本發(fā)明大體涉及mems器件的系統(tǒng)和方法，并且在特定實施例中，涉及用于控制mems結(jié)構(gòu)的快速加熱和冷卻的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

通常包括各種電氣和機械部件的微型化的微機電系統(tǒng)（mems）由各種材料和制造方法生產(chǎn)，并且在各種各樣的應(yīng)用中是有用的。這些應(yīng)用包括汽車電子、醫(yī)療設(shè)備和智能便攜式電子設(shè)備諸如蜂窩電話、個人數(shù)字助理（pda）、硬盤驅(qū)動器、計算機外圍設(shè)備和無線設(shè)備。在這些應(yīng)用中，mems可以用作傳感器、致動器、加速度計、開關(guān)、微鏡和許多其它器件。

mems用于用在測量溫度的溫度傳感器中或用在它們需要被加熱并發(fā)射紅外光的應(yīng)用中。在這樣的應(yīng)用中，mems結(jié)構(gòu)可能需要快速和準確地響應(yīng)于加熱信號。在一些應(yīng)用中，信號可能需要在加熱循環(huán)之后快速冷卻。在設(shè)計考慮因素中可能考慮到的各種屬性包括例如熱響應(yīng)、幾何形狀和溫度敏感性。焦耳加熱通常用在由于電流流過結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生熱的mems結(jié)構(gòu)中。能量在導(dǎo)致熱耗散的結(jié)構(gòu)的電阻上耗散。在mems結(jié)構(gòu)中，加熱元件通常懸掛在腔中以實現(xiàn)熱隔離。加熱元件還可以基于通過加熱元件的電流流動而呈現(xiàn)致動并發(fā)射紅外光。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)各種實施例，mems器件包括：襯底；電可移動加熱元件，具有耦合到第一電壓源的第一端子的第一節(jié)點和耦合到參考電壓源的第二節(jié)點；將電可移動加熱元件的第一節(jié)點錨定到襯底的第一錨定件和將電可移動加熱元件的第二節(jié)點錨定到襯底的第二錨定件；以及在第一錨定件和第二錨定件之間以及在電可移動加熱元件和襯底之間的腔。

附圖說明

為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，現(xiàn)在參考結(jié)合附圖進行的以下描述，在附圖中：

圖1a圖示了常規(guī)微機電系統(tǒng)（mems）加熱器件的頂視圖；

圖1b圖示了mems加熱器件的橫截面視圖；

圖2a圖示了在加熱循環(huán)期間的實施例mems加熱器件的橫截面視圖；

圖2b圖示了在冷卻循環(huán)期間的實施例mems加熱器件的橫截面視圖；

圖3圖示了由控制電路控制的mems加熱器件的另一實施例；

圖4a圖示了在相對端處具有針對加熱元件和膜的彈簧支撐件的mems加熱器件的頂視圖；

圖4b圖示了包括感測電極的mems加熱器件的頂視圖；

圖5圖示了另一實施例mems加熱器件的橫截面視圖，該加熱器件具有形成在襯底上方并且在腔下方的絕緣層；

圖6a圖示了另一實施例mems加熱器件的橫截面視圖，該加熱器件具有由拉伸層封裝的加熱元件和膜；

圖6b圖示了具有加熱元件的另一實施例mems加熱器件的橫截面視圖，該加熱元件具有在底部和腔上方的拉伸層；

圖7圖示了具有在加熱元件上方的壓電元件的另一實施例mems加熱器件的橫截面視圖；

圖8a圖示了具有形成在腔上方的絕緣層中的粘連凸塊的另一實施例mems加熱器件的橫截面視圖；

圖8b圖示了圖8a中所示的粘連凸塊（stictionbump）的sem圖像；

圖9a-9f圖示了圖2a的實施例mems加熱器件的制造工藝流程；

圖10a-10g圖示了針對圖5的實施例mems加熱器件的制造工藝流程；

圖11a-11h圖示了用于在mems加熱器件中形成粘連凸塊的制造工藝流程；

圖12圖示了使用實施例mems加熱器件的實施例光聲傳感器（pas）；

圖13a和13b（共同為圖13）圖示了本發(fā)明的實施例的實施方式的示例；

圖14圖示了本發(fā)明的實施例的實施方式的另一示例；和

圖15圖示了用于形成mems器件的實施例方法的流程圖。

具體實施方式

下面詳細討論各種實施例的做出和使用。然而，應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會，本文所描述的各種實施例可應(yīng)用于各種各樣的特定上下文中。所討論的特定實施例僅僅說明了用于做出和使用各種實施例的特定方式，并且不應(yīng)以限制范圍進行解釋。

將關(guān)于特定上下文（即，用于控制微機電系統(tǒng)（mems）器件的快速加熱和冷卻的系統(tǒng)和方法）中的優(yōu)選實施例來描述本發(fā)明。本文所描述的各種實施例中的一些包括mems加熱元件、mems襯底、mems襯底中的腔和接口電路。本發(fā)明的其它實施例還可以應(yīng)用于利用由mems器件進行的加熱或冷卻的各種系統(tǒng)，例如溫度傳感器、紅外光發(fā)射器、熱流傳感器、光聲器件、微致動器和許多其它器件或應(yīng)用。

隨著半導(dǎo)體器件的微型化繼續(xù)，mems器件變得越來越流行并且在諸如加熱器、溫度傳感器、微致動器、光聲器件、微熱板氣體傳感器等等的器件中找到各種各樣的應(yīng)用。這些應(yīng)用包括被設(shè)計成以受控方式實現(xiàn)最佳加熱和冷卻的一個或多個mems加熱元件。加熱可以以包括焦耳加熱的不同方式實現(xiàn)。在一些應(yīng)用中，可通過使mems加熱元件放置在稱為膜的熱隔離微加工平臺（在一些情況下為載板）上來增加加熱效率。

焦耳加熱與半導(dǎo)體器件中的電現(xiàn)象和熱現(xiàn)象之間的耦合有關(guān)。此外，mems器件中的焦耳加熱結(jié)合了電熱機械（etm）效應(yīng)，由此可以基于跨該器件的電勢來致動該結(jié)構(gòu)。通過跨結(jié)構(gòu)施加電勢并允許電流流過導(dǎo)電層，可以快速加熱mems結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)電層。電流流動耗散導(dǎo)電層的電阻上的功率，并且增加導(dǎo)電層的溫度。為了通過焦耳加熱保持熱能，mems結(jié)構(gòu)大體包括在懸掛在開放腔內(nèi)的膜或載板上的導(dǎo)體層。腔用作熱絕緣體。導(dǎo)體層可以由小質(zhì)量組成，使得加熱可以快速。腔給襯底提供大的熱阻或絕緣，從而在加熱期間允許良好的熱效率。

在冷卻期間加熱元件和襯底之間的大的熱阻導(dǎo)致熱的緩慢耗散并且使冷卻過程效率低下。腔的存在有助于快速加熱，但阻礙快速冷卻。在冷卻時段期間懸掛在襯底上方的腔中的mems加熱元件可能不會高效地耗散熱量以進行快速冷卻。

圖1a圖示了mems結(jié)構(gòu)100的頂視圖，mems結(jié)構(gòu)100包括在腔106內(nèi)部的膜102和電阻性導(dǎo)體層的加熱元件104。圖1b示出了mems結(jié)構(gòu)100的示意橫截面，為了簡化討論，該橫截面不一定對應(yīng)于器件的任何真實橫截面（并且不對應(yīng)于圖1a的平面圖的任何橫截面）。

腔106將加熱元件104與襯底熱隔離?？缂訜嵩?04的電流流動使加熱元件104的溫度上升。加熱元件104的較小質(zhì)量在加熱循環(huán)期間提供加熱元件104的溫度的較快上升。腔106中的空氣用作熱隔離器并允許熱量由加熱元件104保持。在加熱元件104和膜102下方的腔106的存在提供在加熱元件104和襯底之間大的熱阻抗。大的熱阻抗因此允許快速加熱和熱效率的增加。

如圖1b所示，膜102和加熱元件104懸掛在腔106上方。加熱元件104和膜102通過錨定件108支撐在襯底110上方。錨定件108可以形成為在襯底110上方圍繞腔106的一個連續(xù)結(jié)構(gòu)。腔106位于膜102下方并且在襯底110上方?；趹?yīng)用，腔106可以填充有空氣或任何氣體元素或真空。錨定件108由電介質(zhì)材料制成，并且用作膜102和加熱元件104與襯底110的熱隔離器。

mems襯底110可以由例如硅、鍺和砷化鎵的材料形成。根據(jù)各種實施例，mems襯底110可以摻雜有p型或n型雜質(zhì)。在另一實施例中，襯底可以由用于高效熱傳遞的金屬形成。

錨定件108由可包括二氧化硅、碳化硅、氮化硅等的電介質(zhì)材料形成。在加熱元件104下方和在錨定件108上方建立絕緣層118。絕緣層118由錨定件108支撐在mems襯底110和腔106上方。在其它實施例中，絕緣層118可例如由高強度電絕緣體氮化硅形成。

加熱元件104由可以按各種方式形成的電阻性導(dǎo)體材料實施。在各種實施例中，加熱元件104可由諸如鉑和鎢的金屬形成。在其它實施例中，可以使用非金屬諸如多晶硅、碳化硅、非晶硅或單晶硅等。散熱器可以被實施在與加熱電極104相同的層中，以更有效和均勻地跨越膜102散布熱量。散熱器通常將不會電連接到加熱元件。

在一些應(yīng)用中，mems結(jié)構(gòu)100可以用作針對氣體介質(zhì)的溫度傳感器，在溫度傳感器中腔106填充有氣體介質(zhì)。氣體介質(zhì)由于其差的熱傳導(dǎo)而防止由加熱元件104引起的快速熱耗散。當(dāng)加熱元件104用作溫度傳感器時，該差的熱傳導(dǎo)可能導(dǎo)致溫度測量的不準確性。在實施例中，加熱元件陣列可以形成在單個襯底中以加熱器件。在另一實施例中，要加熱的器件可以被放置在加熱元件陣列上方。

熱管理是在設(shè)計mems器件中的考慮因素。經(jīng)由mems器件的熱量產(chǎn)生通常涉及焦耳加熱，在焦耳加熱中電壓被施加到mems器件的mems加熱元件，并且由于電流流過mems加熱元件而生成熱量。焦耳加熱由焦耳定律定義，等式由下式給出：

q=j²ρ(1)

其中j是具有單位amp（安培）/m2的電流密度矢量，ρ是表達為ohms-m（歐姆-米）的比電阻率，并且q是由單位watt（瓦特）/m3定義的每單位體積的生成熱量。比電阻率ρ是用作mems加熱元件的材料的類型、形狀和結(jié)構(gòu)的函數(shù)。

基于應(yīng)用，用于焦耳加熱的電壓可以用特定周期施以脈沖。當(dāng)跨加熱元件的導(dǎo)電層施加電壓并引起電流流動時，進行加熱。當(dāng)施加脈沖電壓以加熱該加熱元件的導(dǎo)電層時，加熱遵循作為時間常數(shù)的函數(shù)的熱分布。時間常數(shù)是加熱元件到襯底或熱沉的熱阻的函數(shù)?？梢岳么蟮臒嶙枰约袄昧鬟^加熱元件的電流的快速轉(zhuǎn)換速率來實現(xiàn)快速加熱?？商鎿Q地，可以通過到襯底或熱沉的小熱阻和電流的快速轉(zhuǎn)換速率來實現(xiàn)快速冷卻。

在本發(fā)明的實施例中，mems結(jié)構(gòu)被設(shè)計為允許通過跨mems加熱元件施加電壓來快速加熱，并且通過致動mems加熱元件以與mems襯底進行接觸而允許快速冷卻。通過在加熱元件和mems襯底之間生成靜電力來完成要與mems襯底建立接觸的mems加熱元件的致動。通過與mems襯底進行表面接觸，mems加熱元件實現(xiàn)了到mems結(jié)構(gòu)的襯底的非常低的熱阻抗。

可以利用以特定距離吸引兩個相反帶電的元件的靜電力來描述mems加熱元件的致動。靜電力f由庫侖方程給出：

(2)

其中k是常數(shù)，q1、q2是電荷并且d是兩個帶電元件之間的距離。在本發(fā)明的實施例中，mems加熱器元件被充電到高電位，并且mems襯底被充電到地電位，以便在它們之間創(chuàng)建靜電力f。根據(jù)各種實施例，不同的致動方法和元件（例如，壓電傳感器、熱膨脹）可以用于致動加熱元件以與mems襯底進行接觸。

圖2a圖示了在加熱循環(huán)期間的實施例mems加熱器100的橫截面視圖，而圖2b圖示了在冷卻循環(huán)期間的相同實施例mems加熱器100的橫截面視圖。

圖2a和2b類似于圖1b，但包括附加細節(jié)以圖示操作中的器件。例如，在加熱元件104的兩個相對端處制成電接觸件112和114。在一些實施例中，電接觸件112和114可以由鋁、氮化鈦、鎢等形成。

在加熱循環(huán)期間，電接觸件112用于連接到電壓源的高電位并且電接觸件114連接到地參考。給mems襯底110制成另一電接觸件116，該另一電接觸件116在加熱循環(huán)期間保持開路。在加熱循環(huán)期間，電流由于電接觸件112和114之間的電勢差而經(jīng)由加熱元件104流動并引起焦耳加熱。當(dāng)加熱元件104和mems襯底110彼此接觸時，絕緣層118防止加熱元件104和mems襯底110之間的任何電流流動。在該配置中，加熱元件104通過腔106保持與mems襯底110分離，例如熱絕緣。

圖2b圖示了在冷卻循環(huán)期間的實施例mems加熱器100的橫截面視圖。在該配置中，在加熱元件104和襯底110之間創(chuàng)建電壓電位，以使加熱元件104和絕緣層118與腔106內(nèi)部的mems襯底110接觸。

在從加熱循環(huán)進行切換中，從電接觸件114去除到加熱元件104的參考電源連接，并且電接觸件116連接到地參考。電接觸件114可以被設(shè)置為如所圖示的電壓+v或被允許浮置。在另一配置中，允許電接觸件116浮置，而電壓+v連接到電接觸件114。在其他實施例中，可以施加其他電壓以實現(xiàn)相同的結(jié)果。

在圖2a和2b的示例中，絕緣層118防止加熱元件104與mems襯底110直接接觸，例如以防止電流流入襯底并且防止加熱元件104粘附到襯底110。在該示例中，可移動部分包括加熱元件104和絕緣層118，但不包括圖1b中的膜層102。應(yīng)當(dāng)理解，絕緣層118可以是膜層，或者該結(jié)構(gòu)可以包括分離的層。事實上，在某些實施例中，兩個層都不需要，并且加熱元件104是在操作期間偏轉(zhuǎn)的唯一部分。

返回到圖2b中所圖示的操作，在加熱循環(huán)期間懸掛在腔106內(nèi)部的加熱元件104和絕緣層118的一部分被偏轉(zhuǎn)和拉下以與mems襯底110接觸。偏轉(zhuǎn)發(fā)生在加熱元件104和絕緣層118的兩端。錨定件108防止加熱元件104和絕緣層118的端部偏轉(zhuǎn)。加熱元件104和絕緣層118在錨定件108的頂部上的區(qū)域在兩端保持錨定。錨定件108是圍繞腔體106的一個連續(xù)結(jié)構(gòu)。

圖3圖示了具有控制加熱元件104的加熱和冷卻的控制電路310的實施例mems加熱器100的橫截面?？刂齐娐?10基于加熱和冷卻循環(huán)將電信號發(fā)送到加熱元件104和mems襯底110。在該示例中，mems器件100接收來自電壓源316的高參考（例如，+v）、來自電壓源314的低參考（例如，地）和來自脈沖發(fā)生器312的脈沖電壓。這些電壓由對開關(guān)320-326進行控制的控制電路318控制。

脈沖發(fā)生器312由開關(guān)324控制，以在加熱循環(huán)期間耦合到電接觸件112。盡管未在該特定電路中實施，但脈沖發(fā)生器312可在冷卻循環(huán)期間耦合到電接觸件112和/或電接觸件114。周期是根據(jù)應(yīng)用設(shè)計的。在實施例中，脈沖發(fā)生器的頻率在5至10hz之間。在其他實施例中，頻率可以更低或更高。例如，頻率可以在幾百赫茲中。

在所圖示的示例中，地參考電壓314由控制開關(guān)320控制以在加熱循環(huán)期間耦合到電接觸件114，并且由開關(guān)322控制以在冷卻循環(huán)期間耦合到電接觸件116。同樣，高參考電壓316由開關(guān)326控制，以在加熱循環(huán)和冷卻循環(huán)期間耦合到電接觸件112。

應(yīng)當(dāng)注意，盡管圖示了控制電路310的一種配置，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以認識到，可以按各種不同的方式實施控制電路310。在實施例中，控制電路310可以形成在同一mems襯底中。在另一實施例中，控制電路310可以是另一集成電路（ic）的一部分。在各種實施例中，加熱元件104的陣列可以由單個控制電路310控制。在另一實施例中，每個加熱元件可以具有它們自己的控制電路310，以允許在加熱和冷卻操作期間對加熱元件104進行獨立控制。

圖4a和4b圖示了其他實施例。參考圖4a，mems加熱器400包括在mems結(jié)構(gòu)的相對端處具有彈簧支撐件404的加熱元件104。每個彈簧支撐件404具有位于錨定件108的頂部上的彈簧錨定件410。mems加熱器400還包括形成在加熱元件104下方的膜102，膜102在懸掛在mems襯底上方的腔中時承載加熱元件104并且給加熱元件104提供支撐。彈簧支撐件404電連接到加熱元件104，并且彈簧支撐件408電連接到膜102的兩個相對端。每個彈簧支撐件408包括彈簧錨定件412，彈簧錨定件412被放置在mems襯底110上方的錨定件108的頂部上，以將加熱元件104和膜102懸掛在mems襯底上方并且在腔內(nèi)部。

膜102形成為矩形形狀，并且加熱元件104形成為蛇形以允許更小的加熱質(zhì)量。較小的質(zhì)量以跨加熱元件的較小電壓提供較快的加熱。然而，在另一實施例中，加熱元件104可以形成為矩形形狀或由膜102支撐的任何其它形狀。在膜102和加熱元件104的兩端處的彈簧支撐件允許在冷卻循環(huán)中的熱傳遞期間減小的致動電壓和與襯底的更大表面接觸。

圖4b圖示了包括第二蛇形結(jié)構(gòu)105的實施例。該第二結(jié)構(gòu)105可以是用于溫度感測的電極。如所圖示的，感測結(jié)構(gòu)105可以使用兩個其它錨定件來電連接到控制電路（例如，圖3的控制電路310）。感測的結(jié)果可以用于控制感測加熱元件104的加熱和冷卻。

還設(shè)想了其他實施例和變型。例如，可以使用力和感測電極來消除寄生接觸電阻。要理解，可以組合使用本文所述的實施例和變型中的各種實施例和變型。

圖5圖示了實施例mems加熱器500的橫截面，mems加熱器500包括電絕緣層118，電絕緣層118形成在mems襯底110上方而不是如圖2a的實施例所示附接到加熱元件104。在mems襯底110而不是膜102上形成電絕緣層118消除了在先前描述的實施例中的致動期間可能由電絕緣層118施加在膜102上的機械影響，因為電絕緣層118不經(jīng)受任何致動。在冷卻循環(huán)期間，mems襯底110與膜102保持電隔離。在另一實施例中，如先前描述的絕緣體118可以例如形成在膜102下方，如圖2a所示。

圖6a和6b圖示了其中加熱元件104由拉伸層602的涂層封裝的mems加熱器600和620的另一實施例。膜102和加熱元件104可以通過拉伸層602涂覆在上表面和或下表面上。拉伸層602在致動期間提供加熱元件104的柔性，并且促進加熱元件104在冷卻循環(huán)期間接觸mems襯底110。加熱元件104與襯底110的電隔離也通過拉伸層602來實現(xiàn)，同時在冷卻循環(huán)期間處于接觸。圖6a圖示了其中拉伸層602形成在膜102和加熱元件104的組合的頂部表面和底部表面二者上的示例，而圖6b圖示了mems加熱器620的另一實施例，該mems加熱器620包括在膜102和加熱元件104的組合的底部處的單個拉伸層602的涂層。涂層可以用不同類型的拉伸層制成。在本發(fā)明的實施例中，拉伸層602可以用氮化硅層形成。

圖7圖示了包括形成在加熱元件104的兩端處的壓電器件702的mems加熱器700的另一實施例。加熱元件104的每一端處的壓電體702在膨脹期間夾住加熱元件104。在壓電體702的膨脹期間，如箭頭706所圖示的向下彎曲力矩被創(chuàng)建在加熱元件104上，該力矩使得加熱元件104向下致動并接觸mems襯底110。當(dāng)在兩端的壓電體702收縮時，加熱元件104向上致動。因此，通過擴展壓電體702，加熱元件104可以被向下致動以與mems襯底110接觸，從而實現(xiàn)快速熱耗散。

另一方面，隨著壓電體702收縮，加熱元件104可被拉離mems襯底110以在腔106中創(chuàng)建熱隔離，從而防止在加熱循環(huán)期間的熱能損失。膜102形成在加熱元件104下方以承載加熱元件104。加熱元件104的致動使得膜102跟隨朝向襯底110的致動?？商鎿Q地，在壓電體收縮期間，膜102被致動向上并遠離襯底110。在本發(fā)明的實施例中，壓電體可以由加熱元件104上方的薄膜壓電和結(jié)構(gòu)材料形成。

圖8a圖示了包括形成在絕緣層118中的防粘連凸塊802的實施例mems加熱器800的橫截面視圖。防粘連凸塊是隔離層的例如具有尖銳尖端的小突出部，所述小突出部防止絕緣層118粘連到mems襯底110。絕緣層118的平滑表面可以在冷卻循環(huán)期間保持附接到mems襯底的平滑表面，并且在冷卻循環(huán)之后可能需要附加力來去除，從而與mems襯底隔離。具有其尖銳尖端的防粘連凸塊802防止粘連并且允許絕緣層118和加熱元件104在操作期間容易分離。

圖8b圖示了具有防粘連凸塊802的絕緣層118的掃描電子顯微鏡（sem）圖像。通過使用附加掩模來創(chuàng)建防粘連凸塊，該掩模用于創(chuàng)建在填充腔的犧牲層中蝕刻的小正方形或者圓孔。當(dāng)絕緣層沉積在犧牲層的頂部上時，絕緣層118填滿這些孔。一旦沉積形成加熱元件104的電阻性導(dǎo)體層，就去除犧牲層；然而，填滿正方形或孔的絕緣層中的突起結(jié)構(gòu)保留并且在腔106內(nèi)部創(chuàng)建防粘連凸塊802。通過過度曝光犧牲層，可以使防粘連凸塊的尖端變得尖銳。

在另一實施例中，可以通過加熱器本身防止粘連。特別地，加熱器溫度可以防止粘連，因為造成粘連的水被蒸發(fā)。這是用于防止粘連的機制的另一示例。

圖9a-9f圖示了針對實施例mems器件100的實施例制造工藝流程。如下面將討論的，使用以teos氧化物和多晶硅進行的簡單表面微機械工藝來形成如上所述的犧牲層。替代方案是可能的，諸如明確提及的替代方案和本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將清楚的其它替代方案。

根據(jù)各種實施例，圖9a以晶片900開始，晶片900包括襯底110和在襯底110上方形成的電介質(zhì)層904。在替代實施例中，襯底110可由硅或其它材料形成，其它材料諸如是硅鍺、碳化硅、砷化鎵等。襯底110可以是絕緣體上硅（soi）襯底。soi襯底可以包括在絕緣體層（例如，掩埋氧化物）上方形成的半導(dǎo)體材料（例如，硅鍺、砷化鎵等）層，所述絕緣體層（例如，掩埋氧化物）形成在硅襯底中。可替換地，可使用的其它襯底包括多層襯底、梯度襯底、混合定向襯底等。

電介質(zhì)層904由諸如二氧化硅（sio2）的電介質(zhì)材料形成。由二氧化硅形成的電介質(zhì)層904用作強的熱和電絕緣體?？梢允褂美缧俊⒒瘜W(xué)氣相沉積（cvd）、等離子體增強化學(xué)氣相沉積（pecvd）、低壓cvd或其他合適的沉積技術(shù)而在襯底110上方沉積電介質(zhì)層904。在其他實施例中，電介質(zhì)層904可以由不同的合適材料形成，所述不同的合適材料諸如是低k電介質(zhì)（例如碳摻雜氧化物）、極低k電介質(zhì)（例如，多孔碳摻雜二氧化硅）、聚合物（例如聚酰亞胺）、其組合等。可以在隨后的工藝步驟中去除電介質(zhì)層904的一部分，以便形成用于mems結(jié)構(gòu)到襯底110的錨定件或基底。

圖9b圖示了圖案化的電介質(zhì)層904，該圖案化的電介質(zhì)層904形成錨定件或基底108以支撐襯底110上方的mems結(jié)構(gòu)。可以使用例如光刻和蝕刻技術(shù)的組合來完成電介質(zhì)層904的圖案化?？梢酝ㄟ^在電介質(zhì)層904上方沉積光致抗蝕劑來執(zhí)行在襯底110上方的電介質(zhì)層的圖案化。將液體光致抗蝕劑跨晶片900放置在電介質(zhì)層904上。晶片900以高速旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生薄且均勻的光致抗蝕劑涂層。然后曝光光致抗蝕劑以選擇性地蝕刻出電介質(zhì)層904的一部分，該部分在襯底110上方形成腔。可以使用不同的蝕刻技術(shù)，例如反應(yīng)離子蝕刻（rie）、橫向蝕刻等，以去除電介質(zhì)層904的部分。

圖9c圖示了跨晶片900的犧牲層906的形成，該犧牲層906填充如前面段落中所描述的經(jīng)圖案化和蝕刻的腔。選擇犧牲層906使得在后續(xù)工藝中去除犧牲層906期間不會損壞錨定件108。在處理期間通過犧牲層906實現(xiàn)mems結(jié)構(gòu)的各種設(shè)計要求。犧牲層906不構(gòu)成最終mems結(jié)構(gòu)的任何部分，并且因此稱為犧牲層。犧牲層906的合適的機械屬性可以包括例如良好的粘附性、低的殘余應(yīng)力以避免mems結(jié)構(gòu)的分層或開裂。

圖9d圖示了在犧牲層906上方沉積犧牲層906。犧牲層906可以由具有高強度電絕緣屬性的氮化硅（si3n4）層形成。用于在犧牲層906上方沉積氮化硅的不同類型的沉積技術(shù)包括例如化學(xué)氣相沉積（cvd）、低壓化學(xué)氣相沉積（lpcvd）、等離子體增強化學(xué)氣相沉積（pecvd）以及其他技術(shù)。在實施例中，以1400?的厚度沉積絕緣層。

在沉積犧牲層906之后，沉積電阻性導(dǎo)體層104，如圖9e所示。不同類型的材料可以用于電阻性導(dǎo)體層104，所述不同類型的材料包括例如多晶硅、碳化硅、非晶硅或單晶硅等。電阻性導(dǎo)體層104的沉積可以通過lpcvd或pecvd工藝來執(zhí)行。在實施例中，可以以2800?的厚度沉積電阻性導(dǎo)體層104。在實施例制造工藝中，電阻性導(dǎo)體層104可以在沉積之后經(jīng)歷高溫處理步驟，所述高溫處理步驟可以包括例如摻雜、熱氧化、退火等?；趹?yīng)用，電阻性導(dǎo)體層104可以具有不同的方塊電阻（sheetresistance）。電阻性導(dǎo)體層104的電阻率可以通過使用例如離子注入工藝的磷摻雜來控制。然而，可以使用其他方法例如擴散來控制電阻性導(dǎo)體層104的電阻率。在實施例中，電阻性導(dǎo)體層104具有100歐姆/□的方塊電阻率。在另一實施例中，犧牲層906的厚度可以在電阻性導(dǎo)體層104的厚度的0.1和0.5之間。

圖9f圖示了在電阻性導(dǎo)體層104上的圖案化工藝。例如，使用光刻和蝕刻的組合來執(zhí)行圖案化。根據(jù)實施例，電阻性導(dǎo)體層104被圖案化成矩形形狀的加熱元件。在實施例中，完成電阻性導(dǎo)體層104的圖案化以創(chuàng)建用于mems器件的蛇形加熱元件。在另一實施例中，完成電阻性導(dǎo)體層的圖案化以在蛇形加熱元件的兩端形成彈簧支撐件?；趹?yīng)用，可以對各種形狀進行圖案化以制造加熱元件。

可以設(shè)想對圖9a-9f中描述的實施例制造順序的各種修改。此外，可以在許多實施例中修改結(jié)構(gòu)，并且將預(yù)期對制造順序的修改。本文所述的各種工藝步驟和附圖是說明性的。根據(jù)各種實施例，結(jié)構(gòu)可以包括傾斜側(cè)壁、粗糙表面和許多尺寸。也可以使用如2013年10月14日提交的題為“semiconductordeviceforemittingfrequency-adjustedinfraredlight”美國專利申請公開us2015/0102372a1中公開的制造方法，該申請的全部內(nèi)容通過引用并入本文。

圖10a-10g圖示了針對圖5的實施例mems器件的實施例制造工藝流程。該工藝以如圖10a所示的晶片1000的襯底110開始。根據(jù)各種實施例，襯底110可由硅或其他材料形成。在另一實施例中，例如，襯底110可以用p型材料進行輕摻雜。

圖10b圖示了在襯底110上方沉積薄絕緣層118。薄絕緣層可以由具有高強度電絕緣屬性的氮化硅層形成?？梢允褂酶鞣N沉積技術(shù)來沉積絕緣層118，所述各種沉積技術(shù)例如是cvd、pecvd、lpcvd和其他合適的沉積技術(shù)。薄絕緣層的厚度可基于不同的mems結(jié)構(gòu)而變化。在本發(fā)明的實施例中，針對約140至280nm的厚度沉積薄絕緣層118。在其他應(yīng)用中，這些厚度可以更大或更小。

通過在薄絕緣層118上方沉積電介質(zhì)材料（諸如sio2）來形成電介質(zhì)層904，如圖10c所示?？梢允褂酶鞣N方法例如旋涂cvd、pecvd或其他合適的沉積技術(shù)來完成沉積。圖10d圖示了圖案化電介質(zhì)層904以形成錨定件或基底108，所述錨定件或基底108用于將mems器件支撐在襯底110和犧牲層906上方。電介質(zhì)層的圖案化可以用于限定圖5所示的mems器件的腔106。腔由錨定件108圍繞。

圖10e圖示了填滿由錨定件108圍繞的腔的犧牲層906的沉積。犧牲層906用作臨時機械層，其中可以將實際器件層（例如用于加熱元件的多晶硅、用于膜的碳化硅和其它層）沉積到該臨時機械層上。圖10f圖示沉積在犧牲層906上方的電阻性導(dǎo)體層104的沉積。電阻性導(dǎo)體層104可以由不同的材料（例如多晶硅、碳化硅等）形成。

可以用光刻和蝕刻工藝的組合來執(zhí)行電阻性導(dǎo)體層104的圖案化。負或正光致抗蝕劑可以施加到電阻性導(dǎo)體層104以圖案化實施例mems加熱元件。

在圖案化電阻性導(dǎo)體層104之后，去除犧牲層906并形成腔106。加熱元件保持懸掛在腔上方并且在兩端被錨定，如圖10g所示。

圖11a-11h圖示了用于在絕緣層118中形成粘連凸塊的實施例制造工藝。圖11a圖示了如下步驟：形成犧牲層906以覆蓋錨定件108內(nèi)部并在襯底110上方的腔。光致抗蝕劑1102的層被沉積在犧牲層906上方，如圖11b所圖示的。光致抗蝕劑1102是有機聚合物，所述有機聚合物在被曝光于紫外（uv）光時改變其化學(xué)結(jié)構(gòu)。光致抗蝕劑1102的沉積可以用各種方法來完成；這些方法之一包括旋涂。然后用uv光將光致抗蝕劑1102曝光以在犧牲層906上圖案化粘連凸塊區(qū)。圖11c示出了光致抗蝕劑1102的未曝光區(qū)域1104。將光致抗蝕劑1102中的這些未曝光區(qū)域1104洗掉，以執(zhí)行對犧牲層906的選擇性蝕刻以形成粘連凸塊。

圖11d示出了這樣的工藝步驟，即光致抗蝕劑1102包含未曝光區(qū)域1104以準備蝕刻犧牲層906。圖11e圖示了蝕刻犧牲層906以創(chuàng)建粘連凸塊1106?？梢园锤鞣N方式完成犧牲層906的蝕刻，所述各種方式例如是各向同性蝕刻、各向異性蝕刻、濕法或干法蝕刻、等離子體蝕刻。圖11f圖示了如下工藝步驟：去除光致抗蝕劑1102并且犧牲層906包含用于粘連凸塊1106的凹槽?？梢允褂酶鞣N類型的溶劑來完成光致抗蝕劑的去除。

圖11g圖示了如下工藝步驟：將犧牲層906沉積在具有用于粘連凸塊1106的凹槽的犧牲層906上方。犧牲層906填滿這些凹槽，并且在犧牲層906下面創(chuàng)建粘連凸塊1106。圖11h圖示了當(dāng)在絕緣層118和電阻性導(dǎo)體層104下方去除犧牲層906時在腔內(nèi)部的粘連凸塊1106的突出結(jié)構(gòu)。圖11a-11h圖示了形成粘連凸塊的一種方法。應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會，可以使用各種其他方法來在mems加熱器件的絕緣層118中形成粘連凸塊。

這里描述的器件可以用在許多應(yīng)用中。在一個示例中，光聲氣體傳感器（pas）器件包括實施例mems加熱元件，所述mems加熱元件在被加熱到特定溫度時用作光源的發(fā)射器。圖12圖示了這樣的實施例pas器件1200，實施例pas器件1200包括發(fā)射器模塊1202、光學(xué)路徑1204、紅外（ir）濾波器1206和檢測器或壓敏模塊1208。發(fā)射器1202可以由懸掛在腔和襯底上方的電阻性導(dǎo)體層形成。光學(xué)路徑1204可以由可以用正被分析的氣體介質(zhì)填充的體積形成。ir濾波器1206可以由不同的層（例如，金屬、單晶硅或多晶硅）形成。在各種實施例中，ir濾波器1206可形成在與發(fā)射器1202分開一段距離的相同襯底中。不同類型的檢測器可以用作壓敏模塊1208，例如用于將聲波轉(zhuǎn)換為電信號的麥克風(fēng)。在另一實施例中，可以使用光電檢測器，在光電檢測器中可以測量入射光信號。在另一實施例中，可以在不同的硅襯底上實現(xiàn)發(fā)射器模塊1202和壓敏模塊1208。在另一實施例中，可以通過使由發(fā)射器模塊1202生成的可聽信號基于激勵而生成來設(shè)計揚聲器。

圖12還圖示了由發(fā)射器模塊1202生成的表示不同波長的激勵1210和1212。激勵1210表示由用于被分析的氣體介質(zhì)激勵的特定波長。激勵1212表示除激勵1210的波長之外的所有其它波長。光學(xué)路徑1204中的氣體介質(zhì)吸收并減少激勵1210的能量，如光學(xué)路徑1204的輸出激勵所示。這些激勵作為聲波傳播通過填充有參考氣體的ir濾波器1206。

ir濾波器1206用作帶通濾波器，并允許激勵1210穿過。激勵1212由ir濾波器1206濾波，并且不穿過ir濾波器1206。由與要分析的氣體相互作用的發(fā)射器模塊生成的發(fā)射器脈沖引起的聲波傳播到檢測器或壓敏模塊1208。壓敏模塊1208用于檢測入射波的壓力變化。包含在由壓敏模塊1208生成的電信號中的信息進一步用于確定氣體的組成。在實施例中，可以用揚聲器實現(xiàn)壓敏模塊1208。

現(xiàn)在將參照圖13和14描述兩個特定示例。圖13取自于共同未決的申請?zhí)?4/052,959（公開為“photoacousticgassensordeviceandamethodforanalyzinggas”）的圖2，并且圖14取自于共同未決的申請?zhí)?4/052,962（公開為“semiconductordeviceforemittingfrequencyadjustedinfraredlight”）的圖4，這兩個申請通過引用并入本文。留下圖13a、13b和14中的數(shù)字，如在它們的說明書和申請中所公布的。

在圖13a和13b的示例中，可以使用本文所述的mems加熱結(jié)構(gòu)104來實現(xiàn)發(fā)射器模塊（在上述參考文獻中稱為120）。在圖13a和13b中，發(fā)射器模塊由加熱元件104實現(xiàn)，并且因此在下面的描述中被稱為發(fā)射器模塊104。圖13a圖示了根據(jù)實施例的用于分析氣體的光聲氣體傳感器器件1300的示意圖。光聲氣體傳感器器件1300包括布置在共同襯底110上的發(fā)射器模塊104和壓敏模塊1330。發(fā)射器模塊104能夠發(fā)射或被配置為發(fā)射光脈沖122。壓敏模塊1330布置在參考氣體體積106b內(nèi)。參考氣體體積106b與旨在填充有要分析的氣體的體積106a分離。壓敏模塊1330生成傳感器信號132，傳感器信號132指示關(guān)于由發(fā)射器模塊104發(fā)射的光脈沖122與參考氣體體積106b內(nèi)的參考氣體相互作用所引起的聲波124的信息。

圖13b圖示了根據(jù)實施例的光聲氣體傳感器器件1300的橫截面。光聲氣體傳感器器件1300包括布置在共同襯底110的同一側(cè)上的發(fā)射器模塊104、壓敏模塊1330和分析模塊1340。發(fā)射器模塊104通過孔或窗口1322將光脈沖122發(fā)射到旨在用要分析的氣體填充的體積106a中。與壓敏模塊1330相對定位的參考氣體體積106b的部分由與體積106a的殼體1303相鄰的殼體1309包圍。共同襯底110包括在壓敏模塊1330和參考氣體體積106b之間的孔1306。蓋或殼體1350覆蓋壓敏模塊1330和分析模塊1340。分析模塊1340橫向布置在壓敏模塊1330和發(fā)射器模塊104之間。發(fā)射器模塊104和分析模塊1340可選地由澆注化合物1360保護。參考氣體體積106b由包括氣體出口1305和氣體入口1307的殼體1303包圍。載體襯底110可以包括一個或多個電接觸件1314。電接地接觸件1312可以用于將屏蔽蓋1350接觸到共同襯底110。

在圖14的示例中，橫向發(fā)射器結(jié)構(gòu)1410可由如本文所述的實施例加熱元件104實現(xiàn)。圖14圖示了根據(jù)實施例的用于發(fā)射頻率調(diào)節(jié)的紅外光的半導(dǎo)體器件1400的示意性橫截面。還將發(fā)射可見光（根據(jù)普朗克定律的黑/灰體輻射）。

半導(dǎo)體器件1400包括半導(dǎo)體襯底110和橫向發(fā)射器結(jié)構(gòu)1410（例如，ir發(fā)射器元件），所述橫向發(fā)射器結(jié)構(gòu)1410布置在通過腔106與半導(dǎo)體襯底110分離的金屬層（例如銅、鋁、鎢、鈦或氮化鈦）或半導(dǎo)體層（例如單晶硅或多晶硅）內(nèi)。例如，橫向發(fā)射器結(jié)構(gòu)1410包括邊緣區(qū)1412，所述邊緣區(qū)1412圍繞橫向發(fā)射器結(jié)構(gòu)1410的主要（大于光強度的50％）促成發(fā)射的紅外光的部分，所述部分橫向延伸到由絕緣層形成的絕緣材料（例如二氧化硅）中。橫向發(fā)射器結(jié)構(gòu)1410通過電接觸件1402（例如，通孔、絲狀接觸件）在相對側(cè)與邊緣區(qū)1412電連接，以連接到外部電流源或連接到同一半導(dǎo)體管芯上的發(fā)射器控制模塊。橫向濾波器結(jié)構(gòu)1404（例如，光子晶體濾波器）通過橫向氣隙1430位于橫向發(fā)射器結(jié)構(gòu)1410上方。

圖15圖示了根據(jù)實施例的用于制造mems加熱器件的方法1500的流程圖。方法1500開始于步驟1502，步驟1502包括在襯底上方形成電介質(zhì)層。在步驟1504中，將電介質(zhì)層圖案化以形成第一錨定件和第二錨定件。第一和第二錨定件由襯底上方的腔分離。在步驟1506中，在腔中形成犧牲層，使得可以沉積實際的mems器件。在步驟1508中，在犧牲層上方沉積絕緣層。在實施例中，絕緣層的厚度在加熱元件的層的厚度的0.1至0.5之間。在步驟1510中，在絕緣層上方沉積用于形成加熱元件的電阻性導(dǎo)體層。在步驟1512中，電阻性導(dǎo)體層被圖案化以形成加熱元件。加熱元件可以由許多不同的形狀制成，例如以矩形或蛇形的形狀制成。在步驟1514中，在絕緣層下面去除犧牲層以形成實際腔，在所述實際腔上方懸掛加熱元件。

根據(jù)本文描述的一些實施例，優(yōu)點可以包括向集成產(chǎn)品添加功能。一些實施例可以包括集成在同一半導(dǎo)體管芯中的加熱元件和控制電路。這樣的實施例可以有利地在制造順序期間不包括額外的掩?；騼H僅單個額外的掩模。一些實施例的另一優(yōu)點可以包括集成溫度感測功能。在一些實施例中，在單個半導(dǎo)體中的集成還可以有利地導(dǎo)致改進的性能和降低的成本。一些實施例的另一優(yōu)點可以包括為可以在單個封裝中與加熱元件接觸或間隔開小距離放置的對象提供加熱。這樣的實施例可有利地改進加熱性能，增加熱效率等。

如上所討論的，本發(fā)明包括多個實施例。注意的是，可以組合實施例的各種方面。在一個實施例中，一種方法用于操作包括覆蓋在襯底上的可移動加熱器元件的mems元件。該方法包括：通過在可移動加熱器元件與襯底間隔開的同時使電流流過可移動加熱器元件來加熱可移動加熱器元件；以及通過使所述可移動加熱器元件在與所述襯底電隔離的同時物理接觸所述襯底來冷卻所述可移動加熱器元件。

實施方式可以包括以下特征中的一個或多個。冷卻可移動加熱器元件可以通過在可移動加熱器元件和襯底之間引起電壓差并且中斷通過可移動加熱器元件的電流流動來實現(xiàn)。冷卻可移動加熱器元件可以通過將襯底連接到與可移動加熱器元件不同的電位而在襯底和加熱器元件之間生成靜電力來實現(xiàn)。冷卻可移動加熱器元件可以通過第一壓電體和第二壓電體的膨脹而在加熱器元件上生成致動力來實現(xiàn)，其中第一壓電體位于加熱元件的第一端上，并且第二壓電體位于加熱元件的第二端上。加熱可移動加熱器元件可以通過由可移動加熱器元件生成光來實現(xiàn)。

在另一實施例中，一種方法用于形成微機電系統(tǒng)（mems）加熱器元件。該方法包括：在襯底上方形成電介質(zhì)層；圖案化所述電介質(zhì)層以在所述電介質(zhì)層內(nèi)形成腔；在所述腔中形成犧牲層；在所述犧牲層上方沉積絕緣層；在所述絕緣層上方沉積電阻性導(dǎo)體層；圖案化所述電阻性導(dǎo)體層以形成加熱器元件，所述加熱器元件覆蓋在所述腔上并延伸到所述電介質(zhì)層的兩個區(qū)；以及從所述腔去除所述犧牲層，使得所述加熱器元件的一部分與所述襯底間隔開。

實施方式可以包括以下特征中的一個或多個。該方法還可以包括在電阻性導(dǎo)體層的第一端形成第一接觸件以及在電阻性導(dǎo)體層的第二端形成第二接觸件。該方法還可以包括在電阻性導(dǎo)體層上方沉積第二絕緣層以封裝加熱器元件。第二絕緣體層的厚度可以在加熱器元件的厚度的0.1和0.5之間。絕緣體和第二絕緣體可以包括氮化硅。絕緣體和第二絕緣體可以包括具有高拉伸強度的材料。該方法還可以包括在絕緣體層的表面處形成粘連凸塊陣列。

在另一實施例中，一種mems器件包括：襯底；具有第一節(jié)點和第二節(jié)點的電可移動加熱元件，其中所述第一節(jié)點耦合到第一電壓源的第一端子，并且所述第二節(jié)點耦合到參考電壓源；將所述電可移動加熱元件的第一節(jié)點錨定到所述襯底的第一錨定件和將所述電可移動加熱元件的第二節(jié)點錨定到所述襯底的第二錨定件；以及在第一和第二錨定件之間以及在所述電可移動加熱元件和所述襯底之間的腔。

實施方式可以包括以下特征中的一個或多個。第一電壓源可以被配置為向電可移動加熱元件的第一節(jié)點提供第一電壓。電可移動加熱元件可以被配置為通過使可電移動加熱元件的第二節(jié)點從參考電壓源去除并跨可電移動加熱元件創(chuàng)建等電位表面而被冷卻下來。襯底可以連接到參考電壓源，使得可以在電可移動加熱元件和襯底之間產(chǎn)生靜電力，以致動電可移動加熱元件以與襯底接觸。

電可移動加熱元件可以用氮化硅封裝。電可移動加熱元件的陣列可以布置在襯底上方，其中陣列中的電可移動加熱元件可以按組進行控制。陣列中的電可移動加熱元件可以由第一電壓源陣列分離地控制。

mems器件還可包括控制電路，所述控制電路被配置為在加熱周期期間提供通過可移動加熱元件的電流且引起紅外光發(fā)射。mems器件還可包括將加熱元件耦合到第一和第二錨定件的彈簧支撐件。mems器件還可包括膜，加熱元件包括覆蓋在膜上的蛇形結(jié)構(gòu)，彈簧結(jié)構(gòu)形成在膜與第一和第二錨定件之間。

在另一實施例中，mems器件包括：其中形成有腔的材料區(qū)；錨定到材料區(qū)并覆蓋在所述腔上的可移動膜，所述可移動膜包括電可移動加熱元件；第一壓電材料，在所述材料區(qū)的第一部分處物理地附接所述可移動膜；以及第二壓電材料，在所述材料區(qū)的第二部分處物理地附接所述可移動膜。第一和第二壓電材料被配置為使得膜在腔的頂部處的第一位置至腔內(nèi)的第二位置之間移動。

實施方式可以包括以下特征中的一個或多個。加熱元件可以包括覆蓋在膜上的蛇形結(jié)構(gòu)。mems器件還可以包括形成在與加熱元件相同的層中的散熱器結(jié)構(gòu)，散熱器結(jié)構(gòu)與加熱元件電絕緣。

雖然已經(jīng)參考說明性實施例描述了本發(fā)明，但是本描述并不旨在以限制的意義來解釋。說明性實施例的各種修改和組合以及本發(fā)明的其它實施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員在參考該描述時將是顯而易見的。因此，旨在所附權(quán)利要求涵蓋任何這樣的修改或?qū)嵤├?/p>