CN101386401B - 红外探测器像元应力的监控结构及监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外探测器像元应力的监控结构及监控方法，用于监控红外探测器像元结构中的应力。所述监控结构采用与红外探测器像元结构相同的制造工艺制造，其包括从下至上依次层叠的金属反射层，牺牲层，释放保护及支撑层，敏感材料层，以及覆盖于所述敏感材料层上的未经过图形化处理的金属电极，所述金属反射层作为一下电极板，金属电极作为一上电极板，利用上、下电极板间的电容特性来监控所述红外探测器像元结构中的应力。本发明基于电容值随上、下极板间距变化的原理，通过对电容值进行监测，可以反映出金属反射层与金属电极之间的距离变化，即反应了是否存在极板翘曲现象，从而实现对红外探测器像元结构在应力影响下产生翘曲程度的监控。

Description

红外探测器像元应力的监控结构及监控方法

技术领域

本发明是关于一种红外探测器，特别是关于一种红外探测器像元应力的监控结构及监控方法。

背景技术

微电子机械系统(MEMS)技术具有微小、智能、可执行、可集成、工艺兼容性好、成本低等诸多优点。红外探测器是红外探测技术领域中应用非常广泛的一种MEMS产品，它利用敏感材料探测层吸收红外线且将其转化成电信号，据此来实现热成像功能，其可用于电力网络的安全检测、森林火警的探测以及人体温度探测等各种环境。

红外探测器中敏感材料探测层和金属电极对其质量有着极其重要的影响。其像元结构是半悬空的微桥结构，上面是释放保护层材料、微桥支撑层材料、探测器敏感材料和金属电极的复合结构，下面是反射层。由于是半悬空的微桥结构，微桥结构上表面的复合材料产生的应力对像元特性非常关键，一旦应力控制不好，就会发生微桥结构的翘曲甚至断裂，导致产品性能下降和失效。

现有技术在开发和制造该红外探测器时，请参见图1，先制备反射层110和牺牲层120，然后制备释放保护层及支撑层130、敏感材料层140和金属电极150，其中金属电极150经过图形化处理。经过释放工艺后，其牺牲层120材料被完全去除掉，形成微桥悬空结构，并在反射层110和敏感材料层140之间形成支撑柱及电连接160。在开发和制造红外探测器时，其像元结构的应力是通过培片来开发和监控的，然而经过多步工艺处理以后，现有技术中对于像元微桥结构的应力并没有很好的测试和监控手段。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种红外探测器像元应力的监控结构及监控方法，以实现像元微桥结构的应力监控。

为解决上述技术问题，本发明提供一种红外探测器像元应力的监控结构，用于监控一红外探测器像元结构中的应力，所述监控结构包括从下至上依次层叠的金属反射层，牺牲层，释放保护及支撑层，敏感材料层，以及覆盖于所述敏感材料层上的未经过图形化处理的金属电极，其中，所述金属反射层作为一下电极板，金属电极作为一上电极板，利用所述上、下电极板间的电容特性来监控所述红外探测器像元结构中的应力。

可选的，所述监控结构还包括连接在上、下电极板之间的测量电路，用于测量上、下电极板之间的电容值，并可通过硅片级测试来监控所述电容值。

本发明还提供了一种红外探测器像元应力的监控方法，用于监控一红外探测器像元结构中的应力，所述监控方法包括下列步骤：

首先，在硅衬底上依次制作金属反射层，牺牲层，释放保护及支撑层，敏感材料层，以及金属电极，其中，所述制作过程采用与待监控的红外探测器像元结构相同的工艺条件完成，且所述金属电极不经过图形化处理；

接着，将所述金属反射层作为一下电极板，金属电极作为一上电极板，获取一标准工艺条件下，上、下电极板之间的电容值作为一参考电容值；

然后，对不同工艺条件下，上、下电极板之间的电容值进行测量，并将测得的电容值与参考电容值进行比较，以判断所述待监控的红外探测器像元结构中的应力类型及相对大小。

本发明的监控结构采用和红外探测器像元结构相同的工艺制造，基于电容值随上、下极板间距变化的原理，以金属反射层和未经过图形化处理的金属电极作为下电极板和上电极板进行电容值监测，通过该电容值可以反映出金属反射层与金属电极之间的距离变化，即反应了是否存在极板翘曲现象，从而实现对红外探测器像元微桥结构在应力影响下产生翘曲程度的监控。采用该监控结构和方法不需要在制造工艺中增加额外的工序，便于实施且成本较低，同时，该监控结构和方法也可以应用于测试敏感材料对应温度变化引起热膨胀系数变化时，发生应力致其形变而引起的翘曲，从而为工艺开发、优化和监控提供有力的测试和监控手段，提高整个产品的可靠性、成品率和性能。

附图说明

图1所示为现有红外探测器像元结构的示意图；

图2A所示为本发明一实施例所提供的监控结构示意图；

图2B所示为本发明一实施例所提供的监控结构的局部剖视图；

图3所示为本发明一实施例所提供的监控方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征更明显易懂，给出较佳实施例并结合附图，对本发明作进一步说明。

本发明的监控结构主要用于红外探测器制造过程中的应力监测，其作为测试结构被制作于晶圆的外围区域或者晶圆上芯片单元(die)间的空隙处，这里所述的芯片单元指的是红外探测器元件，所述监控结构与红外探测器像元结构采用完全相同的工艺制作，以确保监控结构的测试值能够真实、准确地反映红外探测器像元结构的应力变化。

请参见图2及图3，本发明一实施例所提供的像元应力监控结构，包括从下至上依次层叠的金属反射层210、牺牲层220、释放保护层及支撑层230、敏感材料层240和金属电极250。与红外探测器像元结构不同的是，该监控结构的金属电极250不进行图形化处理，而是大面积地覆盖在敏感材料层240上，该覆盖可以完全遮蔽掉敏感材料层240，也可在边缘处留边，露出一小部分敏感材料层240，该留边的宽度可以是金属电极250宽度的10％以内，例如对于45um X45um大小的金属电极250，留边的宽度可以是1um～3um之间。其中，牺牲层220在后续工艺中被去除，以使监控结构内部形成悬空结构，并在金属反射层210和敏感材料层240之间形成支撑柱及电连接260。所述监控结构以金属反射层210作为下电极板，以金属电极250作为上电极板，该金属电极250之所以采用大面积覆盖，是为了更好地充当上电极板，获取良好的电容特性。利用上、下电极板之间的电容特性即可监控采用相同的现有工艺或者新开发的工艺制造的红外探测器像元结构中的应力。其中，电容特性的监控可以通过从上、下电极板各引出一条引线连接至一测量电路实现，该测量电路可以是现有技术中各种能够用于测量两极板间电容值的电路。在进行电容测试监控时，通过硅片级测试来实现。

在本实施例中，金属反射层210可以采用铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)等对光信号具有反射特性的材料或它们形成的复合结构；牺牲层220所使用的材料是非晶硅或硅基化合物或尼龙等有机物；释放保护层和支撑层230可以是二氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiON)、氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)等硅基的介质材料；敏感材料层240主要是非晶硅或氧化钒等材料；金属电极250可以是铝(Al)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)、钨(W)等材料或它们形成的复合材料。金属电极250的选取应考虑其应力模式与敏感材料层240一致，并选取合适的厚度以便降低金属电极对整个微桥结构应力叠加的影响。

由于金属电极250不进行图形化处理，金属电极250面积尺寸远大于其敏感材料层240和金属反射层210的间距，故而电场主要集中于金属电极250与金属反射层210中间，所以，金属电极250与金属反射层210间具有良好的电容特性。根据电容公式可知，电容大小与电容极板间距离成反比，所以当像元结构中产生应力导致极板向内弯曲即间距减小时，电容值变大；当极板向外弯曲即间距增大时，电容值变小。通过监控电容值的变化即可初步判断出像元结构中的应力情况。

参见图3，本发明的实施例还提供了对红外探测器像元结构中应力的监控方法，包括：

S310在硅衬底上依次制作金属反射层，牺牲层，释放保护及支撑层，敏感材料层，以及金属电极。该制作过程采用与待监控的红外探测器像元结构相同的工艺条件完成，以确保后续的监控结果能够真实、准确地反应红外探测器像元结构的应力情况。所述金属电极在制作过程中不经过图形化处理，而是以大面积金属层的形式覆盖在敏感材料层表面，以获取较佳的电容特性。

S320将所述金属反射层作为一下电极板，金属电极作为一上电极板，获取一标准工艺条件下，上、下电极板之间的电容值作为一参考电容值。如果生产产品时发生工艺稳定性问题，例如释放保护层或者敏感材料等材料的成膜温度或厚度等工艺参数发生变化，导致其应力及膜质等材料特性发生变化，引起传感器产品的失效，此时可以通过该结构的监控及时发现问题，停止该产品的后续工艺，并查明和解决问题，防止扩大损失。所述标准工艺条件指的是最佳芯片性能条件或者芯片性能符合指标要求时所对应的工艺条件。

S330在生产和工艺优化及开发时，对不同工艺条件下，上、下电极板之间的电容值进行测量，并将测得的电容值与参考电容值进行比较，以判断所述待监控的红外探测器像元结构中的应力类型及相对大小。其中，该测量可以是实时测量或者间隔一定时间进行测量，并对不同批次或者不同工艺条件下的结构进行测量，以实现对像元应力的持续监控，当发现电容值产生变化时，可以认为出现了极板翘曲，并推测像元结构中产生了应力。

为了进一步对极板翘曲程度进行计算，以便在该翘曲程度超过工艺所能允许的最大范围时，及时停止器件的制造流程，该监控方法还包括：S340根据步骤S320和S330的测量结果计算出电容变化值，并判断该电容变化值是否超出了一预定范围，若是，则停止当前的红外探测器像元结构制作工艺；若否，则继续当前的制作工艺。其中，该预定范围可以设定为±10％，即当电容变化值超出了参考电容值的±10％范围时，停止当前制作工艺，并采取相应的措施进行分析和检测，以查出应力产生的原因，并加以改进。

需要说明的是，在上述监控方法的实施过程中，需要对可能影响电容测量值的各类参数进行控制，将其影响减小到可以忽略的程度，以确保测得的电容值能够准确地反映上、下电极板之间距离的变化量，减小误差。

综上所述，本发明的像元应力监控结构的制造工艺与红外探测器像元结构的制造工艺完全兼容，监控结构与像元结构同步制作和形成。应力监控结构，是基于像元结构而设计的，其金属电极大面积覆盖在敏感材料层上，不再进行图形化处理，通过该结构可以在保证工艺完全兼容且不增加工序的前提下，利用电容测试实现对探测器微桥结构在应力影响下产生翘曲程度的监控，同时可以应用于测试敏感材料对应温度变化引起热膨胀系数变化时，发生应力致形变而引起的翘曲，从而为工艺开发、优化和监控提供有力的测试和监控手段，提高整个产品的可靠性、成品率和性能。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种红外探测器像元应力的监控结构，用于监控一红外探测器像元结构中的应力，其特征在于，所述监控结构包括从下至上依次层叠的金属反射层，牺牲层，释放保护及支撑层，敏感材料层，以及覆盖于所述敏感材料层上的未经过图形化处理的金属电极，其中，所述金属反射层作为一下电极板，金属电极作为一上电极板，利用所述上、下电极板间的电容特性来监控所述红外探测器像元结构中的应力。

2.根据权利要求1所述的监控结构，其特征在于，所述牺牲层在释放工艺中去除，在所述监控结构内部形成悬空的微桥结构，并在所述金属反射层和敏感材料层之间形成支撑柱及电连接。

3.根据权利要求1所述的监控结构，其特征在于，所述金属反射层所使用的材料是对光信号具有反射特性的金属材料或者上述金属材料形成的复合材料。

4.根据权利要求3所述的监控结构，其特征在于，所述金属反射层所使用的材料是铝、钛、钽或者它们形成的复合材料。

5.根据权利要求1所述的监控结构，其特征在于，所述金属电极，所使用的材料包括铝、钛、氮化钛、钽、氮化钽、钨或上述材料形成的复合材料。

6.根据权利要求1所述的监控结构，其特征在于，还包括连接在上、下电极板之间的测量电路，用于测量上、下电极板之间的电容值。

7.根据权利要求6所述的监控结构，其特征在于，通过硅片级测试来监控所述电容值。

8.一种红外探测器像元应力的监控方法，用于监控一红外探测器像元结构中的应力，其特征在于，所述监控方法包括下列步骤：

a. 在硅衬底上依次制作金属反射层，牺牲层，释放保护及支撑层，敏感材料层，以及金属电极，其中，所述制作过程采用与待监控的红外探测器像元结构相同的工艺条件完成，且所述金属电极不经过图形化处理；

b. 将所述金属反射层作为一下电极板，金属电极作为一上电极板，获取一标准工艺条件下，上、下电极板之间的电容值作为一参考电容值；

c. 对不同工艺条件下，上、下电极板之间的电容值进行测量，并将测得的电容值与参考电容值进行比较，以判断所述待监控的红外探测器像元结构中的应力类型及相对大小。

9.根据权利要求8所述的监控方法，其特征在于，还包括：根据步骤b和步骤c的测量结果计算电容变化值，并判断该电容变化值是否超出了一预设范围，若是，则停止当前的红外探测器像元结构制作工艺。

10.根据权利要求9所述的监控方法，其特征在于，所述预设范围是参考电容值的±10％以内。

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