專利名稱：高溫電路結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及若干使用SiC、AlN和/或AlxGa1-xN(x＞0.69)用作溫度感測器件的溫度感測電路及其結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
SiC、AlN和AlxGa1-xN(x＞0.69)是其電阻隨溫度變化的溫度敏感材料，而且它們可以做成在惡劣感環(huán)境中使用的感測器和電子器件。然而，使用這些材料的溫度感測器的溫度范圍受到限制，因?yàn)楦袦y器結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能由于受到較高溫度和熱震的影響而變壞。本技術(shù)領(lǐng)域的一般狀況請參見在由華盛頓DC高溫半導(dǎo)體器件材料委員會(huì)、國家材料諮詢委員會(huì)、工程技術(shù)系統(tǒng)協(xié)會(huì)、國家研究委員會(huì)以及國家學(xué)術(shù)出版社出版的1995年刊第68-70頁中的“用于高溫半導(dǎo)體器件的材料”一文，以及在《應(yīng)用表面科學(xué)》1995年第91卷第347-351頁中由O.Nennewitz，L.Spiess和V.Breternitz撰寫的“6H-SiC的歐姆接觸”一文中的概括。但在這些參考文獻(xiàn)中的目標(biāo)溫度僅為600℃，而人們希望范圍有效的溫度適用范圍。
SiC溫度感測器的專門結(jié)構(gòu)也是眾所周知的。Q.Y.Tong、U.Gosele、C.Yuan、A.J.Steckl以及M.Reiche等人在《J.Electrochem Soc.》1995年第142卷第1號第232-236頁的文章中對一種SiC圓片或器件晶片的背面電絕緣的方法作了描述。P.K.Bhattacharya在《J.Electronics》1992年第73卷第1號第71-83頁的文章中對用于散熱目的的SiC片的焊接(結(jié)合)方法作了描述。J.B.Casady等人發(fā)表在《IEEE部件、封裝與制造技術(shù)匯刊》1996年9月第19卷第3號A部的“一種可用于由25℃至500℃的混合6H-SiC溫度感測器”文中描述了一種SiC JFET結(jié)構(gòu)與運(yùn)算放大器相結(jié)合，使檢測溫度達(dá)到500℃。
AlN模片也被用于高溫場合。R.Holanda發(fā)表在《NASA TechnicalBriefs》1997年3月刊第62頁的“陶瓷基薄膜熱電偶”一文中論述了Pt對PtRh金屬薄膜沉積在AlN模片上用作薄膜熱電偶的情況，討論了熱電偶結(jié)合對溫度(至1500℃)的飄移。Y.H.Chaio、A.K.Knudsen和I.F.Hu等人發(fā)表在《ISHM’91 Proceedings》1991年刊第460-468頁上的“釬焊和共燒的AlN(Aluminum Nitride)介面焊接”一文中論述了AlN和一些金屬之間的介面的結(jié)合反應(yīng)。示出了一多層AIN/W結(jié)構(gòu)，其中的介面是由于互鎖的顆粒邊界而結(jié)合的。Savrun等人探討了沉積在AlN模片上用以發(fā)展SiC混合電路的WSi2、NdSi2和TiSi2薄膜的熱穩(wěn)定性。發(fā)現(xiàn)所有的硅化物在加熱(至1000℃)時(shí)會(huì)改變其組分。據(jù)稱所有的這些薄膜均有希望用于具有600℃最大工作溫度的混合電路。
種種SiC、AlN和AlxGa1-xN溫度感測器還在下列的參考文獻(xiàn)中有所描述-G.Busch，《Helvetica Physica Acta》1946年第19卷第3號第167-188頁。
-J.A.Lely和F.A.Kroeger，《Proceedings of Intl.Colloquium-Partenkirchen》，Ed.M.Schoen和H.Welker，紐約《Interscience Pub.，Inc.》1958年刊第525-533頁的“In Semiconductorsand Phosphors”。
-M.I.Iglitsyn等人，《Soviet Physics-Solid State》1995年3月刊第6卷第9號第2129-2135頁。
-O.A.Golikova等人，《Soviet Physics-Semiconductors》1971年9月刊第5卷第5號第366-369頁。
-Westinghouse Astronuclear實(shí)驗(yàn)室，《碳化硅結(jié)熱敏電阻》1965年刊。
-T.Nagai和M.Etoh，《IEEE工業(yè)應(yīng)用匯刊(IEEE Transactions onIndustry Applications)》1990年11/12月刊第26卷第6號第1139-1143頁的“SiC薄膜熱敏電阻”。
一般認(rèn)為SiC具有隨溫度作指數(shù)式變化的電阻溫度系數(shù)(TCR)。這種熱敏電阻式TCR加上電路穩(wěn)定性限制妨礙了需要大范圍地監(jiān)測溫度方面的應(yīng)用，其中，電子控制和讀數(shù)的定標(biāo)要求感測器具有一近線性關(guān)系的TCR，例如，電阻溫度檢測器和熱電偶。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供若干電路結(jié)構(gòu)以及使用這樣一些結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，所述結(jié)構(gòu)可在溫度升高至1300℃或更高時(shí)仍保持其完整性。本發(fā)明的另一目的是提供一具有基本線性TCR的SiC溫度感測機(jī)構(gòu)。
一改進(jìn)的高溫結(jié)構(gòu)通過使用一AlN陶瓷模片來達(dá)成，一包含SiC、AlN和/或AlxGa1-xN(x＞0.69)的電路器件通過一導(dǎo)電安裝層粘附在該AlN陶瓷模片上。該安裝層具有在模片和電路器件的1.0±.06以內(nèi)的熱膨脹系數(shù)，它最好是由W、WC和/或W2C制成。該安裝層可以是不連續(xù)的，它帶有多個(gè)相互隔開的安裝件，諸安裝件通過電路器件各自的電極與電路器件的不同部分連接。該模片表面被弄粗糙以與安裝層黏合。
在一實(shí)施例中，安裝層包括一黏附到模片上的W、WC和/或W2C黏合層，以及一黏附在黏合層上并與電路器件上的電極結(jié)合的可選用的金屬化層。當(dāng)使用時(shí)，金屬化層的TCE不超過所需溫度范圍的所述黏合層的TCE大約3.5倍。
所述結(jié)構(gòu)還可包括多個(gè)橫向于電路器件設(shè)置的電極墊片，該電極墊片的組成與安裝層相同，它與模片電氣和機(jī)械連接，并與安裝層電氣連接。當(dāng)使用一金屬化層且電極墊片包括安裝層的橫向延伸部分時(shí)，該金屬化層在電極墊片處的厚度最好比在該器件電極處的厚度大。
若干導(dǎo)線可通過諸電極墊片和安裝層連接與器件相連，由一反應(yīng)的硼硅酸鹽混合物(RBM)形成的一封裝形成在該器件、安裝層、諸電極墊片以及模片上的一部分導(dǎo)線上面。該封裝最好包括一在RBM和被封裝的元件之間的氧化物介面。它形成一環(huán)境障壁，該障壁的TCE與器件和模片的TCE緊密相配，或其黏度小于其利特爾頓(Littleton)軟化點(diǎn)(~107泊)。另一種形式的封裝技術(shù)使用一蓋件，該蓋件的材料與模片相同，它在器件上延伸并通過一由RBM形成的封裝與模片結(jié)合，或通過RBM與模片反應(yīng)結(jié)合。
新的高溫結(jié)構(gòu)可用作一接觸/浸入式溫度感測器，用于現(xiàn)在是通過集成電路、高溫計(jì)、電阻溫度檢測器、熱敏電阻和熱電偶、以及諸如金屬線圈和帶的電氣-機(jī)械和容積器件、容量管以及球狀溫度計(jì)的應(yīng)用場合。其他感測器的應(yīng)用包括有輻射檢測器、氣體的精確流率監(jiān)測和控制、槽液位監(jiān)測器、濕度感測器、化學(xué)反應(yīng)溫度感測器以及使用隨溫度變化的電阻的電子電路。本發(fā)明還可用于壓力感測器、化學(xué)感測器以及高溫電子電路。
本發(fā)明還可利用以前未認(rèn)識的SiC特性，即SiC可被摻雜成具有一基本線性的TCR。如果以n-型摻雜，線性TCR可在大約22℃-1300℃的溫度范圍內(nèi)達(dá)到。如果以p-型摻雜，TCR將隨溫度增長而指數(shù)式下降直到溫度處于大約100℃-600℃的范圍內(nèi)(取決于p-型和n-型摻雜原子的濃度)，高于此溫度時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)一接近線性正TCR，一直到大約1300℃左右。
從下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些或其他的特征和優(yōu)點(diǎn)對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將變得更為清楚。


圖1所示為按照本發(fā)明的一基本電阻晶片的立體視圖；圖2為圖1的電阻晶片通過按照本發(fā)明的耐高溫安裝結(jié)構(gòu)安裝在一陶瓷模片上的立體視圖；圖3為圖2所示的安裝結(jié)構(gòu)的一個(gè)變型的立體視圖，該安裝結(jié)構(gòu)中使用了黏合層及覆蓋金屬化層；圖4為加上了導(dǎo)線的圖2所示結(jié)構(gòu)的立體視圖；圖5為圖4所示結(jié)構(gòu)經(jīng)封裝后的立體視圖；圖6為圖4所示結(jié)構(gòu)使用一不同封裝后的立體視圖，圖中的結(jié)構(gòu)包括一上模片；
圖7(a)為一“堆疊式”感測器結(jié)構(gòu)的剖視圖，而圖7(b)，7(c)和7(d)則為連接在一起形成圖7(a)的結(jié)構(gòu)的三個(gè)陶瓷模片(包括器件、電路和導(dǎo)線)的平面視圖；圖8為圖2-6的每一實(shí)施例中黏合層和模片之間的介面的放大剖視圖；圖9-17所示為最新發(fā)現(xiàn)的摻雜SiC的線性TCR特性的示意圖；圖18和19所示為指數(shù)式下降電阻～溫度特性以及由于使用不同的SiC摻雜濃度由指數(shù)負(fù)TC轉(zhuǎn)換為接近線性正TC的示意圖；圖20為使用本發(fā)明的一般系統(tǒng)的部分框圖和部分立體視圖；圖21為本發(fā)明用于溫度感測器的示意圖；圖22(a)和22(b)分別本發(fā)明用于壓力感測器的正視圖和電路示意圖；圖23為使用本發(fā)明一MESFET(肖特基金屬柵極場效應(yīng)電晶體)的立體視圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種電路器件諸如溫敏器件的新結(jié)構(gòu)，它可使器件在高達(dá)1300℃的高溫下運(yùn)作，而不會(huì)降低性能或使其接觸中斷，或使該器件中所用的任何混合電路脫開。本發(fā)明的電路可提供與溫度有關(guān)的感測器的功能，諸如溫度、壓力、流量和液位測量，以及提供諸電子電路功能，溫度范圍可以小于-195℃至大于1300℃，而且還可承受種種困難的環(huán)境。用本發(fā)明制造的溫度感測混合電路經(jīng)校準(zhǔn)后用在小于22℃至大于1300℃的空氣環(huán)境中獲得了可重復(fù)或可再現(xiàn)的溫度測量值。該混合電路經(jīng)測定在-195.6℃至1300℃的范圍內(nèi)不受熱震影響。該溫度范圍和對熱震耐受力的程度大大超過了已有技術(shù)的混合電路。
混合電路可包含一或多個(gè)半導(dǎo)體晶片，每一晶片用作一電阻或一集成電路(IC)。選擇具體的材料以及它們的組成來給予該混合電路以不同的熱范圍和抗蝕性能?；旌想娐废馡C一樣；它們均由一個(gè)以上器件組成，彼此連接在一起和/或通過一外電路與外界連接。不同的是在混合電路中用模片作為一個(gè)個(gè)器件“晶片”(或有時(shí)為一個(gè)晶片和其他一個(gè)個(gè)器件晶片)的安裝基底，及它們的互連電路，而所有的IC器件和互連電路都是單塊地構(gòu)成在一個(gè)半導(dǎo)體圓片上的。
圖1所示為兩端帶有電極4a，4b的基本電阻/IC晶片2。該晶片必須以SiC、AlN和/或AlxGa1-xN(x＞0.69)形成。該晶片可以包含其他半導(dǎo)體材料和組合物的薄膜片，只要至少該晶片厚度的90％是由SiC、AIN和/或AlxGa1-xN(x＞0.69)組成的以確保所要求的模片和晶片之間的溫度膨脹系數(shù)TCE匹配得以保持這些材料具有高抗熱震性能。選定一電阻作為付諸實(shí)施的器件是因?yàn)閷σ唤o定的半導(dǎo)體材料，它比任何半導(dǎo)體器件的溫度范圍都大而且適合于實(shí)用。因?yàn)樗鼈兣c陶瓷AlN、SiC、AlN和/或AlxGa1-xN(x＞0.69)的TCE匹配非常接近而且是至少可以用到最大的溫度范圍1300℃的已知的半導(dǎo)體。SiC、AlN和/或AlxGa1-xN(x＞0.69)在300°K時(shí)各自基面中的TCE分別為4.2×10-6/°K、4.2×10-6/°K和4.5×10-6/°K；在300°K時(shí)各自的熱導(dǎo)率分別為4.9、2.0和1.5W/cm°K；而電阻以外的半導(dǎo)體器件型的最大溫度范圍分別為＜0℃至≤1160℃、＜0℃至≤1010℃和＜0℃至≤930℃；以及融點(diǎn)溫度分別為2500℃、2800℃和＞1500℃。
圖2所示為一完整的不含導(dǎo)線的電路結(jié)構(gòu)，其上覆蓋著圖1所示但倒轉(zhuǎn)的晶片2。該器件形成在一AlN陶瓷模片6上，該AlN陶瓷模片作為一熱穩(wěn)定性和環(huán)境穩(wěn)定的混合電路的平臺。該電路可用于使半導(dǎo)體器件/IC晶片彼此互相連接，并與外界互聯(lián)，而晶片則實(shí)施感測器和/或電子功能?；蛘撸谀Ｆ闲纬傻碾娐房梢栽跊]有晶片的情況下用作溫度/壓力/應(yīng)力電阻感測器。模片的TCE與晶片的TCE緊密相配(至1.0±0.6內(nèi))，具有高抗熱震性能，并且與電絕緣。
AlN滿足了作為模片的這些物理性能和電性能，而且具有其他的優(yōu)點(diǎn)。用于本發(fā)明目的的多晶陶瓷AlN的物理性能和電性能是TCE在300°K時(shí)為4.4×10-6/°K以及在1273°K時(shí)為5.3×10-6/°K；熱導(dǎo)率為1.5瓦每厘米°K；電阻率在300°K時(shí)＞1014歐厘米(Ωcm)；抗金屬化學(xué)反應(yīng)等于或高于其他的商業(yè)陶瓷；在2500℃升華的理想的化學(xué)鍵穩(wěn)定性；可持續(xù)使用的的最大溫度為1150℃和1800℃之間，具體的溫度數(shù)位取決于環(huán)境溫度；諾氏硬度約為250千克每平方毫米；剪切強(qiáng)度約為450Mpa；抗彎曲強(qiáng)度約為315Mpa；密度約為3.30克每立方厘米；孔隙率為0％。
單晶AlN也可用于模片。然而，目前它比多晶陶瓷AlN貴很多，而且其平滑表面需要弄得粗糙些以黏合在安裝層上(這將在下面論及)。作為本發(fā)明的目的，所述陶瓷“模片”并不限制于多晶陶瓷。
一安裝層8，在圖中所示為一對隔開的安裝件8a和8b，分別與兩晶片電極4a和4b對齊并使晶片及其電極得以機(jī)械地固定至模片上，并提供電連接至諸電極上。
電極墊片10a和10b最好是以與安裝件8a和8b相同的材料制成，它們橫向于晶片器件設(shè)置在模片上并分別與安裝件接觸。諸電極墊片由一或多個(gè)供給安裝件電流路徑的薄或厚的膜組成。
在圖3中的器件中，圖中未示出晶片2或電極4a和4b，這樣可以清楚見到下層的元件，安裝件8a和8b包括下面的黏合層12a和12b以及覆蓋在黏合層上的金屬化層14a和14b；金屬化覆蓋層可用于增大電流路徑的截面面積，保護(hù)安裝層免受侵蝕，和/或提供晶片電極的連接。電極墊片10a和10b作為安裝件8a和8b的延伸部分，它們均具有一黏合層，該黏合層是它們相應(yīng)的安裝件黏合層12a或12b的延續(xù)部分，以及一金屬化覆蓋層，該金屬化覆蓋層是它們相應(yīng)的安裝件的金屬化覆蓋層14a或14b的擴(kuò)大的延續(xù)部分。
黏合層12a和12b為薄的或厚的材料膜，該材料使金屬化覆蓋層固定在AlN模片表面。為達(dá)此目的，它們的TCE必須與AlN模片和晶片的TCE緊密相配(至1.00±0.6內(nèi))，它們必需不與模片產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，而且在它們和金屬化覆蓋層之間幾乎沒有或完全不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，直到最大的工作溫度。進(jìn)一步要求的特性是較小或沒有固溶性及不在黏合層和模片之間互擴(kuò)散，以及熔點(diǎn)比最大工作溫度大。沒有反應(yīng)、固態(tài)熔解以及黏合層和模片之間互擴(kuò)散，可以確保黏合層不會(huì)在高溫下因?yàn)榕c模片反應(yīng)而損耗，以及模片表面不會(huì)變成具有導(dǎo)電性。TCE相匹配則確保了黏合層不會(huì)在熱循環(huán)過程中從模片表面剝離。
相對于金屬化覆蓋層來說，黏合層應(yīng)該較少或沒有化學(xué)反應(yīng)、互擴(kuò)散結(jié)合和/或固態(tài)熔解，在介面和靠近介面處保持清晰，它們之間的最大固熔度必須有一定限制以使它們不形成一同形或假同形的相圖，直到最大的工作溫度。這些要求確保了黏合層不會(huì)因與金屬化覆蓋層反應(yīng)而被完全損耗，否則將允許電極墊片10a和10b在熱循環(huán)過程中與模片分層。
鎢(W)、WC和W2C所具有的物理和電性能極佳地滿足了對黏合層的所有這些要求。當(dāng)黏合層和晶片電極在沒有金屬化覆蓋層的情況下可良好結(jié)合時(shí)，可以不再需要該用金屬化覆蓋層。一W黏合層或W有一內(nèi)部C層，在處理過程中轉(zhuǎn)化會(huì)在兩外W層之間轉(zhuǎn)換成WC的就將是這樣的情況。因?yàn)楫?dāng)器件例如用作化學(xué)感測器而暴露在一氧化氣體環(huán)境中時(shí)，W氧化，而金屬化覆蓋層可在該環(huán)境中保護(hù)它。為此目的，金屬化覆蓋層應(yīng)為非氧化的材料，鉑、金、鈀和銀是適合的材料。金屬化覆蓋層在電極處的厚度最好比在安裝層處的厚度大，以易于導(dǎo)線與它們的結(jié)合或焊接。
金屬化覆蓋層必須是可結(jié)合至晶片電極以及黏合層的。金屬化覆蓋層和下層的黏合層之間的互擴(kuò)散或固溶性必須不能導(dǎo)致金屬化覆蓋層的完全損耗，否則晶片電極結(jié)合可能會(huì)削弱以及晶片電極會(huì)在熱循環(huán)過程中與安裝層分層。對于真空、惰性或還原的環(huán)境，由于不存在氧化問題，很多其他的材料就可用于金屬化覆蓋層，諸如W、WC、W2C、Ag、Cr、Hf、HfC、Ir、Mo、Ni、Nb、Os、Pd、Pt、Re、Rh、Ru、Ta、TaC、Ti、TiC、V、Y、Zr以及ZrC。諸如與W在有關(guān)的溫度范圍會(huì)形成合金或金屬互化物的材料Co不應(yīng)使用。
金屬化覆蓋層和模片或黏合層之間不必具有緊密相配的TCE。相信這是因?yàn)榻饘倩采w層具足夠韌性以吸收膨脹和收縮率之間的差所導(dǎo)致的應(yīng)變。只要金屬化覆蓋層的TCE是在模片或黏合層的TCE的3.5倍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)整體性就會(huì)在高溫時(shí)保持。
多層金屬化覆蓋層可加在電極10a和10b上來增加它們的電流量，提供耐蝕性并使導(dǎo)線易于結(jié)合或焊接。參與導(dǎo)線結(jié)合和焊接的金屬化覆蓋層的厚度必須是導(dǎo)線直徑的至少0.05倍。
圖4是與圖2相似的圖，只是在電極墊片上加上了導(dǎo)線16，以在高溫器件和外部電路之間提供電連接。導(dǎo)線被結(jié)合或焊接在電極墊片上而且應(yīng)該具有緊密相配的TCE(下面將述及的圖6的實(shí)施例除外，其中的壓力使導(dǎo)線和電極墊片之間保持接觸)。為防止導(dǎo)線-電極墊片的結(jié)合或焊接在熱循環(huán)過程中分離、互擴(kuò)散、固態(tài)熔解，已結(jié)合或焊接的導(dǎo)線和電極墊片層之間的化學(xué)反應(yīng)必須不會(huì)損耗下層黏合層。可在真空、惰性或還原環(huán)境中工作高達(dá)1400℃的導(dǎo)線的合適材料包括Ni、Pd、Pt及其合金和金屬互化物，以及Ni-Cr合金；對于工作高達(dá)1300℃的，也可使用Au-Pt、Au-Pd、Pd-Pt以及Ag-Pd合金。然而，如果這些材料在溫度范圍中是會(huì)和W形成合金或金屬互化物的，那它們就是不適合的。
圖5示出了圖4器件的一種變型，其中該器件被一種封裝材料18包覆。該封裝可具有一或多個(gè)以下的功能(1)協(xié)助晶片黏附至安裝層；(2)協(xié)助安裝層和/或電極墊片黏附至模片；(3)協(xié)助導(dǎo)線的黏合，特別是當(dāng)多塊模片疊加在一起時(shí)在模片中延伸穿過的導(dǎo)線；以及(4)對器件作環(huán)境和物理保護(hù)。
較佳的封裝材料是一反應(yīng)的硼硅酸鹽混合物(RBM)。硼硅酸鹽混合物與器件元件接觸時(shí)的熱反應(yīng)導(dǎo)致器件被接觸的表面氧化，形成一使RBM與器件結(jié)合的氧化層。該氧化層以參考號20標(biāo)示在圖5的虛線部分中。
當(dāng)封裝只是用于黏合的目的而非同時(shí)用作環(huán)境保護(hù)時(shí)，對于RBM組分和制備的要求就要松得多。對用于黏合和環(huán)境保護(hù)的目的的材料的要求是-在溫度高達(dá)1300℃時(shí)，它應(yīng)該一直是電絕緣體。
-應(yīng)該不會(huì)有導(dǎo)電金屬沾污下面的器件的任何一部分。
-應(yīng)該是玻璃形成體，為的是形成環(huán)境保護(hù)以及在快速熱循環(huán)過程中得以留存。
-應(yīng)該具有高的結(jié)合活性以形成一反應(yīng)的混合物。
-為易于加工，未反應(yīng)的混合物應(yīng)該可以在低溫時(shí)起反應(yīng)。
-末反應(yīng)的混合物在溫度超過1300℃時(shí)應(yīng)該化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定。
-應(yīng)該具有與模片和晶片緊密相配的TCE，或黏度小于其Littleton軟化點(diǎn)。黏度隨溫度增加而減小，這可以讓RBM在熱循環(huán)過程中密封它自己。
B2O3和SiO2的混合物已顯示出可適于這些目的。它們可被混合在一起并作為干粉加在表面上。為用作環(huán)境保護(hù)和黏合/截留，限制RBM混合物中的SiO2的分子濃度最大至0.46，可以使該混合物的TCE至少和AlN模片的TCE一樣大(摩爾百分比不大于46，重量百分比小于43)。
對于不帶環(huán)境保護(hù)的黏合/截留應(yīng)用，RBM化合物最好含有比SiO2(SiO2摩爾百分比小于50，重量百分比小于47)較多的B2O3(它會(huì)熔融以刺激反應(yīng))。最大的B2O3摩爾百分比受到RBM黏度和封裝的表面張力必須足以將封裝保持在位的要求的限制。
較佳的制備過程是首先將B2O3和SiO2混合在一起，然后將該混合物磨成細(xì)粉。如果只是供黏合/截留的應(yīng)用，混合的組成部分可以分別研磨成粉然后再混合。研磨后顆粒的平均尺寸應(yīng)該小于500微米，越小越好。它可以作為干粉加在器件的表面或分散在有機(jī)溶劑中，但它在反應(yīng)之前應(yīng)該是干的，以防止裂解。
然后將此包覆的結(jié)構(gòu)加熱至至少為B2O3的熔化溫度(460℃)，最好是在氧化或者是惰性氣體環(huán)境中。加熱可使用通常和快速的熱技術(shù)。當(dāng)該被包覆的器件快速地通過B2O3的熔化溫度時(shí)，反應(yīng)過程就更順利，因?yàn)榭偟姆磻?yīng)時(shí)間大約為1秒。最佳加熱方法是使用IR加熱快速熱退火。在反應(yīng)過程中，B2O3熔化并與SiO2反應(yīng)形成釉或玻璃。當(dāng)B2O3熔化并且SiO2反應(yīng)時(shí)，B2O3和SiO2通過將與它們接觸的表面氧化而與所述可氧化表面結(jié)合。
圖6所示為裝置的另一種變型，其中用一第二AlN模片22覆蓋器件的暴露的表面。該第二模片22通過一RBM封裝24保持在位，該RBM封裝29結(jié)合到兩模片6和22的相面對的表面(RBM在圖6中畫成透明的目的是為了能看見被封裝的元件)。第二模片22保護(hù)所有下層面的器件的元件，而且還利用RBM產(chǎn)生的壓縮力使導(dǎo)線保持在電極墊片上。
一種多層混合電路可由圖4，5和6所示的實(shí)施例的任何組合通過多層器件的垂直堆疊形成，用一單獨(dú)模片作為每層的電路平臺。不同層的電路可通過模片中的路徑互相連接。這種結(jié)構(gòu)的類型如圖7(a)-7(d)所示。
圖7(a)示出了整個(gè)器件，它是一溫度補(bǔ)償?shù)幕瘜W(xué)感測器。一上層模片700也示在圖7(b)中，其上載有一由化學(xué)敏感材料形成的條狀感測器702。該模片結(jié)構(gòu)是一限流器，其導(dǎo)電性是由與環(huán)境的表面反應(yīng)控制的。條狀感測器下面的若干隔開的化學(xué)感測器接觸墊片704與通過模片700上表面上的若干金屬化墊片705配合，并通過金屬化路徑706分別與模片側(cè)面的導(dǎo)線接觸墊片708相連接。
上層模片700通過一中間隔離模片712與一較低溫度補(bǔ)償模片710電絕緣，這也示出在圖7(c)中。隔離模片712上載有一對導(dǎo)線714，諸導(dǎo)線與感測器模片700上的接觸墊片708接觸。這樣，可以通過一信號示出條狀感測器的導(dǎo)電性，因而也示出在環(huán)境中的性質(zhì)。
也示于在圖7(d)中的溫度補(bǔ)償模片710，包括一帶有若干電極墊片717的溫度感測電阻716，諸電極墊片717裝置在該模片上表面上隔開的接觸墊片718上。一對導(dǎo)線720穿過接觸墊片718并能檢測出電阻716的電阻值，因此也就可以感測出溫度。這種資訊可用于補(bǔ)償化學(xué)感測器輸出中溫度引發(fā)的誤差。一RBM封裝722把上、下和中的模片密封并結(jié)合在一起。
如圖8所示，黏合層12通過嵌入模片表面中的縫隙內(nèi)而保持在模片6上。每單位區(qū)域所需的縫隙數(shù)目隨縫隙深度的減小而增加。盡管難于確定數(shù)量，但良好的黏合顯然是可以在具有粗糙外觀的AlN模片上獲得。而在非常光滑和有光澤的AlN模片表面上不能獲得有效的黏合。
模片表面可通過化學(xué)或熱蝕刻技術(shù)弄粗糙。在空氣中使光澤表面加熱至1000℃一秒鐘就足以使之變粗糙而獲得良好的黏合。弄粗糙比較容易獲得，因陶瓷AlN是多晶體并含有痕量濃度的黏合劑(諸如氧化釔)；這些因數(shù)提供給非均勻的表面蝕刻率。
黏合層可通過一些氣相沉積技術(shù)可以以正確的化學(xué)計(jì)量施加在AlN模片表面，諸如RF/DC濺射、RF/DC共濺射、電子束蒸發(fā)和化學(xué)氣相沉積(CVD)。在黏合層的沉積過程中模片的溫度并不重要，因?yàn)轲ず鲜怯晌锢斫Y(jié)合而非化學(xué)結(jié)合發(fā)生的。
沉積時(shí)，黏合薄膜的密度將小于理論密度，除非通過CVD來沉積?？梢酝ㄟ^熱退火使薄膜密度增加以及晶粒邊介面積減小。當(dāng)密度或晶粒邊介面積對于保護(hù)黏合層/模片表面不受金屬化覆蓋層的影響很重要時(shí)，黏合層應(yīng)該在加金屬化層前退火。退火溫度范圍一般為800℃-1400℃；密度和顆粒生長取決于溫度和時(shí)間。退火大氣氛應(yīng)該是真空或惰性氣體(諸如Ar或N2)。
鎢(W)黏合薄膜可以通過“成形”部份地或全部地轉(zhuǎn)換為WC和/或W2C。在此過程中，最好通過CVD把碳加到沉積或退火的W黏合薄膜上或通過諸如絲網(wǎng)漏印把石墨加在W黏合薄膜上。W薄膜通過在800℃-1400℃的溫度范圍內(nèi)(最好為較高溫度)熱致擴(kuò)散(“成形”)而變化為碳化物。
如果黏合層要由一或多層金屬化覆蓋層覆蓋的話，沉積的黏合層的最小厚度最好為0.1毫米。如果不使用金屬化覆蓋層，黏合層的最小厚度必須滿足下列要求(1)黏合層的處理后的厚度必須超過模片表面糙度至少為晶片的電極厚度；(2)黏合層的截面面積必須足夠以提供器件所需的電流；以及(3)黏合層必須足夠厚以允許它如果與RBM反應(yīng)后(如果使用RBM的話)黏合層有局部損耗。試驗(yàn)研究指出被此反應(yīng)消耗的鎢及其碳化物小于500埃(Angstrom)。
黏合層上的金屬化覆蓋可由一或多層組成，每一層都是順次加上或沉積的。取決于所選擇的具體金屬化材料，金屬化層可藉由印刷、絲網(wǎng)漏印、電鍍或氣相沉積等技術(shù)來加上。
經(jīng)處理的金屬化覆蓋層可由一或多個(gè)元素混合物，或合金的單獨(dú)或分級組成構(gòu)成。經(jīng)處理的金屬化覆蓋層可以就是加上或沉積上的，或可以再經(jīng)熱處理重新分布薄膜組分或使組分起化學(xué)反應(yīng)。在熱處理過程中，在一層或多層(但不是全部)金屬化覆蓋層中可發(fā)生熔化，但產(chǎn)生的化合物和/或合金必須在相同的處理溫度下為固態(tài)。例如，可在超過Au的熔化溫度但低于所需合金的熔化溫度下將Au/Pt多層結(jié)構(gòu)加熱形成Au-Pt合金，在這種情況下，只有Au熔化，并且被Pt快速消耗以形成合金。
當(dāng)黏合層上使用金屬化覆蓋并且同時(shí)使用RBM封裝時(shí)，大約有100-1000埃可氧化的金屬化層材料將會(huì)損失掉以通過與RBM反應(yīng)而形成一氧化層。對于所研究的與RBM反應(yīng)時(shí)的反應(yīng)特性的金屬中，只有Au和Pt沒有被發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生氧化。
對于在接觸墊片上的金屬化覆蓋，金屬化層的最小厚度是導(dǎo)線直徑的0.05倍。然而，最小厚度最好至少是導(dǎo)線直徑的0.1倍可增加得率并改善導(dǎo)線和電極墊片之間結(jié)合的糙度。
金屬化覆蓋層的最大厚度受到由于黏合層和金屬化覆蓋之間的TCE不同因而有施加于電極墊片的應(yīng)變或張力而受到限制。金屬化覆蓋的厚度的上極限已發(fā)現(xiàn)比黏合層厚度大60倍。金屬化覆蓋與RBM形成的氧化物層時(shí)的犧牲或損失與黏合層上的金屬化覆蓋的損失即與RBM形成氧化物層的損失是相同的。
晶片電極可通過熱壓接合、擴(kuò)散結(jié)合或釬焊與安裝層結(jié)合。在熱壓接合中，晶片電極被壓在安裝層上，并且被加熱，通過互擴(kuò)散由壓力和溫度相結(jié)合誘導(dǎo)結(jié)合。在熱壓接合中，一個(gè)表面上的材料擴(kuò)散入并改變它所接觸的表面上材料的組成成份。該過程是被熱啟動(dòng)并可在加熱時(shí)把安裝層和晶片電極壓在一起作為幫助。例如，具有相向W表面層的安裝層和晶片電極可通過將一薄碳層加到其中一表層或兩表層而彼此擴(kuò)散結(jié)合，使中間具有碳的兩表面彼此牢牢地靠在一起而使兩表面固定，并且加熱該結(jié)構(gòu)至大約700℃。碳將會(huì)被耗用并并消耗W而形成W2C和WC。產(chǎn)生的W2C和WC通過變成彼此的一部分而把晶片電極與安裝層相結(jié)合。
釬焊涉及至少把參與結(jié)合過程中的一個(gè)組成成份熔化。例如，對于具有相面對的表面層Pt的安裝層和晶片電極，可以通過將一薄Au層加在其中一表面層或兩表面層上來進(jìn)行釬焊，使中間具有Au安裝層和晶片電極彼此堅(jiān)固地靠在一起而加以固定，并把該結(jié)構(gòu)加熱至大約1065℃。Au熔化，被面對的Pt層損耗而形成Au-Pt合金。該合金通過變成彼此的一部分而將晶片電極與安裝層結(jié)合起來，Au-Pt合金的熔化溫度遠(yuǎn)大于Au的熔化溫度，但小于Pt的熔化溫度。
導(dǎo)線可以通過結(jié)合或焊接至電極墊片的金屬化覆蓋層而被固定。導(dǎo)線材料的TCE應(yīng)該在諸金屬化覆蓋層的復(fù)合TCE的大約1.1倍以內(nèi)。待結(jié)合或焊接至電極墊片的導(dǎo)線的部分可以弄平整，在這種情況下，垂直于其平整的表面的導(dǎo)線厚度是用于確定電極墊片的金屬化覆蓋層的最小厚度的合適的直徑。
還可通過將諸導(dǎo)線穿過混合電路的電極墊片或安裝層區(qū)域的孔中而連接起來，并將諸導(dǎo)線從孔伸出的各端在模片上壓扁。AlN陶瓷非常堅(jiān)固，能夠適合于這種方法。
圖6所示類型的10個(gè)器件的制造如下SiC電阻的制造1.拋光、清潔以及使SiC圓片復(fù)合電氣質(zhì)量以確定精確的電阻尺寸。
2.氧化SiC圓片。
3.從SiC圓片上表面除去氧化物并進(jìn)行電氣質(zhì)量測試。
4.通過化學(xué)氣相沉積(CVD)將2000埃TiC+C層沉積在暴露的SiC表面上。
5.通過濺射將1000埃W層沉積在TiC+C上。
6.通過使W/C/TiC/SiC退火滲碳W層(1200℃，2小時(shí))形成WC和/或W2C/TiC/SiC。
7.通過濺射將1000埃W層沉積在WC和/或W2C上。
8.通過在Ar中退火(1000℃，1小時(shí))形成W層。
9.用光掩膜使電阻電極區(qū)域暴露(圖1中的元件4a和4b)。
10.通過濺射將1000埃Pt沉積在電阻電極區(qū)域上。
11.王水蝕刻和剝離來在SiC圓片上形成電阻電極區(qū)域陣列。
12.將SiC圓片切割成若干電阻晶片(見圖1中的元件2)。
AlN模片上的薄膜電路和電極墊片的制作1.將SiC陶瓷模片切割成若干1.9厘米×1.9厘米( 英吋× 英吋)正方形的AlN模片(見圖1中的元件6)，并加以清潔。
2.通過濺射將2000埃W層沉積在AlN模片的粗糙表面上。
3.用光掩膜使電極墊片和薄膜電路區(qū)域暴露(見圖2中的元件10a，10b，8a和8b)。
4.通過濺射將8-10±2微米的Pt沉積在W上。
注意可以分2個(gè)步驟來進(jìn)行(薄膜電路只需要1.5±0.5微米的Pt)5.通過蒸發(fā)將1000埃Au沉積在Pt上。
6.剝離光蝕刻。
7.在室溫以50∶50的去離子水∶過氧化物蝕刻溶液除去多余的(暴露的)W。
晶片電極4a，4b與薄膜電路8a，8b的結(jié)合1.設(shè)置晶片2使得其電極4a，4b在薄膜電路8a，8b上。
2.將成對的晶片/AlN模片6放置在兩石墨圓筒之間。
3.將組件裝載入RF加熱的爐子中，使該對被壓在一起。
4.在Ar中加熱組件，在不到2分鐘內(nèi)使溫度升至1000℃，然后關(guān)掉加熱器，T＞1000℃。
5.從爐子中取出組件前，讓組件冷卻30分鐘。
6.從石墨圓筒中取出。
導(dǎo)線導(dǎo)線(見圖4中的元件16)被焊接至器件的一些但不是全部的電極墊片10a，10b。
最后的制作1.將器件放置在一Al2O3陶瓷片上，電路朝上。
2.將導(dǎo)線(當(dāng)沒有預(yù)先焊接在上面時(shí))設(shè)置在諸電極墊片上面。
3.器件的電路側(cè)和導(dǎo)線被一未反應(yīng)的干粉形式的60wt％B2O3-40wt％SiO2混合物包覆。
4.將一覆蓋AlN的模片放置在未反應(yīng)的硼硅酸鹽混合物上面。
5.將組件插入管式爐中(空氣環(huán)境)，預(yù)熱至600℃-1000℃。
6.插入后一分鐘，將組件取出，成圖6中所示的形式。
性能結(jié)果是從一3-區(qū)橫向管式爐中的五種結(jié)構(gòu)以及從一箱式爐中的一種結(jié)構(gòu)得到的。在管式爐中，諸結(jié)構(gòu)通過長為46厘米(18英吋)、直徑為0.25毫米(10密耳)的Pt線與爐終端外側(cè)電連接。使用一4-導(dǎo)線以確保電壓的測量值可以代表SiC的電阻。每一電極墊片的一導(dǎo)線與一恒定電流源連接，而另一根導(dǎo)線與一高阻抗電壓表連接。始終用一恒定電流通過SiC電阻，諸電阻兩端的電壓降作為爐溫度的函數(shù)記錄下來。每個(gè)電壓值的讀數(shù)的電阻是通過其電阻器的輸出電壓除以輸入電流而得出的。
管式爐的溫度是用N-型熱電偶來測量的，所述N-型熱電偶設(shè)置在爐中器件的旁邊。所述熱電偶被包覆并用墊圈以使它們的溫度范圍達(dá)到最大以及使它們的飄移達(dá)到最小，而且它們有17分鐘的反應(yīng)時(shí)間(至99％的溫度改變)。
由于受到爐的穩(wěn)定性、熱電偶的反應(yīng)時(shí)間和飄移的限制，管式爐中的測量精度被限于±100℃。溫度在低于800℃時(shí)讀出，這是因?yàn)闋t子800℃溫度范圍時(shí)不穩(wěn)定。高于800℃時(shí)，爐子將在大約1小時(shí)左右穩(wěn)定至±50℃以內(nèi)。很多數(shù)據(jù)是動(dòng)態(tài)地取得的，或當(dāng)振蕩熱電偶值為給定爐溫度的最大或最小值時(shí)讀取的。溫度若高于1200℃，是處于熱電偶范圍的極高端，此時(shí)，熱電偶電壓輸出(作為溫度的函數(shù))中將發(fā)生不確定的飄移。
如果TCRs是指數(shù)的或近似指數(shù)的，那么，最大/最小輸出電壓的變化至少幾倍地大于那些記錄到的變化。測試控制不足以提供用于形成一TCR曲線的數(shù)據(jù)；然而，觀測足以識別TCR在一超過溫度范圍＞1000℃的線性-線性曲線上的TCR的包絡(luò)。
圖6中所示的5個(gè)器件是用SiC圓片電阻元件制造的，圓片由圓片制造商用氮作n型摻雜。SiC圓片制造商所報(bào)告的摻雜濃度分別為3，8.5，3，2和1×1018厘米-3，它們用作樣品1-5。自5個(gè)不同的SiC電阻器獲得的電阻作為溫度的函數(shù)繪制在圖9-17中。SiC電阻器的輸出電壓對溫度的曲線基本上是一線性曲線，在起點(diǎn)溫度以上(100℃～600℃)阻值隨溫度的增加而增加。
在箱式爐中，僅在樣品4上進(jìn)行了可靠的測量，其摻雜濃度為2×1018厘米-3。使用一2-線導(dǎo)線，每一電極墊片的導(dǎo)線與一HP34401A微歐姆(MicroOhm)/豪微伏伏特計(jì)相連接；SiC電阻器、輸入/輸出電路以及一被引入減小噪音的箝位RC電路的總阻值由萬用表直接讀出。爐子的溫度用一R型熱電偶來測量，該R型熱電偶具有一分鐘的反應(yīng)時(shí)間并將其結(jié)設(shè)置在靠近爐中的樣品。由測量得到的數(shù)據(jù)圖示在圖16中。
圖16中，一拐點(diǎn)[由正溫度系數(shù)(PTCR)阻值反轉(zhuǎn)至負(fù)溫度系數(shù)阻值(NTCR)]發(fā)生在0℃和120℃之間?？赡艿慕忉屓缦码m然諸樣品是n-型摻雜的，但它們含有p-型雜質(zhì)(主要是鋁)。如果(a)增加/減少傳導(dǎo)電子和孔穴的唯一機(jī)理是取決于本征濃度對溫度的關(guān)系以及(b)電子/孔穴的平均自由路徑長度對晶格溫度(高格子溫度導(dǎo)致平均自由路徑長度較短)的關(guān)系是減小導(dǎo)電性的唯一機(jī)理，則該半導(dǎo)體的阻值將隨溫度增加而平穩(wěn)地增加(PTCR)。
所述“拐點(diǎn)”發(fā)生在從摻雜物原子的電子/孔穴開始至‘凍結(jié)出’的溫度范圍內(nèi)。在這種情況中，摻雜物原子為參與導(dǎo)電過程而釋放其電子/孔穴的能量大于或大約等于周圍環(huán)境所提供的能量。如果溫度減小至此范圍，則影響導(dǎo)電性的主要因素是(a)可參與導(dǎo)電的電子/孔穴的數(shù)目(摻雜物原子濃度在此溫度范圍內(nèi)大于本征電子/孔穴濃度的很多數(shù)量級)，以及(b)電子/孔的平均自由路徑長度。
當(dāng)溫度減小時(shí)，平均自由路徑長度就增加。因此，如果這是唯一的活動(dòng)機(jī)理，電阻值將隨溫度減小而減小。隨溫度減小而減小的阻值變平，然后增大，因?yàn)樵絹碓缴俚膿诫s物原子接收足夠的能量而變成電離的(釋放它們的電子/孔穴以參與導(dǎo)電)。該過程是溫度的一指數(shù)函數(shù)，以致于TCR最后變?yōu)樨?fù)數(shù)(隨溫度減小而增大)。
p-型摻雜物(~0.4電子伏)的活化能(主要是Al作為背景污染大約在5×1015厘米-3)比主要的氮n-型摻雜物(~0.1電子伏)的活化能大很多。此外，當(dāng)基質(zhì)晶體內(nèi)的濃度增加時(shí)，摻雜物原子的活化能在一能量范圍上散開。
因此，有兩個(gè)‘凍結(jié)’范圍，其中電阻值將隨溫度減小而指數(shù)式增大。發(fā)生由指數(shù)NTCR反轉(zhuǎn)為近線性PTCR的準(zhǔn)確溫度(或溫度范圍)是施主(n-型摻雜物)和受主(p-型摻雜物)的凍結(jié)率兩者對溫度的結(jié)果。
出乎意料地，與以前的報(bào)導(dǎo)不同，這些測試中證明了n-型SiC的電阻值不會(huì)隨溫度增加而指數(shù)式增加。反而發(fā)現(xiàn)在大約22℃至1300℃的溫度范圍內(nèi)重氮摻雜的n-型SiC具有線性TCR。若以p-型摻雜，在較低溫度時(shí)的負(fù)TCR后面接著就是一正的近線性TCR(在大約100℃-600℃的溫度范圍外)，具體溫度數(shù)位取決于摻雜濃度，線性范圍擴(kuò)展至至少約1300℃。
指數(shù)式NTCR后面跟著的一近線性PTCR的例子請見圖18和19。它們是基于使用一加熱板獲得的數(shù)據(jù)；制造商的摻雜型和濃度是圖18(Al，p-型，5×1018厘米-3，補(bǔ)償n-型的濃度不知道)；以及圖19(Al，p-型，1×1019厘米-3，補(bǔ)償n-型的濃度不知道)。元素周期表中任何組III族元素都可用作p-型摻雜劑，而Al是較好的，因?yàn)樗哂凶钚〉幕罨堋?br> 可以預(yù)料到，“拐點(diǎn)”溫度將隨所給定樣品內(nèi)的n-和p-型濃度之間的差的減小而增加。例如，可以用兩種n型樣品，一個(gè)是n＝5×1018厘米-3和p＝5×1017厘米-3的樣品，而另一個(gè)是n＝1×1019厘米-3和p＝5×1018厘米-3的樣品。預(yù)料第二種樣品的“拐點(diǎn)”將發(fā)生在比第一種樣品為高的溫度處。
本發(fā)明所提供的安裝結(jié)構(gòu)可用于使SiC器件成為超過SiC本身理論上預(yù)言可作為半導(dǎo)體器件的溫度范圍和條件的穩(wěn)定的溫度感測器。圖6中的封裝結(jié)構(gòu)已表明，在大約22℃至1300℃的范圍內(nèi)，它是不受熱震干擾的。圖4的封裝結(jié)構(gòu)已顯示，在溫度大于1150℃的空氣中至少8小時(shí)以及溫度在1300℃至少3小時(shí)可保持其穩(wěn)定性。在溫度高于1150℃的空氣中，AlN模片的機(jī)械性可能從極硬慢慢地變?yōu)橐姿?，但這種改變所需的時(shí)間極長。RBM封裝應(yīng)該可消除在高至1300℃的空氣中模片的機(jī)械性能的退化。
本發(fā)明的新穎性可以概括如下-可運(yùn)行于溫度高達(dá)1400℃的惰性環(huán)境(Ar，N2)中，其運(yùn)行溫度僅受冶金結(jié)的限制。
-在氧化環(huán)境中的最大溫度大約為1350℃。
-在還原性大氣(H2)中的最大持續(xù)運(yùn)行溫度大約為1300℃。
-很高的抗熱震性能。
-受機(jī)械限制的溫度范圍小于-195℃至1400℃。
-SiC、AlN和AlxGa1-xN(x＞0.69)電阻晶片的溫度范圍由小于0℃至大于1300℃。
-W、WC和W2C電阻薄膜的溫度范圍小于195℃至1400℃。這些材料是電阻，它們的阻值是一溫度和應(yīng)變的函數(shù)。因?yàn)樗鼈兊臒崤蛎浵禂?shù)與AlN的緊密相配，它們的阻值(或?qū)щ娦?對溫度的改變可用于測量溫度。
-可用于電子功能和電阻器以外的半導(dǎo)體器件的溫度范圍是SiC＜0℃-1160℃。
AlN＜0℃-1110℃。
AlxGa1-xN(x＞0.69)＜0℃-930℃。
-在靜止空氣中溫度改變的響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)小于0.1秒。
本發(fā)明的應(yīng)用包括溫度感測器、壓力感測器、化學(xué)感測器以及高溫電子電路。下面將先介紹溫度感測器。這類型器件的靈敏度用于測試溫度、電磁輻射能或功率、流動(dòng)速率、槽液位元、濕度以及化學(xué)反應(yīng)。溫度感測器用于電路線性化、與溫度有關(guān)的電阻補(bǔ)償、電壓調(diào)節(jié)以及開關(guān)等。
當(dāng)用于感測溫度時(shí)，提供溫度示數(shù)的器件晶片的阻值由測量一恒定電流偏置下的電壓降或在一恒定電壓偏置下其輸出電流來監(jiān)測。晶片溫度會(huì)被影響，諸如被自其周圍吸收的輻射所影響、被氣體和/或液體中的浸漬所影響以及被與固體表面接觸所影響。吸引輻射并轉(zhuǎn)換成熱可以在任何或所有的混合電路元件中發(fā)生；除了器件晶片以外的任何元件所吸收的輻射必須通過熱傳導(dǎo)傳送到晶片。對于浸漬/接觸感測器，熱必須通過熱傳導(dǎo)從混合電路的表面?zhèn)魉偷骄?。因此，晶片和周圍環(huán)境之間的混合電路元件應(yīng)該具有高熱導(dǎo)性和/或必須很薄。
溫度測量器件包括(1)集成電路，諸如晶體管、輻射熱測定器以及熱電體；(2)高溫計(jì)，它對紅外線、光以及聲波長敏感并將輸入波長通過IC、電阻溫度檢測器或熱電偶轉(zhuǎn)換為光或電子輸出；(3)電阻溫度檢測器，它包括線形金屬，Al2O3以及箔上的薄或厚的薄膜，其中金屬電阻作為溫度函數(shù)的改變在一恒定的電流偏置下產(chǎn)生電壓降變化；(4)熱敏電阻，它包括熱壓和/或燒結(jié)陶瓷(通常是氧化物)，并用嵌藏線來進(jìn)行電接觸。它們的運(yùn)行原理和電阻溫度檢測器是相同的；(5)熱電偶，它包括線形金屬或薄膜，由在兩個(gè)不相同的金屬之間的結(jié)產(chǎn)生取決于溫度的電壓。雖然熱電偶不需要諸如電流至其結(jié)的電輸入，但它們需要一電輸入以保持一基準(zhǔn)結(jié)；(6)諸如金屬線圈和帶的電氣-機(jī)械和容積器件、容量管溫度計(jì)以及球狀溫度計(jì)，其中金屬或液體的膨脹及收縮被利用來測量溫度。
使用本發(fā)明作為溫度感測器來測量電磁輻射時(shí)，輻射輸入能是在它被轉(zhuǎn)換為熱能之后進(jìn)行測量的。輻射能轉(zhuǎn)換成熱能是在材料中完成的，通常是薄或厚的薄膜，它們通過吸引輻射而被加熱。該熱通過熱傳導(dǎo)被傳送到溫度檢測器。該類型的輻射檢測器被用于檢測、定標(biāo)以及控制以下的輸出(1)用于工業(yè)和醫(yī)療業(yè)的雷射器；(2)用于諸如半導(dǎo)體照相制版平版印刷術(shù)的曝光測量的紫外線(UV)源；以及(3)用于爐加熱的紅外(IR)燈。高溫計(jì)應(yīng)用同樣的原理來讀出作為溫度的輸入輻射。接觸溫度感測器最通常是用于雷射器和UV能中，功率和曝光檢測器為熱電物質(zhì)和熱電偶堆；ICs、電阻溫度檢測器以及熱敏電阻最通常是被用于高溫計(jì)。
本發(fā)明可適用于精密流量監(jiān)測和氣體控制，在質(zhì)量流量控制器中把它用作溫度感測器(通常為電阻溫度檢測器)。在這些器件中，總氣體流量的部分被傳送到主流量通路周圍，轉(zhuǎn)向的氣體當(dāng)通過此轉(zhuǎn)向通路時(shí)被加熱。每一氣體在恒定電壓下具有已知的以及獨(dú)特的熱值。因此，沿轉(zhuǎn)向流量通路以串聯(lián)形式配置的多個(gè)溫度感測器之間所測得的溫度差可被用于測量和控制通過該器件的氣體流率。諸種應(yīng)用包括諸如需要精確流率控制的半導(dǎo)體IC晶片的制造過程。
諸如電阻溫度檢測器、熱敏電阻以及熱電偶的溫度感測器也可以通過暴露于主氣體和液體流而用作為氣體和液體流量感測器。在這種情況中，該感測器被一恒定電流源加熱，并通過感測器電阻(電壓輸出)中的變化來測量流率，在此流率中，自感測器移除的熱與液體流率成比例。諸種應(yīng)用包括石油、氣體和化學(xué)輸送管，煉油，高度計(jì)以及流速計(jì)。
當(dāng)用于測量槽液位時(shí)，用本發(fā)明的溫度感測器的操作原理與上述流量感測器所作的描述相似。此時(shí)，周圍環(huán)境的熱值取決于氣體或液體感測器的環(huán)境以及媒質(zhì)的密度。本發(fā)明的溫度感測器設(shè)置在槽中已知的液位處，并示出該槽的液位是否低于或高于感測器的位置。熱敏電阻最常用于這種應(yīng)用，它包括很多諸如用于儲(chǔ)存燃料、冷卻液、制動(dòng)液、液壓體或傳動(dòng)液的小槽。
當(dāng)本發(fā)明用于一濕度感測器時(shí)，其操作原理與感測流率和槽液位相同。在濕度感測器的情況中，大氣中的水容量影響大氣去除自加熱的感測器上的熱的能力，所述感測器通常為電阻溫度檢測器或熱敏電阻。
對于化學(xué)反應(yīng)的檢測，接觸或可浸于液中的溫度感測器測定化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時(shí)的溫度，該反應(yīng)導(dǎo)致媒質(zhì)的溫度升高或降低。該感測器必須不參與反應(yīng)或因反應(yīng)而損壞(至少直到測量完成)。本發(fā)明在此的應(yīng)用范圍包括化學(xué)、醫(yī)藥、化妝品、塑膠和橡膠聚合物、金屬以及合金的制造和研究以及發(fā)展。
在電子領(lǐng)域內(nèi)，本發(fā)明的阻值和溫度的相關(guān)性可應(yīng)用于很多方面，包括自動(dòng)回復(fù)式保險(xiǎn)絲、電壓調(diào)整、橋式電路和開關(guān)。作為自動(dòng)回復(fù)式保險(xiǎn)絲，正溫度系數(shù)熱敏電阻被用于保護(hù)電子電路突然的電流聚增。因通過熱敏電阻的電流聚增會(huì)導(dǎo)致其電阻值在一小的溫度范圍指數(shù)式增加幾個(gè)數(shù)量級，有效地關(guān)掉電路的電源。對于電壓調(diào)整，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻被用于限制和控制電源電子電路兩端的電壓降并保護(hù)電池充電期間的電子電路。因?yàn)樵黾拥碾娏鳌妷憾鴮?dǎo)致的溫度增加，導(dǎo)致熱敏電阻的阻值在一小的溫度范圍指數(shù)式降低，有效地退出所有的并聯(lián)電路。另一重要的應(yīng)用是延遲和平滑輸入的電路功率來作為輸入或接通時(shí)浪涌的保護(hù)，其中一負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻最初作為一漏泄開路，然后由電流加溫。這導(dǎo)致其電阻值指數(shù)式減小直至它變得比電路的阻值小為止。
當(dāng)本發(fā)明用于一橋式電路中時(shí)，正和負(fù)的溫度系數(shù)熱敏電阻以這樣一種方式配置允許它們的組合電阻～溫度特性以在一給定溫度范圍維持恒定電路電阻。這對于恒定電流源和恒定電壓電源是非常重要的。應(yīng)用本發(fā)明的開關(guān)可用于那些目前使用硅ICs、電阻溫度檢測器、熱敏電阻、熱電偶以及電氣機(jī)械和容積器件作為一參數(shù)的函數(shù)(諸如在加熱、通風(fēng)以及空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的溫度)來實(shí)施接通或關(guān)閉電路的開關(guān)。
圖20所示為用于一操作系統(tǒng)28的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，若干實(shí)例是一如上所述溫度測量、電磁輻射檢測、流率感測、槽液位、濕度或化學(xué)反應(yīng)檢測、或應(yīng)用于電子電路的一溫度感測器，以及下面將要描述的壓力感測器、化學(xué)感測器以及高溫電子電路。該新結(jié)構(gòu)30提供一輸入至一處理電路32，該處理電路處理輸入資訊以提供一輸出34，該輸出或指示一被感測的參數(shù)諸如溫度、電磁輻射、存在或缺乏某一具體材料等，或者驅(qū)動(dòng)一所需的回應(yīng)，諸如開或關(guān)一開關(guān)2，以驅(qū)動(dòng)報(bào)警器等。
圖21為應(yīng)用本發(fā)明的一基本溫度感測器的電路簡圖。該電路可適用于當(dāng)電路電阻比感測器電阻小很多的情況。它可應(yīng)用于阻值至少是電路電阻值4倍的近指數(shù)NTCR和近線性PTCR溫度感測器。一按照本發(fā)明的熱敏電阻220被連接作為一惠斯登電橋電路221的一電橋臂，該惠斯登電橋電路具有一接在電橋兩端的電池組222以及一與電池串聯(lián)的電池組控制可變電阻器223。一電流感測器224，跨接于未與電池連接的電橋終端，提供一按照熱敏電阻220的阻值改變的示值讀數(shù)，因此也就是隨環(huán)境溫度改變的讀數(shù)。
此基本電路可以有許多變型，例如提供一開關(guān)網(wǎng)路以允許在不同位置的熱敏電阻被接通進(jìn)入電橋，在電橋中連接兩熱敏電阻來測量溫差，或?qū)⒁唤?jīng)溫度標(biāo)定的可變電阻插入電橋中作為一第五電橋臂，使電橋不平衡直到達(dá)到一所需的溫度為止，因而提供一溫度控制電路。如果感測器電阻可與電路電阻相比，例如在鉑電阻溫度檢測器的情況下，可加入電路使電路電阻等于零。所有這些溫度感測器技術(shù)在本領(lǐng)域中都是公知的。
圖22(a)和22(b)所示為一采用本發(fā)明的壓力感測器。圖中示出一用在高溫和腐蝕性環(huán)境中的隔膜式壓力感測器。其應(yīng)用包括宇宙航行、廢物管理、發(fā)電以及油井探測。
該壓力感測器的物理結(jié)構(gòu)如圖22(a)所示。一薄的AlN模片230的兩端被固定，其相對面彼此環(huán)境隔離。一壓電SiC、AlN或AlxGa1-xN(x＞0.69)晶片231通過一RBM封裝232(圖中是透明的，為了能看見內(nèi)部的元件)直接保持在模片230薄的中部位置上，導(dǎo)線233通過RBM固定在晶片的相對兩端。模片兩端的壓力差導(dǎo)致其薄的部分彎曲，由此施加應(yīng)變在晶片上而改變其電阻值。該晶片也可通過其兩端的導(dǎo)電安裝層保持在模片上，最好還有一封裝RBM，然而缺乏與模片的全表面接觸會(huì)使晶片對模片的彎曲的回應(yīng)較差。一W、WC和/或W2C薄膜片也可以直接沉積在模片上以取代晶片。
圖22(b)是一通常的壓力感應(yīng)電路的電路簡圖，其中可以應(yīng)用圖22(a)的結(jié)構(gòu)。由設(shè)置在同一隔膜上不同位置的四個(gè)壓電晶片231組成的四個(gè)應(yīng)變規(guī)234連接成一全橋電路，DC輸入接在諸輸入端235上，而從電橋諸輸出端236取得輸出。或者，可以使用兩個(gè)應(yīng)變規(guī)，用一對固定的電阻器完成電橋結(jié)構(gòu)。
當(dāng)用作一化學(xué)感測器時(shí)，本發(fā)明的溫度感測元件對某些化合物的反應(yīng)可以用于監(jiān)測它們在環(huán)境中的濃度。可能的許多實(shí)例之一如SiC金屬一氧化物半導(dǎo)體場效電晶體(MOSFET)，作為這里所述結(jié)構(gòu)的一部分，其中MOS柵極的工作函數(shù)由一具體的化學(xué)組分通過反應(yīng)或擴(kuò)散的相互作而被調(diào)制。另一實(shí)例是一不帶柵電極的橫向MESFET，用作一限流器表面的工作函數(shù)從而其通道導(dǎo)通性通過與環(huán)境中一具體的化學(xué)組分凝聚或反應(yīng)而被調(diào)制。
圖23所示為一基本肖特基金屬柵極場效應(yīng)電晶體MESFET。它利用了圖2所述的電阻器結(jié)構(gòu)，帶有作為連接源極和漏極的安裝件8a和8b。一相同于安裝件8a和8b的中間柵安裝件8c與置于源極4a和漏極4b之間并與該源極和漏極同類型的柵極4c接觸。一柵極墊片10c被從位于晶片2的一側(cè)與源極墊片10a和漏極墊片10b相對的柵極安裝件8c處引出，以確保柵極、源極和漏極墊片彼此全部隔絕。
MESFET或MOSFET放大電路的基本組分是一MESFET或MOSFET以及一電阻。FETs和諸電阻最好以倒裝晶片安裝法置于模片的電路上，以使FETs和諸電阻的源極和漏極能夠偏置并與外部電子線路形成完全的電流環(huán)路。諸FET柵極被連接得使它們可被單獨(dú)偏置。
應(yīng)用本發(fā)明可達(dá)500℃的高溫電子線路包括應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)、液壓、宇航、高性能飛機(jī)以及遙控?zé)o人駕駛飛機(jī)的感測器和控制。在此揭示中所描述的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)單一的器件晶片、一組器件晶片組和/或ICs。它們可以為此目的相互連接和/或與外界連接。
雖然以上對本發(fā)明的一些實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，還是可以作出種種變化或者改型的。這樣一些變化或改型的實(shí)施例也在本發(fā)明的預(yù)期之中，并且都能在如所附權(quán)利要求書所述的在本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)和范圍之內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種高溫電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，該高溫電路結(jié)構(gòu)包括一陶瓷模片(6)，一在所述模片上的導(dǎo)電安裝層(8)，以及一在所述安裝層上的電路器件(2)，該電路器件包含SiC、AlN和/或AlxGa1-xN(x＞0.69)，所述安裝層使所述器件黏附在所述模片上并且其溫度膨脹系數(shù)(TCE)在所述模片和器件的1.00±.06之內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述陶瓷模片包含AlN，所述安裝層包含W、WC和/或W2C。
3.如權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述安裝層包括一黏附在所述模片上的W、WC和/或W2C黏合層(12)，以及一黏附在所述黏合層上并與所述器件上的電極結(jié)合的金屬化層(14)，所述金屬化層的熱膨脹系數(shù)在有關(guān)溫度范圍內(nèi)不超過所述黏合層的熱膨脹系數(shù)大約3.5倍。
4.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述安裝層包括一不連續(xù)層，該不連續(xù)層具有多個(gè)相互隔開的安裝件(8a，8b)，諸安裝件分別與所述器件的相互隔開的部分相連接。
5.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)還包括通過所述安裝層與所述器件電氣連接的導(dǎo)電導(dǎo)線(16)，以及封裝所述器件、安裝層以及所述導(dǎo)線一部分的硼硅酸鹽化合物封裝(18)。
6.一種溫度感測系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括操作系統(tǒng)(28)，該操作系統(tǒng)依賴于一溫度感測能力，以及溫度感測結(jié)構(gòu)(30)，該溫度感測結(jié)構(gòu)與所述操作系統(tǒng)相連接以提供所述的溫度感測能力，所述溫度感測結(jié)構(gòu)包括模片(6)，在所述模片上的導(dǎo)電安裝層(8)，以及在所述安裝層上的一溫度感測器件(2)，該溫度感測裝置包含SiC、AlN和/或AlxGa1-xN(x＞0.69)，所述安裝層使所述器件黏附在所述模片上并且其溫度膨脹系數(shù)(TCE)在所述模片和器件的TCE的1.00±.06之內(nèi)。
7.一種化學(xué)感測器，其特征在于，該化學(xué)感測器包括高溫結(jié)構(gòu)(30)，該高溫結(jié)構(gòu)包括模片(6)，在所述模片上的導(dǎo)電安裝層(8)，在所述安裝層上的化學(xué)感測裝置(2)，該化學(xué)感測器件包含SiC、AlN和/或AlxGa1-xN(x＞0.69)，所述安裝層使所述器件黏附在所述模片上并具有在所述模片和器件TCE的1.00±.06之內(nèi)的溫度膨脹系數(shù)(TCE)，以及運(yùn)行系統(tǒng)(28)，該運(yùn)行系統(tǒng)依賴于一化學(xué)感測能力，所述高溫結(jié)構(gòu)與所述運(yùn)行系統(tǒng)連接以提供所述能力。
8.一種與溫度相關(guān)的器件，其特征在于，該溫度相關(guān)器件包括運(yùn)行系統(tǒng)(28)，該運(yùn)行系統(tǒng)依賴于一基本上線性正電阻溫度系數(shù)(TCR)，以及摻雜的SiC電阻(2)，該電阻與所述運(yùn)行系統(tǒng)連接以提供所述基本上線性正TCR。
9.一種電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，該電路結(jié)構(gòu)包括AlN模片(230)，以及固定在所述模片上的壓電層(231)，該壓電層包含SiC、AlN和/或AlxGa1-xN(x＞0.69)。
10.一種電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，該電路結(jié)構(gòu)包括AlN模片(6)，以及在所述模片上的W、WC和/或W2C層(8)。
全文摘要
一種高溫混合電路結(jié)構(gòu)，其中包括一通過電極(4a，4b)與一導(dǎo)電安裝層(8)連接的溫度感測器件(2)，該溫度敏感器件包含SiC、AlN和/或Al
文檔編號H01C7/02GK1471632SQ01817768
公開日2004年1月28日 申請日期2001年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月24日
發(fā)明者J·D·帕森斯, J D 帕森斯 申請人:希脫魯尼克斯