[發明專利]一種用于微電極接觸的過載保護裝置及其制備和使用方法

有效

• 申請號: 201410135212.0
• 申請日: 2014-04-04
• 公開（公告）號: CN103928606A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發明（設計）人: 程廣貴;張偉;丁建寧;張忠強;郭立強;石陽陽;凌智勇
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H01L41/047
• 分類號: H01L41/047;H01L41/29
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明涉及電接觸系統，特指一種利用材料相變收縮原理制備的微電極接觸的過載保護裝置及其制備和使用方法。

背景技術

世面上常見的電路過載保護裝置主要由電磁鐵、銜鐵等組成，結構較為復雜，接觸分離形式多為機械運動，斷流時間較長，通常不小于0.1s；精密微電子器件在承受過流的時候往往會發生瞬間燒毀，常規的過載保護起不到保護作用；基于微電子技術的抗過載保護開關，如光開關則是借助于光電效應實現后續電路的抗過載保護，但是隨著發光管的老化，后續電路容易出現欠壓工作；在研究中發現，當給單晶硅表面濺射的Ge_xSb_yTe_z（簡稱GST）薄膜施加某一閾值以上電壓時，薄膜材料結構將從非晶態轉變成晶態，從電學方面，材料的導電性能發生了較大的變化，在表面形貌方面，相變發生后，宏觀表現為薄膜材料表面凹陷，然而，當向該表面反向施加另一電壓時，薄膜材料還能發生反向相變，恢復到原來的非晶態結構，且相變發生時間非常短，同時具有性能穩定，壽命長等特點，由于該系列材料的這些優異特性而被用于高密度信息存儲，專利（ZL200410066141）以此為材料，開發出一種通電壓痕的納米級微加工方法，本發明提出利用GST材料在相變時發生體積收縮的原理實現微電極的接觸與斷開，從而制備出微電極接觸開關及其過載保護裝置，該裝置可以有效保證電路系統安全可靠運行。

發明內容

本發明利用相變材料GST薄膜電致收縮效應，用磁控濺射方法制備出GST薄膜，并以此為執行部件，當采樣電阻兩端的電壓達到GST的相變電壓時，薄膜發生收縮，帶動電極材料向下運動，兩電極分開，實現后續電路的保護，待故障解除后可以復位，使相變材料恢復，從而實現電路導通，本裝置可以滿足微電子電路中保護高靈敏度器件的要求。

本保護裝置由兩大部分組成：載流單元和相變激發單元，所述載流單元由載流上電極層和載流下電極層組成，載流上電極由上電極層和電極基底組成，載流下電極由下電極層、上絕緣層、下絕緣層和基底組成；相變激發單元包括相變激發上下電極、相變薄膜、相變恢復電路和采樣電阻。

相變薄膜位于相變激發上下電極之間；相變激發下電極往下依次為下絕緣層和基底。

相變激發上電極往上依次為上絕緣層、下電極、上電極和電極基底。

相變恢復電路與采樣電阻并聯，并聯電路的第一端與外電路接線柱相連，第二端分別與下電極、相變激發上電極相連，第三端與相變激發下電極連接，上電極通過引線與外電路接線柱相連。

本發明的核心工藝如下：

1、?在基底材料表面利用化學氣相沉積法或濺射方法生長一層厚度為50?~?200?nm的下絕緣層。

2?、在下絕緣層表面利用濺射工藝或蒸發工藝沉積一層厚度為50~100nm導電金屬或其合金作為相變激發下電極。

3、在相變激發下電極上利用磁控濺射制備一層厚度為300~500nm的GST相變薄膜，然后再在GST相變薄膜上濺射一層厚度為50~100nm的導電金屬或其合金作為相變激發上電極。

4、?在相變激發上電極上依次濺射厚度為50~200nm的上絕緣層和厚度為500~1000nm的下電極層。

5、在電極基底上采用濺射方法制備500~1000nm的上電極層。

6、將所制備的載流上電極與載流下電極結構放入夾具中，并使上電極與下電極正面相對疊在一起，然后夾緊固定。

7、采用微加工工藝將金絲導線分別與所述的四個電極層鍵合相連。

8、將相變恢復電路與采樣電阻并聯，并聯電路的第一端與外電路接線柱相連，第二端分別與下電極、相變激發上電極相連，第三端與相變激發下電極連接，上電極通過引線與外電路接線柱相連。

9、采用環氧樹脂對上述結構進行包覆封裝。

所述基底材料為單晶硅片或玻璃。

所述上下絕緣層為Si₃N₄或SiO₂薄膜。

所述微加工工藝包括但不限于磁控濺射、蒸發和化學氣相沉積工藝。

所述導電金屬或其合金指金、銀、銅、鋁或其合金材料構成的良導體。

所述電極基底為單晶硅片或玻璃。

采樣電阻可以根據電路載流要求進行配置，所述相變恢復電路由導線、包括紐扣電池或集成電壓源在內的相變恢復電壓源和包括按鈕開關在內的相變恢復電路導通按鈕構成，相變恢復電壓源通過導線與相變恢復電路導通按鈕并聯后再與采樣電阻并聯；所述相變恢復電壓源的電壓值大于GST的相變閾值電壓。