專利名稱：光-機械式微梁陣列熱型紅外圖象傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于獲取并轉(zhuǎn)換紅外信號的傳感元件，尤其涉及一種微梁陣列熱型紅外圖象傳感器。
背景技術(shù)：
紅外輻射探測裝置用于將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)化為可見的圖像。按照探測原理的不同，可以把傳統(tǒng)的紅外輻射探測裝置大致分為兩類量子型的和熱型的紅外輻射探測器。
量子型的紅外輻射探測器將紅外光子的能量轉(zhuǎn)化為電子的能量。由于8-14微米的紅外光子的受激電子的能量和室溫下電子熱運動產(chǎn)生的能量相當(dāng)，因此需要將探測器的溫度維持在液氮溫度(約77K)來抑制電子熱運動，使量子型的紅外輻射探測裝置不僅笨重而且價格昂貴。
傳統(tǒng)的熱型紅外輻射探測器吸收入射的紅外光能量，使探測單元溫度上升，再通過集成電路檢測探測器的溫升引發(fā)的熱電效應(yīng)，比如電阻率和電容的變化等，得到紅外輻射的信息。傳統(tǒng)的熱型紅外探測器中熱電效應(yīng)是用集成電路從每個探測器單元中讀出的，由于電流輸入會在探測器單元上產(chǎn)生附加的熱量，所以這種方式難以準確地檢測到入射的紅外輻射。同時探測器單元與基底之間通過導(dǎo)熱性能很好的金屬導(dǎo)線相連，使得熱隔離變得很困難，嚴重限制了溫升性能。另外熱電效應(yīng)都極為微弱，為了探測信號，集成電路要有相當(dāng)高的信噪比和很強的增益。這不僅增加了探測器和讀出電路的設(shè)計難度，同時提高了熱型的紅外輻射探測裝置的整機價格，不便于其廣泛的運用。
基于光-機械式的微懸臂梁單元(或簡稱微梁單元)的熱型紅外輻射探測器的敏感單元為雙材料微懸臂梁。入射的紅外光能被探測單元吸收后轉(zhuǎn)化為懸臂梁的熱能，引發(fā)懸臂梁產(chǎn)生熱致形變，再通過光學(xué)讀出系統(tǒng)，非接觸的檢測出形變，例如懸臂梁的撓度或轉(zhuǎn)角等，就可以得到被測物體的熱輻射信息。這種熱型的紅外輻射探測器可以在不需要制冷的條件下工作，而且光學(xué)讀出的方式不會在探測器上產(chǎn)生附加的熱量，無需金屬導(dǎo)線連接，更易于在探測單元與基底之間實現(xiàn)良好的熱隔離。另外，探測器敏感單元的制作采用了通用的微加工工藝，與現(xiàn)有IC制作工藝兼容，大大地降低了開發(fā)和制作成本。因此基于這種光-機械微懸臂梁單元的紅外探測器，有望開發(fā)出更高性能的熱型紅外輻射探測裝置。
美國加州大學(xué)伯克利分校設(shè)計制作的新型微懸臂梁單元器件(如附圖1)，器件由熱隔離梁2、變形梁3、紅外吸收板1和錨腳6、硅襯底7構(gòu)成，熱隔離梁、變形梁和紅外吸收板分布在兩層，并且通過站立的錨腳懸空立于硅襯底上。整個微梁單元為三層結(jié)構(gòu)。熱致變形量為被測微梁單元前端的紅外吸收板的離面位移。而且，為了提高探測靈敏度，熱隔離梁和變形梁都采用盡量細長的直桿，使紅外吸收板與錨腳之間相距較遠而產(chǎn)生較大的熱致變形量。因此，就要采用多層單元結(jié)構(gòu)嵌套的方式來避免由此造成的大面積空閑和浪費(如附圖2)。
現(xiàn)有微梁單元結(jié)構(gòu)的技術(shù)思路都是在硅表面上生長出一層由后繼工序可以去除的物質(zhì)(比如磷硅玻璃、多晶硅、高聚物、光刻膠等)所形成的薄膜，作為犧牲層，隨后在犧牲層上做出所需器件結(jié)構(gòu)后，再除去犧牲層，得到站立在下層硅襯底上的多層懸空器件。
由于工藝和嵌套結(jié)構(gòu)所致，以上結(jié)構(gòu)中保留了硅襯底。當(dāng)紅外線經(jīng)過硅襯底前后兩個表面的時候，會發(fā)生反射現(xiàn)象，大約40％的紅外線無法到達探測器件上，就使得紅外線的吸收率嚴重下降，降低了探測器件的靈敏性。而鍍增透膜工藝特別是對于8～14um這樣一個較寬的波長段的鍍膜工藝難于實現(xiàn)，鍍膜過程不僅容易造成器件破壞，并且由于只能在前后兩個表面中沒有器件的一個表面鍍膜，所以無法有效消除所有反射。
另外，由于受工藝限制，上述犧牲層厚度很難超過2～3微米，這樣，探測單元與硅襯底的距離也就在數(shù)微米(尤其是多層單元嵌套結(jié)構(gòu)的距離更小)；而每一單元的前端紅外吸收板與后端錨腳之間的距離則可達到數(shù)十甚至數(shù)百微米，而且又是一端固支的懸臂梁器件，屬于弱結(jié)構(gòu)。由此，探測單元陣列上的溫度的變化或其它原因造成的力都可能引起微梁前端因變形而觸及硅襯底，使微梁前端因表面力的作用而緊緊粘連在硅襯底上、不能夠恢復(fù)而失效，從而降低了探測器件的測溫范圍和器件的使用可靠性。而且，由于在襯底與懸空結(jié)構(gòu)之間只存在數(shù)微米的間隙，空氣的存在會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的熱量散失到襯底，所以對器件的真空度提出很高的要求，比如0.1Pa，使之難以得到實際應(yīng)用。
硅襯底的存在也帶來了去除犧牲層工藝的復(fù)雜性，在去除犧牲層的工藝過程中器件也極容易發(fā)生粘連，而引發(fā)器件失效甚至破壞，成品率低。同時也增加了不同器件之間的不一致性，給標定等一系列后繼問題帶來困難。
采用嵌套構(gòu)造還會帶來其它一些問題首先，單元和單元之間存在互相嵌套和遮蔽的部分，使得入射紅外光的位置與探測器件成像的位置不一致，會產(chǎn)生圖像的混疊現(xiàn)象。為了避免這種情況，現(xiàn)有技術(shù)采用了Pt層作為紅外光的遮光光闌，將帶來混疊現(xiàn)象的入射紅外光反射回去。但是這種設(shè)計就使得通過了硅襯底的紅外線進一步發(fā)生損失，使得最終探測到的能量大幅下降。其次，嵌套使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也就進一步加大了工藝的復(fù)雜性和局限性。同時，一部分單元的失效會直接導(dǎo)致或者加快與之相鄰的單元的失效，使成品率更低。
三、技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種光-機械式微梁陣列熱型紅外圖象傳感器，該傳感器能夠克服器件粘連問題，提高了成品率和可靠性，同時減小了紅外線反射損失，提高探測靈敏度。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來解決其技術(shù)問題一種用于獲取并轉(zhuǎn)換紅外信號的光-機械式微梁陣列熱型紅外圖象傳感器，包括按陣列分布的微梁單元，微梁單元中包含熱變形機構(gòu)和紅外吸收板，熱變形機構(gòu)為兩組且對稱連接于紅外吸收板的兩側(cè)，本發(fā)明的關(guān)鍵在于整個微梁單元為側(cè)向支撐的無底單層平面結(jié)構(gòu)；熱變形機構(gòu)由熱隔離梁和變形梁構(gòu)成折轉(zhuǎn)式分布；紅外吸收板與變形梁連接，支撐梁與熱隔離梁連接；每組熱變形機構(gòu)由至少一根熱隔離梁和至少一根變形梁組成；所述的微梁單元采用順序平鋪的方式構(gòu)成陣列。
上述光-機械式微梁陣列熱型紅外圖象傳感器的熱變形機構(gòu)還可以由熱隔離梁、變形梁和熱傳導(dǎo)梁構(gòu)成折轉(zhuǎn)式分布。
上述光-機械式微梁陣列熱型紅外圖象傳感器的熱變形機構(gòu)對稱分布于紅外吸收板的兩邊。
上述光-機械式微梁陣列熱型紅外圖象傳感器的微梁單元由對紅外有吸收作用的薄膜材料制作；紅外吸收板的光學(xué)檢測面上附著金屬薄膜；變形梁、熱傳導(dǎo)梁和支撐梁的一面上附著金屬薄膜。
上述光-機械式微梁陣列熱型紅外圖象傳感器的紅外吸收板、熱傳導(dǎo)梁的厚度在1～3um之間，熱隔離梁和變形梁的厚度在0.3～2um之間。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明在具體的設(shè)計中采用側(cè)向支撐的無底單層平面結(jié)構(gòu)，首先在硅襯底上直接生長制作器件結(jié)構(gòu)所需的薄膜、利用圖形刻蝕法制作器件結(jié)構(gòu)，然后去除器件結(jié)構(gòu)中熱隔離梁、變形梁、紅外吸收板所在部分的硅襯底，僅保留支撐梁所在部分的硅襯底以加強支撐梁的支撐強度，同時提高其導(dǎo)熱性能。由于無硅襯底，避免了紅外線經(jīng)過硅襯底前后兩個表面的情況發(fā)生，使得紅外線可直接到達紅外吸收板的表面，克服了紅外線損失，顯著提高了探測器件的靈敏性。而且避免了采用復(fù)雜的鍍增透膜工藝。另外，由于器件的探測單元完全懸空、其下方不存在相距幾微米的硅襯底，所以不會由于探測陣列上的溫度的變化或沖擊力的影響而引起微梁前端因變形而觸及其他部分，從而避免了粘連造成的失效，提高了探測器件的測溫范圍和器件的使用可靠性。而且，以去除硅襯底的工藝替代犧牲層工藝也大大簡化了工藝的復(fù)雜性，使得器件之間的一致性更容易得到，大大減輕了標定等一系列后繼問題的復(fù)雜性。所以與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下幾個方面的優(yōu)點由于整個微梁單元是單層器件，不僅工藝實現(xiàn)簡單，而且器件不發(fā)生粘連、不容易失效和破壞，對器件的真空度要求也大幅降低。
無硅襯底部分反射紅外線，更多的能量直接到達探測單元，使探測更靈敏。
通過熱隔離梁及變形梁的折轉(zhuǎn)式設(shè)計，不僅大大增加了熱隔離梁及變形梁的總長度，而且有利于紅外吸收板形成窄長的矩形結(jié)構(gòu)，還可使紅外吸收板處在由于變形角度疊加所致的角度偏轉(zhuǎn)最大方向上，以獲取光學(xué)測量上的最大靈敏度。從而提高了探測單元的熱變形靈敏度。
由于熱隔離梁及變形梁的折轉(zhuǎn)式設(shè)計，可以使其在紅外吸收板的兩邊或兩端緊密排列，因此，大大提高了平面利用率，各單元可采用順序平鋪的方式構(gòu)成探測陣列，不會出現(xiàn)大面積的空閑和浪費，從而避免了采用多層單元嵌套的結(jié)構(gòu)以及由此造成的缺陷。
四

圖1是伯克利的微懸臂梁單元結(jié)構(gòu)簡圖(側(cè)視圖)。
圖2是伯克利的微懸臂梁多個單元嵌套結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)。
圖3、4是本發(fā)明實施方式之一(每組熱變形機構(gòu)由一根熱隔離梁和一根變形梁組成)的結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖及其剖面圖)。
圖5是本發(fā)明實施方式之二(每組熱變形機構(gòu)由一根折轉(zhuǎn)的熱隔離梁和一根變形梁組成)的結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)。
圖6是本發(fā)明實施方式之三(每組熱變形機構(gòu)由兩根熱隔離梁和兩根變形梁組成)的結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)。
圖7是本發(fā)明實施方式之四(每組熱變形機構(gòu)由一根熱隔離梁、兩根變形梁和一根熱傳導(dǎo)梁組成)的結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)。
圖8是本發(fā)明實施方式之五(熱變形機構(gòu)位于紅外吸收板的端部)的結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)。
圖9是本發(fā)明的角度偏轉(zhuǎn)變形量示意圖。
圖10、11是本發(fā)明的變形角度疊加示意圖。當(dāng)發(fā)生熱變形時，變形情況如下。圖10熱隔離梁2a不彎曲，變形梁3a彎曲在末端得到轉(zhuǎn)角為θ1(變形梁3a自身彎曲的轉(zhuǎn)角)；圖11熱隔離梁2b不彎曲，在末端轉(zhuǎn)角保持為θ1，變形梁3b彎曲，轉(zhuǎn)角θ2(變形梁3b自身彎曲的轉(zhuǎn)角)與變形梁3a的轉(zhuǎn)角為θ1發(fā)生疊加，在變形梁3b末端大小為θ1+θ2；由于吸收板幾乎不變形，所以在吸收板上得到的轉(zhuǎn)角為θ1+θ2。
圖12是本發(fā)明的陣列平鋪示意圖。
五、具體實施方案一種用于獲取并轉(zhuǎn)換紅外信號的光-機械式微梁陣列熱型紅外圖象傳感器，包括按陣列分布的微梁單元，微梁單元由熱變形機構(gòu)和紅外吸收板1、支撐梁4組成，熱變形機構(gòu)由一根熱隔離梁2和一根變形梁3組成(所述的一根是指本構(gòu)件與其他構(gòu)件相連的兩端之間的連續(xù)部分)，紅外吸收板1與變形梁3的一端連接，變形梁另一端與熱隔離梁2連接，熱隔離梁2的另一端設(shè)在支撐梁4上(參見圖3、4)。亦即整個微梁單元為側(cè)向支撐的無底單層平面結(jié)構(gòu)，各構(gòu)件均位于同一層而非不同層(所述的層是指構(gòu)件的結(jié)構(gòu)層，而非構(gòu)件的組成材料的復(fù)合層，即某些構(gòu)件為金屬和非金屬復(fù)合而成，但是在結(jié)構(gòu)上稱為同一層)，熱變形機構(gòu)和紅外吸收板1的下方?jīng)]有硅襯底，支撐梁4位于熱變形機構(gòu)和紅外吸收板1的側(cè)向，沒有站立的錨腳。熱隔離梁2和變形梁3構(gòu)成折轉(zhuǎn)式分布，即熱隔離梁2和變形梁3位于紅外吸收板1的兩邊來回折轉(zhuǎn)，與紅外吸收板1的縱向平行并與之等長，形成緊湊、規(guī)矩的平面結(jié)構(gòu)。還可以將熱隔離梁2的長度增加，即每根熱隔離梁2本身可形成一次或多次折轉(zhuǎn)(參見圖5)，以增加熱隔離的效果。紅外吸收板1與變形梁3連接、支撐梁4與熱隔離梁2連接，本發(fā)明是通過測量紅外吸收板1的角度偏轉(zhuǎn)變形量來反映紅外圖象的溫度變化(參見圖9)?；蛘?，還可以在熱隔離梁2和變形梁3之間增加一對或更多的熱隔離梁2和變形梁3并且間隔排列，即由兩根或更多的熱隔離梁2和變形梁3組成熱變形機構(gòu)(參見圖6)；在此基礎(chǔ)上，還可以在熱隔離梁2和變形梁3之間增設(shè)熱傳導(dǎo)梁5(參見圖7)，熱傳導(dǎo)梁5和變形梁3間隔排列，即每根熱傳導(dǎo)梁5位于兩根變形梁3之間(還可以位于變形梁3和紅外吸收板1之間、變形梁3和熱隔離梁2之間)，這樣，紅外吸收板1的最終角度偏轉(zhuǎn)變形量可以進一步提高(因多根變形梁的變形角度會產(chǎn)生疊加效果，參見圖10、11)。當(dāng)采用熱傳導(dǎo)梁的時候，由于熱傳導(dǎo)梁的導(dǎo)熱性能好卻不變形，使得兩端連接的變形梁的溫度相同，從而提高構(gòu)件總體的變形效果。上述結(jié)構(gòu)構(gòu)成的微梁單元就可以直接采用順序平鋪的方式構(gòu)成陣列(如圖12)，得到的陣列緊密、規(guī)則、一致、無嵌套。熱變形機構(gòu)還可以位于紅外吸收板的端部(參見圖8)，或同時位于紅外吸收板的兩邊和端部。
上述紅外吸收板1由對紅外線有強烈吸收作用的薄膜材料(如SiNx，SiO2，多晶硅等)制成，吸收面積應(yīng)盡可能的大，以增加吸收的熱量。而且，在角度偏轉(zhuǎn)的靈敏方向上，光學(xué)探測靈敏度和紅外吸收板的長度成正比，所以在有限的區(qū)域內(nèi)，應(yīng)盡可能的設(shè)計為窄長的矩形結(jié)構(gòu)(本發(fā)明正好有利于此)，可以獲得更高的光學(xué)探測靈敏度。以SiNx為例，紅外線對其的穿透深度大約為1um，并考慮到系統(tǒng)熱容量過大會減慢系統(tǒng)對紅外的熱響應(yīng)速度，所以薄膜最佳厚度應(yīng)該在1～3um之間，使得紅外線能被充分吸收，同時具有較高的熱響應(yīng)速度。但是，該厚度不足以吸收全部的入射紅外線，為了達到最佳的吸收效果，可以利用紅外吸收板的光學(xué)檢測面上附著的金屬薄膜作為反射面，使入射紅外線在穿過SiNx后，未被吸收的部分在到達金屬層后發(fā)生反射，沿著入射方向的反方向第二次經(jīng)過SiNx薄膜、再次被吸收。熱隔離梁由導(dǎo)熱系數(shù)小的材料(例如SiNx，SiO2，多晶硅，高聚物等)構(gòu)成，為了簡化加工工藝，可采用與紅外吸收板1同樣的材料。一般為矩形截面的薄膜梁，在滿足支撐強度的前提下，更小的橫截面積和更長的梁長可以會得到更佳的隔熱效果。變形梁為雙材料梁，兩種材料的選擇應(yīng)該考慮到熱膨脹系數(shù)相差盡可能大而楊氏模量相差盡可能小。一般可以采用金屬和非金屬的組合(例如將金屬附著到非金屬薄膜上)，比如Au、Al和SiNx、SiO2的組合。在變形梁的兩種材料的厚度選擇上，為了使梁達到最大變形從而得到最高靈敏度，兩層材料厚度比值應(yīng)接近相應(yīng)的材料楊氏模量的反比平方根值，而梁的總厚度在滿足工藝條件和支撐條件的前提下應(yīng)該盡量小。熱隔離梁和變形梁的厚度在0.3～2um之間。熱傳導(dǎo)梁為導(dǎo)熱性能好且熱變形小的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，為了簡化加工工藝，可以采用附著薄金屬層(金屬層厚度不足以引起可觀熱變形)的非金屬梁構(gòu)成。支撐梁由導(dǎo)熱性能好而剛度大的材料構(gòu)成(例如金屬和單晶硅)，以保證每個單元處于相同的支撐和導(dǎo)熱狀態(tài)，而具有較好的一致性，為了簡化加工工藝，可采用與熱隔離梁同樣的材料與之加工成一體，然后在支撐梁的部位附著金屬薄膜和保留部分單晶硅襯底以增加導(dǎo)熱性能和支撐強度。熱傳導(dǎo)梁的厚度在1～3um之間。整個微梁單元一般為方形或者矩形，邊長大小在30～200um的范圍。
本發(fā)明的實施例為紅外吸收板由厚度為2um的SiNx和0.1um的Au復(fù)合薄膜構(gòu)成，變形梁由厚度為0.5um的SiNx和0.4um的Au復(fù)合薄膜構(gòu)成，熱隔離梁由厚度為0.5um的SiNx單一薄膜構(gòu)成，熱傳導(dǎo)梁由厚度為2um的SiNx和0.1um的Au復(fù)合薄膜構(gòu)成，支撐梁由厚度為2um的SiNx和0.5um的Au復(fù)合薄膜構(gòu)成，下方保留了硅襯底。
權(quán)利要求
1.一種用于獲取并轉(zhuǎn)換紅外信號的光-機械式微梁陣列熱型紅外圖象傳感器，包括按陣列分布的微梁單元，微梁單元中包含熱變形機構(gòu)和紅外吸收板，熱變形機構(gòu)為兩組且對稱連接于紅外吸收板的兩側(cè)，其特征在于整個微梁單元為側(cè)向支撐的無底單層平面結(jié)構(gòu)；熱變形機構(gòu)由熱隔離梁和變形梁構(gòu)成折轉(zhuǎn)式分布；紅外吸收板與熱變形機構(gòu)連接，熱變形機構(gòu)與支撐梁連接；每組熱變形機構(gòu)由至少一根熱隔離梁和至少一根變形梁組成；所述的微梁單元采用順序平鋪的方式構(gòu)成陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光-機械式微梁陣列熱型紅外圖象傳感器，其特征在于所述的熱變形機構(gòu)由熱隔離梁、變形梁和熱傳導(dǎo)梁構(gòu)成折轉(zhuǎn)式分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光-機械式微梁陣列熱型紅外圖象傳感器，其特征在于熱變形機構(gòu)對稱分布于紅外吸收板的兩邊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光-機械式微梁陣列熱型紅外圖象傳感器，其特征在于所述的微梁單元由對紅外有吸收作用的薄膜材料制作；紅外吸收板的光學(xué)檢測面上附著金屬薄膜；變形梁、熱傳導(dǎo)梁和支撐梁的一面上附著金屬薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光-機械式微梁陣列熱型紅外圖象傳感器，其特征在于所述的微梁單元由對紅外有吸收作用的薄膜材料制作；紅外吸收板的光學(xué)檢測面上附著金屬薄膜；變形梁、熱傳導(dǎo)梁和支撐梁的一面上附著金屬薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光-機械式微梁陣列熱型紅外圖象傳感器，其特征在于所述的紅外吸收板、熱傳導(dǎo)梁的厚度在1～3um之間，熱隔離梁和變形梁的厚度在0.3～2um之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光-機械式微梁陣列熱型紅外圖象傳感器，其特征在于所述的紅外吸收板、熱傳導(dǎo)梁的厚度在1～3um之間，熱隔離梁和變形梁的厚度在0.3～2um之間。
全文摘要
一種用于獲取并轉(zhuǎn)換紅外信號的光－機械式微梁陣列熱型紅外圖象傳感器，包括按陣列分布的微梁單元，微梁單元中包含熱變形機構(gòu)和紅外吸收板，熱變形機構(gòu)為兩組且對稱連接于紅外吸收板的兩側(cè)，本發(fā)明的關(guān)鍵在于整個微梁單元為側(cè)向支撐的無底單層平面結(jié)構(gòu)；熱變形機構(gòu)由熱隔離梁和變形梁構(gòu)成折轉(zhuǎn)式分布；紅外吸收板與變形梁連接，支撐梁與熱隔高梁連接；每組熱變形機構(gòu)由至少一根熱隔離梁和至少一根變形梁組成；所述的微梁單元采用順序平鋪的方式構(gòu)成陣列。本發(fā)明不僅工藝實現(xiàn)簡單，而且器件不發(fā)生粘連、不容易失效和破壞，對器件的真空度要求也大幅降低。無硅襯底部分反射紅外線，更多的能量直接到達探測單元，使探測更靈敏。
文檔編號H01L31/09GK1556648SQ200310112820
公開日2004年12月22日 申請日期2003年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月31日
發(fā)明者潘亮, 張青川, 伍小平, 段志輝, 陳大鵬, 王瑋兵, 潘 亮 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)