基于SOI的微色谱柱及微热导检测器的集成芯片制造技术

本实用新型专利技术提供一种基于SOI的微色谱柱及微热导检测器的集成芯片，包括：SOI硅片，具有衬底硅、埋氧层以及顶层硅；图形化堆叠结构，包含交叉网状结构，其下方具有释放槽，图形化堆叠结构悬挂于释放槽中；盖基片，键合于顶层硅，盖基片具有微沟槽，图形化堆叠结构位于微沟槽内；微色谱柱的微沟道，形成于衬底硅中，微沟道内具有微柱阵列，微沟道与释放槽连通；底基片，键合于衬底硅，以形成包含微沟槽、释放槽及微沟道的微通道。本实用新型专利技术的微热导检测器和微色谱柱分别位于SOI硅片的顶层硅和衬底硅上，增加了设计的灵活性和工艺制作的可控性。本实用新型专利技术无需额外的连接部件，具有死体积低、灵敏度高等优点。

【技术实现步骤摘要】
基于SOI的微色谱柱及微热导检测器的集成芯片
本技术属于微电子机械系统领域，特别是涉及一种基于SOI的微色谱柱及微热导检测器的集成芯片及制备方法。
技术介绍
气相色谱仪是一种重要的分析仪器，其应用十分广泛。传统的气相色谱仪由于体积大、功耗高、重量重，一般只能在实验室内使用。然而，在当前环境安全、生产安全、食品安全、公共安全监测等方面需要对复杂气体组份进行实时、现场、快速检测，急需研发一种微型气相色谱仪。色谱柱和热导检测器是气相色谱仪的两个关键部件，国内外相关研究小组一般采用MEMS技术，将色谱柱、热导检测器芯片化，最终实现气相色谱仪的微型化。色谱柱芯片和热导检测器芯片的连接会带来新的死体积，这不利于提高微型气相色谱的分离检测性能。为了进一步提高分离、检测性能，研究人员尝试将微色谱柱和微热导检测器集成在同一块芯片上，在硅的同一表面设计制备微色谱柱和微热导检测器(BradleyCKaanta,HuaChenandXinZhang,Amonolithicallyfabricatedgaschromatographyseparationcolumnwithanintegratedhighsensitivitythermalconductivitydetector,J.Micromech.Microeng.20(2010)055016(6pp))。然而在硅衬底的同一表面制备微色谱柱和微热导检测器的集成芯片时，由于要兼顾微热导检测器热敏电阻的释放，即在深刻蚀完成后还要采用各向同性腐蚀方法去除热敏电阻下方的硅，这时热敏电阻所在微沟道、色谱柱的微沟道及微沟道内的微柱阵列也将被同时腐蚀，也就是说无法精确控制器件的几何尺寸，其工艺的可控性较差，且制作的集成芯片死体积大，降低了器件性能。基于以上所述，提供一种可以有效集成气相色谱柱及微热导检测器的集成芯片及制备方法实属必要。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本技术的目的在于提供一种基于SOI的微色谱柱及微热导检测器的集成芯片及制备方法，用于解决现有技术中微色谱柱和微热导检测器集成较为困难或器件性能不足的问题。为实现上述目的及他相关目的，本技术提供一种基于SOI的微色谱柱及微热导检测器的集成芯片，包括：SOI硅片，具有衬底硅、埋氧层以及顶层硅；包含顶层硅-第一介质薄膜-热敏电阻-第二介质薄膜形成的图形化堆叠结构，所述图形化堆叠结构包含交叉网状结构，所述图形化堆叠结构下方具有所述衬底硅及所述埋氧层被图形化形成的释放槽，所述图形化堆叠结构悬挂于所述释放槽中；盖基片，键合于所述顶层硅，所述盖基片具有微沟槽，所述图形化堆叠结构位于所述微沟槽内；微色谱柱的微沟道，形成于所述衬底硅中，所述微沟道内具有微柱阵列，所述微沟道与所述释放槽连通；以及底基片，键合于所述SOI硅片的衬底硅，以形成包含所述微沟槽、所述释放槽及所述微沟道的微通道。优选地，所述SOI硅片的顶层硅中还形成有焊盘凹槽，所述焊盘凹槽中形成有焊盘结构，所述焊盘结构与所述热敏电阻电性相连。优选地，所述交叉网状结构具有多个延伸部，各延伸部与所述SOI硅片连接，以支撑所述交叉网状结构。优选地，所述热敏电阻呈锯齿状沿所述交叉网状结构延伸，并与所述焊盘结构相连接。优选地，所述热敏电阻所采用的金属包括Pt/Ti叠层、Ni/Cr叠层、W/Ti叠层及W/Re叠层中的一种。优选地，所述第一介质薄膜及第二介质薄膜包括氧化硅薄膜及氮化硅薄膜的一种或两种组成的叠层结构。优选地，所述第一介质薄膜及第二介质薄膜为氧化硅薄膜及氮化硅薄膜组成的叠层结构，所述第一介质薄膜自下而上为氧化硅薄膜与氮化硅薄膜叠层结构，所述第二介质薄膜自下而上为氮化硅薄膜与氧化硅薄膜叠层结构。优选地，所述第一介质薄膜及第二介质薄膜为包裹所述热敏电阻或夹持所述热敏电阻。优选地，所述图形化堆叠结构悬挂于所述释放槽的中央区域。优选地，所述盖基片包含玻璃盖片，所述底基片包含玻璃底片，所述玻璃盖片与所述SOI硅片的顶层硅的键合包含静电键合，所述玻璃底片与所述SOI硅片的衬底硅的键合包含静电键合。优选地，所述微沟道呈往返弯折延伸状形成于所述衬底硅中，所述释放槽连接于所述微沟道的两端，作为所述微通道的入口端及出口端。优选地，所述微通道的入口端及出口端同时形成有所述顶层硅-第一介质薄膜-热敏电阻-第二介质薄膜的图形化堆叠结构。本技术还提供一种基于SOI的微色谱柱及微热导检测器的集成芯片的制备方法，所述制备方法包括步骤：步骤1)，提供一SOI硅片，于所述SOI硅片的顶层硅上形成焊盘凹槽，于所述SOI硅片的顶层硅表面及所述焊盘凹槽底部沉积第一介质薄膜；步骤2)，于所述第一介质薄膜上沉积金属并图形化形成热敏电阻，同时于所述焊盘凹槽中形成焊盘结构，所述焊盘结构与所述热敏电阻电性相连；步骤3)，于所述第一介质层薄膜及所述热敏电阻上沉积第二介质薄膜，对所述第一介质薄膜及第二介质薄膜图形化，并刻蚀所述SOI硅片的顶层硅，形成包含顶层硅-第一介质薄膜-热敏电阻-第二介质薄膜的图形化堆叠结构，所述图形化堆叠结构包含交叉网状结构，同时露出所述焊盘结构以及所述SOI硅片的顶层硅的键合区域；步骤4)，提供一具有微沟槽的盖基片，键合所述盖基片及所述SOI硅片的顶层硅，所述图形化堆叠结构位于所述微沟槽内；步骤5)，刻蚀所述SOI硅片的衬底硅以于所述衬底硅中形成微色谱柱的微沟道及位于所述微沟道内的微柱阵列，同时通过刻蚀所述衬底硅及所述SOI硅片的埋氧层以形成所述图形化堆叠结构的释放槽，所述释放槽与所述微沟道连通；以及步骤6)，提供一底基片，并将所述底基片键合于所述SOI硅片的衬底硅，以形成包含所述微沟槽、所述释放槽及所述微沟道的微通道。优选地，步骤2)中，所述金属包括Pt/Ti叠层、Ni/Cr叠层、W/Ti叠层及W/Re叠层中的一种。优选地，所述交叉网状结构中具有多个延伸部，各延伸部在所述顶层硅-第一介质薄膜-热敏电阻-第二介质薄膜的图形化堆叠结构释放后，与所述SOI硅片连接，以支撑所述交叉网状结构。优选地，所述热敏电阻呈锯齿状沿所述交叉网状结构延伸，并与所述焊盘结构相连接。优选地，所述第一介质薄膜及第二介质薄膜包括氧化硅薄膜及氮化硅薄膜的一种或两种组成的叠层结构。优选地，所述第一介质薄膜及第二介质薄膜包裹所述热敏电阻或夹持所述热敏电阻。优选地，步骤4)中，所述盖基片对应于所述焊盘结构的区域具有一保护槽，所述保护槽用以避免所述焊盘结构与所述盖基片之间的键合。优选地，所述图形化堆叠结构悬挂于所述释放槽的中央区域。优选地，步骤5)中，采用深反应离子刻蚀工艺从背面刻蚀所述SOI硅片的衬底硅，以于所述衬底硅中形成微色谱柱的微沟道、位于所述微沟道内的微柱阵列及所述释放槽，采用反应离子刻蚀工艺刻蚀所述埋氧层，以释放出所述图形化堆叠结构。优选地，所述盖基片包含玻璃盖片，所述底基片包含玻璃底片，步骤4)中的所述玻璃盖片与所述SOI硅片的顶层硅的键合工艺包含静电键合工艺，步骤6)中的所述玻璃底片与所述SOI硅片的衬底硅的键合工艺包含静电键合工艺。优选地，所述微沟道呈往返弯折延伸状形成于所述衬底硅中，所述释放槽连接于所述微沟道的两端，作为所述微通道的入口端及出口端。优选地，所述微通道的入口端及出口端同时形成有所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于SOI的微色谱柱及微热导检测器的集成芯片，其特征在于：包括：SOI硅片，具有衬底硅、埋氧层以及顶层硅；包含顶层硅‑第一介质薄膜‑热敏电阻‑第二介质薄膜形成的图形化堆叠结构，所述图形化堆叠结构包含交叉网状结构，所述图形化堆叠结构下方具有所述衬底硅及所述埋氧层被图形化形成的释放槽，所述图形化堆叠结构悬挂于所述释放槽中；盖基片，键合于所述顶层硅，所述盖基片具有微沟槽，所述图形化堆叠结构位于所述微沟槽内；微色谱柱的微沟道，形成于所述衬底硅中，所述微沟道内具有微柱阵列，所述微沟道与所述释放槽连通；以及底基片，键合于所述SOI硅片的衬底硅，以形成包含所述微沟槽、所述释放槽及所述微沟道的微通道。

【技术特征摘要】
1.一种基于SOI的微色谱柱及微热导检测器的集成芯片，其特征在于：包括：SOI硅片，具有衬底硅、埋氧层以及顶层硅；包含顶层硅-第一介质薄膜-热敏电阻-第二介质薄膜形成的图形化堆叠结构，所述图形化堆叠结构包含交叉网状结构，所述图形化堆叠结构下方具有所述衬底硅及所述埋氧层被图形化形成的释放槽，所述图形化堆叠结构悬挂于所述释放槽中；盖基片，键合于所述顶层硅，所述盖基片具有微沟槽，所述图形化堆叠结构位于所述微沟槽内；微色谱柱的微沟道，形成于所述衬底硅中，所述微沟道内具有微柱阵列，所述微沟道与所述释放槽连通；以及底基片，键合于所述SOI硅片的衬底硅，以形成包含所述微沟槽、所述释放槽及所述微沟道的微通道。2.根据权利要求1所述的基于SOI的微色谱柱及微热导检测器的集成芯片，其特征在于：所述SOI硅片的顶层硅中还形成有焊盘凹槽，所述焊盘凹槽中形成有焊盘结构，所述焊盘结构与所述热敏电阻电性相连。3.根据权利要求2所述的基于SOI的微色谱柱及微热导检测器的集成芯片，其特征在于：所述交叉网状结构具有多个延伸部，各延伸部与所述SOI硅片连接，以支撑所述交叉网状结构。4.根据权利要求3所述的基于SOI的微色谱柱及微热导检测器的集成芯片，其特征在于：所述热敏电阻呈锯齿状沿所述交叉网状结构延伸，并与所述焊盘结构相连接。5.根据权利要求1所述的基于SOI的微色谱柱及微热导检测器的集成芯片，其特征在于：所述热敏电阻所采用的金属包括Pt/Ti叠层、Ni/Cr叠层、W/Ti叠层及W/Re叠层中的一种。6.根据权利要求1所述的基...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯飞，田博文，李昕欣，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：新型
国别省市：上海,31