CN118007129A - 一种单片式电阻可调微型加热薄膜结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单片式电阻可调微型加热薄膜结构及其制备方法。本发明包括自下而上依次设置的衬底、钝化层和加热线层，其中，所述加热线层形成两条长度不同的独立回路，以提供不同阻值，在制备时，包括提供衬底；在所述衬底表面使用PECVD工艺沉积一层钝化光刻层；在所述钝化光刻层上均匀涂覆光刻胶，并进行光刻和显影，把光刻版上的图形转移到所述钝化光刻层上；采用磁控溅射的方式依次完成Ti、Pt和Au的金属层沉积，或Ti、Au的金属层沉积；使用超声清洗的方式对线间距内的金属进行剥离，形成单层结构的加热线层；使用退火设备，对剥离后的微型加热薄膜进行快速退火处理。本发明能够方便快速调节阻值以适用不同场景，降低了制备成本，减少研发周期。
Description
技术领域
本发明涉及加热薄膜技术领域，尤其是指一种单片式电阻可调微型(微纳)加热薄膜结构及其制备方法。
背景技术
微型加热薄膜具有体积小，重量轻，受热均匀，响应时间快，电绝缘性好等优点，在国防军事、汽车工业、半导体激光器封装、环境科学、空间科学、信息技术等众多领域都有广泛的应用。
现阶段使用的微型加热薄膜多以氧化硅片或者陶瓷片为基底，微型加热薄膜的电阻阻值是其核心的技术指标，现有的微型加热薄膜技术多采用高精度的光刻技术与纳米级精度的金属沉积工艺，制备微纳金属丝，实现对加热电阻阻值的精准控制。然而由于微型加热薄膜对器件电阻阻值以及器件可靠性要求极高，制备工艺过程精度要求高且复杂，导致其研发的难度大，周期长。所需电阻阻值很难通过一次工艺实现完全达标，需要通过不断调整加热线布局、金属沉积厚度等改变阻值大小。并且，就算可以一次工艺达标，单片所产出的所有微型加热薄膜阻值极其固定，适用的场景非常单一，导致可能会影响接下来的实验进程。
随着科学技术的不断发展，追求时间成本以及材料成本的降低早已成为研究热点，由于现阶段微型加热薄膜高度定制化的特点，且由于微型加热薄膜使用的Ti-Pt-Au纯度极高，靶材价格昂贵，因此，亟需提供一种能够降低成本，又能够方便快速调节阻值，且适用不同场景的微型加热薄膜。
发明内容
为此，本发明提供一种单片式电阻可调微型加热薄膜结构及其制备方法，能够方便快速调节阻值以适用不同场景，并能够降低制备成本，减少研发周期。
为解决上述技术问题，本发明提供一种单片式电阻可调微型加热薄膜结构，包括自下而上依次设置的衬底、钝化层和加热线层，其中，所述加热线层形成两条长度不同的独立回路，以提供不同阻值。
在本发明的一种实施方式中，所述两条长度不同的独立回路包括第一回路和第二回路，所述第一回路包括第一横向段以及沿所述第一横向段两端向同一方向延伸的第一纵向段，所述第一横向段和所述第一纵向段各自包括两条平行的第一加热线，其中一条所述第一纵向段包括供连接焊盘的两个第一连接端；
所述第二回路包括第二横向段以及沿所述第二横向段两端向同一方向延伸的第二纵向段，所述第二横向段与所述第二纵向段对应设置于所述第一横向段外侧与所述第一纵向段外侧，且各自的长度对应短于所述第一横向段与所述第一纵向段，所述第二横向段和所述第二纵向段各自包括两条平行的第二加热线，其中一条所述第二纵向段包括供连接焊盘的两个第二连接端。
在本发明的一种实施方式中，所述第一加热线和/或所述第二加热线的线宽为80μm。
在本发明的一种实施方式中，两条平行的第一加热线和/或两条平行的第二加热线的线间距为80μm。
在本发明的一种实施方式中，所述第一回路和所述第二回路的垂直拐角处设置有22°圆角。
在本发明的一种实施方式中，所述加热线层为单层结构，包括自下而上依次设置的Ti金属层、Pt金属层和Au金属层；或者为自下而上依次设置的Ti金属层、Au金属层。
在本发明的一种实施方式中，所述加热线层为双层结构，包括自下而上依次设置的第一金属体系层、二氧化硅层和第二金属体系层；所述第一金属体系层包括自下而上依次设置的Ti金属层和Pt金属层，或为Ti金属层和Au金属层；所述第二金属体系层包括自下而上依次设置的Ti金属层、Pt金属层和Au金属层，或为Ti金属层和Au金属层。
在本发明的一种实施方式中，所述衬底为氧化硅片，所述衬底背面设置有氧化层，所述氧化层和所述钝化层的材质均为SiO2。
本发明还提供一种单片式电阻可调微型加热薄膜结构的制备方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底表面使用PECVD工艺沉积一层钝化光刻层；
在所述钝化光刻层上均匀涂覆光刻胶，并进行光刻和显影，把光刻版上的图形转移到所述钝化光刻层上；
采用磁控溅射的方式依次完成Ti、Pt和Au的金属层沉积，或Ti、Au的金属层沉积；
使用超声清洗的方式对线间距内的金属进行剥离，形成单层结构的加热线层；
使用退火设备，对剥离后的微型加热薄膜进行快速退火处理。
本发明还提供一种单片式电阻可调微型加热薄膜结构的制备方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底表面使用PECVD工艺沉积一层钝化光刻层；
在所述钝化光刻层上均匀涂覆光刻胶，并进行光刻和显影，把光刻版上的第一层图形转移到所述钝化光刻层上；
采用磁控溅射的方式依次完成Ti、Pt的金属层沉积，或Ti、Au的金属层沉积；
使用超声清洗的方式对线间距内的金属进行剥离，形成第一金属体系层；
使用PECVD工艺在第一金属体系层上淀积一层绝缘光刻层；
在所述绝缘光刻层上均匀涂覆光刻胶，并在所述绝缘光刻层上开窗口，使之连通所述第一金属体系层，进行光刻和显影，把光刻版上的第二层图形转移到所述绝缘光刻层上；
采用磁控溅射的方式依次完成Ti、Pt和Au的金属层沉积，或Ti、Au的金属层沉积；
使用超声清洗的方式对线间距内的金属进行剥离，形成第二金属体系层；
使用退火设备，对剥离后的微型加热薄膜进行快速退火处理。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的一种单片式电阻可调微型加热薄膜结构及其制备方法，能够方便快速调节阻值以适用不同场景，并能够降低制备成本，减少研发周期。
本发明通过包含不同长度的两条独立加热线回路，使得可以通过串联或并联的方式轻松调整阻值大小，从而提供更多灵活性，以适应不同加热需求。由于阻值可以精确调节，因此可以更精确地控制加热薄膜的温度，满足特定应用场景下对温度的精确要求。微型加热薄膜结构留有中间区域可用于封装其他元器件，提高了器件的集成度和性价比；可以根据不同的耐温和电阻要求选择多种金属层材料组合，如Ti/Pt/Au或Ti/Au，为设计提供了更多的灵活性。
本发明选择80μm的线宽和线间距的选择不仅便于制备工艺，保持走线完整性，而且还能在较小的金属沉积厚度下达到理想的电阻值，降低了加工成本。
本发明在回路的拐角处的22°圆角处理可以降低电流损耗和减少走线断裂的风险，增强了微型加热薄膜结构的耐用性。采用双层走线结构的设计，能够有效抵消电流产生的磁场，防止对其他敏感器件产生磁干扰。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明单片式电阻可调微型加热薄膜结构(单层结构加热线层)示意图。
图2是本发明单片式电阻可调微型加热薄膜结构(双层结构加热线层)示意图。
图3是本发明加热线层的(第一回路)结构示意图。
图4是本发明加热线层的(第二回路)结构示意图。
图5是本发明加热线层中第一、第二回路串联的结构示意图。
图6是本发明加热线层中第一、第二回路并联的结构示意图。
说明书附图标记说明：
1、衬底；
2、钝化层；
3、加热线层；31、第一金属体系层；32、二氧化硅层；33、第二金属体系层；
4、第一回路；41、第一横向段；42、第一纵向段；43、第一加热线；44、第一连接端；
5、第二回路；51、第二横向段；52、第二纵向段；53、第二加热线；54、第二连接端；
6、氧化层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
实施例一
参照图1所示，一种单片式电阻可调微型加热薄膜结构，包括自下而上依次设置的衬底1、钝化层2和加热线层3，其中，所述加热线层3形成两条长度不同的独立回路，以提供不同阻值。
具体地，参照图2、图3所示，所述两条长度不同的独立回路包括第一回路4和第二回路5，所述第一回路4包括第一横向段41以及沿所述第一横向段41两端向同一方向延伸的第一纵向段42，所述第一横向段41和所述第一纵向段42各自包括两条平行的第一加热线43，其中一条所述第一纵向段42包括供连接焊盘的两个第一连接端44；
所述第二回路5包括第二横向段51以及沿所述第二横向段51两端向同一方向延伸的第二纵向段52，所述第二横向段51与所述第二纵向段52对应设置于所述第一横向段41外侧与所述第一纵向段42外侧，且各自的长度对应短于所述第一横向段41与所述第一纵向段42，所述第二横向段51和所述第二纵向段52各自包括两条平行的第二加热线53，其中一条所述第二纵向段52包括供连接焊盘的两个第二连接端54。
通过上述设置，参照图5、图6所示，可通过将第一回路4和第二回路5进行串联或并联的方式以增加或减小阻值的结构。
由于存在两种独立的回路，且每条回路长度不同，根据公式：
可知，在所生长的金属电阻率ρ相同，横截面积S相同的情况下，由于长度L的不同可以提供两种不同阻值R的加热膜，分别为R长和R短。
两条独立的回路可以通过焊盘进行串联，串联后可以形成阻值更大的加热膜结构，即R总＝R长+R短。
同理，两条独立的回路可以通过焊盘进行并联，并联后可以形成阻值更小的加热膜结构，即：
具体地，本实施例的微型加热薄膜结构中，所述第一加热线43和/或所述第二加热线53的线宽为80μm；两条平行的第一加热线43和/或两条平行的第二加热线53的线间距为80μm。本实施例通过计算和大量实验得出，80um线宽能使金属沉积厚度在不超过1000nm的范围内使电阻阻值达到100Ω以下；而线间距和线宽保持相同，则更便于制备工艺，保证走线的完整性。
具体地，本实施例的所述第一回路4和所述第二回路5的垂直拐角处设置有22°圆角。拐角处做22°弧形走线处理。22°弧形走线可以降低拐角处的电流损耗，且相较于直角走线的尖锐和45°走线的大弧度，22°弧形走线在制备工艺过程和使用过程中更不容易断裂。
微型加热薄膜结构中间区域留白，由于微型加热薄膜易于同其它微电子器件集成的优点，可以根据需要封装其他元器件。
本实施例中，参照图1所示，所述加热线层3为单层结构，包括自下而上依次设置的Ti金属层、Pt金属层和Au金属层；或者为自下而上依次设置的Ti金属层、Au金属层。使用单层加热线的方式制备微型(微纳)加热薄膜，其制备工艺相对简单，电阻阻值调整容易。
在其他实施例中，参照图2所示，所述加热线层3为双层结构，包括自下而上依次设置的第一金属体系层31、二氧化硅层32和第二金属体系层33；所述第一金属体系层31包括自下而上依次设置的Ti金属层和Pt金属层，或为Ti金属层和Au金属层；所述第二金属体系层33包括自下而上依次设置的Ti金属层、Pt金属层和Au金属层，或为Ti金属层和Au金属层。使用双层加热线结构，同样可以达到电阻可调节的目的，同时，由于是双层走线，电流可以相互抵消，能够达到无磁的效果。二氧化硅层32提高了加热薄膜的绝缘性能，确保电路在高温下仍具有良好的电气性能。
具体地，所述衬底1为氧化硅片，所述衬底1背面设置有氧化层6，所述氧化层6和所述钝化层2的材质均为SiO2。
该单片式电阻可调微型加热薄膜结构改变了现有微型加热薄膜的单一布局，可根据需要进行单独使用、串联使用或并联使用，以达到多种阻值可以选择的目的。
实施例二
参照图1所示，本实施例提供一种单片式电阻可调微型加热薄膜结构的制备方法，包括：
步骤S1、提供衬底1；本实施例采用280um的氧化硅片作为衬底1，相较于陶瓷基底，氧化硅基底更易于切割后保证图形的完整性；
步骤S2、在所述衬底1表面使用PECVD工艺沉积一层钝化光刻层；该钝化光刻层为1000nm厚的SiO2钝化层；用以提高加热膜的绝缘性能。
步骤S3、在所述钝化光刻层上均匀涂覆光刻胶，并进行光刻和显影，把光刻版上的图形转移到所述钝化光刻层上；
步骤S4、采用磁控溅射的方式依次完成Ti、Pt和Au的金属层沉积(对阻值要求较大时)，或Ti、Au的金属层沉积(对阻值要求较小时)；
步骤S5、使用超声清洗的方式对线间距内的金属进行剥离，形成单层结构的加热线层3；
步骤S6、使用退火设备，对剥离后的微型加热薄膜进行快速退火处理，以提高其性能。
实施例三
参照图2所示，本实施例提供一种单片式电阻可调微型加热薄膜结构的制备方法，包括：
步骤S1、提供衬底1；本实施例采用280um的氧化硅片作为衬底1；
步骤S2、在所述衬底1表面使用PECVD工艺沉积一层钝化光刻层；该钝化光刻层为1000nm厚的SiO2钝化层；用以提高加热膜的绝缘性能；
步骤S3、在所述钝化光刻层上均匀涂覆光刻胶，并进行光刻和显影，把光刻版上的第一层图形转移到所述钝化光刻层上；
步骤S4、采用磁控溅射的方式依次完成Ti、Pt的金属层沉积(对阻值要求较大时)，或Ti、Au的金属层沉积(对阻值要求较小时)；
步骤S5、使用超声清洗的方式对线间距内的金属进行剥离，形成第一金属体系层31；
步骤S6、使用PECVD工艺在第一金属体系层31上淀积一层绝缘光刻层；该绝缘光刻层为500nm厚的SiO2，能够防止上下两层接触短路；
步骤S7、在所述绝缘光刻层上均匀涂覆光刻胶，并在所述绝缘光刻层上开窗口，使之连通所述第一金属体系层31，进行光刻和显影，把光刻版上的第二层图形转移到所述绝缘光刻层上；
步骤S8、采用磁控溅射的方式依次完成Ti、Pt和Au的金属层沉积，或Ti、Au的金属层沉积；
步骤S9、使用超声清洗的方式对线间距内的金属进行剥离，形成第二金属体系层33；
步骤S10、使用退火设备，对剥离后的微型加热薄膜进行快速退火处理，以提高其性能。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种单片式电阻可调微型加热薄膜结构，其特征在于，包括自下而上依次设置的衬底、钝化层和加热线层，其中，所述加热线层形成两条长度不同的独立回路，以提供不同阻值。
2.根据权利要求1所述的一种单片式电阻可调微型加热薄膜结构，其特征在于，所述两条长度不同的独立回路包括第一回路和第二回路，所述第一回路包括第一横向段以及沿所述第一横向段两端向同一方向延伸的第一纵向段，所述第一横向段和所述第一纵向段各自包括两条平行的第一加热线，其中一条所述第一纵向段包括供连接焊盘的两个第一连接端；
所述第二回路包括第二横向段以及沿所述第二横向段两端向同一方向延伸的第二纵向段，所述第二横向段与所述第二纵向段对应设置于所述第一横向段外侧与所述第一纵向段外侧，且各自的长度对应短于所述第一横向段与所述第一纵向段，所述第二横向段和所述第二纵向段各自包括两条平行的第二加热线，其中一条所述第二纵向段包括供连接焊盘的两个第二连接端。
3.根据权利要求2所述的一种单片式电阻可调微型加热薄膜结构，其特征在于，所述第一加热线和/或所述第二加热线的线宽为80μm。
4.根据权利要求2或3所述的一种单片式电阻可调微型加热薄膜结构，其特征在于，两条平行的第一加热线和/或两条平行的第二加热线的线间距为80μm。
5.根据权利要求2所述的一种单片式电阻可调微型加热薄膜结构，其特征在于，所述第一回路和所述第二回路的垂直拐角处设置有22˚圆角。
6.根据权利要求1所述的一种单片式电阻可调微型加热薄膜结构，其特征在于，所述加热线层为单层结构，包括自下而上依次设置的Ti金属层、Pt金属层和Au金属层；或者为自下而上依次设置的Ti金属层、Au金属层。
7.根据权利要求1所述的一种单片式电阻可调微型加热薄膜结构，其特征在于，所述加热线层为双层结构，包括自下而上依次设置的第一金属体系层、二氧化硅层和第二金属体系层；所述第一金属体系层包括自下而上依次设置的Ti金属层和Pt金属层，或为Ti金属层和Au金属层；所述第二金属体系层包括自下而上依次设置的Ti金属层、Pt金属层和Au金属层，或为Ti金属层和Au金属层。
8.根据权利要求1所述的一种单片式电阻可调微型加热薄膜结构，其特征在于，所述衬底为氧化硅片，所述衬底背面设置有氧化层，所述氧化层和所述钝化层的材质均为SiO2。
9.一种单片式电阻可调微型加热薄膜结构的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底表面使用PECVD工艺沉积一层钝化光刻层；
在所述钝化光刻层上均匀涂覆光刻胶，并进行光刻和显影，把光刻版上的图形转移到所述钝化光刻层上；
采用磁控溅射的方式依次完成Ti、Pt和Au的金属层沉积，或Ti、Au的金属层沉积；
使用超声清洗的方式对线间距内的金属进行剥离，形成单层结构的加热线层；
使用退火设备，对剥离后的微型加热薄膜进行快速退火处理。
10.一种单片式电阻可调微型加热薄膜结构的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底表面使用PECVD工艺沉积一层钝化光刻层；
在所述钝化光刻层上均匀涂覆光刻胶，并进行光刻和显影，把光刻版上的第一层图形转移到所述钝化光刻层上；
采用磁控溅射的方式依次完成Ti、Pt的金属层沉积，或Ti、Au的金属层沉积；
使用超声清洗的方式对线间距内的金属进行剥离，形成第一金属体系层；
使用PECVD工艺在第一金属体系层上淀积一层绝缘光刻层；
在所述绝缘光刻层上均匀涂覆光刻胶，并在所述绝缘光刻层上开窗口，使之连通所述第一金属体系层，进行光刻和显影，把光刻版上的第二层图形转移到所述绝缘光刻层上；
采用磁控溅射的方式依次完成Ti、Pt和Au的金属层沉积，或Ti、Au的金属层沉积；
使用超声清洗的方式对线间距内的金属进行剥离，形成第二金属体系层；
使用退火设备，对剥离后的微型加热薄膜进行快速退火处理。
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