CN106744652A - 复合结构的mems微加热芯片及其制造方法与应用 - Google Patents

复合结构的mems微加热芯片及其制造方法与应用 Download PDF

Info

Publication number
CN106744652A
CN106744652A CN201710123433.XA CN201710123433A CN106744652A CN 106744652 A CN106744652 A CN 106744652A CN 201710123433 A CN201710123433 A CN 201710123433A CN 106744652 A CN106744652 A CN 106744652A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
heating
electrode layer
insulating barrier
micro
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201710123433.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN106744652B (zh
Inventor
刘瑞
李晓波
邓敏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anhui Xinhuai Electronic Co., Ltd
SUZHOU FUYI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd.
Original Assignee
Suzhou Fuyi Electronic Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou Fuyi Electronic Technology Co Ltd filed Critical Suzhou Fuyi Electronic Technology Co Ltd
Publication of CN106744652A publication Critical patent/CN106744652A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106744652B publication Critical patent/CN106744652B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00134—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising flexible or deformable structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00134—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising flexible or deformable structures
    • B81C1/0015—Cantilevers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

本发明公开了一种复合结构的MEMS微加热芯片及其制造方法。所述MEMS微加热芯片包括支撑框架以及悬空设置于支撑框架中的复合薄膜，所述复合薄膜包括沿设定方向依次设置的下绝缘层、隔热层、加热电极层、中绝缘层、导热层、测试电极层以及上绝缘层，下绝缘层用以将加热电极层与支撑框架电学隔离，隔热层用以将加热电极层与支撑框架热隔离，中绝缘层用以将加热电极层与测试电极层电学隔离，上绝缘层用以将测试电极层与支撑框架电学隔离。本发明的微加热芯片具有良好热稳定性，以聚合物作为隔热层，可提高热学灵敏度。同时，采用加热电极层和测试电极层键合工艺，可有效避免在单面制备工艺过程中由于薄膜本身应力造成的器件失效，提高器件良率。

Description

复合结构的MEMS微加热芯片及其制造方法与应用
技术领域
本发明涉及一种MEMS微加热芯片及其制造方法，特别涉及一种复合结构的多层薄膜微加热芯片及其制造方法与应用，属于半导体微纳加工技术领域。
背景技术
微加热芯片具有体积小、加热功率低、响应时间快、热量损耗小、与半导体工艺兼容、易于集成等方面的优点，从而成为微加热传感器中的重要部件，引起国内外的广泛研究，尤其是微型化的微加热芯片，目前广泛应用于气敏传感器、气体流量计、微热量计、红外光源等领域，具有很大的发展潜力。
传统的加热芯片的制备方法主要是直接在陶瓷坯料上印刷电阻浆料后，在一定的高温下烘烧，然后再经电极、引线处理后，制备出加热元件。虽然陶瓷加热基片可以在电子保温瓶、保温柜、电热炊具等方面有较多的应用，但是其本身制备工艺带来的功耗高、体积大、加热效率低、不易集成等缺点却难以适应现代化电子器件的发展趋势。
因此，近些年来，利用半导体加工技术，尤其是微机电系统加工技术(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)的迅速发展，对于制备微型化、低功耗和集成化程度高的传感器件起到了至关重要的作用。微机电系统加工技术主要利用半导体技术中的薄膜沉积、掺杂、刻蚀、溅射等工艺，结合MEMS独特的外延、电铸、剥离等工艺，来形成具有一定立体微结构的微型器件。
目前利用微机电系统加工技术制备微加热芯片主要有两种方式，一种微加热芯片的制备方法，例如公布号为CN 104541161A，发明名称为《微热板器件及包括此类微热板器件的传感器》的专利，是在单晶硅衬底直接生长具有一定厚度的氧化硅、氮化硅复合薄膜，然后通过溅射、刻蚀等工艺，在复合薄膜上形成具有一定形状的加热电极和测试电极层，最后通过背面刻蚀的技术来形成一定的悬空结构。另一类微加热芯片的制备方法，例如公布号为CN 104176699A，发明名称为《一种具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板及其加工方法》的专利，是利用绝热沟槽的方式来进行热量的隔离，通过薄膜生长的方式形成一定的绝缘层和隔热层，然后经过溅射、剥离、刻蚀的方式来形成加热电极和测试电极层，然后从正面进行刻蚀形成一定的绝热槽结构。
上述两种主要类型的基于MEMS加工技术的微加热芯片虽然在一定程度上解决了传统微加热器件体积大、功耗高的缺陷，但由于在加工过程中，主要还是采用了单面薄膜复合的方式来实现隔热层、绝缘层、加热电极层、测试电极层的制备，因此会由于薄膜层次太多，容易产生应力而造成器件失效；并且尤其上述两种类型的微加热芯片还是以平面膜为支撑结构，由于单面制备薄膜工艺本身的限制，薄膜厚度只能在一定范围内，所以其支撑强度和抗冲击性也受到一定约束，尤其对于低功耗微加热芯片，膜支撑难以实现应用。虽然名称为“基于MEMS技术的微加热板的设计与制作”的文献还报道了基于支撑梁式的微加热芯片，但其同样存在薄膜应力大、厚度不够的缺陷，难以做到同时具备低功耗、机械强度高、产品良率好等方面优点。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种复合结构的MEMS微加热芯片及其制造方法与应用，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种复合结构的MEMS微加热芯片，其包括：
支撑框架以及悬空设置于所述支撑框架中的复合薄膜，所述复合薄膜包括沿设定方向依次设置的下绝缘层、隔热层、加热电极层、中绝缘层、导热层、测试电极层以及上绝缘层，所述下绝缘层至少用以将加热电极层与支撑框架电学隔离，所述隔热层至少用以将加热电极层与支撑框架热隔离，所述中绝缘层至少用以将加热电极层与测试电极层电学隔离，所述上绝缘层至少用以将测试电极层与支撑框架电学隔离。
在一些实施方案中，所述支撑框架内设置有支撑悬臂梁，所述复合薄膜经所述支撑悬臂梁悬空设置于所述支撑框架内；优选的，所述支撑框架包括上支撑框架和下支撑框架，上支撑框架与下支撑框架之间经键合层键合连接；进一步优选的，所述键合层包括相互配合的上键合层和下键合层，所述上键合层与测试电极层连接，所述下键合层与导热层连接；优选的，所述支撑悬臂梁为复数根Y型支撑悬臂梁；优选的，所述支撑框架为单晶硅支撑框架。
本发明实施例还提供了前述复合结构的MEMS微加热芯片的制造方法，其包括：
在第一衬底表面依次形成下绝缘层、隔热层、加热电极层、中绝缘层、导热层和下键合层；
在第二衬底表面依次形成上绝缘层、测试电极层和上键合层；
利用键合工艺将上键合层与下键合层相互键合，形成包含复合薄膜的微加热芯片的整体结构；
通过微纳米加工工艺对所述微加热芯片的整体结构中的第一衬底和第二衬底进行加工，形成支撑框架，并使所述复合薄膜悬空设置于支撑框架中。
本发明实施例还提供了所述复合结构的MEMS微加热芯片于制备微加热传感器中的应用。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
(1)本发明提供的复合结构的MEMS微加热芯片的复合薄膜和支撑框架以悬臂梁形式连接，采用“Y”的悬臂梁支撑结构，可以大大降低器件的热损耗，有效提高其加热效率，并且在保持其低功耗的性能下，具有良好的热稳定性、高良率和优良的抗冲击性等机械性能，非常适用于低功耗加热器件的应用；
(2)本发明提供的复合结构的MEMS微加热芯片采用复合薄膜，可以有效提高复合薄膜的厚度，在保证其具有良好内应力的情况下，显著提高其机械性能，尤其是抗冲击性能，大大增加微加热芯片的应用范围；
(3)本发明提供的复合结构的MEMS微加热芯片采用加热电极层上设计导热层，并以碳化硅作为导热层，在加热过程中，可以保持热量的迅速传导，有效实现热学性能的提升，提高器件的响应时间及反应速度；
(4)本发明提供的复合结构的MEMS微加热芯片通过加热电极层的蝶形设计，可以避免普通方形、环形结构加热不均匀的缺点，有效实现加热的均匀性，从而提高器件的整体加热性能；
(5)本发明提供的复合结构的MEMS微加热芯片通过采用聚合物或金属氧化物作为隔热层进行热学隔离，在器件工作过程中，可以有效实现热量的集中，有效提高加热效率；
(6)本发明提供的复合结构的MEMS微加热芯片的制造方法，通过双面键合的工艺进行核心薄膜区域的加工，可有效避免在单面制备工艺过程中由于薄膜本身应力造成的器件失效，在保持一定厚度的情况下可以实现高质量复合薄膜支撑结构的加工，从而提高器件的良率，适合批量化生产。
附图说明
图1是本发明一典型实施例中一种复合结构的MEMS微加热芯片的整体结构示意图；
图2是本发明一典型实施例中一种复合结构的MEMS微加热芯片的俯视图；
图3是本发明一典型实施例中一种复合结构的MEMS微加热芯片的加热电极层的结构图。
附图标记说明：1-下支撑框架，2-下绝缘层，3-隔热层，4-下粘附层，5-加热电极层，6-中绝缘层，7-导热层，8-下键合层，9-上键合层，10-上粘附层，11-测试电极层，12-上绝缘层，13-上支撑框架，14-支撑悬臂梁，15-复合薄膜，16-加热电极层焊盘。
具体实施方式
如前所述，鉴于现有技术存在的诸多缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例的一个方面提供了一种复合结构的MEMS微加热芯片，其包括：
支撑框架以及悬空设置于所述支撑框架中的复合薄膜，所述复合薄膜包括沿设定方向依次设置的下绝缘层、隔热层、加热电极层、中绝缘层、导热层、测试电极层以及上绝缘层，所述下绝缘层至少用以将加热电极层与支撑框架电学隔离，所述隔热层至少用以将加热电极层与支撑框架热隔离，所述中绝缘层至少用以将加热电极层与测试电极层电学隔离，所述上绝缘层至少用以将测试电极层与支撑框架电学隔离。
在一些实施方案中，所述支撑框架内设置有支撑悬臂梁进行支撑，所述复合薄膜经所述支撑悬臂梁悬空设置于所述支撑框架内。
优选的，所述支撑框架包括上支撑框架和下支撑框架，且中心具有凹槽型悬空结构，上支撑框架与下支撑框架之间经键合层键合连接。
进一步优选的，所述键合层包括相互配合的上键合层和下键合层，所述上键合层与测试电极层连接，所述下键合层与导热层连接。
优选的，所述支撑悬臂梁为复数根Y型支撑悬臂梁，可以有效降低器件的热损耗，有效提高其加热效率，并且在保持其低功耗的性能下，仍然有较好的机械性能。
优选的，所述支撑框架为单晶硅支撑框架。
本发明中所述复合薄膜和支撑框架以支撑悬臂梁形式连接，可以大大降低热损耗，提高加热效率，非常适用于低功耗加热器件的应用。
在一些实施方案中，所述隔热层与加热电极层之间还经下粘附层连接。
在一些实施方案中，所述导热层与测试电极层之间还经上粘附层连接。
藉由前述上粘附层、下粘附层可以以增加器件薄膜层间的结合力。
优选的，所述下绝缘层延伸覆盖所述支撑框架表面。
在一些实施方案中，所述上绝缘层、中绝缘层或下绝缘层的厚度为100nm～5000nm。
优选的，所述上绝缘层、中绝缘层或下绝缘层的材质包括氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
进一步优选的，所述下绝缘层可以由氧化硅/氮化硅复合薄膜组成。
在一些实施方案中，所述加热电极层的厚度为100nm～5000nm。
更优选的，所述加热电极层为蝴蝶型结构，通过加热区域的蝶形设计，可有效实现加热的均匀性，有效提高器件的整体加热性能。
优选的，所述加热电极层的材质包括Pt、W、MoSi、TiN、多晶硅中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
在一些实施方案中，所述隔热层的厚度为100nm～5000nm。
更优选的，所述隔热层的材质包括聚合物和/或金属氧化物，通过采用聚合物或金属氧化物作为隔热层进行热学隔离，在器件工作过程中，可以有效实现热量的集中，有效提高加热效率。
优选的，所述聚合物包括氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、聚酰亚胺(PI)、聚酯(PET)中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
在一些实施方案中，所述测试电极层的厚度为100nm～5000nm。
优选的，所述测试电极层的结构为叉齿型或环形结构。
进一步的，所述测试电极层的材质包括Pt、Au、Al、Ag、Cu中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
在一些实施方案中，所述导热层的厚度为100nm～1000nm。
进一步的，所述导热层的材质优选为碳化硅，且不限于此。在加热电极层上以碳化硅作为导热层，在加热过程中，可以保持热量的迅速传导，有效实现热学性能的提升，提高器件的响应时间及反应速度。
优选的，所述上粘附层或下粘附层的厚度为100nm～1000nm。
优选的，所述上粘附层或下粘附层的材质包括氧化硅和/或氮化硅，但不限于此。
在一些更为优选的典型实施案例之中，所述复合结构的MEMS微加热芯片包括：
支撑框架，具有凹槽型悬空结构，为整体结构的支撑作用；
下绝缘层，覆盖于整体支撑框架表面，采用氧化硅、氮化硅的复合薄膜，为加热电极层和支撑框架进行绝缘性电学隔离；
隔热层，覆盖于下绝缘层表面，为加热电极层和支撑框架等进行热隔离；
下粘附层，用于加热电极层和隔热层之间的连接，增加器件薄膜层间的结合力；
加热电极层，置于下绝缘层之上，位于整体结构的中心区域；
中绝缘层，覆盖于加热电极层上方，采用氧化硅、氮化硅的复合薄膜，用于金属之间的电学隔离；
导热层，覆盖于中绝缘层上方，采用碳化硅薄膜，对加热电极层所产生的热量进行有效传导；
下键合层，位于导热层之上，用于上下单晶硅支撑结构的键合；
上键合层，位于测试电极层表面，用于上下单晶硅支撑结构的键合；
上粘附层，覆盖于测试电极层上，用于测试电极层和导热层之间的连接；
测试电极层，置于导热层之上，用于器件的测试，位于整体结构的中心区域；
上绝缘层，覆盖于测试电极层之上，为测试电极层和支撑框架部分进行绝缘性电学隔离。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述复合结构的MEMS微加热芯片的制造方法，其包括：
在第一衬底表面依次形成下绝缘层、隔热层、加热电极层、中绝缘层、导热层和下键合层；
在第二衬底表面依次形成上绝缘层、测试电极层和上键合层；
利用键合工艺将上键合层与下键合层相互键合，形成包含复合薄膜的微加热芯片的整体结构；
通过微纳米加工工艺对所述微加热芯片的整体结构中的第一衬底和第二衬底进行加工，形成支撑框架，并使所述复合薄膜悬空设置于支撑框架中。
在一些实施方案中，所述制造方法还包括：在所述隔热层上形成下粘附层，之后在下粘附层上形成加热电极层；以及，在所述测试电极层上形成上粘附层，之后在上粘附层上形成上键合层。
优选的，所述第一衬底、第二衬底均采用单晶硅衬底。
在一些实施方案中，所述制造方法包括：采用化学和/或物理沉积方式形成所述上绝缘层、中绝缘层、下绝缘层、隔热层、导热层、上键合层、下键合层中的至少一者。
优选的，可以采用微纳米加工方式形成所述加热电极层和测试电极层中的至少一者。
优选的，所述化学和/或物理沉积方式包括热化学气相沉积、等离子体化学气相沉积中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
优选的，所述微纳米加工包括溅射、光刻、电镀、刻蚀工艺中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
更优选的，所述刻蚀工艺包括干法刻蚀和/或湿法腐蚀工艺。
优选的，所述键合工艺包括直接键合、阳极键合、共晶键合工艺中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
进一步的，所述制造方法还可以包括：将上绝缘层的局部区域去除而使测试电极层的局部区域露出。
在一些更为优选的典型实施案例之中，所述制造方法可以具体包括如下步骤：
(1)在下半部分单晶硅材料(即前述第一衬底)表面利用化学气相沉积的方式制备下绝缘层；
(2)在下绝缘层上制备隔热层；
(3)在隔热层上面制备下粘附层；
(4)在下粘附层上方制备加热电极层；
(5)在加热电极层上面制备中绝缘层，覆盖于加热电极层之上；
(6)在中绝缘层上制备导热层，可以有效进行热传导；
(7)在导热层上方制备下键合层；
(8)在上半部分单晶硅材料(即前述第二衬底)表面利用化学气相沉积的方式制备上绝缘层；
(9)在上绝缘层的表面通过微纳米加工方式进行测试电极层的制备；
(10)在测试电极层表面制备上粘附层；
(11)在上粘附层表面通过气相沉积方式制备上键合层；
(12)利用键合工艺将上键合层、下键合层键合，实现上、下两部分单晶硅衬底的连接；
(13)通过微纳米加工工艺对第一衬底和第二衬底进行加工，形成支撑框架，即形成中心区域的悬空结构。
本发明的制造方法通过双面键合的工艺进行核心薄膜区域的加工，可以有效提高复合薄膜的厚度，有效避免单面薄膜叠层加工造成应力的问题，在保证其具有良好内应力的情况下，显著提高其机械性能，尤其是抗冲击性能，大大增加微加热芯片的应用范围；在保持一定厚度的情况下可以实现高质量复合薄膜支撑结构的加工，从而提高器件的良率。
本发明实施例的另一个方面还提供了所述复合结构的MEMS微加热芯片于制备微加热传感器中的应用。
例如，本发明实施例提供了一种装置，所述装置包括前述复合结构的MEMS微加热芯片，优选的，所述装置可以包括微加热传感器。
下面将结合附图及典型案例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
请参阅图1至图3所示为本实施例中的一种复合结构的MEMS微加热芯片，其包括支撑框架以及复合薄膜15，复合薄膜15设于支撑框架的凹槽型悬空结构内部，且与所述支撑框架以支撑悬臂梁14相互连接。
所述复合薄膜15主要包括绝缘层、加热电极层、隔热层、粘附层、导热层和测试电极层等几个主要部分。
请参阅图1及图2所示，其中所述下支撑框架1和上支撑框架13是从上、下两个方向对芯片的中心区域进行支撑，可以使得芯片工作区域更加可控。
其中，所述绝缘层分为上绝缘层12、中绝缘层6和下绝缘层2三个部分，分别对单晶硅衬底、加热电极层金属、测试电极层金属等几个层次进行绝缘，本发明中通过上、下两个方向进行加工，避免了普通微加热芯片一直从单面生长绝缘薄膜造成应力太大的问题。
其中，所述加热电极层5处于芯片的正中部分，下面由隔热层3和下粘附层4连接，可以保证加热电极层在进行工作时，所生产的热量能有效集中在芯片上方工作区域，而和下面的单晶硅衬底进行有效隔离。同时，加热部分采用蝶形结构，可以避免普通方形、环形结构加热不均匀的缺点。如图3所示，为加热电极层的结构图，所述加热电极层还包括加热电极层焊盘。
其中，所述导热层7位于中绝缘层6的上方，用于有效传导加热电极层5所产生的热量，从而提高器件的工作效率。
其中，测试电极层11位于上粘附层10和上绝缘层12之间，用于器件的电阻电压等电学信号测试。
其中，下键合层8、上键合层9用于上下单晶硅支撑框架的键合。
以下结合若干实施例对本发明的技术方案作进一步的解释说明。
实施例1
本实施例中一种复合结构的MEMS微加热芯片的制造方法如下：
第一部分，先制备微加热芯片的下半部分结构：
首先在厚度为300um的单晶硅衬底上，利用热氧化的方式在其表面生长100nm的氧化硅，作为微加热芯片的下绝缘层2；
然后通过旋涂、固化的方式，在下绝缘层上面覆盖厚度为1um的聚酰亚胺(PI)薄膜层，作为微加热芯片的隔热层3；
随后利用等离子体气相沉积的方法，在隔热层上方生长一层厚度为150nm的氧化硅薄膜层，作为微加热芯片的下粘附层4；
在下粘附层4的上面，通过半导体加工工艺中的光刻、溅射、刻蚀等工艺步骤，形成厚度为200nm的金属Pt加热电极层5；
再通过等离子体化学气相沉积，在加热电极层上面生长100nm厚的氧化硅层和100nm厚的氮化硅层，作为中间绝缘层6；
其后通过等离子体化学气相沉积，在其上面沉积一层100nm的碳化硅层，作为微加热芯片的导热层7；
然后在导热层7上面通过物理沉积的方式，沉积一层金属钛、金复合金属薄膜结构，作为微加热芯片的下键合层8。
第二部分，再制备微加热芯片的上半部分结构：
先在200um厚的单晶硅衬底上利用热氧化方法制备100nm厚的氧化硅薄膜层，作为微加热芯片的上绝缘层12；
然后在上绝缘层12上面利用半导体加工工艺中的光刻、溅射、刻蚀等工艺步骤，形成叉齿状的测试电极层11，其中材质为金属Au，厚度为200nm；
随后在测试电极层上面利用等离子体化学气相沉积的方式沉积一层厚度为200nm的氧化硅层作为上粘附层10；
其后，在上粘附层10上方，通过物理沉积的方式形成一层金属钛、金复合金属薄膜结构，作为微加热芯片的上键合层9。
第三部分，上、下两个部分的整体连接：
首先，通过共晶键合的方式，实现上述两部分结构层的整体键合，形成微加热芯片的整体结构；
其次，通过化学机械抛光的方法，将上、下层单晶硅的厚度减薄至150um；
然后，通过湿法刻蚀的方法(质量分数35％的KOH溶液，在78℃恒温水浴中进行各向异性刻蚀)，形成整体加热和测试区域的悬空结构；
最后，去除开孔处的上绝缘层，露出测试电极层11的核心测试区域。
实施例2
第一部分，先制备微加热芯片的下半部分结构：
首先在厚度为200um的单晶硅衬底上，利用等离子体化学气相沉积的方式在其表面沉积100nm的氧化硅，作为微加热芯片的下绝缘层2；
然后通过旋涂、固化的方式，在下绝缘层上面覆盖厚度为1um的聚脂(PET)薄膜层，作为微加热芯片的隔热层3；
随后利用等离子体气相沉积的方法，在隔热层上方生长一层厚度为200nm的氧化硅薄膜层，作为微加热芯片的下粘附层4；
在下粘附层的上面，通过半导体加工工艺中的光刻、溅射、刻蚀等工艺步骤，形成厚度为200nm的金属W加热电极层5；
再通过等离子体化学气相沉积，在加热电极层上面生长150nm厚的氧化硅层和150nm厚的氮化硅层，作为中间绝缘层6；
其后通过等离子体化学气相沉积，在其上面沉积一层150nm的碳化硅层，作为微加热芯片的导热层7；
然后在导热层上面通过物理沉积的方式，沉积一层厚度为500nm的金属锡、金复合金属薄膜结构，作为微加热芯片的下键合层8。
第二部分，再制备微加热芯片的上半部分结构：
先在200um厚的单晶硅衬底上利用等离子体化学气相沉积的方法制备150nm厚的氧化硅薄膜层，作为微加热芯片的上绝缘层12；
然后在上绝缘层上面利用半导体加工工艺中的光刻、溅射、刻蚀等工艺步骤，形成叉齿状的测试电极层11，其中材质为金属Au，厚度为200nm；
随后在金属测试电极层上面利用等离子体化学气相沉积的方式沉积一层厚度为200nm的氧化硅层作为上粘附层10；
其后，在上粘附层10上方，通过物理沉积的方式形成一层厚度为300nm的金属锡、金复合金属薄膜结构，作为微加热芯片的上键合层9。
第三部分，上、下两个部分的整体连接：
首先，通过共晶键合的方式，实现上述两部分结构层的整体键合，形成微加热芯片的整体结构；
其次，通过化学机械抛光的方法，将上、下层单晶硅的表面抛光；
然后，通过湿法刻蚀的方法(质量分数35％的KOH溶液，在78℃恒温水浴中进行各向异性刻蚀)，形成中间加热电极层、测试电极层等悬空区域；
最后，去除开孔处的上绝缘层，露出测试电极层11的核心测试区域。
实施例3
第一部分，先制备微加热芯片的下半部分结构：
首先在厚度为400um的单晶硅衬底上，利用低压化学气相沉积的方式在其表面沉积100nm的氧化硅，作为微加热芯片的下绝缘层2；
然后通过化学气相沉积的方式，在下绝缘层上方沉积一层厚度为200nm的三氧化二铝，作为微加热芯片的隔热层3；
随后利用等离子体气相沉积的方法，在隔热层上方生长一层厚度为200nm的氮化硅薄膜层，作为微加热芯片的下粘附层4；
在下粘附层的上面，通过半导体加工工艺中的光刻、溅射、刻蚀等工艺步骤，形成厚度为200nm的多晶硅加热电极层5；
再通过等离子体化学气相沉积，在加热电极层上面生长150nm厚的氧化硅层和150nm厚的氮化硅层，作为中间绝缘层6；
其后通过等离子体化学气相沉积，在其上面沉积一层150nm的碳化硅层，作为微加热芯片的导热层7；
然后在导热层上面通过物理沉积的方式，沉积一层厚度为500nm的金属锡、金复合金属薄膜结构，作为微加热芯片的下键合层8。
第二部分，再制备微加热芯片的上半部分结构：
先在400um厚的单晶硅衬底上利用低压体化学气相沉积的方法制备150nm厚的氧化硅薄膜层，作为微加热芯片的上绝缘层12；
然后在上绝缘层上面利用半导体加工工艺中的光刻、溅射、刻蚀等工艺步骤，形成叉齿状的测试电极层11，其中材质为金属Al，厚度为200nm；
随后在金属测试电极层上面利用等离子体化学气相沉积的方式沉积一层厚度为200nm的氧化硅层作为上粘附层10；
其后，在上粘附层10上方，通过物理沉积的方式形成一层厚度为300nm的金属锡、金复合金属薄膜结构，作为微加热芯片的上键合层9。
第三部分，上、下两个部分的整体连接：
首先，通过共晶键合的方式，实现上述两部分结构层的整体键合，形成微加热芯片的整体结构；
其次，通过化学机械抛光的方法，将上、下层单晶硅的表面抛光。
然后，通过反应离子刻蚀刻蚀的方法，形成中间加热电极层、测试电极层等悬空区域；
最后，去除开孔处的上绝缘层，露出测试电极层11的核心测试区域。
藉由上述技术方案，本发明可实现MEMS微加热芯片的高精度制备，效率高、成本低、性能稳定，制备的MEMS微加热芯片良率好、精度高、加热速度快，易于批量化生产。
本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种复合结构的MEMS微加热芯片，其特征在于包括：
支撑框架以及悬空设置于所述支撑框架中的复合薄膜，所述复合薄膜包括沿设定方向依次设置的下绝缘层、隔热层、加热电极层、中绝缘层、导热层、测试电极层以及上绝缘层，所述下绝缘层至少用以将加热电极层与支撑框架电学隔离，所述隔热层至少用以将加热电极层与支撑框架热隔离，所述中绝缘层至少用以将加热电极层与测试电极层电学隔离，所述上绝缘层至少用以将测试电极层与支撑框架电学隔离。
2.根据权利要求1所述的复合结构的MEMS微加热芯片，其特征在于：所述支撑框架内设置有支撑悬臂梁，所述复合薄膜经所述支撑悬臂梁悬空设置于所述支撑框架内；优选的，所述支撑框架包括上支撑框架和下支撑框架，上支撑框架与下支撑框架之间经键合层键合连接；进一步优选的，所述键合层包括相互配合的上键合层和下键合层，所述上键合层与测试电极层连接，所述下键合层与导热层连接；优选的，所述支撑悬臂梁为复数根Y型支撑悬臂梁；优选的，所述支撑框架为单晶硅支撑框架。
3.根据权利要求1所述的复合结构的MEMS微加热芯片，其特征在于：所述隔热层与加热电极层之间还经下粘附层连接；和/或，所述导热层与测试电极层之间还经上粘附层连接；和/或，所述下绝缘层延伸覆盖所述支撑框架表面。
4.根据权利要求1所述的复合结构的MEMS微加热芯片，其特征在于：所述上绝缘层、中绝缘层或下绝缘层的厚度为100nm～5000nm；优选的，所述上绝缘层、中绝缘层或下绝缘层的材质包括氧化硅、氮化硅、碳化硅中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述下绝缘层由氧化硅/氮化硅复合薄膜组成。
5.根据权利要求1所述的复合结构的MEMS微加热芯片，其特征在于：所述加热电极层的厚度为100nm～5000nm；优选的，所述加热电极层为蝴蝶型结构；优选的，所述加热电极层的材质包括Pt、W、MoSi、TiN、多晶硅中的任意一种或两种以上的组合。
6.根据权利要求1所述的复合结构的MEMS微加热芯片，其特征在于：所述隔热层的厚度为100nm～5000nm；优选的，所述隔热层的材质包括聚合物和/或金属氧化物；优选的，所述聚合物包括氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺、聚酯中的任意一种或两种以上的组合。
7.根据权利要求1所述的复合结构的MEMS微加热芯片，其特征在于：所述测试电极层的厚度为100nm～5000nm；优选的，所述测试电极层为叉齿型或环形结构；优选的，所述测试电极层的材质包括Pt、Au、Al、Ag、Cu中的任意一种或两种以上的组合；
和/或，所述导热层的厚度为100nm～1000nm；优选的，所述导热层的材质包括碳化硅；
和/或，所述上粘附层或下粘附层的厚度为100nm～1000nm，优选的，所述上粘附层或下粘附层的材质包括氧化硅和/或氮化硅。
8.如权利要求1-7中任一项所述复合结构的MEMS微加热芯片的制造方法，其特征在于包括：
在第一衬底表面依次形成下绝缘层、隔热层、加热电极层、中绝缘层、导热层和下键合层；
在第二衬底表面依次形成上绝缘层、测试电极层和上键合层；
利用键合工艺将上键合层与下键合层相互键合，形成包含复合薄膜的微加热芯片的整体结构；
通过微纳米加工工艺对所述微加热芯片的整体结构中的第一衬底和第二衬底进行加工，形成支撑框架，并使所述复合薄膜悬空设置于支撑框架中。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于还包括：在所述隔热层上形成下粘附层，之后在下粘附层上形成加热电极层；和/或，在所述测试电极层上形成上粘附层，之后在上粘附层上形成上键合层；
和/或，所述第一衬底、第二衬底均采用单晶硅衬底。
10.根据权利要求8-9中任一项所述的制造方法，其特征在于包括：采用化学和/或物理沉积方式形成所述上绝缘层、中绝缘层、下绝缘层、隔热层、导热层、上键合层、下键合层中的至少一者；和/或，采用微纳米加工方式形成所述加热电极层和测试电极层中的至少一者；
优选的，所述化学和/或物理沉积方式包括热化学气相沉积、等离子体化学气相沉积中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述微纳米加工包括溅射、光刻、电镀、刻蚀工艺中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述刻蚀工艺包括干法刻蚀和/或湿法腐蚀工艺；和/或，所述键合工艺包括直接键合、阳极键合、共晶键合工艺中的任意一种或两种以上的组合。
CN201710123433.XA 2017-02-10 2017-03-03 复合结构的mems微加热芯片及其制造方法与应用 Active CN106744652B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2017100735016 2017-02-10
CN201710073501 2017-02-10

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106744652A true CN106744652A (zh) 2017-05-31
CN106744652B CN106744652B (zh) 2019-04-30

Family

ID=58959744

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710123433.XA Active CN106744652B (zh) 2017-02-10 2017-03-03 复合结构的mems微加热芯片及其制造方法与应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106744652B (zh)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109587846A (zh) * 2018-12-28 2019-04-05 苏州甫电子科技有限公司 复合结构的微加热板及其制作方法
CN109865541A (zh) * 2019-03-12 2019-06-11 厦门大学 一种扫描电镜原位电化学检测芯片及其制作方法
CN110127595A (zh) * 2019-04-15 2019-08-16 上海华虹宏力半导体制造有限公司 Mems桥梁结构的制造方法
CN110161084A (zh) * 2018-02-13 2019-08-23 中国石油化工股份有限公司 微传感芯片及其制备方法、气体检测方法和应用
CN110510567A (zh) * 2018-05-22 2019-11-29 英飞凌科技股份有限公司 具有悬置结构的mems设备及制造mems设备的方法
WO2020001555A1 (zh) * 2018-06-29 2020-01-02 上海汽车集团股份有限公司 一种陶瓷基微热板及其制备方法
CN111354615A (zh) * 2020-03-12 2020-06-30 厦门超新芯科技有限公司 一种透射电镜原位电热耦合芯片及其制备方法
CN113340366A (zh) * 2021-06-08 2021-09-03 百易晟信息科技(苏州)有限公司 一种双面型mems热式气体流量传感器及其制造方法
CN117401643A (zh) * 2023-10-20 2024-01-16 扬州国宇电子有限公司 一种mems微热板及其制备方法
WO2024067243A1 (zh) * 2022-09-29 2024-04-04 歌尔微电子股份有限公司 一种微机电芯片

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1684285A (zh) * 2004-04-16 2005-10-19 中国科学院电子学研究所 微结构气敏传感器阵列芯片及其制备方法
CN101844740A (zh) * 2010-06-01 2010-09-29 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种基于金硅共晶的低温键合方法
CN102070118A (zh) * 2010-10-26 2011-05-25 南京工业大学 金属氧化物半导体纳米薄膜气体传感器用微加热板
WO2014012948A1 (en) * 2012-07-16 2014-01-23 Sgx Sensortech Sa Micro-hotplate device and sensor comprising such micro-hotplate device
CN104817054A (zh) * 2015-05-05 2015-08-05 广州大学 微弹簧式悬臂梁自带均热板微加热器及其制备工艺
CN206720733U (zh) * 2017-02-10 2017-12-08 苏州甫一电子科技有限公司 复合结构的mems微加热芯片

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1684285A (zh) * 2004-04-16 2005-10-19 中国科学院电子学研究所 微结构气敏传感器阵列芯片及其制备方法
CN101844740A (zh) * 2010-06-01 2010-09-29 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种基于金硅共晶的低温键合方法
CN102070118A (zh) * 2010-10-26 2011-05-25 南京工业大学 金属氧化物半导体纳米薄膜气体传感器用微加热板
WO2014012948A1 (en) * 2012-07-16 2014-01-23 Sgx Sensortech Sa Micro-hotplate device and sensor comprising such micro-hotplate device
CN104817054A (zh) * 2015-05-05 2015-08-05 广州大学 微弹簧式悬臂梁自带均热板微加热器及其制备工艺
CN206720733U (zh) * 2017-02-10 2017-12-08 苏州甫一电子科技有限公司 复合结构的mems微加热芯片

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110161084A (zh) * 2018-02-13 2019-08-23 中国石油化工股份有限公司 微传感芯片及其制备方法、气体检测方法和应用
CN110161084B (zh) * 2018-02-13 2022-07-22 中国石油化工股份有限公司 微传感芯片及其制备方法、气体检测方法和应用
CN110510567A (zh) * 2018-05-22 2019-11-29 英飞凌科技股份有限公司 具有悬置结构的mems设备及制造mems设备的方法
WO2020001555A1 (zh) * 2018-06-29 2020-01-02 上海汽车集团股份有限公司 一种陶瓷基微热板及其制备方法
CN109587846A (zh) * 2018-12-28 2019-04-05 苏州甫电子科技有限公司 复合结构的微加热板及其制作方法
CN109865541A (zh) * 2019-03-12 2019-06-11 厦门大学 一种扫描电镜原位电化学检测芯片及其制作方法
CN109865541B (zh) * 2019-03-12 2020-07-03 厦门大学 一种扫描电镜原位电化学检测芯片及其制作方法
CN110127595B (zh) * 2019-04-15 2022-03-08 上海华虹宏力半导体制造有限公司 Mems桥梁结构的制造方法
CN110127595A (zh) * 2019-04-15 2019-08-16 上海华虹宏力半导体制造有限公司 Mems桥梁结构的制造方法
CN111354615A (zh) * 2020-03-12 2020-06-30 厦门超新芯科技有限公司 一种透射电镜原位电热耦合芯片及其制备方法
CN111354615B (zh) * 2020-03-12 2021-05-18 厦门超新芯科技有限公司 一种透射电镜原位电热耦合芯片及其制备方法
CN113340366A (zh) * 2021-06-08 2021-09-03 百易晟信息科技(苏州)有限公司 一种双面型mems热式气体流量传感器及其制造方法
WO2024067243A1 (zh) * 2022-09-29 2024-04-04 歌尔微电子股份有限公司 一种微机电芯片
CN117401643A (zh) * 2023-10-20 2024-01-16 扬州国宇电子有限公司 一种mems微热板及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN106744652B (zh) 2019-04-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106744652B (zh) 复合结构的mems微加热芯片及其制造方法与应用
CN101762623B (zh) 一种AlN热隔离平板双面微结构的半导体式气体传感器
CN206720733U (zh) 复合结构的mems微加热芯片
CN100546049C (zh) 绝热性能的多孔硅基氧化钒薄膜及制备方法
CN106441657A (zh) 基于法珀腔的碳化硅基高温压力传感器及其制备方法
CN104817054A (zh) 微弹簧式悬臂梁自带均热板微加热器及其制备工艺
CN105236350B (zh) 一种蓝宝石压力敏感芯片的圆片级直接键合方法
CN101955369B (zh) 一种氮化铝覆铜膜前体及其制备方法、氮化铝覆铜膜及其制备方法
CN106191806B (zh) 一种高温压电传感器中石墨烯电极的制备方法
CN108070835B (zh) 一种高电阻温度系数二氧化钒薄膜及其低温沉积方法
CN109613085A (zh) 一种基于[111]单晶硅的气体敏感芯片阵列及其制作方法
CN107473774A (zh) 铜‑陶瓷基板的制备方法
CN106876249B (zh) 一种二氧化硅厚膜的制备方法
CN104089990B (zh) 一种单片集成多孔硅的相对湿度传感器及其制备方法
CN101417864B (zh) 金属材料与微晶玻璃阳极键合用中间膜层材料
CN109467044A (zh) 单片集成的cmos加mems的微加热器及制备方法
CN214360245U (zh) 一种陶瓷悬梁式mems微热板
CN217173945U (zh) 碳化硅长晶装置
CN106756848B (zh) 一种金属基高温组合绝缘层及其制备方法
CN113621924B (zh) 一种面向MEMS气体传感器的Au修饰ZnO甲烷敏感材料及其制备方法
CN209507578U (zh) 集成cmos加mems热膜结构微加热器及电子鼻阵列
TW200936504A (en) Corrosion-resistant member
CN204873818U (zh) 微弹簧式悬臂梁自带均热板微加热器
Kim et al. Electrical and thermal properties of platinum thin films prepared by DC magnetron sputtering for micro-heater of microsensor applications after CMP process
CN109587846A (zh) 复合结构的微加热板及其制作方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20191112

Address after: Suzhou City, Jiangsu Province, Suzhou Industrial Park, 215000 Street No. 218 Building 5 BioBAY building A7 room 205

Co-patentee after: Anhui Xinhuai Electronic Co., Ltd

Patentee after: SUZHOU FUYI ELECTRONIC TECHNOLOGY CO., LTD.

Address before: Suzhou City, Jiangsu Province, Suzhou Industrial Park, 215000 Street No. 218 Building 5 BioBAY building A7 room 205

Patentee before: SUZHOU FUYI ELECTRONIC TECHNOLOGY CO., LTD.

CP03 Change of name, title or address
CP03 Change of name, title or address

Address after: 235000 1 Wutong Road, Huaibei Economic Development Zone, Anhui

Co-patentee after: SUZHOU FUYI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Patentee after: Anhui Xinhuai Electronic Co., Ltd

Address before: Suzhou City, Jiangsu Province, Suzhou Industrial Park, 215000 Street No. 218 Building 5 BioBAY building A7 room 205

Co-patentee before: Anhui Xinhuai Electronic Co., Ltd

Patentee before: SUZHOU FUYI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd.

PE01 Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right
PE01 Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right

Denomination of invention: MEMS Micro heating chip with composite structure and its manufacturing method and Application

Effective date of registration: 20200916

Granted publication date: 20190430

Pledgee: Suzhou Rongfeng Technology Microfinance Co.,Ltd.

Pledgor: SUZHOU FUYI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Registration number: Y2020320010146