[发明专利]一种具备气压传感功能的原位加热芯片及其制作方法

说明书

本发明是一种具备气压传感功能的原位加热芯片及其制作方法，包含基板芯片与顶板芯片，基板芯片包括：硅衬底，沉积在硅衬底上表面和下表面的介质层，沉积在上表面介质层的接触电极、加热电极、电容极板以及支撑柱，位于加热电极中心的观察窗口，从衬底下方刻蚀的镂空区，镂空区覆盖观察窗口；顶板芯片包括：硅衬底，沉积在硅衬底上表面和下表面的介质层，沉积在上表面介质层的电容极板、接触电极以及支撑柱，从衬底下方刻蚀的镂空区，镂空区覆盖观察窗口。将用于观察的样品根据需求置于基板芯片的观察窗口区。将顶板和基板按照支撑柱图案对准接触并进行粘合封装，放入匹配的透射电镜样品杆中，能测量不同加热条件下气体在密封腔中压强的变化规律。

技术领域

本发明设计一种具备气压传感功能的原位加热芯片，属于电子显微学、微纳加工、传感器领域。

背景技术

透射电子显微镜(TEM)是一种以高压加速的高能电子束作为成像光源、利用穿透样品的电子束进行成像的表征分析工具。透射电子显微电镜是认知材料结构、成分的一种重要分析技术方法，是当前研究纳米材料、器件结构物性必不可少的先进设备之一。随着人们对材料研究的不断深入，仅用透射电子显微镜拍摄材料结构的静态照片已经无法满足需求，研究人员已在尝试发展原位透射电子显微技术来尝试在原子尺度下观察材料样本的动态生长或反应过程。

由于透射电子显微镜的腔室通常需要在高真空环境下工作(真空度通常低于10^-4Pa)，如何在透射电子显微镜中可控引入气体反应环境是当前原位透射电子显微技术发展的一个重要挑战。当前技术路径主要有两种，一种是通过改变电镜腔引入差分抽气结构实现气氛引入，即环境透射电子显微镜(ETEM)；另一种是构建复杂样品杆系统实现从内外隔离的封闭管道引入气体氛围(以美国Protochips公司和荷兰DENSsolutions公司两家气体杆产品为代表)。前一种方案通常能保留较好的空间分辨率，但设备昂贵，并且能引入的气压相当有限(通常小于百帕量级)，因此不适合构建器件的实际使用工况。后一种技术方案通常标称可以实现百帕至1个大气压环境，不过由于其气路复用、气源气流连续流动且密封结构复杂，因而在使用中常常存在严重污染问题和泄漏风险。针对这一问题，设计研制了一款成本低廉、使用方便的芯片并实现在透射电子显微镜中构建气体环境具有显著的应用价值。同时，在芯片中实现对气体气压的实时测量跟踪也具有重要意义。

电容式压力传感器是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电学量输出的压力传感器，具有输入能力低，高动态响应，自然效应小，环境适应好的特点。在芯片内部构建电容式压力传感器能够在密封腔内对气体气压进行实时、高效、准确的测量。MEMS加工技术是微加工的技术的一种，部分工艺可与集成电路制造工艺兼容，已被广泛应用于多种器件加工。MEMS加工技术可分为体微加工和表面微加工技术。体微加工技术主要运用各向异性化学腐蚀等技术对材料的衬底进行加工，表面微加工技术则是在材料衬底表面形成薄膜并对薄膜进行加工的技术，用于获得三维立体结构。

通过MEMS技术加工制作一种同时拥有密闭微腔、加热电极、电容传感器的原位芯片，并可以配合透射电子显微镜样品杆使用的芯片，实现对样品在热、电、气氛工况下进行表征分析具有重要技术意义，这有利于在原子尺度认知不同温度、气氛下材料结构的演变过程以及建立它们性质与温度/压强之间的对应关系。总体来说，要实现上述功能，相应芯片需要满足以下条件：(1)一个加热区，用于给样本材料提供加热条件。(2)密封腔的窗口处的膜厚度需要满足透射电子显微镜高分辨成像要求。(3)具有相对密闭的微腔可用于限制气体流动。(4)两个对应的电容式极板用于测量观察窗口区由气压导致形变而引起的电容变化。(5)配合样品杆进行外接控制测量电路的端口。

本发明能够实现在密封腔中对样品进行加热的同时测量腔内的压强变化，更好地控制密闭腔中的环境并进行原位观察；此外，还能测量加热条件下不同气体在密封腔中压强的变化，具有较高的应用价值。

发明内容