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、薄膜技術的發展，在微加熱器研究領域，為了獲得高質量的均溫區域，主要的改進方法有調整加熱電阻空間布局，增大邊界的發熱和減小中間區域發熱的方式[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）然后繼續刻蝕直到刻穿單晶硅，露出第2步操作的窗口。（8）繼續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。實驗發現，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）通路中間區域加熱電阻性能，在采用四引線法獲取加熱器I-V數據后，可斷開四引線法連接點，在中間區域生長氣敏材料，將（b）通路變為測量通路。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。

由圖4可知，在（1）區域，電阻近似一階變化，因此根據電阻溫度系數（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象，懸臂梁各處應力分布較均勻。在86.72W加熱功率時，加熱區溫度達到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.