專利名稱：一種薄膜微橋結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種薄膜微橋結(jié)構(gòu)及其制作方法。
背景技術(shù)：
自1800年英國物理學(xué)家赫胥爾發(fā)現(xiàn)了紅外線以后，由于紅外線具有能穿透黑夜、厚云和濃煙等進行探測和成像的特殊本領(lǐng)，紅外探測就成為科研工作者的一個重要研究內(nèi)容。紅外探測器分為兩類光子探測器和熱探測器。光子探測器具有很高的靈敏度，但是需要在體積和功耗都相對較大的制冷器協(xié)助下才能正常工作。而熱探測器可以在室溫下正常工作，無需制冷器協(xié)助，與光子型紅外探測器相比，具有體積小、重量輕、價格低和操作簡單等很多優(yōu)點，可用于諸多非苛刻靈敏度要求下的軍事領(lǐng)域和公安消防、汽車夜視、防盜保安和醫(yī)學(xué)診斷等民用領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景和市場前景。
微測輻射熱計是通過測量集成于探測器之上的熱敏電阻的變化來反應(yīng)入射紅外輻射的大小的。探測器的溫升是與探測器與襯底間的熱阻成正比的。由于紅外輻射的能量很小，為了獲得較大的探測信號，提高探測器信噪比，常利用微橋結(jié)構(gòu)實現(xiàn)探測器與襯底間的高熱阻。美國Honeywell研究中心經(jīng)過多年研究后，在二十世紀90年代報道了他們開發(fā)出的多種型號的非致冷微測輻射熱計，其中噪聲等效溫差在8-12μm波段達到0.039℃，可以實現(xiàn)中波和長波紅外成像(Wood，R.A.，“High-performance Infrared ThermalImaging with monolithic silicon Focal planes operating at Room Temperature”，IEEE onIEDM，pp.175-177，1993.)。該探測器的核心結(jié)構(gòu)就是具有高熱阻特性的薄膜微橋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)利用一種聚合物作為犧牲層材料，利用低應(yīng)力氮化硅薄膜作為結(jié)構(gòu)層，真空封裝后與襯底間的熱導(dǎo)為2×10-7W/K，具有很好的熱絕緣特性(Cole.B.E.，etc，“Monolithic two-dimensional arrays of micromachined microstructures forinfrared applications”Proceedings of the IEEE，86(8)，pp.1679-1686，1998)。但Honeywell中心研制的微橋結(jié)構(gòu)沒有集成橋墩結(jié)構(gòu)，而是利用兩條傾斜的橋腿將橋面支撐在硅襯底之上，這種彎曲的橋腿容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成微橋結(jié)構(gòu)破損和器件成品率下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述微橋結(jié)構(gòu)不足之處，提供一種薄膜微橋結(jié)構(gòu)。它解決了由于橋腿彎曲導(dǎo)致的應(yīng)力集中所造成探測器成品率下降的問題；本發(fā)明還提供了該薄膜微橋結(jié)構(gòu)的制作方法。
本發(fā)明提供的一種薄膜微橋結(jié)構(gòu)，其特征在于橋腿與橋面采用氧化硅和氮化硅復(fù)合薄膜制成，均位于同一平面內(nèi)，橋腿的一端與橋面相連，另一端架在金屬橋墩上，橋面由橋腿和橋墩支撐懸浮在襯底上，橋面與襯底之間構(gòu)成空腔。
上述薄膜微橋結(jié)構(gòu)的制作方法，其步驟包括①、清洗襯底表面，并進行表面活化；②、在襯底表面旋涂一層1-5μm厚的光敏聚酰亞胺薄膜；③、對聚酰亞胺薄膜進行光刻處理，形成聚酰亞胺薄膜孤島和橋墩孔，再進行亞胺化處理；④、用金屬填充橋墩孔；⑤、在聚酰亞胺薄膜孤島和金屬橋墩上依次沉積氧化硅和氮化硅薄膜，形成復(fù)合薄膜層，氧化硅厚度為0.1-1μm，氮化硅厚度0.1-1μm；⑥、在上述復(fù)合薄膜層上光刻出微橋結(jié)構(gòu)圖形，刻蝕該復(fù)合薄膜層至聚酰亞胺薄膜層，形成橋面和橋腿圖形，并用氧等離子體去除橋面和橋腿圖形底部的聚酰亞胺薄膜，形成微橋結(jié)構(gòu)。
與Honeywell研究中心采用的傾斜橋腿結(jié)構(gòu)不同的是，本發(fā)明中的橋腿結(jié)構(gòu)與橋面結(jié)構(gòu)在同一水平面內(nèi)，兩條橋腿一端與橋面相連，另一端架在兩個金屬橋墩之上，解決了由于橋腿彎曲而導(dǎo)致的應(yīng)力集中問題。
當微橋橋面和橋腿結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力水平過高時，會導(dǎo)致微橋結(jié)構(gòu)翹曲變形，進而導(dǎo)致探測器成品率下降。為了提高探測器成品率，Honeywell研究中心研制的微橋結(jié)構(gòu)采用了一種低應(yīng)力氮化硅薄膜作為橋腿和橋面結(jié)構(gòu)薄膜材料，但由于氮化硅薄膜的應(yīng)力與制備工藝密切相關(guān)，很難嚴格控制。為了解決這個問題，本發(fā)明采用了應(yīng)力平衡技術(shù)，利用二氧化硅薄膜的壓應(yīng)力來平衡氮化硅薄膜的張應(yīng)力，可以獲得具有較低應(yīng)力的復(fù)合薄膜。與氮化硅薄膜相比，氮化硅和氧化硅組成的復(fù)合薄膜具有更低的熱容和熱導(dǎo)系數(shù)，更適合用于薄膜微橋結(jié)構(gòu)的制作。


圖1為薄膜微橋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1的俯視圖。
圖3為微橋結(jié)構(gòu)的制作工藝流程圖。
具體實施例方式
如圖1、2所示，橋腿2、3與橋面1采用氧化硅和氮化硅復(fù)合薄膜制成，二者位于同一平面內(nèi)，橋腿2、3的一端與橋面1相連，另一端架在金屬橋墩4、5上，使橋面1由兩條橋腿和二個橋墩支撐懸浮在襯底7之上，在橋面1與襯底7之間構(gòu)成空腔6。
橋面1通過橋腿2、3和金屬橋墩4、5與襯底7間形成熱通路，利用這種微橋結(jié)構(gòu)可以獲得接近紅外輻射極限的低熱導(dǎo)，因此只需要吸收很少的熱量就可以使得整個微橋結(jié)構(gòu)獲得較大的溫升，容易探測出微小的熱輻射信號。橋腿2、3和橋面1處于同一水平面，避免了由于橋腿彎曲而造成的應(yīng)力集中。設(shè)計的橋面由薄膜構(gòu)成，整個微橋結(jié)構(gòu)的熱容也很小，這樣就可以降低該結(jié)構(gòu)的熱時間常數(shù)。微橋結(jié)構(gòu)的熱時間常數(shù)通常為幾毫秒至十幾毫秒，可以與讀出電路的幀頻兼容。該結(jié)構(gòu)還適用于紅外圖像產(chǎn)生器和微弱信號檢測等領(lǐng)域中需要高熱阻結(jié)構(gòu)的場合。
實例1在硅和石英襯底上設(shè)計制作了32×32面陣微橋結(jié)構(gòu)。微橋結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。
表1微橋結(jié)構(gòu)參數(shù)表結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值陣列規(guī)模32×32微橋結(jié)構(gòu)大小100×100μm2橋面厚度0.6μm填充系數(shù)0.25微橋高度2μm利用表面犧牲層工藝制做微橋結(jié)構(gòu)的工藝流程如圖3所示并可描述如下A)如圖3(A)襯底7表面清洗和活化。清洗襯底7表面，去除表面玷污。為了提高聚酰亞胺薄膜對襯底7的粘附性，在旋涂聚酰亞胺前，用氧等離子體對襯底7表面進行活化處理。
B)如圖3(B)旋涂光敏聚酰亞胺薄膜8。在標準勻膠機上旋涂光敏聚酰亞胺薄膜8，可以根據(jù)厚度要求選擇不同的勻膠機的轉(zhuǎn)速。
C)如圖3(C)光敏聚酰亞胺光刻和亞胺化。利用紫外光刻機光刻聚酰亞胺薄膜，形成聚酰亞胺薄膜孤島9和橋墩孔10。隨后將聚酰亞胺薄膜放置在用惰性氣體保護的退火設(shè)備內(nèi)進行亞胺化處理。亞胺化典型溫度為200-400℃，亞胺化時間為30-120分鐘。
D)如圖3(D)，填充橋墩孔10，形成金屬橋墩4、5。利用腐蝕，剝離或者化學(xué)鍍工藝用金屬填充橋墩孔10，形成金屬橋墩4、5。
E)如圖3(E)制備結(jié)構(gòu)層復(fù)合薄膜11。結(jié)構(gòu)層薄膜選用氧化硅和氮化硅組成的復(fù)合薄膜。首先利用CVD或者磁控鍍膜設(shè)備在聚酰亞胺薄膜孤島9和金屬橋墩4、5上鍍一層厚度為100-500nm的二氧化硅薄膜，然后在二氧化硅薄膜之上制備一層厚度為100-500nm的氮化硅薄膜。
F)如圖3(F)光刻結(jié)構(gòu)層氧化硅和氮化硅復(fù)合薄膜11，去除橋面1和橋腿2、3底部的聚酰亞胺犧牲層孤島9。利用標準光刻工藝光刻出微橋結(jié)構(gòu)圖形，并利用反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕氧化硅和氮化硅薄膜，露出聚酰亞胺犧牲層圖形孤島9。利用等離子體去膠設(shè)備去除橋面1和橋腿2、3底部的聚酰亞胺犧牲層薄膜孤島層9，使微橋結(jié)構(gòu)懸浮，在橋面1和襯底7之間形成空腔6。
實例2選擇已經(jīng)制作了CMOS讀出電路的硅芯片作為襯底制作面陣微橋結(jié)構(gòu)。微橋結(jié)構(gòu)參數(shù)同表1。
在硅芯片上集成微橋結(jié)構(gòu)工藝基本同實例1，但應(yīng)注意下列問題在圖3(A)步驟中，襯底清洗應(yīng)選用有機清洗液(丙酮，甲醇，異丙醇等)，不能選用對鋁讀出電極有腐蝕性的酸堿性溶液(如硫酸，鹽酸，雙氧水，氫氧化鈉等)作為清洗液；在圖3(C)步驟中，聚酰亞胺薄膜犧牲層亞胺化工藝溫度應(yīng)控制在400℃以下，以免對讀出電路性能造成不良影響；在圖3(E)步驟中，選用CVD鍍膜時應(yīng)選用低溫工藝(如PECVD)，鍍膜溫度應(yīng)控制在400℃以下；在圖3(F)步驟中，利用等離子體去膠設(shè)備去除底部犧牲層薄膜時，應(yīng)注意控制去膠設(shè)備的功率和去膠時間，避免微橋結(jié)構(gòu)和襯底溫升過高。
概括起來，本發(fā)明提出一種微型面陣高熱阻微橋結(jié)構(gòu)制作技術(shù)。該技術(shù)采用標準微機械加工工藝，利用光敏聚酰亞胺薄膜作為犧牲層材料，利用氧化硅和氮化硅雙層復(fù)合薄膜作為低應(yīng)力結(jié)構(gòu)層薄膜，最后利用氧等離子干法去膠技術(shù)去除犧牲層薄膜，獲得了懸浮于硅襯底之上的微橋結(jié)構(gòu)。除紅外熱探測器外，該結(jié)構(gòu)還適用于紅外圖像產(chǎn)生器和其他微弱信號檢測中需要高熱阻結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種薄膜微橋結(jié)構(gòu)，其特征在于橋腿(2、3)與橋面(1)采用氧化硅和氮化硅復(fù)合薄膜制成，均位于同一平面內(nèi)，橋腿(2、3)的一端與橋面(1)相連，另一端架在金屬橋墩(4、5)上，橋面(1)由橋腿(2、3)和橋墩(4、5)支撐懸浮在襯底(7)上，橋面(1)與襯底(7)之間構(gòu)成空腔(6)。
2.一種權(quán)利要求1所述薄膜微橋結(jié)構(gòu)的制作方法，其步驟包括①、清洗襯底表面，并進行表面活化；②、在襯底表面旋涂一層1-5μm厚的光敏聚酰亞胺薄膜；③、對聚酰亞胺薄膜進行光刻處理，形成聚酰亞胺薄膜孤島和橋墩孔，再進行亞胺化處理；④、用金屬填充橋墩孔；⑤、在聚酰亞胺薄膜孤島和金屬橋墩上依次沉積氧化硅和氮化硅薄膜，形成復(fù)合薄膜層，氧化硅厚度為0.1-1μm，氮化硅厚度0.1-1μm；⑥、在上述復(fù)合薄膜層上光刻出微橋結(jié)構(gòu)圖形，刻蝕該復(fù)合薄膜層至聚酰亞胺薄膜層，形成橋面和橋腿圖形，并用氧等離子體去除橋面和橋腿圖形底部的聚酰亞胺薄膜，形成微橋結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種薄膜微橋結(jié)構(gòu)及其制作方法。其橋腿與橋面采用氧化硅和氮化硅復(fù)合薄膜制成，均位于同一平面內(nèi)，橋腿的一端與橋面相連，另一端架在金屬橋墩上，橋面由橋腿和橋墩支撐懸浮在襯底上，橋面與襯底之間構(gòu)成空腔。其步驟包括在襯底表面旋涂光敏聚酰亞胺薄膜，再進行光刻處理，形成孤島和橋墩孔，再進行亞胺化處理；用金屬填充橋墩孔；再在孤島和金屬橋墩上依次沉積氧化硅和氮化硅薄膜，形成復(fù)合薄膜層；在復(fù)合薄膜層上光刻出微橋結(jié)構(gòu)圖形，刻蝕至聚酰亞胺薄膜層，形成橋面和橋腿圖形，并去除橋面和橋腿圖形底部的聚酰亞胺薄膜，形成微橋結(jié)構(gòu)。本發(fā)明解決了由于橋腿彎曲而導(dǎo)致的應(yīng)力集中問題，并獲得了具有較低應(yīng)力的復(fù)合薄膜。
文檔編號B81C1/00GK1623887SQ20041006138
公開日2005年6月8日 申請日期2004年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月17日
發(fā)明者黃光 , 王宏臣, 陳四海, 何少偉, 付小朝, 易新建, 馬宏 申請人:華中科技大學(xué)