CN112129793A - 一种透射电镜高分辨原位温差加压芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种透射电镜高分辨原位温差加压芯片及其制备方法，其中芯片包括双面覆盖有绝缘层的基片，该基片的正面上设置有呈左右镜像设置的两加热加压单元；每一加热加压单元均包括两加热电极、一加压电极、一加热丝和一加压电路，加热丝和加压电路布设于基片的中部，并形成一加热加压区，两加热加压单元的加热加压区之间具有一缝隙，所述加热丝通过两加热线路与两加热电极分别连接，所述加压电路通过一加压线路与加压电极连接，该基片上除用于支撑加热加压单元、两加热线路以及一加压线路外的其它区域呈镂空设置，该芯片能够同时实现温差加压功能。
Description
技术领域
本发明涉及原位表征领域，具体是涉及一种透射电镜高分辨原位温差加压芯片及其制备方法。
背景技术
原位透射电镜技术以其超高空间分辨率(原子级)以及超快时间分辨率(毫秒级)的优势而被广泛应用于各个科学领域中，这为研究人员对新型材料微观结构的探索提供全新的思路和研究方法。主要表现为在电镜中搭建可视化的窗口，引入比如热场、光场、电化学场等外场作用，对样品进行实时动态的原位测试。研究学者可以通过原位测试技术捕获样品对环境的动态感应，包括尺寸、形态、晶体结构、原子结构、化学健、热能变化等重要信息。外场作用下材料在原子尺度的形态变化成为了材料研究和开发的根本。可以广泛用于显微结构分析、纳米材料研究的观测等，在生物、材料、半导体电子材料方面具有极高的应用价值。
目前对微米级材料实现温差功能的芯片结构有悬浮式和桥路式，桥路法是把样品放置在两加热丝之间，两端分别用于加热和测温，在加热或者受力的情况下，悬臂梁很容易受到破坏；悬浮式结构虽然精度高，可以测量尺寸为数十纳米的材料，然而两个加热单元之间没有设置镂空结构，隔热效果不理想，可能存在一定的温度误差,而且样品的加热和温度测定需要两个不同的电路来实现。若要同时实现温差加压功能，目前的芯片结构在以精准性及稳定性方面仍有待改进。
发明内容
本发明旨在提供能够同时实现温差加压功能的透射电镜高分辨原位温差加压芯片。
具体方案如下：
一种透射电镜高分辨原位温差加压芯片，包括双面覆盖有绝缘层的基片，该基片的正面上设置有呈左右镜像设置的两加热加压单元；每一加热加压单元均包括两加热电极、一加压电极、一加热丝和一加压电路，其中两个加热电极和一加压电极分布在基片的同侧边缘；加热丝和加压电路布设于基片的中部，并形成一加热加压区，两加热加压单元的加热加压区之间具有一缝隙；所述加热丝通过两加热线路与两加热电极分别连接，所述加压电路通过一加压线路与加压电极连接，该基片上除用于支撑加热加压单元、两加热线路以及一加压线路外的其它区域呈镂空设置。
优选的，每一加热加压单元的两加热线路以及一加压线路分别位于一悬臂上，三个悬臂呈“丁”字形布设，且加热丝布设于三个悬臂的交汇处。
优选的，所述加压电路相对于加热丝更靠近缝隙。
优选的，所述加热丝以及与其相连接的两加热电极构成一等效电路，该等效电路可同时实现对加热丝供电加热和实时监控加热丝发热后的电阻值。
优选的，所述基片为硅基片，所述绝缘层为氮化硅或者氧化硅绝缘层。
优选的，该透射电镜高分辨原位温差加压芯片的芯片外形尺寸为2mm*2mm-10mm*10mm或者4mm*6mm。
优选的，所述基片正面和背面上的绝缘层厚度为5-200nm，基片的厚度为50-500um。
优选的，所述缝隙的尺寸为0.002mm*3.0mm-0.01mm*3.5mm。
优选的，所述加热加压区的尺寸为0.2mm*0.2mm-0.5mm*0.5mm；所述悬臂的尺寸为0.5mm*0.2mm-1.5mm*0.5mm。
本发明还提供了一种透射电镜高分辨原位温差加压芯片的制备方法，包括以下步骤：
S1.准备正面和背面上均具有氮化硅或氧化硅绝缘层的Si(100)晶圆A，绝缘层的厚度为5-200nm；
S2.通过光刻工艺，将加热电极、加压电极、加热丝、加压电路、连接加热丝和加热电极的加热线路以及连接加压电路和加压电极的加压线路的图案从光刻掩模版转移到上述晶圆A的正面，然后在正胶显影液中显影，再用去离子水清洗表面得到晶圆A-1；
S3.通过反应离子刻蚀工艺，将在晶圆A-1正面裸露的氮化硅或氧化硅绝缘层刻蚀掉，然后将晶圆正面朝上放入丙酮中浸泡，最后用丙酮冲洗，去掉光刻胶，得到晶圆A-2；
S4.利用电子束蒸发镀膜工艺，在晶圆A-2正面蒸镀一层金属膜形成加热电极、加压电极、加热丝、加压电路、加热线路和加压线路，然后将晶圆正面朝上放入丙酮中浸泡剥离，最后用去离子水冲洗，去掉光刻胶，留下金属层，得到晶圆A-3；
S5.利用PECVD工艺，在晶圆A-3的正面生长一层氮化硅或氧化硅或氧化铝作为保护层，得到晶圆A-4；
S6.利用光刻工艺，将待腐蚀区域从光刻掩膜版转移到上述晶圆A-4的背面，然后在正胶显影液中显影，再用去离子水清洗表面得到晶圆A-5；
S7.利用反应离子刻蚀工艺，将晶圆A-5背面待腐蚀区域上的氮化硅或氧化硅刻蚀掉，然后将晶圆背面朝上先后放入丙酮中浸泡，最后用丙酮冲洗，去掉光刻胶，得到晶圆A-6；
S8.将晶圆A-6的背面朝上放入氢氧化钾溶液中进行湿法刻蚀，直至裸露的基底硅完全腐蚀完，取出晶圆用大量去离子水冲洗后吹干，得到晶圆A-7；
S9.通过反应离子刻蚀工艺，将在晶圆A-7正面裸露的氮化硅或氧化硅或氧化铝保护层刻蚀掉，然后将晶圆正面朝上放入丙酮中浸泡，最后用丙酮冲洗，去掉光刻胶，得到晶圆A-8；
S10.将晶圆A-8进行激光划片，分成独立芯片。
本发明提供的透射电镜高分辨原位温差加压芯片与现有技术相比较具有以下优点：本发明提供的透射电镜高分辨原位温差加压芯片的加热丝只需连接两个电极来构成一个回路，可同时实现测温控温功能，故两端可同时测温控温；并且该温差加压芯片除了可对搭载的样品两端实施不同温度，还可以向样品施加不同电压，可对不同温度、电压两种外场刺激下的固体材料进行研究；并且加热丝、加压电路和接触电极间的连接线路所处的支撑层为丁字结构，比现有温差芯片两端的单独悬臂梁结构更为稳定，且该温差加压芯片还具有快速升降温、精准控温测温、同时实现温差和加压、分辨率高、样品漂移率低的优点。
附图说明
图1示出了透射电镜高分辨原位温差加压芯片的俯视图。
图2示出了图1中A-A处的剖视图。
图3示出了图1中B-B处的剖视图。
图4示出了图1中加热加压区的放大图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例1
如图1-图4所示的，本实施例提供了一种透射电镜高分辨原位温差加压芯片，包括一基片1，该基片1的正面和背面上均覆盖有一绝缘层10。其中，本实施例中的基片为硅基片，绝缘层为氮化硅或者氧化硅绝缘层。
该基片1的正面上设置有呈左右镜像设置的两加热加压单元11。每一加热加压单元11均包括两加热电极111、一加压电极112、一弧形的加热丝113和一加压电路114，其中两个加热电极111和一加压电极112分布在基片的同侧边缘；弧形的加热丝113和加压电路114布设于基片1的中部，并形成一加热加压区，两加热加压单元11的加热加压区之间具有一缝隙12，该缝隙12用来放置样品，并使两加热加压单元11的加热加压区互不接触。
该加热丝113通过两加热线路115与两加热电极111分别连接，加压电路114通过一加压线路116与加压电极112连接。
基片1上除用于支撑加热加压单元11、两加热线路115以及一加压线路116外的其它区域的基材及其正面和背面上的绝缘层均被去除，呈镂空状态。
在本实施例中，每一加热加压单元11的两加热线路115以及一加压线路116分别位于一悬臂13上，三个悬臂13呈“丁”字形布设，且加热丝113布设于三个悬臂13的交汇处。
在本实施例中，加压电路114相对于加热丝113更靠近缝隙12。
在本实施例中，每一加热丝113以及与其相连接的两加热电极111构成一等效电路，该等效电路可同时实现对加热丝供电加热和实时监控加热丝发热后的电阻值。
在本实施例中，该透射电镜高分辨原位温差加压芯片的芯片外形尺寸为2mm*2mm-10mm*10mm；优选的，其芯片外形尺寸为4mm*6mm。
在本实施例中，基片1正面和背面上的绝缘层厚度为5-200nm。
在本实施例中，基片1的厚度为50-500um。
在本实施例中，加热加压区的尺寸为0.2mm*0.2mm-0.5mm*0.5mm；悬臂的尺寸为0.5mm*0.2mm-1.5mm*0.5mm；两个加热加压区之间的缝隙的尺寸为0.002mm*3.0mm-0.01mm*3.5mm。
在本实施例中，加热丝的尺寸为0.15mm*0.5mm-0.15mm*0.5mm；加压电路的尺寸为0.01mm*0.05mm-0.02mm*0.1mm，厚度为50nm-500nm；
在本实施例中，加热丝113采用的是金属金、铂、钯、铑、钼、钨、铂铑合金或非金属的碳化钼。
本实施例提供的透射电镜高分辨原位温差加压芯片的加热丝只需连接两个电极来构成一个回路，可同时实现测温控温功能，故两端可同时测温控温。并且该温差加压芯片除了可对搭载的样品两端实施不同温度，还可以向样品施加不同电压，可对不同温度、电压两种外场刺激下的固体材料进行研究；并且加热丝、加压电路和接触电极间的连接线路所处的支撑层为丁字结构，比现有温差芯片两端的单独悬臂梁结构更为稳定，且该温差加压芯片还具有快速升降温、精准控温测温、同时实现温差和加压、分辨率高、样品漂移率低的优点。
实施例2
本实施例提供了一种透射电镜高分辨原位温差加压芯片的制备方法，包括以下步骤：
S1.准备正面和背面上均具有氮化硅或氧化硅绝缘层的Si(100)晶圆A，绝缘层的厚度为5-200nm，晶圆A正面和背面上的氮化硅或氧化硅绝缘层可以通过低压化学气相沉积的方式来实现；
S2.通过光刻工艺，将加热电极、加压电极、加热丝、加压电路、连接加热丝和加热电极的加热线路以及连接加压电路和加压电极的加压线路的图案从光刻掩模版转移到上述晶圆A的正面，然后在正胶显影液中显影，再用去离子水清洗表面得到晶圆A-1；
优选的，该光刻工艺是在紫外光刻机的hard contact模式下曝光；光刻工艺中的光刻胶为AZ5214E；显影的时间为50s；
更优选的，曝光时间为15s；
S3.通过反应离子刻蚀工艺，将在晶圆A-1正面裸露的氮化硅或氧化硅绝缘层刻蚀掉，然后将晶圆正面朝上放入丙酮中浸泡，最后用丙酮冲洗，去掉光刻胶，得到晶圆A-2；
S4.利用电子束蒸发镀膜工艺，在晶圆A-2正面蒸镀一层金属膜形成加热电极、加压电极、加热丝、加压电路、加热线路和加压线路，然后将晶圆正面朝上放入丙酮中浸泡剥离，最后用去离子水冲洗，去掉光刻胶，留下金属层，得到晶圆A-3；
优选的，所述加热丝的材料为金属金、铂、钯、铑、钼、钨、铂铑合金或非金属的碳化钼；该金属加热丝的厚度为50-500nm；
S5.利用PECVD工艺，在晶圆A-3的正面生长一层氮化硅或氧化硅或氧化铝作为保护层，得到晶圆A-4；
优选的，所述保护层的厚度为30-150nm；
S6.利用光刻工艺，将待腐蚀区域从光刻掩膜版转移到上述晶圆A-4的背面，然后在正胶显影液中显影，再用去离子水清洗表面得到晶圆A-5；
优选的，所述光刻工艺为在紫外光刻机的hard contact模式下曝光；光刻工艺中使用的光刻胶为AZ5214E；显影的时间为65s；
更优选的，曝光的时间为20s；
S7.利用反应离子刻蚀工艺，将晶圆A-5背面待腐蚀区域上的氮化硅或氧化硅刻蚀掉，然后将晶圆背面朝上先后放入丙酮中浸泡，最后用丙酮冲洗，去掉光刻胶，得到晶圆A-6；
S8.将晶圆A-6的背面朝上放入氢氧化钾溶液中进行湿法刻蚀，直至裸露的基底硅完全腐蚀完，取出晶圆用大量去离子水冲洗后吹干，得到晶圆A-7；
优选的，所述氢氧化钾溶液的质量百分比浓度为20％；刻蚀的温度为70-90℃，刻蚀的时间为1.5-4h；
更优选的，刻蚀的温度为80℃；刻蚀的时间为2h；
优选的，加热区的硅支撑层尺寸为0.2mm*0.2mm-0.5mm*0.5mm；接触电极与加热区之间的悬臂尺寸为0.5mm*0.2mm-1.5mm*0.5mm；两个加热区之间的缝隙尺寸为0.002mm*3.0mm-0.01mm*3.5mm；
S9.通过反应离子刻蚀工艺，将在晶圆A-7正面裸露的氮化硅或氧化硅或氧化铝保护层刻蚀掉，然后将晶圆正面朝上放入丙酮中浸泡，最后用丙酮冲洗，去掉光刻胶，得到晶圆A-8；
S10.将晶圆A-8进行激光划片，分成独立芯片。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种透射电镜高分辨原位温差加压芯片，其特征在于：包括双面覆盖有绝缘层的基片，该基片的正面上设置有呈左右镜像设置的两加热加压单元；每一加热加压单元均包括两加热电极、一加压电极、一加热丝和一加压电路，其中两个加热电极和一加压电极分布在基片的同侧边缘；加热丝和加压电路布设于基片的中部，并形成一加热加压区，两加热加压单元的加热加压区之间具有一缝隙；所述加热丝通过两加热线路与两加热电极分别连接，所述加压电路通过一加压线路与加压电极连接，该基片上除用于支撑加热加压单元、两加热线路以及一加压线路外的其它区域呈镂空设置。
2.根据权利要求1所述的透射电镜高分辨原位温差加压芯片，其特征在于：每一加热加压单元的两加热线路以及一加压线路分别位于一悬臂上，三个悬臂呈“丁”字形布设，且加热丝布设于三个悬臂的交汇处。
3.根据权利要求1所述的透射电镜高分辨原位温差加压芯片，其特征在于：所述加压电路相对于加热丝更靠近缝隙。
4.根据权利要求1所述的透射电镜高分辨原位温差加压芯片，其特征在于：所述加热丝以及与其相连接的两加热电极构成一等效电路，该等效电路可同时实现对加热丝供电加热和实时监控加热丝发热后的电阻值。
5.根据权利要求1所述的透射电镜高分辨原位温差加压芯片，其特征在于：所述基片为硅基片，所述绝缘层为氮化硅或者氧化硅绝缘层。
6.根据权利要求1所述的透射电镜高分辨原位温差加压芯片，其特征在于：该透射电镜高分辨原位温差加压芯片的芯片外形尺寸为2mm*2mm-10mm*10mm或者4mm*6mm。
7.根据权利要求1所述的透射电镜高分辨原位温差加压芯片，其特征在于：所述基片正面和背面上的绝缘层厚度为5-200nm，基片的厚度为50-500um。
8.根据权利要求1所述的透射电镜高分辨原位温差加压芯片，其特征在于：所述缝隙的尺寸为0.002mm*3.0mm-0.01mm*3.5mm。
9.根据权利要求2所述的透射电镜高分辨原位温差加压芯片，其特征在于：所述加热加压区的尺寸为0.2mm*0.2mm-0.5mm*0.5mm；所述悬臂的尺寸为0.5mm*0.2mm-1.5mm*0.5mm。
10.一种透射电镜高分辨原位温差加压芯片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.准备正面和背面上均具有氮化硅或氧化硅绝缘层的Si(100)晶圆A，绝缘层的厚度为5-200nm；
S2.通过光刻工艺，将加热电极、加压电极、加热丝、加压电路、连接加热丝和加热电极的加热线路以及连接加压电路和加压电极的加压线路的图案从光刻掩模版转移到上述晶圆A的正面，然后在正胶显影液中显影，再用去离子水清洗表面得到晶圆A-1；
S3.通过反应离子刻蚀工艺，将在晶圆A-1正面裸露的氮化硅或氧化硅绝缘层刻蚀掉，然后将晶圆正面朝上放入丙酮中浸泡，最后用丙酮冲洗，去掉光刻胶，得到晶圆A-2；
S4.利用电子束蒸发镀膜工艺，在晶圆A-2正面蒸镀一层金属膜形成加热电极、加压电极、加热丝、加压电路、加热线路和加压线路，然后将晶圆正面朝上放入丙酮中浸泡剥离，最后用去离子水冲洗，去掉光刻胶，留下金属层，得到晶圆A-3；
S5.利用PECVD工艺，在晶圆A-3的正面生长一层氮化硅或氧化硅或氧化铝作为保护层，得到晶圆A-4；
S6.利用光刻工艺，将待腐蚀区域从光刻掩膜版转移到上述晶圆A-4的背面，然后在正胶显影液中显影，再用去离子水清洗表面得到晶圆A-5；
S7.利用反应离子刻蚀工艺，将晶圆A-5背面待腐蚀区域上的氮化硅或氧化硅刻蚀掉，然后将晶圆背面朝上先后放入丙酮中浸泡，最后用丙酮冲洗，去掉光刻胶，得到晶圆A-6；
S8.将晶圆A-6的背面朝上放入氢氧化钾溶液中进行湿法刻蚀，直至裸露的基底硅完全腐蚀完，取出晶圆用大量去离子水冲洗后吹干，得到晶圆A-7；
S9.通过反应离子刻蚀工艺，将在晶圆A-7正面裸露的氮化硅或氧化硅或氧化铝保护层刻蚀掉，然后将晶圆正面朝上放入丙酮中浸泡，最后用丙酮冲洗，去掉光刻胶，得到晶圆A-8；
S10.将晶圆A-8进行激光划片，分成独立芯片。
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