CN107265392B - 光发射器装置、光声气体传感器和用于形成光发射器装置的方法 - Google Patents

光发射器装置、光声气体传感器和用于形成光发射器装置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光发射器装置、光声气体传感器和用于形成光发射器装置的方法。一种光发射器装置包括发射器部件，所述发射器部件包括布置在膜结构上的加热器结构。膜结构位于第一腔上方。另外，第一腔位于膜结构和发射器部件的支撑衬底的至少一部分之间。此外，加热器结构被配置为：如果预定义电流流过加热器结构，则发射光。另外，光发射器装置包括具有凹部的盖衬底。将盖衬底附接到发射器部件，使得凹部在膜结构和盖衬底之间形成第二腔。此外，第二腔中的压强小于100mbar。

Description

光发射器装置、光声气体传感器和用于形成光发射器装置的 方法
技术领域
示例涉及用于生成光的概念及其应用，并且特别涉及光发射器装置、光声气体传感器和用于形成光发射器装置的方法。
背景技术
光发射器装置（例如微机电系统光发射器装置）可能必须在成本方面进行优化。然而，期望形成具有降低的功率消耗的光发射器装置。
发明内容
可能需要提供具有降低的功率消耗的光发射器装置的概念。
这种需要可以由权利要求的主题内容来满足。
一些实施例涉及一种光发射器装置。光发射器装置包括发射器部件，所述发射器部件包括布置在膜结构上的加热器结构。膜结构位于第一腔上方。另外，第一腔位于膜结构和发射器部件的支撑衬底的至少一部分之间。此外，加热器结构被配置为如果预定义电流流过加热器结构则发射光。另外，光发射器装置包括具有凹部的盖衬底。盖衬底附接到发射器部件，使得凹部在膜结构和盖衬底之间形成第二腔。此外，第二腔中的压强小于100毫巴（mbar）。
一些实施例涉及一种光声气体传感器。光声气体传感器包括光发射器装置。
一些实施例涉及一种用于形成光发射器装置的方法。该方法包括形成包括布置在膜结构上的加热器结构的发射器部件。膜结构位于第一腔上方。另外，第一腔位于膜结构和发射器部件的支撑衬底的至少一部分之间。此外，加热器结构被配置为如果预定义电流流过加热器结构则发射光。另外，该方法包括将具有凹部的盖衬底附接到发射器部件，使得该凹部在膜结构和盖衬底之间形成第二腔。第二腔中的压强小于100mbar。
附图说明
下文将仅作为示例并参考附图来描述设备和/或方法的一些示例，在附图中
图1示出了光发射器装置的一部分的示意性横截面；
图2示出了光声气体传感器的示意性图示；
图3示出了用于形成光发射器装置的方法的流程图；
图4a-4i示出了用于形成光发射器装置的工艺步骤；
图5a-5h示出了用于形成另一光发射器装置的工艺步骤；
图6a-6h示出了用于形成另一光发射器装置的工艺步骤；和
图7a-7h示出了用于形成另一光发射器装置的工艺步骤。
具体实施方式
现在将参考附图更完全地描述各种示例，在附图中图示了一些示例。在附图中，为了清楚起见，线、层和/或区的厚度可能被放大。
因此，虽然另外的示例能够具有各种修改和替代形式，但是该示例中的一些特定示例被示出在附图中并且随后将被详细描述。然而，该详细描述不将另外的示例限制为所描述的特定形式。另外的示例可以覆盖落入本公开的范围内的所有修改、等同物和替代物。遍及附图的描述，相同的附图标记指代相同或相似的元件，所述元件在彼此比较时可以同样或以修改的形式实现，同时提供相同或相似的功能。
将理解的是，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，这些元件可以直接连接或耦合或者经由一个或多个中间元件连接或耦合。如果使用“或”来组合两个元件A和B，则这要被理解为公开所有可能的组合，即仅A、仅B以及A和B。针对相同组合的替代措辞是“A和B中的至少一个”。这同样适用于多于2个元件的组合。
本文出于描述特定示例的目的而使用的术语并不旨在限制另外的示例。每当使用诸如“一”、“一个”和“该”的单数形式并且仅使用单个元件既不被明确地或隐含地定义为强制性的，则另外的示例也可以使用复数元件来实现相同的功能。同样，当随后将功能描述为使用多个元件来实现时，另外的示例可以使用单个元件或处理实体来实现相同的功能。还将理解，术语“包含”和/或“包括”在被使用时指定所述特征、整体、步骤、操作、过程、动作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、过程、动作、元件、部件和/或其任何组的存在或添加。
除非另有定义，否则所有术语（包括技术和科学术语）在本文中以其示例所属领域的普通含义进行使用。
图1示出了光发射器装置100的一部分的示意性横截面。光发射器装置100包括发射器部件，所述发射器部件包括布置在膜结构120上的加热器结构110。膜结构120位于第一腔130上方。另外，第一腔130（垂直地）位于膜结构120和发射器部件的支撑衬底140的至少一部分之间。此外，加热器结构110被配置为如果预定义电流流过加热器结构110则发射光。另外，光发射器装置100包括具有凹部160的盖衬底150。盖衬底150附接到发射器部件，使得凹部160在膜结构120和盖衬底150之间形成第二腔170。此外，第二腔170中的（气体）压强小于100mbar（或小于10mbar，小于1mbar，或小于0.1mbar）。
由于第二腔170中的低气体压强（例如，与海平面处1013mbar的平均大气压相比），可以降低通过第二腔170的热传导。以这种方式，可以降低由于热传导引起的光发射器装置100的功率损耗。由此，可以降低光发射器装置100的功率消耗。
例如，（准）真空可以形成在第二腔170中。例如，第二腔中的气体压强可以大于0.001mbar或大于0.01mbar。例如，第一腔130中的气体压强可以等于第二腔170中的气体压强。例如，第一腔130和/或第二腔170可以填充有空气或者填充有具有比空气低的热导率的气体（例如，氡、氙或氩）。
例如，预定义电流的流动可以通过向加热器结构110的电触点施加电压来生成。例如，预定义电流可以小于10mA（或小于1mA，小于0.1mA，小于0.01mA，或小于1μA）。预定义电流可以由实现在支撑衬底140上的电源电路或由外部电源电路供应。
例如，通过加热器结构110的预定义电流的流动可以引起加热器结构110的焦耳加热并且因此可以导致加热器结构100发射热辐射。例如，加热器结构100可以被配置为发射红外光（例如，具有在700nm至1mm范围内的波长的光）、可见光（例如，具有在400nm至700nm范围内的波长的光）和/或其组合。例如，加热器结构110可以被配置为发射具有光谱的光，所述光谱包括在大于700nm且小于1mm的波长处的最大强度。例如，真空中的光的辐射或发射可以使通过小间隙内的大空气界面的热传导最小化。
例如，光发射器装置100还可以包括垂直地位于第一腔130和支撑衬底140之间或者位于第二腔170和盖衬底150之间的滤光器结构。以这种方式，可以高效地控制发射的光的波长。另外，可以省略包括滤光器元件的分离装置。由此，可以减小包括光发射器装置100和滤光器元件的系统的尺寸（例如，大小或高度）。另外，可以降低系统的制造成本。例如，滤光器结构可以包括在衬底上（例如在硅衬底上）具有不同多晶硅层和/或绝缘层（例如包括氧化硅或氮化硅的层）的布拉格滤波器。例如，滤光器结构可以位于凹部160内（例如，在盖衬底150的表面处）或者位于支撑衬底140的前侧表面处。例如，支撑衬底140的前侧表面可以是膜结构120所位于的支撑衬底140的表面。
例如，光反射层或光吸收层可以垂直地位于第一腔130和支撑衬底140之间或者位于第二腔170和盖衬底150之间。由此，可以高效地控制光发射器装置100的光发射方向。例如，光反射层可以反射大于50％（或大于80％）的入射光。例如，光反射层可以包括金属薄膜。例如，光吸收层可以吸收大于50％（或大于80％）的入射光。光吸收层可以包括例如黑色层。例如，光反射层或光吸收层可以位于凹部160内（例如，在盖衬底150的表面处）或位于支撑衬底140的前侧表面处。
例如，支撑衬底140可以包括在支撑衬底140的玻璃衬底或半导体衬底的前侧表面上实现的支撑层。以这种方式，可以高效地实现膜结构120。例如，支撑层可以通过去除支撑衬底140的一部分以形成第一腔130而形成。例如，支撑层可以形成为围绕第一腔130的一个连续元件。替代地，支撑层可以形成第一腔130的至少一个壁。例如，膜结构120可以安装在支撑层上，固定到支撑层或锚定到支撑层。
例如，第一腔130和第二腔170可以通过穿过膜结构120的至少一个开口连接。以这种方式，第一腔130中的气体压强可以与第二腔170中的气体压强平衡。例如，第一腔130中的气体压强可以等于第二腔170中的气体压强。
例如，光发射器装置100还可以包括用于提供预定义电流的加热器布线结构。加热器布线结构可以包括延伸穿过支撑衬底140的通孔。由此，用于提供预定义电流或提供用于生成预定义电流的电压的电触点可以以气密方式被高效地提供给加热器结构110。例如，可以在穿过支撑衬底140以形成通孔的孔中沉积导电材料（例如铜或钨）。例如，通孔可以是硅通孔（TSV）。例如，通孔可以电连接到加热器结构110并且与支撑结构140的半导体衬底绝缘。例如，电源电路可以向通孔提供预定义电流或提供用于生成预定义电流的电压。
例如，加热器布线结构可以包括位于支撑衬底140的（背侧）表面处的再分布层（RDL）内的再分布布线。以这种方式，预定义电流或用于生成预定义电流的电压的提供可以被简化。例如，支撑衬底140的（背侧）表面可以是与实现膜结构120所在的前侧表面相对的支撑衬底140的表面。例如，再分布层可以包括（或嵌入）由导电材料（例如铜或钨）实现的一个或多个再分布布线结构。例如，再分布布线可以电连接到通孔。
例如，光发射器装置100还可以包括布线结构以用于向支撑衬底140或盖衬底150的偏置结构以及向膜结构120提供不同的电压，从而以静电方式移动膜结构120的至少一部分朝向支撑衬底140或盖衬底150。由此，膜结构120以及由此还有加热器结构110可以通过接触支撑衬底140或盖衬底150而被高效地冷却。例如，膜结构120的部分可以在光发射器装置100的发射或辐射操作模式期间远离支撑衬底140或盖衬底150移动，并且可以在光发射器装置100的非发射或非辐射操作模式朝向支撑衬底140或盖衬底150移动并且由此冷却下来。例如，可移动膜结构120可允许在辐射和非辐射操作模式之间的快速切换。
例如，支撑衬底140或盖衬底150的偏置结构可以包括位于第一腔130和支撑衬底140之间或者位于第二腔170和盖衬底150之间的接地层。布线结构可以电连接到接地层。以这种方式，支撑衬底140或盖衬底150和膜结构120可以高效地置于不同的电位。例如，接地层可位于支撑衬底140的前侧表面处的第一腔130内或位于盖衬底150的表面处的凹部160内。例如，接地层可包括铜、钨或多晶硅。例如，光发射器装置100可以包括用于向接地层和膜结构120提供不同电压的另一电源电路。该另一电源电路可以例如实现在支撑衬底140上或是外部另一电源电路。
例如，支撑衬底140的至少一部分可以是半导体衬底或玻璃衬底。例如，盖衬底150的至少一部分可以是半导体衬底或玻璃衬底。例如，半导体衬底可以是硅基衬底、碳化硅（SiC）基半导体衬底、砷化镓（GaAs）基半导体衬底或氮化镓（GaN）基半导体衬底。例如，半导体衬底可以是半导体晶片或半导体管芯，或者是半导体晶片或半导体管芯的一部分。例如，玻璃衬底可以是硅石（例如SiO2）基玻璃衬底、硼硅酸盐基玻璃衬底、铝硅酸盐基玻璃衬底或氧化物基玻璃衬底。玻璃衬底可以例如是玻璃晶片、玻璃盖晶片或玻璃盖，或者是玻璃晶片、玻璃盖晶片或玻璃盖的一部分。
例如，膜结构120可以包括散热器结构。（第一）绝缘层可以位于散热器结构和加热器结构110之间。由此，可以实现光的更平滑发射。例如，散热器结构可以形成散热器层。散热器结构可以包括例如在感兴趣的波长中具有高光学发射率的材料（例如，黑色铂、石墨烯、多晶硅或硅）。例如，（第一）绝缘层可以包括氮化物或氧化物（例如，氮化硅或氧化硅）。
例如，加热器结构110可以包含包括第一金属的第一层和包括第二金属的第二层。第二层可以覆盖第一层。例如，第一金属可以是钛，并且第二金属可以是铂。替代地，加热器结构可以包括单个金属层。例如，单个金属层可以包括钨。
例如，加热器结构110可以被第二绝缘层覆盖。例如，第二绝缘层可以包括氮化物或氧化物（例如，氮化硅或氧化硅）。
例如，加热器结构110的至少一部分可以具有曲折形状或环形形状。以这种方式，可以增加加热器结构110的长度。由此，可以增加加热器结构110的电阻，并且由此增加由于预定义电流的流动引起的加热器结构110的焦耳加热。以这种方式，可以增加光的发射强度。例如，凹部160可以具有矩形（横向）横截面。
例如，盖衬底150可以以气密方式附接到发射器部件。以这种方式，可以省略光发射器装置100的气密密封。例如，盖衬底150可以阳极接合到发射器部件。例如，在盖衬底150和支撑衬底140的界面处，玻璃可以与半导体材料接触。
例如，光发射器装置100可形成微机电系统（MEMS）装置。MEMS装置可以包括位于支撑衬底140的表面处的锚定元件。另外，MEMS装置可以包括：加热器结构110，通过锚定元件而锚定到支撑衬底140。MEMS装置还可以包括在盖衬底150的表面处具有凹部160的盖衬底150。盖衬底150可以接合到支撑衬底140，使得凹部160在支撑衬底140和盖衬底150之间形成第二腔170。此外，加热结构110可以位于第二腔170内部。另外，第二腔170中的气体压强可以小于100mbar。例如，锚定元件可以通过在支撑衬底140上生长氧化物层并且刻蚀生长的氧化物层而由氧化物（例如，氧化硅）形成。
光发射器装置100可以是例如红外（IR）发射器或MEMS IR发射器。例如，光发射器装置100可以是光声气体传感器、光声光谱学系统、热流传感器或移动装置（例如，智能电话或平板计算机）的元件。光发射器装置100可用于实现任何其它气体传感器原理，其中所发射的光辐射例如用于触发传感器效应，诸如NDIR传感器系统。
例如，光发射器装置100（例如IR发射器芯片）可以实现为MEMS芯片，该MEMS芯片具有薄加热器膜、硅衬底中的腔和可选地具有通气孔。另外，红外滤波器结构（例如IR滤波器芯片）可以实现为在硅衬底上具有不同多晶硅/氧化物层的布拉格反射器。
例如，垂直方向可以正交于支撑衬底140或盖衬底150的前侧表面进行测量，并且横向方向可以平行于支撑衬底140或盖衬底150的前侧表面进行测量。支撑衬底140或盖衬底150的前侧或前侧表面可以是用于实现比支撑衬底140或盖衬底150的背侧处的结构更精致和复杂的结构的侧，因为例如如果结构已经形成在支撑衬底140或盖衬底150的一侧，则工艺参数（例如温度）和处理可以针对背侧进行限制。
图2示出了光声气体传感器200的示意性图示。光声气体传感器200包括光发射器装置210。光发射器装置210的实现方式可以类似于结合图1描述的光发射器装置的实现方式。光发射器装置210布置在旨在填充有要分析的气体（例如空气或包括二氧化碳（CO2）或一氧化碳（CO）的气体）的体积220内。光声气体传感器200还包括布置在参考气体体积240内的压敏模块230（例如麦克风）。参考气体体积240与旨在填充有要分析的气体的体积220分离。另外，光发射器装置210被配置为发射光脉冲250以通过与参考气体体积240内的参考气体（例如氮气）相互作用来引起参考气体体积240中的声波260。压敏模块230可以被配置为检测声波260并且基于检测到的声波260生成指示关于声波260的信息的传感器信号。由于发射的光脉冲250经过旨在填充有要分析的气体的体积220的一部分，因此所生成的传感器信号还可以指示关于在体积220内要分析的气体的信息（例如，CO2浓度或CO浓度）。此外，光声气体传感器200可以包括入口和/或出口以用于用要分析的气体填充体积220。
结合上文或下文描述的实施例提及更多细节和方面。图2所示的实施例可以包括一个或多个可选的附加特征，所述一个或多个可选的附加特征对应于结合所提出的概念或上文（例如图1）或下文（例如图3-7h）描述的一个或多个实施例所提及的一个或多个方面。
图3示出了用于形成光发射器装置的方法300的流程图。方法300包括形成310发射器部件，所述发射器部件包括布置在膜结构120上的加热器结构110。膜结构120（垂直地）位于第一腔130上方。另外，第一腔130位于膜结构120和发射器部件的支撑衬底140的至少一部分之间。此外，加热器结构110被配置为：如果预定义电流流过加热器结构110，则发射光。另外，方法300包括将具有凹部160的盖衬底150附接到发射器部件，使得凹部160在膜结构120和盖衬底150之间形成第二腔170。第二腔170中的（气体）压强小于100mbar。
以这种方式，可以高效地形成由于热传导而具有低功率损耗的光发射器装置。由此，可以形成具有降低的功率消耗的光发射器装置。
例如，可以通过将散热器结构（例如，多晶硅层）沉积在支撑结构140的基础衬底上而形成膜结构120。另外，散热器结构可以被绝缘层（例如，氮化物层）覆盖。可以通过将至少一个金属层（例如，包括钨或钛/铂）沉积在覆盖散热器结构的绝缘层上而形成散热器结构110。可以例如在形成加热器结构110之后通过刻蚀支撑衬底140而形成第一腔130。例如，可以通过刻蚀工艺在盖衬底150中形成凹部160。例如，可以在（准）真空中或在小于100mbar（或小于10mbar，小于1mbar，或小于0.1mbar）的环境气体压强处执行将盖衬底150附接320到发射器部件。
将盖衬底150附接320到发射器部件可以包括将盖衬底150阳极接合到发射器部件。以这种方式，可以在支撑衬底140处高效地固定盖衬底150。替代地，将盖衬底150附接320到发射器部件可以包括金属-金属接合、晶片接合、共熔接合、气密密封接合或旋涂玻璃接合。
结合上文或下文描述的实施例提及更多细节和方面。图3所示的实施例可以包括一个或多个可选的附加特征，所述一个或多个可选的附加特征对应于结合所提出的概念或上文（例如图1-2）或下文（例如图4a-7h）描述的一个或多个实施例所提及的一个或多个方面。
图4a至4i示出了用于形成光发射器装置400的工艺步骤。用于形成光发射器装置400的方法可以类似于结合图3描述的方法。图4a示出了支撑衬底140，在支撑衬底140上形成红外（IR）滤波器结构410、第一绝缘层420、第二绝缘层430和膜结构120。例如，支撑衬底140可以是硅基衬底。红外滤波器结构410可以例如包括多晶硅层和绝缘层（例如，氧化硅层或氮化硅层）的层堆叠。例如，红外滤波器结构410可以是具有不同多晶硅/氧化物层的布拉格反射器。例如，第一绝缘层420可以包括氧化物（例如，氧化硅），并且第二绝缘层430可以包括氮化物（例如，氮化硅）。膜结构120可以包括散热器结构（例如，由多晶硅形成）。
例如，支撑衬底140（例如，Si衬底晶片）可以被预处理有红外滤波器结构410（例如，IR滤波器层）、第一绝缘层420（例如，氧化物层）和膜结构120（例如，多晶硅散热器层）。在该支撑衬底的顶部上，第二绝缘层430（例如，氮化物层）可以被沉积并且用于硅通孔（TSV）形成的硬掩模421可以被刻蚀。
如图4b所示，将沟槽440刻蚀到支撑衬底140中。此外，绝缘层441形成在沟槽440内部。另外，将导电材料442（例如，铜（Cu）或钨）沉积在沟槽440内部。绝缘层441隔离导电材料与支撑衬底140。例如，沟槽440、绝缘层441和导电材料442可以形成TSV（例如，Cu-TSV）。例如，可以通过沟槽刻蚀、隔离以及通常是铜或钨填充而形成TSV。可以向（尚未形成的）加热器结构110通过TSV或导电材料442提供预定义电流。例如，另一TSV可以形成在支撑衬底140中以用于向加热器结构110提供预定义电流。
加热器结构110形成在膜结构120上，如图4c所示。加热器结构110包含包括第一金属（例如钛）的第一层451、包括第二金属（例如铂）并且覆盖第一层451的第二层452、以及覆盖第二层452的绝缘层453（例如氮化物）。第二绝缘层430位于加热器结构110和膜结构120之间。
例如，加热器结构110或金属加热器（例如Ti/Pt或W）可以被形成并且被绝缘层453（例如氮化物层）覆盖，绝缘层453在膜结构120的散热器层的间隔内开口。例如，散热器层可以包括在感兴趣的波长中具有高光学发射率的材料，诸如黑色铂、石墨烯或硅。红外滤波器结构410（例如滤波器层）和/或支撑衬底140也可以通过加热器结构110的金属而进行接触（例如以形成散热器层的对电极）。
如图4d所示，通过刻蚀膜结构120和红外滤波器结构410之间的第一绝缘层420而形成第一腔130。例如，可以在膜结构120或其散热器结构（例如，散热器层）和红外滤波器结构410（例如滤波器层）之间以及在区461、462处刻蚀第一绝缘层420（例如氧化物），在区461、462中可以随后通过湿化学刻蚀来执行阳极接合。第一绝缘层420的刻蚀可以例如包括氧化物释放刻蚀。
如图4e所示，具有凹部160的盖衬底150（例如玻璃盖晶片）附接到支撑衬底140。凹部160在膜结构120和盖衬底150之间形成第二腔170。膜结构120包括将第一腔130与第二腔170连接的多个开口471。例如，盖衬底150可以在真空中阳极接合到支撑衬底140。例如，在加热器结构110的区中具有凹部160（例如，刻蚀的腔）的盖衬底150（例如盖玻璃晶片）可以通过在真空下阳极接合而接合在支撑衬底140（例如衬底晶片）上。
图4f示出了可选的工艺步骤，在所述工艺步骤中在盖衬底150的凹部160内形成涂层481。涂层481可以是光反射涂层（例如金属薄膜）或光吸收涂层（例如黑色薄膜）。例如，形成涂层481可以包括在盖衬底150上（例如在玻璃晶片上）沉积金属薄膜。在形成涂层481期间，盖衬底150可以附接到剥离抗蚀剂元件482。例如，可选地，可以完成盖衬底150的反射和/或吸收涂层。
如图4g所示，支撑衬底140被减薄，使得沟槽440打开，并且导电材料442可以在支撑衬底140的背侧141处电接触。例如，支撑衬底140（例如衬底晶片）可以通过晶片研磨和/或等离子体刻蚀来减薄。例如，可以在该减薄工艺期间打开TSV。
在支撑衬底140的背侧141处或在支撑衬底140的背侧141上形成绝缘层491（例如氧化物）和具有焊盘493的再分布层492，如图4h所示。再分布层492电接触导电材料442。例如，在支撑衬底140的背侧141上，再分布层（RDL）492可形成有用于钉头接合或凸块的焊盘493。例如，任何类型或每种类型的金属化和焊盘形成可以用在RDL 492中。
如图4i所示，将盖衬底150（例如盖晶片）减薄到目标厚度，并且如箭头494所指示的那样执行支撑衬底140和盖衬底150的晶片锯切以形成光发射器装置400。盖衬底150的垂直尺寸495可以根据第二腔170中的气体压强来选择。例如，垂直尺寸495可以大于1μm（例如大于10μm，大于30μm，大于50μm或大于100μm）。支撑层140的垂直尺寸496可以例如大于1μm（例如大于10μm，大于30μm，大于50μm或大于100μm）。例如，加热器结构110和盖衬底150之间的垂直距离497可以在500nm至10μm的范围内。膜结构120和红外滤波器结构410之间的垂直距离498可以在500nm至5μm的范围内。图4i示出了具有带有TSV的集成IR发射器/滤波器的示例。
例如，可以通过两个晶片的阳极接合工艺来处理包括加热器膜和滤波器的腔。接合可以在低压环境中完成，并且因此加热器和滤波器处于（准）真空下。由于加热器可以被实现为可移动膜，因此加热器可以在非辐射操作模式期间以静电方式移动到衬底并冷却下来，并且可以在辐射操作模式期间通过在衬底和散热器层之间施加不同的电位而移动远离衬底。
例如，由于相应腔130、170中的真空，可以降低功率耗散，因为在真空中最小化热传导，并且热辐射现在可以是唯一的主导效应。由可移动膜进行的冷却可以有利于辐射和非辐射操作模式之间的快速切换。
结合上文或下文描述的实施例提及更多细节和方面。图4a-4i所示的实施例可以包括一个或多个可选的附加特征，所述一个或多个可选的附加特征对应于结合所提出的概念或上文（例如图1-3）或下文（例如图5a-7h）描述的一个或多个实施例所提及的一个或多个方面。
图5a-5h示出了用于形成另一光发射器装置500的工艺步骤。用于形成光发射器装置500的方法可以类似于结合图3描述的方法。图5a示出了支撑衬底140，在支撑衬底140上形成接地层510、绝缘层520和膜结构120。例如，支撑衬底140可以是玻璃基衬底。接地层510可以例如包括导电材料（例如铜、钨或多晶硅）。例如，绝缘层520可以包括氮化物（例如，氮化硅）。膜结构120可以包括散热器结构（例如由多晶硅形成）。例如，与图4a-4i所示的工艺步骤相反，支撑衬底140（例如衬底晶片）可以由玻璃形成。例如，与图4a-4i所示的工艺步骤相反，代替支撑衬底140（例如衬底晶片）中的红外滤波器结构410，可以实现（电）接地层510（例如地层）以使得能够实现可移动膜结构120（例如，可移动加热器元件）的连接的对电极。
如图5b所示，将沟槽530刻蚀到支撑衬底140中。另外，导电材料531（例如铜（Cu）或钨）沉积在沟槽530内部。例如，沟槽530和导电材料531可形成TSV（例如Cu-TSV）。例如，与图4a-4i所示的工艺步骤相反，可以省略TSV中的绝缘层441或隔离层，因为玻璃已经是隔离层。可以通过TSV或导电材料531提供预定义电流给（尚未形成的）加热器结构110。例如，可以在支撑衬底140中形成另一TSV以用于向加热器结构110提供预定义电流。
加热器结构110形成在膜结构120上，如图5c所示。加热器结构110包含包括第一金属（例如钛）的第一层451、包括第二金属（例如铂）并且覆盖第一层451的第二层452、以及覆盖第二层452的绝缘层453（例如氮化物）。第二绝缘层430位于加热器结构110和膜结构120之间。
如图5d所示，通过在膜结构120和接地层510之间刻蚀支撑衬底140而形成第一腔130。刻蚀第一支撑衬底140可以例如包括玻璃释放刻蚀或氧化物释放刻蚀。
如图5e所示，具有凹部160的盖衬底150（例如，结构化的Si或玻璃盖晶片）附接到支撑衬底140。凹部160在膜结构120和盖衬底150之间形成第二腔170。红外滤波器结构410（例如，滤波器层）位于邻近盖衬底150。膜结构120包括多个开口471，所述多个开口471将第一腔130与第二腔170连接。例如，盖衬底150可以在真空中阳极接合到支撑衬底140。例如，盖衬底150（例如盖晶片）可以由硅或玻璃形成，并且红外滤波器结构410（例如，滤波器层）可以沉积在盖衬底150（例如结构化的盖晶片）上。
如图5f所示，将支撑衬底140减薄，使得沟槽530打开，并且导电材料531可以在支撑衬底140的背侧141处电接触。
具有焊盘493的再分布层492形成在支撑衬底140的背侧141处或在支撑衬底140的背侧141上，如图5g所示。再分布层492电接触导电材料531。例如，与图4a-4i所示的工艺步骤相反，可以省略或略过背侧141上（例如RDL 492中）的绝缘层491（例如，隔离层），因为玻璃已经是隔离层。
如图5h所示，将盖衬底150减薄至目标厚度，并且如箭头494所指示的那样执行支撑衬底140和盖衬底150的晶片锯切以形成光发射器装置500。图5h示出了在盖晶片和玻璃衬底/Si或玻璃盖上具有滤波器的示例。
结合上文或下文描述的实施例提及更多细节和方面。图5a-5h所示的实施例可以包括一个或多个可选的附加特征，所述一个或多个可选的附加特征对应于结合所提出的概念或上文（例如图1-4i）或下文（例如图6a-7h）描述的一个或多个实施例所提及的一个或多个方面。
图6a-6h示出了用于形成另一光发射器装置600的工艺步骤。用于形成光发射器装置600的方法可以类似于结合图3描述的方法。图6a示出了支撑衬底140，在支撑衬底140上形成红外滤波器结构410、绝缘层520和膜结构120。例如，支撑衬底140可以是玻璃基衬底。膜结构120可以包括散热器结构（例如由多晶硅形成）。例如，与图5a-5h所示的工艺步骤相反，红外滤波器结构410（例如滤波器层）可以实现在支撑衬底150（例如衬底层）中。
如图6b所示，将沟槽530刻蚀到支撑衬底140中。另外，导电材料531（例如铜（Cu）或钨）沉积在沟槽530内部。例如，沟槽530和导电材料531可形成TSV（例如Cu-TSV）。可以通过TSV或导电材料531提供预定义电流给（尚未形成的）加热器结构110。例如，可以在支撑衬底140中形成另一TSV以用于向加热器结构110提供预定义电流。
加热器结构110形成在膜结构120上，如图6c所示。加热器结构110包含包括第一金属（例如钛）的第一层451、包括第二金属（例如铂）并且覆盖第一层451的第二层452、以及覆盖第二层452的绝缘层453（例如氮化物）。第二绝缘层430位于加热器结构110和膜结构120之间。
如图6d所示，通过在膜结构120和红外滤波器结构410之间刻蚀支撑衬底140而形成第一腔130。刻蚀第一支撑衬底140可以例如包括玻璃释放刻蚀或氧化物释放刻蚀。
如图6e所示，具有凹部160的盖衬底150（例如，硅盖晶片）附接到支撑衬底140。凹部160在膜结构120和盖衬底150之间形成第二腔170。膜结构120包括将第一腔130与第二腔170连接的多个开口471。例如，盖衬底150可以在真空中阳极接合到支撑衬底140。
如图6f所示，将支撑衬底140减薄，使得沟槽530打开，并且导电材料531可以在支撑衬底140的背侧141处电接触。
具有焊盘493的再分布层492形成在支撑衬底140的背侧141处或在支撑衬底140的背侧141上，如图6g所示。再分布层492电接触导电材料531。
如图6h所示，将盖衬底150减薄至目标厚度，并且如箭头494所指示的那样执行支撑衬底140和盖衬底150的晶片锯切，以形成光发射器装置600。图6h示出了在衬底晶片和玻璃衬底/Si盖上具有滤光器的示例。
结合上文或下文描述的实施例提及更多细节和方面。图6a-6h所示的实施例可以包括一个或多个可选的附加特征，所述一个或多个可选的附加特征对应于结合所提出的概念或上文（例如图1-5h）或下文（例如图7a-7h）描述的一个或多个实施例所提及的一个或多个方面。
图7a至7h示出了用于形成另一光发射器装置700的工艺步骤。用于形成光发射器装置700的方法可以类似于结合图3描述的方法。图7a示出了支撑衬底140，在支撑衬底140上形成第一绝缘层420、第二绝缘层430和膜结构120。例如，支撑衬底140可以是硅基衬底。膜结构120可以包括散热器结构（例如由多晶硅形成）。
如图7b所示，将沟槽440刻蚀到支撑衬底140中。此外，在沟槽440内部形成绝缘层441。此外，在沟槽440内部沉积导电材料442（例如铜（Cu）或钨）。绝缘层441隔离导电材料与支撑衬底140。例如，沟槽440、绝缘层441和导电材料442可以形成TSV（例如Cu-TSV）。可以通过TSV或导电材料442提供预定义电流给（尚未形成的）加热器结构110。例如，可以在支撑衬底140中形成另一TSV以用于向加热器结构110提供预定义电流。
加热器结构110形成在膜结构120上，如图7c所示。加热器结构110包含包括第一金属（例如钛）的第一层451、包括第二金属（例如铂）并且覆盖第一层451的第二层452、以及覆盖第二层452的绝缘层453（例如氮化物）。第二绝缘层430位于加热器结构110和膜结构120之间。
如图7d所示，通过在膜结构120和支撑衬底140的前侧142之间刻蚀第一绝缘层420来形成第一腔130。
如图7e所示，具有凹部160的盖衬底150（例如，结构化的Si或玻璃盖晶片）附接到支撑衬底140。红外滤波器结构410位于凹部160内部。另外，凹部160在膜结构120和盖衬底150之间形成第二腔170。膜结构120包括多个开口471，所述多个开口471将第一腔130与第二腔170连接。例如，盖衬底150可以在真空中阳极接合到支撑衬底140。例如，可以在盖衬底150（例如盖玻璃晶片）上形成结构化的滤波器层。例如，支撑衬底150可以是硅晶片。
如图7f所示，将支撑衬底140减薄，使得沟槽440打开，并且导电材料442可以在支撑衬底140的背侧141处电接触。
如图7g所示，在支撑衬底140的背侧141处或在支撑衬底140的背侧141上形成绝缘层491（例如氧化物）和具有焊盘493的再分布层492。再分布层492电接触导电材料442。
如图7h所示，将盖衬底150减薄至目标厚度，并且如箭头494所指示的那样执行支撑衬底140和盖衬底150的晶片锯切，以形成光发射器装置700。图7h示出了在盖晶片和Si衬底/玻璃盖上具有滤波器的示例。
结合上文或下文描述的实施例提及更多细节和方面。图7a-7h所示的实施例可以包括一个或多个可选的附加特征，所述一个或多个可选的附加特征对应于结合所提出的概念或上文（例如图1-6h）或下文描述的一个或多个实施例所提及的一个或多个方面。
一些实施例涉及用于具有最小化的功率消耗的集成IR发射器和滤波器的结构和方法。
根据一方面，比如MEMS的集成电路可以关于大小和高度以及功率耗散被优化，特别是如果芯片旨在用于实现在比如智能手机或平板电脑的移动设备中的话。另外，可以关于低成本来优化MEMS解决方案。
根据一方面，IR发射器和IR滤波器可以用最低可能的大小/高度和成本与附加其它芯片一起实现在单个封装中。
根据一方面，在光发射器装置中，可以优化完整的IR发射器/滤波器系统，并且同时可以使成本最小化。同时，在应用中可以使功率耗散最小化，并且对于某些变型可以避免由于过压而引起的声学交叉耦合。
根据一方面，为了减小大小和高度并且还为了降低成本，光发射器装置的形成可以基于晶片级工艺和晶片到晶片接合工艺。
根据一方面，滤波器和加热器系统在晶片级上的集成可以降低成本并且可以允许紧凑的系统。
根据一方面，可以用较低成本、较低高度/大小和低功率消耗来实现光发射器装置。
根据一方面，其他材料以及其他制造步骤可以用在用于形成光发射器装置或用于组装该光发射器装置或同类系统的方法中。
根据一方面，将加热的膜结构朝向“冷”系统吸引以提供快速冷却的原理可能对于“频率非临界”或稳态系统（诸如NDIR或慢光声光谱学（PAS）系统）是可选的。
与一个或多个先前详细的示例和附图一起提及和描述的方面和特征也可以与一个或多个其他示例组合，以便替换另一示例的类似特征或者以便另外引入特征到另一示例。
示例还可以是具有程序代码的计算机程序或涉及具有程序代码的计算机程序，所述程序代码用于当在计算机或处理器上执行计算机程序时执行以上方法中的一个或多个。各种上述方法的步骤、操作或过程可以由编程的计算机或处理器执行。示例还可以覆盖诸如数字数据存储介质的程序存储装置，所述程序存储装置是机器、处理器或计算机可读的并且编码机器可执行的、处理器可执行的或计算机可执行的程序指令。指令执行上述方法的一些或全部动作或引起执行上述方法的一些或全部动作。程序存储装置可以包括或可以是例如：数字存储器、诸如磁盘和磁带的磁存储介质、硬盘驱动器或光学可读数字数据存储介质。另外的示例还可以覆盖：被编程为执行上述方法的动作的计算机、处理器或控制单元，或者被编程为执行上述方法的动作的（现场）可编程逻辑阵列（（F）PLA）或（现场）可编程门阵列（（F）PGA）。
描述和附图仅图示本公开的原理。此外，本文所陈述的所有示例主要明确旨在仅仅出于教学目的，以帮助读者理解为促进本领域而由（一个或多个）发明人贡献的概念和本公开的原理。本文中陈述本公开的原理、方面和示例及其特定示例的所有陈述旨在涵盖其等同物。
框图可以例如图示实现本公开的原理的高级电路图。类似地，流程图表、流程图、状态转换图、伪代码等可以表示各种过程、操作或步骤，所述各种过程、操作或步骤可以例如基本上被表示在计算机可读介质中并且因此由计算机或处理器执行，无论这样的计算机或处理器是否被明确地示出。在说明书中或在权利要求书中公开的方法可以通过具有用于执行这些方法的每个相应动作的构件的装置来实现。
要理解的是，在说明书或权利要求中公开的多个动作、过程、操作、步骤或功能的公开可以不被解释为在特定顺序内，除非例如出于技术原因而明确地或暗示地另有陈述。因此，多个动作或功能的公开将不会限制这些为特定顺序，除非这样的动作或功能出于技术原因而不可互换。此外，在一些示例中，单个动作、功能、过程、操作或步骤可以分别包括或可以被分成多个子动作、子功能、子过程、子操作或子步骤。这样的子动作可以被包括并且是该单个动作的公开的一部分，除非被明确地排除。
此外，所附权利要求书由此被并入到详细描述中，其中每个权利要求可以独立作为分离的示例。虽然每个权利要求可以独立作为分离的示例，但是要注意的是，尽管从属权利要求可以在权利要求中指代与一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其他示例还可以包括从属权利要求与每个其他从属或独立权利要求的主题内容的组合。这样的组合在本文中被明确地提出，除非声明并不旨在特定组合。此外，旨在将权利要求的特征还包括到任何其他独立权利要求，即使该权利要求不直接从属于该独立权利要求。

Claims (20)

1.一种光发射器装置（100、210、400、500、600、700），包括：
发射器部件，包括布置在膜结构（120）上的加热器结构（110），其中所述膜结构（120）位于第一腔（130）上方，其中所述第一腔（130）位于所述膜结构（120）和所述发射器部件的支撑衬底（140）的至少一部分之间，其中所述加热器结构（110）被配置为：如果预定义电流流过所述加热器结构（110），则发射光；和
具有凹部（160）的盖衬底（150），其中所述盖衬底（150）附接到所述发射器部件，使得所述凹部（160）在所述膜结构（120）和所述盖衬底（150）之间形成第二腔（170），并且其中所述第二腔（170）中的压强小于100mbar，
其中所述膜结构（120）以及所述加热器结构（110）能够通过接触所述支撑衬底（140）或所述盖衬底（150）而被冷却。
2.根据权利要求1所述的光发射器装置（100、210、400、500、600、700），还包括：滤光器结构（410），垂直地位于所述第一腔（130）和所述支撑衬底（140）之间或在所述第二腔（170）和所述盖衬底（150）之间。
3.根据权利要求1或2所述的光发射器装置（100、210、400、500、600、700），其中光反射层或光吸收层垂直地位于所述第一腔（130）和所述支撑衬底（140）之间或在所述第二腔（170）和所述盖衬底（150）之间。
4.根据前述权利要求之一所述的光发射器装置（100、210、400、500、600、700），其中所述第一腔（130）和所述第二腔（170）通过穿过所述膜结构（120）的至少一个开口（471）进行连接。
5.根据前述权利要求之一所述的光发射器装置（100、210、400、500、600、700），还包括用于提供所述预定义电流的加热器布线结构，其中所述加热器布线结构包括延伸穿过支撑衬底（140 ）的通孔。
6.根据权利要求5所述的光发射器装置（100、210、400、500、600、700），其中所述加热器布线结构包括再分布层（492）内的再分布布线，所述再分布层（492）位于邻近所述支撑衬底（140）的表面（141）。
7.根据前述权利要求之一所述的光发射器装置（100、210、400、500、600、700），还包括：布线结构，用于向所述支撑衬底（140）或所述盖衬底（150）的偏置结构以及向所述膜结构（120）提供不同电压，从而以静电方式使所述膜结构（120）的至少一部分朝向所述支撑衬底（140）或所述盖衬底（150）移动。
8.根据权利要求7所述的光发射器装置（100、210、400、500、600、700），其中所述支撑衬底（140）或所述盖衬底（150）的偏置结构包括接地层（510），所述接地层（510）位于所述第一腔（130）和所述支撑衬底（140）之间或在所述第二腔（170）和所述盖衬底（150）之间，并且其中所述布线结构电连接到所述接地层（510）。
9.根据前述权利要求之一所述的光发射器装置（100、210、400、500、600、700），其中所述支撑衬底（140）的至少一部分是半导体衬底或玻璃衬底。
10.根据前述权利要求之一所述的光发射器装置（100、210、400、500、600、700），其中所述盖衬底（150）的至少一部分是半导体衬底或玻璃衬底。
11.根据前述权利要求之一所述的光发射器装置（100、210、400、500、600、700），其中所述膜结构（120）包括散热器结构，并且其中绝缘层（430）位于在所述散热器结构和所述加热器结构（110）之间。
12.根据前述权利要求之一所述的光发射器装置（100、210、400、500、600、700），其中所述加热器结构（110）被第二绝缘层（453）覆盖。
13.根据前述权利要求之一所述的光发射器装置（100、210、400、500、600、700），其中所述加热器结构（110）的至少一部分具有曲折形状或环形形状。
14.根据前述权利要求之一所述的光发射器装置（100、210、400、500、600、700），其中所述盖衬底（150）以气密方式附接到发射器部件。
15.根据前述权利要求之一所述的光发射器装置（100、210、400、500、600、700），其中所述盖衬底（150）以气密方式阳极接合到发射器部件。
16.根据前述权利要求之一所述的光发射器装置（100、210、400、500、600、700），其中在所述盖衬底（150）和所述支撑衬底（140）的界面处，玻璃与半导体材料接触。
17.根据前述权利要求之一所述的光发射器装置（100、210、400、500、600、700），其中所述第二腔（170）中的气体压强小于10mbar。
18.根据前述权利要求之一所述的光发射器装置（100、210、400、500、600、700），其中所述加热器结构（110）被配置为发射具有光谱的光，所述光谱包括在大于700nm且小于1mm的波长处的最大强度。
19.一种光声气体传感器（200），包括根据前述权利要求之一所述的光发射器装置（100、210、400、500、600、700）。
20.一种用于形成光发射器装置（100、210、400、500、600、700）的方法（300），包括：
形成（310）发射器部件，所述发射器部件包括布置在膜结构（120）上的加热器结构（110），其中所述膜结构（120）位于第一腔（130）上方，其中所述第一腔位于所述膜结构（120）和所述发射器部件的支撑衬底（140）的至少一部分之间，其中所述加热器结构（110）被配置为：如果预定义电流流过所述加热器结构（110），则发射光；和
将具有凹部（160）的盖衬底（150）附接（320）到所述发射器部件，使得所述凹部（160）在所述膜结构（120）和所述盖衬底（150）之间形成第二腔（170），其中所述第二腔（170）中的压强小于100mbar，
其中所述膜结构（120）以及所述加热器结构（110）能够通过接触所述支撑衬底（140）或所述盖衬底（150）而被冷却。
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