復合結構的MEMS微加熱芯片及其制造方法與應用技術

本發明專利技術公開了一種復合結構的MEMS微加熱芯片及其制造方法。所述MEMS微加熱芯片包括支撐框架以及懸空設置于支撐框架中的復合薄膜，所述復合薄膜包括沿設定方向依次設置的下絕緣層、隔熱層、加熱電極層、中絕緣層、導熱層、測試電極層以及上絕緣層，下絕緣層用以將加熱電極層與支撐框架電學隔離，隔熱層用以將加熱電極層與支撐框架熱隔離，中絕緣層用以將加熱電極層與測試電極層電學隔離，上絕緣層用以將測試電極層與支撐框架電學隔離。本發明專利技術的微加熱芯片具有良好熱穩定性，以聚合物作為隔熱層，可提高熱學靈敏度。同時，采用加熱電極層和測試電極層鍵合工藝，可有效避免在單面制備工藝過程中由于薄膜本身應力造成的器件失效，提高器件良率。

Composite structure MEMS micro heating chip and manufacturing method and application thereof

The invention discloses a composite structure MEMS micro heating chip and a manufacturing method thereof. The MEMS micro heater chip comprises a supporting frame and suspension composite film is arranged on the supporting frame, the composite film includes sequentially along a predetermined direction under the insulating layer, insulating layer, heating electrode layer, an insulating layer, a heat conducting layer, the test electrode layer and insulating layer, insulating layer is used to heating the electrode layer and the support frame of electrical isolation, heat insulation layer for heating electrode layer and the support frame of thermal isolation, insulation layer is used to test the heating electrode layer and the electrode layer electrical isolation, the insulating layer is used to test the electrode layer and the support frame of electrical isolation. The micro heating chip of the invention has good thermal stability, and the polymer can be used as an insulating layer to improve thermal sensitivity. At the same time, the heating electrode layer and the test electrode layer bonding process can effectively avoid the failure of the device due to the stress of the film in the single preparation process, and improve the yield of the device.

【技術實現步驟摘要】
復合結構的MEMS微加熱芯片及其制造方法與應用
本專利技術涉及一種MEMS微加熱芯片及其制造方法，特別涉及一種復合結構的多層薄膜微加熱芯片及其制造方法與應用，屬于半導體微納加工

技術介紹
微加熱芯片具有體積小、加熱功率低、響應時間快、熱量損耗小、與半導體工藝兼容、易于集成等方面的優點，從而成為微加熱傳感器中的重要部件，引起國內外的廣泛研究，尤其是微型化的微加熱芯片，目前廣泛應用于氣敏傳感器、氣體流量計、微熱量計、紅外光源等領域，具有很大的發展潛力。傳統的加熱芯片的制備方法主要是直接在陶瓷坯料上印刷電阻漿料后，在一定的高溫下烘燒，然后再經電極、引線處理后，制備出加熱元件。雖然陶瓷加熱基片可以在電子保溫瓶、保溫柜、電熱炊具等方面有較多的應用，但是其本身制備工藝帶來的功耗高、體積大、加熱效率低、不易集成等缺點卻難以適應現代化電子器件的發展趨勢。因此，近些年來，利用半導體加工技術，尤其是微機電系統加工技術(Micro-Electro-MechanicalSystem，簡稱MEMS)的迅速發展，對于制備微型化、低功耗和集成化程度高的傳感器件起到了至關重要的作用。微機電系統加工技術主要利用半導體技術中的薄膜沉積、摻雜、刻蝕、濺射等工藝，結合MEMS獨特的外延、電鑄、剝離等工藝，來形成具有一定立體微結構的微型器件。目前利用微機電系統加工技術制備微加熱芯片主要有兩種方式，一種微加熱芯片的制備方法，例如公布號為CN104541161A，專利技術名稱為《微熱板器件及包括此類微熱板器件的傳感器》的專利，是在單晶硅襯底直接生長具有一定厚度的氧化硅、氮化硅復合薄膜，然后通過濺射、刻蝕等工藝，在復合薄膜上形成具有一定形狀的加熱電極和測試電極層，最后通過背面刻蝕的技術來形成一定的懸空結構。另一類微加熱芯片的制備方法，例如公布號為CN104176699A，專利技術名稱為《一種具有絕熱溝槽的MEMS硅基微熱板及其加工方法》的專利，是利用絕熱溝槽的方式來進行熱量的隔離，通過薄膜生長的方式形成一定的絕緣層和隔熱層，然后經過濺射、剝離、刻蝕的方式來形成加熱電極和測試電極層，然后從正面進行刻蝕形成一定的絕熱槽結構。上述兩種主要類型的基于MEMS加工技術的微加熱芯片雖然在一定程度上解決了傳統微加熱器件體積大、功耗高的缺陷，但由于在加工過程中，主要還是采用了單面薄膜復合的方式來實現隔熱層、絕緣層、加熱電極層、測試電極層的制備，因此會由于薄膜層次太多，容易產生應力而造成器件失效；并且尤其上述兩種類型的微加熱芯片還是以平面膜為支撐結構，由于單面制備薄膜工藝本身的限制，薄膜厚度只能在一定范圍內，所以其支撐強度和抗沖擊性也受到一定約束，尤其對于低功耗微加熱芯片，膜支撐難以實現應用。雖然名稱為“基于MEMS技術的微加熱板的設計與制作”的文獻還報道了基于支撐梁式的微加熱芯片，但其同樣存在薄膜應力大、厚度不夠的缺陷，難以做到同時具備低功耗、機械強度高、產品良率好等方面優點。
技術實現思路
本專利技術的主要目的在于提供一種復合結構的MEMS微加熱芯片及其制造方法與應用，以克服現有技術中的不足。為實現前述專利技術目的，本專利技術采用的技術方案包括：本專利技術實施例提供了一種復合結構的MEMS微加熱芯片，其包括：支撐框架以及懸空設置于所述支撐框架中的復合薄膜，所述復合薄膜包括沿設定方向依次設置的下絕緣層、隔熱層、加熱電極層、中絕緣層、導熱層、測試電極層以及上絕緣層，所述下絕緣層至少用以將加熱電極層與支撐框架電學隔離，所述隔熱層至少用以將加熱電極層與支撐框架熱隔離，所述中絕緣層至少用以將加熱電極層與測試電極層電學隔離，所述上絕緣層至少用以將測試電極層與支撐框架電學隔離。在一些實施方案中，所述支撐框架內設置有支撐懸臂梁，所述復合薄膜經所述支撐懸臂梁懸空設置于所述支撐框架內；優選的，所述支撐框架包括上支撐框架和下支撐框架，上支撐框架與下支撐框架之間經鍵合層鍵合連接；進一步優選的，所述鍵合層包括相互配合的上鍵合層和下鍵合層，所述上鍵合層與測試電極層連接，所述下鍵合層與導熱層連接；優選的，所述支撐懸臂梁為復數根Y型支撐懸臂梁；優選的，所述支撐框架為單晶硅支撐框架。本專利技術實施例還提供了前述復合結構的MEMS微加熱芯片的制造方法，其包括：在第一襯底表面依次形成下絕緣層、隔熱層、加熱電極層、中絕緣層、導熱層和下鍵合層；在第二襯底表面依次形成上絕緣層、測試電極層和上鍵合層；利用鍵合工藝將上鍵合層與下鍵合層相互鍵合，形成包含復合薄膜的微加熱芯片的整體結構；通過微納米加工工藝對所述微加熱芯片的整體結構中的第一襯底和第二襯底進行加工，形成支撐框架，并使所述復合薄膜懸空設置于支撐框架中。本專利技術實施例還提供了所述復合結構的MEMS微加熱芯片于制備微加熱傳感器中的應用。與現有技術相比，本專利技術的優點包括：(1)本專利技術提供的復合結構的MEMS微加熱芯片的復合薄膜和支撐框架以懸臂梁形式連接，采用“Y”的懸臂梁支撐結構，可以大大降低器件的熱損耗，有效提高其加熱效率，并且在保持其低功耗的性能下，具有良好的熱穩定性、高良率和優良的抗沖擊性等機械性能，非常適用于低功耗加熱器件的應用；(2)本專利技術提供的復合結構的MEMS微加熱芯片采用復合薄膜，可以有效提高復合薄膜的厚度，在保證其具有良好內應力的情況下，顯著提高其機械性能，尤其是抗沖擊性能，大大增加微加熱芯片的應用范圍；(3)本專利技術提供的復合結構的MEMS微加熱芯片采用加熱電極層上設計導熱層，并以碳化硅作為導熱層，在加熱過程中，可以保持熱量的迅速傳導，有效實現熱學性能的提升，提高器件的響應時間及反應速度；(4)本專利技術提供的復合結構的MEMS微加熱芯片通過加熱電極層的蝶形設計，可以避免普通方形、環形結構加熱不均勻的缺點，有效實現加熱的均勻性，從而提高器件的整體加熱性能；(5)本專利技術提供的復合結構的MEMS微加熱芯片通過采用聚合物或金屬氧化物作為隔熱層進行熱學隔離，在器件工作過程中，可以有效實現熱量的集中，有效提高加熱效率；(6)本專利技術提供的復合結構的MEMS微加熱芯片的制造方法，通過雙面鍵合的工藝進行核心薄膜區域的加工，可有效避免在單面制備工藝過程中由于薄膜本身應力造成的器件失效，在保持一定厚度的情況下可以實現高質量復合薄膜支撐結構的加工，從而提高器件的良率，適合批量化生產。附圖說明圖1是本專利技術一典型實施例中一種復合結構的MEMS微加熱芯片的整體結構示意圖；圖2是本專利技術一典型實施例中一種復合結構的MEMS微加熱芯片的俯視圖；圖3是本專利技術一典型實施例中一種復合結構的MEMS微加熱芯片的加熱電極層的結構圖。附圖標記說明：1-下支撐框架，2-下絕緣層，3-隔熱層，4-下粘附層，5-加熱電極層，6-中絕緣層，7-導熱層，8-下鍵合層，9-上鍵合層，10-上粘附層，11-測試電極層，12-上絕緣層，13-上支撐框架，14-支撐懸臂梁，15-復合薄膜，16-加熱電極層焊盤。具體實施方式如前所述，鑒于現有技術存在的諸多缺陷，本案專利技術人經長期研究和大量實踐，得以提出本專利技術的技術方案。如下將對該技術方案、其實施過程及原理等作進一步的解釋說明。本專利技術實施例的一個方面提供了一種復合結構的MEMS微加熱芯片，其包括：支撐框架以及懸空設置于所述支撐框架中的復合薄膜，所述復合薄膜包括沿設定方向依次設本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種復合結構的MEMS微加熱芯片，其特征在于包括：支撐框架以及懸空設置于所述支撐框架中的復合薄膜，所述復合薄膜包括沿設定方向依次設置的下絕緣層、隔熱層、加熱電極層、中絕緣層、導熱層、測試電極層以及上絕緣層，所述下絕緣層至少用以將加熱電極層與支撐框架電學隔離，所述隔熱層至少用以將加熱電極層與支撐框架熱隔離，所述中絕緣層至少用以將加熱電極層與測試電極層電學隔離，所述上絕緣層至少用以將測試電極層與支撐框架電學隔離。

【技術特征摘要】
2017.02.10 CN 20171007350161.一種復合結構的MEMS微加熱芯片，其特征在于包括：支撐框架以及懸空設置于所述支撐框架中的復合薄膜，所述復合薄膜包括沿設定方向依次設置的下絕緣層、隔熱層、加熱電極層、中絕緣層、導熱層、測試電極層以及上絕緣層，所述下絕緣層至少用以將加熱電極層與支撐框架電學隔離，所述隔熱層至少用以將加熱電極層與支撐框架熱隔離，所述中絕緣層至少用以將加熱電極層與測試電極層電學隔離，所述上絕緣層至少用以將測試電極層與支撐框架電學隔離。2.根據權利要求1所述的復合結構的MEMS微加熱芯片，其特征在于：所述支撐框架內設置有支撐懸臂梁，所述復合薄膜經所述支撐懸臂梁懸空設置于所述支撐框架內；優選的，所述支撐框架包括上支撐框架和下支撐框架，上支撐框架與下支撐框架之間經鍵合層鍵合連接；進一步優選的，所述鍵合層包括相互配合的上鍵合層和下鍵合層，所述上鍵合層與測試電極層連接，所述下鍵合層與導熱層連接；優選的，所述支撐懸臂梁為復數根Y型支撐懸臂梁；優選的，所述支撐框架為單晶硅支撐框架。3.根據權利要求1所述的復合結構的MEMS微加熱芯片，其特征在于：所述隔熱層與加熱電極層之間還經下粘附層連接；和/或，所述導熱層與測試電極層之間還經上粘附層連接；和/或，所述下絕緣層延伸覆蓋所述支撐框架表面。4.根據權利要求1所述的復合結構的MEMS微加熱芯片，其特征在于：所述上絕緣層、中絕緣層或下絕緣層的厚度為100nm～5000nm；優選的，所述上絕緣層、中絕緣層或下絕緣層的材質包括氧化硅、氮化硅、碳化硅中的任意一種或兩種以上的組合；優選的，所述下絕緣層由氧化硅/氮化硅復合薄膜組成。5.根據權利要求1所述的復合結構的MEMS微加熱芯片，其特征在于：所述加熱電極層的厚度為100nm～5000nm；優選的，所述加熱電極層為蝴蝶型結構；優選的，所述加熱電極層的材質包括Pt、W、MoSi、TiN、多晶硅中的任意一種或兩種以上的組合。6.根據權利要求1所述的復合結構的MEMS微加熱芯片，其特征在于：所述隔熱層的厚度為100nm～5000nm；優選...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉瑞，李曉波，鄧敏，
申請(專利權)人：蘇州甫一電子科技有限公司，
類型：發明
國別省市：江蘇,32