CN111602464A - 集成式加热器和制造方法 - Google Patents

Abstract

一种构造加热器的方法，包括：提供基板，在基板中形成至少一个沟槽，将功能材料沉积到基板上和至少一个沟槽中以形成功能元件，以及提供与功能元件接触的电终端。

Description

集成式加热器和制造方法

技术领域

本公开总体上涉及一种电加热器，更具体地，涉及一种具有更一致的结构和更均匀的加热性能的电加热器及其制造方法。

背景技术

本部分中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

电加热器通常包括：基板，设置在基板上的电介质层，设置在电介质层上的电阻加热层以及设置在电阻加热层上的保护层。电介质层、电阻加热层和保护层可以广泛地称为“功能层”。通过将材料沉积到表面或基板上，电加热器的一个或多个功能层可以呈膜的形式。

在微观尺度上，由于基板表面上存在的特征或沟槽，所沉积的膜可能具有不平坦的表面。所沉积的膜的顶部表面通常经历平坦化工艺，以使顶部表面变得平坦并提供功能层更均匀的性能。然而，平坦化工艺可能不期望地从所沉积的膜去除了过多的材料，从而使最终所沉积的膜的厚度偏离其设计厚度。此外，当所沉积的膜是其中嵌入有电子元件的电介质层时，由于电介质层的厚度减小，膜的介电完整性可能会受到损害，从而导致电加热器的性能较差。

发明内容

在一种形式中，提供了一种构造加热器的方法。该方法包括：提供基板；在基板中形成至少一个沟槽；将功能材料沉积到基板上和至少一个沟槽中以形成功能元件；以及提供与功能元件接触的电终端。

根据本文提供的描述，进一步的应用领域将变得显而易见。应当理解，所描述和特定的示例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

通过详细描述和附图，将更加全面地理解本公开，其中：

图1是根据本发明的教导而构造的电加热器的截面图。

图2A至图2C示出了根据本公开的教导的制造图1的电加热器的加热器层的步骤；

图2D示出了根据本公开的教导的制造图1的电加热器的布线层的步骤；和

图3示出了根据本公开的教导的制造电加热器的方法的变型的步骤。

遍及附图的若干视图，相应的附图标记指示相应的部分。

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，并且无意于限制本公开、应用或用途。

参照图1，根据本公开的教导而构造的电加热器10包括加热器层12、布线层(routing layer)14、设置在加热器层12与布线层16之间的结合层16、以及设置在加热器层12上的保护层17。结合层16将加热器层12结合至布线层14。保护层17使加热器层12电绝缘。

加热器层12包括：基板18，其限定至少一个沟槽20；以及位于沟槽20中的至少一个电阻加热元件22。当在基板18中形成多个沟槽20时，多个电阻加热元件22可以位于多个沟槽20中以限定多个加热区域。沟槽20可以限定多个第一沟槽部分21和至少两个第二沟槽部分24，第二沟槽部分24具有用于电终端的增大的沟槽区域。沟槽20限定约1至10微米的深度、优选约3至5微米的深度。

电阻加热元件22包括设置在具有增大的沟槽面积的第二沟槽部分24中的至少两个端子衬垫(terminal pad)26。电阻加热元件22具有选自钼、钨、铂或它们的合金的电阻材料。另外，电阻加热元件22的电阻材料可以具有足够的电阻温度系数(TCR)特性，使得电阻加热元件22用作加热器和温度传感器。

加热器层12还包括一对端子销28，其与电阻加热元件22的端子衬垫26直接接触，并从端子衬垫26延伸穿过基板18和结合层16直至布线层14。

布线层14包括：基板30，其限定至少一个沟槽32；以及布置在沟槽32中的布线元件34。根据应用，可以提供一个或多个布线元件34。布线元件34用于将加热器层12的电阻加热元件22连接至外部电源(未示出)。布线层14的沟槽32可包括对应于加热器层12的沟槽20的第二沟槽部分24的至少两个沟槽部分33。布线层14还包括一对端子销36，其位于至少两个沟槽部分33中，并且从布线元件34延伸穿过基板30并超过基板30的下表面38。布线层14的端子销36与加热器层12的端子销28对准并接触。

加热器层12的基板18和布线层14的基板30可以包括陶瓷材料，例如氮化铝和氧化铝。

参照图2A至2E，构造图1的电加热器10的方法100包括制造加热器层12(如图2A至2D所示)的子过程和制造布线层14(如图2E所示)的子过程，然后将加热器层12和布线层14结合在一起(也如图2E所示)。这两个子过程可以同时执行，也可以一个接一个地执行。

在制造加热器层12的子过程中，在步骤102中提供空白形式的基板18。基板18具有相对的第一表面40和第二表面42。例如，通过以下步骤形成硬掩模层46：例如在步骤104中在第一表面40上进行沉积。

接下来，在步骤106中，在硬掩模层46上沉积光刻胶层48。在步骤108中，刻蚀光刻胶层48以在硬掩模层46上形成光刻胶图案50。在该步骤中，将用于图案化光刻胶层48的光掩模(未示出)放置在光刻胶层48上方，并且，通过光掩模将紫外线(UV)光施加到光刻胶层48上，以显影光刻胶层48的暴露于紫外光的部分，然后蚀刻光刻胶层48的暴露的部分或未暴露的部分以形成光刻胶图案50。光刻胶图案50可以是正图案(positive pattern)也可以是负图案(negative pattern)，这取决于刻蚀的是光刻胶层48的暴露的部分还是未暴露的部分。

参照图2B，在步骤110中通过使用光刻胶图案50作为掩模来蚀刻硬掩模层46以形成硬掩模图案52。此后，在步骤112中，去除光刻胶图案50，在基板18的第一表面40上留下硬掩模图案52。硬掩模图案52包括至少两个增大的开口54。

接着，在步骤114中，通过使用硬掩模图案52作为掩模在基板18的第一表面40上执行蚀刻工艺，以在基板18中形成至少一个沟槽20。沟槽20限定多个第一沟槽部分21和至少两个具有增大的面积的第二沟槽部分24。至少两个第二沟槽部分24对应于硬掩模图案52的至少两个增大的开口54。至少一个沟槽20可以通过激光去除工艺、机加工、3D烧结/印刷/增材制造、生坯状态、成型、水注、激光/水混合、干法等离子体蚀刻而形成。

在步骤114中，在基板18中形成沟槽20之后，去除硬掩模图案52并且清洁基板18以在基板18的第一表面40上形成具有带有期望沟槽图案的沟槽20的基板18。

沟槽20的数量和增大的第二沟槽部分24的数量取决于要在沟槽20中形成的电阻加热元件22的加热区域的数量。沟槽20的第一沟槽部分21和第二沟槽部分24取决于电阻加热元件22的期望功能和性能。例如，当在基板18中仅形成一个沟槽20时，沟槽20可以具有恒定或变化的深度和/或宽度。当在基板18中形成多个沟槽20时，某些沟槽20可能更宽，而其他沟槽20可能更窄；某些沟槽20可能更深，而其他沟槽可能更浅。

参照图2C，在步骤118中，在基板18中形成具有期望的沟槽图案的沟槽20之后，在沟槽20的每个增大的第二沟槽部分24中执行机加工工艺以形成衬垫开口62和穿过基板18的通孔64。衬垫开口62设置在通孔64和增大的第二沟槽部分24之间。通孔64从衬垫开口62延伸到基板18的第二表面42。

此后，在步骤122中，将电阻材料66沉积在基板18的第一表面40上以及在沟槽20中。作为示例，电阻材料66可形成在基板18上以及在沟槽20中。

在步骤124中，对电阻材料66进行热处理。作为示例，可以将具有电阻材料66既布置在沟槽20中又布置在基板18的第一表面40上的基板18置于退火炉中。

参照图2D，在步骤126中，在对电阻材料66进行热处理之后，对电阻材料66进行化学-机械抛光/平坦化(CMP)工艺以去除过量的电阻材料66，直到暴露出基板18的第一表面40，从而在沟槽20中形成电阻加热元件22。在该步骤中，基板18的第一表面40被暴露并且未被任何电阻材料66覆盖。留在沟槽20中的电阻材料66形成电阻加热元件22，其顶部表面67与基板18的第一表面40齐平。

最后，在步骤128中，在基板18的第一表面40和电阻加热元件22的顶部表面67上形成保护层17。保护层17使电阻加热元件22电绝缘。保护层17可以通过将预先形成的保护层结合到基板18上而形成在基板18上。结合过程可以是钎焊过程或玻璃浆料结合。可替代地，当在基板18中形成多个沟槽20时，其中一些沟槽20、优选是位于基板18的外围周围的沟槽可以填充有结合剂，从而在一些沟槽20中的结合剂可以将基板18结合到保护层17上。在基板18上形成保护层17之后，便完成了加热器层12。

如前所述，沟槽20的深度和宽度可以被配置为沿着沟槽20的长度变化。随着深度和宽度的变化，沟槽20允许电阻加热元件22沿其长度形成不同的厚度和宽度，从而沿电阻加热元件22的长度实现可变的瓦特数。此外，通过使用沟槽20来限定电阻加热元件22的形状，可以在同一沟槽的不同部分沉积不同的材料，或者在同一沟槽20中沉积两层或更多层材料。例如，可以首先将电阻材料沉积在沟槽20中，然后将结合剂沉积在电阻材料的顶部。因此，沟槽20中的材料也可以用作在其上结合保护层的结合剂。工程化层(Engineeredlayer)或掺杂材料也可以沉积在沟槽20的不同部分，以实现沿其长度方向具有不同材料特性的电阻加热元件。

参考图2E，制造布线层14的子过程包括与前述制造加热器层12的子过程相似的步骤，除了制造布线层14的子过程制包括通过路由材料机加工通孔的步骤，并且不包括结合保护层的步骤。此外，由于加热器层12和布线层14具有不同的功能，因此形成电阻加热元件22和布线元件34的材料不同。

更具体地，制造布线层14的子过程包括与之前结合图2A至2D所描述的步骤102至步骤126相似的步骤。因此，为清楚起见，在此省略这些步骤的详细描述。填充在布线层14的沟槽32中的材料不同于填充在加热器层12的沟槽20中的材料。加热器层12构造成产生热量，从而填充在基板18的沟槽20中的材料是电阻率相对较高的电阻材料，以产生热量。在布线层14中，填充在基板30的沟槽32中的材料是导电性相对较高的导电材料，以将加热器层12的电阻加热元件22电连接至外部电源。

此外，布线层14的基板30具有沟槽32，该沟槽32的沟槽图案不同于加热器层12的基板18的沟槽20的沟槽图案。如图2E所示，布线层14的沟槽32示出为比加热器层12的沟槽20更宽。

参照图2E，在步骤130中对路由材料进行热处理并平坦化以形成布线元件34。在该步骤中，基板30的顶部表面与布线元件34的顶部表面齐平。类似于加热器层12，布线层14包括一对端子销36和连接到布线元件34的至少两个部分的一对端子端部69。

接下来，对布线元件34进行机加工以限定从布线元件34的顶部表面延伸到端子端部69的一对通孔68。此后，将加热器层12放置在布线层14的顶部。延伸超过基板18的第二表面42的加热器层12的端子销28插入通孔68中，使得加热器层12的端子销28与布线层14的端子端部69相接触。因此，加热器层12的电阻加热元件22电连接到布线元件34，而布线元件34又电连接到外部电源。

参考图3，描述了根据本公开的教导的制造电加热器的方法200的变型。根据填充在基板的沟槽中的功能材料的类型，可以将该方法应用于形成另一种电部件，例如静电吸盘的电极层以及RF天线层。

方法200开始于提供基板70，并且在步骤202中将至少一个沟槽72形成到基板70中。基板70可以包括氮化铝。在该步骤中，至少一个沟槽可以通过机械方法形成，例如激光去除/切割工艺、微珠光处理(micro bead blasting)、机加工、3D烧结/印刷/增材制造、生坯状态、成型、水注、混合激光/水、或干法等离子体蚀刻，而无需使用硬掩模图案。当使用微珠光处理工艺时，珠的粒度小于100μm，优选小于50μm。

接下来，在步骤204中，将包括第一金属的第一功能材料74填充在沟槽72中和基板70的顶部表面上。可以通过分层工艺来形成第一功能材料74，该分层工艺包括使用与厚膜、薄膜、热喷涂或溶胶-凝胶等相关的工艺将材料施加或累积到基板或另一层上。可替代地，如先前结合图2C的步骤122所描述的，可以使用钎焊回流工艺将第一功能材料74沉积在基板70上和在沟槽72中。例如，可以通过将金属箔放置在基板70上，然后熔化金属箔以使得熔融材料可以填充在沟槽72中并且回流到基板的顶部表面来形成第一功能材料74。

接下来，类似于结合图2C描述的步骤124，在步骤204中，可以对第一功能材料74进行热处理，例如通过退火。此后，在步骤206中，从基板70上去除多余的第一功能材料74，从而将第一功能材料74留在基板70的至少一个沟槽72内，以形成第一功能元件76。去除工艺可以是化学机械工艺(CMP)、蚀刻或抛光。然后，在步骤208中，将电介质层78沉积在第一功能元件76上方和基板70上方。

接下来，在步骤210中，在至少两个对应的位置处形成至少一个穿过电介质层78的通孔79，以暴露第一功能元件76的一部分。通孔79可以包括通孔80和沟槽82。该步骤包括在电介质层78中形成沟槽82的步骤，以及形成穿过电介质层78并进入第一功能元件76的通孔80的步骤。沟槽82可以在形成通孔80之前或之后而形成。可以通过激光切割形成通孔79。沟槽82的深度可以在大约100nm至100μm的范围内。

在步骤212中，将第二功能材料84沉积到包括通孔80和沟槽82的通孔79中以及电介质层78的顶部表面，使得第二功能材料84与第一功能元件材料76接触。

在步骤214中，从电介质层78中去除多余的第二功能材料84，从而将第二功能材料84留在通孔79内以形成到第一功能元件76的电终端。在该步骤中，残留在沟槽80中的第二功能材料84形成第二功能元件86。在去除步骤之后，第二功能材料84的顶部表面与电介质层78的顶部表面齐平。可替代地，可以蚀刻第二功能材料84以形成期望的轮廓。

当方法200用于形成电加热器时，第一功能元件76可以是电阻加热元件，第二功能元件86可以是用于将电阻加热元件连接到外部电源的布线元件。当方法200用于形成静电吸盘的电极层时，第一功能元件76可以是电极元件，第二功能元件86可以是将电极元件连接到外部电源的布线元件。

可替代地，第一功能元件76可以被配置为布线元件，而第二功能元件可以被配置为电阻加热元件或电极元件。在这种情况下，通孔80可以填充有第一功能元件76的相同材料或用于期望的导电的不同材料。

此后并且可选地，可以在步骤216中形成第一柱孔90或第二柱孔92。第一柱孔90延伸穿过电介质层92和下面的第一功能元件76。第二柱孔92延伸穿过第二功能元件86。第一柱孔90和第二柱孔92可以通过激光切割工艺或珠光处理工艺形成。

可以将附加的端子销(未示出)插入第一柱孔90和/或第二柱孔92中，以将第一功能元件76和/或第二功能元件86连接到另一电部件，例如另一加热器层、调谐层，温度感测层、冷却层、电极层和/或RF天线层。结果，附加的加热器层、调谐层、冷却层、电极层或RF天线层可以连接到相同的布线元件和外部电源。可以通过结合附图2A至3所描述的方法100或200来制造附加的加热器层、调谐层、冷却层、电极层、RF天线层。

关于结合附图2A至2E所公开的方法100，尽管已经将本公开的方法描述为包括制造加热器层12和布线层14的子过程，但是该方法100可以包括使用类似的步骤制造附加的一个或多个电部件的附加的一个或多个子过程。例如，方法100还可以包括用于制造另一加热器层、调谐层、冷却层、电极层和RF天线层等的子过程。

可替代地，制造加热器层12的子过程可以用于通过在沟槽中填充不同的材料来形成另一电部件。例如，如果珀耳帖(Peltier)材料填充在基板的沟槽中，则可以形成冷却层。如果电极材料填充在沟槽中，则可以形成用于静电吸盘的电极层。如果合适的RF天线材料填充在沟槽中，则可以形成RF天线层。如果导热率较低的材料填充沟槽中，则可以形成隔热层。如果导热率较高的材料填充沟槽中，则可以形成散热器。

通过本公开的方法100、200制造的电加热器10具有嵌入式加热电路和嵌入式分布电路，以及在整个基板上更平坦的多个功能层。因此，电加热器可以具有更一致的结构和更均匀的加热性能。

应当注意，本公开不限于作为示例所描述和示出的实施例。已经描述了各种各样的修改，并且更多的修改是本领域技术人员的知识的一部分。在不脱离本公开和本专利的保护范围的情况下，可以将这些和进一步的修改以及技术上的等同替换加入到说明书和附图。

Claims (15)

1.一种构造加热器的方法，包括以下步骤：

提供基板；

在所述基板中形成至少一个沟槽；

将功能材料沉积到所述基板上以及所述至少一个沟槽中；

从所述基板去除多余的功能材料，从而将所述功能材料留在所述基板的所述至少一个沟槽内以形成功能元件；和

提供与所述功能元件接触的电终端。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：形成至少一个通孔，所述至少一个通孔穿过所述基板至所述功能元件上的至少两个对应位置。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：在所述至少一个通孔中提供所述电终端，以使所述电终端与所述功能元件接触。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，形成至少一个沟槽的步骤是通过使用包括以下步骤的沉积和硬掩模蚀刻工艺来实现的：

在所述基板上沉积硬掩模；

在所述硬掩模上沉积光刻胶层；

在所述硬掩膜上显影所述光刻胶层；

刻蚀穿过所述硬掩模以形成图案；

去除所述光刻胶层；

蚀刻穿过所述图案并进入所述基板，以形成所述至少一个沟槽；和

去除所述硬掩膜。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，在将所述功能材料沉积到所述基板上和所述至少一个沟槽中之后，对所述功能材料进行热处理。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，去除多余的功能材料的步骤包括选自由以下工艺组成的组中的工艺：化学-机械平坦化/抛光(CMP)、蚀刻和抛光。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个沟槽通过选自由以下工艺组成的组中的工艺来形成：激光去除工艺、珠光处理工艺、机加工、3D烧结/印刷/增材制造、生坯状态、成型、水注、激光/水混合以及干法等离子体蚀刻。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，通过使用选自由厚膜、薄膜、热喷涂和溶胶-凝胶组成的组中的分层工艺，通过使用钎焊回流工艺，或通过将金属箔熔融到所述至少一个沟槽中，来将所述功能材料沉积到所述基板上并且沉积到所述至少一个沟槽中。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括：形成第二沟槽并将箔熔融到所述第二沟槽中，并通过使用熔融材料将所述功能元件结合至另一基板或电部件。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二沟槽沿着所述基板的外围形成。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括：使用权利要求1所述的方法形成布线层，并将所述布线层结合至所述加热器。

12.一种根据权利要求1所述的方法形成的加热器，其中，所述基板为由氮化铝和氧化铝组成的组中的陶瓷，并且所述功能元件为使用钎焊回流工艺在所述至少一个沟槽中形成的镍钛合金。

13.根据权利要求12所述的加热器，其中，所述至少一个沟槽限定约0.1-10μm、优选约3-5微米的深度。

14.根据权利要求12所述的加热器，还包括：在所述至少一个沟槽中的不同材料层。

15.根据权利要求12所述的加热器，还包括：布置在所述沟槽中的隔热器或散热器。

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