專利名稱：一種非致冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種非致冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)的制備方法，屬于非致冷紅外探測技術(shù)領(lǐng)域,涉及MEMS 器件結(jié)構(gòu)和制備方法。
背景技術(shù)：
紅外探測技術(shù)作為對人類感官的補充和擴展，在民用和軍用方面得到了廣泛的應(yīng)用。目 前比較成熟的光子型紅外探測器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到通信、醫(yī)學(xué)、軍事和工業(yè)等領(lǐng)域，但因為 其工作時必須低溫致冷，造成整個系統(tǒng)龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且成本偏高，從而無法大規(guī)模的推 廣應(yīng)用。大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展使非致冷紅外探測器的研制成為可能，目前非致冷紅外 焦平面陣列技術(shù)已經(jīng)成為紅外探測技術(shù)最流行的方向，這種技術(shù)使我們有能力在常溫下就獲 得具有很高敏感性能的紅外探測器，另外，其成本低、體積小、重量輕、功耗小和響應(yīng)波段 寬的優(yōu)勢，使其大規(guī)模的市場化成為可能。
非致冷紅外焦平面器件的基本工作原理是，目標物體的紅外輻射被非致冷紅外焦平面器 件的紅外吸收層所吸收，從而引起熱敏感薄膜溫度升高，由于熱敏感薄膜具有溫度-電阻 (TCR)特性，其電阻將發(fā)生變化，并通過其中的電學(xué)通道將這種變化傳遞給讀出電路，從 而檢測出該電阻值的變化，最終實現(xiàn)對紅外輻射的探測。
在非致冷紅外焦平面器件的根本是要實現(xiàn)室溫下的紅外探測，因而其探測結(jié)構(gòu)的設(shè)計就 成為整個器件的關(guān)鍵。長期以來一種典型的探測結(jié)構(gòu)就是采用微橋結(jié)構(gòu)。整個微橋是直接制 作在器件襯底上的微腔結(jié)構(gòu)，由橋墩、橋腿和橋面組成，橋墩支撐起橋腿和橋面，使橋腿和 橋面懸浮于襯底之上，并且在橋面上淀積熱敏薄膜和紅外探測薄膜。那么在器件工作時，目 標紅外輻射的變化反映到熱敏感薄膜電阻的變化，制作在微橋中的電學(xué)通道將這一變化傳遞 到后端讀出電路即探測到目標信號。因此，微橋結(jié)構(gòu)在非致冷紅外器件中起著至關(guān)重要的作 用1、機械支撐作用它支撐起器件的敏感探測元，這要求它具有良好的牢固性與穩(wěn)定性； 2、電學(xué)傳導(dǎo)通道它將探測到的紅外輻射形成的電子信號傳遞給襯底上的讀出電路；3、熱 傳導(dǎo)通道在紅外焦平面器件中，熱量損失主要以熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種進行，而熱
敏感層通過熱隔離結(jié)構(gòu)到襯底的熱傳導(dǎo)是熱量損失的主要形式，這要求焦平面器件要對熱隔 離結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計以使之在滿足系統(tǒng)要求下盡量減少熱量損失。
正是由于微橋結(jié)構(gòu)在整個器件中起著至關(guān)重要的作用，其制備方法一直以來也備受重視。
一種傳統(tǒng)的非制冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)的制備方法是首先在襯底材料上制作一層電極材料; 然后生長一定厚度的機械性能良好的薄膜，刻蝕成橋墩形狀；隨后生長犧牲層材料，并與橋
墩等高；在此基礎(chǔ)上繼續(xù)制作橋腿和橋面，并與橋墩連結(jié)；在橋面上也要制作一層電極材料， 并且要在橋墩中進行必要的開孔工藝，以保證橋面上的電極能與襯底上的電極連通，以形成 器件的電學(xué)通道。這種制備方法的最顯著的特點在于其橋墩、橋腿和橋面的制作需經(jīng)過兩 次薄膜生長工藝才能完成，是非一體的，且其最初生成的橋墩是實心的，只是在后期通過刻 蝕工藝中進行了開孔。正是由于它的這種特點，導(dǎo)致其存在著一些固有的缺陷首先由于橋 墩、橋腿和橋面不是在一次薄膜生長過程中完成的，因此其相互間的連接牢固性必然不好， 極易出現(xiàn)連接不牢、接觸應(yīng)力大等問題，最終導(dǎo)致橋面和橋腿變形、甚至脫落，從而是器件 失效；其次，這種制備方法必須要在實心橋墩上開出通孔，而一般說來橋墩的表面積相對于 其高度而言較小，因此開孔的工藝難度很大，不一定能保證器件的電學(xué)通道連通， 一旦出現(xiàn) 這種情況，也會使器件失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種非致冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)的制備方法，其橋墩、橋腿和橋面 的支撐結(jié)構(gòu)由一次薄膜生長完成，且節(jié)省了采用橋墩開孔步驟，整個微橋的機械支撐更為牢 固，電學(xué)連通更有保證，且大大降低了工藝難度和工藝復(fù)雜性。
本發(fā)明的詳細技術(shù)方案為
一種非致冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)的制備方法，如圖3—圖4所示，包括以下步驟 步驟1、在襯底1上制作與讀出電路相連的微橋結(jié)構(gòu)的下端電極3。
步驟2、生長犧牲層4，刻蝕露出下端電極3。
步驟3、沉積微橋結(jié)構(gòu)的支撐層5，刻蝕漏出下端電極3，并刻蝕制作橋腿和橋面。由于 支撐層薄膜厚度遠小于犧牲層薄膜的厚度，因此淀積支撐層后在犧牲層中刻蝕漏出下端電極 3的通孔中將形成空心橋墩，且在犧牲層之上將形成一個平面，該平面經(jīng)刻蝕后將形成連接 橋墩與橋面的橋腿。
步驟4、制作與下端電極3相連的上端電極6后，然后依次沉積熱敏薄膜7、鈍化層8， 并去除犧牲層4，形成完整的微橋結(jié)構(gòu)。
圖3給出了本發(fā)明的主要工藝步驟流程框圖。圖4給出的是本發(fā)明主要工藝步驟的微橋 結(jié)構(gòu)截面示意圖。應(yīng)當說明的是，非致冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)從橋面垂直往里看，是呈180 度旋轉(zhuǎn)對稱的；由于圖4是截面示意圖，所以只能看到一個橋墩。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當知道 非制冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)，圖4只是為了讓人便于理解本發(fā)明所述的非制冷紅 外焦平面微橋結(jié)構(gòu)的制備方法，而非說明非制冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)。實際上非 制冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)多種多樣，但采用本發(fā)明所述的制備方法均可予以實現(xiàn)。
本發(fā)明利用一次薄膜生長工藝即可完成橋墩、橋腿和橋面的支撐結(jié)構(gòu)，即整個微橋結(jié)構(gòu)
的"構(gòu)架"由同一種支撐層材料在一次薄膜生長工藝中完成，大大降低了工藝難度和復(fù)雜性， 且橋墩、橋腿和橋面三位一體，使得整個微橋的機械支撐更為牢固，穩(wěn)定性更高；同時，本 發(fā)明利用一次薄膜生長工藝制作出的橋墩成空心狀，使得微橋結(jié)構(gòu)的電學(xué)通道制作過程變得 更為簡單，無需另外在橋墩中開孔，只需簡單的光刻工藝即可保證上端電極和下端電極相連， 從而實現(xiàn)從上端熱敏薄膜到下端讀出電路的連通。
基于以上分析，本發(fā)明有益效果在于
與現(xiàn)有技術(shù)相比，利用本發(fā)明可制備機械性能更加牢固、穩(wěn)定性更高且電學(xué)連通更加有
保障的非制冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)；同時，本發(fā)明簡化了制備工藝，降低了制作成本。


圖1是美國雷神公司制造的非致冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)示意圖，是一種采用橋墩、橋腿
和橋面兩次生長工藝完成的微橋結(jié)構(gòu)。
圖2是美國雷神公司制造的非致冷紅外焦平面陣列的SEM照片。
圖3是本發(fā)明所述的非致冷紅外焦平面器件微橋結(jié)構(gòu)制備方法的主要工藝流程框圖。
圖4是本發(fā)明所述的非致冷紅外焦平面器件微橋結(jié)構(gòu)制備方法的主要工藝步驟的微橋結(jié)
構(gòu)截面示意圖。
共有9個子圖，圖4 (a)是襯底上制作下端電極的截面示意圖，其中1是襯底，3是下 端電極；圖4(b)是生長犧牲層后的截面示意圖，其中4是犧牲層；圖4(c)是生長犧牲層并 刻蝕漏出下端電極的截面示意圖；圖4(d)是沉積支撐層后的截面示意圖，其中5是支撐層； 圖4 (e)是沉積支撐層并刻蝕漏出下端電極的截面示意圖；圖4 (f)是制作上端電極后的截 面示意圖，其中6是上端電極；圖4 (g)是沉積熱敏薄膜后的截面示意圖，其中7是熱敏薄 膜；圖4 (h)是沉積鈍化層后的截面示意圖，其中8是鈍化層；圖4 (i)是去除犧牲層后的 截面示意圖。
圖3A處看去的剖面圖，其中1是襯底，2是絕緣層，3是下端電極，4是橋墩，5是橋 面，6是橋腿，7是反射層，8是支撐層，9是上電極，ll是熱敏薄膜，12是鈍化層，13是 紅外諧振腔。
具體實施例方式
一種非致冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)的制備方法，如圖3所示，包括以下步驟
步驟1、在襯底1上制作與讀出電路相連的微橋結(jié)構(gòu)的下端電極3。 步驟2、生長犧牲層4，刻蝕露出下端電極3。
步驟3、沉積微橋結(jié)構(gòu)的支撐層5，刻蝕漏出下端電極3，并刻蝕制作橋腿和橋面。由于 支撐層薄膜厚度遠小于犧牲層薄膜的厚度，因此淀積支撐層后在犧牲層中刻蝕漏出下端電極
3的通孔中將形成空心橋墩，且在犧牲層之上將形成一個平面，該平面經(jīng)刻蝕后將形成連接 橋墩與橋面的橋腿。
步驟4、制作與下端電極3相連的上端電極6后，然后依次沉積熱敏薄膜7、鈍化層8， 并去除犧牲層4，形成完整的微橋結(jié)構(gòu)。
上述方案在具體實施時，為了完善和提高所制備的非制冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)的性能， 并不排斥增加特定的工藝步驟。比如在步驟1和步驟2之間增加絕緣化處理步驟，即在制 作下端電極3之后沉積一層絕緣層(材料可以是Si02、 SiC或Si晶)以保證非制冷紅外焦平 面各單元微橋結(jié)構(gòu)之間相互絕緣；在所增加的絕緣化處理步驟之后還可以增加平坦化處理(如 對絕緣層進行拋光)步驟和沉積反射層步驟，以提高所制備的微橋結(jié)構(gòu)紅外諧振腔的紅外諧 振性能；在步驟3沉積支撐層之前增加平坦化處理步驟，以提高所制備的微橋結(jié)構(gòu)紅外諧振
腔的紅外諧振性能；步驟4之后增加器件封裝步驟，以提高非制冷紅外焦平面的穩(wěn)定性。
步驟1中所述下端電極3可用Al、 NiCr、 Wu或Ti等材料制作。 步驟2中所述犧牲層4材料可以是Si02或聚酰亞胺。 步驟3中所述支撐層5材料可以是Si、 Si02、 SiC或Si孔。
如果增加沉積反射層步驟，所述反射層材料可以是具有良好紅外反射功能的金屬材料、 金屬氧化物材料、半導(dǎo)體材料以及高分子材料。
步驟4中所述上端電極6可用Al、 NiCr、 Wu或Ti等材料制作。
步驟4中所述熱敏薄膜7由具有TCR特性的材料制作，可以是VOx、 Si、 Ge、 Si-Ge、 Te、 Bi、 Ni-Co-Mn或GaAs等。
步驟4中所述鈍化層8，可用SiC、 Si3N4或TiN等材料制作。
以上各種技術(shù)特征在本發(fā)明基本技術(shù)方案之上的各種組合，均在本發(fā)明申請保護的范圍 之內(nèi)，在此不再一一贅述。
權(quán)利要求
1、一種非致冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟步驟1、在襯底(1)上制作與讀出電路相連的微橋結(jié)構(gòu)的下端電極(3)；步驟2、生長犧牲層(4)，刻蝕露出下端電極(3)；步驟3、沉積微橋結(jié)構(gòu)的支撐層(5)，刻蝕漏出下端電極(3)，并刻蝕制作橋腿和橋面；由于支撐層薄膜厚度遠小于犧牲層薄膜的厚度，因此淀積支撐層后在犧牲層中刻蝕漏出下端電極(3)的通孔中將形成空心橋墩，且在犧牲層之上將形成一個平面，該平面經(jīng)刻蝕后將形成連接橋墩與橋面的橋腿；步驟4、制作與下端電極(3)相連的上端電極(6)后，然后依次沉積熱敏薄膜(7)、鈍化層(8)，并去除犧牲層(4)，形成完整的微橋結(jié)構(gòu)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非致冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是，在歩驟1 和歩驟2之間增加絕緣化處理步驟，即在制作下端電極(3)之后沉積一層絕緣層以保證非制 冷紅外焦平面各單元微橋結(jié)構(gòu)之間相互絕緣。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的非致冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是，所述絕緣 層材料是Si02、 SiC或Si凡。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的非致冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是，在所述絕 緣化處理歩驟之后增加平坦化處理步驟和沉積反射層步驟，以提高所制備的微橋結(jié)構(gòu)紅外諧 振腔的紅外諧振性能。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的非致冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是，所述反射 層材料是具有紅外反射功能的金屬材料、金屬氧化物材料、半導(dǎo)體材料以及高分子材料。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非致冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是，在歩驟3 沉積支撐層之前增加平坦化處理歩驟，以提高所制備的微橋結(jié)構(gòu)紅外諧振腔的紅外諧振性能。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4或6所述的非致冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是，所述 平坦化處理為拋光。
8、 根據(jù)權(quán)利要求]所述的非致冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是，所述下端 電極(3)或上端電極(6〉用Al、 NiCr、 Wu或Ti材料制作；所述犧牲層(4)材料是Si02 或聚酰亞胺；所述支撐層(5)材料是Si、 Si02、 SiC或Si扎；所述熱敏薄膜(7)材料是VOx、 Si、 Ge、 Si-Ge、 Te、 Bi、 Ni畫Co-Mn或GaAs;所述鈍化層(8)材料是SiC、 Si.凡或TiN。
全文摘要
一種非致冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)的制備方法，屬于非致冷紅外探測技術(shù)領(lǐng)域，涉及MEMS器件結(jié)構(gòu)和制備方法。本發(fā)明利用一次薄膜生長工藝完成橋墩、橋腿和橋面的支撐結(jié)構(gòu)，大大降低了工藝難度和復(fù)雜性，且橋墩、橋腿和橋面三位一體，使得整個微橋的機械支撐更為牢固，穩(wěn)定性更高；同時，本發(fā)明利用一次薄膜生長工藝制作出的橋墩成空心狀，使得微橋結(jié)構(gòu)的電學(xué)通道制作過程變得更為簡單，無需另外在橋墩中開孔，只需簡單的光刻工藝即可保證上端電極和下端電極相連。與現(xiàn)有技術(shù)相比，利用本發(fā)明可制備機械性能更加牢固、穩(wěn)定性更高且電學(xué)連通更加有保障的非制冷紅外焦平面微橋結(jié)構(gòu)；同時，本發(fā)明簡化了制備工藝，降低了制作成本。
文檔編號B81C1/00GK101357747SQ20081004608
公開日2009年2月4日 申請日期2008年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月17日
發(fā)明者濤 王, 蔣亞東, 凱 袁, 超 陳 申請人:電子科技大學(xué)