一种用于微观原位观察的MEMS加热芯片及其制作方法与流程

本发明涉及加热芯片领域，尤其涉及一种用于微观原位观察的mems加热芯片及其制作方法。

背景技术：

加热芯片是以微电子技术(半导体制造技术)为基础，并结合微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。目前基于mems的芯片已广泛的应用于工业控制、汽车电子、医疗器械、分析仪器、空气质量检测等领域。与传统机械式流量计相比，加热芯片具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高的特点。基于硅微加工技术的加热芯片利用微电子机械系统(mems)对硅基半导体材料进行微加工而成。

微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem，mems)是一种先进的制造技术平台。mems的技术包括微电子技术和微加工技术两大部分。微电子技术的主要内容有:氧化层生长、光刻掩膜制作、光刻选择掺杂(屏蔽扩散、离子注入)、薄膜(层)生长、连线制作等。微加工技术的主要内容有:硅表面微加工和硅体微加工(各向异性腐蚀、牺牲层)技术、晶片键合技术、制作高深宽比结构的深结构曝光和电铸技术(liga)等。利用微电子技术可制造集成电路和许多传感器。硅基加工技术是在微电子加工技术基础上发展起来的一种微加工技术，主要依靠光刻、扩散、氧化、薄膜生长、干法刻蚀、湿法刻蚀和蒸发溅射等工艺技术。

由于加热芯片涉及多学科领域，技术难度大，加工要求高，在毫米尺寸芯片上达到一千两百度左右的加热，存在很大的挑战。尤其是扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscope，sem)与透射电子显微镜(transmissionelectronmicroscope，tem)在观察样品时需要加热芯片具备一千两百度左右的加热功能。

然而，现有技术中加热芯片通常以氮化硅、氧化硅等作为支撑膜，增加电极作为加热层，通过改变电流大小来调节加热温度，这类加热芯片存在的问题是加热温度低，且大多低于600摄氏度；加热过程中金属电极产生蒸发，导致加热温度漂移严重，加热效果不稳定，而且蒸发的金属灰污染观察腔体，进而影响对待检测物微观原位加热观察的效果。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于微观原位观察的mems加热芯片及其制作方法，通过采用钝化层来保护加热电极与测量电极使加热芯片加热温度高且加热稳定、污染小、适用范围广，进而满足sem或tem进行微观原位观察的测检测要求。使得加热芯片加热温度高且加热稳定、污染小、适用范围广，进而满足sem或tem进行微观原位观察的测检测要求。

为达到上述目的，一方面，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种用于微观原位观察的mems加热芯片，该加热芯片包括：硅基衬底，依次设置于硅基衬底上的支撑层与钝化层；设置于钝化层的上表面的加热电极和测量电极，加热电极和测量电极同层绝缘设置且均位于钝化层上，加热电极和测量电极围绕形成用于微观原位观察的观察区域；贯穿设置于硅基衬底与支撑层中的隔热空腔，隔热空腔的上表面在垂直于硅基衬底的方向上对应观察区域。

进一步的，观察区域内设置有位于钝化层中的多个螺旋状中空加热通道，加热通道内设置有多个用于微观原位观察的观察窗口。

进一步的，测量电极对称设置于观察区域的两侧，加热电极对称设置于测量电极的两侧。

进一步的，钝化层的材质采用二氧化硅、氮化硅与碳化硅中的任意一种或多种，钝化层的厚度为0.01～100μm。

进一步的，支撑层的材质采用硅、氮化镓、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯、砷化镓与石英玻璃中的任意一种或多种，支撑层的厚度为50～2000μm。

进一步的，加热电极与测量电极的材质采用镍、铂、金、铝、铜与多晶硅中的任意一种或多种。

进一步的，加热电极与测量电极的上表面和/或下表面设置有金属粘附层。

进一步的，金属粘附层的材质包括钛、铬、镍、氧化钛或者钛钨合金。

另一方面，本发明的实施例还采用如下技术方案：

一种用于微观原位观察的mems加热芯片的制作方法，包括：

提供一硅基衬底，

在硅基衬底上依次形成支撑层与钝化层；

在钝化层的上表面形成加热电极和测量电极，加热电极和测量电极同层绝缘设置且均位于钝化层上，加热电极和测量电极围绕形成用于微观原位观察的观察区域；

在硅基衬底的下表面形成贯穿硅基衬底与支撑层的隔热空腔，隔热空腔的上表面在垂直于硅基衬底的方向上对应观察区域。

进一步的，还包括在加热电极与测量电极的上表面和/或下表面设置有金属粘附层。

相比于现有技术，本发明具有如下的技术效果：

本发明提供的用于微观原位观察的mems加热芯片及其制作方法，包括：硅基衬底，依次设置于硅基衬底上的支撑层与钝化层；设置于钝化层的上表面的加热电极和测量电极，加热电极和测量电极同层绝缘设置且均位于钝化层上，加热电极和测量电极围绕形成用于微观原位观察的观察区域；贯穿设置于硅基衬底与支撑层中的隔热空腔，隔热空腔的上表面在垂直于硅基衬底的方向上对应观察区域。上述加热芯片通过采用钝化层来保护加热电极与测量电极，使加热过程中电阻更加稳定，温度可加热到1000度以上的温度，还能有效隔绝气体和液体以保护内部电极元件，避免电极在加热过程中挥发污染测试的样品，使加热芯片加热温度高且加热稳定、污染小、适用范围广，进而满足sem或tem进行微观原位观察的测检测要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种用于微观原位观察的mems加热芯片的的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种用于微观原位观察的mems加热芯片的的俯视图；

图3是本发明实施例提供的一种用于微观原位观察的mems加热芯片的的观察区域的局部放大图；

图4是本发明实施例提供的一种用于微观原位观察的mems加热芯片的制作方法；

其中：1、硅基衬底；2、支撑层；3、钝化层；4、加热电极；5、测量电极；6、观察区域；61、加热通道；62、观察窗口；7、隔热空腔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

如图1所示，本发明实施例提供了一种用于微观原位观察的mems加热芯片，该加热芯片包括：硅基衬底1，依次设置于硅基衬底1上的支撑层2与钝化层3；设置于钝化层3的上表面的加热电极4和测量电极5，加热电极4和测量电极5同层绝缘设置且均位于钝化层3上，加热电极4和测量电极5围绕形成用于微观原位观察的观察区域6；贯穿设置于硅基衬底1与支撑层2中的隔热空腔7，隔热空腔的上表面在垂直于硅基衬底的方向上对应观察区域6。

其中，硅基衬底1为单晶硅，其晶向、尺寸及厚度需要根据应用场景、制造工艺及产品所需性能要求来选择，在此不做具体限定。需要说明的是，硅基衬底1上可对应制造多个加热芯片，在本实施例中仅以其中一个加热芯片的结构进行说明。

支撑层2用以支撑整个加热芯片。优选的，支撑层2的材质采用硅、氮化镓、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯、砷化镓与石英玻璃中的任意一种或多种，支撑层2的厚度为50～2000μm。

钝化层3用于支撑加热电极和测量电极并其得到绝缘作用，能够有效提高电极的稳定性。优选的，钝化层3作为保护层其材质采用碳化硅(sic)、氧化铝(al2o3)、氮化硅(si3n4)、二氧化硅(sio2)等薄膜结构中的任意一种或多种，钝化层的厚度为0.01～100μm。此外，钝化层3采用硬度、耐磨性等机械性能更高的材质能够有效隔绝气体和液体以保护内部电极元件，还可以避免电极在加热过程中挥发，避免污染测试样品。

加热电极4和测量电极5均为导电材料，即其电阻与温度呈正相关的关系。加热电极4和测量电极5同层绝缘设置，只需要沉积一层金属电极层并采用一次金属图案化工艺即可完成加热电极4和测量电极5的制造，提升电极制造良率。

优选的，加热电极4和测量电极5的材质采用镍、铂、金、铝、铜与多晶硅中的任意一种或多种。加热电极4和测量电极5的厚度均为100nm～400nm，电极的厚度与电阻呈反比，电极厚度越厚电阻越小，电极厚度越薄电阻越大。

本领域技术人员可以理解，根据加热芯片的工作温度的不同，相关从业人员可合理选取加热芯片的测量电极和加热电极的组成材料，不仅限于金属镍、铂、金、铝、铜等；以及根据加热芯片的应用器件类型，相关从业人员可合理选取加热芯片的测量电极和加热电极的厚度，不仅限于上述限定。

观察区域6用于微观原位观察待检测物，由加热电极4和测量电极5围绕形成且位于钝化层3上。

隔热空腔7位于支撑层2的底部，贯穿设置于硅基衬底1与支撑层2中，隔热空腔7的上表面在垂直于硅基衬底1的方向上对应观察区域6。隔热空腔7的结构可以避免温度的扩散，实现更短时间内升高温度，并且达到超过1000摄氏度的温度。

优选的，隔热空腔7内部为真空结构，或者设置导热系数极低的气体或者液体，进而减少热量扩散，保证热量集中在芯片上表面，进而提高芯片的灵敏度与精度。

上述加热芯片通过采用钝化层来保护加热电极与测量电极，使加热过程中电阻更加稳定，温度可加热到1000度以上的温度，还能有效隔绝气体和液体以保护内部电极元件，避免电极在加热过程中挥发污染测试的样品，使加热芯片加热温度高且加热稳定、污染小、适用范围广，进而满足sem或tem进行微观原位观察的测检测要求。

优选的，如图2所示，测量电极5对称设置于观察区域6的两侧，加热电极4对称设置于测量电极5的两侧。

加热芯片通过加热电极4与外部连接进行供电，通过调节电流大小来调节加热的温度；测温电极5与外部连接，通过测量电阻变化来反馈温度的变化；样品观察区域6放置待观察样品，进而实现边加热边进行样品的观察。

通过采用加热与测温结构集成的方式，使得加热温度可以随时调剂并且可以随时监测与反馈，使得加热参数更加可靠与稳定，进而用于sem或tem微小颗粒的原位加热观察。

此外，还需要形成有与加热电极4和测量电极5同层设置的外部连接焊盘、加热电极引线和测量电极引线。

优选的，如图3所示，观察区域6内设置有位于钝化层3中的多个螺旋状中空加热通道61，加热通道61内设置有多个用于微观原位观察的观察窗口62。

优选的，加热通道61呈螺旋状的中空结构，其一端位于观察区域6的边缘，另一端位于观察区域6的中间位置，从一端到另一端由大到小的盘旋设置。

优选的，加热通道61包括多个螺旋状的中空结构，例如包括2个。这两个螺旋状的中空结构设置形式相反，即其中一个的一端位于观察区域6的边缘，另一端位于观察区域6的中间位置，而另外一个的一端位于与上述结构相对称的边缘，另一端也同样位于观察区域6的中间位置且与上述结构相对称。

优选的，观察窗口62间隔设置于中空加热通道61的上端，用于原位观测微小颗粒物体，观测窗口62的数量有多个。

优选的，观测窗口62沿着螺旋状中空结构依次间隔设置，每一圈至少设置四个观测窗口，以满足不同形状物品的观测需求。

优选的，为适应极端温度产生的应力变化，，加热电极4与测量电极5的上表面和/或下表面设置有金属粘附层。

优选的，金属粘附层的材质包括钛、铬、镍、氧化钛或者钛钨合金。

优选的，如图4所示，在上述实施例的基础上，本发明的另一个实施提供了一种用于微观原位观察的mems加热芯片的制作方法，该加热芯片的制造方法可适用于上述任意一种加热芯片，也可用于制造现有技术中任意一种加热芯片。本实施例提供的加热芯片的制造方法具体包括如下步骤：

提供一硅基衬底1；

具体的，硅基衬底1为单晶硅，其晶向、尺寸及厚度需要根据应用场景、制造工艺及产品所需性能要求来选择，在此不做具体限定。需要说明的是，硅基衬底1上可对应制造多个加热芯片，在本实施例中仅以其中一个加热芯片的结构进行说明。

在硅基衬底1上依次形成支撑层2与钝化层3；

具体的，采用低压化学气相沉积法(lpcvd)在硅基衬底的上表面依次沉积支撑层2与钝化层3。其中支撑层2用以支撑整个加热芯片，材质采用硅、氮化镓、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯、砷化镓与石英玻璃中的任意一种或多种，厚度为50～2000μm。钝化层3用于支撑加热电极和测量电极并其得到绝缘作用，能够有效提高电极的稳定性，材质采用碳化硅(sic)、氧化铝(al2o3)、氮化硅(si3n4)、二氧化硅(sio2)等薄膜结构中的任意一种或多种，钝化层的厚度为0.01～100μm。钝化层3采用硬度、耐磨性等机械性能更高的材质能够有效隔绝气体和液体以保护内部电极元件，还可以避免电极在加热过程中挥发，避免污染测试样品。

此外，在其他实施例中，相关从业人员可根据制造工艺、生产条件、产品等因素自行选取工艺、材料、应力和厚度等参数合理的支撑层2与钝化层3。

在钝化层3的上表面形成加热电极4和测量电极5，加热电极4和测量电极5同层绝缘设置且均位于钝化层3上，加热电极4和测量电极5围绕形成用于微观原位观察的观察区域6；

具体的，采用磁控溅射法或电子束蒸发法沉积金属电极层，并采用光刻胶光刻图形化再剥离光刻胶以图形化金属电极层形成加热电极与测量电极。

加热电极4和测量电极5采用同层设置即共平面设计，只需要沉积一层金属电极层并采用一次金属图案化工艺即可完成加热电极和测量电极的制造。与现有技术相比，本实施例降低了加工工艺复杂度、减少了制造工序、并降低了制造成本，同时加热电极和测量电极采用共平面设计还能够提升了电极制造良率，进而提高加热芯片的制造良率。

在硅基衬底1的下表面形成贯穿硅基衬底1与支撑层2的隔热空腔7，隔热空腔7的上表面在垂直于硅基衬底1的方向上对应观察区域6。

具体的，采用湿法刻蚀工艺图形化硅基衬底的下表面并刻蚀形成隔热空腔。在其他实施例中，还可选干法刻蚀工艺在硅基衬底的下表面形成隔热空腔。

优选的，用于微观原位观察的mems加热芯片的制作方法还包括在加热电极与测量电极的上表面和/或下表面设置有金属粘附层。

其中，金属粘附层的材质包括钛、铬、镍、氧化钛或者钛钨合金。

采用上述方法制备的加热芯片通过采用钝化层来保护加热电极与测量电极，使加热过程中电阻更加稳定，温度可加热到1000度以上的温度，还能有效隔绝气体和液体以保护内部电极元件，避免电极在加热过程中挥发污染测试的样品，使加热芯片加热温度高且加热稳定、污染小、适用范围广，进而满足sem或tem进行微观原位观察的测检测要求。

综上，本发明提供了一种用于微观原位观察的mems加热芯片及其制作方法，其中加热芯片包括：硅基衬底，依次设置于硅基衬底上的支撑层与钝化层；设置于钝化层的上表面的加热电极和测量电极，加热电极和测量电极同层绝缘设置且均位于钝化层上，加热电极和测量电极围绕形成用于微观原位观察的观察区域；贯穿设置于硅基衬底与支撑层中的隔热空腔，隔热空腔的上表面在垂直于硅基衬底的方向上对应观察区域。上述加热芯片通过采用钝化层来保护加热电极与测量电极，使加热过程中电阻更加稳定，温度可加热到1000度以上的温度，还能有效隔绝气体和液体以保护内部电极元件，避免电极在加热过程中挥发污染测试的样品，使加热芯片加热温度高且加热稳定、污染小、适用范围广，进而满足sem或tem进行微观原位观察的测检测要求。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性、机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。