复合结构的MEMS微加热芯片的制作方法

本实用新型涉及一种MEMS微加热芯片，特别涉及一种复合结构的多层薄膜微加热芯片，属于半导体微纳加工技术领域。

背景技术：

微加热芯片具有体积小、加热功率低、响应时间快、热量损耗小、与半导体工艺兼容、易于集成等方面的优点，从而成为微加热传感器中的重要部件，引起国内外的广泛研究，尤其是微型化的微加热芯片，目前广泛应用于气敏传感器、气体流量计、微热量计、红外光源等领域，具有很大的发展潜力。

传统的加热芯片的制备方法主要是直接在陶瓷坯料上印刷电阻浆料后，在一定的高温下烘烧，然后再经电极、引线处理后，制备出加热元件。虽然陶瓷加热基片可以在电子保温瓶、保温柜、电热炊具等方面有较多的应用，但是其本身制备工艺带来的功耗高、体积大、加热效率低、不易集成等缺点却难以适应现代化电子器件的发展趋势。

因此，近些年来，利用半导体加工技术，尤其是微机电系统加工技术(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)的迅速发展，对于制备微型化、低功耗和集成化程度高的传感器件起到了至关重要的作用。微机电系统加工技术主要利用半导体技术中的薄膜沉积、掺杂、刻蚀、溅射等工艺，结合MEMS独特的外延、电铸、剥离等工艺，来形成具有一定立体微结构的微型器件。

目前利用微机电系统加工技术制备微加热芯片主要有两种方式，一种微加热芯片的制备方法，例如公布号为CN 104541161 A，实用新型名称为《微热板器件及包括此类微热板器件的传感器》的专利，是在单晶硅衬底直接生长具有一定厚度的氧化硅、氮化硅复合薄膜，然后通过溅射、刻蚀等工艺，在复合薄膜上形成具有一定形状的加热电极和测试电极层，最后通过背面刻蚀的技术来形成一定的悬空结构。另一类微加热芯片的制备方法，例如公布号为CN 104176699 A，实用新型名称为《一种具有绝热沟槽的MEMS硅基微热板及其加工方法》的专利，是利用绝热沟槽的方式来进行热量的隔离，通过薄膜生长的方式形成一定的绝缘层和隔热层，然后经过溅射、剥离、刻蚀的方式来形成加热电极和测试 电极层，然后从正面进行刻蚀形成一定的绝热槽结构。

上述两种主要类型的基于MEMS加工技术的微加热芯片虽然在一定程度上解决了传统微加热器件体积大、功耗高的缺陷，但由于在加工过程中，主要还是采用了单面薄膜复合的方式来实现隔热层、绝缘层、加热电极层、测试电极层的制备，因此会由于薄膜层次太多，容易产生应力而造成器件失效；并且尤其上述两种类型的微加热芯片还是以平面膜为支撑结构，由于单面制备薄膜工艺本身的限制，薄膜厚度只能在一定范围内，所以其支撑强度和抗冲击性也受到一定约束，尤其对于低功耗微加热芯片，膜支撑难以实现应用。虽然名称为“基于MEMS技术的微加热板的设计与制作”的文献还报道了基于支撑梁式的微加热芯片，但其同样存在薄膜应力大、厚度不够的缺陷，难以做到同时具备低功耗、机械强度高、产品良率好等方面优点。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种复合结构的MEMS微加热芯片，以克服现有技术中的不足。

为实现前述目的，本实用新型采用的技术方案包括：

本实用新型实施例提供了一种复合结构的MEMS微加热芯片，其包括：

支撑框架以及悬空设置于所述支撑框架中的复合薄膜，所述复合薄膜包括沿设定方向依次设置的下绝缘层、隔热层、加热电极层、中绝缘层、导热层、测试电极层以及上绝缘层，所述下绝缘层至少用以将加热电极层与支撑框架电学隔离，所述隔热层至少用以将加热电极层与支撑框架热隔离，所述中绝缘层至少用以将加热电极层与测试电极层电学隔离，所述上绝缘层至少用以将测试电极层与支撑框架电学隔离。

在一些实施方案中，所述支撑框架内设置有支撑悬臂梁，所述复合薄膜经所述支撑悬臂梁悬空设置于所述支撑框架内；优选的，所述支撑悬臂梁为复数根Y型支撑悬臂梁；优选的，所述支撑框架为单晶硅支撑框架。

在一些实施方案中，所述支撑框架包括上支撑框架和下支撑框架，上支撑框架与下支撑框架之间经键合层键合连接。

进一步优选的，所述键合层包括相互配合的上键合层和下键合层，所述上键合层与测试电极层连接，所述下键合层与导热层连接。

在一些实施方案中，所述隔热层与加热电极层之间还经下粘附层连接。

在一些实施方案中，所述导热层与测试电极层之间还经上粘附层连接。

在一些实施方案中，所述下绝缘层延伸覆盖所述支撑框架表面。

在一些实施方案中，所述上绝缘层、中绝缘层或下绝缘层的厚度为100nm～5000nm。

优选的，所述上绝缘层、中绝缘层或下绝缘层的材质包括氧化硅、氮化硅、碳化硅中的任意一种或两种以上的组合。

优选的，所述下绝缘层由氧化硅/氮化硅复合薄膜组成。

在一些实施方案中，所述加热电极层的厚度为100nm～5000nm。

优选的，所述加热电极层为蝴蝶型结构。

优选的，所述加热电极层的材质包括Pt、W、MoSi、TiN、多晶硅中的任意一种或两种以上的组合。

在一些实施方案中，所述隔热层的厚度为100nm～5000nm。

优选的，所述隔热层的材质包括聚合物和/或金属氧化物。

进一步优选的，所述聚合物包括氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺、聚酯中的任意一种或两种以上的组合。

在一些实施方案中，所述测试电极层的厚度为100nm～5000nm。

优选的，所述测试电极层为叉齿型或环形结构。

优选的，所述测试电极层的材质包括Pt、Au、Al、Ag、Cu中的任意一种或两种以上的组合。

在一些实施方案中，所述导热层的厚度为100nm～1000nm。

优选的，所述导热层的材质包括碳化硅。

优选的，所述上粘附层或下粘附层的厚度为100nm～1000nm。

优选的，所述上粘附层或下粘附层的材质包括氧化硅和/或氮化硅。

本实用新型实施例还提供了所述复合结构的MEMS微加热芯片于制备微加热传感器中的应用。

与现有技术相比，本实用新型的优点包括：

(1)本实用新型提供的复合结构的MEMS微加热芯片的复合薄膜和支撑框架以悬臂梁形式连接，采用“Y”的悬臂梁支撑结构，可以大大降低器件的热损耗，有效提高其加热效率，并且在保持其低功耗的性能下，具有良好的热稳定性、高良率和优良的抗冲击性等机械性能，非常适用于低功耗加热器件的应用；

(2)本实用新型提供的复合结构的MEMS微加热芯片采用复合薄膜，可以有效提高复合薄膜的厚度，在保证其具有良好内应力的情况下，显著提高其机械性能，尤其是抗冲 击性能，大大增加微加热芯片的应用范围；

(3)本实用新型提供的复合结构的MEMS微加热芯片采用加热电极层上设计导热层，并以碳化硅作为导热层，在加热过程中，可以保持热量的迅速传导，有效实现热学性能的提升，提高器件的响应时间及反应速度；

(4)本实用新型提供的复合结构的MEMS微加热芯片通过加热电极层的蝶形设计，可以避免普通方形、环形结构加热不均匀的缺点，有效实现加热的均匀性，从而提高器件的整体加热性能；

(5)本实用新型提供的复合结构的MEMS微加热芯片通过采用聚合物或金属氧化物作为隔热层进行热学隔离，在器件工作过程中，可以有效实现热量的集中，有效提高加热效率；

(6)本实用新型提供的复合结构的MEMS微加热芯片，可通过双面键合的工艺进行核心薄膜区域的加工，可有效避免在单面制备工艺过程中由于薄膜本身应力造成的器件失效，在保持一定厚度的情况下可以实现高质量复合薄膜支撑结构的加工，从而提高器件的良率，适合批量化生产。

附图说明

图1是本实用新型一典型实施例中一种复合结构的MEMS微加热芯片的整体结构示意图；

图2是本实用新型一典型实施例中一种复合结构的MEMS微加热芯片的俯视图；

图3是本实用新型一典型实施例中一种复合结构的MEMS微加热芯片的加热电极层的结构图。

附图标记说明：1-下支撑框架，2-下绝缘层，3-隔热层，4-下粘附层，5-加热电极层，6-中绝缘层，7-导热层，8-下键合层，9-上键合层，10-上粘附层，11-测试电极层，12-上绝缘层，13-上支撑框架，14-支撑悬臂梁，15-复合薄膜，16-加热电极层焊盘。

具体实施方式

如前所述，鉴于现有技术存在的诸多缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本实用新型的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本实用新型实施例的一个方面提供了一种复合结构的MEMS微加热芯片，其包括：

支撑框架以及悬空设置于所述支撑框架中的复合薄膜，所述复合薄膜包括沿设定方向依次设置的下绝缘层、隔热层、加热电极层、中绝缘层、导热层、测试电极层以及上绝缘层，所述下绝缘层至少用以将加热电极层与支撑框架电学隔离，所述隔热层至少用以将加热电极层与支撑框架热隔离，所述中绝缘层至少用以将加热电极层与测试电极层电学隔离，所述上绝缘层至少用以将测试电极层与支撑框架电学隔离。

在一些实施方案中，所述支撑框架内设置有支撑悬臂梁进行支撑，所述复合薄膜经所述支撑悬臂梁悬空设置于所述支撑框架内。

优选的，所述支撑框架包括上支撑框架和下支撑框架，且中心具有凹槽型悬空结构，上支撑框架与下支撑框架之间经键合层键合连接。

进一步优选的，所述键合层包括相互配合的上键合层和下键合层，所述上键合层与测试电极层连接，所述下键合层与导热层连接。

优选的，所述支撑悬臂梁为复数根Y型支撑悬臂梁，可以有效降低器件的热损耗，有效提高其加热效率，并且在保持其低功耗的性能下，仍然有较好的机械性能。

优选的，所述支撑框架为单晶硅支撑框架。

本实用新型中所述复合薄膜和支撑框架以支撑悬臂梁形式连接，可以大大降低热损耗，提高加热效率，非常适用于低功耗加热器件的应用。

在一些实施方案中，所述隔热层与加热电极层之间还经下粘附层连接。

在一些实施方案中，所述导热层与测试电极层之间还经上粘附层连接。

藉由前述上粘附层、下粘附层可以以增加器件薄膜层间的结合力。

优选的，所述下绝缘层延伸覆盖所述支撑框架表面。

在一些实施方案中，所述上绝缘层、中绝缘层或下绝缘层的厚度为100nm～5000nm。

优选的，所述上绝缘层、中绝缘层或下绝缘层的材质包括氧化硅(SiO₂)、氮化硅(Si₃N₄)、碳化硅(SiC)中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步优选的，所述下绝缘层可以由氧化硅/氮化硅复合薄膜组成。

在一些实施方案中，所述加热电极层的厚度为100nm～5000nm。

更优选的，所述加热电极层为蝴蝶型结构，通过加热区域的蝶形设计，可有效实现加热的均匀性，有效提高器件的整体加热性能。

优选的，所述加热电极层的材质包括Pt、W、MoSi、TiN、多晶硅中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

在一些实施方案中，所述隔热层的厚度为100nm～5000nm。

更优选的，所述隔热层的材质包括聚合物和/或金属氧化物，通过采用聚合物或金属氧化物作为隔热层进行热学隔离，在器件工作过程中，可以有效实现热量的集中，有效提高加热效率。

优选的，所述聚合物包括氧化硅(SiO₂)、氮化硅(Si₃N₄)、聚酰亚胺(PI)、聚酯(PET)中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

在一些实施方案中，所述测试电极层的厚度为100nm～5000nm。

优选的，所述测试电极层的结构为叉齿型或环形结构。

进一步的，所述测试电极层的材质包括Pt、Au、Al、Ag、Cu中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

在一些实施方案中，所述导热层的厚度为100nm～1000nm。

进一步的，所述导热层的材质优选为碳化硅，且不限于此。在加热电极层上以碳化硅作为导热层，在加热过程中，可以保持热量的迅速传导，有效实现热学性能的提升，提高器件的响应时间及反应速度。

优选的，所述上粘附层或下粘附层的厚度为100nm～1000nm。

优选的，所述上粘附层或下粘附层的材质包括氧化硅和/或氮化硅，但不限于此。

在一些更为优选的典型实施案例之中，所述复合结构的MEMS微加热芯片包括：

支撑框架，具有凹槽型悬空结构，为整体结构的支撑作用；

下绝缘层，覆盖于整体支撑框架表面，采用氧化硅、氮化硅的复合薄膜，为加热电极层和支撑框架进行绝缘性电学隔离；

隔热层，覆盖于下绝缘层表面，为加热电极层和支撑框架等进行热隔离；

下粘附层，用于加热电极层和隔热层之间的连接，增加器件薄膜层间的结合力；

加热电极层，置于下绝缘层之上，位于整体结构的中心区域；

中绝缘层，覆盖于加热电极层上方，采用氧化硅、氮化硅的复合薄膜，用于金属之间的电学隔离；

导热层，覆盖于中绝缘层上方，采用碳化硅薄膜，对加热电极层所产生的热量进行有效传导；

下键合层，位于导热层之上，用于上下单晶硅支撑结构的键合；

上键合层，位于测试电极层表面，用于上下单晶硅支撑结构的键合；

上粘附层，覆盖于测试电极层上，用于测试电极层和导热层之间的连接；

测试电极层，置于导热层之上，用于器件的测试，位于整体结构的中心区域；

上绝缘层，覆盖于测试电极层之上，为测试电极层和支撑框架部分进行绝缘性电学隔离。

本实用新型可通过双面键合的工艺进行核心薄膜区域的加工，可以有效提高复合薄膜的厚度，有效避免单面薄膜叠层加工造成应力的问题，在保证其具有良好内应力的情况下，显著提高其机械性能，尤其是抗冲击性能，大大增加微加热芯片的应用范围；在保持一定厚度的情况下可以实现高质量复合薄膜支撑结构的加工，从而提高器件的良率。

本实用新型实施例的另一个方面还提供了所述复合结构的MEMS微加热芯片于制备微加热传感器中的应用。

例如，本实用新型实施例提供了一种装置，所述装置包括前述复合结构的MEMS微加热芯片，优选的，所述装置可以包括微加热传感器。

下面将结合附图及典型案例对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述。

请参阅图1至图3所示为本实施例中的一种复合结构的MEMS微加热芯片，其包括支撑框架以及复合薄膜15，复合薄膜15设于支撑框架的凹槽型悬空结构内部，且与所述支撑框架以支撑悬臂梁14相互连接。

所述复合薄膜15主要包括绝缘层、加热电极层、隔热层、粘附层、导热层和测试电极层等几个主要部分。

请参阅图1及图2所示，其中所述下支撑框架1和上支撑框架13是从上、下两个方向对芯片的中心区域进行支撑，可以使得芯片工作区域更加可控。

其中，所述绝缘层分为上绝缘层12、中绝缘层6和下绝缘层2三个部分，分别对单晶硅衬底、加热电极层金属、测试电极层金属等几个层次进行绝缘，本实用新型中通过上、下两个方向进行加工，避免了普通微加热芯片一直从单面生长绝缘薄膜造成应力太大的问题。

其中，所述加热电极层5处于芯片的正中部分，下面由隔热层3和下粘附层4连接，可以保证加热电极层在进行工作时，所生产的热量能有效集中在芯片上方工作区域，而和下面的单晶硅衬底进行有效隔离。同时，加热部分采用蝶形结构，可以避免普通方形、环形结构加热不均匀的缺点。如图3所示，为加热电极层的结构图，所述加热电极层还包括加热电极层焊盘。

其中，所述导热层7位于中绝缘层6的上方，用于有效传导加热电极层5所产生的热量，从而提高器件的工作效率。

其中，测试电极层11位于上粘附层10和上绝缘层12之间，用于器件的电阻电压等 电学信号测试。

其中，下键合层8、上键合层9用于上下单晶硅支撑框架的键合。

藉由上述技术方案，本实用新型的MEMS微加热芯片良率好、精度高、加热速度快，易于批量化生产。

本实用新型的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本实用新型的教示及揭示而作种种不背离本实用新型精神的替换及修饰，因此，本实用新型保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本实用新型的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。