專(zhuān)利名稱(chēng):一種全光學(xué)微機(jī)械非致冷紅外熱成像芯片結(jié)構(gòu)及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高成品率的光機(jī)械非致冷紅外成像芯片的結(jié)構(gòu)及其制作方法，特別適用于大陣列紅外探測(cè)器的制造。本發(fā)明屬于紅外探測(cè)器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，紅外探測(cè)器在公共安全、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全系統(tǒng)、天文研究、輔助駕駛以及芯片的實(shí)時(shí)熱檢測(cè)等方面的應(yīng)用日益受人關(guān)注。隨著應(yīng)用的日益普及，對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)的微型、靈敏、精巧、隱秘與高可靠也要求日益強(qiáng)烈。與傳統(tǒng)的光量子型探測(cè)器件相比，非制冷型紅外技術(shù)采用目前日臻成熟的MEMS技術(shù)，利用光-熱轉(zhuǎn)化探測(cè)紅外光，由于不需要制冷機(jī)和掃描機(jī)構(gòu)，降低了整機(jī)的重量、復(fù)雜性、功耗、成本，是紅外技術(shù)低成本、小型化的主流發(fā)展方向。傳統(tǒng)的非致冷紅外熱成像系統(tǒng)采用電學(xué)讀出方式。光—機(jī)械型紅外探測(cè)器是通過(guò)把入射紅外光轉(zhuǎn)化成熱，由兩種材料組成的梁由于雙金屬片效應(yīng)會(huì)彎曲，使得微鏡的角度發(fā)生偏轉(zhuǎn)，打到微鏡上的可見(jiàn)光的反射角度會(huì)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外信號(hào)的探測(cè)。同傳統(tǒng)的電學(xué)讀出熱成像系統(tǒng)相比，由于不需要復(fù)雜的讀出電路，采用光學(xué)讀出的非致冷紅外成像系統(tǒng)在價(jià)格、體積、重量、功耗等方面更有優(yōu)勢(shì)，適合制作佩戴式熱成像系統(tǒng)。
目前，采用光學(xué)讀出的非致冷紅外熱成像系統(tǒng)按照光學(xué)讀出方式的不同可分為光柵衍射型、法布里—泊羅干涉型等。2002年，加州大學(xué)伯克利分校的Majumdar等人在《Optomechanical Uncooled Infrared Imaging SystemDesign，Microfabrication，and Performance》一文中提出了一種光柵衍射型的微機(jī)械紅外焦平面陣列，該器件基于光柵衍射的原理，將紅外附著直接轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光，但是為了實(shí)現(xiàn)光學(xué)讀出，需要針孔板，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性并降低了可見(jiàn)光圖像顯示的分辨率。2004年，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的馮飛在博士論文《微機(jī)械法布里—泊羅干涉型光學(xué)讀出非致冷熱成像技術(shù)研究》中提出了法布里-泊羅干涉型光學(xué)讀出非致冷熱成像技術(shù)，利用法布里—泊羅干涉原理將紅外光引起的微鏡的平動(dòng)位移直接轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光信號(hào)，但是由于采用背面刻蝕釋放工藝，需要正反兩面對(duì)準(zhǔn)曝光，刻蝕時(shí)間長(zhǎng)，工藝難度大，與CMOS工藝兼容性差，制作成本較高。
漸變彎折梁和等長(zhǎng)彎折梁是由非金屬層、非金屬層、非金屬層與下金屬層的雙層結(jié)構(gòu)和非金屬層和下金屬層及上金屬三層結(jié)構(gòu)中兩種或三種組成。(見(jiàn)圖2)；或支微鏡(3)為雙層結(jié)構(gòu)為非金屬層和其下面一層薄金屬層；框架為硅和硅上的三層結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種高成品率的全光學(xué)微機(jī)械非致冷紅外熱成像芯片的結(jié)構(gòu)及制作方法。通過(guò)采用SiN、SiO、Au、Al等材料中的兩種或數(shù)種組合，利用〔100〕單晶硅各向異性腐蝕特性采用與(100)方向平行的開(kāi)口通過(guò)正面腐蝕實(shí)現(xiàn)光機(jī)械敏感元結(jié)構(gòu)，具有占空比大、腐蝕時(shí)間短，成品率高、成本低、與CMOS兼容性好、適合陣列化等特點(diǎn)。
本發(fā)明之微機(jī)械熱電堆紅外探測(cè)器是在{100}晶向硅片上制作的，其結(jié)構(gòu)如附圖1所示，包括框架1，彎折梁2，可動(dòng)微鏡3，長(zhǎng)條形開(kāi)口4，等4部分。其中，框架1與中間懸浮的可動(dòng)微鏡3構(gòu)成像素元的冷結(jié)區(qū)和熱結(jié)區(qū)，彎折梁起到連接框架1和可動(dòng)微鏡3的目的。彎折梁2包括非金屬層5，上金屬層6和下金屬層7，可以工作在扭轉(zhuǎn)或平動(dòng)狀態(tài)?？紤]到熱—機(jī)械靈敏度的優(yōu)化和與CMOS工藝兼容，一般選擇一種非金屬材料和一種金屬材料，其中，非金屬層5選擇SiNx或者SiO2，上金屬層6和下金屬層7一般選擇Au或者Al。非金屬層5是結(jié)構(gòu)的主要支撐材料。上金屬層6的作用是與非金屬層5構(gòu)成雙材料層使梁發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)可動(dòng)微鏡3的扭轉(zhuǎn)或平動(dòng)。下金屬層7是調(diào)節(jié)熱導(dǎo)的金屬層，可以改變微鏡的溫度響應(yīng)和時(shí)間常數(shù)。圖1(a)-(d)中是漸變扭轉(zhuǎn)梁的情況，其中(b)-(d)分別添加了不同長(zhǎng)度的下金屬層7以調(diào)節(jié)熱導(dǎo)實(shí)現(xiàn)頻率和靈敏度的選擇。圖1(e)是漸變平動(dòng)梁的情況，其彎折梁也同樣可以按照(b)-(d)添加下金屬層7。圖1(f)-(g)是采用等長(zhǎng)彎折梁2和雙三角微鏡的大占空比情況。框架1為硅或硅上的多層結(jié)構(gòu)，多層結(jié)構(gòu)系指硅上的氧化層、薄的金屬層等；可以是兩層、三層或更多層組成，彎折梁為漸變彎折梁或等長(zhǎng)彎折梁；它由非金屬層、非金屬層與上金屬層的雙層結(jié)構(gòu)和非金屬層、下金屬層和上金屬三層結(jié)構(gòu)中兩種或三種構(gòu)成。彎折梁發(fā)生層偏轉(zhuǎn)有下列7種中任意一種，它們是彎折梁發(fā)生偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)為基本扭動(dòng)結(jié)構(gòu)、高頻扭動(dòng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化扭動(dòng)結(jié)構(gòu)、高靈敏扭動(dòng)結(jié)構(gòu)、漸變平動(dòng)結(jié)構(gòu)，大占空比扭動(dòng)結(jié)構(gòu)或大占空比平動(dòng)結(jié)構(gòu)。所述的可動(dòng)微鏡為非金屬層和其下面的薄金屬層組成的雙層結(jié)構(gòu)；長(zhǎng)條形開(kāi)口4是在可動(dòng)微鏡3上刻蝕的腐蝕窗口，其沿<100>方向，是利用{100}面單晶硅各向異性腐蝕的特性來(lái)設(shè)計(jì)的。腐蝕后將形成以開(kāi)口為對(duì)角線，沿<110>晶向的正方形底面棱臺(tái)形坑，如附圖2所示。通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，可以得到很快的釋放速度。圖3為本發(fā)明的長(zhǎng)條形開(kāi)口設(shè)計(jì)(a)及中間腐蝕情況(b)。
本發(fā)明所述的非致冷紅外熱成像芯片是利用〔100〕單晶硅各向異性腐蝕特性，采用與(100)方向平行的開(kāi)口，通過(guò)正面腐蝕實(shí)現(xiàn)光機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)本發(fā)明的制作方法如圖4所示，具體如下a)在單面拋光的(100)單晶硅上涂上光刻膠，烘干后光刻出下金屬層圖形；b)濺射一薄層的金屬；c)去掉光刻膠和其上附著的金屬，形成下金屬層結(jié)構(gòu)；d)在硅片和下金屬層的結(jié)構(gòu)上用PECVD的方法生長(zhǎng)非金屬層，然后將結(jié)構(gòu)合金化；e)上光刻膠，光刻；f)用Ion-beam將微鏡和梁的形狀打出來(lái)，之后把殘余的光刻膠去掉；
g)濺射過(guò)渡層和薄層金屬，合金化；h)光刻出電鍍的模板；i)帶膠電鍍上金屬層，電鍍完之后將光刻膠去掉；j)用Ion-beam刻蝕將輔助電鍍的金屬刻蝕掉；k)使用如四甲基氫氧化銨或氫氧化鉀的各向異性腐蝕液進(jìn)行腐蝕，使彎折梁和微鏡完全釋放，采用超臨界干燥的方法去掉殘留的腐蝕液，得到未封裝的芯片。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下1、采用正面腐蝕釋放像素元的方法，可以短時(shí)間內(nèi)迅速釋放大面積器件結(jié)構(gòu)，提高成品率，降低生產(chǎn)成本；2、采用上下金屬層結(jié)構(gòu)可以靈活條件器件的性能指標(biāo)；3、制作工藝與現(xiàn)有CMOS工藝兼容。由于器件中所需要的薄膜材料都是在常規(guī)IC工藝材料范圍內(nèi)，而且采用了不同于以往的體硅正面腐蝕釋放結(jié)構(gòu)層工藝，器件整體工藝與CMOS兼容，成本更低；4、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得紅外吸收區(qū)面積占空比大，有利于器件性能提高；5、采用全光學(xué)系統(tǒng)，不用復(fù)雜的讀出電路，可以直接用眼睛觀察到紅外圖像，使得器件在價(jià)格低、體積小、重量輕、功耗小等方面有很大的優(yōu)勢(shì)，適合于佩戴式非致冷紅外熱成像系統(tǒng)的制作。
圖1為本發(fā)明之CMOS兼容正面腐蝕的光—機(jī)械非致冷紅外熱成像芯片像素元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)示意圖。(a)為基本扭動(dòng)結(jié)構(gòu)，(b)為高頻扭動(dòng)結(jié)構(gòu)，(c)為優(yōu)化扭動(dòng)結(jié)構(gòu)，(d)為高靈敏扭動(dòng)結(jié)構(gòu)，(e)為基本漸變平動(dòng)結(jié)構(gòu)，(f)為大占空比扭動(dòng)結(jié)構(gòu)，(g)為大占空比平動(dòng)結(jié)構(gòu)。
圖2為沿<100>方向的長(zhǎng)條形開(kāi)口設(shè)計(jì)(a)及其腐蝕結(jié)果示意圖(b)。
圖3為本發(fā)明的長(zhǎng)條形開(kāi)口設(shè)計(jì)(a)以及中間腐蝕情況(b)。
圖4為本發(fā)明之CMOS兼容正面腐蝕的光—機(jī)械非致冷紅外熱成像芯片結(jié)構(gòu)制作過(guò)程。(a)下金屬層的光刻，(b)下金屬層濺射，(c)剝離，(d)PECVD，(e)像素元形狀的光刻，(f)Ion-beam，刻蝕出像素元的形狀，(g)金屬濺射，(h)上層金屬的光刻，(i)帶膠電鍍，(j)Ion-beam，將多余的金屬去掉，(k)正面腐蝕，釋放像素元結(jié)構(gòu)。
圖中1為框架，框架為硅和硅上的三層結(jié)構(gòu)；2為彎折梁，其中網(wǎng)格部分為非金屬層5，白色部分為非金屬層5與下金屬層7的雙層結(jié)構(gòu)，橫線部分為三層結(jié)構(gòu)，為非金屬層5和下金屬層7以及上金屬層6；3可動(dòng)微鏡，系雙層結(jié)構(gòu)，為非金屬層及其下面的一層薄金屬層；4為長(zhǎng)條形開(kāi)口。
具體實(shí)施方式本實(shí)施例結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1(a)，其制作工藝如下1.在單面拋光的(100)單晶硅上涂上1μm厚的正性光刻膠，烘干后光刻出第1層Al的圖形，即要留下Au的地方去掉光刻膠，要去掉Au的地方留下光刻膠。(圖4(a))2.先濺射800的Au，再濺射200的Cr。然后再將其合金化。濺射Cr的目的是增加Au和非金屬層的附著，防止腐蝕時(shí)Au的脫落。(圖4(b))3.將光刻膠去掉，同時(shí)也將光刻膠上面附著的金屬去掉，即剝離技術(shù)。形成了最下面一層Au的結(jié)構(gòu)。(圖4(c))4.在硅片和第一層Au的結(jié)構(gòu)上用PECVD的方法生長(zhǎng)1μm厚的SiNx，做為微鏡和梁結(jié)構(gòu)的主要支撐。(圖4(d))5.涂上光刻膠，光刻出Ion-beam的掩膜，即將微鏡和梁的部分上面的光刻膠保留，其余地方的光刻膠去掉。(圖4(e))6.用Ion-beam將微鏡和梁的形狀打出來(lái)，之后把殘余的光刻膠去掉，為后面的工藝做準(zhǔn)備。(圖4(f))7.先濺射500的Cr，再濺射500的Au。然后再將其合金化，以增加Au層的附著能力，防止腐蝕時(shí)Au的脫落(圖4(g))。濺射這一層Au是為后面的電鍍工藝提供電學(xué)連接。
8.涂2μm的光刻膠(烘干后的厚度)，光刻出電鍍的模板。(圖4(h))9.帶膠電鍍9000的Au。(圖4(i))電鍍完之后將光刻膠去掉，為下一步的Ion-beam做準(zhǔn)備。
10.用Ion-beam刻蝕將500的Au和500的Cr去掉。(圖4(j))11.使用各向異性腐蝕液，如四甲基氫氧化銨(TMAH)或氫氧化鉀(KOH)進(jìn)行腐蝕，到彎折梁和微鏡完全釋放。(圖4(k))12.采用超臨界干燥的方法去掉殘留的腐蝕液，防止一般清洗液的表面張力對(duì)膜結(jié)構(gòu)的破壞，得到如
發(fā)明內(nèi)容
所述的未封裝圖1(a)所示的芯片結(jié)構(gòu)。
圖中其他結(jié)構(gòu)，采用類(lèi)似于本實(shí)施例的方法，均可方便地獲得。
權(quán)利要求
1.一種全光學(xué)微機(jī)械非制冷紅外熱成像芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的非制冷紅外熱成像芯片是由框架(1)、彎折梁(2)、可動(dòng)微鏡(3)和長(zhǎng)條形開(kāi)口(4)組成，其中，(a)框架(1)與中間懸浮的可動(dòng)微鏡(3)構(gòu)成像素元的冷結(jié)區(qū)和熱結(jié)區(qū)；(b)彎折梁(2)連接框架(1)和可動(dòng)微鏡(3)；(c)彎折梁(2)由非金屬層(5)、上金屬層(6)和下金屬層(7)組成，非金屬層(5)作為結(jié)構(gòu)的主要支撐材料，上金屬層(6)與非金屬層(5)構(gòu)成雙材料層使梁發(fā)生偏轉(zhuǎn)，下金屬層(7)調(diào)節(jié)熱導(dǎo)；(d)長(zhǎng)條形開(kāi)口(4)是在可動(dòng)微鏡(3)上刻蝕的腐蝕窗口。
2.按權(quán)利要求
1所述的全光學(xué)微機(jī)械非制冷紅外熱成像芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于框架(1)為以硅或硅上的多層結(jié)構(gòu)。
3.按權(quán)利要求
1所述的全光學(xué)微機(jī)械非制冷紅外熱成像芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于彎折梁(2)的非金屬層(5)選擇SiNx或者SiO2，上金屬層(6)和下金屬層(7)選擇Au或者Al。
4.按權(quán)利要求
1所述的全光學(xué)微機(jī)械非制冷紅外熱成像芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于彎折梁(2)為漸變彎折梁或等長(zhǎng)彎折梁；它由非金屬層、非金屬層與上金屬層的雙層結(jié)構(gòu)和非金屬層、下金屬層和上金屬三層結(jié)構(gòu)中兩種或三種構(gòu)成。
5.按權(quán)利要求
1所述的全光學(xué)微機(jī)械非制冷紅外熱成像芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于上金屬層(6)與非金屬層(5)構(gòu)成雙材料層，使梁發(fā)生偏轉(zhuǎn)，帶動(dòng)可動(dòng)微鏡(3)的扭動(dòng)或平動(dòng)。
6.按權(quán)利要求
1或5所述的全光學(xué)微機(jī)械非制冷紅外熱成像芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于彎折梁發(fā)生偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)為基本扭動(dòng)結(jié)構(gòu)、高頻扭動(dòng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化扭動(dòng)結(jié)構(gòu)、高靈敏扭動(dòng)結(jié)構(gòu)、漸變平動(dòng)結(jié)構(gòu)，大占空比扭動(dòng)結(jié)構(gòu)或大占空比平動(dòng)結(jié)構(gòu)。
7.按權(quán)利要求
1所述的全光學(xué)微機(jī)械非制冷紅外熱成像芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于可動(dòng)微鏡為非金屬層和其下面的薄金屬層組成的雙層結(jié)構(gòu)。
8.按權(quán)利要求
1所述的全光學(xué)微機(jī)械非制冷紅外熱成像芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于長(zhǎng)條形開(kāi)口4腐蝕后形成以開(kāi)口為對(duì)角線，沿<110>晶向的正方形底面棱臺(tái)形坑。
9.制備如權(quán)利要求
1、2、3、4、5、7、8任意一項(xiàng)所述的全光學(xué)微機(jī)械非制冷紅外熱成像芯片結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于制作步驟是a)在單面拋光的(100)單晶硅上涂上光刻膠，烘干后光刻出下金屬層圖形；b)濺射一薄層的金屬；c)去掉光刻膠和其上附著的金屬，形成下金屬層結(jié)構(gòu)；d)在硅片和下金屬層的結(jié)構(gòu)上用PECVD的方法生長(zhǎng)非金屬層，然后將結(jié)構(gòu)合金化；e)上光刻膠，光刻；f)用Ion-beam將微鏡和梁的形狀打出來(lái)，之后把殘余的光刻膠去掉；g)濺射過(guò)渡層和薄層金屬，合金化；h)光刻出電鍍的模板；i)帶膠電鍍上金屬層，電鍍完之后將光刻膠去掉；j)用Ion-beam刻蝕將輔助電鍍的金屬刻蝕掉；k)使用如四甲基氫氧化銨或氫氧化鉀的各向異性腐蝕液進(jìn)行腐蝕，使彎折梁和微鏡完全釋放，采用超臨界干燥的方法去掉殘留的腐蝕液，得到未封裝的芯片。
10.制作如按權(quán)利要求
6所述的全光學(xué)微機(jī)械非制冷紅外熱成像芯片結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于制作步驟是a)在單面拋光的(100)單晶硅上涂上光刻膠，烘干后光刻出下金屬層圖形；b)濺射一薄層的金屬；c)去掉光刻膠和其上附著的金屬，形成下金屬層結(jié)構(gòu)；d)在硅片和下金屬層的結(jié)構(gòu)上用PECVD的方法生長(zhǎng)非金屬層，然后將結(jié)構(gòu)合金化；e)上光刻膠，光刻；f)用Ion-beam將微鏡和梁的形狀打出來(lái)，之后把殘余的光刻膠去掉；g)濺射過(guò)渡層和薄層金屬，合金化；h)光刻出電鍍的模板；i)帶膠電鍍上金屬層，電鍍完之后將光刻膠去掉；j)用Ion-beam刻蝕將輔助電鍍的金屬刻蝕掉；k)使用如四甲基氫氧化銨或氫氧化鉀的各向異性腐蝕液進(jìn)行腐蝕，使彎折梁和微鏡完全釋放，采用超臨界干燥的方法去掉殘留的腐蝕液，得到未封裝的芯片。
專(zhuān)利摘要
本發(fā)明涉及一種全光學(xué)微機(jī)械非致冷紅外熱成像芯片的結(jié)構(gòu)及制作方法，所述的非制冷紅外熱成像芯片是由框架、彎折梁、可動(dòng)微鏡和長(zhǎng)條形開(kāi)口組成，其中，框架與中間懸浮的可動(dòng)微鏡構(gòu)成像素元的冷結(jié)區(qū)和熱結(jié)區(qū)；彎折梁連接框架和可動(dòng)微鏡；彎折梁由作為結(jié)構(gòu)的主要支撐材料的非金屬層、上金屬層和下金屬層組成，上金屬層與非金屬層構(gòu)成雙材料層使梁發(fā)生偏轉(zhuǎn)，下金屬層調(diào)節(jié)熱導(dǎo)；長(zhǎng)條形開(kāi)口是在可動(dòng)微鏡上刻蝕的腐蝕窗口。利用〔100〕單晶硅各向異性腐蝕特性采用與(100)方向平行的開(kāi)口通過(guò)正面腐蝕實(shí)現(xiàn)光機(jī)械敏感元結(jié)構(gòu)。由于芯片采用光學(xué)讀出，不需要復(fù)雜的讀出電路和致冷設(shè)備，具有價(jià)格低、體積小、功耗小等優(yōu)勢(shì)，特別適合制作佩戴式熱成像系統(tǒng)。
文檔編號(hào)B81B5/00GK1994861SQ200610147625
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月20日
發(fā)明者李鐵, 周玉修, 王翊, 熊斌, 王躍林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan