《玻璃基底微热板激光加工规范》

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团体标准

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玻璃基底微热板激光加工规范

SpecificationsforPreparingGlass-BasedMicro-Hotplates

byLaserPrecessing

（征求意见稿）

在提交反馈意见时，请将您知道的相关专利连同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施

中国机械工业标准化技术协会发布

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目次

1.范围………………………...……1

2.规范性引用文件……………...…1

3.术语和定义……………………...1

3.1激光烧蚀…………………1

3.2Lift-off工艺………………2

3.3等离子增强化学气相沉积(PECVD)…………………...2

3.4反应离子刻蚀(RIE).…………………….2

3.4加热电极………………………...………2

3.5绝缘层…………………………...………2

3.6玻璃基底……………...…2

3.7背腔…………………...…2

4.要求………………………….…2

4.1人员………………………...……………2

4.2环境…………………...…2

4.2.1百级洁净间…………………..…..3

4.2.2千级洁净间……………………....3

4.3材料…………………………...…………3

4.3.1基底材料选择……………………3

4.3.2加热电极材料选择………………3

4.3.3绝缘层材料选择…………………3

4.4设备…………….……..…3

4.4.1激光加工设备……………………3

4.4.2光刻机……………4

4.4.3磁控溅射设备……………………4

4.4.4PECVD设备…………...…………4

4.5工艺参数选择……………………...……4

4.5.1激光加工参数……………………4

4.5.2光刻参数…………………………4

4.5.3磁控溅射参数……………………5

4.5.4PECVD参数……………………...………………5

4.5.5RIE参数……………………..……5

5.工艺控制……………………...…6

5.1工艺流程………………...6

5.2基底清洗………………..……….………6

5.3耆腔刻蚀……………..…………….……6

5.4制备加热电极…………...………………6

5.5退火……………………...………………6

5.6制备绝缘层……………...………………6

6安全要求………………………..………………6

6.1操作人员行为规范………………………6

6.1.1激光器操作………………………6

6.1.2丙酮使用…………………………7

6.1.3磁控溅射机器操作………………7

6.2激光器操作……………………...………7

6.3装卸试样与靶材…………………...……7

6.4离开时注意事项…………………...……7

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6.5紧急情况处理…………...………………7

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玻璃基底微热板激光加工规范

1.范围

本文件给出了玻璃基底微热板激光加工规范并规定：

——玻璃基底微热板基底材料的选择；

——玻璃基底微热板激光加工工艺参数要求；

——电极与绝缘层材料与制备方法的选择。

本文件适用于玻璃基底微热板激光加工的工艺规范。

2.规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB/T18490.1-2017机械安全激光加工机第1部分：通用安全要求

JB/T13382.2-2018激光切割机床

SJ/T10478—1994磁控溅射设备通用技术条件

JB/T8945-2010真空溅射镀膜设备

JJG684-2003表面铂热电阻

JB/T5524-1991实验室激光安全规则

ISO9013:2017热切割热切割分类几何形状和质量公差

ISO14644-1洁净室及相关受控环境第一部分：由颗粒浓度对空气洁净度分级

3.术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1激光烧蚀

激光烧蚀通常使用高光束质量的小功率激光聚焦在非常小的点上。在焦点处，激光形成极高的功率

密度，足以使材料瞬间蒸发，从而实现精确的微纳切割、钻孔、挖槽等工艺。

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3.2Lift-off工艺

Lift-off工艺是一种在微电子制造中常用的技术，它主要用于制作高品质的电极和金属互连结构。这

种工艺的核心在于使用光刻胶或金属掩膜作为模板，通过物理沉积方法（如蒸发或溅射）在模板上形成

目标材料层，然后利用化学或机械手段去除光刻胶或掩膜，从而得到所需图案的结构。

3.3等离子增强化学气相沉积（PECVD）

PECVD是一种在低气压环境下，使用低温等离子体来制备薄膜的技术。它结合了等离子体技术和

化学气相沉积（CVD）技术，可以在较低的温度下实现高质量薄膜的沉积。用于绝缘层制备。

3.4反应离子刻蚀（RIE）

RIE是一种由等离子体强化后的反应离子气体轰击目标材料以实现刻蚀的技术。在去除目标材料时，

利用反应离子气体束切断目标材料的化学键，使之产生低分子物质并挥发或游离。用于绝缘层刻蚀。

3.4加热电极

玻璃基底微热板中提供稳定温度场的电极。

3.5绝缘层

玻璃基底微热板中覆盖于加热电极之上的功能层，以起到电绝缘与保护作用。

3.6玻璃基底

玻璃基底微热板中承载加热电极和绝缘层的平台。

3.7背腔

玻璃基底微热板中在玻璃基底背面通过体刻蚀工艺形成的空腔结构。

4.要求

4.1人员

从事包括光刻、PECVD、磁控溅射和激光烧蚀等MEMS相关工艺的操作人员应经过培训与考核，持

证上岗。

4.2环境

不同工艺与设备所需环境不同。

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4.2.1百级洁净间

每立方英尺中大于0.5µm的粒子数目小于3520个。适用于玻璃基底微热板制造过程中所需的光刻工

艺步骤。

4.2.2千级洁净间

每立方英尺中大于0.5μm的粒子数目小于35200个。适用于玻璃基底微热板制造过程中所需的

PECVD、磁控溅射、激光烧蚀等工艺步骤。

4.3材料

4.3.1基底材料选择

选用BF33玻璃作为基底材料，其加工性能良好、加工成本低、机械强度高、抗氧化和热稳定性好，

且兼容微电子工艺、MEMS（Micro-electromechanicalSystems）工艺。

4.3.2加热电极材料选择

加热电极选用铂作为功能层，钛作为粘附层。铂具有密度低、导电性好、比热容高和电阻温度系数

稳定等优势，同时其延展性、致密性和化学稳定性优异，是制造电极的理想材料。钛薄膜用于改善铂与

玻璃基底的粘附力。

4.3.3绝缘层材料选择

绝缘层材料选择为氧化硅。氧化硅具有良好的绝缘绝热性能，有利于微热板的热管理和加热电极的

保护。

4.4设备

4.4.1激光加工设备

超短脉冲激光加工设备的原理是将聚焦成高功率密度的激光束照射到目标材料表面，使目标材料

熔化或气化，并利用辅助气体将熔化或气化的样品粉末吹走，随着激光束的移动，最终实现目标材料的

图形化减材。主要对超薄材料如玻璃、陶瓷、石英等进行钻孔、挖槽与切割。适用于玻璃基底微热板背

腔的制备。

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4.4.2光刻机

采用双面对准功能的接触式光刻机行光刻。光刻过程开始于在玻璃基底表面涂覆一层光敏性材料，

即光刻胶。然后，使用特定波长的光源（通常是紫外光、深紫外光或极紫外光）透过含有目标图案的掩

模版照射到基底表面。实现在玻璃基底上精确地转移掩膜上的电极图案。

4.4.3磁控溅射设备

磁控溅射设备是一种用于镀膜的技术装备，它通过在真空中利用磁场和电场的交互作用来实现薄

膜的沉积。在MEMS微热板的制造中，磁控溅射技术用于制造具有特定电学和热学性能的薄膜，常用的

PVD（PhysicalVaporDeposition）沉积材料包括铂、镍、铬、钛等金属，这些材料具有良好的电导性和

热稳定性，适用于制造MEMS微热板的电极。

4.4.4PECVD设备

PECVD利用等离子体来增强化学反应，从而在较低的温度下实现薄膜的沉积。这使得PECVD成为

MEMS制造中一种重要的薄膜沉积技术。在本研究中，PECVD主要应用于沉积MEMS微热板的氧化硅绝

缘层。PECVD设备通常包括一个反应室，其中放置有用于产生等离子体的电极。在等离子体的作用下，

气体前驱物分解并沉积在加热的基材上，形成所需的薄膜。PECVD工艺允许精确控制沉积的薄膜厚度

和均匀性，通过调整PECVD工艺参数，可以制造出具有特定电学特性和应力水平的薄膜。

4.5工艺参数选择

4.5.1激光加工参数

制备背腔的工艺参数及加工结果（主要包括频率、分割数、功率因数、图层次数等）见表1：

表1背腔制备工艺参数

激光中心波长刻蚀深度

频率（kHz）分割数功率（W）图层数（层）

（nm）（μm）

39853233.3346470

39853232.9148480

4.5.2光刻参数

薄膜电极光刻工艺参数（主要包括匀胶速度、匀胶时间、曝光剂量、显影时间等）见表2：

表2薄膜电极光刻工艺参数

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匀胶速度匀胶时间曝光剂量显影时间

光刻胶型号显影液型号

（r/min）（s）（mJ/min）（s）

NR9–

300040550RD613

3000PY

4.5.3磁控溅射参数

磁控溅射薄膜电极（Ti/Pt）工艺参数（主要包括靶材电源、氩气压强、氩气流量、溅射功率、沉积

速率、沉积时间等）见表3：

表3磁控溅射薄膜电极工艺参数

氩气压强氩气流量溅射功率沉积速率

靶材电源

（Pa）（Sccm）（W）（Å/s）

Ti射频0.4301601.55

Pt直流0.4301404.84

4.5.4PECVD参数

PECVD制备绝缘层工艺参数（主要包括温度、功率、沉积时间、氮气流速、SiH2:N2O流量比等）见

表4：

表4PECVD制备绝缘层工艺参数

沉积温度沉积功率沉积时间氮气流速

SiH2:N2O流量比

（℃）（W）(min)(Sccm)

3003010.54002:5

4.5.5RIE参数

PECVD制备绝缘层工艺参数（主要包括气体种类与流量、刻蚀速率、刻蚀时间等）见表5：

表5RIE刻蚀绝缘层工艺参数

气体流量刻蚀功率刻蚀速率

气体种类

（Sccm）（W）（nm/min）

CHF340300600

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5.工艺控制

5.1工艺流程

玻璃基底微热板激光加工工艺一般包括基片清洗、背腔刻蚀、制备加热电极、退火、制备绝缘层。

5.2基底清洗

玻璃基底首先进行超声清洗，去除表面上的有机物和无机物，清洗工艺步骤如下：将基片放入培养

皿中，依次加入适量丙酮、酒精，每次超声清洗的时间为10min。清洗完毕后，用去离子水清洗，然后

用N2吹干玻璃基底，放入干燥箱中100℃烘干30min。

5.3背腔刻蚀

将玻璃基底固定在激光加工平台，调节激光器焦平面位置，激光加工设备参数可参考表1根据目标

深度调整，以实现目标背腔深度的刻蚀。加工结束后将玻璃基底泡在丙酮溶液中30min去除激光加工

残留的玻璃碎屑。

5.4制备加热电极

制备加热电极前首先将玻璃基底进行RCA（ResistCleaningandStripping）标准清洗，清洗完成后

进行第一次光刻工艺。步骤如下：在玻璃基底正面涂覆NR9-3000PY光刻胶，工艺参数参照表2，之

后通过曝光、显影工艺完成图形转移。光刻工艺完成后，通过磁控溅射法在玻璃基底正面制备Ti/Pt，

目标厚度的沉积可参照表3，通过设置沉积时间实现。溅射完成后，通过Lift-off工艺完成加热电极制

备。

5.5退火

加热电极制备完成后，为了消除薄膜应力以及减少薄膜内部缺陷，需在450℃环境下退火一小时。

5.6制备绝缘层

采用PECVD工艺制备SiO2，工艺参数可参考表4（SiO2厚度为600nm）。之后进行第二次光刻

工艺，光刻胶型号为AZ12XT-5，光刻工艺完成后，采用RIE刻蚀完成SiO2绝缘层制备，工艺参数可

参照表5，刻蚀时间根据绝缘层厚度设置。

6安全要求

6.1操作人员行为规范

6.1.1激光器操作：

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操作激光器时应该戴上护目镜，不可直视激光源或任何表面反射的激光。

激光器使用完毕后即终止光路。激光工作期间必须有人员值守。开启激光器时严格遵守水、电、气

的操作规程。

6.1.2丙酮使用：

丙酮使用前应穿戴防护手套、防护口罩以及防护眼镜，使用时须打开通风设备。

6.1.3磁控溅射机器操作：

操作人员应在安全区域，并着防尘服。

操作人员应在溅射过程中佩戴防尘口罩。

6.2激光器操作

加载和卸载激光器加工平台时，确保样品处于安全位置，激光器工作过程中，应保证环境温度为激

光器工作适宜温度。

6.3装卸试样与靶材

6.3.1打开磁控溅射机的总电源，电源三相指示灯全亮为正常。

提升或降落（“升”或“降”）样品台要注意点动操作，不得连续操作。装卸试样与靶材要佩戴一次性

薄膜手套，避免油污、灰尘等污染。

6.3.2磁控靶的屏蔽罩与阴极间距为2-3mm，屏蔽罩与阴极应为断路状态。

装卸试样要注意试验所用样品座位置与挡板上溅射孔的对应，并记录样品座的编号及目前所对应

的靶位。

6.3.3降落样品台时应注意样品台与溅射室的吻合，并对工业酒精擦洗干净样品台与溅射室的配合面

6.4离开时注意事项

6.4.1将所用工具放回原位，整理室内卫生；

6.4.2在离开之前，应确定拉闸断电，关闭门窗。

6.5紧急情况处理

6.5.1紧急停电处理方法：立即切断电源，关闭闸板阀、各路气阀，最后关闭电路按钮开关。

6.5.2丙酮使用时发生头痛、头晕、恶心，须离开工作区域，并立即送医务室急诊。使用时如果丙酮接

触到皮肤或眼睛，应立刻脱去污染的衣着，用清水彻底冲洗皮肤15分钟以上并及时就医。

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团体标准《玻璃基底微热板激光加工规范》

（征求意见稿）编制说明

一、工作简况

1、任务来源

本项目根据2024年6月7日中国机械工业标准化技术协会下发的“关于印发2024

年第三批团体标准制修订计划的通知”（中机标字[2024]17号）的文件制定，计划编号

CAMS2024017，标准项目名称：玻璃基底微热板激光加工规范，标准起草牵头单位：北京

信息科技大学，标准制定周期12个月。

2、主要工作过程

起草（草案、调研）阶段：微热板是微机电系统中常用的加热部件，广泛应用于军事

国防、航空航天、环境保护、医学诊断、人工智能等领域。目前市场主流是硅基MEMS

微热板，由于硅是热和电的良导体，为降低功耗通常需要设计成悬空的氮化硅/氧化硅薄

膜结构，并需额外的绝缘层避免基底导电，致使加工中需要多次光刻工艺，工艺周期长，

也导致后续工艺兼容性差。同时由于悬空结构的薄膜强度低、结构复杂，也降低了传感器

的机械稳定性和成品率。玻璃基板因其低热导系数、良好的刚性以及抗弯曲性等优点，受

到了行业届特别是半导体行业的广泛关注。行业分析表明在半导体工艺中采用玻璃基板

可以使半导体微加工技术显着进步两代或更多代。2023年5月英特尔已宣布进军玻璃基

板业务的，积极准备玻璃基板的应用。韩国SKC较早涉足玻璃基板业务的公司，并与全球

最大的半导体设备公司应用材料公司（AMAT）合作成立Absolics，并投资2.4亿美元在乔

治亚州建设玻璃基板制造工厂，该工厂预计将于2024年第二和第四季度开始生产。

BusinessKorea报导，业界消息表示，高效能AI芯片竞争加剧下，半导体巨擘如辉达、超

微、英特尔等预料最快2026年采用玻璃基板，玻璃基板最初将用于AI加速器和CPU等

高阶产品中，之后逐渐扩大使用。

在微热板中采用玻璃基板，可以避免在电极沉积前制备绝缘层，从而减少了层与层之

间不匹配的相关问题为了提高微热板的电热性能及机械性能。为了加强热调控可以通过

在背面刻蚀空腔以实现隔膜式结构，能够在保证机械强度和结构稳定性的前提下进一步

降低工作功耗和器件质量。激光刻蚀技术作为一种直写加工技术，具有高精度、低成本、

可控性强的特点，能有效降低工艺复杂度，在制备超薄隔膜层和空腔结构上具有极大优

势。激光加工玻璃深腔深度可控、表面质量好，可有效避免超薄隔膜层由于应力集中导致

器件损坏的问题。研发低功耗、高可靠性的微热板，有望改变我国在传感器国际市场上技

术跟随的局面，有望提高在安全监控及大气环境监测等应用场景下的技术能力。

但目前尚无相应的标准对玻璃基底微热板激光加工的工艺术语、工艺参数等进行统

一规范。根据玻璃基底微热板激光加工技术的应用现状，为提高产品质量、推动技术创新

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以及加强行业规范，北京信息科技大学向中国机械工业标准化技术协会（以下简称中机标

协）提出制定团体标准的建议，经过研究，确定了工作方案，提出了进度安排。经过对目

前国内外玻璃基底微热板激光加工工艺的调研分析，在对资料收集和对比分析研究基础

上，参考其他玻璃基底微热板加工工艺资料，通过全面地总结和归纳，确定了该标准的制

订原则和标准框架，在此基础上编制了《玻璃基底微热板激光加工规范》标准草案初稿。

3、主要参加单位

本标准由北京信息科技大学牵头起草。

二、标准编制原则和主要内容的确定依据

1、标准编制原则

本标准在制定工作中遵循“面向市场、服务产业、自主制定、适时推出、及时修订、

不断完善”的原则，标准制定与技术创新、试验验证、产业推进、应用推广相结合，统筹

推进。

本标准在结构编写和内容编排等方面依据GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1

部分：标准化文件的结构和起草规则》进行编写。在确定本标准主要工艺步骤和工艺参

数时，综合考虑玻璃基底微热板加工工艺的工艺复杂度、成本、加工效率、产品质量，

寻求最大的经济、社会效益，充分体现了标准在技术上的先进性和技术上的合理性。

2、标准主要内容的确定

本文件规定