[發明專利]具有改善的溫度范圍的薄膜

有效

• 申請號: 201310381565.4
• 申請日: 2013-08-28
• 公開（公告）號: CN103708404B
• 公開（公告）日: 2017-05-17
• 發明（設計）人: P.W.巴思
• 申請（專利權）人: 安捷倫科技有限公司
• 主分類號: B81B1/00
• 分類號: B81B1/00;B81C1/00
• 代理公司: 北京市嘉元知識產權代理事務所(特殊普通合伙)11484
• 代理人: 陳靜

技術領域

本發明涉及器件和形成器件的方法。

背景技術

微結構器件經常包含布置在基底表面頂部的薄膜，所述膜形成懸臂(cantilever)、橋、膜片(membrane)，或者其它相似結構，懸掛在蝕刻至基底中的空腔上。在一些情況中，薄膜可包封傳感元件，或者可固有地提供傳感功能。例如，用于檢測氣相色譜儀的輸出流中的氣體的熱傳導的薄膜熱傳導傳感器可包含懸掛在硅基底中的空腔上的氮化硅薄膜橋，所述薄膜包封金屬膜電阻器并由此向電阻器提供環境鈍化。

微結構中的薄膜必須耐受機械和熱沖擊，并且必須在微結構的制造、貯存、運輸，和使用中經受得住大幅度溫度偏移。然而，在薄膜和支撐所述薄膜的基底之間的熱膨脹系數(CTE)的差別對薄膜的壽命提出挑戰。

典型地，所述薄膜在基底表面上通過沉積和生長的一些組合在一個或者多個形成溫度，通常在高溫形成，而所得器件在可高于或者低于形成溫度的溫度范圍內貯存、運輸，和操作。所述薄膜含有在薄膜形成溫度固有的應力，并由于在基底和薄膜之間的任何熱膨脹不匹配，或者由于在薄膜內材料之間的任何熱膨脹不匹配，或者由于在薄膜和設置在薄膜中或者設置在薄膜上的任何元件之間的任何熱膨脹不匹配而受到另外的熱應力。此外，所述薄膜受到環境導致的機械應力，其取決于具體環境來源于例如搖晃、掉落、氣流、水流等。當固有應力、熱應力，和機械應力的一些組合超過薄膜的拉伸強度時，它遭到呈開裂或者破裂形式的破壞性故障。

例如，當基底包含CTE為每開氏度百萬分之3.7的硅(CTE_Si=3.7ppm/°K)并且所述膜包含膨脹系數CTE_氮化物=3.3ppm/°K的氮化硅時，在薄膜和基底之間的CTE差為0.2ppm/°K，在沉積后當膜冷卻時，在運輸期間，或者在最終器件的操作期間該差值可導致膜的機械故障。如果在膜中的最初固有應力在沉積溫度(例如，300℃)為零，并且基底和薄膜從沉積溫度冷卻至25℃的室溫，那么薄膜可為凈壓縮狀態(net state of compression)。如果將薄膜下面的支持體的一部分除去來產生懸式結構，那么該結構在室溫面臨扭曲的危險。扭曲可導致局部破裂，這是因為包含在扭曲中的局部彎曲形成超過薄膜材料的拉伸強度的局部拉伸應力。此外，如果該器件在高于沉積溫度的溫度操作，那么熱膨脹不匹配可使結構處于高拉伸狀態，存在破裂的危險。

發明內容

本發明包括包含基底和薄膜結構的器件。所述基底的特征為具有第一CTE。所述薄膜在基底表面上形成，并且與基底表面連接，并且特征為具有第二總CTE。所述薄膜包括在參考溫度呈壓縮狀態的第一層和第二層，和在所述參考溫度呈拉伸狀態的第三層，所述第三層位于所述第一層和第二層之間。所述薄膜結構如果形成橋或者隔膜(diaphragm)，則在希望的溫度范圍內對基底施加凈拉伸力，而所述薄膜的暴露表面在此溫度范圍內仍為壓縮或者輕微拉伸狀態。

在一個方面，所述薄膜包含氮化硅、等離子體增強的化學氣相沉積的氮化硅、低壓化學氣相沉積的氮化硅、等離子體增強的化學氣相沉積的二氧化硅、熱生長的二氧化硅，和TEOS二氧化硅中的一種。

在另一方面，所述薄膜包含與在基底表面中限定的空腔的一個邊緣連接的懸臂。在又一方面，所述懸臂包含組成與薄膜的第一、第二和第三層不同的元件。

在另一方面，所述薄膜包含懸掛在基底表面中限定的空腔的兩個邊緣之間的橋。在又一方面，所述橋包含組成與薄膜的第一、第二和第三層不同的元件。

本發明包括：

1.器件，其包含：

特征為具有第一熱膨脹系數(CTE)的基底，所述基底具有表面；和

與所述表面連接的薄膜，所述薄膜的特征為具有不同于所述第一CTE的第二CTE；所述薄膜包含：

呈壓縮狀態的第一層和第二層；和

呈拉伸狀態的第三層，所述第三層位于所述第一層和第二層之間；其中在整個溫度范圍內所述薄膜對所述基底施加凈拉伸力。

2.項1的器件，其中所述溫度范圍選自100℃至400℃、100℃至500℃、25℃至400℃、25℃至500℃、0℃至400℃、0℃至500℃、-50℃至400℃、-50℃至500℃、-55℃至400℃、-55℃至500℃、-80℃至400℃，和-80℃至500℃。

3.項1的器件，其中所述薄膜包含選自以下的材料：氮化硅、等離子體增強的化學氣相沉積的氮化硅、低壓化學氣相沉積的氮化硅、等離子體增強的化學氣相沉積的二氧化硅、熱生長的二氧化硅，和TEOS二氧化硅。