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1、第26卷 第1期半 导 体 学 报Vol.26No.12005年1月 CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSJan.,20053基于硅微加工工艺的微热板传热分析112113余 隽 唐祯安 陈正豪 魏广芬 王立鼎 闫桂贞(1大连理工大学电子系微系统研究中心,大连 116024)(2香港科技大学电机与电子工程系,香港)(3北京大学微电子学研究所,北京 100871)摘要:针对常压和真空两种环境,通过三维有限元模拟分析了背面体硅加工型、正面体硅加工型和表面加工型三种微热板(MHP)的传热主渠道和加热功率.制作了背面体硅加工型和表面加工型MHP,并
2、对两者在常压及1313Pa气压下的加热功率进行了测试.实验值与有限元分析结果一致,表明虽然真空中表面加工型MHP热功耗小于背面体硅加工型MHP,但薄层空气导热使表面加工型MHP在大气中的功耗大幅增加,并大于背面体硅加工型MHP的热功耗.关键词:微热板;硅微加工工艺;有限元;热传导PACC:0720;6670;0710C中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:025324177(2005)0120192205的加热功率和温度分布.制作了背面体硅加工和表1 引言面加工两种结构的微热板,并对常压及1313Pa气压基于硅微加工技术的微热板(MHP)是微电
3、子机下的加热功率进行了测试.实验结果与模拟结果一械系统(MEMS)中常用的加热平台,已广泛应用于微致,说明体硅加工型的微热板主要由介质薄膜导热,[1][2][3]型气体传感器、薄膜量热卡计、微加速度计以而表面加工型微热板在常压下的热耗散主要来自于[4]及气压计等微器件.微热板的基本结构包括悬空空气导热.根据研究结果,讨论了如何针对实际测试介质薄膜以及薄膜电阻条.当电流通过薄膜电阻条环境及测试要求选用恰当的加工工艺.时,电阻产生的焦耳热一部分用于加热微热板,另一2 微热板的加工工艺和结构部分以传导、对流和辐射的方式耗散于周围环境中.悬空结构使微热板具有非常小的热惯性
4、和非常高的采用的微热板结构如图1所示.微热板的有效电(光)热耦合效率,毫瓦级热功率就能使其中心温加热面积位于环形多晶硅加热电阻的包围之中,中[5,6]间有S形多晶硅测温电阻.采用背面体硅加工方法区在几毫秒内迅速升温.加热功率是微热板设计的重要指标之一.为了的微热板结构示意图见图1(a).当完成支撑薄膜和减小器件的加热功率,要求微热板准绝热,即尽量减加热电阻等主要结构的工艺后,在硅片两面淀积小微热板的热耗散.缩小尺寸或选用热导率低的材Si3N4/SiO2作为硅腐蚀的掩膜,然后通过双面对准光料可以减小微热板的散热损失.但是,即使采用同样刻在硅片背面开腐蚀窗,用TMAH
5、腐蚀液腐蚀体硅.的尺寸和材料,由不同微加工工艺制作的微热板的这种加工方法获得的微热板,由平板结构的支撑膜微结构仍有很大差异,使得微热板与周围环境之间连接微热板的有效加热区和周围的体硅.从剖面看,的换热主渠道有所不同.悬空膜下的体硅被完全腐蚀掉了.另一种加工方法[7]微热板的加工工艺主要有背面体硅加工、正是正面体硅加工法,与背面体硅加工法不同的是,腐[8][9]面体硅加工和表面加工三大类.本文采用有限蚀窗开在硅片的正面,也就是器件所在的面.加工成元方法模拟了三种工艺结构的微热板在常压或真空的微热板结构如图1(b)所示.支撑膜为桥式结构3国家自然科学基金(批准号:59
6、99555025,90207003),国家高技术研究发展计划(批准号:2003AA404180),香港科技大学RGC(批准号:6065/99E,HIA98/99EG06)资助项目 余 隽 女,1977年出生,博士研究生,主要从事微机电器件中薄膜热物性的研究.2003211222收到,2004204224定稿•2005中国电子学会第1期余 隽等: 基于硅微加工工艺微热板传热分析193图2 微热板的剖面模型 (a)背面体硅加工型;(b)正面体硅加工型;(c)表面加工型Fig.2CrosssectionmodelsofMHPs(a)Back2sidebulkSietch
7、ed;(b)Front2sidebulkSietched;(c)Surfacemicro2machined图1 微热板顶视图及剖面图 (a)背面体硅加工型;(b)正面体硅加工型;(c)表面加工型2的自然对流换热系数为30W/(m·K),估算得到微Fig.1LayoutandcrosssectionofMHPs(a)Back2side热板在700K时对流消耗的热功率约为0124mW,也bulkSietched;(b)Front2sidebulkSietched;(c)Surface可以忽略不计.这样微热板的热模拟简化为仅考虑micro2machined介质膜、金属引
8、线和板下空
