專利名稱：一種非制冷紅外探測器塔式橋墩及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明專利涉及MEMS器件設計和制造領域，具體為ー種非制冷紅外探測器塔式橋墩結構和制造方法。
背景技術：
非制冷紅外探測器(Uncooled infrared detector)廣泛應用于軍事、汽車、安防、生物醫(yī)學、電力、航空、警用、森林防火和物聯(lián)網(wǎng)等領域。近年來，非致冷紅外探測器技術獲得了重要突破并實現(xiàn)商業(yè)量產化。它不僅解決了制冷紅外探測器要求低溫(-77K)冷卻的工作條件，還實現(xiàn)同讀出電路的大規(guī)?；虺笠?guī)模集成。這種技術適合采用大規(guī)模集成電路制造技術批量生產，使紅外探測器成本低廉化，從而使紅外熱像儀的應用從傳統(tǒng)的軍用領域逐漸推廣到民用領域。它響應速率高，具有極低的噪聲水平，它工作時無需斬波器輔助，便于大規(guī)模生產。工作時，在熱敏電阻兩端施加固定的偏置電壓或電流源，入射紅外輻射引起的溫度變化使得熱敏材料電阻值發(fā)生改變，從而使電流、電壓發(fā)生改變，并由讀出電路(ROIC)讀出電信號的變化，并把電信號轉換為圖形信號進行成像。同時，非制冷紅外探測器的加工屬于微機電系統(tǒng)(MEMS:Micro-electromechanical Systems)領域，是一種基于微電子技術和微加工技術的一種高新技術領域。MEMS技術可將機械構件、驅動部件、電控系統(tǒng)、數(shù)字處理系統(tǒng)等集成為ー個整體的微型單元。MEMS器件具有微小、智能、可執(zhí)行、可集成、エ藝兼容性好、成本低等諸多優(yōu)點。但是，在MEMS器件的制造エ藝中，涉及到復雜的三維結構，需要使用犧牲層來制作微結構，如微型橋、懸臂梁、懸臂塊和質量塊等，在制作微結構中，一定包含固定支撐結構即錨點(Anchor，在本專利中，稱為橋墩)。非制冷紅外探測器實現(xiàn)了和讀出電路的集成，隨著技術路線的發(fā)展和技術革新，非制冷紅外探測器的像元(Pixel)大小從50 iim — 35iim — 25iim — 17iim — 14iim及以下尺寸發(fā)展。但由于非制冷紅外探測器是屬于MEMS技術領域，有些特殊結構，如支撐結構的橋墩(Anchor)，就不能按照像元尺寸等比例進行縮小。所以本發(fā)明方法，就是針對非制冷紅外探測器關鍵的支撐結構橋墩(Anchor)進行優(yōu)化和創(chuàng)新，可適用于像元(Pixel)尺寸為25 u m, 17 u m, 14 u m及以下尺寸的結構和制造エ藝之中，并降低エ藝制造的難度,確保像元尺寸縮小時，橋墩結構縮小且仍保持原有的穩(wěn)固性和可靠性，并改進和解決尺寸縮小所引入的新的問題?，F(xiàn)有技術:在犧牲層(厚度為2.0 2.5μm)上蝕刻支撐孔，支撐孔為直孔(各向異性蝕刻)或一定傾斜度(如50 70° )的傾斜孔，可使用Lift-offエ藝進行T1、TiN1、NiCr等金屬填充，然后完成后面的支撐層、熱敏層、介質層、電極層和鈍化層等一系列エ藝。在介質層エ藝完成后，需要在支撐孔位置處光刻和蝕刻通孔(VIA)，通孔必須制作在支撐孔(Post HoIe)底部的中間，不可蝕刻到橋墩(Anchor)的側壁。否則，橋墩側壁被蝕刻，破壞了橋墩的支撐作用，后面無法進行完整的電極布線，電極金屬薄膜在此位置處的臺階覆蓋差或不可覆蓋；由于要求通孔必須制作在支撐孔底部的中間，要求設計時保留一定的對位容差，如支撐孔(Post Hole)底部比通孔直徑大1.0 μ m。如果通孔要求是2.0 μ m，支撐孔的高度為2.0 μ m,傾角為60° ,考慮支撐孔內壁的介質厚度為0.3 0.5 μ m。那么,支撐孔上部橋墩寬度在6.0 μ m左右甚至更大。隨著像元尺寸的縮小，為了保持支撐結構的穩(wěn)定性，可靠性，以及保持通孔的大小不變才能保證良好的電接觸。所以，橋墩(Anchor)大小不能按像元尺寸縮小的比例進行減少，這樣就必然占用像元的有效面積，導致器件的填充系數(shù)偏低，影響器件的性能。且傳統(tǒng)的方法，一般還需要在VIA孔后進行鋁(Al)填充或濺射厚的電極金屬，填充エ藝復雜，厚金屬熱導大；另外，如果橋墩(Anchor)縮小，通孔的大小保持不變，那么對位容差就小，會増加通孔層的制造難度等。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種全新的塔式橋墩(Anchor)結構和制造方法:本橋墩(Anchor)結構可以解決非制冷紅外探測器的像元按比例縮小時，橋墩的大小不能按比例進行縮小的問題；解決橋墩處通孔對位出現(xiàn)偏差，像元失效的問題；解決像元尺寸縮小時，通孔也要相應縮小而導致接觸電阻不良或失效增多的問題；解決支撐孔內需要做金屬填充的エ藝問題去改善接觸電阻；解決蝕刻厚的犧牲層，橋墩處支撐孔形貌和和線寬重復性差，均勻性差的問題，形貌不易控制的問題；且本結構由于使用了 Ti或NiCr做為結構的凹型支撐結構，在蝕刻Post Hole2和通孔時，起到了自然終止層的作用。解決像元尺寸進ー步縮小(如17 u m及以下)，橋墩如果不能比例縮小，像元填充系數(shù)低，導致器件性能差，無法做大面陣和高性能器件的問題；解決原有結構因高臺階和支撐孔(深度>2.0μ m)導致側壁電極金屬薄膜臺階覆蓋差的問題，從而導致接觸電阻大和器件噪聲大的問題。本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案如下:一種非制冷紅外探測器塔式橋墩的制造方法，包括以下步驟:(1)電路(1)上旋涂聚酰亞胺犧牲層(3)，退火后的厚度為l.0μ m;(2)在犧牲層(3)上涂覆光刻膠，所述光刻膠的分辨率小于0.5pm ;隨后以O2作為主蝕刻氣體，CF4, CHF3, N2, Ar作為輔助蝕刻氣體，進行各向異性蝕刻，蝕刻成直孔的支撐孔(4-1)。然后進行濕法去膠，并對圓片進行甩干處理；(3)在蝕刻支撐孔(4-1)的圓片上濺射Ti或NiCr金屬(4)，金屬厚度為50 200nm ;涂覆光刻膠，光刻膠的分辨率要求小于0.5 μ m，然后進行光刻，光刻后使用干法蝕刻 Ti，NiCr ;(5)重復上述エ藝步驟，完成聚酰亞胺犧牲層(5)、支撐孔(6-1)和第二層Ti或NiCr金屬層(6),金屬厚度50 200nm ；(6)沉積ー層厚度為1000 ~ 2000人低應カ的氮化娃薄膜，形成支撐層(7);(7)在支撐層(7)上沉積熱敏薄膜500 ~ 2000A,然后使用光刻和蝕刻的方法完成熱敏層(8)的圖形；(8)在熱敏層(8)上沉積ー層介質層(9)，所述介質層(9)為低應力的氮化硅薄膜，厚度為 500 ~ 1000A;(9)通過光刻和蝕刻掉熱敏層(8)上面的介質層(9)得到接觸孔(11)，通過光刻和蝕刻支撐孔內金屬層(6)上面的支撐層和介質層得到通孔；
(10)在完成通孔(10)和接觸孔(11)后，在圓片上進行電極金屬的濺射沉積，濺射沉積電極金屬前，需進行圓片的反濺，然后濺射得到高質量的電極金屬(12)。在整個圓片表面上沉積ー層鈍化層(13)，進行鈍化層(13)的光刻和蝕刻エ藝，使每個像元分開，并對ASIC電路的Pad鈍化塊開孔，使金屬鋁Pad鈍化塊露出來；(11)然后進行最后的結構釋放。本發(fā)明的有益效果是:該結構首先能保證非制冷紅外探測器橋墩結構的穩(wěn)定性和可靠性；在像元尺寸縮小時，橋墩的面積也按像元尺寸進行等比例縮小，縮小橋墩面積，可以增加像元的填充系數(shù)，提高探測器的性能；此結構雖然縮小了橋墩的面積，但仍可以保持甚至適當増加通孔(VIA)的尺寸，并增加通孔(VIA)的對位容差，降低了エ藝制造難度；在不增加金屬(Al)填充和Lift-offエ藝的基礎上，在通孔處進行了金屬填充和整個側壁處的金屬填充，并使Ti，NiCr金屬薄膜和氮化硅薄膜一起作為橋墩的支撐層，加固了支撐層的可靠性和穩(wěn)定性，并做為通孔蝕刻時的自然阻擋層，改善接觸電阻；由于塔式結構是分兩次進行犧牲層的光刻和蝕刻完成的，雖然增加了一次エ藝步驟，但可以把支撐孔(PostHole)的形貌和線寬(Critical Dimension)控制得更好,使設計的塔式(凹式)結構和最終成型的結構完全一致，重復性和均勻性好。此新型結構，可應用到17ym及以下尺寸的非制冷紅外探測器中，還可應用于其他測輻射熱儀(Bolometer)的單層結構和雙層結構中。并且此結構的應用范圍包含但不限于非制冷紅外探測器中，也包含在其他測輻射熱儀中，如THz(Terahertz)測福射熱儀中。在上述技術方案的基礎上，本發(fā)明還可以做如下改進。進ー步，所述金屬層(4)和金屬層(6)的金屬為Ti或NiCr，厚度為50 200nm。在上述技術方案的基礎上，本發(fā)明還可以做如下改進。進ー步，所述支撐層(7)為氮化硅薄膜，在氮化硅沉積前先沉積ー層ニ氧化硅緩沖層薄膜，厚度為300 500 A;所述氮化硅薄膜為低應力薄膜(0±50Mpa)。在上述技術方案的基礎上，本發(fā)明還可以做如下改進。進ー步，所述介質層(9)為低應力氮化硅薄膜，厚度為:500 1000A。在上述技術方案的基礎上，本發(fā)明還可以做如下改進。進ー步，所述電極金屬(12)可以為Ti，NiCr, Cr或V中的ー種或幾種，厚度為400- 1000 A,,在上述技術方案的基礎上，本發(fā)明還可以做如下改進。進ー步，所述鈍化層(13)為氮化硅，厚度為500 I 000 A。


圖1為本發(fā)明步驟(I)示意圖；圖2為本發(fā)明步驟(4)示意圖；圖3為本發(fā)明步驟(5)示意圖；圖4為本發(fā)明步驟(7)示意圖；圖5為本發(fā)明步驟(9)中示意圖；圖6為本發(fā)明步驟(9)中示意圖7為本發(fā)明步驟(10)示意圖；圖8為本發(fā)明步驟(11)示意圖；圖9為本發(fā)明步驟(11)中VIA孔有偏移的示意圖；附圖中，各標號所代表的部件列表如下:UASIC電路，2、電極塊，3、聚酰亞胺犧牲層，4、金屬層，4-1、支撐孔，5、聚酰亞胺犧牲層，6、金屬層，6-1、支撐孔，7、支撐層，8、熱敏層，9、介質層，10、通孔，11、接觸孔，12、電極金屬，13、鈍化層。
具體實施例方式以下結合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。如圖1至9所示，(I)電路(I)上旋涂聚酰亞胺犧牲層(3)，退火后的厚度為
1.0 u m ；(2)在犧牲層(3)上涂覆光刻膠，所述光刻膠的分辨率小于0.5pm ;隨后以O2做為主蝕刻氣體，CF4, CHF3, N2, Ar做為輔助蝕刻氣體，進行各向異性蝕刻，蝕刻成直孔的支撐孔(4-1)。然后進行濕法去膠，并對圓片進行甩干處理；(3)在蝕刻支撐孔(4-1)的圓片`上濺射Ti或NiCr金屬(4)，金屬厚度為50 200nm ；(4)涂覆光刻膠，光刻膠的分辨率要求小于0.5 y m，然后進行光刻，光刻后使用干法蝕刻Ti, NiCr ；(5)重復上述エ藝步驟，完成聚酰亞胺犧牲層(5)、支撐孔(6-1)和第二層Ti或NiCr金屬層(6),金屬厚度50 200nm ；(6)沉積ー層低應力的氮化硅薄膜，所述氮化硅薄膜的厚度為1000 ~ 2000A，形成支撐層(7);(7)在支撐層(7)上沉積熱敏薄I〗 ->00 ~ 2000A，然后光刻和蝕刻的方法完成熱敏層(8)的圖形；(8)熱敏層(8)片上沉積ー層介質層(9)，所述介質層(9)的厚度為ヽ00 ~ IOOOA,所述介質層(9)為低應力的氮化硅薄膜；(9)通過光刻和蝕刻掉熱敏層(8)上面的介質層(9)得到接觸孔(11);光刻和蝕刻掉支撐孔內金屬層(6)上面的支撐層，介質層，得到通孔(10);在通孔(10)和接觸孔(11)的所在的圓片上，進行電極金屬的濺射沉積；濺射沉積電極金屬前，需進行圓片的反濺，并把通孔(10)內Ti或NiCr表面層的氧化物反濺掉，露出清潔無污染的金屬層(6)，得到電極金屬(12)。(10)在整個圓片表面上沉積ー層鈍化層(13)，進行鈍化層(13)的光刻和蝕刻エ藝，使每個像元分開，并對ASIC電路的Pad鈍化塊開孔，使金屬鋁Pad鈍化塊露出來。(11)然后進行最后的結構釋放。一種非制冷紅外探測器塔式橋墩，包括ASIC電路，所述ASIC電路上設置有聚酰亞胺犧牲層(3 )和電極塊(2 )，聚酰亞胺犧牲層(3 )上有蝕刻支撐孔(4-1);蝕刻支撐孔(4-1)所在的圓片上有濺射金屬層(4)；犧牲層(3)上設置有聚酰亞胺犧牲層(5)，聚酰亞胺犧牲層(5)上有蝕刻支撐孔(6-1);蝕刻支撐孔(6-1)所在的圓片上有濺射金屬層(6)；金屬層(6)上有支撐層(7)，支撐層(7)上有熱敏層(8)，熱敏層(8)上有介質層
(9);介質層(9)上有接觸孔(11)，支撐孔內有通孔(10)；在通孔(10)和接觸孔(11)上連接有電極金屬(12)，電極金屬(12)上沉積有鈍化層(13)。ASIC 電路是指:Application Specific Integrated Circuit,特定用途集成電路)。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種非制冷紅外探測器塔式橋墩的制造方法，特征在于包括以下步驟: (1)電路(1)上旋涂聚酰亞胺犧牲層(3)，退火后的厚度為1.0ym; (2)在犧牲層(3)上涂覆光刻膠，所述光刻膠的分辨率小于0.5 ;隨后以O2作為主蝕刻氣體，CF4, CHF3, N2, Ar作為輔助蝕刻氣體，進行各向異性蝕刻，蝕刻成直孔的支撐孔(4-1)，然后進行濕法去膠，并對圓片進行甩干處理； (3)在蝕刻支撐孔(4-1)的 圓片上濺射Ti或NiCr金屬(4)，金屬厚度為50 200nm； (4)涂覆光刻膠，光刻膠的分辨率要求小于0.5 y m，然后進行光刻，光刻后使用干法蝕刻 Ti 或 NiCr ； (5)重復上述エ藝步驟，完成聚酰亞胺犧牲層(5)、支撐孔(6-1)和第二層Ti或NiCr金屬層(6),金屬厚度50 200nm ； (6)沉積ー層厚度為1000 2000人的低應カ氮化硅薄膜，形成支撐層(7)； (7)在支撐層(7)上沉積熱敏薄膜500~ 2000A,然后使用光刻和蝕刻的方法完成熱敏層(8)的圖形； (8)在熱敏層(8)上沉積ー層厚度為500~ IOOOA的低應カ氮化硅薄膜介質層(9)； (9)通過光刻和蝕刻掉熱敏層(8)上面的介質層(9)得到接觸孔(11);蝕刻掉支撐孔內金屬層(6)上面的支撐層，介質層，得到通孔(10);在通孔(10)和接觸孔(11)的所在的圓片上，進行電極金屬的濺射沉積；濺射沉積電極金屬前，需進行圓片的反濺，然后濺射得到高質量的電極金屬(12); (10)在整個圓片表面上沉積ー層鈍化層(13)，進行鈍化層(13)的光刻和蝕刻エ藝，使每個像元分開，并對ASIC電路的鈍化塊(Pad)開孔，使金屬鋁鈍化塊(Pad)露出來； (11)然后進行最后的結構釋放。
2.根據(jù)權利I要求的非制冷紅外探測器塔式橋墩制造方法，其特征在于，所述電極金屬(12)由Ti，NiCr, Cr, V等金屬中的ー種或幾種構成，厚度為400 1000A。
3.根據(jù)權利I要求的非制冷紅外探測器塔式橋墩的制造方法，其特征在于，所述步驟(4)可用離子束方法進行蝕刻。
4.根據(jù)權利要求1中的非制冷紅外探測器塔式橋墩的制造方法，其特征在于，所述步驟(6)可以增加沉積ー層ニ氧化硅緩沖層膜后再沉積低應カ氮化硅薄膜做支撐層(7)。
5.一種非制冷紅外探測器塔式橋墩，包括ASIC電路，其特征在于，所述ASIC電路上設置有聚酰亞胺犧牲層(3)和電極塊(2)，犧牲層(3)上有蝕刻支撐孔(4-1);蝕刻支撐孔(4-1)所在的圓片上有濺射金屬層(4)； 犧牲層(3 )上設置有聚酰亞胺犧牲層(5 )，聚酰亞胺犧牲層(5 )上有支撐孔(6-1)，支撐孔(6-1)所在的圓片上有濺射金屬層(6); 金屬層(6)上有支撐層(7)，支撐層(7)上有熱敏層(8)，熱敏層(8)上有介質層(9)，介質層(9 )上有接觸孔(11)，支撐孔金屬層(6 )上有通孔(10 ); 在通孔(10 )和接觸孔(11)之間有電極金屬(12 )連接，電極金屬(12)后沉積有鈍化層(13)。
6.根據(jù)權利要求5要求的一種非制冷紅外探測器塔式橋墩，其特征在干，所述金屬層(4)和金屬層(6)的金屬為Ti或NiCr中的ー種或兩種，厚度為50 200nm。
7.根據(jù)權利要求5和6要求的一種非制冷紅外探測器塔式橋墩，其特征在于，所述支撐層(7)為氮化硅薄膜，厚度為1000 2000 A，或下面沉積ー層ニ氧化硅緩沖層薄膜，厚度為300 500 A；所述氮化硅薄膜為低應力薄膜，應カ為0±50Mpa。
8.根據(jù)權利要求7要求的一種非制冷紅外探測器塔式橋墩，其特征在干，所述介質層(9)為低應力氮化硅薄膜，厚度為DUO 1000A。
9.根據(jù)權利要求8要求的一種非制冷紅外探測器塔式橋墩，其特征在于，所述電極金屬(12)可以為Ti，NiCr，Cr或V中的ー種或兩種，厚度為400 1000人。
10.根據(jù)權利要求5和6要求的一種非制冷紅外探測器塔式橋墩，其特征在于，所述鈍化層(13)為氮化硅，厚度為500 1000人 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種非制冷紅外探測器塔式橋墩，包括ASIC電路，所述ASIC電路上設置有聚酰亞胺犧牲層(3)和電極塊(2)；聚酰亞胺犧牲層(3)上有蝕刻支撐孔(4-1)；蝕刻支撐孔(4-1)所在的圓片上有濺射金屬層(4)；犧牲層(3)上設置有聚酰亞胺犧牲層(5)，聚酰亞胺犧牲層(5)上有蝕刻支撐孔(6-1)；蝕刻支撐孔(6-1)所在的圓片上有濺射金屬層(6)；金屬層(6)上有支撐層(7)；支撐層(7)上有熱敏層(8)；熱敏層(8)上有介質層(9)；支撐孔內金屬層(6)上有通孔(10)；介質層(9)上有接觸孔(11)；在通孔(10)和接觸孔(11)上連接有電極金屬(12)，電極金屬(12)完成后沉積有鈍化層(13)。
文檔編號B81C1/00GK103112817SQ20131004133
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月4日 優(yōu)先權日2013年2月4日
發(fā)明者甘先鋒, 王宏臣, 楊水長, 孫瑞山 申請人:煙臺睿創(chuàng)微納技術有限公司