CN101148242B - 电子检测装置和包含该种装置的检测器 - Google Patents

Abstract

一种电子检测装置包括衬底(1)和至少一个微结构，所述微结构包括以一定距离并面向所述衬底(1)大致延伸的膜片(9)，所述膜片(9)机械地连接和电连接到至少一个纵向保持部件(21，22)上，纵向保持部件(21，22)通过至少一个柱(5)机械地连接和电连接到所述衬底(1)上。该装置还包括至少一个在所述微结构的至少一个主表面上延伸的支肋部件(10-13)。

Description

电子检测装置和包含该种装置的检测器

技术领域

本发明涉及一种包括一个或多个微结构的电子检测装置，该微结构通常借助悬浮在衬底上的臂和膜片来实现电子功能。这样的电子装置可以构造成，例如红外辐射检测器的热辐射传感器。

背景技术

在包含有一个或多个带有悬浮于衬底上的臂和膜片的电子微结构的微电子结构领域，一直努力尽可能地小型化这些微结构。因此所希望的是，使得支撑悬浮于衬底上的膜片的臂的厚度和形成微结构有源部分的膜片的厚度最小化。此外，还希望使得保持臂的宽度最小化。除了电子装置整体尺寸上的允许的缩小外，这种缩小化也能够提高微结构的性能。

因此，在用于通过红外线照射观测景物的微辐射热测量计阵列检测器领域，允许构造成检测器的每一个传感器的膜片漂浮，即膜片悬浮于衬底上以使其被隔离，尤其是热隔离，它还通过一个或多个通常被称作“臂”的纵向保持部件电连接到衬底上。

这些保持部件的功能首先是支撑膜片离开衬底和防止它接触衬底，其次是将膜片电连接到衬底上，以便收集在光子和膜片相互作用期间释放的电荷载体。在该领域内众所周知，每一个膜片的温度会因依赖于被观测景物发射的流量的入射辐射效应而上升。这种温度的上升引起每一个基本传感器的电阻率的变化，这些传感器然后被分析用于产生被观测景物的图像。

基本传感器的灵敏度是影响辐射热检测器整体性能的一个基本量。该灵敏度对于在变热的感光膜片与在空间和时间上(即在任何时间和在任何位置)全部保持恒温的公共衬底之间的热阻成比例，。

这也是为什么有必要控制检测器每一个基本传感器的感光膜片和臂的尺寸的原因。因此，臂的狭窄度、臂和感光膜片的精细度决定了每一个基本传感器中的热阻，从而也决定了检测器的整体性能。

此外，微辐射热传感器响应产生自被观测景物的红外流量随时间变化的速度依赖于形成感光膜片的材料总量。这就是为什么为了最小化感光膜片的热惯性而必须使漂浮膜片功能层的厚度最小化由此使得基本传感器的响应速度最大化的原因。

然而，使检测器的臂和膜片小型化通常涉及由于承受这些应变的截面的表面积的减小而导致的那些元件易受其影响的机械和热应变的增加。根据现有技术，这种热机械应变限制了电子装置的尺寸，所述元件、传感器的臂、和膜片的变形不能超越这种限制，它们的易碎性或者敏感性会导致基本传感器分布上的几何缺陷(分散)。这种结构上的恶化对检测器的灵敏度和/或硬度产生有害的影响。

事实上，基于高度和相对衬底平行的角度而言，膜片必须均匀地放置在形成阵列检测器的二维网格上。这就是为什么膜片的臂或纵向保持部件作为重要元件其尺寸必须被优化的原因。同样，感光膜片必须限定尺寸以防止它在检测器操作期间变形，而且同时要确保好的检测性能，尤其是快速响应时间。臂和膜片抗弯曲、扭曲或折断应变的机械强度是这些部件相对于这些应变的轴垂直截面的惯性力矩的函数。当这些部件的厚度减小时这些机械强度也因此减小。

根据现有技术的电子装置通常包括具有10～50μm长、0.5～2μm宽、0.1～2μm厚的臂的微结构。在微辐射热传感器的情况下，这样的臂可以由几层构造成，其中一层至少是导电的。从上向下看，微辐射热传感器臂的一般形状可能是细长的、直的、三角板形(“L”形)的或“S”形的。

为了增加臂和/或漂浮膜片的机械强度，专利文献EP-A-0 753 671提出仅仅加强这些部件的侧面。因此涉及在臂或膜片的侧壁上安装加强边。

此外，专利文献US 5 399 897建议通过使臂和膜片在垂直于衬底所确定的平面的方向上弯曲而使其更硬。这样的结构确实能略微增加这样弯曲的部件的截面的惯性力矩。

详述了现有技术的这些文献的解决方案允许增加所使用微结构的硬度，但是假如包含的热机械应变因为增加了这种电子装置的小型化而变得更差，那么这种增加是不够的。这些文献所描述的微结构的臂和膜片保持相对柔韧性和可变形，尤其是当它们在相对臂主维方向的横向截面平面所限定的方向上受压时。

因此，当这样的应变出现时，可能存在所述的微结构相对明显的弯曲和/或扭曲，因此可能存在失败的风险或者甚至毁坏这样配置的电子装置。

因此，本发明的目的是提供一种具有臂和/或感光膜片的高性能电子检测装置，该装置不像现有技术的装置那样可变形。

发明内容

本发明的目的是提供一种电子检测装置，它的臂或膜片增加了它们易受其影响的机械和热应变的抵抗力并且提供了还可以改进的性能。

本发明涉及一种包括衬底和至少一个微结构的电子检测装置，该微结构包括膜片和至少一个纵向保持部件，所述膜片以一定距离并面向衬底充分延伸，膜片机械地连接和电连接到所述纵向保持部件上，纵向保持部件通过至少一个柱机械地连接和电连接到衬底上。

根据本发明，所述微结构还包括至少一个具有中空截面并且在该微结构的至少一个主表面上延伸的支肋部件。

换言之，微结构的臂和/或膜片通过至少一个位于它们面向衬底的表面上和/或与面向衬底的表面相对的表面上的充当横梁的部件而做得很坚硬。这样的横梁能够充分增加臂和/或膜片截面的沿着这些截面所有主轴方向上的惯性力矩。

支肋部件的中空截面能够使电子微结构变得坚硬且同时限制使用的额外重量，并由此限制了部件的热惯性，臂和/或膜片因此得到加强。

术语“以一定距离并面向”意思是“不接触”或“漂浮”。还有，措辞“纵向保持部件”中的形容词“纵向”表示臂在它连接到衬底的点和连接到膜片的点之间具有一个确定的自由漂浮长度。因此，术语“纵向保持部件”能指示出臂具有一个直的、弯曲的或诸如“S”这样更复杂的形状。

实践中，纵向保持部件可以包括在它的整个长度上延伸的纵向支肋部件。

这样，臂在它的整个长度上做得很坚硬。因此有可能使它更薄、直径减小且同时保持满意的硬度。

根据本发明，支肋部件在相对于微结构所述主表面的横截方向上延伸。

在本发明的一个具体实施例中，膜片包括至少一个在该膜片整个长度方向上和一个主维方向上延伸的支肋部件。

这样的结构能够使膜片在优选的方向上更加坚硬以便抵抗沿特定轴的应变。

实践中，支肋部件可以具有梯形的截面，梯形的底边连接到该微结构。

在本发明的一个实施例中，装置可以包括多个在膜片的一个和/或两个主维方向上延伸的支肋部件。这样的结构能够使膜片在它全部被限定的平面的两个方向上更坚硬。

在上述装置的另一具体实施例中，装置可以包括几个彼此平行的纵向支肋部件。这样的特征能够在所述整个主表面上加强微结构，而不管它是面对衬底的表面还是外部表面。

本发明还涉及用于诸如红外线这样的电磁辐射的阵列检测器。根据本发明，该检测器的每个基本传感器由上面说明的电子装置构造成，并且每一个膜片包括对该辐射敏感的材料。

这样的检测器因此更能抵抗它易受其影响的机械和热应变，尤其是在工作阶段。

此外，本发明还涉及用于生产电子检测装置的方法，该电子检测装置包括衬底和至少一个微结构，微结构包括以一定距离并面向衬底充分延伸的膜片，膜片机械地连接和电连接到至少一个纵向保持部件上，纵向保持部件通过至少一个柱机械地连接和电连接到所述衬底上。

附图说明

根据下面仅仅作为实施例的描述，并参考显示本发明实施例的附图，本发明及其优点将变得显而易见：

图1是根据本发明的电子装置的示意透视图；

图2a和2b是沿图1中虚线A-A的示意截面图；

图3a和3b是本发明另一实施例的与图2a和2b类似的示意截面图；

图4a和4b是本发明另一实施例的与图2a和2b类似的示意截面图。

具体实施方式

各个附图为示意图，因此包括的部件不是成比例的。

图1显示了根据本发明应用微辐射热测量计检测器的现有原理设计的用于检测红外辐射的电子装置。图1中，基本微辐射热测量计传感器包括提供用于读取由传感器有源部件发射的信号的电路的衬底1。为了产生微结构，衬底1整个是平的并且用作基础层，这种情况下，基本传感器应用了单片集成电路薄层沉积技术、光刻技术或者蚀刻技术。因此，衬底1对形成阵列检测器的所有基本传感器是公用的。

图1中基本传感器的感光部分由浮动安装在衬底1上的膜片9形成。制作膜片9的材料对温度敏感，能显示出辐射热的情况，并且具有依赖于被检测的辐射来确定的特定厚度。例如，它可以是掺杂质的非晶硅或者任何其它合适的感光材料。为了收集入射辐射，膜片9通常具有全部是平的矩形或正方形表面。

膜片9通过两个纵向保持部件21和22保持漂浮或悬浮于衬底上方。如上所述，这样的保持部件在辐射热检测器领域一般称作支撑臂。当从上向下看时，纵向保持部件21和22每个都呈典型的“L”形或三角板形。它们在短边处机械连接到膜片9上。

此外，纵向保持部件21和22包括在它们的每一个短边处与膜片9接触的一层导体材料8以便收集感光膜片9发射的信号。

因此，导电层8形成的导体能够作为用于辐射热测量计膜片9的电极。在图1的实施例中，导电层内嵌在实现机械功能的两层之间。然而，它也可以构造成臂21和22的外壳。

臂21和22各自都由位于向着相应的臂21和22的末端并在连接到膜片9的短边对面的柱5支撑。因此，柱5插在衬底1和由臂21、22以及膜片9确定的整个平面之间。此外，由臂21、22、膜片9组成的机械支撑部件和柱5还保证了衬底1与由导体材料8形成的两个电极中的每一个的电连接。

根据本发明，臂21和22中的每一个都与设计成用于增加基本传感器的强度，尤其是增加了相应臂的机械强度。实际上，这两个纵向支肋部件10和11在与其对应相关的臂21和22的整个长度上延伸。在图1的实施例中，纵向支肋部件具有梯形截面，它的顶边是开口的，底边连接到微结构、臂或膜片上。

在本发明中，这样的纵向支肋部件因此具有横梁形状并能够显著增加臂21和22的截面的惯性力矩，尤其是相对于这些截面平面限定的轴向。

此外，感光膜片9借助两个纵向支肋部件12和13也得到加强，支肋部件12和13在它的一个主维方向上延伸，这种情况下，在它的整个长度上延伸。如同横梁10和11一样，支肋部件12和13在电子微结构的定向成朝向衬底1的主表面即下表面上延伸。而且，支肋部件10-13在容纳它们的主表面的横截方向上延伸。

四个支肋部件也都是中空的，即它们全部是管状的结构。这种特征能够限制由支肋部件10-13产生的额外重量，同时确保微结构增加了沿三个轴向的惯性力矩。

此外，支肋部件10-13不必在臂21-22或膜片9的整个长度或宽度上延伸，相反，它们可以由多个不连续的小支肋部件替代。这样的结构能够限制支肋部件的质量，同时确保微结构具有需要的机械强度。

因此，图1显示了根据本发明的一个单一的电子装置，它构造成用于辐射热测量计检测器的基本传感器。为了构造成完整的检测器，然后必须并列放置多个相同的基本传感器成一列，这能形成一个典型的二维视网膜，其中支撑柱、臂、甚至膜片本身相对全部或一些基本传感器都可以是公用的。

图2a和2b显示了根据本发明的制造方法获得的电子装置。图2a显示了该方法中的一个阶段，而图2b显示了如同图1中那样的电子装置的完成阶段。为了使图形更易于阅读，沿虚线A-A方向上的变化通过图2a和2b中的点划线显示出来。

为了将电信号导入衬底1中，衬底1包括金属部分2，金属部分2的钝化层具有开口3。为了将微结构中产生的信号传送到与衬底1相关的读取电路，这些开口作为结合区用于提供电连接。

使用本领域人员熟知的称作“旋装于玻璃(SPIN-ON-GLASS)”的技术，之后沉积第一层诸如聚酰亚胺这样的有机类型的或者二氧化硅这样的无机类型的平面化材料，即相对平滑的上表面。其后，移除构造成第一层的除了靠近开口3区域的材料以便仅剩下柱5。为了确定一个对波长为8～14μm的射线敏感的辐射热测量计传感器，柱5的高度值范围典型为1.5～2μm。

从柱5周围移除材料在这里是通过与蚀刻相关的光刻过程获得的。然而，只有平面化材料是光敏性的才能够使用光刻技术。还应注意的是，具有梯形截面的柱5的形状在这里仅仅通过实例进行了指定，但该柱5也可以具有不同的形状，而并不脱离本发明的范围。显然，为了显露出钝化层中开口3的底部以便暴露出金属部分2的非钝化层表面，产生柱5的阶段被执行。

在下一阶段期间，使用典型技术沉积由导电材料制成的第二层4到前一阶段产生的整个表面上。该第二层典型地可以由钛和铝组成。

首先为了分离金属部分2和柱5的外表面之间的电连续区域，其次为了确定一个典型地形成用于被检测辐射的反射器42的层，该层然后通过光刻技术和蚀刻技术进行处理。这样的反射器实际上能向感光膜片9返回红外线，而部分红外线穿过该膜片9。这能够最大化与膜片9互相影响的辐射流量，因此最大化检测器的信噪比。

为了埋藏前面沉积的层，下一阶段包括沉积另一层平面化材料60，例如聚酰亚胺，尤其是具有超过0.1～2μm级厚度的柱5。这样，所达到的平均总厚度之后约为2μm，该高度基本上代表了位于衬底1(臂和膜片)上方漂浮部分的高度。

根据本发明的一个方面，之后的下一阶段是形成平面化材料层60表面上的凹槽61。为了监视这些凹槽61的尺寸和形状，它们可以通过应用与干蚀刻相关的光刻掩模来产生。光刻掩模内的开口对应着人们想放置支肋部件的位置。这样，为了在微结构的臂21或22上放置支肋部件，凹槽必须做在合适的位置，即作为柱5上方的延伸(图2a和2b的左侧部分)。这也是为什么希望留下覆盖柱5的平面化材料60的原因。相反，如在图2a中布置的那样，凹槽61用来形成用于膜片9的支肋部件。

另外，为了完全控制凹槽61的截面形状，人们可以在垂直方向上使用各向异性处理并监视角度侧面。这样，人们就能够产生与图1中所示的横梁10-13相似的具有梯形截面的支肋部件。

随后，使用传统的化学气相沉积方法(CVD)沉积一层如二氧化硅或氮化硅这样的绝缘材料70。绝缘层70的厚度可以是10～50nm。此外，为了从柱5顶端除去材料70，必须使用光刻掩模并进行适当的蚀刻。实际上，臂21和22收集的电信号通过柱5的顶端传输并发射给衬底1的读取电路。

该方法的下一阶段，即本发明的目标，包括使用典型技术沉积诸如氮化钛这样的导电材料精细层8，如图1所述的那样，层8能确保在臂21和22中及在部分感光膜片9中的电传导。层8如此形成用于辐射热测量计膜片9的两个电极。与之前一样，在沉积层8之后必须应用光刻掩模和进行适当的蚀刻以确定导电区域8的轮廓形状，就像图1中那样，该导电区域8从上向下看整体上成“L”形状。

然后，在微结构的整个表面上沉积一层新的平面化材料62，然后应用例如干蚀刻技术，使它变薄以显示出或暴露出所有位于凹槽61外部的表面，凹槽61确定了作为本发明区别特性的支肋部件。制作层62的材料与构造成层60的材料可以是相同的。人们然后使用与为了形成层70而使用的技术相同的技术沉积第二层绝缘材料71。

接下来的阶段显示在图2b中，图2b示意地显示了如图1所示那样的处于完成操作阶段的电子检测装置。为了完成这一最后阶段，人们首先应用光刻掩模通过层71打开电接触表面，然后，为了局部露出导电层8，以熟知的方式蚀刻该层。在图1和图2所示的实例中，在位于作为每一个短边的延伸位置的膜片9的边上进行蚀刻。

下一阶段包括在膜片9的整个表面积上沉积辐射热材料，该材料可以由，例如掺杂的非晶硅构造成。掺杂的非晶硅被沉积到能够实现指定给感光膜片9的温度计功能的厚度。

该辐射热材料层的厚度取决于人们想要检测的辐射，并且可以在20nm～5000nm间变化。该辐射热材料能够提供在允许与导电层8电接触的细长的侧面区域之间延伸的电阻。

下一阶段包括除去部分辐射热材料以暴露出在臂21和22的平面上的绝缘层71。实际上，臂21和22必须以熟知的方式具有高热阻，并因此最好不含任何热辐射材料。

最后，应用光刻掩模到所有上述阶段之后得到的结构上以描绘出膜片9和臂、或者纵向保持部件21和22的最后轮廓。

用于生产根据本发明的电子装置的方法的最后阶段包括，如果层60是有机类型的层，例如通过氧等离子体或等同的方法除去层60。一旦除去层60，感光膜片9和大多数臂21和22就会漂浮着，即悬浮在衬底1上方，更精确地说，就是没有任何接触的导电层4。除去层60的该阶段还能够除去填充凹槽61的牺牲性材料以便支肋部件10-13之后被移空并且最后具有中空的截面。

图3a和3b显示了根据本发明的电子装置和用于生产该装置的方法的第二实施例。图3a显示了中间阶段，图3b显示了最后阶段。在本发明的该实施例中，支肋部件在层360中不再做成中空的，相反，在导电层308上方形成一个突出体。因此，支肋部件做在臂和膜片的主上表面上，即在它们面向衬底的主表面(下表面)对面的自由面上。

因此，生产这样的支肋部件310、313包括执行诸如上述方法中同样的阶段，而在沉积绝缘层370之前对层360不使用特定的光刻掩模。相反，必须在蚀刻在沉积绝缘层371之前由平面化材料制成的层361、362之前使用光刻掩模。

为了控制支肋部件310、313截面的尺寸和形状，能够在形成光刻掩模的感光树脂上进行各向同性侵蚀，而光刻掩模用于形成确定支肋部件310、313的突出体。根据希望的支肋部件310、313的高度来确定层361、362的厚度。

在生成突出体310、313后，用与沉积图2a和2b中显示的层371同样的方法沉积绝缘层371。最后，在蚀刻臂和膜片之前沉积一层辐射热材料，然后除去中间的牺牲性层360。通过该替换方法得到的膜片309同样具有形成支肋部件的突出体。

假设这两种方法之间存在差别，为了保持一个用于确定衬底和感光膜片之间的缝隙的适当距离，可能希望柱305稍高于柱5。

根据详述于图4a和4b中的本发明的另一实施例，层中支肋部件是中空并且突出的，所述空洞和突出体一个与另一个相应对齐(参见描述了最后阶段的图4b)。这样，所述支肋部件确定了在膜片409的平面上面和下面延伸的管道420，所述膜片自身也在所述管道的赤道平面内稍微延伸。

所述管道的每一个是由层413中的支肋部件空洞和支肋部件的突出413’确定的，所述层中的支肋部件空洞容纳由导电材料408制成的层，形成所述辐射热膜片409的电极。

图4a和4b已经描绘了构造成本发明该实施例检测器的基本部件，其中的附图标记与图2a和2b中的附图标记加上400相同。此外，实现该实施例的方法与上面公开的那些方法相同或相似。

根据本发明的电子装置具有确定漂浮结构的部件，该结构的截面具有与根据现有技术的装置相比增加的惯性力矩。因此，这样的电子装置具有更大的抗机械和热应变能力，尤其是抗弯曲、褶皱、蠕变等应变。当生产辐射热传感器时，与以前的辐射热传感器相比，由于使用了简单的臂和膜片形状两个因素，因此能够增加臂或膜片的机械强度。

因此，能够可选择地减小臂和/或膜片的厚度，以及它们的宽度，相反还不会影响这些部件的机械强度。这些部件尺寸上的减小具有增加它们的热阻的优点，如果是辐射热检测器的话，这会导致基本传感器灵敏度的提高。实际上，每单位长度臂的热阻依赖于它们截面内材料的数量，并且由方程R_th＝ρL/s来定义，其中：

-R_th是每单位长度臂的热阻；

-ρ是形成截面材料的等价热阻系数；

-L是所讨论的阻抗长度；

-s是截面的表面面积。

这样，截面积s越小，热阻R_th越高，检测器灵敏度越高。

正如所述，增加膜片硬度能够减小它的厚度，因此减小它的质量和热惯性。与根据现有技术的传感器相比，如此生产的基本传感器的动态性能因此得到加强。

这样，人们能够生产象根据现有技术的传感器一样的具有臂的辐射热传感器，臂宽度为1～1.5μm，但绝缘层71和72的厚度减小到15nm，甚至10nm，而根据现有技术的每个绝缘层厚度至少为30nm。这种减小的厚度能够增加臂的热阻，并因此增加传感器50％～100％的热辐射灵敏度，而基本上保持了同样的横向硬度，即相同的对臂变形的弹性阻抗。还有，增加用于提供支肋部件的膜片主表面的展开表面对基本传感器的灵敏度没有明显的影响。

上述实施例涉及辐射热检测器领域，但包括附加支肋部件到微结构上的本发明的基本原理仍能应用于其它称作“漂浮”的微结构或者电子装置上而并不脱离本发明的范围。

这样装置的实例包括声音共振器、声级计、速度陀螺仪、加速度计和其它相关的装置，对这些装置而言，弹性的、电子的、热弹性的或者光弹性的特征是至关重要的。

Claims (11)

1.一种包括衬底(1；301；401)和至少一个微结构的电子检测装置，所述微结构包括膜片(9；309；409)和至少一个纵向保持部件(21，22)，所述膜片面对所述衬底(1；301；401)并离开所述衬底一距离而延伸，并且机械地连接和电连接到所述纵向保持部件上，所述纵向保持部件借助至少一个柱(5；305；405)机械地连接和电连接到衬底(1；301；401)上，其特征在于，该微结构还包括至少一个具有中空截面并在所述微结构的至少一个主表面上延伸的支肋部件(10-13；310；313；410；413；413’；420)。

2.根据权利要求1的电子检测装置，其特征在于，该支肋部件在相对于微结构的主表面的横截方向上延伸。

3.根据权利要求1或2所述的电子检测装置，其特征在于，该纵向保持部件(21，22)包括在其整个长度上延伸的纵向支肋部件(10，11；310；410)。

4.根据权利要求1所述的电子检测装置，其特征在于，该膜片(9；309)包括至少一个在所述膜片(9；309)的一个主维方向上和整个长度上延伸的支肋部件(12)。

5.根据权利要求1所述的电子检测装置，其特征在于，该支肋部件(10-13；310；313)具有其底边连接到所述微结构上的梯形截面。

6.根据权利要求1所述的电子检测装置，其特征在于，该支肋部件(410；420)成管道形状，该管道是由在微结构的两个主表面上延伸的支肋部件构造成的。

7.根据权利要求6的电子检测装置，其特征在于，该膜片(409)的平面沿着所述管道(420)的赤道平面延伸。

8.根据权利要求1所述的电子检测装置，其特征在于，其包括多个在所述膜片(9；309；409)的一个和/或其它主维方向上延伸的支肋部件(10-13；310；313；410；413；413’；420)。

9.根据权利要求1所述的电子检测装置，其特征在于，其包括多个彼此平行的纵向支肋部件(10-13；310；313；410；413；413’；420)。

10.一种电磁辐射阵列检测器，包括多个用于所述电磁辐射的基本传感器，其特征在于，所述基本传感器各自由前述权利要求中任一项所述的电子检测装置构造成，所述膜片各自包括对该电磁辐射敏感的材料。

11.根据权利要求10所述的电磁辐射阵列检测器，其用于红外辐射。

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