基于MEMS的微熱板結構仿真優化研究*

沈偉強, 楊俊超, 馬 薇, 張根偉, 楊 杰, 曹樹亞

(1.國民核生化災害防護國家重點實驗室,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注的話題。許多行業和應用依賴于氣體傳感器,如汽車行業[1],環境監測[2],化學戰劑探測[3],包括公共安全、醫療衛生軍事航天等領域都有廣闊的應用前景[4]。金屬氧化物半導體是氣體傳感器研究的熱點,而金屬氧化物半導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,最終實現對氣體的靈敏檢測?；谖C電系統(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、靈敏檢測、低功耗、小體積等未來發展需求[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物的響應狀態,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,還要保證結構的穩定性,避免在工藝制備過程中和實際使用過程中有斷裂的風險。因此,功耗、溫度分布均勻性、形變是微熱板設計的核心指標。

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

英國華威大學工程智能學院的Lee S M等人[10]設計了驅動輪型電極結構,加熱區域有效面積為200 mm×200 mm,在500 ℃時,最低功耗為50 mW,加熱區域溫度變化梯度為2 %。印度科學研究所的Rao L L R等人設計了一種用于高溫廢氣傳感器的微熱板[11],電極為雙螺旋結構,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構變形,通過改變加熱電極的材料,將最大形變降到了15.25 μm。

本文研究的目標是設計一種功耗較低、結構穩定的微熱板,根據微熱板的結構特點,由于硅的導熱率較高,懸浮式結構與硅襯底的接觸面積較小,在功耗上小于膜式結構,因此擬基于懸浮式結構開展微熱板設計。構建微熱板仿真模型,進行穩態熱仿真,并進行結構優化。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,得出了最優的參數設計。

1 微熱板原理及基本結構

基于MEMS氣體傳感器包含2個部分[12],一是用于提供穩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構設計和溫度設計提供了具體的指標,如何降低微熱板的功耗,提升微熱板結構的穩定性是在傳感器設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,持續通電產生熱量,使微熱板升溫至工作狀態,金屬加熱電極通電產生熱量之后,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到一個動態平衡,稱之為熱穩態。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

在微熱板仿真設計過程中,主要應用的是熱損耗模型,包括熱傳導、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，在設置邊界條件時僅考慮熱傳導和熱對流。

1.2 微熱板基本結構

懸浮式結構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],加熱電極產生的熱量主要集中在中間工作區域,結構如圖2所示。

圖2 懸浮式結構示意

溫度因為空氣絕熱的原因很難向邊緣擴散,從而在相同的功耗下,達到較高的溫度,在此基礎上將氣敏半導體材料涂在微熱板中間受熱區域,能夠有良好的工作效率和穩定性[16]。

2 微熱板設計

2.1 微熱板材料選擇

根據微熱板的基本結構,有襯底、支撐層、絕緣層、加熱電極四個主要組成部分。襯底材料要求機械性能穩定,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,避免電極導通；電極材料要求化學性質穩定,具有溫阻系數大等特點。根據上述要求,選擇的材料及主要物理性質如表1所示。

表1 微熱板材料物理性質

由于硅的機械性能穩定,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定,并且硅襯底的加工處理和制造工藝技術目前十分成熟。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),鉑金的化學性質穩定,不易被氧化,不與強酸強堿發生反應,具有溫阻系數較大、熱穩定性好的優點,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,介質材料主要為二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4),兩種薄膜分別為張應力和壓應力,單獨采用某一種材料都會造成應力的失配導致微熱板容易斷裂,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構的影響。

2.2 微熱板結構與工藝設計

微熱板模型建立過程按照MEMS工藝加工流程進行三維建模。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淀積SiO2或Si3N4隔離層,起到保護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；采用反應離子刻蝕工藝刻蝕懸臂梁,懸臂梁結構示意圖如圖3(e)所示；經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構。

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構,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 微熱板結構參數優化

3.1 支撐層材料優選

微熱板加熱區域通過懸臂梁與襯底相連,因此微熱板的結構穩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,對支撐層進行仿真設計,研究支撐層材料組成及膜層厚度對加熱電極應力的影響。單層支撐層時,設定材料厚度為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。具體方式為調整熱生成率,使微熱板加熱區域中心溫度達到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,且兩側呈現對稱分布,當支撐層為Si3N4時加熱區域溫度浮動較小,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,可以看出當支撐層材料為Si3N4時微熱板的形變為1.975 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,微熱板結構更加穩定,能夠降低由于形變過大而導致懸臂梁斷裂的風險。

3.2 支撐層厚度優化

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到良好的支撐作用,但是熱氧化SiO2具有很大的張應力,而Si3N4產生的殘余應力為壓應力,為了最大程度的釋放微熱板的殘余應力,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。

通過改變復合膜的厚度,研究支撐層厚度對微熱板形變的影響。首先,設定SiO2層厚度為1 μm,Si3N4厚度由0.5～1.0 μm變化,應用有限元仿真方法,研究微熱板形變與Si3N4支撐層厚度的關系,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,即結構越不穩定。然后設定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,形變量呈現先減小后增加的趨勢,當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。

然后設置Si3N4厚度從0.5～1.0 μm變化,穩態熱分析及熱應力分析結果如表2所示,在功耗相差不大的情況下,當Si3N4厚度為0.9 μm時,溫度梯度最小,為1.32 %,整體應力最小,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厚度下穩態熱仿真結果

3.3 絕緣層材料選擇與參數優化

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進行了仿真,設定材料厚度從0.3～1.1 μm變化,結果如圖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區間形變較為平穩,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。

在仿真過程中發現,當厚度不同時,微熱板加熱區域形變凹凸狀態不同,圖9給出了微熱板形變狀態變化的典型示意圖,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變為凹陷狀態,在實際應用中,需要將敏感材料鍍膜到微熱板加熱平臺上,凸起結構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狀態變化示意

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

表3 不同SiO2絕緣層厚度下穩態熱仿真結果

4 微熱板設計性能評價

經過微熱板結構參數優化,最終確定支撐層采用復合膜,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。穩態熱仿真結果如圖10所示?？梢钥闯?熱量集中分布在微熱板加熱平臺區域,最高溫度為400.13 ℃,并且溫度分布較為均勻。

圖10 微熱板穩態熱仿真結果

結構參數確定之后,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。所設計的懸浮式結構微熱板具體參數及性能指標如表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,結構較為穩定。

表4 微熱板結構及性能參數

5 結 論

本文從微熱板的工作原理出發,構建了微熱板仿真模型,并基于MEMS加工工藝技術,對微熱板支撐層和隔離層的材料組成、膜層厚度等因素進行了仿真研究。根據仿真結果。得到了上述因素對微熱板性能的影響趨勢,得出了最優的參數設計。仿真結果表明：支撐層采用復合層結構可以降低整體應力大小,并且能夠減小微熱板的形變,結構更加穩定,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 %,加熱平臺形變為0.273 μm。研究結果對于微熱板的設計優化具有指導意義。