用于检测在半导体加工系统中的氟或卤素物质的涂镍自立式碳化硅结构及其制造和应用方法

专利名称：用于检测在半导体加工系统中的氟或卤素物质的涂镍自立式碳化硅结构及其制造和应用方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于检测氟或卤素物质的装置和方法，其具有用于监控在半导体加工操作中的含氟化合物和离子物质的效用。
背景技术：
在半导体装置的制造中，硅(Si)和二氧化硅(SiO2)的沉积以及后续的蚀刻是关键操作步骤，其在目前包括8-10个步骤或大约全部制造工艺的25％。每个沉积工具和蚀刻工具必须经受周期性的清洗过程，有时频繁到每次运转，以便确保均匀和一致的膜性能。
目前，在蚀刻操作中，当经过规定的时间量就到达蚀刻终点。在整个蚀刻中，其中在清洗蚀刻完成后，蚀刻气体连续流入反应器室是普遍的，并且导致更长的加工周期、减少的工具寿命、以及不必要的全球变暖气体排放到大气中(Anderson，B.；Behnke，J.；Berman，M.；Kobeissi，H.；Huling，B.；Langan，J.；Lynn，S-Y.，Semiconductor International，October(1993))。
类似的问题也存在于氮化硅、氧化钽(Ta2O5)、或者基于硅的低介电常数材料(例如，掺杂C和/或F的SiO2)。
各种分析技术(如FTIR、光发射光谱、以及离子化质谱)能够用于监控蚀刻过程。然而，这些技术比较昂贵，由于其复杂性经常需要专业的操作员。
因此，通过减少并优化清洗和蚀刻时间，从而减少化学品的使用、延长设备使用寿命、以及降低设备故障时间，来提供可靠、低成本的气体检测(gas sensing)能力，这在本领域是一个显著的进步，其用来改善用于沉积和蚀刻包括硅、氮化硅以及二氧化硅的含硅材料的设备的生产能力和化学效力。
在2002年10月17日提交的标题为“用于在半导体加工系统中检测氟物质的设备和方法”的美国专利申请第10/273,036号披露了用于检测固态氟或卤素物质的设备和方法，其利用交织在金属封装柱(metal packaging post)或KF法兰上的Vespel聚酰亚胺块周围的氟或卤素反应性金属丝。使用基于这种金属丝的传感器检测氟物质依赖于监控由它们与含氟化合物的反应所产生的金属丝电阻变化。为了确保基于这种金属丝的传感器的可接受的灵敏度和信噪比，通过使用金属封装柱或Vespel聚酰亚胺块对金属丝的尺寸和位置加以控制和优化，从而使这种金属丝的绝对电阻适于终点检测。
但是，当与金属丝传感器联用时，Vespel结构和/或金属封装柱会形成减少传感器元件信号强度的热沉(heat sink)。另外，制造包括金属丝、金属柱和/或KF法兰上的Vespel块的三维传感器组件劳动强度相对较大。
因此，提供包括特征为相对高电阻、高信号强度、以及低热损失的自立式电阻传感器元件的微机械加工的检测装置(micromachined sensing device)，则在本领域将是显著的进步。
本发明的另一个目的是提供适于自动化和规模化生产的微机械加工的检测装置。
根据下文的披露内容和所附的权利要求书，其它目的和优点将更充分地明显。

发明内容
本发明总体上涉及一种用于检测(sensing)在易受含氟物质存在的影响的环境(如周围环境)中、来自半导体制造过程中的废气流等中的含氟物质的装置和方法。
在一个方面，本发明涉及气体传感器组件，其包括在基板(substrate)上制造的自立式气敏元件，这样的气敏元件包括传感器材料(sensor material)，其在与目标气体物质接触或者暴露在目标气体物质的浓度起伏时显示出可检测的变化；用于检测在气敏元件中这种变化的部件(means)；以及用于响应性地产生输出信号的部件。
本发明的另一个方面涉及气体传感器组件，配置成监控来自半导体制造厂的流出物或者由该流出物衍生的流体，其中，该流出物或从其衍生的流体易于包括目标气体物质，并且该气体传感器组件包括自立式气敏元件，其包括传感器材料，该传感器材料在与在流出物或从其衍生的流体中的目标气体接触时显示出它的至少一种性质的变化，这样的自立式气敏元件连接至用于监控性质变化并响应性地产生输出信号的部件。
传感器材料可以包括任何对目标气体物质产生可测定的响应的合适材料。优选地，这样的传感器材料包括合适的金属或金属合金，其表明与含氟化合物接触时其至少一种性质的可检测变化，其中含氟化合物包括但不限于NF3、SiF4、C2F6、HF、以及其活化的物质，其通常用于半导体室的清洗。与含氟气体组分接触易于形成各种非挥发性氟化化合物并显示出其电阻的可检测变化的许多过渡金属和贵金属(例如包括但不限于Ni、Cu、Ti、V、Cr、Mn、Nb、Mo、Ru、Pd、Ag、Ir、Al、以及Pt)可用于本发明的实施。镍或镍合金尤其优选作为氟或卤素传感器材料，这归因于其高电阻率、小热容、小密度、以及高的电阻率温度系数，这使得与氟或卤素物质接触时的信号强度/响应时间的比率最大化。
本发明的传感器材料可以以自立式形式提供，即，其部分，优选至少其物理外延的大部分在结构上无支撑。
可替换地，这种传感器材料由自立式支撑结构支撑，该支撑结构的特征为高电阻、低热质量(thermal mass)、以及对腐蚀性含氟化合物的高耐受性。这种支撑结构可以用碳化硅制成，其表现出优异的电、机械、以及化学性能，这些性能包括但不限于在苛刻环境中的高耐腐蚀性、以及通过微制造技术以适于形成微电子机械(MEM)结构的薄膜形式的可制造性。这样的支撑结构还可以使用耐蚀刻聚合物加以制造。
在本发明优选的具体实施方式
中，气体传感器组件包括在其上涂布有镍或镍合金层的自立式碳化硅支撑结构，其中镍或镍合金涂层与含氟化合物是易反应的，并且其在与该化合物接触时产生可检测的电阻变化，并且其中碳化硅支撑结构的特征为低热质量、高电阻率、以及高的耐氟性。
本发明又一方面涉及一种监控在其中存在目标气体物质的流体场所的方法，所述方法包括将在所述流体场所的流体暴露给自立式气敏元件，该气敏元件包括传感器材料并且其在与目标气体物质接触时显示出至少一种性质的变化；监控气敏元件在上述步骤(a)过程中的所述至少一种性质；以及当气敏元件显示出气敏元件的所述至少一种性质的变化时，响应性地产生输出信号，表明在流体场所存在目标气体物质或者在流体场所的目标气体物质的浓度变化。
在另一方面，本发明涉及气体传感器组件的制造方法，包括以下步骤提供基板件；将第一模塑材料层沉积在基板件上；将第二模塑材料层沉积在第一模塑材料层上；
将该第二模塑材料层图样化，以提供限定预定支撑结构的凹槽；将支撑材料层沉积在所述第一模塑材料层上的凹槽中；选择性地除去第二模塑材料层，以在第一模塑材料层的上面形成突出的支撑结构；将传感器材料沉积在突出的支撑结构上；以及选择性地除去第一模塑材料层，以便露出(release)突出的支撑结构，从而形成自立式气敏元件，该气敏元件包括在其上涂有传感器材料的露出的支撑结构。
本发明有利地采用微成型(micro-molding)技术，以形成具有光滑垂直侧壁和无缝场区(featureless field area)的平面化结构层。将之后能够通过液相或气相蚀刻或者其它去除方法除去的牺牲模塑材料加以沉积并图样化，以便形成具有用于限定预定结构的凹槽的模，在凹槽中填充结构或支撑材料，接着通过除去牺牲模塑材料以便露出由结构材料形成的预定结构。用于实施本发明的合适牺牲模塑材料包括但不限于在O2存在下通过灰化可除去的聚合物，或者通过含氟等离子体蚀刻、或通过合适的化学溶液或溶剂溶解介质可除去的诸如SiO2的材料。
具体地，如上文所述的第一和第二模塑材料可以相同或不相同。优选地，第一和第二模塑材料特征为具有不同的可去除性，从而可以在不同的条件下除去。更优选地，结构或支撑材料包括对含氟等离子体具有耐受性的碳化硅，而第一模塑材料包括二氧化硅，其能够通过含氟等离子体除去，以及第二模塑材料包括多晶硅，其易于通过各种化学蚀刻剂，如对二氧化硅没有明显作用的氢氧化钾、乙二胺和邻苯二酚(EDP)加以除去。
因此，在本发明最优选的具体实施方式
中，支撑材料包括碳化硅；第一模塑材料包括二氧化硅；第二模塑材料包括多晶硅；以及传感器材料包括镍或镍合金。
本发明的又一方面涉及气体传感器组件，其包括自立式金属传感器元件，配置成用于元件的选择性电阻加热并且在与气体环境中的氟或卤素物质接触时显示出元件的至少一种特性的变化；以及信号发生器，其操作性地偶联至敏感元件(sensing element)，以便当被监控的气体接触敏感元件并且被监控的气体含有氟或卤素物质时，输出信号来指示在被监控的气体中存在这样的氟或卤素物质。
本发明的又一方面涉及自立式气敏元件，其包括涂有传感器材料层的露出的支撑结构，其中传感器材料对氟或卤素物质的存在或者这样的氟或卤素物质的浓度起伏产生响应。优选地，露出的支撑结构包括碳化硅，而传感器材料包括镍或镍合金。
在另一方面，本发明涉及包括微热板结构的气体传感器组件，其中微热板包括如上文所述的自立式气敏元件，用于自立式气敏元件的精确温度控制。
本发明的另一方面涉及包括自立式气敏元件的气体传感器组件，将所述自立式气敏元件配置为与其中易于存在一种或多种目标气体物质或者目标气体物质浓度变化的气体环境相接触，其中所述自立式气敏元件包括涂有传感器材料层的露出的支撑结构，暴露于目标物质时显示出指示所述气体环境中的目标气体的存在或浓度变化的响应，其中所述气体传感器组件进一步包括空间分离的直立接触部(spaced-apart upstanding contact)，用于支撑自立式气敏元件。
在又一方面，本发明涉及气体传感器组件，其在基板件上形成，并且将其配置为与其中易于存在一种或多种目标气体物质的存在或者目标气体物质浓度易于变化的气体环境相接触，所述气体传感器组件包括自立式气敏元件，其包括涂有传感器材料层的露出的支撑结构，其暴露于目标物质时显示出指示在所述气体环境中的目标气体的存在或浓度变化的响应，其中所述气体传感器组件进一步包括隔离层，其包括对目标气体物质具有耐受性的材料，用于保护其下面的基板件。
在又一方面，本发明涉及气体传感器组件，其在基板件上形成，并且将其配置为与其中易于存在一种或多种目标气体物质或者目标气体物质浓度易于变化的气体环境相接触，所述气体传感器组件包括自立式气敏元件，其包括涂有传感器材料层的露出的支撑结构，其暴露于目标物质时显示响应来指示在所述气体环境中的目标气体的存在或浓度变化，其中所述气体传感器组件进一步包括接触/隔离元件，其具有在隔离层上面形成的空间分离的直立接触部(或接触部)，所述空间分离的直立接触部支撑自立式气敏元件，并且所述隔离层包括对目标气体物质具有耐受性的材料，用于保护其下面的基板件。
在又一方面中，本发明涉及气体传感器组件的制造方法，将该气体传感器组件配置为与其中易于存在一种或多种目标气体物质或者目标气体物质浓度易于变化的气体环境相接触，所述方法包括以下步骤提供基板件；将第一模塑材料层沉积在基板件上；将所述第一模塑材料层图样化，以便形成限定预定隔离结构的至少一个隔离凹槽；将对目标气体物质有耐受性的隔离材料沉积在所述隔离凹槽中，并位于基板件上；
将第二模塑材料层沉积在第一模塑材料层和隔离材料层上；将第二模塑材料层图样化，以便在隔离材料层上提供限定一个或多个预定空间分离的接触部的接触凹槽；将接触部形成材料层沉积在所述接触凹槽中，并位于该隔离材料层上；将第三模塑材料层沉积在第二模塑材料层和接触部形成材料层上；将该第三模塑材料层图样化，以便提供用于限定预定支撑结构的支撑凹槽，其中预定支撑结构位于该接触部形成材料层和第二模塑材料层上；将支撑材料层沉积在该支撑凹槽中，并位于该接触部形成材料层和第二模塑材料层上；将第三模塑材料选择性除去，以便形成位于该接触部形成材料层和第二模塑材料层上的突出的支撑结构；将传感器材料层沉积在突出的支撑结构上；以及将第一和第二模塑材料选择性地除去，从而形成自立式气敏元件，其包括涂有传感器材料的露出的支撑结构；以及接触/隔离元件，其包括在隔离层上面形成的空间分离的直立接触部，其中，所述自立式气敏元件由接触/隔离元件的所述空间分离的直立接触部支撑，并且其中，接触/隔离元件的隔离层位于在其下的基板件上并保护该基板件。
本文中所用的术语“含氟物质”旨在广义解释为包括所有含氟的材料(物质)，包括但不限于气体氟化合物、原子和双原子(F2)形式的氟本身、氟离子、以及含氟的离子物质。例如，含氟物质可以例如包括如NF3、SiF4、C2F6、HF、F2、COF2、ClF3、IF3等，及其活化的含氟物质(总体表示为F)，包括离子化片段、等离子体形式等。
根据下面的披露内容和所附的权利要求书，本发明的其它方面、特点和具体实施方式
将更加充分地显而易见。


图1示例性示出了具有第一牺牲模层和沉积在其上的隔离材料层的硅基板的剖视图。
图2示例性示出了图1的结构的剖视图，不同的是将隔离材料层平面化以便与第一牺牲模层共面。
图2A示出了图2的结构的顶视图。
图3示例性示出了图2的结构的剖视图，其中进一步具有在其上形成的第二牺牲模层。
图4示例性示出了图3的结构的剖视图，其中进一步具有在其上沉积的接触部形成材料层。
图5示例性示出了图4的结构的剖视图，不同的是将接触部形成材料层平面化以便与第二牺牲模层共面。
图5A示出图5的结构的顶视图。
图6示例性示出了图5的结构的剖视图，其中进一步具有在其上形成的第三牺牲模层。
图7示例性示出了图6的结构的剖视图，其中进一步具有在其上沉积的支撑材料层。
图8示例性示出了图7的结构的剖视图，不同的是将支撑材料层平面化以便与第三牺牲模层共面。
图8A示出图8的结构的顶视图。
图9示例性示出了图8的结构的剖视图，不同的是将第三牺牲模层选择性地除去，并且将传感器材料层沉积在其上。
图9A示出了图9的结构的顶视图。
图10示例性示出了图9的结构的剖视图，不同的是将第一和第二牺牲模层选择性的除去，形成根据本发明的一个具体实施方式
的自立式气敏元件和接触/隔离元件。
图10A示出了图10的结构的顶视图。
图11是根据本发明的一个具体实施例的气体传感器组件的透视图，该组件包括由接触/隔离元件支撑的自立式气敏元件。
具体实施例方式
将于2002年10月17日提交的标题为“用于在半导体加工系统中检测氟物质的设备和方法”的美国专利申请第10/273,036号和2001年7月24日公开的标题为“微机械加工的薄膜氢气体传感器及其制造和使用方法(MICRO-MACHINED THIN FILMHYDROGEN GAS SENSOR，AND METHOD OF MAKING ANDUSING THE SAME)”的美国专利第6,265,222号的全部披露内容结合于此作为参考。
尽管在下文特别针对在半导体工艺控制中的应用对本发明进行了更全面的描述，但应当理解，本发明的应用并不限于此，而是扩展到广泛的各种其它使用或应用，包括但不限于在生命安全系统中的应用、室内或周围环境监控作业、以及其它工业和消费市场气体检测的应用。
本发明一方面提供了基于微电子机械系统(MEMS)的气敏(气体检测)能力，用于确定半导体室清洗工艺的终点。
传统的MEMS设计(用于其它更友好的气体环境)需要在基于硅的装置结构上沉积敏感金属层(sensing metal layer)，然后将装置粘接并封装到芯片载体上。这种目前的制造方法需要多步工艺，涉及相应的多部件产品传感器组件，其中每个部件都要经受高度含氟气体的侵蚀。尽管通过研制合适的包封结构也许有可能保护每个相应的部件，但是这种权宜之计会进一步增加产品气体传感器装置的制造复杂性、生产时间以及成本。
本发明以能够使用基于MEMS的传感器装置的方式克服了这些障碍，该传感器装置容易并且廉价地制造，并且在半导体室清洗工艺的苛刻化学环境中以有效、耐用和可靠的方式，易于实现对半导体室清洗工艺中的含氟气体的监控。
作为本领域中的突破，本发明的含氟气体传感器装置(如下文更全面描述)具有多个区别它的有利特征。一个这样的特征是在装置中使用高性能氟反应金属敏感元件，如镍或者镍合金，其特征为高电阻、低热质量、小密度、以及高的电阻率温度系数，这尤其适用于基于电阻的气体检测。第二个特征涉及金属元件的应用，该金属元件同时作为敏感材料和热源(例如，通过其阻抗、传导、或者它们的其它加热)用于气体检测操作，例如希望根据周围情况改变检测温度，或者与其流出物包括待监测目标气体物质的半导体室的温度相匹配。第三个这样的特征涉及碳化硅(SiC)与SiO2/多晶硅牺牲材料的结合使用，用于形成自立式碳化硅支撑结构，这消除了与金属敏感元件相关的热沉的形成，因此将其引起的热损失最小化。第四个特征涉及用于制造平面化结构层的微成型技术的应用，这使得本发明的气敏装置能够自动化、规模化生产，并且提供整个产品质量控制的高精度。如上所述的这些特性彼此独立，并且能够单独或共同地加以组合。基板和/或支撑材料可替换地由耐蚀刻聚合材料制造。
本发明的氟或卤素物质传感器装置可以包括单个敏感元件，其为下文所述的多个适宜形式中的任何一种形式。
可替换地，氟或卤素物质传感器装置可包括多个这样的敏感元件，其中多个元件提供冗余或备份检测能力，或者其中将多个敏感元件中的不同元件配置成用于检测待监控的流或气体体积中的不同氟或卤素物质，或者其中将在阵列中的敏感元件的不同元件以不同模式或相关模式进行操作，如用于算法操作(例如相减地)的相应信号的产生，以便产生净指示信号(net indicating signal)，或者可替换地、附加地产生复合指示信号(composite indicating signal)，或者以其中有效地采用多个传感器元件的任何其它合适方式，以监控在感兴趣的流或流体体积中的物质流动，用于产生监控或控制目的的相关信号。
众所周知，氟与大多数金属反应，产生具有高的(有时)混合氧化态的化合物(Inorganic Solid Fluorides，Chemistry and Physics.Academic Press，1985，Ed P.Hagenmuller)。许多过渡金属和贵金属(包括例如但不限于Ti，V，Cr，Mn，Nb，Mo，Ru，Pd，Ag，Ir，Ni，Al，Cu以及Pt)与氟气体组分接触容易形成各种非挥发性氟化物。本发明的气敏装置和方法使用这些金属的自立形式，以便检测在待监控气体中含氟物质的存在。
通过涉及将构造的候选气敏元件材料暴露给含氟或卤素物质的环境的简单实验，可以容易地确定用于本发明所给定的最终使用的应用的构造用特定气敏元件材料的选择，以及确定候选材料在这样的暴露中的适用性，例如耐腐蚀或耐蚀刻性。
镍或者镍合金(如蒙乃尔合金(Monel))是尤其优选作为氟或卤素敏感的材料，这归因于其高耐氟性、高电阻、低热质量、小密度以及高的电阻率温度系数。在基于电阻的气敏操作中信号强度/响应时间的比率受传感器材料的材料特性的显著影响，并且已经发现当所设定的传感器形式/尺寸以及仪表因素相同时，在金属传感器元件中，基于镍或镍合金的传感器元件提供最大的信号强度/响应时间比。
感兴趣的氟或卤素物质的检测可以以任何合适的方式实现，例如，通过当自立式金属材料与含氟物质反应时的电阻变化。
在本发明的氟检测器中的金属敏感元件可以以任何多种合适形式提供，并且可以具有特制的结构，如粗糙表面或者诱发的纳米孔结构(induced nanoporosity)。能够通过改变结构的几何形状来设计金属元件的电阻和性能。例如，通过适当地选择在悬空区域之上的膜的宽度、长度以及厚度，能够设计悬空金属薄膜的几何形状。悬空金属丝在其制造之后，能够以任何各种方式(例如，机械、化学、电化学、光学或者用热的方式)将其变细，以便增加金属的绝对电阻，以及增加金属的表面积-体积比，从而增高灵敏度或改善信噪比。另外，可以设计材料的物理性能。例如，通过熔合或者掺杂能够改变组成，例如，通过改变晶粒尺寸、结晶度水平、孔隙率(例如纳米孔隙率)、表面积-体积比等能够改变微结构。
因此，显而易见，在本领域技术人员无需过度实验的范围内，可以对金属敏感元件根据相应的形式、构造、物理性能、化学性能以及形态特征进行所希望的各种配置和改变。
氟化物与金属敏感元件的反应可以是温度敏感的，通过通电能够实现金属的加热。以这种方式，金属敏感元件可以用于气敏操作(operation)中，同时作为加热结构。
为了提高本发明的气体传感器的灵敏度和信噪比，将氟或卤素敏感(sensitive)金属薄膜沉积在特征为高电阻和低热质量的自立式碳化硅支撑结构上。这种SiC支撑结构的高电阻进一步提高了传感器的灵敏度和信号强度；SiC的低热质量使来自支撑结构的潜在热损失最小化；以及这种其自身自立的SiC支撑结构将金属敏感膜与基板有效地隔离，并提高了信噪比。
这样的自立式碳化硅支撑结构可以通过以下步骤制造(1)在基板上提供其中具有凹槽的牺牲模，该凹槽限定预定的支撑结构，(2)将SiC膜沉积到这样的牺牲模的凹槽中，以及(3)选择地去掉牺牲模，以形成自立式SiC支撑结构，其通过最初由这种牺牲模所占据的空气间隙或真空区与基板分开。
通过沉积牺牲材料层，然后将这样的层图样化以形成限定预定的支撑结构的必要凹槽，而可以形成牺牲模。与支撑结构相连的任何可选择地除去的合适材料都可以用作牺牲材料，用于实现本发明。例如，使用含氟化合物如HF将二氧化硅选择地去掉，其与耐含氟化合物的碳化硅支撑结构相连。
在支撑结构形成之后，可以将氟或卤素敏感材料，优选与氟或卤素反应的金属或合金层，涂布在这样的支撑结构上，以便形成对氟或卤素物质的存在产生响应的自立式气敏组件。
可以提供一个或多个空间分离的直立接触部以支撑这样的自立式气敏组件，优选仅在其外围支撑。更优选地，这种空间分离的直立接触部包括高电阻、低热质量、以及对腐蚀性含氟化合物具有高耐性的材料。尤其优选碳化硅用于形成这样的接触部。
当自立式气敏组件在易于受到腐蚀性含氟化合物侵蚀的基板(如硅基板)上形成时，优选提供耐这样的化合物的隔离层，以便位于基板上并保护基板。这样的隔离层可以包括任何耐氟或耐卤素的材料，包括但不限于聚酰亚胺和碳化硅，其中优选碳化硅。
本发明的一个优选具体实施例涉及气体传感器组件，其包括自立式气敏元件、一个或多个空间分离的直立接触部、以及隔离层，同时空间分离的接触部在隔离层上制备，形成完整接触部/隔离元件，用于支撑自立式气敏元件和用于位于在其下的基板件上并保护基板件。
现在参照附图1-10A，其描述根据本发明的一种具体实施方式
制造气敏组件的工艺流程的示意图，该气敏组件包括上文所述的自立式气敏元件以及接触部/隔离元件。
如图1所述，设置了基板件10，第一牺牲模塑材料(优选二氧化硅)层12在其上沉积并图样化，以便在其中形成隔离凹槽。如图2所示，将隔离材料(优选碳化硅)层14沉积在基板件10以及第一牺牲模塑材料12上的这样的隔离凹槽中，然后平面化以暴露第一牺牲模塑材料12。
平面化步骤改善了结构层的平面性，从而有助于实现对后续形成的结构层的几何形状的良好控制。平面化步骤是可选的，并且在良好的自身水平性能由隔离材料证实的情况下，平面化步骤可以省去，并且有可能将隔离材料施加到隔离凹槽中，以便与围绕这些凹槽的第一牺牲模塑材料的邻接面接近水平。
图2A示出了图2的结构的示意性顶视图，其中第一牺牲模塑材料12是可见的，具有其中填充了隔离材料14的方形隔离凹槽(或凹进部)。请注意，根据特定的最终用途和系统需要，本领域的普通技术人员能够容易地改变隔离凹槽的形状和构造，因而并不限于本文提供的示意性实例。
如图3所示，第二牺牲模塑材料(优选二氧化硅)层16进一步沉积在平面化的隔离材料14和第一牺牲模塑材料12上，并加以图样化以提供接触凹槽15，其限定位于平面化的隔离材料14上面的一个或多个空间分离的接触部。
如图4-5所示，然后，将接触部形成材料(优选碳化硅)18沉积到这样的接触凹槽中，并加以平面化以暴露第二牺牲模塑材料16。图5A提供了图5的结构的顶视图，其中第二牺牲模塑材料16是可见的。四个空间分离的方形接触凹槽形成在第二牺牲模塑材料16中，并用接触部形成材料18加以填充。
图6示出了第三牺牲模塑材料(优选多晶硅)层20的沉积和图样化，其包括限定预定的支撑结构的结构凹槽19。具体地，这样的结构凹槽19位于接触部形成材料18和第二牺牲模塑材料16二者的上方，从而如此限定的支撑结构桥接空间分离接触部和第二牺牲模塑材料16。
图7-8示出了在这样的结构凹槽中沉积支撑材料(优选碳化硅)层22，接着加以平面化以暴露第三牺牲模塑材料20。
图8A示出了图8中的结构的顶视图，包括在第三牺牲模塑材料20的结构凹槽中形成的支撑结构22，同时这样的支撑结构22桥接四个空间分离的接触部(在图8A中不可见)和第二牺牲模塑材料16(在图8A中不可见)。
在图9中，将第三牺牲模塑材料20选择性地去掉，从而形成由支撑材料22形成的突出的支撑结构，并暴露第二牺牲模塑材料16，然后将与氟反应的金属或者金属合金(优选含有镍)24沉积在这样的突出支撑结构上。图9A示出了图9的结构的顶视图，其中第二牺牲模塑材料16和与氟反应的金属或者金属合金24是可见的。
最后，将第一和第二牺牲模塑材料12和16选择性地除去，形成自立式气敏元件，其上包括支撑结构22和与氟反应的金属层24，并且接触/隔离元件包括空间分离的接触部18和隔离层14。自立式气敏元件由空间分离接触部18在其外围支撑，同时这种气敏元件的中间主要部分是悬空并隔离的。隔离层14支撑在其上的接触部18，并保护下面的基板件10免受腐蚀性含氟化合物的潜在侵蚀。
图10A示出了图10的结构的顶视图，其中只有自立式气敏元件的金属层24和接触/隔离元件的隔离层14是可见的。
图11是根据本发明的一个具体实施方式
的气体传感器组件的透视图，该组件包括自立式气敏元件35，其包括在其上具有镍涂层38的碳化硅层36。这种气敏元件35在其外围由空间分离的直立接触部34支撑。隔离层32对空间分离的直立接触部34提供支撑，并保护下面的基板30免受苛刻的化学条件，该化学条件是在气敏(气体检测)操作过程中由腐蚀性目标气体物质造成的。
气敏元件35悬空在隔离层32及其下面的基板30的上方，并且仅仅在外围以非常有限的面积接触空间分离的接触部34。因此，气敏元件35的大部分表面积(优选大于80％的表面积，更优选大于95％的表面积)是悬空的，并且由空气空腔将其与基板30隔开。另外，通过采用特征为高电阻和低热质量的材料(例如，碳化硅)来形成空间分离的接触部34，能够将来自气敏元件35的潜在热损失最小化。此外，本发明的气体传感器组件由耐氟材料如碳化硅形成，从而在易于存在含氟化合物的气体环境中特别耐用和稳定。
在本发明的气体传感器中的自立式气敏元件优选具有高的表面积/体积(S/V)特性，以有利于快速响应，以及将对在气体指示整体性能(gas-indicating bulk property)中基本上较低变化的响应加以放大，这种情况在相同传感器材料的低S/V构造中会出现。
因此，考虑到响应速度与易于制造的平衡，自立式气敏元件的关键尺寸，即薄片或膜的厚度尺寸，或者诸如丝、棒、或柱等的外形的直径，期望地小于500微米(μm)，优选小于150μm，更优选小于25μm，更加优选小于10μm，并且最优选在约0.1μm至约5μm的范围内。
也是由于响应度的原因，薄片或者膜，除了具有低的厚度，例如在约0.1μm至约50μm的范围内外，还希望在与薄片或膜的厚度方向垂直的平面内具有小尺寸特征。作为制造复杂性和响应的平衡，在这种平面(x-y平面，其中z轴为厚度方向)中的侧向尺寸包括长度(x方向)和宽度(y方向)，其有利地小于约10cm，优选小于约1mm，并且更优选小于约100μm，例如，在约20μm至约5mm的范围内。通常，传感器线的合适尺寸能够容易地确定，以便为打算的应用提供相应合适的信噪比。
在前面的描述内容中，应该理解，自立式气敏元件可以制造成纳米级元件，虽然其是比上述的毫米/微米级元件更昂贵的气体传感器产品。
在提供多个金属敏感元件结构的情况下，将多个金属结构中的不同元件加以构造并配置用于检测在待监控流体环境中的不同含氟物质，和/或在不同温度下的相同含氟物质，并且可以采用敏感元件的不同几何形状和构造用于冗余和/或确保精确等。可替换地，或额外地，多个敏感元件中的不同元件可以以不同模式，例如，电阻模式、传导模式、脉冲模式、DC模式、AC模式等进行操作。
结合气敏元件的阵列的使用，可使用先进数据处理技术以提高传感器系统的输出。这样的技术的实例包括但不限于使用补偿信号、使用时变信号(time-varying singal)、灯丝电流(heater current)、锁相放大技术、信号平均化、信号时间导数、以及阻抗谱技术。另外，属于化学统计学范畴的先进技术也可以使用。这些技术包括最小二乘拟合、逆最小二乘(inverse least squares)、主成分回归、以及偏最小二乘数据分析法。
例如，与氟化物如SiF4、和/或其它氟或卤素物质相接触时，通过金属敏感元件(作为电路的部件)的电压会下降，表明金属敏感元件电阻升高，从而关联到其与目标氟或卤素物质的接触。这样的电压降能够用来产生用于过程控制目的的信号。电压降能够用来产生驱动自动控制阀的信号，以便在半导体工艺系统中实现工业生产液流的流动启动、流动停止、或者流动转换。可将控制信号可替换地用于制动循环定时器，以便在工艺操作中启动新的步骤，或者用于发出需要或期望维持情况的信号，如在清除(abatement)加工室中洗涤树脂的改换(change-out)的信号。
应当理解，本领域的技术人员无需过度实验，能够以各种方式的任何方式应用金属敏感元件的特性改变，以便实现对有关目标气体(例如，氟或者卤素)物质的检测的工艺控制。
通过进一步的实施例，本发明的传感器组件可以用于相关气体柜(gas cabinet)，其含有氟或卤素物质气体(如全氟代物质，例如用于化学气相沉积操作的全氟代有机金属前体)源，并且气体传感器组件可以用于确定供应容器或者气体柜中的流体线路存在泄漏。然后，氟或卤素物质的传感可以用来驱动大量吹扫气源，以便清扫气体柜的内部体积，并防止氟或卤素物质的浓度达到有毒或其它有害水平。
传感器组件还可以用在监控单元中，用于其中容易进入或产生氟或卤素物质的环境，或者可替换地，传感器组件可以是耐用气体监控单元的组成部分，配置其以便启动警报和/或紧急呼吸气体的自给源，用于有毒材料的清理人员、化学品综合企业的消防人员、HF玻璃蚀刻作业中的工人等。
本发明的气体传感器组件可容易地用于监控产生氟或卤素物质的各种工业加工操作中的氟或卤素物质，该工业加工操作包括半导体制造操作如室内净化，其中氟或卤素物质用于除去二氧化硅、氮化硅、氧化钽、以及低介电常数(k＜3.9)的含硅膜，如碳掺杂的氧化硅等。
关于产生和输出用于监控在由传感器组件监控的流体环境中的一种或多种目标气体物质的多个信号，各种设计可以用于本发明的气敏组件，并且不同尺寸的装置的阵列可以有利地用来使气体传感器组件的效率最大化。
应该认识到，本发明的气敏组件的微热板具体实施方式
可以就所使用的部件敏感膜以及反应/吸附化学物广泛地加以改变，如本领域的技术人员能够为目标气体物质检测的给定的最终应用而确定。适用于本发明实施的类型的微热板检测器可以如以Frank DiMeo，Jr.和Gautam Bahndari的名义在2001年7月24日公开的美国专利第6,265,222号中全面描述的那样加以制造，其全部披露内容结合于此作为参考。
尽管在本文中参照示例性具体实施方式
和特征对本发明进行了各种描述，但应该理解，上文中所描述的具体实施方式
和特征并不是为了限制本发明，并且基于本文的披露内容，其它变化、更改以及其它具体实施方式
将容易从其本身为本领域的普通技术人员提供启示。因此应当根据本文所附的权利要求书对本发明作最宽范围的解释。
权利要求
1.一种气体传感器组件，包括至少一个形成在自立式支撑结构上的金属传感器元件，其中所述金属传感器元件包括在与卤素物质接触时显示出可检测的变化的金属或金属合金，并且其中所述自立式支撑结构包括对所述卤素物质具有耐受性的支撑材料。
2.根据权利要求1所述的气体传感器组件，其中，所述金属传感器元件包括过渡金属或者贵金属。
3.根据权利要求1所述的气体传感器组件，其中，所述金属传感器元件包括Ni或Ni合金。
4.根据权利要求1所述的气体传感器组件，其中，所述自立式支撑结构包括碳化硅。
5.根据权利要求1所述的气体传感器组件，其中，所述自立式支撑结构包括耐蚀刻的聚合物。
6.根据权利要求1所述的气体传感器组件，进一步包括用于监控金属传感器元件中当其与所述卤素物质接触时的变化的部件。
7.根据权利要求1所述的气体传感器组件，其中，所述卤素物质与所述金属传感器元件的接触发生所述卤素物质与所述金属传感器元件的温度敏感反应，并且其中，所述组件被构造并配置为使电流通过所述金属传感器元件，用于加热所述金属传感器元件以促进所述温度敏感反应。
8.根据权利要求1所述的气体传感器组件，包括形成阵列的多个所述金属传感器元件。
9.根据权利要求8所述的气体传感器组件，其中，所述阵列被构造并配置为监控不同的卤素物质，和/或在所述阵列的不同元件中以不同操作模式进行操作。
10.根据权利要求8所述的气体传感器组件，其中，所述阵列被构造并配置为在不同工艺条件下监控相同的卤素物质。
11.一种气体传感器组件，包括涂有镍或镍合金层的自立式碳化硅支撑结构。
12.一种气体传感器组件，包括自立式气敏元件，所述自立式气敏元件被配置用于与其中易于存在一种或多种目标气体物质或者目标气体物质的浓度易于变化的气体环境相接触，其中，所述自立式气敏元件包括涂有气敏材料层的悬空支撑结构，并且其中，暴露于所述目标物质的所述气敏材料显示指示在所述气体环境中的所述目标气体的存在或浓度变化的响应。
13.根据权利要求12所述的气体传感器组件，进一步包括多个用于支撑所述自立式气敏元件的空间分离的接触部。
14.根据权利要求13所述的气体传感器组件，其中，所述空间分离的接触部包括对所述目标气体具有耐受性的材料。
15.根据权利要求14所述的气体传感器组件，其中，所述目标气体包括含卤素的化合物，并且其中所述空间分离的接触部包括碳化硅。
16.根据权利要求13所述的气体传感器组件，其中，所述自立式气敏元件仅由所述空间分离的接触部支撑。
17.根据权利要求12所述的气体传感器组件，进一步包括用于保护其下面的基板件的隔离层。
18.根据权利要求14所述的气体传感器组件，其中，所述隔离层包括对所述目标气体物质具有耐受性的材料。
19.根据权利要求18所述的气体传感器组件，其中，所述目标气体物质包括含氟的化合物，并且其中，所述隔离层包括碳化硅或者耐蚀刻的聚合物。
20.根据权利要求12所述的气体传感器组件，进一步包括一个或多个在隔离层上方制造的空间分离的接触部，其中，所述空间分离的接触部支撑所述自立式气敏元件。
21.根据权利要求20所述的气体传感器组件，其中，所述空间分离的接触部和所述隔离层形成整体的接触/隔离元件，所述接触/隔离元件用于支撑所述自立式气敏元件并将所述自立式气敏元件与下面的基板隔离。
22.一种监控流体场所中目标气体物质的存在的方法，所述方法包括将在所述流体场所的流体暴露给根据权利要求12中所述的气体传感器组件；监控所述气体传感器组件；以及当所述气体传感器组件显示指示在所述流体场所中的所述目标气体物质的存在或浓度变化的响应时，响应性地产生输出信号。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述流体场所包括制造过程的周围气体环境。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，所述流体场所包括在半导体加工厂中的流体流。
25.根据权利要求22所述的方法，其中，所述目标气体物质包括含氟物质，其选自由NF3、SiF4、C2F6、HF、F2、COF2、ClF3、IF3及其活化的含氟物质组成的组。
26.一种制造包括自立式气敏元件的气体传感器组件的方法，包括以下步骤将第一模塑材料层沉积在基体结构上；将第二模塑材料层沉积在所述第一模塑材料层上；将所述第二模塑材料层图样化，以便在其中形成限定预定支撑结构的凹槽；将支撑材料沉积在所述凹槽中；将所述第二模塑材料层选择性地除去，以便形成支撑结构；将气敏材料沉积在所述支撑结构上；以及将所述第一模塑材料层选择性地除掉，以便露出所述支撑结构，从而形成自立式气敏元件，所述自立式气敏元件包括在其上涂有气敏材料层的所述露出的支撑结构。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述第一和第二模塑材料是相同的。
28.根据权利要求26所述的方法，其中，所述第一和第二模塑材料的特征为具有不同的可除去性。
29.根据权利要求26所述的方法，其中，所述支撑材料包括碳化硅，其中所述第一模塑材料包括二氧化硅，并且其中所述第二模塑材料包括多晶硅。
30.根据权利要求26所述的方法，其中，所述气敏材料包括过渡金属或者贵金属。
31.根据权利要求26所述的方法，其中，所述支撑材料包括耐蚀刻的聚合物。
32.根据权利要求26所述的方法，其中，所述气敏材料包括Ni或Ni合金。
33.根据权利要求26所述的方法，其中，所述基体结构包括一个或多个用于支撑所述自立式气敏元件的接触部。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述一个或多个接触部由碳化硅形成。
35.根据权利要求26所述的方法，其中，所述基体结构包括多个用于支撑所述自立式气敏元件的空间分离的接触部。
36.一种制造气体传感器组件的方法，包括以下步骤将第一模塑材料层沉积在基板上；将所述第一模塑材料层图样化，以便形成限定位于所述基板件上的预定支撑结构的至少一个隔离凹槽；将隔离材料沉积在所述隔离凹槽中；将第二模塑材料层沉积在所述第一模塑材料层和所述隔离材料上；将所述第二模塑材料层图样化，以便提供限定位于所述隔离材料层上的一个或多个预定空间分离的接触部的接触凹槽；将接触部形成材料沉积在所述接触凹槽中；将第三模塑材料层沉积在所述第二模塑材料层和所述接触部形成材料上；将所述第三模塑材料层图样化，以便提供限定预定支撑结构的支撑凹槽，所述预定支撑结构位于所述接触部形成材料层和所述第二模塑材料层上；将支撑材料沉积在所述支撑凹槽中；将所述第三模塑材料选择性除去，以便形成突出的支撑结构；将气敏材料沉积在所述突出的支撑结构上，以及将所述第一和第二模塑材料选择性除去，从而形成自立式气敏元件，所述自立式气敏元件包括涂有传感器材料的露出的支撑结构，以及包括在所述隔离层上形成的空间分离的接触部的接触/隔离元件，其中，所述自立式气敏元件由所述接触/隔离元件的所述空间分离的直立接触部支撑，并且其中，所述接触/隔离元件的所述隔离层位于所述基板上并保护所述基板。
37.一种用于形成自立式气敏元件的方法，所述自立式气敏元件包括悬空的支撑结构和在其上形成的气敏层，所述方法包括以下步骤(1)通过使用接下来被除去以使所述支撑结构露出的多个牺牲模塑层，形成所述悬空的支撑结构；以及(2)将所述气敏层沉积在所述悬空的支撑结构上。
38.一种用于形成自立式气敏元件的方法，所述自立式气敏元件包括悬空的碳化硅支撑结构和在其上形成的气敏金属层，所述方法包括以下步骤(1)通过使用接下来被除去以露出所述支撑结构的多个牺牲模层，形成所述悬空的碳化硅支撑结构，其中所述牺牲模塑层包括选自由二氧化硅和多晶硅组成的组的材料；以及(2)将所述气敏金属层沉积在所述悬空的碳化硅支撑结构上。
39.一种用于形成自立式气敏元件的方法，包括以下步骤(1)通过使用多层牺牲模塑层同时形成支撑结构和多个空间分离的接触部，其中所述支撑结构位于所述空间分离的接触部和至少一个牺牲模塑层上；(2)将所述牺牲模塑层选择性地除去，以便露出所述支撑结构，其中所述露出的支撑结构仅由所述空间分离的接触部支撑；以及(3)将气敏层形成在所述露出的支撑结构上。
全文摘要
本发明涉及一种基于MEMS的气体传感器组件，用于检测在含有含氟物质的气体中的含氟物质，例如，经过用HF、NF
文档编号G01N33/00GK1942751SQ200580010956
公开日2007年4月4日 申请日期2005年2月23日 优先权日2004年2月23日
发明者小弗朗克·迪梅奥, 陈世辉, 陈英欣, 杰弗里·W·纽纳, 詹姆斯·韦尔奇 申请人:高级技术材料公司