CN113993624A

CN113993624A - 热平台和制造热平台的方法

Info

Publication number: CN113993624A
Application number: CN202080045341.4A
Authority: CN
Inventors: B·斯滕森; C·安东尼; R·拉克施玛南; H·简; C·麦克劳林; S·吉里; M·科恩; H·伯尼; D·麦考立夫; W·莱恩
Original assignee: Analog Devices International ULC
Current assignee: Analog Devices International ULC
Priority date: 2019-06-21
Filing date: 2020-06-22
Publication date: 2022-01-28
Anticipated expiration: 2040-06-22
Also published as: WO2020254691A1; EP3986615A1; US20220126300A1; CN113993624B

Abstract

本公开涉及一种微加工热平台。所述平台形成在基板上，所述基板例如可以是硅片，并且可以形成所述平台的一部分。基板被涂上热绝缘材料，它可以是有机聚合物，如聚酰亚胺或SU8。热绝缘材料可具有预定的热导率，该热导率取决于厚度、几何形状和加工。热绝缘材料的表面可包括热位置的布置，在可能发生化学反应的上方每个位置具有反应板(或热板)。加热元件可位于每个反应板下方。热平台可以具有多个这样的热位置，这些热位置布置在热绝缘材料的上表面上。然而，应了解在实践中，可能存在单个热现场。在使用中，热平台可具有布置在热位置上的流体介质，例如液体或气体。热平台的一个应用是化学和生物反应。在此类反应中，流体介质可以是包含用于这些反应的试剂的水溶液。流体介质可以是离子导电流体、有机溶液或气体。精确的温度控制使正确的反应得以发生。

Description

热平台和制造热平台的方法

技术领域

本公开涉及一种热平台和热平台的制造方法。具体而言，本公开涉及一种微加工热平台，它使用加热元件来保持所需的温度。

背景技术

某些化学和生物反应需要精确的温度控制。例子包括聚合酶链反应(PCR)、热辅助水解和甲基化以及其他热激活反应。已知提供热平台来控制这种反应。热平台通常包括：热板(有时称为反应板)，可涂覆在催化剂中，使用加热器装置将催化剂加热至所需温度。反应板上方通常设有流道，以便将必要的化学品引入反应位点。这种热平台可以使用基于半导体的微加工技术制造。半导体工艺和材料使得能够生产尺寸小、每个平台提供大量位置且材料性能非常适合的热平台。

已知技术需要提高热精度，并且从功耗角度来看效率低下。

发明内容

反应板可以是形成在热绝缘材料表面上方或嵌入其中的金属板。可使用加热元件(可为电阻器)加热反应板。电阻器可以形成在微加工结构内，非常接近，但与反应板分离。或者，反应板本身可以是电阻器。

热平台还可包括温度计或温度传感器，其直接或通过代理监测流体介质的温度，并向控制机构提供输出信号。例如，温度传感器可测量反应板的温度、反应板上方或旁边的区域，或热位点上方的流体介质。控制机构可耦合至加热元件，从而提供闭合控制回路。在使用中，控制机构可用于控制加热器，以将热现场保持在特定温度。

在第一方面，本发明提供了一种用于控制位于热平台上方的流体或其他材料的温度的微加工热平台，该平台包括多个微加工层，该平台包括：热绝缘层，由有机聚合物形成，具有预定义的导热性，所述热绝缘层被配置为在位于所述热平台上方的流体或其他材料与位于所述热平台下方的基板之间提供热绝缘；导电层，形成在所述热绝缘层的上表面上或其附近，该导电层被图案化以限定至少一个加热元件；在所述热绝缘层中形成的一个或多个导电通孔，该通孔与所述导电层电耦合；电绝缘层，形成在所述导电层上；和至少一个热板，形成在所述电绝缘层上；其中所述至少一个加热元件和所述至少一个热板限定这样的热位置，其中位于所述热平台上方的流体或其他材料的温度可以在该热位置上进行控制。

在第二方面，本发明提供了一种制造热平台的方法，包括：沉积有机聚合物以形成具有预定的热导率的热绝缘层；在所述热绝缘层中形成一个或多个导电通孔；将导电层沉积在所述热绝缘层的上表面上或其附近，使得所述导电层电耦合到所述一个或多个通孔；对所述导电层进行图案化以限定至少一个加热元件；在所述导电层上形成电绝缘层；和在所述电绝缘层上沉积至少一个热板。

在第三方面，本发明提供了一种微加工热平台，包括一个或多个热位置，被配置为控制所述一个或多个热位置处的流体或其他材料的温度，所述热平台包括使用微加工技术形成的多个层，以及包括具有预定热导率的有机聚合物层，所述一个或多个热位置中的每一个包括加热元件以加热所述流体或其他材料，以及热板。

本发明的进一步特征列于本说明书末尾的示例和权利要求中。

附图说明

现在将仅通过示例并参考附图来描述本公开，其中：

图1A是根据本公开的热平台的横截面；

图1B是图1A的热平台的平面图；

图2A至2L显示了图1A的热平台在制造过程中的一系列截面图和平面图；

图3是表示图2A至2L的制造工艺步骤的流程图。

图4是显示图1B的热平台的加热器和温度计的替代布置的示意图；

图5是显示通用温度控制方法的流程图；

图6是示出使用本公开实施例的热平台的示例化学反应的操作方法的流程图；

图7A示出了根据本公开的另一示例的热平台的横截面；

图7B示出了根据本公开的另一示例的热平台的横截面。

具体实施方式

某些化学和生物反应需要精确的温度控制。液相化学反应的例子包括聚合酶链反应(PCR)、热辅助水解和甲基化，以及其他热启动反应。气相化学反应也可能需要温度控制。已知提供热平台来控制这种反应。热平台通常包括反应板，该反应板可以涂覆有催化剂，使用加热器装置将其加热至所需温度。通常在反应板上方提供流动通道，以便将必要的化学品引入反应位点。这种热平台可以使用基于半导体的微加工技术制造。半导体工艺和材料使热平台能够生产出尺寸小、每个平台提供大量位点并且在材料特性方面非常适合的热平台。

本公开提供了一种热平台，其可以使用微加工技术制造，并且使用有机聚合物的热绝缘层，例如聚酰亚胺或SU8。有机聚合物的材料特性使其非常适合用于热平台。例如，它们提供足够的热稳定性和惯性，以确保可以保持热位点的温度。此外，它们提供足够的热绝缘，以保护位于下方的专用集成电路(ASIC)中形成的任何电子元件，并与热平台单片集成。它们的绝热特性还意味着提供向下到基板的导热通孔以促进冷却的需求减少。

热平台还可包括热板，其可用于执行化学或生物反应。电阻元件形式的加热器可位于热板下方或紧邻热板。同样呈电阻元件形式的温度计也可以定位在热板下方或紧邻热板。作为替代，加热器和温度计可以由相同的电阻元件形成。在后一种情况下，开关和时分多路复用过程可用于在加热和温度检查之间划分电阻元件的使用。

图1A示出了微制造热平台100的横截面。在该示例中，热平台100包括单个单位单元或热位点，如通常由参考102表示的。热平台包括基板104，其可以例如是硅晶片。基板104可以形成热平台的一部分，在这种情况下，热平台和基板可以形成为集成的单片结构。或者，基板可以与热平台分开，热平台形成在基板的顶部。在另一个替代方案中，热平台100可以不包括基板，而是可以是独立结构。基板104可以是硅晶片，其可以被减薄到最小厚度同时确保机械稳定性。例如，硅晶片的厚度可能约为200μm，并且具有大约150W/mK的热导率。基板变薄的程度将取决于所需的机械稳定性和热导率的平衡。在一个示例中，晶片的厚度可以小于300μm。在另一个例子中，晶片的厚度在150μm和250μm之间。晶片的热导率可以在100和200W/mK之间。可以在基板下方提供散热器以使得来自热位点的热量能够通过基板。或者，可以使用未减薄的晶片。这种晶片的厚度可能约为725μm。因此，在一个示例中，基板可以在650μm和750μm之间。

基板104可以包括形成在基板的上表面中的金属触点106A、106B。这些触点用于在热平台的组件之间建立电连接，并与基板中的任何迹线或电路进行电连接。在图1的示例中，示出了轨迹108。这旨在仅代表可以在基板中形成的迹线或电路。

在基板104上方形成钝化层110。钝化层110具有与金属触点106A、106B对齐的开口。在钝化层110的顶部形成可以由诸如聚酰亚胺或SU8的有机聚合物形成的一层热绝缘材料112。导电通孔114A和114B可以形成在热绝缘层112中，与金属触点106A、106B对齐，以使得能够与朝向平台100的上表面形成的元件进行电连接。

热绝缘层可以具有10μm至50μm的厚度。在某些应用中，使用低于10μm的厚度将无法提供足够的热阻以供使用。提供50μm以上的厚度存在加工困难，并且通孔难以形成。根据所使用的材料，热绝缘层可具有一定范围的热导率。在一个示例中，热导率介于0.1和1W/mK之间。在一个示例中，热导率在0.15W/mK和0.25W/mK之间。这些热导率范围可以通过有机聚合物实现，它们特别适合这种应用。

就热设计而言，目标是实现适当的热阻。热绝缘层的热阻取决于厚度和热导率。具有上述厚度的有机聚合物具有实现所需热阻所需的热导率。另一个好处或有机聚合物是可以光刻沉积的。热阻可以通过将热导率除以厚度来确定。例如，当使用具有0.2W/mK的热导率和25μm的厚度的聚合物时，热阻可以是8000W/m²K。在确定热阻时，聚合物在其他材料中占主导地位。在一个示例中，热平台的热阻可以在2000W/m²K和15,000W/m²K之间。在另一个示例中，热平台的热阻介于5000W/m²K和10,000W/m²K之间。在另一个示例中，热阻介于7,000W/m²K和9,000W/m²K之间。

如上所述，热绝缘层112可以由有机聚合物形成。这可以是一层或多层聚酰亚胺。在一个示例中，可以在基板104上方形成层间电介质(ILD)。然后在ILD上方形成热绝缘材料层112。在一个示例中，第一层聚酰亚胺可以在下面的基板上形成钝化层。然后可以在钝化层上方提供金属再分布层以提供金属触点106A、106B。重新分布层可以提供一些用于驱动加热器和温度计所需的电气路径。然后第二层聚酰亚胺可以提供大部分热隔离(例如具有30μm的厚度)。

在另一个示例中，可以提供三层聚酰亚胺。第一层的功能和上面一样。如上所述，第二和第三聚酰亚胺层具有30μm的组合厚度。例如，第二层和第三层中的每一个可以是15μm。在第二层聚酰亚胺之后可以提供另外的再分布层。下面提供多层热绝缘层的另一个例子。

聚酰亚胺层可以小于50μm厚，并且在一个示例中为20μm至30μm厚。聚酰亚胺的热导率约为0.14W/mK。需要说明的是，作为聚酰亚胺的替代物，热绝缘材料112可以是SU8，在这种情况下，可以使用小于60μm的厚度。可以使用具有介于0.17和0.2W/m-k之间的热导率的SU8。使用SU8的一个优点是它的收缩率低于聚酰亚胺。热导率越低，热绝缘层可以越薄。

热平台102还具有金属层116，其形成在热绝缘层112的顶表面上方。金属层116被图案化以形成加热元件118和温度计或温度传感器120。金属层116的这些部分通过金属层的其他图案化部分耦合到通孔114A、114B，如图1所示。电流可以通过加热元件118以执行加热操作。金属层116以及加热元件118和温度计120可以由金制成。加热元件118和温度计120可以使用不同的金属材料和工艺形成。如下文将更详细地描述的，温度计和加热器在作为金属图案化工艺的一部分的制造期间彼此隔离。

温度计120可以是具有先验或通过校准已知的电阻温度系数的电阻元件。可以通过向元件施加测试电流并监测电压变化来测量电阻。电压的变化代表电阻的变化，这可以映射到温度。温度传感器必须具有方便且稳定的电阻温度系数，并且电阻特性不会随着时间的推移而退化。温度计120提供可在芯片上或由芯片外控制模块(未示出)监测的输出。在一个实施例中，温度计120将由可提供闭环反馈温度控制的片上控制电路监控。

应当理解，存在可以使用电子电路来控制加热器的多种方式。本公开的内容涉及平台的结构，而不是控制它的机制。预计技术人员将能够使用技术人员可用的知识来采用所需的控制电路。温度元素也是如此。可以使用本领域技术人员已知的技术来确定平台的温度，使用作为结构的一部分提供的温度元件。

热平台100还包括另外的钝化层122，其形成在金属层116的顶部和热绝缘层112的上表面之上。在钝化层122上方形成热板124，其可以是可以在其上执行化学工艺的反应板。钝化层122可以由氮化硅或氧化铝制成并且旨在提供平台100上方的流体和下方结构之间的电和化学隔离。对于热导率为10W/mK的材料(例如氮化硅和氧化铝)，钝化层的厚度可以在0.5μm到1.5μm的范围内，并且可选地从0.8μm到1.2μm。在一个示例中，钝化层可以具有基本上1μm的厚度。对于具有1.3W/mK的热导率的材料(例如二氧化硅)，钝化层可以具有小于1μm的厚度。热板124可以由金或铂以及其他材料制成。

热板的尺寸和形状取决于应用。热板以及更一般的平台在水平方向上的尺寸和形状与本公开内容无关。本公开集中于用于制造平台的材料和工艺，以及垂直方向的尺寸。在本公开中，为了便于清楚和理解整体结构，将描述加热器、温度计和热板的各种形状。该形状纯粹是说明性的，在某些情况下取自现有技术，并且无意对本公开的创新方面做出贡献。然而，它们可用于帮助区分索赔与任何意外预期。在本文所述的大多数示例中，热板被描述为圆形或基本圆形(制造缺陷意味着该板可能不完全是圆形)。这是现有技术中最常用的形状，并且可以使用任意数量的其他形状，如应用所规定的。

热板的厚度通常小于2μm。较厚的板能够更好地平衡其表面的温度，这在某些应用中可能很有用。然而，较厚的板更难制造，因为容易产生加工缺陷。更薄的板更容易制造并且使用更少的材料，因此可能更便宜。在一个示例中，该板的厚度为1μm，这在温度均衡和可制造性之间提供了良好的平衡。在一个示例中，板的厚度可以在100纳米到3微米之间。在另一个示例中，板的厚度可以在500nm和1.5μm之间。在温度控制不太重要的示例中，板可能更薄。例如，在此类应用中，板的厚度可能小于500纳米。

如上所述，热板可由金或铂制成。贵金属，尤其是铂族金属或贵金属，特别适合用于热平台。它们是惰性的，并且在化学性能方面具有良好的特性。例如，如下所述，它们适用于使分子结合到它们的表面。

在替代实施例中，温度计120和加热元件118可以由金属层116的相同部分形成。当加热元件118兼作温度计时，可以在基板内提供开关，使得在加热期间，加热元件可提供加热电流，并且在温度测量期间，可以向相同的元件提供激励电流。尽管该示例显示了单个热位点102，但是热平台100通常具有布置在其上表面104上的多个热位点。

在使用中，根据应用，流体介质(可以是液体或气体，未示出)可以放置在热平台100的上表面上。流体介质的类型将取决于应用，但是例如在化学反应的情况下，流体介质可以是包含反应所需试剂的水溶液。盖可定位在流体介质上方以在热板上方引导流体介质。这种布置的细节对于理解本公开所针对的平台的结构不是必需的。本领域技术人员将熟悉流体通道和帽的要求。

如本领域技术人员将理解的，并且如下文更详细地描述的，可以使用基于半导体的微制造技术来制造热平台100。因此，通常首先提供基板，在基板104的顶部形成热绝缘材料112。

图1突出了热平台100的两个主要结构特征。即，首先是热平台本身，包括热板、热位点102，其次是基板104，它可能是基于CMOS的专用集成电路(ASIC)。在实践中，这两个元素作为一个集成平台整体形成。然而，它们也可以单独形成，并通过适当的轨道耦合在一起以传输电力和数据。

图1B是图1A的热平台100的平面图。图1A的横截面由虚线A-A'表示。从顶部看，唯一可见的部件是热板124和钝化层122。其他元件，包括加热元件118、温度计120和其他金属层116元件使用虚线示出，以指示它们在可见元件下的位置。可以看出，在这个例子中，热板124是圆形的，加热元件118和温度计120是半圆形的，与热板124共享一个共同的轴线。这些形状是说明性的，而不是为了限制披露。图1A中未示出的用于加热元件118和温度计120的其他金属连接126A、126B和通孔128A、128B也被示出。在该示例中，热板124是圆形的。热板124也可以是方形、六边形或任何其他适合特定应用的形状。其他形状可能是优选的，以有效地传递热量并测量加热效果。同样，水平方向上的特定形状或尺寸不旨在限制本公开。

如上所述，加热元件118和热板124由分开的元件形成。从设计的角度来看，这特别有用。它允许加热元件118被设计为产生最大的热量，同时设计热板124以用于在表面发生任何化学或生物反应的目的。

如上所述，热平台100可具有形成为平台上表面上方的层的流体介质。流体介质可以由玻璃、硅或有机聚合物帽封闭，其可以使用O形环密封件结合到热平台。盖可包括用于将流体介质引入热平台或从热平台移除的开口。

加热元件118和温度计120是薄膜结构。薄膜结构为金属导体，具有适当的电阻率，通过电流时特性稳定。它们可以使用光刻制造技术形成。

钝化层122为导热钝化层。例如，这可能足够薄以使其导热良好。它还应该对流通池中的试剂呈化学惰性。由金属材料制成的热板124可以用催化剂或选择性膜进行功能化，该催化剂或选择性膜在使用中接触反应流体并形成热位点的中心。当用于化学反应时，热板可称为反应板。

有机聚合物，例如聚酰亚胺或SU8，具有良好的隔热性能，这意味着不需要冷却顶面。在一些现有技术示例中，提供导热通孔以冷却热平台的顶面，以控制热量并防止热量到达下面的ASIC基板。一些现有技术示例还使用基板中的空腔来提供热绝缘。当使用有机聚合物薄膜层时不需要这些结构。这简化了制造并降低了成本。不需要具有诸如通孔和空腔之类的硅结构。

热平台的整体尺寸将取决于具体应用。然而，将注意到平台的厚度由热绝缘层的厚度支配。例如，热绝缘层可以具有10μm至50μm的厚度，并且钝化层和金属层中的每一个可以具有1μm至2μm的厚度。因此，平台的整体厚度范围可以从10μm到55μm。优选地，总厚度为20μm至40μm。

制造方法

可以使用半导体制造技术来制造上述热平台100。这可能涉及提供硅晶片层，该硅晶片层可以设置有各种电子元件，例如晶体管元件。如上所述，这些部件的细节对于理解热平台的结构和制造过程不是必需的。晶片可以作为钝化晶片提供，包括预先形成的CMOS架构。然后可以使用聚酰亚胺层平坦化钝化层，在聚酰亚胺和钝化层中形成开口以容纳用于连接到冷却板和加热板的通孔。可以使用厚金属的光刻和电镀来形成通孔。或者，可以使用蒸发或溅射技术。聚酰亚胺的热绝缘层可以使用涂覆、曝光、显影和固化步骤形成。可以使用光刻和电镀以与通孔类似的方式形成加热元件。可以使用沉积和图案化来形成氮化硅或氧化铝的导热层。反应板可以通过电镀、蒸镀或溅射中的一种形成，并进行必要的构图。

图2A至2L示出了在制造过程中热平台100的一系列平面图和截面图。现在将结合图2A到2L以及图3中所示的流程图描述制造过程。热平台通常与硅ASIC基板单片集成，但在接下来的过程中，我们将专注于热平台本身的制造。

图2A和2B显示了制造过程的第一步。制造工艺的第一步是在CMOS ASIC基板104的顶部上方提供钝化层110(S300)。图2A和2B还示出了钝化层中的各种开口，其示出了下面的金属触点106A、106B。金属触点可以形成为下面的CMOS ASIC 104的上表面的一部分。或者，金属触点106A、106B可以形成为步骤S300之前的初始步骤。如图2B的横截面更清楚地示出，钝化层110包括开口130A和130B，它们与金属触点106A和106B对齐，金属触点106A和106B是加热元件118和温度计120的触点，如下将更详细地解释。

在结合图2A和2B描述的步骤的替代方案中，钝化层110可以形成为CMOS ASIC 104的制造工艺的一部分，因此代表CMOS ASIC基板的上层。

图2C和2D显示了制造过程的下一步。这里，热绝缘层112通过旋涂沉积在钝化层110上(S301)。隔热层112为具有特定导热系数的有机高分子材料，用以防止加热器产生的热量直接散逸至下方的硅基板中。然后以光刻方式图案化热绝缘层112以形成向下通向金属触点106A、106B的开口，例如，形成如图2D所示的开口132A和132B。热绝缘层112在特定温度下固化以提供物理坚固性和所需的特定导热参数(S302)。如上所述，热绝缘层112可以作为单层或以多个步骤沉积。

在制造工艺的下一阶段，如图2E和2F所示，提供金属通孔114A、114B以填充开口132A、132B。这部分制造过程的第一步是沉积薄膜种子层，例如可以是钛钨(TiW)或金(Au)。然后可以以所需图案在抗蚀剂层中覆盖该层，然后根据抗蚀剂层对种子层进行光刻图案化以产生图2E和2F中所示的图案。这如图3中的步骤S303所示。然后将金属材料电镀到通孔中，并去除抗蚀剂和种子层，在热绝缘层112中留下通孔开口132A、132B，填充或部分填充金属材料(S304)。如图2F所示，在热绝缘层的开口中形成金属通孔114A和114B。

制造过程的下一阶段可以可选地包括提供平坦化和钝化层。虽然图中未示出，但可以在热绝缘层112上方提供合适材料(聚合物或其他合适材料)的平坦化层。平坦化层可用于产生均匀层，薄膜加热器和温度计图案化到该均匀层上。如果提供，平面化层可以被图案化以产生通向金属通孔114A和114B的开口。钝化层可以沉积在平坦化层的顶部(S305)。

制造过程的下一阶段是在热绝缘层112(或钝化层，如果在适当的位置)上沉积金属层116以形成薄膜加热器和温度计。这可以通过形成金属堆叠而不是单层材料来完成。例如，这可能涉及第一层钛钨(TiW)或钌(Ru)的沉积。这之后可以是金(Au)或铂(Pt)之一。加热器和温度计的金属选择将基于材料所需的电阻热系数，以提供可测量的电阻温度变化和施加电流的温度变化。必须选择加热器材料以防止在用于加热的大电流下电迁移。温度计材料暴露在较低的激励电流下，但在设备运行期间必须具有参数稳定的电阻率，以便保持温度计的校准。如果单一材料满足这两个要求，则可以使用它。否则，加热器和温度计可以使用不同的材料。其中一个例子可能是材料的三明治。

用于为加热器和温度计选择合适材料的参数之一是电阻温度系数(TCR)。这是每摄氏度温度变化的电阻变化分数的量度。表1列出了一些可能使用的材料及其TCR值。

表1:

材料	TCR(每度电阻的分数变化)
		TiW	0.0003
TiN	0.0004
		Au	0.0037
Ti	0.0038
		Pt	0.0039
Ru	0.0041
		Mo	0.00435
W	0.0045
		Ni	0.0064

薄膜金属沉积物可以被光刻图案化以产生加热器和温度计结构。例如，在图2G和2H中示出了加热器118和温度计120。可以看出，加热器118和温度计120在形状上是半圆形并且通过在任一端的轨道耦合到通孔114A、114B、114C和114D。温度计120和加热器118的半圆形活性区域一起形成圆形形状，该圆形形状将位于热板124下方。该过程在图3的步骤306中示出。这些形状被示出为非限制性示例，纯粹是为了让技术人员了解整体热平台设计。

在该实施例中，加热器118和温度计120被示为单独的元件。或者，它们可以形成为相同结构的一部分。如果形成为相同结构的一部分，则加热器和温度计使用相同的材料。如果由分开的元件形成，则加热器和温度计可以由相同的材料形成，或者可以使用替代材料。

图2I和2J显示了制造过程的下一步。导热钝化层122沉积在加热器118和温度计120上。在图2I中，加热器118和温度计120结构将不可见，但是以轮廓示出以帮助读者。上钝化层122在图2I和2J中示出。该过程步骤如图3的步骤S307所示。

该工艺的最后步骤在图2K和2L中示出，其中热板124形成在钝化层122的顶部上。热板124可以通过沉积、蒸发或电镀形成。在该示例中，热板124是圆形的并且与半圆形加热器118和温度计120结构对齐。应当理解，可以使用其他形状，并且反应板的设计可以部分取决于加热器和温度计的形状。这在图3的步骤S308中示出。

图4显示了加热器和温度计结构的替代设计。图4示出了加热器和温度计结构400。该结构包括由同轴圆形温度计404围绕的圆形中央加热器402。同样，提供该形状仅作为说明性示例。加热器和温度计都通过一对轨道406A至406D连接到一对传导垫408A至408D。在该示例中，为了便于将加热器连接到温度计外围之外的焊盘，在温度计中形成间隙410A和410B。

应当理解，多种其他形状可用于加热器和温度计布置。例如，加热器和温度计中的每一个可以遵循曲折布置以使得能够增加或减少结构的长度(取决于曲折的程度)以改变它们的电阻。例如，加热器和温度计可以遵循蜿蜒曲折的形状。然而，此处描述和示出的形状仅作为说明性示例提供，并且与形成此处示出和描述的叠层的一部分的材料或工艺的创新方面无关。

在本公开的一个实施例中，热平台和ASIC基板是单片集成的。在现有技术示例中，通常将热平台生产为处理电路的单独部件。通过将热平台和ASIC生产为单片电路，可以生产提供热平台和集成处理能力的单个封装。

应用

如本领域已知的，上述热平台可用于多种应用中。下面提供了一些基于化学反应的应用，仅作为该技术的应用示例。

图5显示了一般化学反应的温度控制过程的流程图。当反应位点的温度(Trs)在反应温度和受控的耐受温度范围之间时，发生化学反应(S500)。温度计测量反应位点温度(Trs)，如上文结合热平台和ASIC基板(S501)所描述的。如果Trs太高，则不打开加热器，反应位点冷却(S502)。根据一些实施例，这可以通过自然冷却来实现，或者使用主动冷却器将Trs降低至Tlow。如果Trs太低，则打开加热器，加热反应位点(S503)。反应位点Trs应控制在容许温度范围(Ttol)内。

图6是更详细的流程图，显示了在特定化学过程中所采取的步骤，其中分子R1附着在反应板表面，反应发生在反应板表面附近。作为第一步，R1被引入流体反应室(S600)。反应板的表面覆盖有一层涂层，可以选择性地附着分子R1。此类涂层的示例包括自组装单层(SAM)，例如金属上的硫醇、硅基电介质上的硅烷。硫醇(R-S-H)的实例包括烷硫醇、PEG-硫醇。硅烷的例子包括APTMS(3-氨基丙基三甲氧基硅烷)、APTES((3-氨基丙基)三乙氧基硅烷)。SAM设计中使用的接头的例子包括烷烃、PEG、对苯二异硫氰酸酯(PDTIC)。

R1分子扩散到反应板(电极)表面，在那里它们粘附在反应板表面上。可选地，可以使用洗涤步骤去除未结合的R1分子。最初，Trs等于环境怠速温度(S601)。用户(或自动化过程)指示将发生新反应(S602)并设置反应位点温度(T_reaction)(S603)。温度计测量Trs(S604)。如果Trs太低(S605)，则加热器被打开(S606)。如果Trs太高(S607)，则关闭加热器(S608)。热位点自然冷却，或使用主动冷却。该过程继续将热位点保持在反应温度。

建立反应温度后，将第二分子R2引入腔室(S609)，任选地使用催化剂C。R1与R2反应，在催化剂(如果存在)的帮助下，同时温度保持在反应温度(S610)。当反应发生时，形成包括P1和P2的产物(S611)：

这在催化剂存在下发生得更快。P1和P2形成并附着在反应板的表面。该过程可以是迭代的，并且可以根据需要引入更多的分子。一旦反应完成，热位点返回到空闲温度T_idle(S612)。

在一个实施例中，反应可以是聚合的；即添加步骤重复多次以构成聚合物。聚合物的例子包括有机聚合物和蛋白质组装体(氨基酸的聚合物)。

在上述化学过程的替代方案中，R1可以保持悬浮在反应位点上方，并且反应可以在热板上方的体积中发生。在这种情况下，R1在反应室中的某个浓度下达到平衡。例如，与R2的反应仅发生在反应位点上方。在该区域之外，R1和R2混合而不发生反应。

液相化学反应的例子包括：

·聚合酶链式反应(PCR)；

·热辅助水解和甲基化；

·以及其他热启动反应。

气相化学反应的例子包括：

·气相反应。

进一步的例子

图7A和7B示出了根据本公开示例的热平台700的另一个示例。这些示例显示了多层热绝缘层。将注意到，这些示例的许多特征与图1A中的特征相同。图7A和7B示出了微制造热平台700的横截面。在该示例中，热平台700包括单个单位单元或热位点，如通常由附图标记702表示的。热平台包括基板704，其例如可以是硅晶片。基板704可以包括形成在基板的上表面中的金属触点706A、706B。这些触点用于在热平台的组件之间建立电连接，并与基板中的任何迹线或电路进行电连接。在图1的示例中，示出了轨迹708。

在基板704上方形成钝化层710。钝化层710具有与金属触点706A、706B对齐的开口。

在图7A中，热绝缘材料层包括可由有机聚合物形成的两个子层712A和712B。导电通孔714A和714B可以形成在热绝缘层子层712A中，与金属触点706A、706B对齐。然后使用金属轨道706C和706D形成再分布层。然后在这些轨道上形成子层712B。然后在子层712B中形成另外的通孔714C和714D，以使得能够与朝向平台700的上表面形成的元件进行电连接。

图7B显示了一个三层替代方案。这里，示出了附加子层712C、轨道706E、706F以及通孔714E和714F。热平台700还具有金属层716，其形成在绝热子层712A至712C的顶表面上方。金属层716被图案化以形成加热元件718和温度计或温度传感器720。

热平台700还包括另外的钝化层722，其形成在金属层716的顶部和热绝缘层712的上表面之上。在钝化层722上方形成热板724，其可以是可以在其上执行化学工艺的反应板。

使用多个子层有多种好处。例如，加工可能更容易，因为各个层更薄且更容易沉积。此外，使用多个子层可以重新分布金属轨道，如图所示。这意味着加热器和金属层716的位置和设计可以与金属触点706A、706B的位置和设计分离。从图7A和7B中可以看出，金属触点706A、706B不必与金属层716对齐。这允许更大的设计自由度。此外，第一子层用作平坦化层(除了钝化层710之外或代替钝化层710)。随着更多子层的加入，这可以提供额外的平面化，提高器件的整体完整性。与较厚的层相比，较薄的子层的厚度变化较小(即较薄层的厚度更易于控制)，因此使用多个较薄层会导致设计更加平面化。

每个子层可以具有5μm和50μm之间的厚度。在图7A中，层712A约为5μm，层712B约为20μm。厚度的比率可以是1:1，或者可以在1:5到1:1的范围内(层712A:712B或712B:712A)。在图7B中，层712A约为5μm，层712B约为10μm，层712C约为10μm。各层的厚度比可为1:1:1(712A:712B:712C)，或在1:5:5至1:1:1的范围内。

Claims

1.一种用于控制位于热平台上方的流体或其他材料的温度的微加工热平台，该平台包括多个微加工层，该平台包括：

热绝缘层，由有机聚合物形成，具有预定义的导热性，所述热绝缘层被配置为在位于所述热平台上方的流体或其他材料与位于所述热平台下方的基板之间提供热绝缘；

导电层，形成在所述热绝缘层的上表面上或其附近，该导电层被图案化以限定至少一个加热元件；

在所述热绝缘层中形成的一个或多个导电通孔，该通孔与所述导电层电耦合；

电绝缘层，形成在所述导电层上；和

至少一个热板，形成在所述电绝缘层上；

其中，所述至少一个加热元件和所述至少一个热板限定这样的热位置，其中位于所述热平台上方的流体或其他材料的温度可以在该热位置上进行控制。

2.权利要求1所述的平台，其中所述热绝缘层的导热系数为0.1W/mK至1W/mK。

3.权利要求1或2所述的平台，其中热绝缘材料的厚度在10μm和50μm之间。

4.权利要求3所述的平台，其中所述热绝缘材料的厚度在20μm和30μm之间。

5.权利要求1、2、3或4所述的平台，其中所述热绝缘层是聚酰亚胺或SU8。

6.任一前述权利要求所述的平台，其中所述一个或多个导电通孔从所述热绝缘层的上表面延伸到下表面。

7.任一前述权利要求所述的平台，其中所述热绝缘层包括两个或多个子层。

8.权利要求7所述的平台，还包括形成在所述两个或多个子层之间的至少一个金属再分布层。

9.权利要求8所述的平台，其中每个子层包括一个或多个导电通孔，两个相邻子层的通孔使用所述至少一个金属再分布层相互偏移和耦合。

10.权利要求9所述的平台，其中所述两个或多个子层的下部子层中的一个或多个通孔通过上部子层的一个或多个通孔与所述导电层之间的连接偏移。

11.任一前述权利要求所述的平台，其中所述导电层被图案化以进一步限定至少一个轨道，每个轨道从所述加热元件延伸到与所述一个或多个通孔对齐的位置。

12.任一前述权利要求所述的平台，其中所述导电层被图案化以进一步限定一个或多个温度计。

13.权利要求12所述的平台，其中所述导电层被图案化以进一步限定至少一个轨道，该轨道从所述温度计延伸到与所述一个或多个通孔对齐的位置。

14.任一前述权利要求所述的平台，其中所述导电层为金属层。

15.任一前述权利要求所述的平台，其中所述电绝缘层是厚度小于或等于2μm的钝化层。

16.权利要求15所述的平台，其中所述电绝缘层是氮化硅、二氧化硅和氧化铝中的一种。

17.任一前述权利要求所述的平台，其中所述热板的厚度小于2μm。

18.任一前述权利要求所述的平台，其中所述热板基本上与所述加热元件重叠。

19.任一前述权利要求所述的平台，其中所述热板是金属板，可选地由金或铂制成。

20.任一前述权利要求所述的平台，还包括：基板，位于所述热绝缘层下方并与所述热绝缘层整体集成。

21.任一前述权利要求所述的平台，其中所述平台的总厚度为10μm至55μm，并且可选地，所述总厚度为20μm至40μm。

22.一种制造热平台的方法，包括：

沉积有机聚合物以形成具有预定的热导率的热绝缘层；

在所述热绝缘层中形成一个或多个导电通孔；

将导电层沉积在所述热绝缘层的上表面上或其附近，使得所述导电层电耦合到所述一个或多个通孔；

对所述导电层进行图案化以限定至少一个加热元件；

在所述导电层上形成电绝缘层；和

在所述电绝缘层上沉积至少一个热板。

23.根据权利要求22所述的方法，其中沉积导电层的步骤是电镀薄膜金属层的步骤，并且所述图案化导电层的步骤是光刻图案化该层以限定所述加热元件的步骤。

24.根据权利要求23所述的方法，其中光刻图案化至少一个加热器的步骤还包括限定至少一个温度计。

25.根据权利要求22至24中任一权利要求所述的方法，其中沉积有机聚合物的步骤是旋涂步骤。

26.根据权利要求22至25中任一权利要求所述的方法，其中所述有机聚合物沉积为多个子层。

27.一种微加工热平台，包括一个或多个热位置，被配置为控制所述一个或多个热位置处的流体或其他材料的温度，所述热平台包括使用微加工技术形成的多个层，以及包括具有预定热导率的有机聚合物层，所述一个或多个热位置中的每一个包括加热元件以加热所述流体或其他材料，以及热板。