专利名称：对时变的空间温度分布的主动控制的制作方法
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对时变的空间温度分布的主动控制
背景技术：
微电路越来越多地包括各种不同的技术。例如，正在进行相当多的
研究，这些研究旨在将光子互连(photonic interconnect )用于互补 金属氧化物半导体(CMOS)数字电路以克服基于金属的互连的局限性。 例如，可以在第一晶片(wafer)上制造基于硅的CMOS器件，并且可以 在第二晶片上制造基于磷化铟的光子器件。然后，将第一和第二晶片结 合(bond)在一起以完成该微电路。
组合不同技术的一个重大难点在于热管理问题。例如，CMOS数字电 路可以产生非常大量的热(例如100W/cm2)。尽管CMOS对热较不敏感， 但是需要将热从微电路排出以避免在允许积累过多热的情况下损坏该 器件。通常，除热已经包括使微电路附着到某种类型的散热器。
然而， 一些技术对热非常敏感。例如，比如波导、谐振器、收发机、 晶格等等的光子器件可能对小的温度变化(例如0. 1摄氏度)非常敏感。 当热敏器件被放置得紧密地接近于生热(heat-producing)器件时，可 能损害该热敏器件的性能。遗憾的是，希望生产高度集成的组合不同器 件类型的微电路，并且因此并不总是能够提供热敏器件与生热器件之间 的分离。尽管散热器可有助于从微电路中排出热，但是生热速率的任何 变化都可能导致微电路的温度变化，进而影响该微电路内的器件的操 作。
结合附图，根椐以下详细说明，本发明的特征和优点将显而易见， 其中所述附图以举例的形式共同图解说明了本发明的特征，并且其中
图1是根椐本发明实施例的具有主动(active)温度控制的微电路 的侧视解说明；
图2是根据本发明另一实施例的具有主动温度控制的微电路的侧视 解说明；
图3是根椐本发明另一实施例的具有主动温度控制的微电路的侧视 解说明；图4是根据本发明另一实施例的具有主动温度控制的微电路的側视 解说明；
图5 (a)是根据本发明另一实施例的具有主动温度控制的微电路的 侧视解说明；
图5 (b)是图5 (a)的微电路的顶视解说明；
图6是根据本发明另 一实施例的微电路的反馈控制系统的方框图7是根椐本发明实施例的具有主动温度控制的微电路的控制系统 元件的 一种布置的侧视解说明；
图8是根据本发明另一实施例的具有主动温度控制的微电路的控制 系统元件的 一种布置的侧视解说明；
图9是根据本发明另一实施例的具有主动温度控制的微电路的控制 系统元件的一种布置的侧视解说明；以及
图10是根据本发明实施例的具有主动温度控制的微芯片的制造方 法的流程图。
具体实施例方式
在说明本发明的实施例时将使用下面的术语。
除非上下文明确地另行规定，单数形式"一，，以及"该"包括复数 的所指物。因此，例如对"器件"的引用包括对一个或多个这样的器件 的引用。
如在此所使用的那样，术语"大约"的意思是尺寸、大小、构成、 参数、形状以及其它量和特性并不是、并且不需要是精确的，而可以如 所希望的那样是近似的和/或更大或更小，反映了公差、换算因数、舍 入、测量误差等等以及本领域技术人员公知的其它因素。
现在将参考所示出的示例性实施例，并且在此将使用特定的用语来 说明所述实施例。但是能够理解，并不打算由此限制本发明的范围。
考虑到将生热器件和热敏器件集成到微电路中所展现出的困难，本 发明人已经认识到用于在微电路内管理热的改进技术是所期望的。因 此，本发明的实施例包括用于在微电路内进行主动温度控制的技术以允 许补偿空间上不均匀且时变的热。例如，多个温度控制元件可以被包含 在微电路内并且被控制以补偿从该微电路内的生热器件发出的空间上 不均匀且时变的热。这可以有助于给该微芯片内的热敏器件提供改善的温度均匀性。
本发明的一个示例性实施例是图1中的侧视图示出的具有主动温度
控制的微芯片。总体上以10示出的该微芯片包括衬底12,在衬底12上 支承有多个生热电子器件14。例如，所述生热电子器件可以包括诸如 CMOS晶体管等的器件。当被操作时，所迷生热电子器件发出以空间上不 均匀且时变的热分布为特征的热。例如，在处理器微电路中，根据正在 执行的操作的类型，该处理器电路的不同部分将是工作的(active)， 这导致作为时间函数的热的不同空间分布。
由衬底12支承的还有接近于生热电子器件14的多个热敏器件16。 所述热敏器件可以与所述生热电子器件处于不同的层中(如此处所示)， 或者所述热敏电子器件可与所述生热电子器件一起散布在公共的层内， 如将在下面进一步说明的。所述热敏器件例如可以是无源光学器件(例 如，增减滤波器(add/drop filter)、波导等等)、或者电光器件(例 如，调制器、检测器等等)、及其组合。
多个温度控制元件18也由衬底12支承，并且在空间上相对于生热 电子器件14分布。可以主动控制所述温度控制元件以补偿从所述生热 器件发出的空间上不均匀且时变的热。例如，所述温度控制元件可以包 括温度传感器、加热元件、冷却元件、及其复联(multiples)和组合。 例如，热敏电阻器、PN半导体结等等可以用作温度传感器。作为另一例 子，可以通过测量温度敏感部件的输出来形成温度传感器。更特别地， 对温度敏感的光子发射机(photonic transmitter)的中心频率可以提 供关于该光子发射机的温度的信息。加热器件可以包括电阻加热器(例 如由铂、钽、或者多晶硅形成的导线)、及其组合。冷却器件可以包括 热电冷却器等及其组合。
-微电路10可以例如按照如下方式来制造。可以在第一衬底(例如硅 晶片)上制造生热电子器件14和温度控制元件18。可以在第二衬底(例 如绝缘体上硅晶片或者in-V族半导体晶片)上制造热敏电子器件16。 然后，可以将第一和第二衬底汇集在一起并且将它们结合在一起以形成 微芯片。如果需要的话，可以在结合之后将第二衬底与热敏器件分离， 从而使所述热敏器件仅仅由第一衬底来支承。
热敏器件、生热电子器件、以及温度控制元件的各种布置都是可能 的。例如，图2图解说明了微电路20的可替换的布置，其中生热电子器件14、热敏器件16、以及温度控制元件18被布置在衬底12上的公 共层22内。可以例如使用多步工艺来制造该微电路，所述多步工艺使 用本领域公知的光刻法将不同器件类型铺设在衬底的不同区域上。
图3图解说明了微电路30的另一可替换的布置，其中生热电子器件 14被布置在衬底12的第一侧的第一区32中，并且热敏器件16被布置 在该衬底的相对侧的第二区34中。温度控制元件36、 38可以分布在该 衬底的任一側，或者可以在两側都包含有温度控制元件36、 38。换言之， 温度控制元件可以与热敏器件一起被包含在公共的平面内。可替换地， 温度控制元件可以与生热电子器件一起被包含在公共的平面内。哪个设 置更好可能取决于应用。例如，可能更容易地以CMOS技术来制造温度 控制元件，在该情况下，所期望的是将温度控制元件包含在与CMOS器 件相同的侧。在下面将讨论对温度控制元件的放置的其它考虑。可以使 用各种制造微电路30的方式，包括例如在单个晶片上的双面制造以及 将两个或更多个晶片结合在一起以形成完成的器件。
在另一实施例中，该孩i电路可以包括一个或多个热绝缘(heat insulating)层以有助于分布(di stribute)热。例i口， 图4图解"i兑明 了微电路40,其中绝缘层42被定位在生热电子器件14与热敏电子器件 18之间。该绝缘层有助于使从生热电子器件流向热敏电子器件的热的空 间分布变得均匀。温度控制元件18被定位在与热敏器件16相同的平面 内，这允许精密控制热敏器件的温度。
现在将参考在图5 ( a )和5 ( b)中示出的示例性实施例来更详细地 说明具有主动温度控制的微芯片的操作。微芯片50包括生热器件层52, 在该生热器件层中布置有多个生热CMOS器件54。在该CMOS层内包含有 反馈控制电路56。该反馈控制电路通过穿过绝缘层60的垂直导电通路 孔58互连到热敏器件层66内的至少一个温度传感器62和至少一个温 度控制元件64。该热敏器件层包括多个热敏光子器件68。也可以包括 电互连层70a、 70b。
当被操作时，生热CMOS器件54发热，该热(沿Z方向)穿过绝缘 层60以及(如果存在的话)电互连层70a、 70b朝着热敏光子器件68 传导。该热被温度传感器62感测。通过包含有多个温度传感器，可以 感测该微芯片内的温度的空间分布。特别地，该温度可以在热敏器件层 66上水平地变化(X和Y坐标)。(一个或多个)温度传感器62的输出被提供给反馈控制电路56,反馈控制电路56可以控制( 一个或多个) 温度控制元件64以补偿温度的时变空间分布。通过在热敏器件层上包 括一定分布的(a distribution of)温度控制元件，可以补偿该空间
间变化。作为另一例子，可以例如使用采样时间控制回路(例如，其中 微处理器或者微控制器执行计算以使反馈控制回路闭合)周期性地调节 所述温度控制元件以补偿时间变化。
如果需要的话，对(一个或多个)温度控制元件64的控制可以包括 预测温度的时变空间分布。例如，在该微电路包括微处理器的情况下， 基于正由该微处理器执行的指令的类型，可以(对于时间和空间变化二 者)预先预测将要发生的热生成。对热生成的预测可以允许主动温度控 制的改善的性能。
图6图解说明了根据本发明实施例的反馈控制回路的方框图。该反 馈控制回路80包括对应于期望温度的参考值82。可以将该参考值与由 (一个或多个)温度传感器62测量的温度相比较。控制算法84确定如 何驱动(一个或多个)温度控制元件64。例如，可以基于参考值与所测 量的温度之间的差来激活加热、冷却、或者二种类型的温度控制元件。 所述温度控制元件将由该芯片内的热流90来确定，其中热流受生热器 件、微芯片的结构、以及温度控制元件的影响。可以以硬件器件来实施 该反馈控制回路(例如使用包含在该微电路内的晶体管、放大器、滤波 器、等等)。可替换地，可以使用包含在该微电路内的微处理器或者微 控制器来整体地或者部分地实施该反馈控制回路。
可以使用各种反馈控制回路算法，例如包括起停式(bang-bang )、 比例、比例-积分-微分等等。例如在温度传感器62被包含在生热电子 器件附近的位置中以及热敏器件附近的位置中的情况下，反馈控制回路 80可以包括多个反馈路径。预测器算法86可以接受诸如例如电子计算 负荷信息的输入88以预测馈入到该控制算法中的附加的加热/冷却需 求。
利用如图5 (a)和5 (b)中所示的那样定位的(一个或多个)温度 传感器62,感测光子器件层66内温度的时变空间分布。然而如上面所 指出的那样，也可以使用可替换的布置。例如，可以将温度传感器定位 在生热器件层52内而不是定位在热敏器件层66内，或者可以在生热器件层和热敏器件层内都包含温度传感器。例如，定位在生热器件附近的 温度传感器可以提供较快的响应和温度预测，然而，定位在热敏器件附 近的温度传感器可以提供对所述热敏器件处的温度的更精确的控制。
也可以将(一个或多个)温度控制元件64定位在生热器件层52内、 热敏器件层66内、或者二者内。至于(一个或多个)温度传感器62， 根据温度控制元件所定位的位置，可以获得不同的性能。例如，通过将 温度控制元件定位在生热器件附近，可以获得对热的时间特性或者空间 特性的改变的较快的响应。另一方面，将温度控制元件定位在热敏器件 附近可以提供对所述热敏器件的温度的更精确控制。哪个配置表现得更 好将取决于特定的应用特性。如果需要的话，温度传感器和温度控制元 件可以被包含在各种位置中并且被用在多反馈回路控制系统内。
例如，图7图解说明了微电路的可替换的布置，其中，温度传感器 62被包含在电互连层70a、 70b内。例如，所迷电互连层可以包括电绝 缘材料(例如SiOJ 、导电迹线(例如铝或铜)、以及热敏电阻器。到 其它层的互连可以如上所述通过导电通路孔。
图8图解说明了微电路的另一可替换的布置，在该布置中，例如如 上所述，光子元件92用作温度传感器。图9图解说明了又一可替换的 布置，在该布置中，温度控制元件全部位于与光子器件相同的层内。
最后，在图10中以流程图形式图解说明了具有主动温度控制的微芯 片的制造方法。总体上以100示出的该方法包括提供102衬底。例如， 该衬底可以是硅晶片。该方法还包括形成104多个由该衬底支承的生热 电子器件。例如，可以使用本领域公知的光刻法来制造生热电子器件。 作为特定的例子，所述生热电子器件可以是CMOS器件，如上所述。
方法IOO还可以包括形成106多个由该衬底支承的热敏器件。例如， 可以使用光刻法来制造热敏器件。例如如上所述，可以在生热电子器件 之上、之下或者在与生热电子器件共同的层之内形成热敏器件。可以在 结合到该衬底的分离的晶片上形成热敏器件。如上所述，所述热敏器件 可以是光子器件。
方法100的另一步骤可以包括形成108多个温度控制元件，所述温 度控制元件在空间上相对于生热电子器件和热敏器件分布。如上所述， 可以相对于生热电子器件和热敏器件将温度控制元件放置在各个位置 中。例如，可以与热敏器件同时地制造温度控制元件，如上所迷。应当理解，可以以不同的顺序执行各个制造步骤、包括同时执行某 些步骤。器件的形成可以使用本领域公知的光刻法来执行。
在一定程度上概括且重申地讲，根据本发明实施例的具有主动温度
该微芯片内的生热器件产生的时间上和空间上变化的热通量(heat flux);故感测到并且通过主动控制回路而被补偿。温度感测器件以及温
度受控区。可以实施具有独立的主动温度控制系统的多个区。
利用在此所述的微电路进行的主动温度控制可以使得对温度敏感的 器件(比如光子部件)即使在接近于高生热器件(比如CMOS器件)的 情况下仍然能够被使用。通过为对温度敏感的器件维持稳定的温度，可 以获得改善的频率稳定性、幅度稳定性以及类似的特性。
尽管前迷例子以一个或多个特定的应用示出了本发明的原理，但是 对于本领域的普通技术人员而言显而易见的是在不偏离本发明的原理 和概念并且不必使用创造性能力的情况下，可以作出大量的在形式、用 法、以及实施细节方面的改变。因此，除了由下面记载的权利要求书限 制本发明以外，并不打算限制本发明。
权利要求
1.一种具有主动温度控制的微芯片(10，20，30，40，50)，包括衬底(12)；由该衬底支承的多个生热电子器件(14)，所述生热电子器件在被操作时发出以空间上不均匀且时变的热分布为特征的热；多个热敏器件(16)，其由该衬底支承并且接近于所述生热电子器件；以及多个温度控制元件(18)，其由该衬底支承并且在空间上相对于所述生热电子器件和所述热敏器件分布以使得能够主动控制温度从而补偿从所述生热器件发出的空间上不均匀且时变的热。
2. 根据权利要求1所述的微芯片，其中所述生热电子器件是CMOS器 件并且所述热敏器件是光学器件或者电光器件。
3. 根据权利要求1所述的微芯片，其中所述生热电子器件、所述热 敏器件、以及所述多个温度控制元件被布置在该衬底上的公共层(22) 内。
4. 根椐权利要求1所述的微芯片，其中所迷生热电子器件被布置在 该衬底的第一侧(32)并且所述热敏器件被布置在该衬底的第二相对侧(34)。
5. 根据权利要求1所述的微芯片，其中所述温度控制元件和所述热 敏器件被布置在公共平面(42)内。
6. 根据权利要求1所述的微芯片，其中所述多个温度控制元件包括 至少一个电阻加热器并且所述多个温度控制元件包括至少一个热电冷 却器。
7. 根据权利要求1所述的微芯片，其中所述温度控制元件包括至少 一个温度传感器元件作为闭环温度控制系统(80)的一部分。
8. 根据权利要求1所述的微芯片，进一步包括绝缘层(60)，所述 绝缘层(60)被置于所述多个生热电子器件与所述热敏器件之间。
9. 一种具有主动温度控制的微芯片的制造方法(100),包括 提供(102)衬底；形成(104)多个由该衬底支承的生热电子器件； 形成(1Q6)多个由该衬底支承的热敏器件；形成U08)多个温度控制元件，其中所迷温度控制元件在空间上 相对于所述生热电子器件和所述热敏器件分布以使得能够主动控制温 度从而补偿从所述生热电子器件发出的空间上不均匀且时变的热。
10.根椐权利要求9所述的方法，其中形成所述生热电子器件包括在该衬底上形成多个CMOS器件；以及形成所迷热敏器件包括 在晶片上形成多个光学器件，以及 将该晶片结合到该衬底。
全文摘要
在实施例中，微芯片(10)包括多个生热电子器件(14)以及多个热敏器件(16)。多个温度控制元件(18)空间上相对于所述生热电子器件和所述热敏器件分布以使得能够主动控制温度从而补偿从所述生热电子器件发出的空间上不均匀且时变的热。
文档编号H01L23/36GK101675517SQ200880013624
公开日2010年3月17日 申请日期2008年4月25日 优先权日2007年4月26日
发明者D·斯图尔特, P·J·屈克斯, R·博索莱尔 申请人:惠普开发有限公司