(57)【要約】　　　（修正有）【課題】トランジスタを使用した小型の改良したヒーターを提供する。【解決手段】半導体基板１２内に電界効果トランジスタとして形成した集積化ヒーターが提供され、トランジスタはソース領域１４とドレイン領域１６及びそれらの間に電流を導通させるチャンネル領域２０とを有している。チャンネル領域２０は電流が導通する場合に抵抗ＲＤＳを有しており、選択したスレッシュホールドを超える熱を発生する。誘電体層２４がチャンネル領域２０の上に配設されており、その上にゲート電極２６が配設されて、チャンネル領域２０の電流を制御する。熱絶縁性バリアをトランジスタの周りに延在し半導体物質内に形成することが可能である。被加熱物体３２がチャンネル領域２０の抵抗ＲＤＳによって発生された熱を受取るべく位置されており、被加熱物体３２は流体チャンバとすることが可能である。【選択図】　　　図１
2004025426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積化ヒーターにおいて、
半導体物質、
前記半導体物質に形成されており且つ選択したスレッシュホールドを超える熱を発生すべく動作可能な少なくとも１個のトランジスタ、
前記トランジスタによって発生される熱を受取るべく前記トランジスタに隣接して位置されている被加熱物体、
を有していることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項２】
請求項１において、前記被加熱物体が前記半導体物質に隣接して位置されている流体室であることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項３】
請求項１において、前記被加熱物体が前記半導体物質内に形成されている流体室であることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項４】
請求項１において、前記半導体物質が前記トランジスタに隣接して壁部分を有しており、前記半導体壁部分を介して前記トランジスタによって発生された熱が伝達され、且つ前記半導体壁部分に隣接して且つ封止係合状態に位置されている壁部分を具備するボディが設けられており、前記半導体壁部分と前記ボディ壁部分とが一体となって前記被加熱物体としての流体室を画定していることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項５】
請求項４において、更に、前記半導体壁部分にわたって延在しており且つ前記流体室に向かって対面している誘電体層を有していることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項６】
請求項１において、更に、前記トランジスタによって発生される熱の前記半導体物質における伝達を制限するために前記トランジスタの周りに延在して前記半導体物質に形成されている熱絶縁性バリアを有していることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項７】
請求項１において、前記半導体物質が前記トランジスタを超えて横方向に延在して横方向半導体部分を与えており、且つ前記被加熱物体が前記トランジスタに隣接し且つ前記横方向半導体部分に隣接して横方向に位置されており、前記トランジスタによって発生され前記横方向半導体部分へ横方向に伝達される熱を受取ることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項８】
請求項７において、更に、前記横方向半導体部分に隣接した位置において前記誘電体層の一部に形成されているウインドウを具備しており前記半導体物質にわたって延在している誘電体層を有しており、且つ前記加熱物体が前記トランジスタによって発生され前記ウインドウを介して通過する熱を受取るために前記ウインドウに位置されていることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項９】
請求項７において、前記被加熱物体が流体室であることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項１０】
請求項７において、前記横方向半導体部分が前記トランジスタによって発生され且つ前記横方向半導体部分を介して伝達される熱を前記被加熱物体へ伝達するための壁部分を有しており、前記横方向半導体壁部分に隣接しており且つそれと封止係合状態に位置されている壁部分を具備しているボディが設けられており、前記横方向半導体壁部分及び前記ボディ壁部分が一体となって前記被加熱物体としての流体室を画定していることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項１１】
請求項７において、前記トランジスタ及び前記横方向半導体部分の横方向外側及びその周りに延在して前記半導体物質内に形成されている熱絶縁性バリアを有しており、前記トランジスタによって発生される熱が前記絶縁性バリアを超えて横方向に前記半導体物質内を伝達することを制限することを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項１２】
請求項７において、更に、前記半導体物質の第一面にわたって延在している誘電体層及び前記横方向半導体部分にわたって前記誘電体層の一部に形成されているウインドウを有しており、前記被加熱物体が前記トランジスタによって発生され前記ウインドウを介して通過する熱を受取るべく前記ウインドウに位置されており、且つ前記トランジスタ及び前記ウインドウの横方向外側及びその周りに延在して前記半導体物質内に熱絶縁性バリアが形成されており前記トランジスタによって発生された熱が前記絶縁性バリアを超えて横方向に前記半導体物質内を伝達することを制限することを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項１３】
請求項１２において、更に、前記第一面と反対側の前記半導体物質の第二面にわたって延在している熱絶縁層を有しており、且つ前記絶縁性バリアが前記誘電体層と前記絶縁層との間に位置されていることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項１４】
請求項１２において、前記被加熱物体が流体室であることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項１５】
請求項１２において、更に、前記ウインドウの周りに前記誘電体層と隣接し且つそれと封止係合状態に位置されている壁部分を具備するボディを有しており、前記ボディ壁部分が前記被加熱物体として流体室を画定しており、前記熱が前記ウインドウを介してそれへ供給されることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項１６】
請求項１において、更に、前記半導体物質の第一面にわたって延在している誘電体層を有しており、前記被加熱物体が前記トランジスタによって発生された熱を受取るために前記トランジスタと反対側において前記誘電体層に隣接して位置されていることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項１７】
請求項１６において、更に、熱絶縁性バリアが前記半導体物質内に形成されており前記トランジスタによって発生された熱を受取るべく位置されている前記絶縁性バリア内側の前記半導体物質の部分を画定しており、前記絶縁性バリアが前記トランジスタによって発生され且つ前記半導体物質の前記内側部分によって受取られる熱が前記絶縁性バリアを超えて伝達することを制限する物質から構成されていることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項１８】
請求項１６において、更に、前記第一面と反対側の前記半導体物質の第二面にわたって延在している熱絶縁層を有していることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項１９】
請求項１６において、更に、前記誘電体層と隣接しており且つそれと封止係合して位置されている壁部分を具備しているボディを有しており、前記誘電体層及び前記ボディ壁部分が一体となって前記被加熱物体として流体室を画定していることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項２０】
請求項１において、前記被加熱物体が流体であることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項２１】
集積化ヒーターにおいて、
半導体物質、
前記半導体物質内に形成されており且つ熱を発生するために選択的に動作可能な複数個のトランジスタ、
前記トランジスタによって発生された熱を受取るべく前記トランジスタに隣接して位置されている被加熱物体、
を有していることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項２２】
請求項２１において、前記被加熱物体が前記半導体物質に隣接して位置されている流体室であることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項２３】
請求項２１において、更に、前記トランジスタの周りの周辺を延在して前記半導体物質内に形成されている熱絶縁性バリアを有しており、前記トランジスタによって発生される熱が前記絶縁性バリアを超えて伝達することを制限することを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項２４】
集積化ヒーターにおいて、
半導体基板、
前記半導体基板内に配設されているソース領域、
前記半導体基板内に配設されているドレイン領域、
前記ソース領域とドレイン領域との間において電流を導通させるべく前記ソース領域とドレイン領域との間において前記半導体基板内に配設されており選択したスレッシュホールドを超えて熱を発生するために電流を導通する場合の抵抗値を有しているチャンネル領域、
前記チャンネル領域上に配設されている誘電体層、
前記チャンネル領域によって導通される電流を制御するために前記誘電体層上に配設されているゲート電極、
前記チャンネル領域の前記抵抗値によって発生される熱を受取るべく位置されている被加熱物体、
を有していることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項２５】
請求項２４において、前記被加熱物体が前記半導体物質に隣接して位置されている流体室であることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項２６】
請求項２４において、前記被加熱物体が前記半導体基板内に形成されている流体室であることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項２７】
請求項２４において、更に、前記半導体基板内に形成されており且つ少なくとも部分的に前記チャンネル領域の周りに延在している熱絶縁性バリアを有しており前記チャンネル領域の前記抵抗値によって発生される熱を受取るべく位置されている前記絶縁性バリア内側の前記半導体基板の部分を画定していることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項２８】
請求項２４において、前記半導体基板が前記チャンネル領域に隣接する壁部分を有しており前記チャンネル領域の前記抵抗によって発生された熱を前記半導体壁部分を介して伝達させ、且つ前記半導体壁部分に隣接して位置されている壁部分を具備しており且つ前記被加熱物体として流体室を画定しているボディが設けられていることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項２９】
請求項２８において、更に、前記半導体壁部分と前記ボディ壁部分との間に位置されている熱伝達性誘電体層を有していることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項３０】
請求項２４において、更に、前記誘電体層に隣接して位置されており且つ前記被加熱物体として流体室を画定している壁部分を具備しているボディを有していることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項３１】
請求項２４において、更に、前記誘電体層から離れる前記半導体基板の側に向かって位置されている熱絶縁層を有していることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項３２】
請求項３１において、更に、熱絶縁性バリアが前記半導体基板内に形成されていて前記絶縁性バリアの内側の前記半導体基板の内側部分を画定しており且つ前記チャンネル領域の抵抗によって発生される熱を受取るべく位置されており、前記絶縁性バリアは前記チャンネル領域の抵抗によって発生され且つ前記半導体物質の前記内側部分によって受取られた熱が前記絶縁性バリアを超えて伝達することを制限する物質から構成されており、前記被加熱物体が前記半導体物質の前記内側部分と熱的連結状態にあることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項３３】
請求項３２において、前記絶縁性バリアが前記誘電体層と前記絶縁層との間に実質的に完全に突出していることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項３４】
請求項２４において、更に、前記ゲート電極の上側に存在するオーバーレイ誘電体層を有しており、前記被加熱物体が前記オーバーレイ誘電体層に隣接して位置されていることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項３５】
請求項３４において、更に、前記ゲート電極から横切って前記オーバーレイ誘電体層に隣接して位置されている壁部分を具備しており且つ前記被加熱物体として流体室を画定しているボディを有していることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項３６】
請求項３５において、更に、熱絶縁性バリアが前記半導体基板内に形成されており且つ少なくとも部分的に前記チャンネル領域周りに延在して前記流体室に隣接し且つ前記絶縁性バリアの内側の前記半導体基板の一部を画定し、前記半導体基板の前記内側部分が前記流体室と熱的に連結していることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項３７】
請求項３６において、更に、前記誘電体層から離れる前記半導体基板の側に向かって位置されている熱絶縁層を有していることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項３８】
請求項３７において、前記絶縁性バリアが前記誘電体層と前記絶縁層との間に実質的に完全に突出していることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項３９】
請求項２４において、前記半導体基板が前記ソース領域及びドレイン領域を超えて横方向に延在して横方向半導体基板部分を与えており、且つ前記被加熱物体が前記横方向半導体基板部分に隣接して位置されて前記横方向半導体基板部分を介して横方向へ伝達される前記チャンネル領域の前記抵抗によって発生される熱を受取ることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項４０】
請求項３９において、前記誘電体層が前記横方向半導体基板部分にわたって横方向に延在しており、且つオーバーレイ誘電体層が前記ゲート電極の上側に存在しており、且つウインドウが前記横方向半導体基板部分に対応する位置において前記オーバーレイ誘電体層に形成されており、且つ前記被加熱物体が前記チャンネル領域の抵抗によって発生され且つ前記ウインドウを介して通過する前記横方向半導体基板部分を介して横方向に伝達される熱を受取るべく前記ウインドウに位置されていることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項４１】
請求項４０において、更に、前記ウインドウに隣接して位置されており且つ前記被加熱物体として流体室を画定している壁部分を具備しているボディを有しており、前記熱が前記ウインドウを介して供給されることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項４２】
請求項２４において、前記ゲート電極が金属であることを特徴とする集積化ヒーター。
【請求項４３】
請求項２４において、前記被加熱物体が流体であることを特徴とする集積化ヒーター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＤＮＡ等の生物有機化合物の分解及び検知用の集積化化学的マイクロ反応器、印刷目的のためにインクを発射させるためのインクジェットプリンタヒーター、光ビームを偏向させるための蒸気バブル形成に基づく光学的スイッチング、及び液晶に基づく光学的スイッチング等のマイクロ流体及びマイクロ機械的アプリケーション用のマイクロチップヒーターに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
公知の如く、ある流体は、例えば、化学的又は生化学的反応が関与する場合に益々より正確な態様で調整すべき温度において処理される。このような場合において、しばしば、流体のコスト又はその入手が困難である等の理由により非常に少量の流体を使用することが必要とされる。
【０００３】
これは、例えば、ＤＮＡ増幅処理　（ＰＣＲ、即ち合成酵素連鎖反応プロセス）の場合であり、その場合には、種々のステップにおける正確な温度制御　（繰返し所定の熱サイクルが実施される）、流体が反応する場合に可及的に温度勾配を回避することの必要性　（一様な温度を得るため）及び使用済流体の還元　（それは非常にコストがかかる）が良好な反応効率を得る場合に、又は反応を成功させるためにも重要である。マイクロチップヒーターは特にこのような適用の場合に適している。
【０００４】
上述した特性を有する流体処理のその他の例は、例えば、化学的及び／又は薬理学的分析、及び生物学的検査の実施に関連している。より正確であり、より迅速に反応し、より耐久性があり、より長寿命であり、より制御可能であり且つより製造が廉価であるという１つ又はそれ以上を満足する小型化したヒーターを必要とするその他の場合は、インクジェットプリンタヒーター及び光学的スイッチングヒーター等がある。
【０００５】
現在の所、種々の技術が化学的又は生化学的試薬の熱的制御を可能とさせる。特に、１９８０年代の終わりから、小型の装置が開発されており、従って熱質量が減少されており、そのことはＤＮＡ増幅処理を完了するのに必要な時間を減少させることが可能である。最近、半導体物質からなるモノリシック集積化装置が提案されており、それは制御した反応で且つ低コストで少量の流体を処理することが可能である　（例えば、２００１年２月８日付で出願されている米国特許出願第０９／７７９，９８０号、２００１年６月４日付で出願されている米国特許出願第０９／８７４，３８２号、２００１年９月２６日付で出願されている米国特許出願第０９／９６５，１２８号を参照すると良く、これらは全てエスティーマイクロエレクトロニクス、Ｓ．Ｒ．Ｌ．へ譲渡されておりこれらの特許出願の内容を引用によって本明細書に取込む）。
【０００６】
これらの装置は埋込型チャンネルを収容する半導体物質ボディ　（本体）を有しており、該チャンネルは入力トレンチ及び出力トレンチを介して入力貯蔵器及び出力貯蔵器へ夫々接続されており、それに対して処理されるべき流体が供給され且つそれから反応の終わりにおいて流体が回収される。埋込型チャンネルの上方に加熱要素及びサーマルセンサーが設けられており、反応の熱条件を制御し　（それは、通常、異なる熱サイクルを必要とし、その正確な制御を必要とする）、且つ出力貯蔵器においては、反応した流体を検査するための検知電極が設けられている。熱は半導体ボディからなるウエハ上に形成されている金属加熱要素ヘ電流を供給することによって発生され、該ボディは該加熱要素の両端部と電気的に接触しているコンタクト領域を具備しており且つ同一のウエハ上に形成されている典型的にＭＯＳＦＥＴである駆動トランジスタへ接続されている。
【０００７】
現在のインクジェット技術は少量のインクをインク室内に配置させ、該インクを迅速に加熱させ且つそれを排出させて用紙等の隣接する表面上の選択した位置にインク滴を与えることに依存している。従来、電流が流される場合に迅速に加熱するオーミック抵抗がインクの必要な温度上昇を与えるために使用されている。例えば、Ａｌｌｅｎ　ｅｔ　ａｌ．著「サーマルインクジェットの熱力学及び流体力学　（Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ　ａｎｄ　Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ　ｏｆ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｉｎｋ　Ｊｅｔｓ）」、ヒューレット・パッカード・ジャーナル、１９８５年５月、ｐｐ．２０−２７の文献にインクジェットの詳細が記載されており、その記載内容を引用によって本明細書に取込む。
【０００８】
マイクロチップは小型化したヒーター適用例に対して極めて適している。一般的に、マイクロチップ内において局所的な加熱を発生する現在の技術は例えばＴａＡｌ、ＨｆＢ、三元合金等の金属合金又は多結晶半導体から構成されるオーミック抵抗を基礎にしている。加熱用抵抗は外部回路又は集積化したパワーＭＯＳＦＥＴによって駆動される。例えばサーマルインクジェットプリンタ等の既存のアプリケーションにおいては、加熱用抵抗値は、好適には、寄生効果を最小とさせ且つ加熱用抵抗においてのみ電力を散逸させるためにＭＯＳＦＥＴチャンネル抵抗　（ＲＯＮ又はＲＤＳ）よりも高い。通常、各パワーＭＯＳＦＥＴはそのＲＯＮを最小とさせるためにチップ面積の大きな百分率を占有する。
【０００９】
この構成における１つの欠点は、このようなオーミック抵抗の抵抗値は固定されており且つ変調させることが不可能であり、従ってその柔軟性が制限されている。その他の欠点としては、オーミック抵抗は物質の劣化　（例えば酸化、偏析等）及びエレクトロマイグレーションによって影響され、特に高い温度において顕著である。これらの現象はそれらの寿命を制限し且つそれらを設計内に組込んだ装置の信頼性に対して懸念事項となる。
【００１０】
更に別の欠点はパワー即ち電力の制御である。電流又は電圧のいずれかで駆動されるオーミック抵抗はパラメータの二次関数であるパワー即ち電力を散逸させる。そのことは、その出力に関しての制御を劣ったものとさせる。何故ならば、電流又は電圧における小さな変動がパワー　（電力）及び温度出力において顕著な変動を発生する場合があるからである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した如き従来技術の欠点を解消し、多くのマイクロ流体及びマイクロ機械的適用例に対して所望の特性を与える小型化したヒーターを提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は半導体物質からなる集積化ヒーターを提供しており、少なくとも１個のトランジスタが該半導体物質内に形成されており且つ熱を発生するために動作可能である。加熱されるべき物体即ち被加熱物体が該トランジスタによって発生される熱を受取るべく該トランジスタに隣接して位置されている。１実施例においては、被加熱物体は該半導体物質に隣接して位置されている流体室である。被加熱物体は該半導体物質内に形成されている流体室とすることが可能であるが、それに制限されるものではない。
【００１３】
幾つかの実施例においては、該半導体物質は該トランジスタに隣接している壁部分を有しており、該トランジスタによって発生された熱は該半導体壁部分を介して伝達される。本ヒーターは、更に、該半導体壁部分と隣接しており且つそれと封止係合して位置されている壁部分を具備しているボディを有しており、該半導体壁部分及び該ボディ壁部分は一体となって被加熱物体としての流体室を画定している。被加熱物体は流体室以外の形態をとることが可能である。
【００１４】
幾つかの実施例においては、本集積化ヒーターは、更に、熱絶縁性バリアを有しており、該バリアは該半導体物質内に形成されており且つ該トランジスタの周りに延在して該トランジスタによって発生される熱が該絶縁性バリアを超えて該半導体物質内を伝達することを制限する。
【００１５】
本ヒーターは横方向半導体部分を与えるために該トランジスタを超えて横方向に延在する半導体物質で製造することが可能であり、且つ被加熱物体は該トランジスタに隣接し且つ該横方向半導体部分に隣接して横方向に位置させて該トランジスタによって発生され該横方向半導体部分へ横方向に伝達される熱を受取ることが可能である。少なくとも１つのこのような実施例において、本ヒーターは該半導体物質にわたって延在している誘電体層を有しており、ウインドウが該横方向半導体部分に隣接した位置において該誘電体層の一部に形成されており、被加熱物体が該トランジスタによって発生され且つ該ウインドウを介して通過する熱を受取るために該ウインドウの位置に位置されている。横方向半導体部分は該トランジスタによって発生され且つ該横方向半導体部分を介して伝達される熱を被加熱物体へ伝達させるために壁部分を有することが可能であり、且つ該ヒーターは該横方向半導体壁部分と隣接し且つそれと封止係合して位置されている壁部分を具備するボディを有することが可能であり、該横方向半導体壁部分及び該ボディ壁部分は一体となって該被加熱物体としての流体室を画定する。この実施例においては、該半導体物質内に形成されている熱絶縁性バリアは該トランジスタ及び該横方向半導体部分の横方向外側及びその周りに延在する。
【００１６】
本集積化ヒーターは半導体物質内に形成されており且つ熱を発生するために選択的に動作可能な複数個のトランジスタを使用して製造することが可能である。
【００１７】
本集積化ヒーターは半導体基板内に形成した電界効果トランジスタとして製造することが可能であり、該トランジスタはソース領域と、ドレイン領域と、該ソース領域とドレイン領域との間に電流を流すためのチャンネル領域とを有しており、該チャンネル領域は選択されたスレッシュホールドを超えて熱を発生するために電流を導通する場合の抵抗値を有している。誘電体層が該チャンネル領域の上に配設されている。ゲート電極が該チャンネル領域によって導通される電流を制御するために該誘電体層の上に配設されている。該被加熱物体が該チャンネル領域の抵抗によって発生される熱を受取るべく位置されている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図面に示したように、本発明はウエハ１１上に形成した大略参照番号１０で示した集積化ヒーターとして実現されている。図１に示したように、ウエハ１１は例えばシリコンである単結晶半導体物質からなる基板１２を有している。基板１２は公知のＭＯＳＦＥＴ製造技術を使用して処理して基板の上側即ち表面１８に向かって基板内にＭＯＳＦＥＴのソース領域１４及びドレイン領域１６を形成している。該ＭＯＳＦＥＴのチャンネル領域２０は該ソース領域とドレイン領域との間に電流を導通させるためにソース領域１４とドレイン領域１６との間に基板１２内に形成されている。チャンネル領域２０は電流に対して抵抗の記号で概略的に示した抵抗ＲＯＮ又はＲＤＳを有しており、電流を導通させる場合に矢印２２で示したように熱を発生する。
【００１９】
例えば酸化物である誘電体層２４が基板１２の上側に形成されており且つチャンネル領域２０にわたって延在している。ＭＯＳＦＥＴのゲート電極２６がチャンネル領域２０の上方で誘電体層２４の上に形成されており、チャンネル領域により導通される電流を制御する。該ゲート電極は任意の許容可能な物質から構成することが可能であり、例えばポリシリコン、その上にシリサイド層を有するポリシリコン、又は金属又は本発明の処理と適合性を有するその他の任意の導電層とすることが可能である。多くの場合においてポリシリコンの上に金属シリサイドを設けたものが好適である。何故ならば、このようなゲートは非常に低い電気的固有抵抗を有しており、金属の上部層は良好な熱伝導率を与えるからである。このような処理技術及びステップは公知である。該ＭＯＳＦＥＴは任意のタイプのものとすることが可能であり、例えばＬＤＭＯＳ、ＶＤＭＯＳ等とすることが可能である。
【００２０】
基板１２の下側即ち表面２８はチャンネル領域２０の下側の部分　（ウエハ１１の裏側）がエッチング又はその他の方法で除去されおりこの区域における基板の厚さを減少させており且つ基板内に凹所２９を形成している。凹所２９は少なくとも部分的にチャンバ　（室）３０を画定しており且つチャンネル領域２０によって発生される熱２２によって加熱されるべき物体即ち被加熱物体として作用する。チャンバ３０は、その中に伝達される熱２２が伝達される物質３２を受取る寸法及び形状とすることが可能である。チャンバ３０は、チャンネル領域が電流を導通する場合にチャンネル抵抗ＲＤＳによって発生される熱２２を受取るためにチャンネル領域２０の近くに位置されている。チャンバ３０を形成する場合に基板１２を部分的に除去してチャンネル領域２０下側のその残存する薄い壁部分３４のみを残存させ、熱源　（即ち、チャンネル領域）を加熱すべき物質３０に近付けさせる。
【００２１】
基板１２の下側２８はその上に誘電体層３６が形成されており、例えば付着又は成長によって形成されている。誘電体層３６はチャンバ３０の一部を形成している基板の下側部分を裏打ちしている。加熱用にチャンバ３０内に受取られるべき物質３２が流体である場合には、誘電体層３６は該流体が直接接触した場合に基板に与える可能性のある悪影響に対して基板１２に対して保護を与える物質として選択することが可能である。流体の場合には、チャンバ３０内の流体はチャンバの壁と直接接触することが可能であり、且つそのようなことは流体に対しての改善した伝熱を得るために流体をチャンネル領域２０に近づけるために望ましいことである。熱２２は誘電体層３６を介してチャンバ３０へ伝達され、従って誘電体層は所望量の熱を伝達させるのに充分な熱的特性を有するものに選択される。ヒーター１０は流体以外の物質を加熱するために使用することが可能であり、その場合には、基板１２の下側２８は伝熱表面として使用することが可能であり且つ中間に保護又はその他の層又はその他の物質が介在するか又は介在することなしに、それが平坦な物体であるか輪郭を持った物体であるかに拘わらずに、加熱すべき物体即ち被加熱物体と接触すべく適宜の形状とすることが可能である。
【００２２】
チャンネル領域２０のチャンネル抵抗ＲＤＳ　（即ち、ソース・ドレイン抵抗）は熱２２を発生し且つその熱をチャンバ３０へ伝達させ、そこで物質３２が加熱されるべく少なくとも一時的に位置されている。チャンネル領域２０は、ＭＯＳＦＥＴの場合の一般的な態様においてソース領域１４とドレイン領域１６との間のチャンネル領域２０を導通状態とさせるために充分な電圧がゲート電極２０へ印加される場合に、熱２２を発生する。特定のアプケーション　（適用例）において発生される熱２２の量は、ゲート電極２６へ印加される電圧の大きさによって制御することが可能である。何故ならば、ＭＯＳＦＥＴにおけるチャンネル抵抗ＲＤＳは印加されるゲート電圧の関数だからである。より高い電流の導通及び増加した加熱定格を得るためにパワーＭＯＳＦＥＴトランジスタを使用することが可能である。
【００２３】
チャンネル領域２０のチャンネル抵抗ＲＤＳは、例えば、ＭＯＳＦＥＴがオンである場合にチャンネル抵抗ＲＤＳを介して所望のパワー即ち電力が散逸されるようにチャンネル領域の長さ及び／又は幅、使用されるシリコンのドーピング及び／又はデザインレイアウトを変化させることにより、特定のアプリケーション即ち適用例に対して所望される特定の抵抗値を発生させるためにＭＯＳＦＥＴの製造期間中に容易に選択することが可能である。注意すべきことであるが、通常、チャンネル抵抗を減少させる目的のためにＭＯＳＦＥＴの通常の製造においてチャンネル領域２０のドーピングが行われるが、ＭＯＳＦＥＴをヒーターとして使用する場合には、チャンネルの抵抗を向上／増加させるためにドーピングが行われる。チャンネル領域２０が電流が導通させる場合に、選択したスレッシュホールドを超える熱が発生され且つチャンバ内の物質３２を加熱するためにチャンバ３０へ伝達されるように、特定のチャンネル抵抗ＲＤＳが選択される。このスレッシュホールドは、被加熱物体へ伝達されるべき所望の熱の量、又は被加熱物体の温度又は物質の温度を少なくとも所望の温度へ上昇させるのに必要な熱の量を供給するために選択される。
【００２４】
ヒーター１０において使用されるＭＯＳＦＥＴは、数オーム乃至数千オームとすることが可能であり、従って設計上の柔軟性を与えるチャンネル抵抗ＲＤＳを発生するために従来の技術を使用して製造することが可能である。このＭＯＳＦＥＴのチャンネル抵抗ＲＤＳの動作温度範囲は数℃乃至１０００℃を超えるものとの間とすることが可能であり、従って化学的反応を誘発させるか、又は流体を排出するか蒸気を発生するために質量及び熱の輸送を発生させるために局所的熱勾配が必要とされる多くのマイクロ流体及びマイクロ機械的アプリケーション　（適用例）に対して充分な熱を供給する。それに対して熱２２がチャンバ３０内に伝達される物質３２は、これらに制限されるべきものではないが、例えばインク、有機物質の混合物、光学的スイッチング用の流体、環境試験及び医学的適用例のためのガス、前述した従来技術に関連して説明した流体等がある。
【００２５】
ヒーター１０はオーミック抵抗を使用する公知のマイクロチップヒーターよりもより簡単に且つより廉価に製造することが可能である。必要とされるマスクステップはより少なく且つエキゾチックな抵抗層を付着形成し且つエッチングするのに必要な高価な処理制御は除去されている。高価であるか又はエキゾチックな物質を使用することは必要ではない。その結果処理が簡単化され且つヒーター１０を製造することはより廉価である。更に、ヒーター１０が別個の駆動トランジスタ及びオーミック抵抗組立体を製造することを必要とするものではなく、駆動トランジスタ及び抵抗要素の両者をヒーター１０における同一の要素として一体的に結合しているという事実により、チップ寸法が著しく減少されているのでコストが減少されている。
【００２６】
多くの適用例に対する性能の増加した信頼性もヒーター１０を使用して達成されている。インクジェット及び光学的スイッチング適用例に現在使用されている抵抗は寿命が制限されており且つ数１０億回のサイクルの後にエレクトロマイグレーション又は物理的損傷　（例えばキャビテーションから）により障害が発生する。熱２２を発生するチャンネル抵抗ＲＤＳを提供すべく機能するヒーター１０のチャンネル領域２０の寿命は数年の動作条件継続すべきであり、それはインクジェットプリンタ適用例の場合には、プリンタの寿命よりも一層長い。何故ならば、チャンネル抵抗ＲＤＳは耐久性のあるシリコン結晶から構成されているからである。このことは廉価で且つ永久的であり、インクジェットプリンタの通常の寿命期間中取り替えることを必要としないインクジェットプリントヘッドを提供することを可能とする。
【００２７】
ヒーター１０を使用する場合に多くの適用例において性能が増加される。このことは、部分的には、オーミック抵抗を使用する従来のマイクロチップの場合に関連する寄生抵抗を著しく減少させていることに起因している。オーミック抵抗を使用する従来のマイクロチップヒーターを使用する場合には、トランジスタを駆動する金属トレースの寄生抵抗に加えて、駆動用ＭＯＳＦＥＴのチャンネル抵抗が寄生抵抗に対する主要な発生源であった。ヒーター１０の場合には、ＭＯＳＦＥＴの「寄生抵抗」は加熱要素となり且つ寄生効果はヒーターのＭＯＳＦＥＴを駆動する低抵抗金属トレースが主なものである。
【００２８】
別の性能増加はヒーター１０において使用されるＭＯＳＦＥＴトランジスタは数平方ミクロン程度に小さく描くことが可能であり、従って同一のチップ上に多数のトランジスタを詰め込むことを可能とするという理由により達成される。インクジェットプリンタ適用例の場合には、このことは、単一のパスにおいて非常に高い分解能のピクチャを印刷することが可能なプリントヘッドを製造することが可能であることを意味している。
【００２９】
更に別の性能増加は、動作電流／電圧において、これらのパラメータにおける何等かの変動が散逸される電力に殆ど影響を与えないようにパワーＭＯＳＦＥＴを設計することが可能であるという事実から得られる。従って、ヒーター１０は例えば生物学的解析用のチップ等のマイクロ反応器適用例に対して特に興味のあるものであり、その場合にはより低い温度及び良好な温度制御が必要とされる。
【００３０】
ヒーター１０の最初の変形実施例を図２に示してある。図２のヒーター１０は図１のヒーターと基本的に同一の構成を有しているが、チャンバ３０が、部分的に、ウエハ１１の裏側における基板１２における凹所２９の周りに延在する壁部分４０を具備するボディ　（本体）３８によって形成されている点が異なっている。ボディ３８の壁部分４０は基板１２の下側２８において基板１２に隣接し且つそれと封止係合状態に位置されており、誘電体層３６がそれらの間に位置されている。壁部分４０はチャンバ３０を形成するために凹所２９と整合する開放した内部部分４２を画定しており、且つオリフィス４４を画定しており、それを介して物質３２が通過することが可能であり、図２においては物質３２はメニスカス４６を有する流体として示してある。
【００３１】
ヒーター１０の２番目の変形実施例を図３に示してある。図３のヒーター１０は図１及び２のヒーターと基本的に同一の構成を有しているが、ウエハ１１の裏側における基板１２内に形成されている凹所２９はオリフィス４８を含むチャンバ３０全体を形成する形状とされている。適切である場合には、チャンバ３０は保護層で裏打ちさせることが可能である。
【００３２】
ヒーター１０の３番目の変形実施例を図４に示してある。図４のヒーター１０は以下の点において図１−３のヒーターと異なる構成を有している。即ち、ＭＯＳＦＥＴはＳＯＩ　（シリコン・オン・インシュレーター）ウエハ１１′上に形成されており、基板１２　（例えばシリコン）はその下側２８が酸化物層５０と係合している。チャンネル領域２０によって発生される熱２２は酸化物層５０を介してチャンバ３０へ伝達され、従って酸化物層５０はチャンバへ所望量の熱を伝達するのに充分な熱的特性を有するものが選択される。図４の構成は２つの別個のウエハ、即ち加熱装置用に１つとチャンバ３０用に１つ、を使用して得ることが可能である。チャンバ３０用の基板は例えばシリコン、有機ポリマー、サファイア、又はその他の適宜の物質等のチャンバに対して任意の許容可能な物質とすることが可能である。絶縁体層５０がその上側に成長されており、ウエハ１２の裏側を所望のレベルへ除去しており且つウエハ１１′が基板１２へ接続されている。これを行うために多数の許容可能な技術が存在しており、そのうちの１つは係属中の特許出願８５４０６３．６６３に記載されており、その記載内容を引用によって本明細書に取込む。
【００３３】
この３番目の変形実施例においては、壁部分５４を具備するシリコンからなるボディ５２が酸化物層５０の下側５６と関連してチャンバ３０を画定している。ボディ５２の壁部分５４は酸化物層５０の下側５６と隣接し且つ封止係合状態に位置されている。壁部分５４はオリフィス５８を画定しており、それを介して物質３２が通過することが可能である　（図４においては不図示）。
【００３４】
ヒーター１０の４番目の変形実施例を図５に示してある。図５のヒーター１０はＳＯＩウエア１１′アプローチを使用する図４のヒーターと基本的に同一の構成を有しているが、トレンチ６０が基板１２内に形成されており、それはソース及びドレイン領域１４及び１６及びチャンネル領域２０の横方向外側に位置されており且つそれらの周りに完全に延在している点が異なっている。トレンチ６０は空のままとさせるか又は例えばシリコン酸化物等の絶縁性物質６２で充填させることが可能である。トレンチ６０は基板１２内のチャンネル領域２０によって発生される熱２２の横方向の伝達を制限するための熱的絶縁バリアとして作用し、且つ、後に詳細に説明するように、チャンネル領域によって発生された熱を閉じ込める傾向となり且つ熱を被加熱物体に対してより良く経路付けさせることを可能とする。トレンチ６０は、又、ＭＯＳＦＥＴを電気的に分離させる作用もある。トレンチ６０は誘電体層２４と酸化物層５０との間に完全に突出している。
【００３５】
ヒーター１０の５番目の変形実施例を図６に示してある。図６のヒーター１０は図５のヒーターと基本的に同一のＳＯＩ構成を有しているが、電気的に共通接続した複数個のソース領域１４と、電気的に共通接続した複数個のドレイン領域１６と、電気的に共通接続した複数個のゲート電極２６とを具備するマルチフィンガーパワーＭＯＳＦＥＴを使用する点が異なっている。勿論、隣接するソース領域とドレイン領域との間に複数個のチャンネル領域２０が存在している。トレンチ６０がパワーＭＯＳＦＥＴのソース及びドレイン領域１４及び１６及びチャンネル領域２０の全ての横方向外側に位置しており且つ完全にその周りに延在している。
【００３６】
ヒーター７０の７番目の変形実施例を図７に示してある。図７のヒーター１０は図５のヒーターと基本的に同一のＳＯＩ構成を有しているが、基板１２及びボディ５２がソース及びドレイン領域１４及び１６、ゲート電極２６、チャンネル領域２０を横方向に超えて延在しており、且つ流体チャンネル６３がボディ５２内に設けられておりチャンネル入口アパーチャ６３ａとチャンバ３０との間に延在している。矢印６５ａで示した流体の流れは入口アパーチャ６３ａ内に入り且つチャンバ３０へ流れることが可能であり、そこでチャンネル領域２０によって発生された熱２２が該流体ヘ伝達される。加熱された流体は矢印６５ｂで示したようにオリフィス５８からチャンバ３０を出ることが可能である。ヒーター１０がインクジェットプリントヘッドとして使用される場合には、流出する加熱された流体インクは用紙又はその他の印刷すべき物質上にスプレイさせることが可能である。流体チャンネル６３は、所望により、隣りのヒーターのチャンネルと流体連結している付加的な入口アパーチャ６３ｂを有することも可能である。
【００３７】
ヒーター１０の７番目の変形実施例を図８に示してある。図８のヒーター１０は同一の基本的なＳＯＩ構成を使用するものであるが、シリコンボディ５２によって形成されるチャンバは存在しておらず、この実施例におけるボディ５２はスラブである。更に、チャンバ３０はチャンネル領域２０によって発生される熱２２を受取るべくチャンバ３０がチャンネル領域２０の直下に位置されているものではない。その代わりに、チャンバ３０はウエハ１１′の正面上に位置しており且つ以下に説明するようにＭＯＳＦＥＴから横方向にオフセットしている。
【００３８】
特に、基板１２は横方向部分６４を有しており、それはソース及びドレイン領域１４及び１６、ゲート電極２６、チャンネル領域２０を超えて横方向に延在している。チャンネル領域２０によって発生される熱２２は横方向基板部分６４へ横方向に伝達される。この７番目の変形実施例においては、酸化物層５０がチャンネル領域２０によって発生された熱２２が酸化物層５０を介して伝達する量を制限するための熱絶縁特性及び厚さに選択されており、即ち酸化物層５０は熱的バリアとして作用する。絶縁性酸化物層５０は、トレンチ６０と関連して、チャンネル領域２０によって発生された熱が横方向基板部分６４への横方向における以外の伝達を制限するための熱的絶縁バリアとして作用し、従ってチャンネル領域によって発生される熱を閉じ込め且つそれを被加熱物体に対して熱を良好に経路付けることを可能としている。
【００３９】
図８のこの７番目の変形実施例においては、誘電体層２４が横方向基板部分６４にわたって横方向に延在しており、且つオーバーレイ誘電体層６６が誘電体層５０にわたって延在している。オーバーレイ誘電体層６６はチャンネル領域２０によって発生される熱がそれを介して伝達する量を制限するための熱絶縁特性を有するように選択されており、且つソース及びドレイン領域１４及び１６に対して使用されるコンタクト１４ａ及び１６ａ及びゲート電極２６を保護するためのパッシベーションを与えている。ウインドウ６８がＭＯＳＦＥＴから横方向にオフセットし且つ横方向基板部分６４に対応する位置においてオーバーレイ誘電体層６６に形成されている。ボディ７０はシリコンから構成されており、その小さな部分７２は内側開口７４及びオリフィス７６を具備するチャンバ７０を画定しており、オリフィス７６を介して流体等の物質３２が通過することが可能である。ボディ７０の壁部分７２はオーバーレイ誘電体層６６と隣接し且つそれと封止係合状態に位置されており、チャンバ３０の内側開口７４はウインドウ７８と整合しており、従ってチャンネル領域２０によって発生される熱２２は横方向基板部分６４を介して横方向に伝達され、ウインドウを介してチャンバ内へ通過する。
【００４０】
ヒーター１０の８番目の変形実施例を図９に示してある。図９のヒーター１０は図８のヒーターと基本的に同一の構成を有しており且つチャンバ３０がウエハ１１′の正面に位置している。然しながら、基板１２及びボディ５２が横方向に延在し且つオーバーレイ誘電体層６６内にウインドウを与える代わりに、この８番目の変形実施例においては、ボディ７０の壁部分７２によって形成されているチャンバ３０がＭＯＳＦＥＴの直上に位置されている内側開口７４を有している。更に、内側開口７４はソース及びドレイン領域１４及び１６、ゲート電極２６、チャンネル領域２０にわたって充分に大きな横方向寸法を有しており、且つソース及びドレイン領域１４及び１６及びチャンネル領域２０の横方向外側に位置されており且つそれらの周りを完全に延在する基板１２内に形成されているトレンチ６０の上方で終端している。このように、チャンネル領域２０によって発生される熱２２は酸化物層５０及びトレンチ６０によって熱的に阻止され、従って酸化物層５０及びトレンチ６０内側の基板１２の壁部分３４内に閉じ込められ且つゲート電極２６及びそのゲート電極の周りのオーバーレイ誘電体層６６を介して伝達される。次いで、熱２２は内側開口７４を介してチャンバ３０内へ通過される。この実施例においては、オーバーレイ誘電体層６６はチャンバ３０及びその中に存在する物質へ所望の熱を供給するのに必要なだけチャンネル領域２０によって発生される充分な量の熱２２がオーバーレイ誘電体層を介して伝達することを可能とする熱的特性を有するものに選択されている。
【００４１】
ヒーター１０の効率を改善するために、この８番目の変形実施例において使用されているゲート電極２６はそれに対して熱が使用される適用例に対して所望の熱伝導率を与える物質を使用して製造することが可能である。又、ゲート物質は長い機械的寿命を与えるものに選択することが可能である。インクジェットプリントヘッドにおいては、加熱したインクの場合に遭遇する高い圧力に耐えることが可能であり且つ従来のインクジェットプリントヘッドコンポーネントに対して損傷の原因となるキャビテーション効果に耐えることが可能な物質をゲート電極２６に対して選択することが可能である。ゲート物質も、ゲート電極２６が流体と接触することがある場合にそのことから発生するような損傷を回避するべく選択することが可能である。タンタル、タンタル合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属がゲート電極２６に対して許容可能である。本発明においては、多くの適用例に対して信頼性があり且つ長期間の動作を与えるために、金属のゲート電極を使用し且つ酸化物であるか窒化物であるか又はそれらをサンドイッチさせたものであるかに拘わらず適切な厚さのゲート誘電体を使用することが望ましい場合がある。
【００４２】
その上にヒーター１０又はよりあり得ることとして適用例に対して所望される設計の多数のヒーターを設けるウエハ１１又は１１′は、又、ヒーターＭＯＳＦＥＴを制御し且つその他の機能を実施するためのＭＯＳＦＥＴ又はその他の回路を包含することが可能である。ヒーターＭＯＳＦＥＴ及びその他のＭＯＳＦＥＴを同一のウエハ又はそれから製造されるチップ上に載せることにより、コストが節約され且つ寸法上の利点を得ることが可能である。このような構成においては、ヒーターＭＯＳＦＥＴ及びその他のＭＯＳＦＥＴはこれら２つのタイプのＭＯＳＦＥＴのチャンネル領域が異なる態様で処理することが可能であるように互いに充分に幾何学的に分離させ、ヒーターＭＯＳＦＥＴのチャンネル領域２０は所望の熱を発生するためにそのチャンネル抵抗ＲＤＳを向上させるべく製造される。
【００４３】
以上、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ制限されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに種々の変形が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づくＭＯＳＦＥＴヒーターを示した概略断面図。
【図２】流体チャンバを有する図１のＭＯＳＦＥＴヒーターの第一変形実施例を示した概略断面図。
【図３】完全に半導体物質内に形成した流体チャンバを具備する図１のＭＯＳＦＥＴヒーターの第二変形実施例を示した概略断面図。
【図４】流体チャンバを具備する図１のＭＯＳＦＥＴヒーターの第三変形実施例を示した概略断面図。
【図５】流体チャンバ及びＭＯＳＦＥＴの周りに延在する熱絶縁用トレンチを具備する図１のＭＯＳＦＥＴヒーターの第四変形実施例を示した概略断面図。
【図６】マルチソース／ドレインＭＯＳＦＥＴ及び該ＭＯＳＦＥＴの周りに延在する熱絶縁用トレンチを使用した流体チャンバを具備する図１のＭＯＳＦＥＴヒーターの第五変形実施例を示した概略断面図。
【図７】チャンネルによって供給される流体チャンバ及びＭＯＳＦＥＴの周りに延在する熱絶縁用トレンチを具備する図１のＭＯＳＦＥＴヒーターの第六変形実施例を示した概略断面図。
【図８】ＭＯＳＦＥＴから横方向にオフセットして且つＭＯＳＦＥＴの正面側に形成した流体チャンバを具備する図１のＭＯＳＦＥＴヒーターの第七変形実施例を示した概略断面図。
【図９】ＭＯＳＦＥＴの正面側でその直上に形成した流体チャンバ及びＭＯＳＦＥＴの周りに延在する熱絶縁用トレンチを具備する図１のＭＯＳＦＥＴヒーターの第八変形実施例を示した概略断面図。
【符号の説明】
１０　集積化ヒーター
１１　ウエハ
１２　基板
１４　ソース領域
１６　ドレイン領域
１８　表面
２０　チャンネル領域
２４　誘電体層
２６　ゲート電極
２９　凹所
３０　チャンバ　（室）
３２　基板
３６　誘電体層
【図１】
2004025426.tif 000003
【図２】
2004025426.tif 000004
【図３】
2004025426.tif 000005
【図４】
2004025426.tif 000006
【図５】
2004025426.tif 000007
【図６】
2004025426.tif 000008
【図７】
2004025426.tif 000009
【図８】
2004025426.tif 000010
【図９】
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