完好，由Cr+SiO2组成的悬臂梁各处应力分布较均匀。

2.2 微加热器的温度标定

微加热器加热电阻R随温度的变化曲线如图4所示。根据电阻温度系数公式：

R=R0·（1+αT+βT2+…） （1）

其中α、β、…分别为电阻的一阶、二阶、高阶电阻温度系数。

由图4可知，在（1）区域，电阻近似一阶变化，因此根据电阻温度系数（TCR）的计算公式

（2）

其中R2和R1分别对应T2和T1时的电阻。利用公式（2）求得，当T<423K时，TCR为1.01×10-3/K，说明Cr成膜质量较好。

2.3 微加热器的I-V特性曲线分析

测量了微加热器在不同加热电压下的I-V曲线，如图4（a）所示。通过计算得到微加热器的R-V曲线，如图4（b）所示。

根据图4（b）曲线与图4曲线的数据可得，微加热器电阻值为60.96Ω时，能产生574K的温度，此时电压为2.3V，平均功率为86.72mW。

3 结论

通过背面分步刻蚀工艺，制备了一种自带均热板的悬臂梁微加热器。加热电阻器宽度为0.030mm，长度为1.305mm。加热器表面无拱起现象，悬臂梁各处应力分布较均匀。在86.72W加热功率时，加热区温度达到573K。在工作温度适中（<650K）时，Cr代替较为昂贵的Pt，降低生产成本。该微加热器可作为气敏传感器的基座。本实验中所制备的中间部分的均热板工艺，也为制备电容式加速度计[7]、微热重分析仪[8]的反应皿等微构件提供了一种新方法。

参考文献

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