一种薄膜微桥结构及其制作方法

日期:2019-03-02 15:10:44

专利名称:一种薄膜微桥结构及其制作方法
技术领域
本发明属于微机电系统技术领域,具体涉及一种薄膜微桥结构及其制作方法。
背景技术
自1800年英国物理学家赫胥尔发现了红外线以后,由于红外线具有能穿透黑夜、厚云和浓烟等进行探测和成像的特殊本领,红外探测就成为科研工作者的一个重要研究内容。红外探测器分为两类光子探测器和热探测器。光子探测器具有很高的灵敏度,但是需要在体积和功耗都相对较大的制冷器协助下才能正常工作。而热探测器可以在室温下正常工作,无需制冷器协助,与光子型红外探测器相比,具有体积小、重量轻、价格低和操作简单等很多优点,可用于诸多非苛刻灵敏度要求下的军事领域和公安消防、汽车夜视、防盗保安和医学诊断等民用领域,具有广泛的应用前景和市场前景。
微测辐射热计是通过测量集成于探测器之上的热敏电阻的变化来反应入射红外辐射的大小的。探测器的温升是与探测器与衬底间的热阻成正比的。由于红外辐射的能量很小,为了获得较大的探测信号,提高探测器信噪比,常利用微桥结构实现探测器与衬底间的高热阻。美国Honeywell研究中心经过多年研究后,在二十世纪90年代报道了他们开发出的多种型号的非致冷微测辐射热计,其中噪声等效温差在8-12μm波段达到0.039℃,可以实现中波和长波红外成像(Wood,R.A.,“High-performance Infrared ThermalImaging with monolithic silicon Focal planes operating at Room Temperature”,IEEE onIEDM,pp.175-177,1993.)。该探测器的核心结构就是具有高热阻特性的薄膜微桥结构,该结构利用一种聚合物作为牺牲层材料,利用低应力氮化硅薄膜作为结构层,真空封装后与衬底间的热导为2×10-7W/K,具有很好的热绝缘特性(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中心研制的微桥结构没有集成桥墩结构,而是利用两条倾斜的桥腿将桥面支撑在硅衬底之上,这种弯曲的桥腿容易产生应力集中,造成微桥结构破损和器件成品率下降。

发明内容
本发明的目的在于克服上述微桥结构不足之处,提供一种薄膜微桥结构。它解决了由于桥腿弯曲导致的应力集中所造成探测器成品率下降的问题;本发明还提供了该薄膜微桥结构的制作方法。
本发明提供的一种薄膜微桥结构,其特征在于桥腿与桥面采用氧化硅和氮化硅复合薄膜制成,均位于同一平面内,桥腿的一端与桥面相连,另一端架在金属桥墩上,桥面由桥腿和桥墩支撑悬浮在衬底上,桥面与衬底之间构成空腔。
上述薄膜微桥结构的制作方法,其步骤包括①、清洗衬底表面,并进行表面活化;②、在衬底表面旋涂一层1-5μm厚的光敏聚酰亚胺薄膜;③、对聚酰亚胺薄膜进行光刻处理,形成聚酰亚胺薄膜孤岛和桥墩孔,再进行亚胺化处理;④、用金属填充桥墩孔;⑤、在聚酰亚胺薄膜孤岛和金属桥墩上依次沉积氧化硅和氮化硅薄膜,形成复合薄膜层,氧化硅厚度为0.1-1μm,氮化硅厚度0.1-1μm;⑥、在上述复合薄膜层上光刻出微桥结构图形,刻蚀该复合薄膜层至聚酰亚胺薄膜层,形成桥面和桥腿图形,并用氧等离子体去除桥面和桥腿图形底部的聚酰亚胺薄膜,形成微桥结构。
与Honeywell研究中心采用的倾斜桥腿结构不同的是,本发明中的桥腿结构与桥面结构在同一水平面内,两条桥腿一端与桥面相连,另一端架在两个金属桥墩之上,解决了由于桥腿弯曲而导致的应力集中问题。
当微桥桥面和桥腿结构中的应力水平过高时,会导致微桥结构翘曲变形,进而导致探测器成品率下降。为了提高探测器成品率,Honeywell研究中心研制的微桥结构采用了一种低应力氮化硅薄膜作为桥腿和桥面结构薄膜材料,但由于氮化硅薄膜的应力与制备工艺密切相关,很难严格控制。为了解决这个问题,本发明采用了应力平衡技术,利用二氧化硅薄膜的压应力来平衡氮化硅薄膜的张应力,可以获得具有较低应力的复合薄膜。与氮化硅薄膜相比,氮化硅和氧化硅组成的复合薄膜具有更低的热容和热导系数,更适合用于薄膜微桥结构的制作。


图1为薄膜微桥结构的结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为微桥结构的制作工艺流程图。
具体实施例方式
如图1、2所示,桥腿2、3与桥面1采用氧化硅和氮化硅复合薄膜制成,二者位于同一平面内,桥腿2、3的一端与桥面1相连,另一端架在金属桥墩4、5上,使桥面1由两条桥腿和二个桥墩支撑悬浮在衬底7之上,在桥面1与衬底7之间构成空腔6。
桥面1通过桥腿2、3和金属桥墩4、5与衬底7间形成热通路,利用这种微桥结构可以获得接近红外辐射极限的低热导,因此只需要吸收很少的热量就可以使得整个微桥结构获得较大的温升,容易探测出微小的热辐射信号。桥腿2、3和桥面1处于同一水平面,避免了由于桥腿弯曲而造成的应力集中。设计的桥面由薄膜构成,整个微桥结构的热容也很小,这样就可以降低该结构的热时间常数。微桥结构的热时间常数通常为几毫秒至十几毫秒,可以与读出电路的帧频兼容。该结构还适用于红外图像产生器和微弱信号检测等领域中需要高热阻结构的场合。
实例1在硅和石英衬底上设计制作了32×32面阵微桥结构。微桥结构参数如表1所示。
表1微桥结构参数表结构参数数值阵列规模32×32微桥结构大小100×100μm2桥面厚度0.6μm填充系数0.25微桥高度2μm利用表面牺牲层工艺制做微桥结构的工艺流程如图3所示并可描述如下A)如图3(A)衬底7表面清洗和活化。清洗衬底7表面,去除表面玷污。为了提高聚酰亚胺薄膜对衬底7的粘附性,在旋涂聚酰亚胺前,用氧等离子体对衬底7表面进行活化处理。
B)如图3(B)旋涂光敏聚酰亚胺薄膜8。在标准匀胶机上旋涂光敏聚酰亚胺薄膜8,可以根据厚度要求选择不同的匀胶机的转速。
C)如图3(C)光敏聚酰亚胺光刻和亚胺化。利用紫外光刻机光刻聚酰亚胺薄膜,形成聚酰亚胺薄膜孤岛9和桥墩孔10。随后将聚酰亚胺薄膜放置在用惰性气体保护的退火设备内进行亚胺化处理。亚胺化典型温度为200-400℃,亚胺化时间为30-120分钟。
D)如图3(D),填充桥墩孔10,形成金属桥墩4、5。利用腐蚀,剥离或者化学镀工艺用金属填充桥墩孔10,形成金属桥墩4、5。
E)如图3(E)制备结构层复合薄膜11。结构层薄膜选用氧化硅和氮化硅组成的复合薄膜。首先利用CVD或者磁控镀膜设备在聚酰亚胺薄膜孤岛9和金属桥墩4、5上镀一层厚度为100-500nm的二氧化硅薄膜,然后在二氧化硅薄膜之上制备一层厚度为100-500nm的氮化硅薄膜。
F)如图3(F)光刻结构层氧化硅和氮化硅复合薄膜11,去除桥面1和桥腿2、3底部的聚酰亚胺牺牲层孤岛9。利用标准光刻工艺光刻出微桥结构图形,并利用反应离子刻蚀工艺刻蚀氧化硅和氮化硅薄膜,露出聚酰亚胺牺牲层图形孤岛9。利用等离子体去胶设备去除桥面1和桥腿2、3底部的聚酰亚胺牺牲层薄膜孤岛层9,使微桥结构悬浮,在桥面1和衬底7之间形成空腔6。
实例2选择已经制作了CMOS读出电路的硅芯片作为衬底制作面阵微桥结构。微桥结构参数同表1。
在硅芯片上集成微桥结构工艺基本同实例1,但应注意下列问题在图3(A)步骤中,衬底清洗应选用有机清洗液(丙酮,甲醇,异丙醇等),不能选用对铝读出电极有腐蚀性的酸碱性溶液(如硫酸,盐酸,双氧水,氢氧化钠等)作为清洗液;在图3(C)步骤中,聚酰亚胺薄膜牺牲层亚胺化工艺温度应控制在400℃以下,以免对读出电路性能造成不良影响;在图3(E)步骤中,选用CVD镀膜时应选用低温工艺(如PECVD),镀膜温度应控制在400℃以下;在图3(F)步骤中,利用等离子体去胶设备去除底部牺牲层薄膜时,应注意控制去胶设备的功率和去胶时间,避免微桥结构和衬底温升过高。
概括起来,本发明提出一种微型面阵高热阻微桥结构制作技术。该技术采用标准微机械加工工艺,利用光敏聚酰亚胺薄膜作为牺牲层材料,利用氧化硅和氮化硅双层复合薄膜作为低应力结构层薄膜,最后利用氧等离子干法去胶技术去除牺牲层薄膜,获得了悬浮于硅衬底之上的微桥结构。除红外热探测器外,该结构还适用于红外图像产生器和其他微弱信号检测中需要高热阻结构的领域。
权利要求
1.一种薄膜微桥结构,其特征在于桥腿(2、3)与桥面(1)采用氧化硅和氮化硅复合薄膜制成,均位于同一平面内,桥腿(2、3)的一端与桥面(1)相连,另一端架在金属桥墩(4、5)上,桥面(1)由桥腿(2、3)和桥墩(4、5)支撑悬浮在衬底(7)上,桥面(1)与衬底(7)之间构成空腔(6)。
2.一种权利要求1所述薄膜微桥结构的制作方法,其步骤包括①、清洗衬底表面,并进行表面活化;②、在衬底表面旋涂一层1-5μm厚的光敏聚酰亚胺薄膜;③、对聚酰亚胺薄膜进行光刻处理,形成聚酰亚胺薄膜孤岛和桥墩孔,再进行亚胺化处理;④、用金属填充桥墩孔;⑤、在聚酰亚胺薄膜孤岛和金属桥墩上依次沉积氧化硅和氮化硅薄膜,形成复合薄膜层,氧化硅厚度为0.1-1μm,氮化硅厚度0.1-1μm;⑥、在上述复合薄膜层上光刻出微桥结构图形,刻蚀该复合薄膜层至聚酰亚胺薄膜层,形成桥面和桥腿图形,并用氧等离子体去除桥面和桥腿图形底部的聚酰亚胺薄膜,形成微桥结构。
全文摘要
本发明公开了一种薄膜微桥结构及其制作方法。其桥腿与桥面采用氧化硅和氮化硅复合薄膜制成,均位于同一平面内,桥腿的一端与桥面相连,另一端架在金属桥墩上,桥面由桥腿和桥墩支撑悬浮在衬底上,桥面与衬底之间构成空腔。其步骤包括在衬底表面旋涂光敏聚酰亚胺薄膜,再进行光刻处理,形成孤岛和桥墩孔,再进行亚胺化处理;用金属填充桥墩孔;再在孤岛和金属桥墩上依次沉积氧化硅和氮化硅薄膜,形成复合薄膜层;在复合薄膜层上光刻出微桥结构图形,刻蚀至聚酰亚胺薄膜层,形成桥面和桥腿图形,并去除桥面和桥腿图形底部的聚酰亚胺薄膜,形成微桥结构。本发明解决了由于桥腿弯曲而导致的应力集中问题,并获得了具有较低应力的复合薄膜。
文档编号B81C1/00GK1623887SQ20041006138
公开日2005年6月8日 申请日期2004年12月17日 优先权日2004年12月17日
发明者黄光 , 王宏臣, 陈四海, 何少伟, 付小朝, 易新建, 马宏 申请人:华中科技大学


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