低功耗mems微加热复合薄膜芯片的研究(附件)【字数：15084】
随着气体检测要求的变化，我们需要检测出各种复杂混合气体的各部分成分以及其含量，为了得到功耗低、体积小和易于集成的气体传感器，本课题意在研究MEMS气敏传感器所用微加热芯片的内部构造，找到更高效、更灵敏的微加热架构和工艺方法。文章主要分为三部分介绍 文章第一部分对MEMS技术进行了总体介绍，包括国内的研究现状，然后针对微加热型气敏传感器的结构材料和历史进行了简要概括叙述。文章第二部分针对微加热芯片的所需特性，从芯片的基本工作原理、结构设计、材料选取以及尺寸设计这几个大方面进行了分类叙述。小节内容包括工作原理、理论分析以及各部分工艺解析等。文章第三部分主要针对微加热芯片的工艺进行介绍，从光刻工艺、淀积工艺、剥离工艺等步骤进行了解释叙述。通过微纳米制备工艺制备出MEMS微加热芯片。文章第四部分对MEMS加热芯片制备工艺进行了分析和总结，得出优化后的工艺条件。关键词MEMS;微加热；工艺优化
目录
第一章 绪论 1
1.1 MEMS技术概论 1
1.1.1 MEMS技术总体介绍 1
1.1.2 MEMS三大加工工艺 1
1.1.2.1体积微加工 2
1.1.2.2表面微加工 2
1.1.2.3微型成型技术 3
1.2 微加热气敏传感器 3
1.2.1微加热芯片介绍 3
1.2.2微加热芯片各层结构 4
1.2.2.1硅材料在MEMS器件制作中的应用 5
1.2.3微加热芯片的电极分布 5
1.3 MEMS技术发展与本文展望 8
1.3.1MEMS技术发展历史 8
1.3.2本文展望 11
第二章 工艺优化和设计分析 12
2.1微加热芯片所需特性 12
2.2微加热芯片的基本工作原理 12
2.2.1微加热芯片的工作原理 12
2.2.2微加热芯片的结构类型 12
2.2.3微加热芯片的加工工艺 13
2.2.4微加热芯片的理论分析 14
2.3微加热芯片的结构设计与材料选取 16
2.3.1微加热芯片的结构设计 16 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
2.3.2微加热芯片的材料选取 17
2.4微加热芯片的尺寸设计 20
2.4.1微加热芯片的有源区设计 20
2.4.2微加热芯片的支撑梁设计 20
2.4.3微加热芯片的加热电阻设计 21
2.4.4微加热芯片的接触电极设计 21
2.4.5微加热芯片的底部硅窗设计 21
2.4.6微加热芯片的单元结构尺寸 22
2.5本节小结 23
第三章 微加热芯片的制作与测试 24
3.1微加热芯片的制作工艺介绍 24
3.1.1光刻工艺 24
3.1.2薄膜淀积工艺 25
3.1.3剥离工艺 26
3.1.4刻蚀工艺 26
3.2微加热芯片制作主要工艺流程 27
3.2.1 PECVD沉积SiO2 27
3.2.2制作TiN加热电阻 27
3.2.3制作W接触电阻 27
3.2.4制作背向腐蚀窗口. 27
3.2.5制作正向腐蚀掩模层 28
3.3微加热芯片的测试 28
3.4微加热芯片的测试 28
3.5本章小结 29
第四章 总结与展望 30
致谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
1.1 MEMS技术概论
1.1.1 MEMS技术总体介绍
微机电系统是MEMS的中文翻译[1]，微电子机械系统也是MEMS的常用翻译方式[2]，随着MEMS技术的不断发展，该技术从刚开始的只包括三大方面：微执行器、微系统以及集成传感器，经过几十年的快速发展，MEMS器件的范畴有了极大的扩展，智能与灵敏传感器等器件也逐渐加入其中[3]。
使用由IC技术衍生和开发的专门技术创建MEMS，通常称为微加工。 今天存在各种传感器和制动器以及用于其制造的多种相行业中。 然而，三个主要技术通常在分析加工时产生区别：体积微加工，表面微加工和微成型。
1.1.2 MEMS三大加工工艺
体积微加工涉及采用简单的单晶硅晶片作为结构材料的不同技术。 使用各向异性硅蚀刻和晶片接合，已经制造了三维结构，例如压头传感器、加速度计、流量传感器，微型泵和不同的谐振器。该分支已经开发了二十多年，现在可以被认为是一种成熟的技术。
表面微加工，硅衬底用作支撑材料，并且不同的薄膜例如多晶硅，二氧化硅和氮化硅提供感测元件和电互连以及结构层、掩模层和牺牲层[6]。 表面微加工以牺牲蚀刻技术为基础，其中独立的薄膜结构（多晶硅）由侧面向底层牺牲层（二氧化硅）进行自由蚀刻。 表面微加工工艺非常简单但功能强大，尽管该技术具有二维特性，但已经制造了诸如压力传感器，微型马达和制动器之类的复杂结构。
微型成型（LIGA技术）与传统的加工技术相去甚远。 使用光刻技术形成金属模具，这种方式保证了精细的特征分辨率。 通常，用于形成具有亚微米分辨率的高结构。 通过微型成型技术产生的产品包括热致动微型继电器，微型电动机和磁性致动器。 在快速增长的MEMS领域中，已经出版了许多关于这种制造方式的书籍，其中包括：Petersen（1982）、Linder等人（1992）、Bryseketal（1994）、Diemetal（1995）、和田（1997）、 Madou（2002）和Kovacs（1998）的书籍是有价值的参考书籍，可以用来参考研究此种生产技术的详细工艺。
1.1.2.1 体积微加工
体积微加工是制造MEMS的最早的技术。该技术已经用于制造传感器大约20年。通过使用单晶取向相关的蚀刻来选择性地去除晶片材料的部分，在硅晶片的界限内产生机械结构硅衬底。蚀刻停止技术和掩模膜在批量微加工工艺中至关重要。蚀刻可以是各向同性的，各向异性的或两者的组合。在各向同性蚀刻中，蚀刻速率在所有方向上相同，而在各向异性蚀刻中，蚀刻速率取决于晶片的晶体取向。两种常用的蚀刻剂是乙二胺和邻苯二酚（EDP）和氢氧化钾（KOH）的水溶液[7]。因为能够在精确的位置处采用蚀刻工艺是重要的，所以已经开发了蚀刻停止技术。这样的方法基于重掺杂区域比未掺杂区域蚀刻更慢的事实。因此，通过掺杂材料的一部分，可以选择性地进行蚀刻工艺。另一种蚀刻停止技术在本质上是电化学的，并且基于以下事实：在偏置的pn结中遇到不同极性的区域时，蚀刻便可以停止。
目录
第一章 绪论 1
1.1 MEMS技术概论 1
1.1.1 MEMS技术总体介绍 1
1.1.2 MEMS三大加工工艺 1
1.1.2.1体积微加工 2
1.1.2.2表面微加工 2
1.1.2.3微型成型技术 3
1.2 微加热气敏传感器 3
1.2.1微加热芯片介绍 3
1.2.2微加热芯片各层结构 4
1.2.2.1硅材料在MEMS器件制作中的应用 5
1.2.3微加热芯片的电极分布 5
1.3 MEMS技术发展与本文展望 8
1.3.1MEMS技术发展历史 8
1.3.2本文展望 11
第二章 工艺优化和设计分析 12
2.1微加热芯片所需特性 12
2.2微加热芯片的基本工作原理 12
2.2.1微加热芯片的工作原理 12
2.2.2微加热芯片的结构类型 12
2.2.3微加热芯片的加工工艺 13
2.2.4微加热芯片的理论分析 14
2.3微加热芯片的结构设计与材料选取 16
2.3.1微加热芯片的结构设计 16 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
2.3.2微加热芯片的材料选取 17
2.4微加热芯片的尺寸设计 20
2.4.1微加热芯片的有源区设计 20
2.4.2微加热芯片的支撑梁设计 20
2.4.3微加热芯片的加热电阻设计 21
2.4.4微加热芯片的接触电极设计 21
2.4.5微加热芯片的底部硅窗设计 21
2.4.6微加热芯片的单元结构尺寸 22
2.5本节小结 23
第三章 微加热芯片的制作与测试 24
3.1微加热芯片的制作工艺介绍 24
3.1.1光刻工艺 24
3.1.2薄膜淀积工艺 25
3.1.3剥离工艺 26
3.1.4刻蚀工艺 26
3.2微加热芯片制作主要工艺流程 27
3.2.1 PECVD沉积SiO2 27
3.2.2制作TiN加热电阻 27
3.2.3制作W接触电阻 27
3.2.4制作背向腐蚀窗口. 27
3.2.5制作正向腐蚀掩模层 28
3.3微加热芯片的测试 28
3.4微加热芯片的测试 28
3.5本章小结 29
第四章 总结与展望 30
致谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
1.1 MEMS技术概论
1.1.1 MEMS技术总体介绍
微机电系统是MEMS的中文翻译[1]，微电子机械系统也是MEMS的常用翻译方式[2]，随着MEMS技术的不断发展，该技术从刚开始的只包括三大方面：微执行器、微系统以及集成传感器，经过几十年的快速发展，MEMS器件的范畴有了极大的扩展，智能与灵敏传感器等器件也逐渐加入其中[3]。
使用由IC技术衍生和开发的专门技术创建MEMS，通常称为微加工。 今天存在各种传感器和制动器以及用于其制造的多种相行业中。 然而，三个主要技术通常在分析加工时产生区别：体积微加工，表面微加工和微成型。
1.1.2 MEMS三大加工工艺
体积微加工涉及采用简单的单晶硅晶片作为结构材料的不同技术。 使用各向异性硅蚀刻和晶片接合，已经制造了三维结构，例如压头传感器、加速度计、流量传感器，微型泵和不同的谐振器。该分支已经开发了二十多年，现在可以被认为是一种成熟的技术。
表面微加工，硅衬底用作支撑材料，并且不同的薄膜例如多晶硅，二氧化硅和氮化硅提供感测元件和电互连以及结构层、掩模层和牺牲层[6]。 表面微加工以牺牲蚀刻技术为基础，其中独立的薄膜结构（多晶硅）由侧面向底层牺牲层（二氧化硅）进行自由蚀刻。 表面微加工工艺非常简单但功能强大，尽管该技术具有二维特性，但已经制造了诸如压力传感器，微型马达和制动器之类的复杂结构。
微型成型（LIGA技术）与传统的加工技术相去甚远。 使用光刻技术形成金属模具，这种方式保证了精细的特征分辨率。 通常，用于形成具有亚微米分辨率的高结构。 通过微型成型技术产生的产品包括热致动微型继电器，微型电动机和磁性致动器。 在快速增长的MEMS领域中，已经出版了许多关于这种制造方式的书籍，其中包括：Petersen（1982）、Linder等人（1992）、Bryseketal（1994）、Diemetal（1995）、和田（1997）、 Madou（2002）和Kovacs（1998）的书籍是有价值的参考书籍，可以用来参考研究此种生产技术的详细工艺。
1.1.2.1 体积微加工
体积微加工是制造MEMS的最早的技术。该技术已经用于制造传感器大约20年。通过使用单晶取向相关的蚀刻来选择性地去除晶片材料的部分，在硅晶片的界限内产生机械结构硅衬底。蚀刻停止技术和掩模膜在批量微加工工艺中至关重要。蚀刻可以是各向同性的，各向异性的或两者的组合。在各向同性蚀刻中，蚀刻速率在所有方向上相同，而在各向异性蚀刻中，蚀刻速率取决于晶片的晶体取向。两种常用的蚀刻剂是乙二胺和邻苯二酚（EDP）和氢氧化钾（KOH）的水溶液[7]。因为能够在精确的位置处采用蚀刻工艺是重要的，所以已经开发了蚀刻停止技术。这样的方法基于重掺杂区域比未掺杂区域蚀刻更慢的事实。因此，通过掺杂材料的一部分，可以选择性地进行蚀刻工艺。另一种蚀刻停止技术在本质上是电化学的，并且基于以下事实：在偏置的pn结中遇到不同极性的区域时，蚀刻便可以停止。
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