CN103728029B - 基于mems的红外辐射热计及其制作方法 - Google Patents
基于mems的红外辐射热计及其制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于MEMS的红外辐射热计及其制作方法。本发明中的红外辐射热计包括桥面、导热导电桥臂以及桥墩组件；桥面上布置有温敏层；导热导电桥臂有两根，分别是第一导热导电桥臂与第二导热导电桥臂，第一导热导电桥臂与第二导热导电桥臂相对布置在桥面的两侧；桥墩组件包括第一桥墩与第二桥墩，第一桥墩与第二桥墩的底部分别设置有与温敏层电连接的第一读出电路连接点与第二读出电路连接点；桥面与第一读出电路连接点或第二读出电路连接点所在平面之间的间隙大于第一桥墩或者第二桥墩的高度。本发明中桥墩的高度小于桥面的高度，可减小桥墩占用的面积，提高器件单元的有效面积，提高器件的性能。
Description
技术领域
本发明涉及红外辐射热计，具体地说是一种基于MEMS的红外辐射热计及其制作方法。
背景技术
红外辐射热计是一种探测物体发出的红外辐射热的探测器。一切高于绝对零度的物体具有发射辐射热的特性，温度越高，辐射出的总能量也越大，短波的成分也越多。常温或常温附近的物体自身发射的热辐射的波长集中于远红外波段，无法被人眼识别，因此在无日光、星光、月光以及其他照明条件下，人眼对周边的物体无法识别。但这些物体发出的红外辐射热电磁波能够通过红外探测器将辐射热信号转换成容易识别的电信号，再经过处理以后达到人眼能够识别的作用，这样的探测器称之为红外辐射热计。
其中的一种红外辐射热计能够探测8-14微米的红外辐射热，这种探测器能够探测大部分物体发出的辐射热，可以用于夜视、探测火灾、过热零件诊断、物体温度量测、感应人体温度等等，在各行业有广泛的用途。同时，大气层对这个波长的辐射电磁波具有较少的吸收率，因此能够感应较长的距离，使得这一类型的探测器适用于雨、烟、雾、雪等恶劣的天气。
红外辐射热计具有多种形式，其中一种基于微机械电子***技术(也称为MEMS技术)的红外辐射热计具有制造成本低、灵敏度高、并且能够工作在常温状态等特性得到广泛应用。其基本的探热单元是一种基于MEMS微桥结构的单元，如图1所示。整个单元大致为正方形，主要由桥面1，两根导热导电桥臂，以及支撑这个结构并提供电气连接的桥墩组件等三部分组成，两根导热导电桥臂分别是第一导热导电桥臂3、第二导热导电桥臂4，桥墩组件包括第一像元连接5、第二像元连接6，第一读出电路连接点7、第二读出电路连接点8，第一桥墩10、第二桥墩11。桥面1是一块有一定厚度比较平的面，由能够吸收红外辐射热的材料组成，如氮化硅多晶硅等。除此之外，桥面1的上方还覆盖有一层温敏层2，温敏层2由温敏材料如氧化钒等制成，此材料的特点为电阻特性合适，并且对温度变化敏感，温度的变化能够导致其电阻值发生较大的变化。整个结构的等效电路就相当于一个可变电阻Rs。
这种微桥结构单元的工作原理如图2所示，当有红外辐射热9照射在桥面的时候，大部分的红外辐射热被桥面吸收，引起桥面升温，从而导致覆盖在桥面上面的温敏材料的电阻发生变化，这个变化的电阻再由桥面下方的读出电路转化成相应的电信号，然后进行后续处理。
为使辐射热能被桥面最大程度地吸收，从而获得最大的灵敏度，桥面下方通常会设计一个由铝制成的反射层13，桥面1和反射层13之间存在一个间隙12。这个间隙12非常重要，合适的间隙能够使得部分未被桥面吸收的红外辐射热经过桥面下方的反射层13反射回桥面而被桥面再次吸收，增加了结构的灵敏度。这个间隙12通常设计成入射辐射电磁波波长的1／4。如对于红外热成像常用的8-14微米波长的辐射计，其间隙的高度通常设计成2-2.5微米。多个这样的单元可以形成阵列，如320x240阵列、640x480阵列甚至更大的阵列等等，以实现视频红外图像的输出。整个微桥结构单元的面积一般不超过45x45微米，最小的可以达到14x14微米，较小的单元尺寸能够在单位面积上形成较大的阵列、实现更高的解析度，还有更低的制造成本。显然，单元的尺寸大小对于成本来说至为关键。
为获得这样的结构，尤其是需要的桥面和反射层之间的间隙，其制造工艺流程通常需要用到一种牺牲层。牺牲层的作用是在工艺的过程中对结构进行支撑，而在工艺的最后进行去除，从而获得需要的间隙。
常见的基于MEMS的红外辐射热计的制作工艺流程如图3(a)～图3(f)所示，具体描述如下：
图3(a)：器件的衬底。器件基于一定的衬底，这个衬底可以是多种形式，如含有读出电路的圆片，或者单晶硅衬底等等。以硅衬底为例，其衬底为阻值合适的单晶硅圆片，在此基础上，先用PECVD(等离子增强的化学气相沉积)但不限于PECVD方法在单晶硅衬底21上沉积一层厚度为的氮化硅(SiNx)薄膜22。然后再沉积上一层金属用于制作金属连接。这层金属可以但不限于Al，Ti／TiN，厚度为紧接着采用光刻+金属刻蚀的方法形成金属连接图形23。
图3(b)：牺牲层以及吸收层制作。先用涂覆或者生长一层牺牲层29，其厚度为2-2.5μm，这层牺牲层29的材料应该为耐高温材料，能够承受后续的高温工艺，如350℃的PECVDSiNx沉积工艺，材料可以为(但不限制为)聚酰亚胺(Polyimide)。然后在金属连接图形23上方光刻刻蚀，形成碗状的第一桥墩模子24、第二桥墩模子25。紧接着在牺牲层29上沉积一层PECVDSiNx层，用作辐射计单元的辐射吸收层26，并在金属连接图形23上方开第一连接孔27、第二连接孔28，为之后的金属连接做准备。
图3(c)：温敏层的制作。紧接着，用PECVD、PVD或者其他相应的方法沉积上一层温敏材料并光刻刻蚀以形成所需要的图形，形成温敏层30。这层温敏层30的材料可以是但不限于多晶硅、氧化钒等等。
图3(d)：金属连接层制作。器件上再沉积上一层金属如Ti，NiCr合金等热导系数比较小的材料。此金属刻蚀以后形成的图形为金属连接层31，其起两个作用，一个是连接桥墩和桥墩下方的金属接触图形23，另外通过桥臂连接桥墩和导电温敏层30。
图3(e)：器件上再沉积一层SiNx钝化层32，起到保护器件的作用。
图3(f)：器件经过适当的切割以后进行释放工艺，掏空全部的牺牲层29，工艺完成并等待封装。
如上所示，在传统的制造工艺设计中，其牺牲层29的厚度决定间隙。然而，这种工艺设计方案具有一些缺陷。第一，如果牺牲层29的厚度达到2.5微米时，在工艺上实现第一连接孔27与第二连接孔28的难度显著增加，在碗口内的光刻胶由于碗口效应，厚度显著增加，光刻工艺不容易控制，容易造成成品率低。再加上连接孔27、28位于碗口的底部，和位于碗口边沿的光刻标记位置有一个2.5微米的高度差，在光刻工艺中容易造成由于光刻机曝光景深不够造成的曝光图形边缘不清晰，从而容易导致连接孔失效，造成成品率低下。第二，为保证在桥墩上的电器连接性，牺牲层29的开孔需要做成碗口形状，如图4所示。其金属连接层31通常采用物理气相沉积(PVD)方法，其特点是金属沉积过程是垂直向下的，如果牺牲层开口的侧壁角度θ较大，如接近90度，这样在侧壁沉积的金属将非常少，导致侧壁的导电性差，甚至会造成不导电的情况。因此，牺牲层29的开口侧壁通常会需要一个小于60度的角度以获得良好的侧壁导电性。这样，牺牲层29开口的截面会是个倒梯形，上方的开口直径d2会大于下方的开口直径d1，其差别d2-d1可以表示为：
d2-d1=2dcos(θ)
在d为2.5微米的情况下，d2-d1可以达到2.5微米。这样导致桥墩的上表面需要较大的面积。由于桥墩主要起机械支撑和导电的作用，对器件单元的性能没有任何帮助。桥墩占用的面积越大，则器件单元的有效面积越小，性能越差。较大的桥墩面积对于较大的器件单元如45x45微米的单元可以忽略，但对于较小的器件单元如14x14微米的单元则不可忽略，会显著降低器件的有效面积，从而显著降低器件的性能。
因此从以上两个方面来说，如果能够降低牺牲层的厚度，同时又能够保持桥面和反射层之间需要的2-2.5微米的间隙对小器件单元时是非常重要的。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种基于MEMS的红外辐射热计及其制作方法，该红外辐射热计在制作时可以在使用较薄的牺牲层厚度的同时获得足够的桥面间隙。
本发明中的一种基于MEMS的红外辐射热计的技术方案为：其包括桥面、导热导电桥臂以及桥墩组件；所述桥面上布置有温敏层；所述导热导电桥臂有两根，分别是第一导热导电桥臂与第二导热导电桥臂，所述第一导热导电桥臂与所述第二导热导电桥臂相对布置在所述桥面的两侧；所述桥墩组件包括分别布置在所述第一导热导电桥臂与所述第二导热导电桥臂端部下方的第一桥墩与第二桥墩，所述第一桥墩与所述第二桥墩的底部分别设置有与所述温敏层电连接的第一读出电路连接点与第二读出电路连接点；所述桥面与所述第一读出电路连接点或所述第二读出电路连接点所在平面之间的间隙大于所述第一桥墩或者所述第二桥墩的高度。
进一步地，所述第一桥墩或者所述第二桥墩的高度为0.3-1.5微米，所述间隙为1-4微米。
进一步地，所述第一导热导电桥臂与所述第二导热导电桥臂分别为L形。
本发明中的一种基于MEMS的红外辐射热计的制作方法的技术方案为：其包括以下步骤：
(a)器件的衬底：在衬底上沉积一层氮化硅薄膜或者二氧化硅，然后再沉积上一层金属用于制作金属连接，接着采用光刻+金属刻蚀的方法形成金属连接图形；
(b)牺牲层以及吸收层制作：在氮化硅薄膜及金属连接图形上涂覆或者生长一层牺牲层；然后在金属连接图形上方光刻刻蚀，形成碗状的第一桥墩模子、第二桥墩模子；紧接着在牺牲层上沉积一层吸收层，并在金属连接图形上方开第一连接孔、第二连接孔；该吸收层在工艺过程中施加一个负值的预应力；
(c)温敏层的制作：接着，在吸收层上沉积一层温敏材料并光刻刻蚀以形成温敏层；
(d)金属连接层的制作：器件上再沉积上一层金属，并刻蚀以后形成金属连接层；
(e)器件上再沉积一层钝化层，该钝化层在工艺过程中施加一个正值的预应力；
(f)器件经过切割以后进行释放工艺，掏空全部的牺牲层，工艺完成并等待封装。
进一步地，所述氮化硅薄膜或者二氧化硅厚度为所述金属连接图形的厚度为
进一步地，所述吸收层在工艺过程中施加预应力为-50～-500MPa，所述钝化层在工艺过程中施加的预应力为+50～+500MPa。
本发明的技术效果在于：本发明中的辐射热计，其桥墩的高度小于桥面的高度，可减小桥墩占用的面积，提高器件单元的有效面积，提高器件的性能。本发明中的方法可大大降低牺牲层的厚度，在工艺过程中根据设计施加不同的应力，使得各层薄膜有不同的预应力，等到器件释放以后，牺牲层消失，桥臂结构在预应力的作用下，自然形成一定的翘曲，从而达到桥面相对于桥墩平面在高度上得到提升。这样，即使较薄的牺牲层也能够获得需要的桥面高度，而且桥面的高度由预应力决定，可以通过施加不同的预应力调节桥面的高度。
附图说明
图1为基于MEMS的红外辐射热计的结构示意图。
图2为红外辐射热计的工作原理图。
图3(a)～图3(f)为红外辐射热计的工艺流程图。
图4为红外辐射热计金属连接处的截面详图。
图5(a)、图5(b)为本发明施加预应力后的结构形变示意图。
图6为有限元仿真结构图。
图7为有限元仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
图1～图7中，包括桥面1、温敏层2、第一导热导电桥臂3、第二导热导电桥臂4、第一像元连接5、第二像元连接6，第一读出电路连接点7、第二读出电路连接点8，第一桥墩10、第二桥墩11、间隙12、反射层13、衬底21、氮化硅或者二氧化硅薄膜22、金属连接图形23、第一桥墩模子24、第二桥墩模子25、吸收层26、第一连接孔27、第二连接孔28、牺牲层29、金属连接层31、钝化层32等。
如图1、图5(b)、图6及图7所示，一种基于MEMS的红外辐射热计，包括桥面1、导热导电桥臂以及桥墩组件。
桥面1上布置有温敏层2。温敏层2由温敏材料如氧化钒等制成。
导热导电桥臂有两根，分别是第一导热导电桥臂3与第二导热导电桥臂4，第一导热导电桥臂3与第二导热导电桥臂4相对布置在桥面1的两侧。第一导热导电桥臂3与第二导热导电桥臂4分别为L形，当然也可以是“一”字形，甚至可以是绕来绕去的多个“一”字形组成的。
桥墩组件包括分别布置在第一导热导电桥臂3与第二导热导电桥臂4端部下方的第一桥墩10与第二桥墩11，第一桥墩10与第二桥墩11的底部分别设置有与温敏层2电连接的第一读出电路连接点7与第二读出电路连接点8；第一桥墩10与第二桥墩11的顶部分别设置有第一像元连接5、第二像元连接6。
桥面1与第一读出电路连接点7或第二读出电路连接点8所在平面之间的间隙12大于第一桥墩10或者第二桥墩11的高度。第一桥墩10或者第二桥墩11的高度一般为0.3-1.5微米，间隙12为1-4微米。
上述基于MEMS的红外辐射热计的制作方法，包括以下步骤：
(a)器件的衬底：衬底可以是多种形式，如含有读出电路的圆片，或者单晶硅衬底等等。以硅衬底为例，其衬底为阻值合适的单晶硅圆片，在此基础上，先用PECVD但不限于PECVD方法在单晶硅衬底21上沉积一层厚度为的氮化硅(SiNx)薄膜22。然后再沉积上一层金属用于制作金属连接，这层金属可以是但不限于Al，Ti／TiN，厚度为接着采用光刻+金属刻蚀的方法形成金属连接图形23；
(b)牺牲层以及吸收层制作：在氮化硅或者二氧化硅薄膜22及金属连接图形23上涂覆或者生长一层牺牲层29，其厚度为0.5-1μm，这层牺牲层29的材料为耐高温材料，能够承受后续的高温工艺，如350℃的PECVDSiNx沉积工艺，材料可以为(但不限制为)聚酰亚胺(Polyimide)；然后在金属连接图形23上方光刻刻蚀，形成碗状的第一桥墩模子24、第二桥墩模子25；紧接着在牺牲层29上沉积一层PECVDSiNx，用作辐射计单元的辐射吸收层26，并在金属连接图形23上方开第一连接孔27、第二连接孔28，为之后的金属连接做准备；该吸收层26在工艺过程中施加一个负值的预应力，例如-50～-500MPa。施加负值的预应力的方法可以通过调整工艺过程中的工艺参数如工艺气体种类、工艺气体流量、腔室温度、热盘温度、射频电源功率、高低频射频电源的功率配比等等。以采用美国Novellus公司制造的型号为ConceptOne的PECVD薄膜沉积设备为例，该设备具有两个射频功率源，一个为13.56MHz高频射频电源，另外一个为90-450KHz低频射频电源。一个产生-216MPa的功率菜单如下：
表1-216MPa工艺参数
| 参数 | 参数 |
| 工艺时真空压力 | 2.8Torr |
| 工艺温度 | 350℃ |
| 工艺气体SiH4 | 1升／min |
| 氨气NH3 | 5升／min |
| 沉积时间(单片) | 7.0秒 |
| 总功率 | 700W |
| 高频功率 | 590W |
| 低频功率 | 110W |
| 氮化硅薄膜厚度 | 2000A |
| 应力 | -216MPa |
| 应力重复性 | +／-20MPa |
需要说明的是，此工艺菜单以及实施此工艺的设备仅用于说明工艺的可行性，本发明并不限于此设备和此工艺菜单。
(c)温敏层的制作：接着，用PECVD、PVD或者其他相应的方法在吸收层26上沉积一层温敏材料并光刻刻蚀以形成温敏层30；温敏材料可以是但不限于多晶硅、氧化钒等等。
(d)金属连接层的制作：器件上再沉积上一层金属，如Ti，NiCr合金等热导系数比较小的材料，并刻蚀以后形成金属连接层31；
(e)器件上再沉积一层SiNx钝化层32，起到保护器件的作用。该钝化层32在工艺过程中施加一个正值的预应力，例如+50～+500MPa。施加正值预应力的方法可以通过调整工艺过程中的工艺参数如工艺气体种类、工艺气体流量、腔室温度、热盘温度、射频电源功率、高低频射频电源的功率配比等等。以采用美国Novellus公司制造的型号为ConceptOne的PECVD薄膜沉积设备为例，该设备具有两个射频功率源，一个为13.56MHz高频射频电源，另外一个为90-450KHz低频射频电源。一个产生+216MPa的功率菜单如下：
表2+216MPa工艺参数
| 参数 | 参数 |
| 工艺时真空压力 | 2.8Torr |
| 工艺温度 | 350℃ |
| 工艺气体SiH4 | 1升／min |
| 氨气NH3 | 5升／min |
| 沉积时间(单片) | 7.0秒 |
| 总功率 | 700W |
| 高频功率 | 290W |
| 低频功率 | 410W |
| 氮化硅薄膜厚度 | 2000A |
| 应力 | +216MPa |
| 应力重复性 | +／-20MPa |
需要说明的是，此工艺菜单以及实施此工艺的设备仅用于说明工艺的可行性，本发明并不限于此设备和此工艺菜单。
(f)器件经过切割以后进行释放工艺，掏空全部的牺牲层29，工艺完成并等待封装。
如图6、图7所示，通过有限元分析软件对一种面积为25x25微米的器件单元模型进行了施加预应力后的形变分析，此单元采用“L”形桥臂，桥臂总长43.5微米，截面宽度为1微米。桥臂材料为底层为氮化硅，中间金属钛、上层氮化硅的常见结构，厚度从下至上分别为：2000A，1000A，2000A。在上下SIN层的应力为-216MPa和+216MPa时，桥面中心位移1.55um，也就是说桥面提升了1.55微米，达到了发明所描述的结果。
本发明中的辐射热计，其桥墩的高度小于桥面的高度，可减小桥墩占用的面积，提高器件单元的有效面积，提高器件的性能。本发明中的方法可大大降低牺牲层的厚度，在工艺过程中根据设计施加不同的应力，使得各层薄膜有不同的预应力，等到器件释放以后，牺牲层消失，桥臂结构在预应力的作用下，自然形成一定的翘曲，从而达到桥面相对于桥墩平面在高度上得到提升。这样，即使较薄的牺牲层也能够获得需要的桥面高度，而且桥面的高度由预应力决定，可以通过施加不同的预应力调节桥面的高度。
本发明具有以下优点：1)桥墩占用的器件单元面积大为减少，使得与之对应的器件单元的有效面积增加，使得器件的性能得到提高；2)在工艺流程完全不变的情况下，可以制造出不同桥面高度的器件单元以适用于不同的应用。所需要的特别之处就是对工艺流程中某些薄膜施加不同的预应力，这在工艺上的实现通常比较容易；3)传统的设计和工艺流程中，如果需要改变桥面高度，除了需要开发不同的牺牲层厚度的工艺菜单，甚至涉及牺牲层材料的变更，成本较高。而在本发明中这个问题不存在。4)由于牺牲层的厚度发生了改变，带来设计上桥墩的大小以及位置发生了改变，由此需要对器件单元的全部光刻掩膜版进行重新设计，人力费用和原材料费用都非常大。5)如果器件单元因为应用的需要桥面的高度超过2.5微米，采用传统工艺流程需要大景深的高精度光刻机，设备采购和维护成本很高。而本发明采用的方法能够提高器件的性能、提高器件工艺流程的适用性，降低工艺开发的难度以及对工艺设备的要求，并最终达到降低器件的生产成本的作用。
Claims (6)
1.一种基于MEMS的红外辐射热计，包括桥面(1)、导热导电桥臂以及桥墩组件；所述桥面(1)上布置有温敏层(2)；所述导热导电桥臂有两根，分别是第一导热导电桥臂(3)与第二导热导电桥臂(4)，所述第一导热导电桥臂(3)与所述第二导热导电桥臂(4)相对布置在所述桥面(1)的两侧；所述桥墩组件包括分别布置在所述第一导热导电桥臂(3)与所述第二导热导电桥臂(4)端部下方的第一桥墩(10)与第二桥墩(11)，所述第一桥墩(10)与所述第二桥墩(11)的底部分别设置有与所述温敏层(2)电连接的第一读出电路连接点(7)与第二读出电路连接点(8)；其特征是：所述桥面(1)与所述第一读出电路连接点(7)或所述第二读出电路连接点(8)所在平面之间的间隙(12)大于所述第一桥墩(10)或者所述第二桥墩(11)的高度。
2.按照权利要求1所述的基于MEMS的红外辐射热计，其特征是：所述第一桥墩(10)或者所述第二桥墩(11)的高度为0.3-1.5微米，所述间隙(12)为1-4微米。
3.按照权利要求1或2所述的基于MEMS的红外辐射热计，其特征是：所述第一导热导电桥臂(3)与所述第二导热导电桥臂(4)分别为L形。
4.一种基于MEMS的红外辐射热计的制作方法，其特征是，包括以下步骤：
(a)器件的衬底：在衬底(21)上沉积一层氮化硅或者二氧化硅薄膜(22)，然后再沉积上一层金属用于制作金属连接，接着采用光刻+金属刻蚀的方法形成金属连接图形(23)；
(b)牺牲层以及吸收层制作：在氮化硅薄膜(22)及金属连接图形(23)上涂覆或者生长一层牺牲层(29)；然后在金属连接图形(23)上方光刻刻蚀，形成碗状的第一桥墩模子(24)、第二桥墩模子(25)；紧接着在牺牲层(29)上沉积一层吸收层(26)，并在金属连接图形(23)上方开第一连接孔(27)、第二连接孔(28)；该吸收层(26)在工艺过程中施加一个负值的预应力；
(c)温敏层的制作：接着，在吸收层(26)上沉积一层温敏材料并光刻刻蚀以形成温敏层(30)；
(d)金属连接层的制作：器件上再沉积上一层金属，并刻蚀以后形成金属连接层(31)；
(e)器件上再沉积一层钝化层(32)，该钝化层(32)在工艺过程中施加一个正值的预应力；
(f)器件经过切割以后进行释放工艺，掏空全部的牺牲层(29)，工艺完成并等待封装。
5.按照权利要求4所述的基于MEMS的红外辐射热计的制作方法，其特征是：所述氮化硅或者二氧化硅薄膜(22)厚度为所述金属连接图形(23)的厚度为
6.按照权利要求4或5所述的基于MEMS的红外辐射热计的制作方法，其特征是：所述吸收层(26)在工艺过程中施加预应力为-50～-500MPa，所述钝化层(32)在工艺过程中施加的预应力为+50～+500MPa。
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2013
- 2013-12-19 CN CN201310712997.9A patent/CN103728029B/zh active Active
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