CN101249935B - 一种热绝缘微桥结构及其加工方法 - Google Patents

Abstract

一种热绝缘微桥结构及其加工方法，属于微机电系统技术领域。包括微桥主体10、衬底13以及悬臂梁11、12，微桥主体10通过悬臂梁悬于衬底13之上，并形成空隙14，本发明通过在悬臂梁上制造皱褶结构，可在不影响微桥的填充因子的情况下，增加悬梁臂的有效绝热长度，从而提高微桥结构的热绝缘效果。所述微桥的微细加工方法是通过在衬底表面沉积牺牲层材料；在牺牲材料层制造出凹槽结构；沉积生长微桥结构材料层，并在牺牲材料层包含凹槽结构的地方形成皱褶结构；通过去除牺牲层材料，释放包含皱褶结构悬梁臂的微桥结构。本发明微桥结构可广泛地应用于非制冷红外探测器，气体探测器，微加热平台，红外线辐射源器件等微机电系统和器件。

Description

一种热绝缘微桥结构及其加工方法

技术领域

本发明属于微机电系统技术领域，具体涉及热探测器中所用的热绝缘增强的微桥结构及其加工方法，以及应用热绝缘微桥结构的传感器。

技术背景

在微机电系统领域，特别是热传感器领域，其敏感部分都需要同外界形成最大化的热绝缘。通常传感器件的热绝缘要求都是通过一种称为“微桥结构”的设计来满足。即通过微加工方法，制造出细而长的悬臂梁支撑结构，形成悬于衬底上方的类似于桥的结构。这种结构在微机电系统领域特别是热辐射探测器领域通常称为微桥结构。热绝缘的微桥结构广泛地应用在微机电系统领域中，应用实例包括但不限于：非制冷红外探测器、红外源发射器、流量传感器、气体传感器、微加热器平台等。一类微桥结构的实例见于US6091050(公告日为2000年7月18日)，发明名称为“热微平台”(Thermal microplatform)的公开利用双材料的热膨胀系数的差异在微桥加工完成后进一步增加同衬底间的距离，达到减小气体的热传导，该专利还描述了微桥结构在微机电系统领域的一些应用。中国发明专利CN1371474A“微桥结构”(公开日为2002年9月25日)也列举了微桥结构在微机电系统例如匹拉尼(Pirani)压力计、流量传感器、红外发射器、特别是红外探测器中的应用。

在上述这些微器件应用实例中，目的都是要最大程度地提高传感材料在接收外界单位能量的条件下而产生的温升。温升会由于传感材料同外界热量交换的任何机制的增大而减小。这就要求在设计微桥结构时最大程度地提高其热绝缘性。微桥结构同外界周围环境之间的热交换主要通过三种途径，包括：通过悬臂梁的热导；通过周围气体的热导和对流；和通过微桥结构表面的辐射。在通常情况下，通过微桥结构表面辐射的热导远远小于上述的其它两种途径的热导，因此一般可以忽略不计。并且通常微桥结构是在真空封装的工作环境下，那么通过气体的热导和对流的热交换也可以忽略。在这些条件下，微桥结构同外界周围环境之间的热交换就主要是通过悬臂梁的热导来进行。而悬臂梁的热导(Gth)可以用下面的公式来表示：

$G_{\mathrm{th}}=n\·g_{\mathrm{th}}\·\frac{w\·t}{l}$

其中，n是悬臂梁的数量；gth是构成悬臂梁的材料的热导率；w是悬臂梁的宽度；t是悬臂梁的厚度；l是悬臂梁的长度。

根据以上的公式，为了提高微桥结构的热绝缘，悬臂梁尽量采用具有较低的热导率的材料。并且尽可能地减小悬臂梁的宽度和厚度。通常，在悬臂梁的宽度和厚度的减小受到加工能力等条件的限制而达到最小极限的情况下，通过尽量增加悬臂梁的长度的方法来提高热绝缘。例如，《非制冷微测辐射热计焦平面阵列灵敏度的改进》，SPIE(国际光学工程学会)的1991年红外技术及其应用讨论会，SPIE卷3698，119～130页，RadfordW.等(“Sensitivity improvements in uncooled microbolometer FPAs，”Proceedings of SPIE conference on infrared technology and applications XXV，1999，SPIE Vol.3698，pp.119-130)，发表公开一种非制冷红外探测器微桥结构，采用了在平面内弯折环绕的悬臂梁设计来增加其长度，但是这种设计的缺点是平面内弯折环绕的悬臂梁占用了微桥结构的有源表面积，使得微桥结构的填充因子(fill factor)下降。微桥结构的填充因子是指其传感有源表面积同整个结构占用的总面积之间的比例。在红外探测器的应用中，填充因子的下降意味着对红外辐射的吸收面积减小，红外探测器的响应度也会随之下降。US6144030“先进的小像元高填充因子的非制冷焦平面阵列”(“Advanced small pixel high fill factor uncooled focal planearray”；公开日2000年11月7日)提出采用双层的微桥结构，悬臂梁同红外吸收层制造在分开的不同层面上。在这种设计中，悬臂梁可以在不影响填充因子的情况下通过弯折环绕的方式来增加其长度。但是加工双层的微桥结构的工序要比加工单层的微桥结构的工序复杂很多。熟练技术人员将会理解，增加的工序将会使成品率降低并增加器件成本。

发明内容

为克服现有技术微桥结构填充因子下降，有效绝缘长度增长时而工序复杂的不足，本发明之目的是提供一种工序简单，既增强热绝缘性能又不影响填充因子的微桥结构。

本发明通过以下技术方案实现发明目的：

一种热绝缘微桥结构，包括微桥主体、衬底以及支撑微桥主体悬于衬底表面之上的悬臂梁，微桥与衬底之间含有空隙，所述悬臂梁部分包含至少一个在垂直方向的皱褶结构。本发明通过在悬臂梁上加工皱褶结构以达到使悬臂梁在垂直方向弯折环绕的结构，在不影响微桥结构的填充因子的前提下，增加悬臂梁的有效绝热长度从而提高微桥结构的热绝缘，在制作本发明微桥时，可通过改变垂直方向的皱褶结构的重复次数、侧壁高度等来调节微桥结构的热绝缘程度。本发明的微桥结构可以应用于非制冷红外探测器、气体探测器、微加热器平台、红外线辐射源器件等多种具有热绝缘要求的微机电系统和器件中。

进一步，应用本发明包含皱褶结构悬臂梁的微桥结构时采用自支撑(self-supporting)形式，所述微桥主体及悬臂梁包含有传感材料层，即微桥结构主体及悬臂梁是由与传感材料相同的材料构成。例如利用无定形硅(a-Si:H)材料来制造非制冷红外探测器的时候，微桥结构及悬臂梁是由无定形硅薄膜制造的，而传感材料也是无定形硅。

也可采用支撑薄膜(film-on-support)形式，利用热绝缘介质材料构成微桥结构及悬臂梁对传感材料起支撑的作用。而传感材料沉积在由介质构成的微桥结构上。例如可以实现另外一种非制冷红外探测器，以氧化硅作为支撑薄膜微桥结构，而传感材料沉积在氧化硅支撑薄膜上。在应用热绝缘增强的微桥结构的时候，往往需要形成传感材料与衬底之间的电的连接。可以通过在悬臂梁上形成薄的金属导体，并通过在牺牲层形成通孔的方法来实现电连接。本发明的皱褶结构悬臂梁的微桥结构可以应用于其他微桥结构方式，本发明包含但不限于上述两种方式。

进一步，微桥主体的桥面低于悬臂梁上平面，桥面与衬底表面之间的距离满足入射辐射的1/4波长。微桥结构的一种典型应用实例非制冷红外探测器，为了最大程度地吸收辐射能量，通常要求微桥与衬底表面之间的距离满足入射辐射的波长的四分之一。在该条件下，由衬底表面反射回来的辐射与入射辐射之间形成相干干涉而促进微桥对于入射辐射的吸收。微桥与衬底表面之间的距离由微加工工艺的牺牲层的厚度来决定。通常非制冷红外探测器探测的是10微米左右的红外辐射。那么相应的微桥与衬底表面之间的距离要求为2微米左右。在该条件下，皱褶结构的侧壁高度(H)不可能超过牺牲层的厚度，也就是说能够制造的皱褶结构的侧壁高度小于2微米。进一步考虑到微桥结构释放过程的要求，皱褶结构的侧壁高度一般不会高于1.5微米。于是，微桥结构的热绝缘的提高就受到微桥与衬底表面之间的距离的要求的限制。本发明进一步提供一种微桥结构，不受微桥与衬底表面之间距离的要求限制并可以提高微桥结构的热绝缘。即在满足微桥与衬底表面之间的距离为四分之一波长的条件下，也增加皱褶结构的侧壁高度。本发明可以通过沉积远远高于四分之一波长厚度的牺牲层，然后利用刻蚀步骤在牺牲层将悬臂梁和微桥桥面的位置同时制造出凹槽，此结构凹槽高度可远远大于1.5微米，形成的结构既保证了微桥桥面与衬底表面之间的距离满足入射辐射相干干涉要求的条件又有效地提高了皱褶结构的侧壁高度，可以脱离微桥与衬底表面之间的距离要求的限制进一步增加热绝缘。

本发明的另一目的是提供一种制造上述热绝缘增强的微桥结构的加工方法，本发明方法包括以下步骤：

a.在衬底表面沉积生长牺牲层材料；

b.形成图案的方式，在牺牲材料层刻蚀出凹槽；

c.沉积微桥结构层材料，并在牺牲层包含凹槽的地方形成皱褶；

d.形成图案的方式制造出微桥结构图案；

e.通过去除牺牲层材料，释放包含皱褶结构的悬臂梁的微桥结构。

进一步，本发明方法还可以在步骤c之后还包括微桥结构层上沉积传感材料层，并形成图案的步骤。本技术领域的技术人员可以理解，在微桥结构层上沉积传感材料层，并形成图案，微桥结构可以对传感材料层支撑。

更进一步，本发明加工方法中步骤b，在牺牲材料层刻蚀凹槽时，于悬臂梁和微桥桥面处同时制造皱褶，并使微桥桥面与衬底的表面之间满足入射辐射1/4波长的条件。如前所述，应用非制冷红外探测器，微桥结构热绝缘的提高受到微桥与衬底表面之间距离要求的限制。本发明提供了一种不受微桥与衬底表面之间的距离的要求的限制来提高微桥结构的热绝缘的方法。即先沉积远远高于四分之一波长厚度的牺牲层；然后利用刻蚀的方法在牺牲层将悬臂梁和微桥桥面的位置同时制造出凹槽结构；凹槽的高度远远大于1.5微米。通过控制刻蚀的时间来保证凹槽结构处保留的牺牲层厚度满足入射辐射四分之一波长的条件。在完成沉积制造微桥结构层等其它微加工工艺后，去除牺牲层释放微桥。于是，既保证微桥桥面与衬底表面之间的距离满足入射辐射相干干涉要求的条件，又有效地提高皱褶结构的侧壁高度，可以脱离上述限制进一步增加热绝缘。

本发明的第三目的是提供一种传感器，传感器包含有上述的微桥结构。

上述传感器为红外探测器和/或红外发射器。

相比现有技术的微桥结构，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明通过在悬臂梁上加工皱褶，使悬臂梁在垂直方向弯折环绕，相比不包含褶皱的微桥结构，在填充因子不减小的前提下，本发明的微桥结构的热绝缘性能有效提高。

(2)本发明提供悬臂梁与桥面同时制造出凹槽，解除微桥与衬底之间距离要求而限制热绝缘性能提高的问题。

附图说明

图1为本发明一实施例的微桥结构示意图。

图2(a)、图2(b)为普通微桥结构以及悬臂梁等效长度的示意图。

图2(c)、图2(d)为包含皱褶结构以及悬臂梁等效长度的示意图。

图3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(g)、(f)、(h)为制造本发明的热绝缘增强微桥结构的加工过程。

图4为本发明既满足微桥与衬底表面之间的距离为四分之一波长又可增强热绝缘性能另一实施例微桥结构示意图。

图5(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(g)、(f)、(h)为制造图4所示意的微桥结构的加工过程。

具体实施方式

以下对照说明书附图，对本发明做进一步的解释和说明：

如图1所示，本发明的热绝缘性能提高的微桥结构包括微桥主体10、衬底13以及悬臂梁11、12，微桥主体10与衬底13之间含有空隙14。微桥主体10通过悬臂梁11、12支撑的方式悬于衬底13上。

悬臂梁11、12分别包含至少一个垂直方向的皱褶结构15、16。上述皱褶结构15、16的目的是在不影响微桥结构10的填充因子的前提下，来增加悬臂梁11、12的有效绝热长度从而提高微桥结构10的热绝缘。

图2所示意的是本发明提供的带皱褶结构的微桥与普通的微桥结构之间的热绝缘性能的比较。

其中图2a和图2b所示意的是本发明提供的带皱褶结构的微桥结构及其悬臂梁(C-C’)的剖面图。图2c和图2d所示意的是现有技术微桥结构及其悬臂梁(D-D’)的剖面图。本发明微桥结构和现有技术之间的区别可以通过各自的悬臂梁的剖面图来理解。如图2b剖面图所示，包含皱褶结构31的悬臂梁32与不包含皱褶结构的普通悬臂梁33比较，在占用相同的表面积的前提下，包含皱褶结构31的悬臂梁32的等效长度(L”)显著地大于不包含皱褶结构的普通悬臂梁33的长度(L)。此处定义皱褶结构31的侧壁高度为H，皱褶结构31的重复次数为N。如果想象把皱褶结构31拉平，那么包含皱褶结构31的悬臂梁32的等效长度可以表示为：

L″＝L+(N+1)·H

根据制造和使用这些微桥结构的典型条件，例如在像元尺寸(P)为37微米的非制冷红外探测器中，例如L的典型值为30微米，H的典型值是1微米，N的典型值是10次。在该示例条件下，包含皱褶结构31的悬臂梁32的实际等效长度(41微米)相对于不包含皱褶结构的普通悬臂梁33的长度(30微米)增加了11微米(37％)。从而，在其它条件相同的前提下，使得相应的微桥结构的热绝缘也提高了37％。而且由于皱褶结构在垂直方向，在提高热绝缘的同时对填充因子没有影响。

如果图2c和图2d中所示，微桥结构的悬臂梁长度(L)也要增加到41微米，在这种情况下，因为悬臂梁长度(L＝41微米)已经超过了像元尺寸(P＝37微米)，则需要利用现有技术如《非制冷微测辐射热计焦平面阵列灵敏度的改进》所述，在平面内弯折环绕来增加悬臂梁长度的方法来实现在同一平面内将悬臂梁长度增加11微米。如果仍旧假定上述的典型条件，并且假定悬臂梁的宽度W为2微米，悬臂梁与微桥的间距S为2微米。那么上述增加的11微米悬臂梁在上述的典型条件下使微桥的填充因子下降了6％以上。而填充因子的下降对于许多热传感器来说就意味着灵敏度的下降。例如在红外辐射热探测器中，填充因子的下降意味着探测器对于辐射吸收的面积下降。从而导致在其它同等条件下，探测器的响应度降低。

本发明的微桥结构可以方便地利用表面微加工工艺制造。以下根据附图来给出本发明的制造过程：

第一步，如图3(a)所示意，在衬底20的表面沉积牺牲层材料21。在微桥结构的典型应用中，该牺牲层的厚度一般是在2微米左右。衬底20可以是包含工作的集成电路的晶片。

第二步，如图3(b)所示意，利用微机电系统加工工艺中形成图形的方法，在牺牲层中形成凹槽结构22。凹槽结构22的深度是可以控制的。例如可以通过控制刻蚀时间来控制凹槽结构22的深度。凹槽结构22的深度还要考虑到最后牺牲层释放去除的要求。

第三步，如图3(c)所示意，在牺牲层的基础上沉积微桥结构层23。微桥结构层23在凹槽结构22处形成皱褶结构24。

第四步，如图3(d)所示意，根据需要沉积传感材料25并形成图形。

第五步，如图3(e)所示意，根据需要沉积电连接材料26并形成图形。

第六步，如图3(f)所示意，根据需要沉积钝化保护层27并形成图形。

第七步，如图3(g)所示意，形成与衬底21之间的通孔28并形成桥墩。

第八步，如图3(h)所示意，以形成图形的方法刻蚀出微桥结构。最后，通过去除牺牲层释放并形成由包含皱褶结构的悬臂梁来支撑的热绝缘增强的微桥结构。

在应用本发明中提到的包含皱褶结构的悬臂梁的微桥结构的时候，可以有几种不同的方式。如前述提及的自支撑(self-supporting)形式或支撑薄膜(film-on-support)形式。

如图2a所示意，包含皱褶结构31的悬臂梁32的等效长度L”相对于不包含皱褶结构的普通悬臂梁33的长度L的增加来自于皱褶结构31的侧壁高度H。通过改变皱褶结构31的侧壁高度H，可以对微桥结构的热绝缘在一定范围内调整。通过这种方式，可以在不改变其填充因子的前提下，制造不同热绝缘的微桥结构。改变皱褶结构31的侧壁高度H的方法是在以形成图案的方式在牺牲材料层刻蚀出凹槽结构的步骤中，通过控制凹槽的刻蚀深度来实现的。另外，通过改变皱褶结构31中皱褶的重复数量N，也可以对微桥结构的热绝缘在一定范围内调整。

实施例2

如图4所示。在微桥结构的一个典型应用实例非制冷红外探测器中，为了最大程度地吸收辐射能量，通常要求微桥与衬底表面之间的距离满足入射辐射的波长的四分之一。在该条件下，由衬底表面反射回来的辐射与入射辐射之间形成相干干涉并促进微桥对于入射辐射的吸收。微桥与衬底表面之间的距离由微加工工艺的牺牲层的厚度来决定。通常，非制冷红外探测器探测的是10微米左右的红外辐射。相应的微桥与衬底表面之间的距离要求为2微米左右。因此皱褶结构的侧壁高度(H)不可能超过牺牲层的厚度，也就是说能够制造的皱褶结构的侧壁高度小于2微米。进一步考虑到微桥结构释放过程的要求，皱褶结构的侧壁高度一般不会高于1.5微米。这样一来，微桥结构的热绝缘的提高就受到微桥与衬底表面之间的距离的要求的限制。

图4所示意的是在满足微桥与衬底表面之间的距离为四分之一波长的条件下进一步提高热绝缘性能的微桥结构。

首先，沉积远远高于四分之一波长厚度(约2微米)的牺牲层；接下来利用刻蚀的方法在牺牲层上面将来悬臂梁41和微桥桥面42的位置同时制造出凹槽结构。凹槽的高度远远大于1.5微米。通过控制刻蚀的时间来保证凹槽结构处保留的牺牲层厚度满足入射辐射四分之一波长的条件。在沉积制造微桥结构层等，完成其它的微加工工艺后，去除牺牲层释放微桥，形成图4所示的微桥结构，这种结构保证了微桥桥面42与衬底43表面之间的距离44满足入射辐射相干干涉要求的条件又有效地提高了皱褶结构的侧壁高度，可以脱离微桥与衬底表面之间的距离要求的限制进一步增加热绝缘。

上述微桥结构的制造过程如下：

第一步，如图5(a)所示意，在衬底50的表面沉积牺牲层材料51。该牺牲层的厚度可以根据热绝缘增加需要而调整，可以高于图3(a)中的2微米。衬底50可以是包含工作的集成电路的晶片。

第二步，如图5(b)所示意，利用微机电系统加工工艺中形成图形的方法，在牺牲层中形成凹槽结构52。凹槽结构52的深度是可以控制的。例如可以通过控制刻蚀时间来控制凹槽结构52的深度。凹槽结构52的深度还要考虑到最后牺牲层释放去除的要求，本实施例中微桥桥面下也刻蚀出凹槽。

第三步，如图5(c)所示意，在牺牲层的基础上沉积微桥结构层53。微桥结构层53在凹槽结构52处形成皱褶结构54。

第四步，如图5(d)所示意，根据需要沉积传感材料55并形成图形。

第五步，如图5(e)所示意，根据需要沉积电连接材料56并形成图形。

第六步，如图5(f)所示意，根据需要沉积钝化保护层57并形成图形。

第七步，如图5(g)所示意，形成与衬底50之间的通孔58并形成桥墩。

第八步，如图5(h)所示意，以形成图形的方法刻蚀出微桥结构。最后，通过去除牺牲层释放并形成由包含皱褶结构的悬臂梁来支撑的热绝缘增强的微桥结构。

Claims (6)

1.一种热绝缘微桥结构，包括微桥主体、衬底以及支撑微桥主体悬于衬底表面之上的悬臂梁，微桥与衬底之间含有空隙，其特征在于悬臂梁部分包含至少一个在垂直方向的皱褶结构，微桥主体的桥面低于悬臂梁上平面，桥面与衬底表面之间的距离满足入射辐射的1/4波长，该热绝缘微桥结构的制备法方法包括以下步骤：

a.在衬底表面沉积生长牺牲层材料；

b.形成图案的方式，在牺牲材料层刻蚀出凹槽，在牺牲材料层刻蚀凹槽时，于悬臂梁和微桥桥面处同时制造皱褶，并使微桥桥面与衬底的表面之间满足入射辐射1/4波长的条件；

c.沉积微桥结构层材料，并在牺牲层包含凹槽的地方形成皱褶；

d.形成图案的方式制造出微桥结构图案；

e.通过去除牺牲层材料，释放包含皱褶结构的悬臂梁的微桥结构。

2.如权利要求1所述热绝缘微桥结构，其特征在于微桥主体及悬臂梁包含有传感材料层。

3.如权利要求1所述热绝缘微桥结构，其特征在于微桥主体及悬臂梁由热绝缘介质制成，微桥主体将传感材料支撑于衬底之上。

4.如权利要求1所述热绝缘微桥结构，其特征在于在步骤c之后和步骤d之前，还包括微桥结构层上沉积传感材料层，并形成图案的步骤。

5.一种传感器，传感器包含有所述权利要求1～4之一的微桥结构。

6.如权利要求5所述的传感器，其特征是传感器为红外探测器和/或红外发射器。 

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