CN107265390A - 用于快速加热和冷却循环的mems加热器或发射器结构 - Google Patents

用于快速加热和冷却循环的mems加热器或发射器结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于快速加热和冷却循环的MEMS加热器或发射器结构。根据各种实施例，MEMS器件包括：衬底；电可移动加热元件，具有耦合到第一电压源的第一端子的第一节点和耦合到参考电压源的第二节点；将所述电可移动加热元件的第一节点锚定到所述衬底的第一锚定件和将所述电可移动加热元件的第二节点锚定到所述衬底的第二锚定件；以及在所述第一锚定件和所述第二锚定件之间且在所述电可移动加热元件和所述衬底之间的腔。

Description

用于快速加热和冷却循环的MEMS加热器或发射器结构
技术领域
本发明大体涉及MEMS器件的系统和方法，并且在特定实施例中，涉及用于控制MEMS结构的快速加热和冷却的系统和方法。
背景技术
通常包括各种电气和机械部件的微型化的微机电系统（MEMS）由各种材料和制造方法生产，并且在各种各样的应用中是有用的。这些应用包括汽车电子、医疗设备和智能便携式电子设备诸如蜂窝电话、个人数字助理（PDA）、硬盘驱动器、计算机外围设备和无线设备。在这些应用中，MEMS可以用作传感器、致动器、加速度计、开关、微镜和许多其它器件。
MEMS用于用在测量温度的温度传感器中或用在它们需要被加热并发射红外光的应用中。在这样的应用中，MEMS结构可能需要快速和准确地响应于加热信号。在一些应用中，信号可能需要在加热循环之后快速冷却。在设计考虑因素中可能考虑到的各种属性包括例如热响应、几何形状和温度敏感性。焦耳加热通常用在由于电流流过结构而产生热的MEMS结构中。能量在导致热耗散的结构的电阻上耗散。在MEMS结构中，加热元件通常悬挂在腔中以实现热隔离。加热元件还可以基于通过加热元件的电流流动而呈现致动并发射红外光。
发明内容
根据各种实施例，MEMS器件包括：衬底；电可移动加热元件，具有耦合到第一电压源的第一端子的第一节点和耦合到参考电压源的第二节点；将电可移动加热元件的第一节点锚定到衬底的第一锚定件和将电可移动加热元件的第二节点锚定到衬底的第二锚定件；以及在第一锚定件和第二锚定件之间以及在电可移动加热元件和衬底之间的腔。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考结合附图进行的以下描述，在附图中：
图1A图示了常规微机电系统（MEMS）加热器件的顶视图；
图1B图示了MEMS加热器件的横截面视图；
图2A图示了在加热循环期间的实施例MEMS加热器件的横截面视图；
图2B图示了在冷却循环期间的实施例MEMS加热器件的横截面视图；
图3图示了由控制电路控制的MEMS加热器件的另一实施例；
图4A图示了在相对端处具有针对加热元件和膜的弹簧支撑件的MEMS加热器件的顶视图；
图4B图示了包括感测电极的MEMS加热器件的顶视图；
图5图示了另一实施例MEMS加热器件的横截面视图，该加热器件具有形成在衬底上方并且在腔下方的绝缘层；
图6A图示了另一实施例MEMS加热器件的横截面视图，该加热器件具有由拉伸层封装的加热元件和膜；
图6B图示了具有加热元件的另一实施例MEMS加热器件的横截面视图，该加热元件具有在底部和腔上方的拉伸层；
图7图示了具有在加热元件上方的压电元件的另一实施例MEMS加热器件的横截面视图；
图8A图示了具有形成在腔上方的绝缘层中的粘连凸块的另一实施例MEMS加热器件的横截面视图；
图8B图示了图8A中所示的粘连凸块（stiction bump）的SEM图像；
图9A-9F图示了图2A的实施例MEMS加热器件的制造工艺流程；
图10A-10G图示了针对图5的实施例MEMS加热器件的制造工艺流程；
图11A-11H图示了用于在MEMS加热器件中形成粘连凸块的制造工艺流程；
图12图示了使用实施例MEMS加热器件的实施例光声传感器（PAS）；
图13A和13B（共同为图13）图示了本发明的实施例的实施方式的示例；
图14图示了本发明的实施例的实施方式的另一示例；和
图15图示了用于形成MEMS器件的实施例方法的流程图。
具体实施方式
下面详细讨论各种实施例的做出和使用。然而，应当领会，本文所描述的各种实施例可应用于各种各样的特定上下文中。所讨论的特定实施例仅仅说明了用于做出和使用各种实施例的特定方式，并且不应以限制范围进行解释。
将关于特定上下文（即，用于控制微机电系统（MEMS）器件的快速加热和冷却的系统和方法）中的优选实施例来描述本发明。本文所描述的各种实施例中的一些包括MEMS加热元件、MEMS衬底、MEMS衬底中的腔和接口电路。本发明的其它实施例还可以应用于利用由MEMS器件进行的加热或冷却的各种系统，例如温度传感器、红外光发射器、热流传感器、光声器件、微致动器和许多其它器件或应用。
随着半导体器件的微型化继续，MEMS器件变得越来越流行并且在诸如加热器、温度传感器、微致动器、光声器件、微热板气体传感器等等的器件中找到各种各样的应用。这些应用包括被设计成以受控方式实现最佳加热和冷却的一个或多个MEMS加热元件。加热可以以包括焦耳加热的不同方式实现。在一些应用中，可通过使MEMS加热元件放置在称为膜的热隔离微加工平台（在一些情况下为载板）上来增加加热效率。
焦耳加热与半导体器件中的电现象和热现象之间的耦合有关。此外，MEMS器件中的焦耳加热结合了电热机械（ETM）效应，由此可以基于跨该器件的电势来致动该结构。通过跨结构施加电势并允许电流流过导电层，可以快速加热MEMS结构中的导电层。电流流动耗散导电层的电阻上的功率，并且增加导电层的温度。为了通过焦耳加热保持热能，MEMS结构大体包括在悬挂在开放腔内的膜或载板上的导体层。腔用作热绝缘体。导体层可以由小质量组成，使得加热可以快速。腔给衬底提供大的热阻或绝缘，从而在加热期间允许良好的热效率。
在冷却期间加热元件和衬底之间的大的热阻导致热的缓慢耗散并且使冷却过程效率低下。腔的存在有助于快速加热，但阻碍快速冷却。在冷却时段期间悬挂在衬底上方的腔中的MEMS加热元件可能不会高效地耗散热量以进行快速冷却。
图1A图示了MEMS结构100的顶视图，MEMS结构100包括在腔106内部的膜102和电阻性导体层的加热元件104。图1B示出了MEMS结构100的示意横截面，为了简化讨论，该横截面不一定对应于器件的任何真实横截面（并且不对应于图1A的平面图的任何横截面）。
腔106将加热元件104与衬底热隔离。跨加热元件104的电流流动使加热元件104的温度上升。加热元件104的较小质量在加热循环期间提供加热元件104的温度的较快上升。腔106中的空气用作热隔离器并允许热量由加热元件104保持。在加热元件104和膜102下方的腔106的存在提供在加热元件104和衬底之间大的热阻抗。大的热阻抗因此允许快速加热和热效率的增加。
如图1B所示，膜102和加热元件104悬挂在腔106上方。加热元件104和膜102通过锚定件108支撑在衬底110上方。锚定件108可以形成为在衬底110上方围绕腔106的一个连续结构。腔106位于膜102下方并且在衬底110上方。基于应用，腔106可以填充有空气或任何气体元素或真空。锚定件108由电介质材料制成，并且用作膜102和加热元件104与衬底110的热隔离器。
MEMS衬底110可以由例如硅、锗和砷化镓的材料形成。根据各种实施例，MEMS衬底110可以掺杂有p型或n型杂质。在另一实施例中，衬底可以由用于高效热传递的金属形成。
锚定件108由可包括二氧化硅、碳化硅、氮化硅等的电介质材料形成。在加热元件104下方和在锚定件108上方建立绝缘层118。绝缘层118由锚定件108支撑在MEMS衬底110和腔106上方。在其它实施例中，绝缘层118可例如由高强度电绝缘体氮化硅形成。
加热元件104由可以按各种方式形成的电阻性导体材料实施。在各种实施例中，加热元件104可由诸如铂和钨的金属形成。在其它实施例中，可以使用非金属诸如多晶硅、碳化硅、非晶硅或单晶硅等。散热器可以被实施在与加热电极104相同的层中，以更有效和均匀地跨越膜102散布热量。散热器通常将不会电连接到加热元件。
在一些应用中，MEMS结构100可以用作针对气体介质的温度传感器，在温度传感器中腔106填充有气体介质。气体介质由于其差的热传导而防止由加热元件104引起的快速热耗散。当加热元件104用作温度传感器时，该差的热传导可能导致温度测量的不准确性。在实施例中，加热元件阵列可以形成在单个衬底中以加热器件。在另一实施例中，要加热的器件可以被放置在加热元件阵列上方。
热管理是在设计MEMS器件中的考虑因素。经由MEMS器件的热量产生通常涉及焦耳加热，在焦耳加热中电压被施加到MEMS器件的MEMS加热元件，并且由于电流流过MEMS加热元件而生成热量。焦耳加热由焦耳定律定义，等式由下式给出：
Q =j2 ρ (1)
其中j是具有单位Amp（安培）/m2的电流密度矢量，ρ是表达为ohms-m（欧姆-米）的比电阻率，并且Q是由单位Watt（瓦特）/m3定义的每单位体积的生成热量。比电阻率ρ是用作MEMS加热元件的材料的类型、形状和结构的函数。
基于应用，用于焦耳加热的电压可以用特定周期施以脉冲。当跨加热元件的导电层施加电压并引起电流流动时，进行加热。当施加脉冲电压以加热该加热元件的导电层时，加热遵循作为时间常数的函数的热分布。时间常数是加热元件到衬底或热沉的热阻的函数。可以利用大的热阻以及利用流过加热元件的电流的快速转换速率来实现快速加热。可替换地，可以通过到衬底或热沉的小热阻和电流的快速转换速率来实现快速冷却。
在本发明的实施例中，MEMS结构被设计为允许通过跨MEMS加热元件施加电压来快速加热，并且通过致动MEMS加热元件以与MEMS衬底进行接触而允许快速冷却。通过在加热元件和MEMS衬底之间生成静电力来完成要与MEMS衬底建立接触的MEMS加热元件的致动。通过与MEMS衬底进行表面接触，MEMS加热元件实现了到MEMS结构的衬底的非常低的热阻抗。
可以利用以特定距离吸引两个相反带电的元件的静电力来描述MEMS加热元件的致动。静电力F由库仑方程给出：
(2)
其中k是常数，Q1、Q2是电荷并且d是两个带电元件之间的距离。在本发明的实施例中，MEMS加热器元件被充电到高电位，并且MEMS衬底被充电到地电位，以便在它们之间创建静电力F。根据各种实施例，不同的致动方法和元件（例如，压电传感器、热膨胀）可以用于致动加热元件以与MEMS衬底进行接触。
图2A图示了在加热循环期间的实施例MEMS加热器100的横截面视图，而图2B图示了在冷却循环期间的相同实施例MEMS加热器100的横截面视图。
图2A和2B类似于图1B，但包括附加细节以图示操作中的器件。例如，在加热元件104的两个相对端处制成电接触件112和114。在一些实施例中，电接触件112和114可以由铝、氮化钛、钨等形成。
在加热循环期间，电接触件112用于连接到电压源的高电位并且电接触件114连接到地参考。给MEMS衬底110制成另一电接触件116，该另一电接触件116在加热循环期间保持开路。在加热循环期间，电流由于电接触件112和114之间的电势差而经由加热元件104流动并引起焦耳加热。当加热元件104和MEMS衬底110彼此接触时，绝缘层118防止加热元件104和MEMS衬底110之间的任何电流流动。在该配置中，加热元件104通过腔106保持与MEMS衬底110分离，例如热绝缘。
图2B图示了在冷却循环期间的实施例MEMS加热器100的横截面视图。在该配置中，在加热元件104和衬底110之间创建电压电位，以使加热元件104和绝缘层118与腔106内部的MEMS衬底110接触。
在从加热循环进行切换中，从电接触件114去除到加热元件104的参考电源连接，并且电接触件116连接到地参考。电接触件114可以被设置为如所图示的电压+V或被允许浮置。在另一配置中，允许电接触件116浮置，而电压+V连接到电接触件114。在其他实施例中，可以施加其他电压以实现相同的结果。
在图2A和2B的示例中，绝缘层118防止加热元件104与MEMS衬底110直接接触，例如以防止电流流入衬底并且防止加热元件104粘附到衬底110。在该示例中，可移动部分包括加热元件104和绝缘层118，但不包括图1B中的膜层102。应当理解，绝缘层118可以是膜层，或者该结构可以包括分离的层。事实上，在某些实施例中，两个层都不需要，并且加热元件104是在操作期间偏转的唯一部分。
返回到图2B中所图示的操作，在加热循环期间悬挂在腔106内部的加热元件104和绝缘层118的一部分被偏转和拉下以与MEMS衬底110接触。偏转发生在加热元件104和绝缘层118的两端。锚定件108防止加热元件104和绝缘层118的端部偏转。加热元件104和绝缘层118在锚定件108的顶部上的区域在两端保持锚定。锚定件108是围绕腔体106的一个连续结构。
图3图示了具有控制加热元件104的加热和冷却的控制电路310的实施例MEMS加热器100的横截面。控制电路310基于加热和冷却循环将电信号发送到加热元件104和MEMS衬底110。在该示例中，MEMS器件100接收来自电压源316的高参考（例如，+V）、来自电压源314的低参考（例如，地）和来自脉冲发生器312的脉冲电压。这些电压由对开关320-326进行控制的控制电路318控制。
脉冲发生器312由开关324控制，以在加热循环期间耦合到电接触件112。尽管未在该特定电路中实施，但脉冲发生器312可在冷却循环期间耦合到电接触件112和/或电接触件114。周期是根据应用设计的。在实施例中，脉冲发生器的频率在5至10 Hz之间。在其他实施例中，频率可以更低或更高。例如，频率可以在几百赫兹中。
在所图示的示例中，地参考电压314由控制开关320控制以在加热循环期间耦合到电接触件114，并且由开关322控制以在冷却循环期间耦合到电接触件116。同样，高参考电压316由开关326控制，以在加热循环和冷却循环期间耦合到电接触件112。
应当注意，尽管图示了控制电路310的一种配置，但本领域技术人员可以认识到，可以按各种不同的方式实施控制电路310。在实施例中，控制电路310可以形成在同一MEMS衬底中。在另一实施例中，控制电路310可以是另一集成电路（IC）的一部分。在各种实施例中，加热元件104的阵列可以由单个控制电路310控制。在另一实施例中，每个加热元件可以具有它们自己的控制电路310，以允许在加热和冷却操作期间对加热元件104进行独立控制。
图4A和4B图示了其他实施例。参考图4A，MEMS加热器400包括在MEMS结构的相对端处具有弹簧支撑件404的加热元件104。每个弹簧支撑件404具有位于锚定件108的顶部上的弹簧锚定件410。MEMS加热器400还包括形成在加热元件104下方的膜102，膜102在悬挂在MEMS衬底上方的腔中时承载加热元件104并且给加热元件104提供支撑。弹簧支撑件404电连接到加热元件104，并且弹簧支撑件408电连接到膜102的两个相对端。每个弹簧支撑件408包括弹簧锚定件412，弹簧锚定件412被放置在MEMS衬底110上方的锚定件108的顶部上，以将加热元件104和膜102悬挂在MEMS衬底上方并且在腔内部。
膜102形成为矩形形状，并且加热元件104形成为蛇形以允许更小的加热质量。较小的质量以跨加热元件的较小电压提供较快的加热。然而，在另一实施例中，加热元件104可以形成为矩形形状或由膜102支撑的任何其它形状。在膜102和加热元件104的两端处的弹簧支撑件允许在冷却循环中的热传递期间减小的致动电压和与衬底的更大表面接触。
图4B图示了包括第二蛇形结构105的实施例。该第二结构105可以是用于温度感测的电极。如所图示的，感测结构105可以使用两个其它锚定件来电连接到控制电路（例如，图3的控制电路310）。感测的结果可以用于控制感测加热元件104的加热和冷却。
还设想了其他实施例和变型。例如，可以使用力和感测电极来消除寄生接触电阻。要理解，可以组合使用本文所述的实施例和变型中的各种实施例和变型。
图5图示了实施例MEMS加热器500的横截面，MEMS加热器500包括电绝缘层118，电绝缘层118形成在MEMS衬底110上方而不是如图2A的实施例所示附接到加热元件104。在MEMS衬底110而不是膜102上形成电绝缘层118消除了在先前描述的实施例中的致动期间可能由电绝缘层118施加在膜102上的机械影响，因为电绝缘层118不经受任何致动。在冷却循环期间，MEMS衬底110与膜102保持电隔离。在另一实施例中，如先前描述的绝缘体118可以例如形成在膜102下方，如图2A所示。
图6A和6B图示了其中加热元件104由拉伸层602的涂层封装的MEMS加热器600和620的另一实施例。膜102和加热元件104可以通过拉伸层602涂覆在上表面和或下表面上。拉伸层602在致动期间提供加热元件104的柔性，并且促进加热元件104在冷却循环期间接触MEMS衬底110。加热元件104与衬底110的电隔离也通过拉伸层602来实现，同时在冷却循环期间处于接触。图6A图示了其中拉伸层602形成在膜102和加热元件104的组合的顶部表面和底部表面二者上的示例，而图6B图示了MEMS加热器620的另一实施例，该MEMS加热器620包括在膜102和加热元件104的组合的底部处的单个拉伸层602的涂层。涂层可以用不同类型的拉伸层制成。在本发明的实施例中，拉伸层602可以用氮化硅层形成。
图7图示了包括形成在加热元件104的两端处的压电器件702的MEMS加热器700的另一实施例。加热元件104的每一端处的压电体702在膨胀期间夹住加热元件104。在压电体702的膨胀期间，如箭头706所图示的向下弯曲力矩被创建在加热元件104上，该力矩使得加热元件104向下致动并接触MEMS衬底110。当在两端的压电体702收缩时，加热元件104向上致动。因此，通过扩展压电体702，加热元件104可以被向下致动以与MEMS衬底110接触，从而实现快速热耗散。
另一方面，随着压电体702收缩，加热元件104可被拉离MEMS衬底110以在腔106中创建热隔离，从而防止在加热循环期间的热能损失。膜102形成在加热元件104下方以承载加热元件104。加热元件104的致动使得膜102跟随朝向衬底110的致动。可替换地，在压电体收缩期间，膜102被致动向上并远离衬底110。在本发明的实施例中，压电体可以由加热元件104上方的薄膜压电和结构材料形成。
图8A图示了包括形成在绝缘层118中的防粘连凸块802的实施例MEMS加热器800的横截面视图。防粘连凸块是隔离层的例如具有尖锐尖端的小突出部，所述小突出部防止绝缘层118粘连到MEMS衬底110。绝缘层118的平滑表面可以在冷却循环期间保持附接到MEMS衬底的平滑表面，并且在冷却循环之后可能需要附加力来去除，从而与MEMS衬底隔离。具有其尖锐尖端的防粘连凸块802防止粘连并且允许绝缘层118和加热元件104在操作期间容易分离。
图8B图示了具有防粘连凸块802的绝缘层118的扫描电子显微镜（SEM）图像。通过使用附加掩模来创建防粘连凸块，该掩模用于创建在填充腔的牺牲层中蚀刻的小正方形或者圆孔。当绝缘层沉积在牺牲层的顶部上时，绝缘层118填满这些孔。一旦沉积形成加热元件104的电阻性导体层，就去除牺牲层；然而，填满正方形或孔的绝缘层中的突起结构保留并且在腔106内部创建防粘连凸块802。通过过度曝光牺牲层，可以使防粘连凸块的尖端变得尖锐。
在另一实施例中，可以通过加热器本身防止粘连。特别地，加热器温度可以防止粘连，因为造成粘连的水被蒸发。这是用于防止粘连的机制的另一示例。
图9A-9F图示了针对实施例MEMS器件100的实施例制造工艺流程。如下面将讨论的，使用以TEOS氧化物和多晶硅进行的简单表面微机械工艺来形成如上所述的牺牲层。替代方案是可能的，诸如明确提及的替代方案和本领域普通技术人员将清楚的其它替代方案。
根据各种实施例，图9A以晶片900开始，晶片900包括衬底110和在衬底110上方形成的电介质层904。在替代实施例中，衬底110可由硅或其它材料形成，其它材料诸如是硅锗、碳化硅、砷化镓等。衬底110可以是绝缘体上硅（SOI）衬底。SOI衬底可以包括在绝缘体层（例如，掩埋氧化物）上方形成的半导体材料（例如，硅锗、砷化镓等）层，所述绝缘体层（例如，掩埋氧化物）形成在硅衬底中。可替换地，可使用的其它衬底包括多层衬底、梯度衬底、混合定向衬底等。
电介质层904由诸如二氧化硅（SiO2）的电介质材料形成。由二氧化硅形成的电介质层904用作强的热和电绝缘体。可以使用例如旋涂、化学气相沉积（CVD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、低压CVD或其他合适的沉积技术而在衬底110上方沉积电介质层904。在其他实施例中，电介质层904可以由不同的合适材料形成，所述不同的合适材料诸如是低k电介质（例如碳掺杂氧化物）、极低k电介质（例如，多孔碳掺杂二氧化硅）、聚合物（例如聚酰亚胺）、其组合等。可以在随后的工艺步骤中去除电介质层904的一部分，以便形成用于MEMS结构到衬底110的锚定件或基底。
图9B图示了图案化的电介质层904，该图案化的电介质层904形成锚定件或基底108以支撑衬底110上方的MEMS结构。可以使用例如光刻和蚀刻技术的组合来完成电介质层904的图案化。可以通过在电介质层904上方沉积光致抗蚀剂来执行在衬底110上方的电介质层的图案化。将液体光致抗蚀剂跨晶片900放置在电介质层904上。晶片900以高速旋转以产生薄且均匀的光致抗蚀剂涂层。然后曝光光致抗蚀剂以选择性地蚀刻出电介质层904的一部分，该部分在衬底110上方形成腔。可以使用不同的蚀刻技术，例如反应离子蚀刻（RIE）、横向蚀刻等，以去除电介质层904的部分。
图9C图示了跨晶片900的牺牲层906的形成，该牺牲层906填充如前面段落中所描述的经图案化和蚀刻的腔。选择牺牲层906使得在后续工艺中去除牺牲层906期间不会损坏锚定件108。在处理期间通过牺牲层906实现MEMS结构的各种设计要求。牺牲层906不构成最终MEMS结构的任何部分，并且因此称为牺牲层。牺牲层906的合适的机械属性可以包括例如良好的粘附性、低的残余应力以避免MEMS结构的分层或开裂。
图9D图示了在牺牲层906上方沉积牺牲层906。牺牲层906可以由具有高强度电绝缘属性的氮化硅（Si3N4）层形成。用于在牺牲层906上方沉积氮化硅的不同类型的沉积技术包括例如化学气相沉积（CVD）、低压化学气相沉积（LPCVD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）以及其他技术。在实施例中，以1400 Å的厚度沉积绝缘层。
在沉积牺牲层906之后，沉积电阻性导体层104，如图9E所示。不同类型的材料可以用于电阻性导体层104，所述不同类型的材料包括例如多晶硅、碳化硅、非晶硅或单晶硅等。电阻性导体层104的沉积可以通过LPCVD或PECVD工艺来执行。在实施例中，可以以2800 Å的厚度沉积电阻性导体层104。在实施例制造工艺中，电阻性导体层104可以在沉积之后经历高温处理步骤，所述高温处理步骤可以包括例如掺杂、热氧化、退火等。基于应用，电阻性导体层104可以具有不同的方块电阻（sheet resistance）。电阻性导体层104的电阻率可以通过使用例如离子注入工艺的磷掺杂来控制。然而，可以使用其他方法例如扩散来控制电阻性导体层104的电阻率。在实施例中，电阻性导体层104具有100欧姆/□的方块电阻率。在另一实施例中，牺牲层906的厚度可以在电阻性导体层104的厚度的0.1和0.5之间。
图9F图示了在电阻性导体层104上的图案化工艺。例如，使用光刻和蚀刻的组合来执行图案化。根据实施例，电阻性导体层104被图案化成矩形形状的加热元件。在实施例中，完成电阻性导体层104的图案化以创建用于MEMS器件的蛇形加热元件。在另一实施例中，完成电阻性导体层的图案化以在蛇形加热元件的两端形成弹簧支撑件。基于应用，可以对各种形状进行图案化以制造加热元件。
可以设想对图9A-9F中描述的实施例制造顺序的各种修改。此外，可以在许多实施例中修改结构，并且将预期对制造顺序的修改。本文所述的各种工艺步骤和附图是说明性的。根据各种实施例，结构可以包括倾斜侧壁、粗糙表面和许多尺寸。也可以使用如2013年10月14日提交的题为“Semiconductor Device for Emitting Frequency-AdjustedInfrared Light”美国专利申请公开US 2015/0102372A1中公开的制造方法，该申请的全部内容通过引用并入本文。
图10A-10G图示了针对图5的实施例MEMS器件的实施例制造工艺流程。该工艺以如图10A所示的晶片1000的衬底110开始。根据各种实施例，衬底110可由硅或其他材料形成。在另一实施例中，例如，衬底110可以用p型材料进行轻掺杂。
图10B图示了在衬底110上方沉积薄绝缘层118。薄绝缘层可以由具有高强度电绝缘属性的氮化硅层形成。可以使用各种沉积技术来沉积绝缘层118，所述各种沉积技术例如是CVD、PECVD、LPCVD和其他合适的沉积技术。薄绝缘层的厚度可基于不同的MEMS结构而变化。在本发明的实施例中，针对约140至280 nm的厚度沉积薄绝缘层118。在其他应用中，这些厚度可以更大或更小。
通过在薄绝缘层118上方沉积电介质材料（诸如SiO2）来形成电介质层904，如图10C所示。可以使用各种方法例如旋涂CVD、PECVD或其他合适的沉积技术来完成沉积。图10D图示了图案化电介质层904以形成锚定件或基底108，所述锚定件或基底108用于将MEMS器件支撑在衬底110和牺牲层906上方。电介质层的图案化可以用于限定图5所示的MEMS器件的腔106。腔由锚定件108围绕。
图10E图示了填满由锚定件108围绕的腔的牺牲层906的沉积。牺牲层906用作临时机械层，其中可以将实际器件层（例如用于加热元件的多晶硅、用于膜的碳化硅和其它层）沉积到该临时机械层上。图10F图示沉积在牺牲层906上方的电阻性导体层104的沉积。电阻性导体层104可以由不同的材料（例如多晶硅、碳化硅等）形成。
可以用光刻和蚀刻工艺的组合来执行电阻性导体层104的图案化。负或正光致抗蚀剂可以施加到电阻性导体层104以图案化实施例MEMS加热元件。
在图案化电阻性导体层104之后，去除牺牲层906并形成腔106。加热元件保持悬挂在腔上方并且在两端被锚定，如图10G所示。
图11A-11H图示了用于在绝缘层118中形成粘连凸块的实施例制造工艺。图11A图示了如下步骤：形成牺牲层906以覆盖锚定件108内部并在衬底110上方的腔。光致抗蚀剂1102的层被沉积在牺牲层906上方，如图11B所图示的。光致抗蚀剂1102是有机聚合物，所述有机聚合物在被曝光于紫外（UV）光时改变其化学结构。光致抗蚀剂1102的沉积可以用各种方法来完成；这些方法之一包括旋涂。然后用UV光将光致抗蚀剂1102曝光以在牺牲层906上图案化粘连凸块区。图11C示出了光致抗蚀剂1102的未曝光区域1104。将光致抗蚀剂1102中的这些未曝光区域1104洗掉，以执行对牺牲层906的选择性蚀刻以形成粘连凸块。
图11D示出了这样的工艺步骤，即光致抗蚀剂1102包含未曝光区域1104以准备蚀刻牺牲层906。图11E图示了蚀刻牺牲层906以创建粘连凸块1106。可以按各种方式完成牺牲层906的蚀刻，所述各种方式例如是各向同性蚀刻、各向异性蚀刻、湿法或干法蚀刻、等离子体蚀刻。图11F图示了如下工艺步骤：去除光致抗蚀剂1102并且牺牲层906包含用于粘连凸块1106的凹槽。可以使用各种类型的溶剂来完成光致抗蚀剂的去除。
图11G图示了如下工艺步骤：将牺牲层906沉积在具有用于粘连凸块1106的凹槽的牺牲层906上方。牺牲层906填满这些凹槽，并且在牺牲层906下面创建粘连凸块1106。图11H图示了当在绝缘层118和电阻性导体层104下方去除牺牲层906时在腔内部的粘连凸块1106的突出结构。图11A-11H图示了形成粘连凸块的一种方法。应当领会，可以使用各种其他方法来在MEMS加热器件的绝缘层118中形成粘连凸块。
这里描述的器件可以用在许多应用中。在一个示例中，光声气体传感器（PAS）器件包括实施例MEMS加热元件，所述MEMS加热元件在被加热到特定温度时用作光源的发射器。图12图示了这样的实施例PAS器件1200，实施例PAS器件1200包括发射器模块1202、光学路径1204、红外（IR）滤波器1206和检测器或压敏模块1208。发射器1202可以由悬挂在腔和衬底上方的电阻性导体层形成。光学路径1204可以由可以用正被分析的气体介质填充的体积形成。IR滤波器1206可以由不同的层（例如，金属、单晶硅或多晶硅）形成。在各种实施例中，IR滤波器1206可形成在与发射器1202分开一段距离的相同衬底中。不同类型的检测器可以用作压敏模块1208，例如用于将声波转换为电信号的麦克风。在另一实施例中，可以使用光电检测器，在光电检测器中可以测量入射光信号。在另一实施例中，可以在不同的硅衬底上实现发射器模块1202和压敏模块1208。在另一实施例中，可以通过使由发射器模块1202生成的可听信号基于激励而生成来设计扬声器。
图12还图示了由发射器模块1202生成的表示不同波长的激励1210和1212。激励1210表示由用于被分析的气体介质激励的特定波长。激励1212表示除激励1210的波长之外的所有其它波长。光学路径1204中的气体介质吸收并减少激励1210的能量，如光学路径1204的输出激励所示。这些激励作为声波传播通过填充有参考气体的IR滤波器1206。
IR滤波器1206用作带通滤波器，并允许激励1210穿过。激励1212由IR滤波器1206滤波，并且不穿过IR滤波器1206。由与要分析的气体相互作用的发射器模块生成的发射器脉冲引起的声波传播到检测器或压敏模块1208。压敏模块1208用于检测入射波的压力变化。包含在由压敏模块1208生成的电信号中的信息进一步用于确定气体的组成。在实施例中，可以用扬声器实现压敏模块1208。
现在将参照图13和14描述两个特定示例。图13取自于共同未决的申请号14/052,959（公开为“Photoacoustic Gas Sensor Device and A Method for Analyzing Gas”）的图2，并且图14取自于共同未决的申请号14/052,962（公开为“Semiconductor Device forEmitting Frequency Adjusted Infrared Light”）的图4，这两个申请通过引用并入本文。留下图13A、13B和14中的数字，如在它们的说明书和申请中所公布的。
在图13A和13B的示例中，可以使用本文所述的MEMS加热结构104来实现发射器模块（在上述参考文献中称为120）。在图13A和13B中，发射器模块由加热元件104实现，并且因此在下面的描述中被称为发射器模块104。图13A图示了根据实施例的用于分析气体的光声气体传感器器件1300的示意图。光声气体传感器器件1300包括布置在共同衬底110上的发射器模块104和压敏模块1330。发射器模块104能够发射或被配置为发射光脉冲122。压敏模块1330布置在参考气体体积106B内。参考气体体积106B与旨在填充有要分析的气体的体积106A分离。压敏模块1330生成传感器信号132，传感器信号132指示关于由发射器模块104发射的光脉冲122与参考气体体积106B内的参考气体相互作用所引起的声波124的信息。
图13B图示了根据实施例的光声气体传感器器件1300的横截面。光声气体传感器器件1300包括布置在共同衬底110的同一侧上的发射器模块104、压敏模块1330和分析模块1340。发射器模块104通过孔或窗口1322将光脉冲122发射到旨在用要分析的气体填充的体积106A中。与压敏模块1330相对定位的参考气体体积106B的部分由与体积106A的壳体1303相邻的壳体1309包围。共同衬底110包括在压敏模块1330和参考气体体积106B之间的孔1306。盖或壳体1350覆盖压敏模块1330和分析模块1340。分析模块1340横向布置在压敏模块1330和发射器模块104之间。发射器模块104和分析模块1340可选地由浇注化合物1360保护。参考气体体积106B由包括气体出口1305和气体入口1307的壳体1303包围。载体衬底110可以包括一个或多个电接触件1314。电接地接触件1312可以用于将屏蔽盖1350接触到共同衬底110。
在图14的示例中，横向发射器结构1410可由如本文所述的实施例加热元件104实现。图14图示了根据实施例的用于发射频率调节的红外光的半导体器件1400的示意性横截面。还将发射可见光（根据普朗克定律的黑/灰体辐射）。
半导体器件1400包括半导体衬底110和横向发射器结构1410（例如，IR发射器元件），所述横向发射器结构1410布置在通过腔106与半导体衬底110分离的金属层（例如铜、铝、钨、钛或氮化钛）或半导体层（例如单晶硅或多晶硅）内。例如，横向发射器结构1410包括边缘区1412，所述边缘区1412围绕横向发射器结构1410的主要（大于光强度的50％）促成发射的红外光的部分，所述部分横向延伸到由绝缘层形成的绝缘材料（例如二氧化硅）中。横向发射器结构1410通过电接触件1402（例如，通孔、丝状接触件）在相对侧与边缘区1412电连接，以连接到外部电流源或连接到同一半导体管芯上的发射器控制模块。横向滤波器结构1404（例如，光子晶体滤波器）通过横向气隙1430位于横向发射器结构1410上方。
图15图示了根据实施例的用于制造MEMS加热器件的方法1500的流程图。方法1500开始于步骤1502，步骤1502包括在衬底上方形成电介质层。在步骤1504中，将电介质层图案化以形成第一锚定件和第二锚定件。第一和第二锚定件由衬底上方的腔分离。在步骤1506中，在腔中形成牺牲层，使得可以沉积实际的mems器件。在步骤1508中，在牺牲层上方沉积绝缘层。在实施例中，绝缘层的厚度在加热元件的层的厚度的0.1至0.5之间。在步骤1510中，在绝缘层上方沉积用于形成加热元件的电阻性导体层。在步骤1512中，电阻性导体层被图案化以形成加热元件。加热元件可以由许多不同的形状制成，例如以矩形或蛇形的形状制成。在步骤1514中，在绝缘层下面去除牺牲层以形成实际腔，在所述实际腔上方悬挂加热元件。
根据本文描述的一些实施例，优点可以包括向集成产品添加功能。一些实施例可以包括集成在同一半导体管芯中的加热元件和控制电路。这样的实施例可以有利地在制造顺序期间不包括额外的掩模或仅仅单个额外的掩模。一些实施例的另一优点可以包括集成温度感测功能。在一些实施例中，在单个半导体中的集成还可以有利地导致改进的性能和降低的成本。一些实施例的另一优点可以包括为可以在单个封装中与加热元件接触或间隔开小距离放置的对象提供加热。这样的实施例可有利地改进加热性能，增加热效率等。
如上所讨论的，本发明包括多个实施例。注意的是，可以组合实施例的各种方面。在一个实施例中，一种方法用于操作包括覆盖在衬底上的可移动加热器元件的MEMS元件。该方法包括：通过在可移动加热器元件与衬底间隔开的同时使电流流过可移动加热器元件来加热可移动加热器元件；以及通过使所述可移动加热器元件在与所述衬底电隔离的同时物理接触所述衬底来冷却所述可移动加热器元件。
实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。冷却可移动加热器元件可以通过在可移动加热器元件和衬底之间引起电压差并且中断通过可移动加热器元件的电流流动来实现。冷却可移动加热器元件可以通过将衬底连接到与可移动加热器元件不同的电位而在衬底和加热器元件之间生成静电力来实现。冷却可移动加热器元件可以通过第一压电体和第二压电体的膨胀而在加热器元件上生成致动力来实现，其中第一压电体位于加热元件的第一端上，并且第二压电体位于加热元件的第二端上。加热可移动加热器元件可以通过由可移动加热器元件生成光来实现。
在另一实施例中，一种方法用于形成微机电系统（MEMS）加热器元件。该方法包括：在衬底上方形成电介质层；图案化所述电介质层以在所述电介质层内形成腔；在所述腔中形成牺牲层；在所述牺牲层上方沉积绝缘层；在所述绝缘层上方沉积电阻性导体层；图案化所述电阻性导体层以形成加热器元件，所述加热器元件覆盖在所述腔上并延伸到所述电介质层的两个区；以及从所述腔去除所述牺牲层，使得所述加热器元件的一部分与所述衬底间隔开。
实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。该方法还可以包括在电阻性导体层的第一端形成第一接触件以及在电阻性导体层的第二端形成第二接触件。该方法还可以包括在电阻性导体层上方沉积第二绝缘层以封装加热器元件。第二绝缘体层的厚度可以在加热器元件的厚度的0.1和0.5之间。绝缘体和第二绝缘体可以包括氮化硅。绝缘体和第二绝缘体可以包括具有高拉伸强度的材料。该方法还可以包括在绝缘体层的表面处形成粘连凸块阵列。
在另一实施例中，一种MEMS器件包括：衬底；具有第一节点和第二节点的电可移动加热元件，其中所述第一节点耦合到第一电压源的第一端子，并且所述第二节点耦合到参考电压源；将所述电可移动加热元件的第一节点锚定到所述衬底的第一锚定件和将所述电可移动加热元件的第二节点锚定到所述衬底的第二锚定件；以及在第一和第二锚定件之间以及在所述电可移动加热元件和所述衬底之间的腔。
实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。第一电压源可以被配置为向电可移动加热元件的第一节点提供第一电压。电可移动加热元件可以被配置为通过使可电移动加热元件的第二节点从参考电压源去除并跨可电移动加热元件创建等电位表面而被冷却下来。衬底可以连接到参考电压源，使得可以在电可移动加热元件和衬底之间产生静电力，以致动电可移动加热元件以与衬底接触。
电可移动加热元件可以用氮化硅封装。电可移动加热元件的阵列可以布置在衬底上方，其中阵列中的电可移动加热元件可以按组进行控制。阵列中的电可移动加热元件可以由第一电压源阵列分离地控制。
MEMS器件还可包括控制电路，所述控制电路被配置为在加热周期期间提供通过可移动加热元件的电流且引起红外光发射。MEMS器件还可包括将加热元件耦合到第一和第二锚定件的弹簧支撑件。MEMS器件还可包括膜，加热元件包括覆盖在膜上的蛇形结构，弹簧结构形成在膜与第一和第二锚定件之间。
在另一实施例中，MEMS器件包括：其中形成有腔的材料区；锚定到材料区并覆盖在所述腔上的可移动膜，所述可移动膜包括电可移动加热元件；第一压电材料，在所述材料区的第一部分处物理地附接所述可移动膜；以及第二压电材料，在所述材料区的第二部分处物理地附接所述可移动膜。第一和第二压电材料被配置为使得膜在腔的顶部处的第一位置至腔内的第二位置之间移动。
实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。加热元件可以包括覆盖在膜上的蛇形结构。MEMS器件还可以包括形成在与加热元件相同的层中的散热器结构，散热器结构与加热元件电绝缘。
虽然已经参考说明性实施例描述了本发明，但是本描述并不旨在以限制的意义来解释。说明性实施例的各种修改和组合以及本发明的其它实施例对于本领域技术人员在参考该描述时将是显而易见的。因此，旨在所附权利要求涵盖任何这样的修改或实施例。

Claims (25)

1.一种用于操作MEMS元件的方法，所述MEMS元件包括覆盖在衬底上的可移动加热器元件，所述方法包括：
通过在可移动加热器元件与衬底间隔开的同时使电流流过可移动加热器元件来加热可移动加热器元件；和
通过使可移动加热器元件在与衬底电隔离的同时物理接触所述衬底来冷却可移动加热器元件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中冷却所述可移动加热器元件包括引起所述可移动加热器元件和所述衬底之间的电压差以及中断通过所述可移动加热器元件的电流流动。
3.根据权利要求1所述的方法，其中冷却所述可移动加热器元件包括通过将所述衬底连接到与所述可移动加热器元件不同的电位而在所述衬底和所述加热器元件之间生成静电力。
4.根据权利要求1所述的方法，其中冷却所述可移动加热器元件包括通过第一压电体和第二压电体的膨胀而在所述加热器元件上生成致动力，其中所述第一压电体位于加热元件的第一端上，并且第二压电体位于加热元件的第二端上。
5.根据权利要求1所述的方法，其中加热所述可移动加热器元件包括由所述可移动加热器元件生成光。
6.一种用于形成微机电系统（MEMS）加热器元件的方法，所述方法包括：
在衬底上方形成电介质层；
图案化所述电介质层以在所述电介质层内形成腔；
在所述腔中形成牺牲层；
在所述牺牲层上方沉积绝缘层；
在所述绝缘层上沉积电阻性导体层；
图案化所述电阻性导体层以形成加热器元件，所述加热器元件覆盖在所述腔上并延伸到所述电介质层的两个区；和
从所述腔去除所述牺牲层，使得所述加热器元件的一部分与所述衬底间隔开。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括在所述电阻性导体层的第一端形成第一接触件并且在所述电阻性导体层的第二端形成第二接触件。
8.根据权利要求6所述的方法，还包括在所述电阻性导体层上方沉积第二绝缘层以封装所述加热器元件。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第二绝缘体层的厚度在所述加热器元件的厚度的0.1和0.5之间。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述绝缘体和所述第二绝缘体包括氮化硅。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述绝缘体和所述第二绝缘体包括具有高拉伸强度的材料。
12.根据权利要求6所述的方法，还包括在所述绝缘体层的表面处形成粘连凸块阵列。
13.一种MEMS器件，包括：
衬底；
具有第一节点和第二节点的电可移动加热元件，其中所述第一节点耦合到第一电压源的第一端子，并且所述第二节点耦合到参考电压源；
第一锚定件，将所述电可移动加热元件的第一节点锚定到所述衬底；以及第二锚定件，将所述电可移动加热元件的第二节点锚定到所述衬底；和
在第一和第二锚定件之间且在电可移动加热元件和衬底之间的腔。
14.根据权利要求13所述的MEMS器件，其中所述第一电压源被配置为向所述电可移动加热元件的所述第一节点提供第一电压。
15.根据权利要求14所述的MEMS器件，其中所述电可移动加热元件被配置为通过使所述电可移动加热元件的第二节点从所述参考电压源去除并且跨越所述电可移动加热元件创建等电位表面而被冷却下来。
16.根据权利要求13所述的MEMS器件，其中所述衬底连接到所述参考电压源，使得能够在所述电可移动加热元件与所述衬底之间产生静电力以致动所述电可移动加热元件以接触所述衬底。
17.根据权利要求13所述的MEMS器件，其中所述电可移动加热元件用氮化硅封装。
18.根据权利要求13所述的MEMS器件，其中电可移动加热元件的阵列被布置在所述衬底上方，其中所述阵列中的所述电可移动加热元件能够按组进行控制。
19.根据权利要求18所述的MEMS器件，其中所述阵列中的所述电可移动加热元件能够由第一电压源阵列分离地控制。
20.根据权利要求13所述的MEMS器件，还包括控制电路，所述控制电路被配置为在加热周期期间提供通过所述可移动加热元件的电流并且引起红外光发射。
21.根据权利要求13所述的MEMS器件，还包括：弹簧支撑件，将所述加热元件耦合到第一和第二锚定件。
22.根据权利要求21所述的MEMS器件，还包括膜，所述加热元件包括覆盖在所述膜上的蛇形结构，所述弹簧结构形成在所述膜与第一和第二锚定件之间。
23.一种MEMS器件，包括：
材料区，在所述材料区中形成腔；
可移动膜，锚定到所述材料区并且覆盖在所述腔上，所述可移动膜包括电可移动加热元件；
第一压电材料，在所述材料区的第一部分处物理地附接所述可移动膜；和
第二压电材料，在所述材料区的第二部分处物理地附接所述可移动膜，其中第一和第二压电材料被配置为使所述膜在所述腔的顶部处的第一位置至所述腔内的第二位置之间移动。
24.根据权利要求23所述的MEMS器件，其中所述加热元件包括覆盖在所述膜上的蛇形结构。
25.根据权利要求23所述的MEMS器件，还包括形成在与所述加热元件相同的层中的散热器结构，所述散热器结构与所述加热元件电绝缘。
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