本发明属于微机械系统(mems)领域，特别是涉及一种三维微型加热器及其制备方法。
背景技术
随着微机械加工技术的不断发展，基于mems工艺的微型加热器已开始在气体探测，环境监控和红外光源等领域广泛应用，随着应用的不断推广和深入，对微型加热器的低功耗、低成本、高性能、高可靠的要求也日益强烈。如何制作出低功耗高性能的加热器一直是本领域内技术人员追求的目标。
目前，基于硅衬底的微型加热器从中心加热膜区结构来分，主要有两种类型，分别是封闭膜式(closedmembranetype)和悬膜式(suspendedmembranetype)。封闭膜式微型加热器的支撑膜边界都与衬底框架相连，通过背面体硅加工技术腐蚀衬底硅实现加热膜区的释放，如m.gall，thesi-planar-pellistor：alow-powerpellistorsensorinsi-thin-filmtechnology，sensorsandactuatorsb，vol.4(1991)，pp.533-538；悬膜式微型加热器通常利用数条长条形支撑悬臂梁把中心加热膜区与衬底框架相连，利用正面体硅加工技术实现加热膜区的释放，如michaelgaitan，et.al，micro-hotplatedevicesandmethodsfortheirfabrication，uspatentno.5,464,966。随着十多年的发展，为了满足不同需求，封闭膜式的微型加热器和悬膜式的微型加热器的加热膜区出现了很多种形状，如：圆形，矩形，长条形，或者多边形等。但不管是哪一种形状，这些加热膜区都是平面型的，是一种二维结构。
然而，在某些领域内应用时这种平面式加热膜区的微型加热器却有些不足，特别是作为气体传感器，敏感材料在微型加热器中心加热膜区的覆盖率不高，敏感膜同被测气体的接触面积较小。而传统的三维微型加热器，增加了加热膜区的实际面积，但在气体传感器应用方面依旧存在缺陷，一方面是敏感材料很难在三维加热膜区内均匀沉积，另一方面是敏感材料分布在三维加热膜区的凹槽内部，气流流通教少，不利于敏感材料对被测气体的探测。
因此，如何设计一种兼具传统二维微型加热器和三维加热器优点，除基本的低功耗、高加热效率的性能外，既具有更大的接触面积，又不影响气体流通的新型加热器实属必要。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种三维微型加热器及其制备方法，用于解决现有技术敏感材料难以在三维加热膜区均匀沉积、气体流通较少以及加热膜区的热量分配受限等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种三维微型加热器的制备方法，包括如下步骤：
1)提供一半导体衬底，并于所述半导体衬底上形成一牺牲层，所述牺牲层上形成有若干个平台腐蚀窗口，且相邻所述平台腐蚀窗口之间具有间距；
2)基于所述平台腐蚀窗口腐蚀所述半导体衬底，以于所述半导体衬底中形成若干个间隔排布的下沉平台结构；
3)去除所述牺牲层并于步骤2)所得到的结构的表面形成介质薄膜，所述介质薄膜上定义有加热膜区、支撑梁区及电极区，其中，所述加热膜区经由所述支撑梁区与所述电极区相连接，且所述加热膜区至少覆盖各所述下沉平台结构；
4)于所述下沉平台结构对应的所述介质薄膜上制备加热电阻丝，于所述下沉平台结构之间的所述介质薄膜上制备连接引线，于所述电极区上制备电极，于所述支撑梁区上制备电极引线，其中，所述加热电阻丝与所述连接引线首尾连接形成导线结构，所述导线结构的两端分别经由不同的所述电极引线与不同的所述电极相连接；
5)于所述介质薄膜上形成薄膜释放窗口；以及
6)基于所述薄膜释放窗口腐蚀所述半导体衬底形成一隔热腔体，以释放出所述加热膜区及所述支撑梁区。
作为本发明的一种优选方案，步骤1)中，所述半导体衬底包括(100)面的硅衬底；所述牺牲层包括氧化硅层，并通过光刻-刻蚀的工艺于所述氧化硅层上形成所述平台腐蚀窗口；所述牺牲层的厚度介于0.1～3微米之间。
作为本发明的一种优选方案，步骤2)中，所述下沉平台结构呈阵列排布或无规则排布。
作为本发明的一种优选方案，步骤2)中，所述下沉平台结构的截面形状包括倒梯形、半圆形及具有圆角的倒梯形中的任意一种；所述下沉平台结构的深度介于1～10微米之间。
作为本发明的一种优选方案，步骤2)中，基于所述平台腐蚀窗口腐蚀所述半导体衬底的工艺包括各向异性腐蚀、各向同性腐蚀以及各向异性腐蚀和各向同性腐蚀的共同腐蚀中的任意一种。
作为本发明的一种优选方案，所述各向异性腐蚀的腐蚀液包括氢氧化钾、四甲基氢氧化铵及乙二胺中的至少一种；所述各向同性腐蚀的腐蚀液包括氢氟酸、硝酸及水构成的混合液。
作为本发明的一种优选方案，步骤3)中，所述介质薄膜包括由至少一层氧化硅层及至少一层氮化硅层，其中，每一层所述氧化硅层的厚度介于0.2～1微米之间，每一层所述氮化硅层的厚度介于0.2～1微米之间，所述介质薄膜的厚度介于0.4～5微米之间。
作为本发明的一种优选方案，所述氧化硅的形成工艺包括热氧化、低压化学气相沉积及等离子体增强化学气相沉积中的任意一种；所述氮化硅的形成工艺包括低压化学气相沉积及等离子体增强化学气相沉积中的任意一种。
作为本发明的一种优选方案，步骤3)中，所述介质薄膜上定义有一个所述加热膜区、至少两个所述支撑梁区以及至少两个所述电极区，其中，所述支撑梁区相对于所述加热膜区呈中心对称排布。
作为本发明的一种优选方案，步骤4)中，所述加热电阻丝、所述连接引线、所述电极以及所述电极引线在同一制备工艺下制备，所述制备工艺包括剥离工艺及电镀工艺中的任意一种。
作为本发明的一种优选方案，采用剥离工艺制备所述加热电阻丝、所述连接引线、所述电极和所述电极引线的步骤包括：
4-1)于所述介质薄膜表面形成一层光刻胶层，并于所述光刻胶层上定义出加热电阻丝图形、连接引线图形、电极图形以及电极引线图形；
4-2)于步骤4-1)得到的结构的表面形成一层金属材料层；及
4-3)去除所述光刻胶层及其上的部分所述金属材料层，以得到所述加热电阻丝、所述连接引线、所述电极以及所述电极引线。
作为本发明的一种优选方案，采用电镀工艺制备所述加热电阻丝、所述连接引线、所述电极和所述电极引线的步骤包括：
4-1)于所述介质薄膜表面形成一层种子层；
4-2)于所述种子层表面形成一层光刻胶层，并基于所述光刻胶层图形化所述种子层以于所述种子层上定义出加热电阻丝图形、连接引线图形、电极图形以及电极引线图形；
4-3)于图形化的所述种子层上电镀形成金属材料层，以得到所述加热电阻丝、所述连接引线、所述电极以及所述电极引线。
作为本发明的一种优选方案，步骤4)中，所述加热电阻丝位于所述下沉平台结构的底部及侧壁；每一所述下沉平台结构对应的所述加热电阻丝呈折线排列。
作为本发明的一种优选方案，步骤4)中，所述加热电阻丝、所述连接引线、所述电极以及所述电极引线具有相同的厚度，且所述厚度介于0.2～2微米之间。
作为本发明的一种优选方案，步骤5)中，形成所述薄膜释放窗口的步骤包括：于所述介质薄膜的表面形成一层光刻胶层，并通过光刻工艺于所述光刻胶层中形成薄膜释放窗口图形，基于所述光刻胶层刻蚀所述介质薄膜，以于所述介质薄膜中形成显露所述半导体衬底的所述薄膜释放窗口。
作为本发明的一种优选方案，步骤5)中，所述薄膜释放窗口的数量为四个，且所述薄膜释放窗口环绕位于所述加热膜区的外围，相邻所述薄膜腐蚀窗口之间为所述支撑梁区。
作为本发明的一种优选方案，步骤6)中，基于所述薄膜腐蚀窗口腐蚀所述半导体衬底的工艺包括各向异性腐蚀工艺，所述各向异性腐蚀的腐蚀液包括氢氧化钾、四甲基氢氧化铵及乙二胺中的至少一种。
作为本发明的一种优选方案，步骤4)中，不同的所述下沉平台结构对应的所述加热电阻丝具有不同的形状。
本发明还提供一种三维微型加热器，包括：
半导体衬底，且所述半导体衬底内具有一槽型结构；
介质薄膜，位于所述半导体衬底上，所述介质薄膜包括加热膜区、支撑梁区及电极区，所述加热膜区经由所述支撑梁区与所述电极区相连接，所述加热膜区和所述支撑梁区与所述槽型结构围成一隔热腔体，所述加热膜区下凹形成有若干个间隔排布的下沉平台结构；
加热电阻丝，位于所述下沉平台结构对应的所述介质薄膜的表面；
连接引线，位于所述下沉平台结构之间的所述介质薄膜的表面，且所述连接引线与所述加热电阻丝首尾连接形成导线结构；
电极，位于所示电极区对应的所述介质薄膜的表面；以及
电极引线，位于所述支撑梁区对应的所述介质薄膜的表面，且所述导线结构的两端经由不同的所述电极引线分别与不同的所述电极相连接。
作为本发明的一种优选方案，所述下沉平台结构呈阵列排布或无规则排布；所述下沉平台结构的截面形状包括倒梯形、半圆形及具有圆角的倒梯形中的任意一种；所述下沉平台结构的深度介于1～10微米之间。
作为本发明的一种优选方案，所述半导体衬底包括(100)面的硅衬底；所述介质薄膜包括由至少一层氧化硅层及至少一层氮化硅层，每一层所述氧化硅层的厚度介于0.2～1微米之间，每一层所述氮化硅层的厚度介于0.2～1微米之间，所述介质薄膜的厚度介于0.4～5微米之间；所述加热电阻丝、所述连接引线、所述电极以及所述电极引线具有相同的厚度，且所述厚度介于0.2～2微米之间。
作为本发明的一种优选方案，所述介质薄膜上包括一个所述加热膜区、至少两个所述支撑梁区以及至少两个所述电极区，其中，所述支撑梁区相对于所述加热膜区呈中心对称排布。
作为本发明的一种优选方案，所述加热电阻丝位于所述下沉平台结构的底部及侧壁；每一所述下沉平台结构对应的所述加热电阻丝呈折线排列；不同的所述下沉平台结构对应的所述加热电阻丝具有不同的形状。
如上所述，本发明的三维微型加热器及制备方法，具有以下有益效果：
本发明提供的三维加热器具有凹槽形下沉平台结构加热膜区阵列，加热电阻丝主要排布在具有三维结构的凹槽形下沉平台阵列内部，这种三维加热器兼具传统二维加热器和三维加热器的优点，加热器整体加热膜区结构比较稳定，加热电阻丝加热分布更加均匀，加热器功耗较低，且具有更大的气体接触面积和正常的气体流通速度；同时，可以通过在阵列区域中不同的下沉平台结构上设置不同形状及布局的加热电阻丝，实现加热膜区热量等的调整，从而提高了传感器的稳定性及灵敏度，还可以以及实际需求进行电阻丝设置，提高了传感器应用的广泛性，解决了现有技术中二维平面加热器和普通三维加热器在某些应用领域的局限性。
附图说明
图1显示为本发明的三维微型加热器的制备工艺流程图。
图2显示为本发明的三维微型加热器制备中提供半导体衬底的结构示意图。
图3显示为本发明的三维微型加热器制备中形成牺牲层的结构示意图。
图4显示为本发明的三维微型加热器制备中形成平台腐蚀窗口的结构示意图。
图5显示为本发明的三维微型加热器制备中形成下沉平台结构的示意图。
图6显示为本发明的三维微型加热器制备中形成介质薄膜的结构示意图。
图7显示为图6得到结构的俯视图。
图8显示为本发明的三维微型加热器制备中形成加热电阻丝、连接引线、电极、电极引线的结构示意图。
图9显示为图8得到结构的俯视图。
图10显示为本发明的三维微型加热器制备中形成隔热腔体的结构示意图。
图11显示为图10得到结构的俯视图。
元件标号说明
100半导体衬底
101牺牲层
102平台腐蚀窗口
103下沉平台结构
104介质薄膜
105加热电阻丝
106连接引线
107电极
108电极引线
109薄膜腐蚀窗口
110隔热腔体
s1～s6步骤1)～步骤6)
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图11。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供一种三维微型加热器的制备方法，包括如下步骤：
1)提供一半导体衬底，并于所述半导体衬底上形成一牺牲层，所述牺牲层上形成有若干个平台腐蚀窗口，且相邻所述平台腐蚀窗口之间具有间距；
2)基于所述平台腐蚀窗口腐蚀所述半导体衬底，以于所述半导体衬底中形成若干个间隔排布的下沉平台结构；
3)去除所述牺牲层并于步骤2)所得到的结构的表面形成介质薄膜，所述介质薄膜上定义有加热膜区、支撑梁区及电极区，其中，所述加热膜区经由所述支撑梁区与所述电极区相连接，且所述加热膜区至少覆盖各所述下沉平台结构；
4)于所述下沉平台结构对应的所述介质薄膜上制备加热电阻丝，于所述下沉平台结构之间的所述介质薄膜上制备连接引线，于所述电极区上制备电极，于所述支撑梁区上制备电极引线，其中，所述加热电阻丝与所述连接引线首尾连接形成导线结构，所述导线结构的两端分别经由不同的所述电极引线与不同的所述电极相连接；
5)于所述介质薄膜上形成薄膜释放窗口；以及
6)基于所述薄膜释放窗口腐蚀所述半导体衬底形成一隔热腔体，以释放出所述加热膜区及所述支撑梁区。
下面将结合附图详细说明本发明的三维微型加热器的制备方法。
首先，如图1中的s1及图2～4所示，进行步骤1)，提供一半导体衬底100，并于所述半导体衬底100上形成一牺牲层101，所述牺牲层101上形成有若干个平台腐蚀窗口102，且相邻所述平台腐蚀窗口102之间具有间距。
作为示例，步骤1)中，所述半导体衬底100包括(100)面的硅衬底；所述牺牲层101包括氧化硅层，并通过光刻-刻蚀的工艺于所述氧化硅层上形成所述平台腐蚀窗口102；所述牺牲层101的厚度介于0.1～3微米之间。
具体的，所述半导体衬底100的材料可以为硅、锗硅、绝缘体上硅等，其可以为本征的材料层结构，也可以为n型或p型掺杂的材料层，在本示例中，选择n型(100)面的4英寸硅片作为半导体衬底，电阻率1～10ω·cm，硅片厚度为440～460微米，从而可以得到合适的隔热腔体结构。
另外，通过该步骤形成一平台腐蚀窗口，以基于其形成本发明的凹槽形的下沉平台结构。其制备步骤具体包括：首先，采用热氧化、低压化学气相沉积(lpcvd)或等离子增强化学气相沉积(pecvd)的方法在所述半导体衬底100表面形成一层厚度在0.1～3.0微米之间的所述牺牲层，如氧化硅薄膜，当然，也可以是其他可以实现制备平台腐蚀窗口以腐蚀半导体衬底的材料层，并不做具体限制，本示例中选择为1微米的氧化硅；然后，在所述牺牲层101表面形成光刻胶层，并通过光刻工艺制作出平台腐蚀窗口图形；接着，在光刻胶的保护下利用反应离子刻蚀(rie)或离子束刻蚀(ion-beam)彻底刻蚀暴露的氧化硅，形成所述平台腐蚀窗口102，如图4所示。
接着，如图1中的s2及图5所示，进行步骤2)，基于所述平台腐蚀窗口102腐蚀所述半导体衬底100，以于所述半导体衬底100中形成若干个间隔排布的下沉平台结构103。
作为示例，步骤2)中，基于所述平台腐蚀窗口102腐蚀所述半导体衬底100的工艺包括各向异性腐蚀、各向同性腐蚀以及各向异性腐蚀和各向同性腐蚀的共同腐蚀中的任意一种。
作为示例，所述各向异性腐蚀的腐蚀液包括氢氧化钾(koh)、四甲基氢氧化铵(tmah)及乙二胺(epw，邻苯二酚和水)中的至少一种；所述各向同性腐蚀的腐蚀液包括氢氟酸(hf)、硝酸(hno3)及水(h2o)构成的混合液。当然，也可以是采用各向同性干法刻蚀，刻蚀气体如包括xef2等。
具体的，该步骤中，在所述牺牲层101的保护下，利用如硅各向异性腐蚀、硅各向同性腐蚀或者二者结合等方式，基于所述平台腐蚀窗口102在所述半导体衬底100内制备凹槽形的所述下沉平台结构103。
作为示例，步骤2)中，所述下沉平台结构103的截面形状包括倒梯形、半圆形及具有圆角的倒梯形中的任意一种；所述下沉平台结构103的深度介于1～10微米之间。
具体的，沿垂直于所述半导体衬底100表面的截面内，所述下沉平台结构103的截面形状可以是倒梯形、v型、半圆形以及圆角倒梯形等，可以依实际需求设定，如在氧化硅的保护下，利用硅各向异性腐蚀液，通过所述平台腐蚀窗口在硅片上腐蚀出截面呈倒梯形结构的凹槽形下沉平台结构，利用硅各向同性腐蚀液，通过所述平台腐蚀窗口在硅片上腐蚀出截面呈半圆形结构的凹槽形下沉平台结构，利用硅各向异性腐蚀和硅各向同性腐蚀共同作用，通过所述平台腐蚀窗口在硅片上腐蚀出横截面呈圆角倒梯形结构的凹槽形下沉平台结构。
另外，所述下沉平台结构103的深度优选为2～6微米，本示例中选择为5微米，其中，所述下沉平台结构的深度是指在垂直于所述半导体衬底表面的平面内，所述下沉平台结构的上下最大距离，如当所述下沉平台结构的截面形状呈倒梯形时，该深度是指倒梯形的高度，当其截面形状呈半圆形时，该深度是指半圆形的直径，当截面形状呈具有圆角的倒梯形时，该深度是指倒梯形的高度。另外，所述下沉平台结构103的开口，即所述平台腐蚀窗口102，优选为棱边均沿着<110>方向的矩形。
作为示例，步骤2)中，所述下沉平台结构103呈阵列排布或无规则排布。
需要说明的是，本发明提供的三维微型加热器具有若干个凹槽形的下沉平台结构103，并且所述下沉平台结构103可以依据实际需求排列，如可以是环形排布，可以呈阵列排布，还可以是无规则排布，其中，所述下沉平台阵列103的排布方式直接影响后续在所述下沉平台结构对应的位置制备的加热电阻丝的位置，进而直接影响整个加热器的热量分布，从而可以依据实际需求调整，得到需要的热量分布，解决现有技术中热量调节单一的问题。
接着，如图1中的s3及图7和9所示，进行步骤3)，去除所述牺牲层101并于步骤2)所得到的结构的表面形成介质薄膜104，所述介质薄膜104上定义有加热膜区104a、支撑梁区104b及电极区104c，其中，所述加热膜区104a经由所述支撑梁区104b与所述电极区104c相连接，且所述加热膜区104a至少覆盖各所述下沉平台结构103。
具体的，去除之前形成的所述牺牲层101，并于得到结构的整个表面形成一层介质薄膜104，其中，所述介质薄膜104同时下凹覆盖所述下沉平台结构的内壁，所述介质薄膜一方面可以支撑后续在其上方形成的结构，保证器件结构不破损，另一方面，所述介质薄膜后续会被刻蚀成悬空结构，核心区域只通过支撑梁区与半导体衬底相连接，从而减少了热量损坏，降低了器件能耗。
作为示例，步骤3)中，所述介质薄膜104包括由至少一层氧化硅层及至少一层氮化硅层，其中，每一层所述氧化硅层的厚度介于0.2～1微米之间，每一层所述氮化硅层的厚度介于0.2～1微米之间，所述介质薄膜的厚度介于0.4～5微米之间。
作为示例，所述氧化硅的形成工艺包括热氧化、低压化学气相沉积(lpcvd)及等离子体增强化学气相沉积(pecvd)中的任意一种；所述氮化硅的形成工艺包括低压化学气相沉积(lpcvd)及等离子体增强化学气相沉积(pecvd)中的任意一种。
具体的，所述介质薄膜104可以由氧化硅层及氮化硅层构成，介质薄膜最底下的一层可以使用热氧化制备的氧化硅，也可以使用lpcvd工艺制备氮化硅层，所述介质薄膜的顶层和底层不做具体限制，优选氧化硅位于底层，且所述氧化硅层与所述氮化硅层交替叠置，氧化硅厚度设置为0.5微米，数量为两层，氮化硅厚度为0.3微米，数量为两层。
作为示例，步骤3)中，所述介质薄膜104上定义有一个所述加热膜区104a、至少两个所述支撑梁区104b以及至少两个所述电极区104c，其中，所述支撑梁区104b相对于所述加热膜区104a呈中心对称排布。
具体的，参照图9所示，给出了所述加热膜区、所述支撑梁区以及所述电极区的分布，作为一示例，包括一中心的加热膜区104a，四个所述支撑梁区104b以及两个电极区104c，其中，四个所述支撑梁区相对于所述加热膜区中心对称分布，所述电极区位于对角对称的两个所述支撑梁区的两端，当然，所述电极区可以设置在任意两个所述支撑梁区远离所述加热膜区的两端。
接着，如图1中的s4及图8～9所示，进行步骤4)，于所述下沉平台结构103对应的所述介质薄膜104上制备加热电阻丝105，于所述下沉平台结构103之间的所述介质薄膜104上制备连接引线106，于所述电极区104c上制备电极107，于所述支撑梁区104b上制备电极引线108，其中，所述加热电阻丝105与所述连接引线106首尾连接形成导线结构，所述导线结构的两端分别经由不同的所述电极引线108与不同的所述电极107相连接，其中，图8显示为图9沿a-b方向的截面图。
具体的，在该步骤中，完成加热器电阻器件的制备，包括加热电阻丝、连接引线、电极以及电极引线，其中，连接引线位于加热电阻丝之间，用于将各加热电阻丝连接，从而构成导电结构，当然，各所述加热电阻丝可以首尾连接构成一个导线结构，也可以是构成两个及两个以上的导线结构再与电极连接，实现不同功能，所述电极引线用于将所述导线结构引出至所述电极处，形成器件之间的电连接。
作为示例，步骤4)中，所述加热电阻丝、所述连接引线、所述电极以及所述电极引线在同一制备工艺下制备，所述制备工艺包括剥离工艺及电镀工艺中的任意一种。
另外，所述加热电阻丝105、连接引线106、电极107以及电极引线108优选基于同一材料层制备得到，且在同一工艺下制备得到，从而可以简化工艺，节约材料及成本，并进一步保证各组件之间的电连接性及器件的稳定性。
作为示例，步骤4)中，所述加热电阻丝105、所述连接引线106、所述电极107和所述电极引线108具有相同的厚度，且所述厚度介于0.2～2微米之间。
作为示例，采用剥离工艺制备所述加热电阻丝105、所述连接引线106、所述电极107和所述电极引线108的步骤包括：
4-1)于所述介质薄膜104表面形成一层光刻胶层，并于所述光刻胶层上定义出加热电阻丝图形、连接引线图形、电极图形以及电极引线图形；
4-2)于步骤4-1)得到的结构的表面形成一层金属材料层；及
4-3)去除所述光刻胶层及其上的部分所述金属材料层，以得到所述加热电阻丝105、所述连接引线106、所述电极107以及所述电极引线108。
具体的，采用剥离工艺(lift-off)制备各电阻器件的组件，步骤4-1)中，喷光刻胶层，厚度介于1～10微米之间，本示例中选择为5微米，并图形化所述光刻胶层，显露出所要制备组件的图形，露出所述介质薄膜以制备金属层，然后溅射一层厚度介于0.2～2微米之间的金属材料层，如钛铂，最后用丙酮去除所述光刻胶层以及形成在所述光刻胶层上以及侧壁上的金属材料层，得到形成在所述介质薄膜104上的所述加热电阻丝105、所述连接引线106、所述电极107以及所述电极引线108。
作为示例，采用电镀工艺制备所述加热电阻丝105、所述连接引线106、所述电极107以及所述电极引线108的步骤包括：
4-1)于所述介质薄膜104表面形成一层种子层；
4-2)于所述种子层表面形成一层光刻胶层，并基于所述光刻胶层图形化所述种子层以于所述种子层上定义出加热电阻丝图形、连接引线图形、电极图形以及电极引线图形；
4-3)于图形化的所述种子层上电镀形成金属材料层，以得到所述加热电阻丝105、所述连接引线106、所述电极107以及所述电极引线108。
具体的，采用电镀制备各电阻器件的组件，首先溅射一层种子层，所述种子层的材料包括钛铂、钛金、铂、金、钛钨/金叠层结构、钛钨/铂叠层结构，使得介质薄膜104表面均覆盖有金属种子层，然后再喷一层光刻胶，厚度介于1～10微米之间，然后，对光刻胶进行图形化，在基于所述光刻胶图形化所述种子层，以在种子层上形成电阻器件的各组件，再在图形化好的所述种子层上电镀一层金属材料层，如金属铂，该金属材料层的厚度介于0.2～2微米之间，本示例中选择为1微米，得到所述加热电阻丝105、所述连接引线106、所述电极107以及所述电极引线108，其中，种子层同时作为各组件的一部分。采用电镀工艺可以制备得到较厚的金属层，可以提高各组件的厚度。
作为示例，步骤4)中，所述加热电阻丝105位于所述下沉平台结构103的底部及侧壁；每一所述下沉平台结构103对应的所述加热电阻丝105呈折线排列。
作为示例，步骤4)中，不同的所述下沉平台结构103对应的所述加热电阻丝105具有不同的形状。
具体的，所述加热电阻丝105可以位于所述下沉平台结构103表面的介质薄膜104上，可以位于所述下沉平台结构的底部及侧壁，从而增加了加热膜区的面积，提高了效率，也使得加热电阻丝有更好的布局空间，另外，每一个所述下沉平台结构对应位置的加热电阻丝可以呈折线等形态分布，增加了微型加热器的电阻丝的有效长度，另外，每个下沉平台结构对应的加热电阻丝的形态分布可以设置为不同，如整个器件的热量的散发可能不同，则可以根据器件特性，将热量散发较快的部位设置有效长度较长的电阻丝，从而使得热量分布均匀，同时，不同形状的加热电阻丝设置可以适应不同的需求，本发明通过下沉平台结合不同下沉平台中不同形状的加热电阻丝的分布，实现了任何器件的热量均匀分布的效果。
继续，如图1中的s5及图11所示，进行步骤5)，于所述介质薄膜104上形成薄膜释放窗口109。
作为示例，步骤5)中，形成所述薄膜释放窗口109的步骤包括：于所述介质薄膜104的表面形成一层光刻胶层，并通过光刻工艺于所述光刻胶层中形成薄膜释放窗口图形，基于所述光刻胶层刻蚀所述介质薄膜104，以于所述介质薄膜104中形成显露所述半导体衬底100的所述薄膜释放窗口109。
具体的，该步骤中在介质薄膜中制备薄膜释放窗口109，其中，一方面，制备薄膜释放窗口可以用于基于其腐蚀半导体衬底，形成一隔热腔体，以释放所述加热膜区以及所述支撑梁区，同时，在形成所述薄膜释放窗口的同时形成了支撑梁区，保留合适的支撑梁区的面积，从而在实现支撑作用的同时，尽可能的减少热量损失，减少器件能耗。
作为示例，步骤5)中，所述薄膜释放窗口109的数量为四个，且所述薄膜释放窗口109环绕位于所述加热膜区104a的外围，相邻所述薄膜腐蚀窗口109之间为所述支撑梁区104b。
具体的，形成的所述薄膜释放窗口的形状可以任意设置，在本示例中，设置为梯形形状，其梯形的上底靠近所述加热膜区，所述加热膜区的形状设置为方形。另外，在光刻胶的保护下可以利用反应离子刻蚀(rie)或离子束刻蚀(ion-beam)彻底刻蚀暴露的氧化硅和氮化硅复合膜，形成薄膜释放窗口。
最后，如图1中的s6及图10～11所示，进行步骤6)，基于所述薄膜释放窗口109腐蚀所述半导体衬底100形成一隔热腔体110，以释放出所述加热膜区104a及所述支撑梁区104b，其中，图10显示为图11的c-d方向的截面图。
作为示例，步骤6)中，基于所述薄膜腐蚀窗口109腐蚀所述半导体衬底100的工艺包括各向异性腐蚀工艺，所述各向异性腐蚀的腐蚀液包括氢氧化钾、四甲基氢氧化铵及乙二胺中的至少一种。
具体的，所述各向异性腐蚀的腐蚀液包括氢氧化钾(koh)、四甲基氢氧化铵(tmah)及乙二胺(epw，邻苯二酚和水)中的至少一种，当然，并不局限于上述几种。
需要说明的是，形成的连通的隔热腔体沿着垂直于半导体衬底表面的平面的截面形状包括但不限于倒梯形，可以实际需求设置。采用本发明提供的方法制作的三维微型加热器，器件体积小，性能高，易于阵列化和批量生产；三维微型加热器的加热电阻丝通过剥离或电镀工艺制备，增加了器件的可靠性，特别是高温下的稳定性；三维微型加热器的中心加热膜区是由多个凹槽形下沉平台结构阵列组成，在增加了加热膜区面积的同时，保证了正常的气体流通速度，有利于在气体传感器领域的应用。
如图10及11所示，参考图1～9，本发明还提供一种三维微型加热器，其中，所述三维微型加热器优选采用本发明提供的微型加热器的制备方法制备得到，当然也可以采用其他制备工艺，所述三维微型加热器包括：
半导体衬底100，且所述半导体衬底100内具有一槽型结构；
介质薄膜104，位于所述半导体衬底100上，所述介质薄膜包括加热膜区104a、支撑梁区104b及电极区104c，所述加热膜区104a经由所述支撑梁区104b与所述电极区104c相连接，所述加热膜区104a和所述支撑梁区104b与所述槽型结构围成一隔热腔体110，所述加热膜区104a下凹形成有若干个间隔排布的下沉平台结103；
加热电阻丝105，位于所述下沉平台结构103对应的所述介质薄膜104的表面；
连接引线106，位于所述下沉平台结构103之间的所述介质薄膜104的表面，且所述连接引线106与所述加热电阻丝105首尾连接形成导线结构；
电极107，位于所示电极区104c对应的所述介质薄膜104的表面；以及
电极引线108，位于所述支撑梁区104b对应的所述介质薄膜104的表面，且所述导线结构的两端经由不同的所述电极引线108分别与不同的所述电极107相连接。
作为示例，所述半导体衬底100包括(100)面的硅衬底。
具体的，所述半导体衬底100的材料可以为硅、锗硅、绝缘体上硅等，其可以为本征的材料层结构，也可以为n型或p型掺杂的材料层，在本示例中，选择n型(100)面的4英寸硅片作为半导体衬底，电阻率1～10ω·cm，硅片厚度为450±10微米，从而可以得到合适的隔热腔体结构。
作为示例，所述下沉平台结构103呈阵列排布或无规则排布，且不同的所述下沉平台结构103对应的所述加热电阻丝105具有不同的形状；所述下沉平台结构103的截面形状包括倒梯形、半圆形及具有圆角的倒梯形中的任意一种；所述下沉平台结构103的深度介于1～10微米之间。
具体的，沿垂直于所述半导体衬底100表面的截面内，所述下沉平台结构103的截面形状可以是倒梯形、v型、半圆形以及圆角倒梯形等，可以依实际需求设定，如在氧化硅的保护下，利用硅各向异性腐蚀液，通过所述平台腐蚀窗口在硅片上腐蚀出截面呈倒梯形结构的凹槽形下沉平台结构，利用硅各向同性腐蚀液，通过所述平台腐蚀窗口在硅片上腐蚀出截面呈半圆形结构的凹槽形下沉平台结构，利用硅各向异性腐蚀和硅各向同性腐蚀共同作用，通过所述平台腐蚀窗口在硅片上腐蚀出横截面呈圆角倒梯形结构的凹槽形下沉平台结构。
另外，所述下沉平台结构103的深度优选为2～6微米，本示例中选择为5微米，其中，所述下沉平台结构的深度是指在垂直于所述半导体衬底表面的平面内，所述下沉平台结构的上下最大距离，如当所述下沉平台结构的截面形状呈倒梯形时，该深度是指倒梯形的高度，当其截面形状呈半圆形时，该深度是指半圆形的直径，当截面形状呈具有圆角的倒梯形时，该深度是指倒梯形的高度。另外，所述下沉平台结构103的开口，即所述平台腐蚀窗口102，优选选择棱边均沿着<110>方向的矩形。
需要说明的是，本发明提供的三维微型加热器具有若干个凹槽形的下沉平台结构103，并且所述下沉平台结构103可以依据实际需求排列，如可以是环形排布，可以呈阵列排布，还可以是无规则排布，其中，所述下沉平台阵列103的排布方式直接影响后续在所述下沉平台结构对应的位置制备的加热电阻丝的位置，进而直接影响整个加热器的热量分布，从而可以依据实际需求调整，得到需要的热量分布，解决现有技术中热量调节单一的问题。
作为示例，所述介质薄膜104包括由至少一层氧化硅层及至少一层氮化硅层，每一层所述氧化硅层的厚度介于0.2～1微米之间，每一层所述氮化硅层的厚度介于0.2～1微米之间，所述介质薄膜104的厚度介于0.4～5微米之间。
具体的，所述介质薄膜104同时下凹覆盖所述下沉平台结构的内壁，所述介质薄膜一方面可以支撑后续在其上方形成的结构，保证器件结构不破损，另一方面，所述介质薄膜后续会被刻蚀成悬空结构，核心区域只通过支撑梁区与半导体衬底相连接，从而减少了热量损坏，降低了器件能耗。
具体的，所述介质薄膜104可以由氧化硅层及氮化硅层构成，所述介质薄膜的顶层和底层不做具体限制，优选氧化硅位于底层，且所述氧化硅层与所述氮化硅层交替叠置，氧化硅厚度设置为0.5微米，数量为两层，氮化硅厚度为0.3微米，数量为两层。
作为示例，所述介质薄膜104上包括一个所述加热膜区104a、至少两个所述支撑梁区104b以及至少两个所述电极区104c，其中，所述支撑梁区104b相对于所述加热膜区104a呈中心对称排布。
具体的，参照图9所示，给出了所述加热膜区、所述支撑梁区以及所述电极区的分布，作为一示例，包括一中心的加热膜区104a，四个所述支撑梁区104b以及两个电极区104c，其中，四个所述支撑梁区相对于所述加热膜区中心对称分布，所述电极区位于对角对称的两个所述支撑梁区的两端，当然，所述电极区可以设置在任意两个所述支撑梁区远离所述加热膜区的两端。
作为示例，所述加热电阻丝105位于所述下沉平台结构的底部及侧壁；每一所述下沉平台结构103对应的所述加热电阻丝105呈折线排列；所述加热电阻丝105、所述连接引线106、所述电极107以及所述电极引线108具有相同的厚度，且所述厚度介于0.2～2微米之间。
具体的，在该步骤中，完成加热器电阻器件的制备，包括加热电阻丝、连接引线、电极以及电极引线，其中，连接引线位于加热电阻丝之间，用于将各加热电阻丝连接，从而构成导电结构，当然，各所述加热电阻丝可以首尾连接构成一个导线结构，也可以是构成两个及两个以上的导线结构再与电极连接，实现不同功能，所述电极引线用于将所述导线结构引出至所述电极处，形成器件之间的电连接。
另外，所述加热电阻丝105、连接引线106、电极107以及电极引线108优选基于同一材料层制备得到，且在同一工艺下制备得到，从而可以简化工艺，节约材料及成本，并进一步保证各组件之间的电连接性及器件的稳定性。
具体的，所述加热电阻丝105可以位于所述下沉平台结构103表面的介质薄膜104上，可以位于所述下沉平台结构的底部及侧壁，从而增加了加热膜区的面积，提高了效率，也使得加热电阻丝有更好的布局空间，另外，每一个所述下沉平台结构对应位置的加热电阻丝可以呈折线等形态分布，增加了微型加热器的电阻丝的有效长度，另外，每个下沉平台结构对应的加热电阻丝的形态分布可以设置为不同，如整个器件的热量的散发可能不同，则可以根据器件特性，将热量散发较快的部位设置有效长度较长的电阻丝，从而使得热量分布均匀，同时，不同形状的加热电阻丝设置可以适应不同的需求。
综上所述，本发明提供一种三维微型加热器及制备方法，制备方法包括：1)提供一半导体衬底，并于所述半导体衬底上形成一牺牲层，所述牺牲层上形成有若干个平台腐蚀窗口，且相邻所述平台腐蚀窗口之间具有间距；2)基于所述平台腐蚀窗口腐蚀所述半导体衬底，以于所述半导体衬底中形成若干个间隔排布的下沉平台结构；3)去除所述牺牲层并于步骤2)所得到的结构的表面形成介质薄膜，所述介质薄膜上定义有加热膜区、支撑梁区及电极区，其中，所述加热膜区经由所述支撑梁区与所述电极区相连接，且所述加热膜区至少覆盖各所述下沉平台结构；4)于所述下沉平台结构对应的所述介质薄膜上制备加热电阻丝，于所述下沉平台结构之间的所述介质薄膜上制备连接引线，于所述电极区上制备电极，于所述支撑梁区上制备电极引线，其中，所述加热电阻丝与所述连接引线首尾连接形成导线结构，所述导线结构的两端分别经由不同的所述电极引线与不同的所述电极相连接；5)于所述介质薄膜上形成薄膜释放窗口；以及6)基于所述薄膜释放窗口腐蚀所述半导体衬底形成一隔热腔体，以释放出所述加热膜区及所述支撑梁区。通过上述方案，本发明提供的三维加热器具有凹槽形下沉平台结构加热膜区阵列，加热电阻丝主要排布在具有三维结构的凹槽形下沉平台阵列内部，这种三维加热器兼具传统二维加热器和三维加热器的优点，加热器整体加热膜区结构比较稳定，加热电阻丝加热分布更加均匀，加热器功耗较低，且具有更大的气体接触面积和正常的气体流通速度；同时，通过在阵列区域中不同的下沉平台结构上设置不同形状及布局的加热电阻丝，可以实现加热膜区热量等的调整，从而提高了传感器的稳定性及灵敏度，还可以以及实际需求进行电阻丝设置，提高了传感器应用的广泛性，解决了现有技术中二维平面加热器和普通三维加热器在某些应用领域的局限性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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