[发明专利]具有改善的温度范围的薄膜

说明书

技术领域

本发明涉及器件和形成器件的方法。

背景技术

微结构器件经常包含布置在基底表面顶部的薄膜，所述膜形成悬臂(cantilever)、桥、膜片(membrane)，或者其它相似结构，悬挂在蚀刻至基底中的空腔上。在一些情况中，薄膜可包封传感元件，或者可固有地提供传感功能。例如，用于检测气相色谱仪的输出流中的气体的热传导的薄膜热传导传感器可包含悬挂在硅基底中的空腔上的氮化硅薄膜桥，所述薄膜包封金属膜电阻器并由此向电阻器提供环境钝化。

微结构中的薄膜必须耐受机械和热冲击，并且必须在微结构的制造、贮存、运输，和使用中经受得住大幅度温度偏移。然而，在薄膜和支撑所述薄膜的基底之间的热膨胀系数(CTE)的差别对薄膜的寿命提出挑战。

典型地，所述薄膜在基底表面上通过沉积和生长的一些组合在一个或者多个形成温度，通常在高温形成，而所得器件在可高于或者低于形成温度的温度范围内贮存、运输，和操作。所述薄膜含有在薄膜形成温度固有的应力，并由于在基底和薄膜之间的任何热膨胀不匹配，或者由于在薄膜内材料之间的任何热膨胀不匹配，或者由于在薄膜和设置在薄膜中或者设置在薄膜上的任何元件之间的任何热膨胀不匹配而受到另外的热应力。此外，所述薄膜受到环境导致的机械应力，其取决于具体环境来源于例如摇晃、掉落、气流、水流等。当固有应力、热应力，和机械应力的一些组合超过薄膜的拉伸强度时，它遭到呈开裂或者破裂形式的破坏性故障。

例如，当基底包含CTE为每开氏度百万分之3.7的硅(CTE_Si=3.7ppm/°K)并且所述膜包含膨胀系数CTE_氮化物=3.3ppm/°K的氮化硅时，在薄膜和基底之间的CTE差为0.2ppm/°K，在沉积后当膜冷却时，在运输期间，或者在最终器件的操作期间该差值可导致膜的机械故障。如果在膜中的最初固有应力在沉积温度(例如，300℃)为零，并且基底和薄膜从沉积温度冷却至25℃的室温，那么薄膜可为净压缩状态(net state of compression)。如果将薄膜下面的支持体的一部分除去来产生悬式结构，那么该结构在室温面临扭曲的危险。扭曲可导致局部破裂，这是因为包含在扭曲中的局部弯曲形成超过薄膜材料的拉伸强度的局部拉伸应力。此外，如果该器件在高于沉积温度的温度操作，那么热膨胀不匹配可使结构处于高拉伸状态，存在破裂的危险。

发明内容

本发明包括包含基底和薄膜结构的器件。所述基底的特征为具有第一CTE。所述薄膜在基底表面上形成，并且与基底表面连接，并且特征为具有第二总CTE。所述薄膜包括在参考温度呈压缩状态的第一层和第二层，和在所述参考温度呈拉伸状态的第三层，所述第三层位于所述第一层和第二层之间。所述薄膜结构如果形成桥或者隔膜(diaphragm)，则在希望的温度范围内对基底施加净拉伸力，而所述薄膜的暴露表面在此温度范围内仍为压缩或者轻微拉伸状态。

在一个方面，所述薄膜包含氮化硅、等离子体增强的化学气相沉积的氮化硅、低压化学气相沉积的氮化硅、等离子体增强的化学气相沉积的二氧化硅、热生长的二氧化硅，和TEOS二氧化硅中的一种。

在另一方面，所述薄膜包含与在基底表面中限定的空腔的一个边缘连接的悬臂。在又一方面，所述悬臂包含组成与薄膜的第一、第二和第三层不同的元件。

在另一方面，所述薄膜包含悬挂在基底表面中限定的空腔的两个边缘之间的桥。在又一方面，所述桥包含组成与薄膜的第一、第二和第三层不同的元件。

本发明包括：

1.器件，其包含：

特征为具有第一热膨胀系数(CTE)的基底，所述基底具有表面；和

与所述表面连接的薄膜，所述薄膜的特征为具有不同于所述第一CTE的第二CTE；所述薄膜包含：

呈压缩状态的第一层和第二层；和

呈拉伸状态的第三层，所述第三层位于所述第一层和第二层之间；其中在整个温度范围内所述薄膜对所述基底施加净拉伸力。

2.项1的器件，其中所述温度范围选自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.项1的器件，其中所述薄膜包含选自以下的材料：氮化硅、等离子体增强的化学气相沉积的氮化硅、低压化学气相沉积的氮化硅、等离子体增强的化学气相沉积的二氧化硅、热生长的二氧化硅，和TEOS二氧化硅。