DE102017106593A1

DE102017106593A1 - MEMS-Heiz- oder Emitter-Struktur für schnelle Heiz- und Kühlzyklen

Info

Publication number: DE102017106593A1
Application number: DE102017106593.8A
Authority: DE
Inventors: Christoph Glacer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-04-01
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2037-03-29
Also published as: US20170288125A1; US11245064B2; CN107265390A; DE102017106593B4; DE102017102188A1; CN107265390B; US10347814B2; CN107265392A; US20190237654A1; DE102017102183A1; CN107265392B

Abstract

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst eine Mikroelektromechaniksystem-Vorrichtung ein Substrat; ein elektrisch bewegbares Heizelement mit einem ersten Knoten und einem zweiten Knoten, wobei der erste Knoten mit einem ersten Anschluss einer ersten Spannungsquelle und der zweite Knoten mit einer Referenzspannungsquelle gekoppelt ist; eine erste Verankerung, die den ersten Knoten verankert, und eine zweite Verankerung, die den zweiten Knoten des elektrisch bewegbaren Heizelements auf dem Substrat verankert; und einen Hohlraum zwischen der ersten Verankerung und der zweiten Verankerung sowie zwischen dem elektrisch bewegbaren Heizelement und dem Substrat.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein System und ein Verfahren einer MEMS-Vorrichtung und in besonderen Ausführungsformen ein System und ein Verfahren zum Steuern der schnellen Erhitzung und Kühlung einer MEMS-Struktur.
Hintergrund
Mikroelektromechanische Systeme (MEMS), die im Allgemeinen Miniaturisierungen von verschiedenen elektrischen und mechanischen Komponenten umfassen, werden mit einer Vielfalt von Materialien und Herstellungsverfahren hergestellt und sind in einer großen Bandbreite von Anwendungen nützlich. Diese Anwendungen umfassen Automobilelektronik, medizinische Geräte und intelligente, tragbare Elektronik, wie etwa Mobiltelefone, persönliche digitale Assistenten (PDA), Festplattenlaufwerke, Computeranschlussgeräte und Drahtlosvorrichtungen. In diesen Anwendungen können MEMS als Sensoren, Betätigungselemente, Beschleunigungsmesser, Schalter, Mikrospiegel und viele sonstige Vorrichtungen verwendet werden.
MEMS werden zum Einsatz in Temperatursensoren zur Temperaturmessung oder in Anwendungen verwendet, in denen sie erwärmt werden und Infrarotlicht emittieren müssen. In solchen Anwendungen ist es möglich, dass eine MEMS-Struktur rasch und genau auf ein Erwärmungssignal reagieren muss. In manchen Anwendungen kann das Signal ein rasches Kühlen nach einem Erwärmungszyklus erfordern. Die verschiedenen Attribute, die bei der Auslegung möglicherweise zu berücksichtigen sind, umfassen zum Beispiel Wärmereaktion, Geometrie und Temperaturempfindlichkeit. Joulesche Erwärmung wird oft in einer MEMS-Struktur verwendet, in der Wärme als Ergebnis von durch die Struktur fließendem Strom erzeugt wird. Energie wird über den Widerstand der Struktur abgeleitet, was zu Wärmeableitung führt. In einer MEMS-Struktur wird ein Heizelement oft in einem Hohlraum gelagert, um eine Wärmeisolierung zu erhalten. Das Heizelement kann ferner, basierend auf dem Strom, der durch das Heizelement fließt, eine Aktivierung aufweisen und Infrarotlicht emittieren.
Es ist eine Aufgabe, hierfür, insbesondere für das rasche Kühlen, Möglichkeiten bereitzustellen.
Kurzdarstellung
Es werden ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 6 sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 23 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Gemäß mehreren Ausführungsformen umfasst eine MEMS-Vorrichtung ein Substrat, ein elektrisch bewegbares Heizelement mit einem ersten Knoten, der mit einem ersten Anschluss einer ersten Spannungsquelle gekoppelt ist, und einem zweiten Knoten, der mit einer Referenzspannungsquelle gekoppelt ist; eine erste Verankerung, die den ersten Knoten verankert, und eine zweite Verankerung, die den zweiten Knoten des elektrisch bewegbaren Heizelements auf dem Substrat verankert, sowie einen Hohlraum zwischen der ersten Verankerung und der zweiten Verankerung sowie zwischen dem elektrisch bewegbaren Heizelement und dem Substrat.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile wird nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, worin:
1A eine Draufsicht einer herkömmlichen Mikroelektromechaniksystem(MEMS)-Vorrichtung ist;
1B eine Querschnittsansicht der MEMS-Heizvorrichtung ist;
2A eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer MEMS-Heizvorrichtung während eines Heizzyklus ist;
2B eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer MEMS-Heizvorrichtung während eines Kühlzyklus ist;
3 eine weitere Ausführungsform einer MEMS-Heizvorrichtung, die von einer Steuerschaltung gesteuert wird, ist;
4A eine Draufsicht einer MEMS-Heizvorrichtung mit Federhalterungen für ein Heizelement und einer Membran an entgegengesetzten Enden ist;
4B eine Draufsicht einer MEMS-Heizvorrichtung, die eine Abfühlelektrode umfasst, ist;
5 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer MEMS-Heizvorrichtung mit einer Isolierschicht ist, die über einem Substrat und unter einem Hohlraum ausgebildet ist;
6A eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer MEMS-Heizvorrichtung ist, bei der das Heizelement und die Membran von einer elastischen Schicht eingehaust sind;
6B eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer MEMS-Heizvorrichtung ist, bei der das Heizelement eine elastische Schicht am Boden und über dem Hohlraum aufweist;
7 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer MEMS-Heizvorrichtung mit Piezoelementen über dem Heizelement ist;
8A eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer MEMS-Heizvorrichtung mit Haftreibungserhöhungen ist, die in einer Isolierschicht über dem Hohlraum ausgebildet sind;
8B ein SEM-Bild der Haftreibungserhöhungen von 8A ist;
9A–9F einen Herstellungsverfahrensablauf für die Ausführungsform einer MEMS-Heizvorrichtung von 2A zeigen;
10A–10G einen Herstellungsverfahrensablauf für die Ausführungsform einer MEMS-Heizvorrichtung von 5 zeigen;
11A–11H einen Herstellungsverfahrensablauf zum Ausbilden von Haftreibungserhöhungen in einer MEMS-Heizvorrichtung zeigen;
12 eine Ausführungsform eines fotoakustischen Sensors (PAS) ist, der eine Ausführungsform einer MEMS-Heizvorrichtung verwendet;
13A und 13B, gemeinsam 13, Beispiele für die Umsetzung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen;
14 ein weiteres Beispiel von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und deren Umsetzung zeigt; und
15 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Ausbildung einer MEMS-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend wird die Herstellung und Verwendung von verschiedenen Ausführungsformen erörtert. Die verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen sind in einer großen Vielfalt von spezifischen Zusammenhängen anwendbar. Die spezifischen hier erörterten Ausführungsformen dienen lediglich der Veranschaulichung von spezifischen Herstellungs- und Verwendungsweisen von verschiedenen Ausführungsformen und sind nicht als Einschränkung auszulegen.
Die vorliegende Erfindung wird in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen in einem bestimmten Zusammenhang beschrieben, nämlich ein System und Verfahren zum Steuern von raschem Heizen und Kühlen einer Mikroelektromechaniksystem(MEMS)-Vorrichtung. Einige der verschiedenen hier beschriebenen Vorrichtungen umfassen MEMS-Heizelemente, MEMS-Substrat, Hohlräume in MEMS-Substrat und Schnittstellenschaltung. Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch auf verschiedene Systeme angewandt werden, die Heizen oder Kühlen durch eine MEMS-Vorrichtung verwenden, z.B. Temperatursensoren, Infrarotlichtemitter, thermische Durchflusssensoren, fotoakustische Vorrichtungen, Mikroaktuatoren und viele weitere Vorrichtungen oder Anwendungen.
Mit zunehmender Miniaturisierung von Halbleitervorrichtungen sind MEMS-Vorrichtungen von steigender Beliebtheit und finden in vielfacher Weise Anwendung in Vorrichtungen, wie Heizelementen, Temperatursensoren, Mikroaktuatoren, fotoakustischen Vorrichtungen, Mikroheißplatten-Gassensoren und dergleichen. Diese Anwendungen umfassen ein oder mehrere MEMS-Heizelemente, die ausgelegt sind, um eine optimale Erwärmung und Kühlung auf gesteuerte Weise zu erreichen. Die Erwärmung kann auf verschiedene Weise erreicht werden, darunter Joulesche Erwärmung. In einigen Anwendungen kann die Heizeffizienz gesteigert werden, indem das MEMS-Heizelement auf einer wärmeisolierten mikro-verarbeiteten Plattform, die als Membran bezeichnet wird, in manchen Fällen einer Trägerplatte, platziert wird.
Joulesche Erwärmung bezieht sich auf eine Kopplung zwischen einem elektrischen und einem thermischen Phänomen in einer Halbleitervorrichtung. Ferner kombiniert Joulesche Erwärmung in einer MEMS-Vorrichtung elektrothermomechanische(ETM-)Effekte, wodurch die Struktur basierend auf einem elektrischen Potential in der Vorrichtung betätigt werden kann. Eine leitfähige Schicht in einer MEMS-Struktur kann rasch erwärmt werden, indem ein elektrisches Potential an die Struktur angelegt und ein Stromfluss durch die leitfähige Schicht gestattet wird. Der Stromfluss leitet Leistung an den Widerstand der leitfähigen Schicht ab, und die Temperatur der leitfähigen Schicht steigt an. Um die Wärmeenergie durch Joulesche Erwärmung zu bewahren, umfasst die MEMS-Struktur im Allgemeinen eine Leiterschicht auf einer Membran oder eine Trägerplatte, die in einem offenen Hohlraum gelagert ist. Der Hohlraum fungiert dabei als Wärmeisolierung. Die Leiterschicht kann eine geringe Masse aufweisen, sodass die Erwärmung schnell vonstattengeht. Der Hohlraum stellt einen großen thermischen Widerstand oder Isolierung für das Substrat bereit, wodurch eine gute Wärmeeffizienz während der Erwärmung gegeben ist.
Ein großer thermischer Widerstand zwischen dem Heizelement und dem Substrat während des Kühlens führt zu einer geringen Wärmeableitung und führt zur Ineffizienz des Kühlprozesses.
Die Anwesenheit eines Hohlraums ist für eine rasche Erwärmung hilfreich, für ein rasches Kühlen jedoch hinderlich. MEMS-Heizelemente, die während einer Kühlperiode in einem Hohlraum über einem Substrat gelagert sind, leiten die Wärme möglicherweise nicht effizient ab, um ein rasches Abkühlen zu ermöglichen.
1A zeigt eine Draufsicht einer MEMS-Struktur 100, die ein Heizelement 104 einer resistiven Leiterschicht und eine Membran 102 in einem Hohlraum 106 umfasst. 1B zeigt schematisch einen Querschnitt einer MEMS-Struktur 100, die zur Vereinfachung der Erörterung nicht unbedingt einem wahren Querschnitt der Vorrichtung entspricht (und keinem Querschnitt der Draufsicht von 1A entspricht).
Der Hohlraum 106 isoliert das Heizelement 104 thermisch von einem Substrat. Ein Stromfluss durch das Heizelement 104 erhöht die Temperatur des Heizelements 104. Eine kleinere Masse des Heizelements 104 stellt einen schnelleren Temperaturanstieg im Heizelement 104 während eines Heizzyklus bereit. Die Luft im Hohlraum 106 fungiert als Wärmeisolierung und gestattet ein Zurückhalten der Wärme durch das Heizelement 104. Die Anwesenheit eines Hohlraums 106 unter dem Heizelement 104 und der Membran 102 stellt einen großen Wärmewiderstand zwischen dem Heizelement 104 und dem Substrat bereit. Ein großer Wärmewiderstand gestattet somit ein schnelles Erwärmen und eine erhöhte Wärmeeffizienz.
Wie in 1B gezeigt, sind die Membran 102 und das Heizelement 104 über dem Hohlraum 106 gelagert. Das Heizelement 104 und die Membran 102 sind über einem Substrat 110 mit einer Verankerung 108 gelagert. Die Verankerung 108 kann als eine kontinuierliche Struktur, die den Hohlraum 106 über dem Substrat 110 umgibt, ausgebildet sein. Der Hohlraum 106 ist unter der Membran 102 und über dem Substrat 110 angeordnet. Basierend auf der Anwendung kann der Hohlraum 106 mit Luft oder einem gasförmigen Element oder einem Vakuum gefüllt sein. Die Verankerung 108 ist aus einem dielektrischen Material hergestellt und fungiert als Wärmeisolierung für die Membran 102 und das Heizelement 104 vom Substrat 110.
Das MEMS-Substrat 110 kann aus Materialien, z.B. Silizium, Germanium und Galliumarsenid, hergestellt sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das MEMS-Substrat 110 mit p-Typ- oder n-Typ-Verunreinigungen dotiert sein. In einer weiteren Ausführungsform kann das Substrat für einen effizienten Wärmetransport aus einem Metall ausgebildet sein.
Die Verankerung 108 ist aus einem dielektrischen Material hergestellt, das Siliziumdioxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid und so weiter umfassen kann. Eine Isolierschicht 118 ist unter dem Heizelement 104 und über der Verankerung 108 eingebaut. Die Isolierschicht 118 wird von der Verankerung 108 über dem MEMS-Substrat 110 und einem Hohlraum 106 gelagert. In weiteren Ausführungsformen kann die Isolierschicht 118 zum Beispiel aus einem Siliziumnitrid hoher Festigkeit zur elektrischen Isolierung ausgebildet sein.
Das Heizelement 104 ist aus einem resistiven Leitermaterial umgesetzt, das auf verschiedene Weise ausgebildet sein kann. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Heizelement 104 aus Metallen, wie Platin und Wolfram, ausgebildet sein. In weiteren Ausführungsformen können Nichtmetalle, wie Polysilizium, Siliziumkarbid, amorphes oder Einkristall-Silizium und dergleichen, verwendet werden. Ein Wärmeverteiler kann in derselben Schicht wie die Heizelektrode 104 umgesetzt sein, um Wärme effizienter und gleichmäßiger in der Membran 102 zu verteilen. Der Wärmeverteiler wäre mit dem Heizelement allgemein nicht elektrisch verbunden.
In einigen Anwendungen kann die MEMS-Struktur 100 als Temperatursensor für ein gasförmiges Medium verwendet werden, wobei der Hohlraum 106 mit dem gasförmigen Medium gefüllt ist. Das gasförmige Medium verhindert eine rasche Wärmeableitung durch das Heizelement 104 aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit. Wenn das Heizelement 104 als Temperatursensor verwendet wird, kann diese geringe Wärmeleitfähigkeit zu Ungenauigkeiten bei den Temperaturmessungen führen. In einer Ausführungsform kann eine Anordnung von Heizelementen in einem einzigen Substrat ausgebildet sein, um eine Vorrichtung zu erwärmen. In einer weiteren Ausführungsform kann die zu erwärmende Vorrichtung über der Anordnung des Heizelements angeordnet sein.
Ein zu berücksichtigender Faktor bei der Entwicklung von MEMS-Vorrichtungen ist die Wärmeverwaltung. Die Erzeugung von Wärme durch die MEMS-Vorrichtung beinhaltet oft Joulesche Erwärmung, bei der Spannung an ein MEMS-Heizelement der MEMS-Vorrichtung angelegt und Wärme aufgrund des Flusses eines elektrischen Stroms durch das MEMS-Heizelement erzeugt wird. Die Joulesche Erwärmung ist durch das Joulesche Gesetz definiert, wobei die Gleichung folgendermaßen lautet: Q = j²ρ (1) wobei j ein Stromdichtevektor mit einer Einheit Amp/m2 ist, ρ ein spezifischer elektrischer Widerstand, der als Ohm-m ausgedrückt wird, und Q eine erzeugte Wärme pro Einheitsvolumen, definiert durch eine Einheit Watt/m3, ist. Der spezifische elektrische Widerstand ρ ist eine Funktion des Typs, der Form und der Struktur des Materials, das als MEMS-Heizelement verwendet wird.
Die Spannung, die für die Jouleesche Erwärmung verwendet wird, kann in spezifischen Zeiträumen basierend auf einer Anwendung impulsartig angelegt werden. Die Erwärmung erfolgt, wenn eine Spannung an eine leitfähige Schicht eines Heizelements angelegt wird, und verursacht einen Stromfluss. Wenn eine gepulste Spannung angelegt wird, um eine leitfähige Schicht des Heizelements zu erwärmen, folgt die Erwärmung einem Wärmeprofil, das eine Funktion einer Zeitkonstanten ist. Die Zeitkonstante ist eine Funktion eines Wärmewiderstands des Heizelements gegenüber dem Substrat oder dem Kühlkörper. Eine rasche Erwärmung kann mit einem großen Wärmewiderstand und mit einem schnellen Spannungsanstieg des Stroms, der durch das Heizelement fließt, erreicht werden. Alternativ dazu kann ein rasches Kühlen durch einen geringen Wärmewiderstand gegenüber dem Substrat oder dem Kühlkörper und einem schnellen Spannungsanstieg des Stroms erreicht werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine MEMS-Struktur ausgelegt, um ein rasches Erwärmen zu gestatten, indem eine Spannung an ein MEMS-Heizelement angelegt wird, und ein rasches Kühlen zu gestatten, indem das MEMS-Heizelement betätigt wird, um in Kontakt mit einem MEMS-Substrat zu gelangen. Ein Betätigen des MEMS-Heizelements zur Herstellung eines Kontakts mit dem MEMS-Substrat erfolgt durch Erzeugen einer elektrostatischen Kraft zwischen dem Heizelement und dem MEMS-Substrat. Da es in einem Oberflächenkontakt mit dem MEMS-Substrat steht, erreicht das MEMS-Heizelement einen sehr niedrigen Wärmewiderstand gegenüber dem Substrat der MEMS-Struktur.
Das Betätigen des MEMS-Heizelements kann mit einer elektrostatischen Kraft beschrieben werden, die zwei gegensätzlich geladene Elemente in einer bestimmten Entfernung zueinander anzieht. Die elektrostatische Kraft F ist durch die Coulombsche Gleichung gegeben:
wobei k konstant ist, Q1, Q2 elektrische Ladungen sind und die Entfernung zwischen den zwei geladenen Elementen ist. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein MEMS-Heizelement auf ein hohes Potential aufgeladen und das MEMS-Substrat ist auf ein Massepotential aufgeladen, um die elektrostatische Kraft F zwischen einander zu erzeugen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können unterschiedliche Betätigungsmethoden und -elemente, zum Beispiel Piezosensoren, verwendet werden, Wärmeausdehnung kann verwendet werden, um das Heizelement zu betätigen, um in Kontakt mit einem MEMS-Substrat zu gelangen.
2A zeigt eine Querschnittsansicht einer MEMS-Heizvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform während eines Heizzyklus, während 2B eine Querschnittsansicht derselben MEMS-Heizvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform während eines Kühlzyklus zeigt.
2A und 2B sind 1B ähnlich, enthalten jedoch zusätzliche Details zur Veranschaulichung der Vorrichtung im Betrieb. Zum Beispiel bilden elektrische Kontakte 112 und 114 ein Heizelement 104 an entgegengesetzten Enden. In manchen Ausführungsformen können elektrische Kontakte 112 und 114 durch Aluminium, Titannitrid, Wolfram usw. ausgebildet sein.
Der elektrische Kontakt 112 wird für eine Verbindung mit einem hohen Potential einer Spannungsquelle verwendet, und der elektrische Kontakt 114 ist mit einer Massereferenz während eines Heizzyklus verbunden. Ein weiterer elektrischer Kontakt 116 wird mit dem MEMS-Substrat 110 hergestellt, der während des Heizzyklus geöffnet bleibt. Während des Heizzyklus fließt elektrischer Strom aufgrund eines Potentialunterschieds zwischen den elektrischen Kontakten 112 und 114 über das Heizelement 104 und verursacht eine Jouleesche Erwärmung. Eine Isolierschicht 118 verhindert das Fließen von elektrischem Strom zwischen dem Heizelement 104 und dem MEMS-Substrat 110, wenn diese miteinander in Kontakt stehen. In dieser Konfiguration bleibt das Heizelement 104 durch den Hohlraum 106 getrennt, d.h. wärmeisoliert, vom MEMS-Substrat 110.
2B zeigt eine Querschnittsansicht der MEMS-Heizvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform während eines Kühlzyklus. In dieser Konfiguration wird ein Spannungspotential zwischen dem Heizelement 104 und dem Substrat 110 aufgebaut, um das Heizelement 104 und die Isolierschicht 118 zu veranlassen, in Kontakt mit dem MEMS-Substrat 110 im Hohlraum 106 zu gelangen.
Beim Schalten vom Heizzyklus wird die Referenzversorgungsverbindung zum Heizelement 104 vom elektrischen Kontakt 114 entfernt und der elektrische Kontakt 116 mit der Massereferenz verbunden. Der elektrische Kontakt 114 kann auf die Spannung +V, wie gezeigt, eingestellt werden, oder auf potentialfrei. In einer weiteren Ausführungsform kann der elektrische Kontakt 116 potentialfrei sein, während die Spannung +V mit dem elektrischen Kontakt 114 verbunden wird. In weiteren Ausführungsformen können andere Spannungen angelegt werden, um die gleichen Ergebnisse zu erhalten.
Im Beispiel von 2A und 2B verhindert eine Isolierschicht 118, dass das Heizelement 104 einen direkten Kontakt mit dem MEMS-Substrat 110 herstellt, z.B. um einen Stromfluss in das Substrat zu verhindern und das Heizelement 104 daran zu hindern, dass es auf dem Substrat 110 haften bleibt. In diesem Beispiel umfasst der bewegbare Abschnitt das Heizelement 104 und die Isolierschicht 118, aber nicht die Membranschicht 102 in 1B. Es ist klar, dass die Isolierschicht 118 die Membranschicht sein kann, oder dass die Struktur separate Schichten umfassen kann. In bestimmten Ausführungsformen ist gar keine Schicht erforderlich, und das Heizelement 104 ist der einzige Abschnitt, der während des Betriebs ausgelenkt wird.
Zurück zum in 2B gezeigten Vorgang, werden ein Abschnitt des Heizelements 104 und der Isolierschicht 118, die im Hohlraum 106 während des Heizzyklus gelagert sind, ausgelenkt und nach unten gezogen, um in Kontakt mit dem MEMS-Substrat 110 zu gelangen. Die Ablenkung erfolgt an beiden Enden des Heizelements 104 und der Isolierschicht 118. Die Verankerung 108 verhindert, dass die Enden des Heizelements 104 und der Isolierschicht 118 ausgelenkt werden. Der Bereich des Heizelements 104 und der Isolierschicht 118 auf der Oberseite der Verankerungen 108 bleibt an beiden Enden befestigt. Die Verankerung 108 ist eine durchgehende Struktur, die den Hohlraum 106 umgibt.
3 zeigt einen Querschnitt einer MEMS-Heizvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform mit einer Steuerschaltung 310, die ein Erwärmen und Kühlen des Heizelements 104 steuert. Die Steuerschaltung 310 sendet elektrische Signale an das Heizelement 104 und das MEMS-Substrat 110 basierend auf einem Heiz- und einem Kühlzyklus. In diesem Beispiel empfängt die MEMS-Vorrichtung 100 eine hohe Referenz von der Spannungsquelle 316 (z.B. +V), eine niedrige Referenz von der Spannungsquelle 314 (z.B. Masse) und eine gepulste Spannung vom Impulsgenerator 312. Diese Spannungen werden von einer Steuerschaltung 318 gesteuert, die die Schalter 320–326 steuert.
Der Impulsgenerator 312 wird durch den Schalter 324 gesteuert, um während des Heizzyklus mit dem elektrischen Kontakt 112 gekoppelt zu sein. Obwohl er in dieser bestimmten Schaltung nicht umgesetzt ist, kann der Impulsgenerator 312 mit dem elektrischen Kontakt 112 und/oder elektrischen Kontakten 114 während eines Kühlzyklus gekoppelt sein. Der Zeitraum ist basierend auf der Anwendung ausgelegt. In einer Ausführungsform liegt die Frequenz des Impulsgenerators bei 5 bis 10 Hz. In weiteren Ausführungsformen kann die Frequenz höher oder niedriger sein. Zum Beispiel kann die Frequenz im Bereich von Hunderten von Hertz liegen.
Im gezeigten Beispiel wird die Massereferenzspannung 314 durch einen Steuerschalter 320 gesteuert, um während eines Heizzyklus mit dem elektrischen Kontakt 114 gekoppelt zu sein, und vom Schalter 322 gesteuert, um während eines Kühlzyklus mit dem elektrischen Kontakt 116 gekoppelt zu sein. Ähnlich wird die Referenzspannung 316 durch den Schalter 326 gesteuert, um während eines Heizzyklus und eines Kühlzyklus mit dem elektrischen Kontakt 112 gekoppelt zu sein.
Es sei erwähnt, dass, obwohl eine Konfiguration der Steuereinheit 310 gezeigt ist, für Fachleute zu erkennen ist, dass die Steuerschaltung 310 auf unterschiedliche Weise umgesetzt sein kann. In einer Ausführungsform kann die Steuerschaltung 310 im selben MEMS-Substrat ausgebildet sein. In einer weiteren Ausführungsform kann die Steuerschaltung 310 ein Teil einer weiteren integrierten Schaltung (IC) sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Anordnung von Heizelementen 104 durch eine einzige Steuerschaltung 310 gesteuert werden. In einer weiteren Ausführungsform kann jedes Heizelement eine eigene Steuerschaltung 310 aufweisen, um ein unabhängiges Steuern des Heizelements 104 während eines Heiz- und eines Kühlvorgangs zu gestatten.
4A und 4B zeigen weitere Ausführungsformen. In Bezug auf 4A umfasst eine MEMS-Heizvorrichtung 400 ein Heizelement 104 mit Federhalterungen 404 an entgegengesetzten Enden der MEMS-Struktur. Jede Federhalterung 404 weist eine Federverankerung 410 auf, die auf der Verankerung 108 angeordnet ist. Die MEMS-Heizvorrichtung 400 umfasst ferner eine Membran 102, die unter dem Heizelement 104 ausgebildet ist und die eine Stützfunktion für das Heizelement 104 bereitstellt, während es in einem Hohlraum über einem MEMS-Substrat gelagert ist. Die Federhalterungen 404 sind mit dem Heizelement 104 elektrisch verbunden, und die Federhalterungen 408 sind an zwei entgegengesetzten Enden mit der Membran 102 elektrisch verbunden. Jede Federhalterung 408 umfasst eine Federverankerung 412, die auf der Verankerung 108 über dem MEMS-Substrat 110 angeordnet ist, um das Heizelement 104 und die Membran 102 über dem MEMS-Substrat und innerhalb des Hohlraums aufzuhängen.
Die Membran 102 ist in rechteckiger Form ausgebildet, und das Heizelement 104 ist in Serpentinenform ausgebildet, um eine geringere Heizmasse zu ermöglichen. Eine kleinere Masse stellt ein schnelleres Erwärmen mit geringerer Spannung am Heizelement bereit. In einer weiteren Ausführungsform kann allerdings das Heizelement 104 in rechteckiger Form oder einer sonstigen Form, die von der Membran 102 gehalten wird, ausgebildet sein. Federhalterungen an beiden Enden der Membran 102 und des Heizelements 104 gestatten eine niedrigere Betätigungsspannung und einen größeren Flächenkontakt mit dem Substrat während des Wärmetransports in einem Kühlzyklus.
4B zeigt eine Ausführungsform, die eine zweite Serpentinenstruktur 105 umfasst. Die zweite Struktur 105 kann eine Elektrode sein, die zur Temperaturabfühlung verwendet wird. Wie gezeigt, kann die Abfühlstruktur 105 mit einer Steuerschaltung (z.B. Steuerschaltung 310 von 3) unter Verwendung der zwei Verankerungen elektrisch gekoppelt sein. Ergebnisse des Abfühlens können verwendet werden, um das Erwärmen und Kühlen des Abfühl-Heizelements 104 zu steuern.
Es sind weitere Ausführungsformen und Variationen vorgesehen. Zum Beispiel können Kraft- und Abfühlelektroden verwendet werden, um parasitäre Kontaktwiderstände zu beseitigen. Es ist klar, dass verschiedene der Ausführungsformen und Variationen, die hier beschrieben werden, in Kombination miteinander verwendet werden können.
5 zeigt einen Querschnitt einer MEMS-Heizvorrichtung 500 nach einer Ausführungsform, die eine elektrische Isolierschicht 118, die über dem MEMS-Substrat 110 ausgebildet ist, anstatt auf dem Heizelement 104 befestigt zu sein, wie in 2A gezeigt, umfasst. Ein Ausbilden einer elektrischen Isolierschicht 118 auf einem MEMS-Substrat 110 anstatt auf der Membran 102 beseitigt mechanische Einflüsse, die durch eine elektrische Isolierschicht 118 auf der Membran 102 während der Betätigung in der zuvor beschriebenen Ausführungsform hätten ausgeübt werden können, da die elektrische Isolierschicht 118 keiner Betätigung ausgesetzt ist. Das MEMS-Substrat 110 bleibt während des Kühlzyklus von der Membran 102 elektrisch isoliert. In einer weiteren Ausführungsform kann eine Isolierung 118 wie zuvor beschrieben unter der Membran 102, z.B. wie in 2A gezeigt, ausgebildet sein.
6A und 6B zeigen eine weitere Ausführungsform einer MEMS-Heizvorrichtung 600 und 620, worin das Heizelement 104 durch eine Ummantelung aus einer elastischen Schicht 602 eingehaust ist. Die Membran 102 und das Heizelement 104 können auf der Ober- und der Unterseite mit einer elastischen Schicht 602 beschichtet sein. Die elastische Schicht 602 stellt während der Betätigung eine Flexibilität des Heizelements 104 bereit und erleichtert den Kontakt zwischen dem Heizelement 104 und dem MEMS-Substrat 110 während eines Kühlzyklus. Eine elektrische Isolierung vom Substrat 110 durch das Heizelement 104 wird, bei Kontakt während des Kühlzyklus, ebenfalls durch die elastische Schicht 602 erreicht. 6A zeigt ein Beispiel, in dem die elastische Schicht 602 sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite der Kombination von Membran 102 und Heizelement 104 ausgebildet ist, während 6B eine weitere Ausführungsform der MEMS-Heizvorrichtung 620 zeigt, die eine Beschichtung aus einer einzelnen elastischen Schicht 602 am Boden der Kombination von Membran 102 und Heizelement 104 umfasst. Die Beschichtung kann mit verschiedenen Arten von elastischen Schichten erfolgen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die elastische Schicht 602 mit einer Schicht aus Siliziumnitrid ausgebildet sein.
7 zeigt eine weitere Ausbildungsform einer MEMS-Heizvorrichtung 700, die eine Piezovorrichtung 702 umfasst, die an zwei Enden des Heizelements 104 ausgebildet ist. Eine Piezovorrichtung 702 an jedem Ende des Heizelements 104 klemmt das Heizelement 104 während einer Ausdehnung zusammen. Während der Expansion der Piezovorrichtungen 702 werden, wie durch die Pfeile 706 angezeigt, Abwärtsbiegungsmomente auf dem Heizelement 104 erzeugt, die bewirken, dass sich das Heizelement 104 nach unten bewegt und mit dem MEMS-Substrat 110 in Kontakt gelangt. Das Heizelement 104 bewegt sich nach oben, wenn die Piezovorrichtungen 702 sich an beiden Enden zusammenziehen. Durch sich ausdehnende Piezovorrichtungen 702 kann das Heizelement 104 nach unten bewegt werden, um mit dem MEMS-Substrat 110 in Kontakt zu gelangen, um eine rasche Wärmeableitung zu erreichen.
Andererseits kann mit dem Zusammenziehen der Piezovorrichtungen 702 das Heizelement 104 vom MEMS-Substrat 110 weggezogen werden, um eine Wärmeisolierung im Hohlraum 106 zu erzeugen, um einen Wärmeenergieverlust während eines Heizzyklus zu verhindern. Die Membran 102 ist unter dem Heizelement 104 ausgebildet, um das Heizelement 104 zu tragen. Die Betätigung des Heizelements 104 bewirkt, dass die Membran 102 der Bewegung in Richtung des Substrats 110 folgt. Alternativ dazu wird die Membran 102 während des Zusammenziehens der Piezovorrichtungen nach oben und weg vom Substrat 110 bewegt. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Piezovorrichtung durch einen piezoelektrischen Dünnfilm und strukturelle Materialien über dem Heizelement 104 ausgebildet sein.
8A zeigt eine Querschnittsansicht einer MEMS-Heizvorrichtung 800 gemäß einer Ausführungsform, die Anti-Haftreibungserhöhungen 802 umfasst, die in einer Isolierschicht 118 ausgebildet sind. Anti-Haftreibungserhöhungen sind kleine Erhöhungen auf der Isolierschicht, z.B. mit scharfen Spitzen, die eine Haftreibung der Isolierschicht 118 gegen das MEMS-Substrat 110 verhindern. Eine glatte Oberfläche der Isolierschicht 118 kann auf einer glatten Fläche des MEMS-Substrats während des Kühlzyklus haften bleiben und erfordert möglicherweise zusätzliche Kraft, um nach dem Kühlzyklus entfernt und vom MEMS-Substrat isoliert zu werden. Anti-Haftreibungserhöhungen 802 mit ihren scharfen Spitzen verhindern eine Haftreibung und gestatten ein leichtes Trennen der Isolierschicht 118 und des Heizelements 104 während des Betriebs.
8B zeigt ein Abtastelektronenmikroskop(SEM)-Bild einer Isolierschicht 118 mit Anti-Haftreibungserhöhungen 802. Anti-Haftreibungserhöhungen werden erzeugt, indem eine zusätzliche Maske verwendet wird, mit der kleine Quadrate oder runde Löcher erzeugt werden, die in eine den Hohlraum füllende Opferschicht geätzt werden. Die Isolierschicht 118 füllt diese Löcher auf, wenn die Isolierschicht auf der Opferschicht abgelagert wird. Sobald die resistive Leiterschicht, die das Heizelement 104 ausbildet, abgelagert ist, wird die Opferschicht entfernt. Abstehende Strukturen in der Isolierschicht, die die Quadrate oder Löcher füllen, bleiben dabei zurück und erzeugen Anti-Haftreibungserhöhungen 802 im Hohlraum 106. Die Spitzen der Anti-Haftreibungserhöhungen können scharf gemacht werden, indem die Opferschicht überbelichtet wird.
In einer weiteren Ausführungsform kann Haftreibung durch die Heizvorrichtung selbst verhindert werden. Besonders die Temperatur der Heizvorrichtung kann Haftreibung verhindern, da das Wasser, das für die Haftreibung verantwortlich ist, verdampft wird. Dies ist ein weiteres Beispiel eines Mechanismus zur Verhinderung von Haftreibung.
9A–9G zeigen einen Herstellungsverfahrensablauf für die Ausführungsform einer MEMS-Vorrichtung 100. Wie weiter unten erörtert wird, werden einfache Oberflächen-Mikromechanikprozesse mit TEOS-Oxid und polykristallinem Silizium verwendet, um Opferschichten wie oben beschrieben auszubilden.
Alternativen sind möglich, so wie die ausdrücklich erwähnten und weitere Alternativen, die für Fachleute als solche erkennbar wären.
Gemäß mehreren Ausführungsformen beginnt 9A mit einem Wafer 900, der ein Substrat 110 und eine dielektrische Schicht 904, die über dem Substrat 110 ausgebildet ist, umfasst. In alternativen Ausführungsschichten kann das Substrat 110 aus Silizium oder weiteren Materialien wie Siliziumgermanium, Siliziumkarbid, Galliumarsenid oder dergleichen ausgebildet sein. Das Substrat 110 kann ein Silizium-auf-Isolierung(SOI)-Substrat sein. Das SOI-Substrat kann eine Schicht aus einem Halbleitermaterial (z.B. Siliziumgermanium, Galliumarsenid und dergleichen) sein, die auf einer Isolierschicht (z.B. vergrabenes Oxid) ausgebildet ist, die ihrerseits in einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist. Alternativ dazu umfassen weitere Substrate, die verwendet werden können, mehrschichtige Substrate, Gradientsubstrate, Hybridorientierungssubstrate und so weiter.
Die dielektrische Schicht 904 ist aus einem dielektrischen Material ausgebildet, wie etwa Siliziumdioxid (SiO2). Die aus Siliziumdioxid ausgebildete dielektrische Schicht 904 fungiert als starke thermische und elektrische Isolierung. Die dielektrische Schicht 904 kann z.B. unter Verwendung von Spinning, chemischer Dampfablagerung (CVD), Plasma-verbesserter chemischer Dampfablagerung (PECVD), Niedrigdampf-CVD oder sonstigen geeigneten Ablagerungstechniken auf dem Substrat 110 abgelagert werden.
In anderen Ausführungsformen kann die dielektrische Schicht 904 aus unterschiedlichen geeigneten Materialien hergestellt sein, wie etwa einem Low-k-Dielektrikum (z.B. Kohlenstoff-dotierte Oxide), einem extremen Low-K-Dielektrikum (z.B. Kohlenstoff-dotiertes poröses Siliziumdioxid), einem Polymer (z.B. Polyimid), Kombinationen davon oder dergleichen. Ein Abschnitt der dielektrischen Schicht 904 kann in anschließenden Verfahrensschritten entfernt werden, um eine Verankerung oder eine Basis für MEMS-Strukturen auf dem Substrat 110 auszubilden.
9B zeigt eine strukturierte dielektrische Schicht 904 zum Ausbilden der Verankerung oder einer Basis 108 zum Halten einer MEMS-Struktur über dem Substrat 110. Die Strukturierung der dielektrischen Schicht 904 kann z.B. unter Verwendung einer Kombination aus Fotolithografie- und Ätztechniken durchgeführt werden. Die Strukturierung der dielektrischen Schicht über dem Substrat 110 kann durch Abscheiden eines Fotoresists oberhalb der dielektrischen Schicht 904 durchgeführt werden. Ein flüssiges Fotoresist wird auf der dielektrischen Schicht 904 quer über den Wafer 900 angeordnet. Der Wafer 900 wird bei hoher Geschwindigkeit gedreht, um eine dünne und gleichmäßige Beschichtung des Fotoresists zu erzeugen. Das Fotoresist wird dann belichtet, um einen Abschnitt der dielektrischen Schicht 904, der einen Hohlraum über dem Substrat 110 ausbildet, selektiv wegzuätzen. Es können unterschiedliche Ätztechniken verwendet werden, z.B. reaktives Ionenätzen (RIE), seitliches Ätzen und dergleichen, um den Abschnitt der dielektrischen Schicht 904 zu entfernen.
9C zeigt das Ausbilden einer Opferschicht 906 quer über den Wafer 900, die den wie im vorhergehenden Absatz strukturierten und geätzten Hohlraum füllt. Die Opferschicht 906 ist derart ausgewählt, dass die Verankerung 108 während der Entfernung der Opferschicht 906 im anschließenden Verfahren nicht beschädigt wird. Durch die Opferschicht 906 werden verschiedene Auslegungsanforderungen an MEMS-Strukturen erfüllt. Die Opferschicht 906 bildet keinen Teil der endgültigen MEMS-Struktur und wird daher als Opferschicht bezeichnet. Geeignete mechanische Eigenschaften der Opferschicht 906 können z.B. gute Haftfähigkeit, geringe Verformung zur Verhinderung von Delaminierung oder Rissbildung auf der MEMS-Struktur umfassen.
9D zeigt das Abscheiden einer Opferschicht 906 auf der Opferschicht 906. Die Opferschicht 906 kann durch eine Siliziumnitrid(Si3N4)-Schicht ausgebildet sein, die eine hochfeste elektrische Isolierfähigkeit aufweist. Verschiedene Arten von Ablagerungstechniken zum Abscheiden des Siliziumnitrids auf der Opferschicht 906 umfassen z.B. chemische Dampfablagerung (CVD), chemische Niedrigdruck-Dampfablagerung (LPDVC), Plasma-verbesserte chemische Dampfablagerung (PECVD) und weitere. In einer Ausführungsform wird eine Isolierschicht mit einer Dicke von 1400 Å abgelagert.
Nach dem Abscheiden der Opferschicht 906 wird eine resistive Leiterschicht 104, wie in 9E gezeigt, abgelagert. Es können verschiedene Materialarten für die resistive Leiterschicht 104 verwendet werden, die z.B. Polysilizium, Siliziumkarbid, amorphes oder Einkristallsilizium und so weiter umfassen. Das Abscheiden der resistiven Leiterschicht 104 kann durch ein LPCVD- oder ein PECVD-Verfahren durchgeführt werden. In einer Ausführungsform kann eine resistive Leiterschicht 104 mit einer Dicke von 2800 Å abgelagert werden. In einem Herstellungsverfahren gemäß einer Ausführungsform kann die resistive Leiterschicht 104 nach der Ablagerung Hochtemperatur-Verarbeitungsschritte durchlaufen, die z.B. Dotieren, thermisches Oxidieren, Ausglühen und so weiter umfassen können. Die resistive Leiterschicht 104 kann basierend auf der Anwendung einen unterschiedlichen Schichtwiderstand aufweisen. Der Widerstand der resistiven Leiterschicht 104 kann durch eine Phosphor-Dotierung unter Verwendung von z.B. einem Ionen-Implantierungsverfahren gesteuert werden. Es können allerdings auch andere Verfahren verwendet werden, z.B. Diffusion, um den Widerstand der resistiven Leiterschicht 104 zu steuern. In einer Ausführungsform weist die resistive Leiterschicht 104 einen Schichtwiderstand von 100 Ohm/Quadrat auf. In einer weiteren Ausführungsform kann eine Dicke der Opferschicht 906 zwischen 0,1 und 0,5 einer Dicke der resistiven Leiterschicht 104 betragen.
9F zeigt einen Prozess zur Strukturierung der resistiven Leiterschicht 104. Die Strukturierung wird z.B. unter Verwendung einer Kombination aus Fotolithografie und Ätzen umgesetzt. Gemäß einer Ausführungsform wird die resistive Leiterschicht 104 in einem rechteckig geformten Heizelement strukturiert. In einer Ausführungsform erfolgt die Strukturierung der resistiven Leiterschicht 104 mit dem Zweck, ein serpentinenförmiges Heizelement für eine MEMS-Vorrichtung zu erzeugen. In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Strukturierung der resistiven Leiterschicht, um eine Federhalterung an beiden Enden des serpentinenförmigen Heizelements auszubilden. Es können basierend auf der Anwendung verschiedene Formen strukturiert werden, um das Heizelement herzustellen.
Es sind verschiedene Modifikationen der in 9A–9F gezeigten Herstellungsabfolge gemäß der Ausführungsform vorgesehen. Ferner kann die Struktur in zahlreichen Ausführungsformen und Modifikationen der Herstellungsabfolge erwartungsgemäß modifiziert werden. Die verschiedenen hier beschriebenen Prozessschritte und die beigefügten Figuren dienen lediglich der Veranschaulichung. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können Strukturen schräge Seitenwände, raue Oberflächen und zahlreiche Dimensionen umfassen. Es kann ferner ein Herstellungsverfahren gemäß der Offenbarung der veröffentlichten US-Patentanmeldung Nr. 2015/0102372 A1 mit dem Titel „Semiconductor Device for Emitting Frequency-Adjusted Infrared Light“, eingereicht am 14. Oktober 2013, die durch Verweis in ihrer Gesamtheit hierin eingeschlossen wird, verwendet werden.
10A–10G zeigen einen Herstellungsverfahrensablauf gemäß einer Ausführungsform für die MEMS-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform von 5. Der Prozess beginnt mit einem Substrat 110 auf einem Wafer 1000, wie in 10A gezeigt. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat 110 aus Silizium oder sonstigen Materialien ausgebildet sein. In einer weiteren Ausführungsform kann das Substrat 110 z.B. mit p-Typ-Material leicht dotiert sein.
10B zeigt das Abscheiden einer dünnen Isolierschicht 118 auf dem Substrat 110. Die dünne Isolierschicht kann durch eine Siliziumnitridschicht mit einer hochfesten elektrischen Isolierfähigkeit ausgebildet sein. Es können verschiedene Ablagerungstechniken verwendet werden, um die Isolierschicht 118 aufzubringen, z.B. CVD, PECVD, LPCVD und weitere geeignete Ablagerungstechniken. Die Dicke der dünnen Isolierschicht kann basierend auf unterschiedlichen MEMS-Strukturen variieren. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die dünne Isolierschicht 118 für eine Dicke von ungefähr 140 bis 280 nm abgelagert. Diese Dicken können in anderen Anwendungen größer oder kleiner sein.
Eine dielektrische Schicht 904 wird durch Abscheiden eines dielektrischen Materials, wie SiO₂, auf der dünnen Isolierschicht 118 ausgebildet, wie in 10C gezeigt. Das Abscheiden kann unter Verwendung verschiedener Verfahren erfolgen, z.B. durch CVD, PECVD oder sonstige geeignete Ablagerungstechniken. 10D zeigt eine Strukturierung der dielektrischen Schicht 904 zum Ausbilden der Verankerung oder Basis 108 zum Halten der MEMS-Vorrichtung über dem Substrat 110 und der Opferschicht 906. Die Strukturierung der dielektrischen Schicht kann verwendet werden, um einen Hohlraum 106 für die in 5 gezeigte MEMS-Vorrichtung zu definieren. Der Hohlraum ist von einer Verankerung 108 umgeben.
10E zeigt das Abscheiden einer Opferschicht 906, die den von der Verankerung 108 umgebenen Hohlraum füllt. Die Opferschicht 906 fungiert als temporäre mechanische Schicht, auf die eigentliche Schichten der Vorrichtung, z.B. Polysilizium für das Heizelement, Siliziumnitrid für die Membran und andere, abgelagert werden können. 10F zeigt das Abscheiden einer resistiven Leiterschicht 104, die auf der Opferschicht 906 abgelagert ist. Die resistive Leiterschicht 104 kann durch verschiedene Materialien ausgebildet sein, z.B. Polysilizium, Siliziumkarbid und so weiter.
Die Strukturierung der resistiven Leiterschicht 104 kann durch eine Kombination aus einem Fotolithografie- und einem Ätzverfahren durchgeführt werden. Ein negatives oder positives Fotoresist kann auf der resistiven Leiterschicht 104 abgelagert werden, um ein MEMS-Heizelement gemäß einer Ausführungsform zu strukturieren.
Nach dem Strukturieren der resistiven Leiterschicht 104 wird die Opferschicht 906 entfernt und der Hohlraum 106 ausgebildet. Das Heizelement bleibt über dem Hohlraum gelagert und an zwei Enden befestigt, wie in 10G gezeigt.
11A–11H zeigen einen Herstellungsprozess gemäß einer Ausbildungsform zum Ausbilden von Haftreibungserhöhungen in der Isolierschicht 118. 11A zeigt den Schritt, in dem die Opferschicht 906 ausgebildet wird, um einen Hohlraum in der Verankerung 108 und über dem Substrat 110 zu bedecken. Eine Schicht aus einem Fotoresist 1102 wird über der Opferschicht 906 abgelagert, wie in 11B gezeigt. Das Fotoresist 1102 ist ein organisches Polymer, dessen chemische Struktur sich ändert, wenn es ultraviolettem (UV-)Licht ausgesetzt wird. Die Ablagerung des Fotoresists 1102 kann durch verschiedene Verfahren erfolgen; eines dieser Verfahren umfasst Spin-Beschichtung. Das Fotoresist 1102 wird dann UV-Licht ausgesetzt, um Haftreibungsvorsprungsregionen auf der Opferschicht 906 auszubilden. 11C zeigt einen unbelichteten Bereich 1104 des Fotoresists 1102. Dieser unbelichtete Bereich 1104 des Fotoresists 1102 wird weggespült, um ein selektives Ätzen der Opferschicht 906 zum Ausbilden von Haftreibungserhöhungen durchzuführen.
11D zeigt einen Prozessschritt, in dem das Fotoresist 1102 einen unbelichteten Bereich 1104 zur Vorbereitung auf ein Ätzen der Opferschicht 906 umfasst. 11E zeigt ein Ätzen der Opferschicht 906 zum Erzeugen von Haftreibungserhöhungen 1106. Das Ätzen der Opferschicht 906 kann auf verschiedene Weise erfolgen, z.B. durch isotropes Ätzen, anisotropes Ätzen, Nass- oder Trockenätzen, Plasmaätzen. 11F zeigt den Prozessschritt, in dem das Fotoresist 1102 entfernt wird und die Opferschicht 906 Vertiefungen für Haftreibungserhöhungen 1106 umfasst. Die Entfernung des Fotoresists kann unter Verwendung verschiedener Arten von Lösemitteln erfolgen.
11G zeigt den Prozessschritt, in dem die Opferschicht 906 auf der Opferschicht 906 mit den Vertiefungen für Haftreibungserhöhungen 1106 abgelagert wird. Die Opferschicht 906 füllt diese Vertiefungen, und Haftreibungserhöhungen 1106 werden unterhalb der Opferschicht 906 ausgebildet. 11H zeigt die Vorsprungsstruktur der Haftreibungserhöhungen 1106 innerhalb des Hohlraums, wenn die Opferschicht 906 unter der Isolierschicht 118 und der resistiven Leiterschicht 104 entfernt wird. 11A–11H zeigen ein Verfahren zur Ausbildung von Haftreibungserhöhungen. Es können verschiedene weitere Verfahren verwendet werden, um Haftreibungserhöhungen in einer Isolierschicht 118 einer MEMS-Heizvorrichtung auszubilden.
Die hier beschriebene Vorrichtung kann in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden. In einem Beispiel umfasst eine fotoakustische Gassensor(PAS)-Vorrichtung ein MEMS-Heizelement gemäß einer Ausführungsform, das, wenn es auf eine spezifische Temperatur erwärmt ist, als Emitter einer Lichtquelle verwendet wird. 12 zeigt eine solche PAS-Vorrichtung 1200 gemäß einer Ausführungsform, die ein Emittermodul 1202, einen optischen Pfad 1204, einen Infrarot(IR)-Filter 1206 und einen Detektor oder ein druckempfindliches Modul 1208 umfasst. Der Emitter 1202 kann durch eine resistive Leiterschicht, die über einem Hohlraum und einem Substrat gelagert ist, ausgebildet sein. Der optische Pfad 1204 kann durch ein Volumen ausgebildet sein, das mit einem gasförmigen Medium, das analysiert wird, gefüllt ist. Der IR-Filter 1206 kann durch verschiedene Schichten ausgebildet sein, z.B. Metall, monokristallines Silizium oder Polysilizium. In verschiedenen Ausführungsformen kann der IR-Filter 1206 im selben Substrat wie der Emitter 1202, getrennt durch einen Abstand, ausgebildet sein. Es können verschiedene Arten von Detektoren als druckempfindliche Module 1208 verwendet werden, z.B. ein Mikrofon zum Umwandeln der Schallwellen in elektrische Signale. In einer anderen Ausführungsform kann ein Photodetektor verwendet werden, wo ankommende Lichtsignale gemessen werden können. In einer weiteren Ausführungsform können ein Emittermodul 1202 und ein druckempfindliches Modul 1208 auf unterschiedlichen Siliziumsubstraten umgesetzt sein. In einer weiteren Ausführungsform kann ein Lautsprecher vorgesehen sein, der von einem Emittermodul 1202 auf Erregungen basierend erzeugte, hörbare Signale aufweist.
12 zeigt ferner Erregungen 1210 und 1212, die vom Emittermodul 1202 erzeugt werden, die verschiedene Wellenlängen darstellen. Die Erregungen 1210 stellen eine spezifische Wellenlänge dar, die durch das gasförmige Medium, das zu analysieren ist, erregt wird. Die Erregungen 1212 stellen alle sonstigen Wellenlängen dar, mit Ausnahme der Wellenlänge der Erregungen 1210. Das gasförmige Medium im optischen Pfad 1204 absorbiert und reduziert Energie für die Erregungen 1210, wie durch die Ausgangserregungen des optischen Pfads 1204 gezeigt. Diese Erregungen breiten sich als Schallwellen durch den IR-Filter 1206 aus, der mit einem Referenzgas gefüllt ist.
Der IR-Filter 1206 fungiert als Bandpassfilter und gestattet ein Hindurchtreten der Erregungen 1210. Die Erregungen 1212 werden durch den IR-Filter 1206 gefiltert und treten durch den IR-Filter 1206 nicht hindurch. Die Schallwellen, die durch die Emitterimpulse verursacht werden, die durch das Emittermodul, das mit dem zu analysierenden Gas interagiert, erzeugt werden, breiten sich bis zum Detektor oder druckempfindlichen Modul 1208 aus. Das druckempfindliche Modul 1208 wird verwendet, um eine Druckvariation der eingehenden Wellen zu detektieren. Die Informationen, die in den vom druckempfindlichen Modul 1208 erzeugten elektrischen Signalen enthalten sind, werden ferner verwendet, um die Zusammensetzung des Gases zu bestimmen. In einer Ausführungsform kann ein druckempfindliches Modul 1208 mit einem Lautsprecher umgesetzt sein.
Es sollen nun zwei spezifische Beispiele unter Bezugnahme auf 13 und 14 beschrieben werden. 13 ist 2 der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung Nr. 14/052.959 (veröffentlicht unter „Photoacoustic Gas Sensor Device and A Method for Analyzing Gas“) entnommen, und 14 ist 4 der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung Nr. 14/052.962 (veröffentlicht unter „Semiconductor Device for Emitting Frequency Adjusted Infrared Light“) entnommen, die beide durch Verweis hierin eingeschlossen werden. Die Bezugszahlen in 13A, 13B und 14 wurden so belassen, wie sie in ihren Beschreibungen und Anmeldungen veröffentlicht sind.
In den Beispielen von 13A und 13B können die Emittermodule (die in den genannten Referenzdokumenten als 120 bezeichnet sind) unter Verwendung einer hier beschriebenen MEMS-Heizstruktur 104 umgesetzt sein. In 13A und 13B ist das Emittermodul durch das Heizelement 104 umgesetzt und wird somit in der nachfolgenden Beschreibung als Emittermodul 104 bezeichnet. 13A zeigt eine schematische Darstellung einer fotoakustischen Gassensorvorrichtung 1300 zum Analysieren von Gas gemäß einer Ausführungsform. Die fotoakustische Gassensorvorrichtung 1300 umfasst ein Emittermodul 104 und ein druckempfindliches Modul 1330, die auf einem gemeinsamen Substrat 110 angeordnet sind. Das Emittermodul 104 ist in der Lage oder konfiguriert dazu, Lichtimpulse 122 auszusenden. Das druckempfindliche Modul 1330 ist in einem Referenzgasvolumen 106B angeordnet. Das Referenzgasvolumen 106B ist von einem Volumen 106A, das dazu vorgesehen ist, mit einem zu analysierenden Gas gefüllt zu sein, getrennt. Das druckempfindliche Modul 1330 erzeugt ein Sensorsignal 132, das Informationen auf einer akustischen Welle 124 anzeigt, die durch Lichtimpulse 122 verursacht wird, die durch das Emittermodul 104, das mit einem Referenzgas im Referenzgasvolumen 106B interagiert, ausgesendet werden.
13B zeigt einen Querschnitt einer fotoakustischen Gassensorvorrichtung 1300 gemäß einer Ausführungsform. Die fotoakustische Gassensorvorrichtung 1300 umfasst ein Emittermodul 104, ein druckempfindliches Modul 1330 und ein Analysemodul 1340, die auf derselben Seite eines gemeinsamen Substrats 110 angeordnet sind. Das Emittermodul 104 sendet Lichtimpulse 122 durch das Loch oder Fenster 1322 in das Volumen 106A aus, das dazu vorgesehen ist, mit dem zu analysierenden Gas gefüllt zu sein. Der Teil des Referenzgasvolumens 106B, der gegenüber dem druckempfindlichen Modul 1330 angeordnet ist, ist von einem Gehäuse 1309 eingekapselt, das benachbart zum Gehäuse 1303 des Volumens 106A ist. Das gemeinsame Substrat 110 umfasst ein Loch 1306 zwischen dem druckempfindlichen Modul 1330 und einem Referenzgasmodul 106B. Eine Abdeckung oder ein Gehäuse 1350 bedeckt das druckempfindliche Modul 1330 und ein Analysemodul 1340. Das Analysemodul 1340 ist seitlich zwischen dem druckempfindlichen Modul 1330 und dem Emittermodul 104 angeordnet. Das Emittermodul 104 und das Analysemodul 1340 sind optional von einer Vergussmasse 1360 geschützt. Das Referenzgasvolumen 106B ist vom Gehäuse 1303, das einen Gasauslass 1305 und einen Gaseinlass 1307 umfasst, eingekapselt. Das Trägersubstrat 110 kann einen oder mehrere elektrische Kontakte 1314 umfassen. Ein elektrischer Massekontakt 1312 kann verwendet werden, um die Abschirmungsabdeckung 1350 mit dem gemeinsamen Substrat 110 in Kontakt zu bringen.
Im Beispiel von 14 kann die seitliche Emitterstruktur 1410 durch ein Heizelement 104 gemäß einer Ausführungsform, wie hier beschrieben, umgesetzt sein. 14 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Halbleitervorrichtung 1400 zum Aussenden von Frequenz-eingestelltem Infrarotlicht gemäß einer Ausführungsform. Es wird auch sichtbares Licht ausgesendet (Strahlung des schwarzen/grauen Körpers gemäß Plankschem Strahlungsgesetz).
Die Halbleitervorrichtung 1400 umfasst ein Halbleitersubstrat 110 und eine seitliche Emitterstruktur 1410 (IR-Emitterelement), die in einer Metallschicht (z.B. Kupfer, Aluminium, Wolfram, Titan oder Titannitrid) oder einer Halbleiterschicht (z.B. monokristallines Silizium oder Polysilizium), die vom Halbleitersubstrat 110 durch einen Hohlraum 106 getrennt ist, angeordnet ist. Die seitliche Emitterstruktur 1410 umfasst Kantenregionen 1412, die den Teil der seitlichen Emitterstruktur 1410 umgeben, der hauptsächlich (mehr als 50 % der Lichtintensität) zum ausgesendeten Infrarotlicht beiträgt, das sich seitlich in Isoliermaterial (z.B. Siliziumdioxid) erstreckt, das z.B. durch Isolierschichten ausgebildet ist. Die seitliche Emitterstruktur 1410 ist an entgegengesetzten Seiten mit der Kantenregion 1412 durch elektrische Kontakte 1402 (z.B. Durchgänge, Filamentkontakt) elektrisch verbunden, die mit einer externen Stromquelle zu verbinden sind oder mit einem Emittersteuermodul auf derselben Halbleiterplatte verbunden sind. Die seitliche Filterstruktur 1404 (z.B. Photonenkristallfilter) ist über der seitlichen Emitterstruktur 1410 am seitlichen Luftspalt 1430 angeordnet.
15 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 1500 zur Herstellung einer MEMS-Heizvorrichtung gemäß einer Ausführungsform. Das Verfahren 1500 beginnt mit Schritt 1502, der das Ausbilden einer dielektrischen Schicht über einem Substrat umfasst. In Schritt 1504 wird die dielektrische Schicht strukturiert, um eine erste und eine zweite Verankerung auszubilden. Die erste und die zweite Verankerung sind durch einen Hohlraum über dem Substrat getrennt. In Schritt 1506 wird eine Opferschicht im Hohlraum ausgebildet, sodass eine eigentliche MEMS-Vorrichtung abgelagert werden kann. In Schritt 1508 wird eine Isolierschicht über der Opferschicht abgelagert. In einer Ausführungsform beträgt eine Dicke der Isolierschicht zwischen 0,1 bis 0,5 einer Dicke der Schicht des Heizelements. In Schritt 1510 wird eine resistive Leiterschicht zum Ausbilden des Heizelements über der Isolierschicht abgelagert. In Schritt 1512 wird die resistive Leiterschicht strukturiert, um das Heizelement auszubilden. Das Heizelement kann mit vielen verschiedenen Formen hergestellt werden, z.B. in Form eines Rechtecks oder serpentinenförmig. In Schritt 1514 wird die Opferschicht unter der Isolierschicht entfernt, um den eigentlichen Hohlraum auszubilden, über dem das Heizelement gelagert ist.
Gemäß einigen hier beschriebenen Ausführungsformen können Vorteile das Hinzufügen von Funktionen zu einem integrierten Produkt umfassen. Einige Ausführungsformen können ein Heizelement und Steuerschaltungen umfassen, die in derselben Halbleiterplatte integriert sind. Solche Ausführungsformen können vorteilhafter Weise keine zusätzlichen Masken oder nur eine einzige zusätzliche Maske während der Herstellungsabfolge umfassen. Ein weiterer Vorteil von einigen Ausführungsformen kann eine integrierte Temperaturabfühlfunktion umfassen. Die Integration in einem einzelnen Halbleiter kann bei einigen Ausführungsformen vorteilhafterweise auch zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit und niedrigeren Kosten führen. Ein weiterer Vorteil einiger Ausführungsformen kann das Bereitstellen einer Heizfunktion für ein Objekt sein, das in Kontakt mit dem Heizelement oder in geringem Abstand davon in einer einzigen Verpackung angeordnet ist. Solche Ausführungsformen können vorteilhafterweise die Erwärmungsleistungsfähigkeit verbessern, die Wärmeeffizienz erhöhen und dergleichen.
Wie oben erörtert, umfasst die vorliegende Erfindung eine Anzahl von Ausführungsformen. Es wird darauf hingewiesen, dass verschiedene Aspekte der Ausführungsformen kombiniert werden können. In einer Ausführungsform wird ein Verfahren verwendet, um ein MEMS-Element zu betreiben, das ein bewegbares Heizelement, das über einem Substrat liegt, umfasst. Das Verfahren umfasst das Erwärmen des bewegbaren Heizelements durch Verursachen eines Stromflusses durch das bewegbare Heizelement, während das bewegbare Heizelement vom Substrat beabstandet ist; und das Kühlen des bewegbaren Heizelements durch Veranlassen eines physischen Kontakts des bewegbaren Heizelements, während es vom Substrat elektrisch isoliert ist.
Umsetzungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen: Kühlen des bewegbaren Heizelements kann durch Verursachen eines Spannungsunterschieds zwischen dem bewegbaren Heizelement und dem Substrat sowie Unterbrechen des Stromflusses durch das bewegbare Heizelement erreicht werden. Kühlen des bewegbaren Heizelements kann durch Erzeugen einer elektrostatischen Kraft zwischen dem Substrat und dem Heizelement durch Verbinden des Substrats mit einem anderen Potential als das bewegbare Heizelement erreicht werden. Kühlen des bewegbaren Heizelements kann durch Erzeugen einer Betätigungskraft auf dem Heizelement durch Ausdehnung einer ersten und einer zweiten Piezovorrichtung erreicht werden, wobei die erste Piezovorrichtung an einem ersten Ende des Heizelements und eine zweite Piezovorrichtung an einem zweiten Ende des Heizelements angeordnet ist. Das Erwärmen des bewegbaren Heizelements kann durch Erzeugen von Licht durch das bewegbare Heizelement erreicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren verwendet, um ein Mikroelektromechaniksystem(MEMS)-Heizelement auszubilden. Das Verfahren umfasst das Ausbilden einer dielektrischen Schicht über einem Substrat; das Strukturieren der dielektrischen Schicht zum Ausbilden eines Hohlraums in der dielektrischen Schicht; das Ausbilden einer Opferschicht im Hohlraum; das Abscheiden einer Isolierschicht über der Opferschicht; das Abscheiden einer resistiven Leiterschicht über der Isolierschicht; das Strukturieren der resistiven Leiterschicht zum Ausbilden eines Heizelements, das über dem Hohlraum liegt und sich bis zu zwei Regionen der dielektrischen Schicht erstreckt; und das Entfernen der Opferschicht von dem Hohlraum, sodass ein Abschnitt des Heizelements vom Substrat beabstandet ist.
Umsetzungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen. Das Verfahren könnte auch das Ausbilden eines ersten Kontakts an einem ersten Ende der resistiven Leiterschicht und eines zweiten Kontakts an einem zweiten Ende der resistiven Leiterschicht umfassen. Das Verfahren könnte ferner das Abscheiden einer zweiten Isolierschicht über der resistiven Leiterschicht zum Einkapseln des Heizelements umfassen. Eine Dicke der zweiten Isolierschicht kann zwischen 0,1 und 0,5 einer Dicke des Heizelements betragen. Die Isolierung und die zweite Isolierung können Siliziumnitrid umfassen. Die Isolierung und die zweite Isolierung können ein Material mit hoher Zugfestigkeit umfassen. Das Verfahren könnte ferner das Ausbilden einer Anordnung von Haftreibungserhöhungen auf einer Oberfläche der Isolierschicht umfassen.
In einer weiteren Ausbildungsform umfasst eine MEMS-Vorrichtung Folgendes: ein Substrat, ein elektrisch bewegbares Heizelement mit einem ersten Knoten und einem zweiten Knoten, wobei der erste Knoten mit einem ersten Anschluss einer ersten Spannungsquelle und der zweite Knoten mit einer Referenzspannungsquelle gekoppelt ist; eine erste Verankerung, die den ersten Knoten verankert, und eine zweite Verankerung, die den zweiten Knoten des elektrisch bewegbaren Heizelements auf dem Substrat verankert, sowie einen Hohlraum zwischen der ersten Verankerung und der zweiten Verankerung sowie zwischen dem elektrisch bewegbaren Heizelement und dem Substrat.
Umsetzungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen: Die erste Spannungsquelle kann konfiguriert sein, um eine erste Spannung für den ersten Knoten des elektrisch bewegbaren Heizelements bereitzustellen. Das elektrisch bewegbare Heizelement kann konfiguriert sein, um gekühlt zu werden, indem der zweite Knoten des elektrisch bewegbaren Heizelements von der Referenzspannungsquelle entfernt und eine Äquipotentialoberfläche quer über dem elektrisch bewegbaren Heizelement erzeugt wird. Das Substrat kann mit der Referenzspannungsquelle verbunden sein, sodass eine elektrostatische Kraft zwischen dem elektrisch bewegbaren Heizelement und dem Substrat erzeugt werden kann, um das elektrisch bewegbare Heizelement zu betätigen, damit dieses in Kontakt mit dem Substrat gelangt.
Das elektrisch bewegbare Heizelement kann mit Siliziumnitrid eingekapselt sein. Eine Anordnung von elektrisch bewegbaren Heizelementen kann über dem Substrat angeordnet sein, wobei die elektrisch bewegbaren Heizelemente in der Anordnung als Gruppe gesteuert sein können. Die elektrisch bewegbaren Heizelemente in der Anordnung können separat von einer Anordnung von ersten Spannungsquellen gesteuert werden.
Die MEMS-Vorrichtung kann ferner eine Steuerschaltung umfassen, die konfiguriert ist, einen Strom durch das bewegbare Heizelement während einer Erwärmungsperiode bereitzustellen, und die das Aussenden von Infrarotlicht verursacht. Die MEMS-Vorrichtung kann ferner eine Federhalterung umfassen, die das Heizelement mit der ersten und der zweiten Verankerung koppelt. Die MEMS-Vorrichtung kann ferner eine Membran umfassen, wobei das Heizelement eine über der Membran liegende gewundene Struktur umfasst, wobei die Federstruktur zwischen der Membran und der ersten und der zweiten Verankerung ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst eine MEMS-Vorrichtung eine Region eines Materials mit einem darin ausgebildeten Hohlraum; eine bewegbare Membran, die auf der Materialregion verankert ist und über dem Hohlraum liegt, wobei die bewegbare Membran ein elektrisch bewegbares Heizelement umfasst; ein erstes Piezomaterial, das auf der bewegbaren Membran in einem ersten Abschnitt der Materialregion physikalisch befestigt ist; und ein zweites Piezomaterial, das auf der bewegbaren Membran in einem zweiten Abschnitt der Materialregion physikalisch befestigt ist. Das erste und das zweite Piezomaterial sind konfiguriert, um die Membran zu veranlassen, sich zwischen einer ersten Position an einer Oberseite des Hohlraums und einer zweiten Position innerhalb des Hohlraums zu bewegen.
Umsetzungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen. Das Heizelement kann eine über der Membran liegende gewundene Struktur umfassen. Die MEMS-Vorrichtung kann ferner eine Wärmeverteilerstruktur umfassen, die in derselben Schicht wie das Heizelement ausgebildet ist, wobei die Wärmeverteilerstruktur vom Heizelement elektrisch isoliert ist.
Während diese Erfindung in Bezug auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben wurde, ist die Beschreibung nicht als Einschränkung auszulegen. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der veranschaulichenden Ausführungsformen sowie weitere Ausführungsformen der Erfindung werden für Fachleute auf dem Gebiet bei der Lektüre der Beschreibung ersichtlich sein. Es ist daher vorgesehen, dass jegliche solcher Modifikationen oder Ausführungsformen in den beigefügten Ansprüchen eingeschlossen sind.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Mikroelektromechaniksystem-Elements, das ein bewegbares Heizelement, das über einem Substrat liegt, umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erwärmen des bewegbaren Heizelements durch Verursachen eines Stromflusses durch das bewegbare Heizelement, während das bewegbare Heizelement vom Substrat beabstandet ist; und Kühlen des bewegbaren Heizelements durch Veranlassen eines physischen Kontakts des bewegbaren Heizelements zu dem Substrat, während es vom Substrat elektrisch isoliert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kühlen des bewegbaren Heizelements ein Verursachen eines Spannungsunterschieds zwischen dem bewegbaren Heizelement und dem Substrat sowie ein Unterbrechen des Stromflusses durch das bewegbare Heizelement umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kühlen des bewegbaren Heizelements ein Erzeugen einer elektrostatischen Kraft zwischen dem Substrat und dem Heizelement durch Verbinden des Substrats mit einem anderen Potential als das bewegbare Heizelement umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei das Kühlen des bewegbaren Heizelements ein Erzeugen einer Betätigungskraft auf dem Heizelement durch Ausdehnung einer ersten und einer zweiten Piezovorrichtung umfasst, wobei die erste Piezovorrichtung an einem ersten Ende des Heizelements und eine zweite Piezovorrichtung auf einem zweiten Ende des Heizelements angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, wobei das Erwärmen des bewegbaren Heizelements ein Erzeugen von Licht durch das bewegbare Heizelement umfasst.
Verfahren zum Ausbilden eines Mikroelektromechaniksystem-Heizelements, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Ausbilden einer dielektrischen Schicht über einem Substrat; Strukturieren der dielektrischen Schicht zum Ausbilden eines Hohlraums in der dielektrischen Schicht; Ausbilden einer Opferschicht im Hohlraum; Abscheiden einer Isolierschicht über der Opferschicht; Abscheiden einer resistiven Leiterschicht über der Isolierschicht; Strukturieren der resistiven Leiterschicht zum Ausbilden eines Heizelements, das über dem Hohlraum liegt und sich bis zu zwei Regionen der dielektrischen Schicht erstreckt; und Entfernen der Opferschicht aus dem Hohlraum, sodass ein Abschnitt des Heizelements vom Substrat beabstandet ist.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend ein Ausbilden eines ersten Kontakts an einem ersten Ende der resistiven Leiterschicht und eines zweiten Kontakts an einem zweiten Ende der resistiven Leiterschicht.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, ferner umfassend ein Abscheiden einer zweiten Isolierschicht über der resistiven Leiterschicht zum Einkapseln des Heizelements.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine Dicke der zweiten Isolierschicht zwischen 0,1 und 0,5 mal einer Dicke des Heizelements beträgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Isolierschicht und die zweite Isolierschicht Siliziumnitrid umfassen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Isolierschicht und die zweite Isolierschicht ein Material mit hoher Zugfestigkeit umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6–11, ferner umfassend ein Ausbilden einer Anordnung von Haftreibungserhöhungen auf einer Oberfläche der Isolierschicht.
Mikroelektromechaniksystem-Vorrichtung, umfassend: ein Substrat; ein elektrisch bewegbares Heizelement mit einem ersten Knoten und einem zweiten Knoten, wobei der erste Knoten mit einem ersten Anschluss einer ersten Spannungsquelle und der zweite Knoten mit einer Referenzspannungsquelle gekoppelt ist; eine erste Verankerung, die den ersten Knoten, und eine zweite Verankerung, die den zweiten Knoten des elektrisch bewegbaren Heizelements auf dem Substrat verankert; und einen Hohlraum zwischen der ersten Verankerung und der zweiten Verankerung sowie zwischen dem elektrisch bewegbaren Heizelement und dem Substrat.
Mikroelektromechaniksystem-Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die erste Spannungsquelle eingerichtet ist, eine erste Spannung für den ersten Knoten des elektrisch bewegbaren Heizelements bereitzustellen.
Mikroelektromechaniksystem-Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das elektrisch bewegbare Heizelement eingerichtet ist, gekühlt zu werden, indem der zweite Knoten des elektrisch bewegbaren Heizelements von der Referenzspannungsquelle entfernt und eine Äquipotentialoberfläche quer über dem elektrisch bewegbaren Heizelement erzeugt wird.
Mikroelektromechaniksystem-Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Substrat mit der Referenzspannungsquelle verbunden ist, sodass eine elektrostatische Kraft zwischen dem elektrisch bewegbaren Heizelement und dem Substrat erzeugbar ist, um das elektrisch bewegbare Heizelement zu betätigen, damit dieses in Kontakt mit dem Substrat gelangt.
Mikroelektromechaniksystem-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13–16, wobei das elektrisch bewegbare Heizelement mit Siliziumnitrid eingekapselt ist.
Mikroelektromechaniksystem-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13–17, wobei eine Anordnung von elektrisch bewegbaren Heizelementen über dem Substrat angeordnet ist, wobei die elektrisch bewegbaren Heizelemente in der Anordnung als Gruppe steuerbar sind.
Mikroelektromechaniksystem-Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die elektrisch bewegbaren Heizelemente in der Anordnung separat von einer Anordnung von ersten Spannungsquellen steuerbar sind.
Mikroelektromechaniksystem-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13–19, ferner umfassend eine Steuerschaltung, die eingerichtet ist, einen Strom durch das bewegbare Heizelement während einer Erwärmungsperiode bereitzustellen, was ein Aussenden von Infrarotlicht verursacht.
Mikroelektromechaniksystem-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13–20, ferner umfassend eine Federhalterung, die das Heizelement mit der ersten und der zweiten Verankerung koppelt.
Mikroelektromechaniksystem-Vorrichtung nach Anspruch 21, ferner umfassend eine Membran, wobei das Heizelement eine über der Membran liegende gewundene Struktur umfasst, wobei die Federstruktur zwischen der Membran und der ersten und der zweiten Verankerung ausgebildet ist.
Mikroelektromechaniksystem-Vorrichtung, umfassend: eine Region eines Materials mit einem darin ausgebildeten Hohlraum; eine bewegbare Membran, die auf der Region des Materials verankert ist und über dem Hohlraum liegt, wobei die bewegbare Membran ein elektrisch bewegbares Heizelement umfasst; ein erstes Piezomaterial, das auf der bewegbaren Membran in einem ersten Abschnitt der Materialregion physikalisch befestigt ist; und ein zweites Piezomaterial, das auf der bewegbaren Membran in einem zweiten Abschnitt der Materialregion physikalisch befestigt ist, wobei das erste und das zweite Piezomaterial eingerichtet sind, die Membran zu veranlassen, sich zwischen einer ersten Position an einer Oberseite des Hohlraums und einer zweiten Position innerhalb des Hohlraums zu bewegen.
Mikroelektromechaniksystem-Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei das Heizelement eine über der Membran liegende gewundene Struktur umfasst.
Mikroelektromechaniksystem-Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, ferner umfassend eine Wärmeverteilerstruktur, die in derselben Schicht wie das Heizelement ausgebildet ist, wobei die Wärmeverteilerstruktur vom Heizelement elektrisch isoliert ist.