CN101561319B - 一种电容式mems非制冷红外探测器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容式MEMS非制冷红外探测器及其制备方法，属于红外光电探测和微电子机械系统技术领域。该红外探测器包括微悬臂梁阵列、读出悬臂梁形变的电路以及支撑悬臂梁阵列的衬底，微悬臂梁阵列构成探测器的红外焦平面阵列，每一个像元为一双材料悬臂梁结构，该悬臂梁结构通过锚点固定在衬底上；在悬臂梁结构上设置一电极板，在衬底上设置另一电极板，共同构成电容结构，该电容结构的电容信号的改变量由位于衬底上的读出悬臂梁形变的电路读出。本发明提出的制备方法可实现焦平面阵列与读出电路的单片集成，适于批量生产。

Description

一种电容式MEMS非制冷红外探测器及其制备方法

技术领域

本发明属于红外探测和微电子机械系统(MEMS-microelectronic mechainicalsystems)加工工艺技术领域，涉及红外辐射成像技术，特别是涉及一种电容式MEMS非制冷红外探测器及其制备方法。

背景技术

红外传感器包括有光电型红外传感器和非制冷热传感器，光电型红外传感器是直接利用红外光子激发电子在能级间跃迁而工作的，现在光电型红外传感器已经发展的比较成熟，达到了很高的探测精度，但由于热载流子暗电流的干扰，这类传感器都需在低温下工作，需要昂贵且笨重的制冷系统。相比之下，非制冷红外传感器能工作在室温条件下，不需要制冷设备，降低了成本和系统功耗。

非制冷热传感器是吸收红外辐射，使器件或材料温度变化，引起器件或材料性能发生变化，从而达到红外探测目的的器件。它主要包括测辐射热计、温差电偶和热释电传感器等几种类型。热传感器一般不需致冷(超导除外)，而且易于使用、维护，可靠性好；制备工艺相对简易，成本较低。但目前商用热传感器的灵敏度均较低，响应速度慢。

近几年微悬臂梁式非制冷红外传感器得到了广泛重视，这种热辐射传感器的主要结构为由许多相同结构的微悬臂梁像元组成的焦平面阵列。利用金属材料的热膨胀系数很大，而半导体材料的热膨胀系数比较小，把两种薄膜材料粘合在一起形成双材料悬臂梁。当像元吸收红外辐射温度变化时，双材料悬臂梁由于材料热膨胀系数的差别，会响应不同温升产生热致形变。这类红外探测器的理论噪声等效温差(NETD)达到5mK，帧频可达到1000，探测灵敏度可与制冷型红外探测器相比拟，而制备成本、功耗、体积却低的多。

发明内容

本发明的目的是提供一种电容式MEMS非制冷红外探测器及其制备方法。该红外焦平面阵列的像元是微悬臂梁形式的可变电容结构，像元吸收红外辐射使得结构形变，表现为电容变化，最后采用集成的读出电路测量电容的变化量。该读出方式检测避免使用庞大的光学读出系统，所以该微机械式红外焦探测非常利于小型化和广泛应用。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种电容式MEMS非制冷红外探测器包括：包括微悬臂梁阵列、读出悬臂梁形变的电路以及支撑悬臂梁的衬底，微悬臂梁阵列构成探测器的红外焦平面阵列，微悬臂梁阵列即为像元阵列，可有64×64、128×128、256×256、512×512或1024×1024等，每个像元结构相同；每一个像元为一双材料悬臂梁结构，其包括上电极板、电互连引线、红外吸收面和悬臂梁支腿，红外吸收面可由一种或多种吸收红外又具有较小热导率和热膨胀系数的材料制备，如Si₃N₄、SiC，也可以由具有较小热导率和热膨胀系数的结构材料和覆盖在其上面的红外吸收材料组成，如黑金属、聚合物、碳纳米管等其它具有良好红外吸收特性的材料。红外吸收面通过悬臂梁支腿与锚点连接，固定在衬底上。锚点可以是一个或多个，位于悬臂梁像元的线对称或点对称位置处，支撑悬臂梁结构。下电极板位于衬底上，并通过介质层与衬底进行电隔离；悬臂梁的上极板位于红外吸收面的下面，与下极板之间有一定的空气间隙；电互连引线用于连接上下电极板到读出电路系统。

亦可将上、下极板都制作在衬底上并通过红外吸收面下面的电极板形成两个串联电容，方便制备，即原上极板变成一公共极板，这个公共极板与位于衬底上的两个极板，分别构成了两个电容，并且这两个电容串联，形成了一个串联电容。

悬臂梁支腿包括形变支腿部分和热隔离支腿部分，形变支腿部分由两种热膨胀系数相差较大的材料组成，一种材料与红外吸收面结构材料相同，另一种材料为高热膨胀系数的金属、聚合物等材料，从而实现尽可能大的形变量；热隔离支腿部分仅包括热导率小的红外吸收面结构材料。悬臂梁支腿的排列方式包括直线式、折线式和双折线式，多折线式，支腿的一端与固定在衬底的热隔离支腿相连，另一端与红外吸收面相连。形变支腿部分和热隔离支腿部分交替构成了完整的支腿。形变支腿部分的设计的原则是获得最高灵敏度和帧频，热隔离支腿部分的设计原则是获得最大隔热效率，即使其热阻尽可能大。

微机械式红外探测器的衬底是标准硅材料，在衬底上是制备的读出悬臂梁形变的电路，他的主要功能是对红外焦平面阵列的微弱电容信号进行预处理(如，积分、放大、滤波、采样/保持等)和阵列信号的串并行转换，以在红外焦平面阵列和随后的信号处理级间提供一个好的接口。

当微悬臂梁焦平面阵列吸收红外辐射温度升高时，红外吸收面吸收的热量通过金属层传输到形变支腿，双材料效应将引起悬臂梁形变支腿弯曲，并带动整个红外吸收面产生向上或向下的位移，从而改变电容极板间距，电容改变的信号量通过电互连引线由读出电路检测，从而探测红外辐射。亦可将电容结构的上、下极板都制作在衬底上，通过红外吸收面下面的电极板形成两个串联电容，无需电互连引线，直接将上下电极板连到读出电路系统；方便制备。

本发明提供了一种基于硅基标准的集成电路(IC)工艺和与IC兼容的微机械加工工艺的电容微机械式非制冷红外传感器的制备方法，其步骤包括：

1)采用标准的CMOS工艺在微机械红外探测器芯片的硅衬底上设计并制造读出悬臂梁形变的电路结构，除该电路外，该制备工艺还要制造与悬臂梁像元电容值大小一样的参考电容、下电极板、以及、下电极板的互连通孔面，最后在读出电路上淀积一层SiO₂或SiN作为钝化、绝缘层，除保护电路外，还防止上下极板形成电接触；

2)淀积制备微悬臂梁阵列的牺牲层，本工艺采用聚酰亚胺，通过旋涂、预固化和固化过程，再经过CMP形成牺牲层，CMP工艺是为了保证牺牲层的平坦性。该牺牲层也可以是氧化硅、多晶硅等其它材料，牺牲层的厚度决定了电容极板的间距，通常为100nm到10μm；

3)光刻并刻蚀牺牲层，以形成悬臂梁的锚点，该锚点用于进行悬臂梁像元与衬底的机械互连。刻蚀聚酰亚胺牺牲层的过程中，可利用PECVD二氧化硅、氮化硅等介质材料作为硬掩膜，进行聚酰亚胺的微机械加工。

4)光刻并刻蚀钝化层，定义电互连通孔，露出在步骤1)中制造的上电极板互连通孔面；腐蚀掉聚酰亚胺上的硬掩膜。

5)溅射或蒸发一层绝热性和导电性较好的金属材料，如Cr、Ni、NiCr合金，光刻并腐蚀(刻蚀)金属材料，形成上电极板，也可采用剥离方式形成上电极板；

6)PECVD淀积悬臂梁阵列结构层，该结构层包括红外吸收面、支腿的热隔离支腿部分和形变支腿部分的下层结构材料，该层可以是氮化硅或碳化硅材料。该层同时作为红外吸收层。其厚度应保证最大的红外吸收和最高的热机械灵敏度；

7)溅射铝或者聚合物等热膨胀系数较大的材料作为形变支腿部分的上层材料，光刻并腐蚀或刻蚀第二层材料；

8)光刻并刻蚀悬臂梁阵列结构层，形成悬臂梁像元结构；

9)如果红外吸收面的结构层不是吸收红外很好的材料，则淀积并图形化另外的红外吸收层，所述红外吸收材料包括任何对中、远红外光产生吸收的材料，如黑金属、碳黑、聚合物、碳纳米管等其它具有良好红外吸收特性的材料；红外吸收面面积介于10平方微米到1平方毫米；而此时支腿的绝热部分以低热膨胀系数材料为原则可有更多的材料选择。

10)最后一步是各向同性干法刻蚀或湿法腐蚀牺牲层，释放悬臂梁结构。在悬臂梁红外吸收面上需设计一些释放孔，使像元下面的牺牲层材料能尽快刻蚀/腐蚀干净；对于聚酰亚胺牺牲层通常采用高密度氧等离子各项同性干法刻蚀工艺。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提出的利用牺牲层释放悬臂梁像元结构工艺具有与CMOS工艺兼容的特点，可以实现焦平面阵列与读出电路的单片集成，适于批量生产。

2、该红外焦平面阵列的形变信号由于采用电容读出方式检测，避免使用庞大的光学读出系统，所以该电容微机械式红外焦探测非常利于小型化和广泛应用。

3、本发明利用牺牲层的平坦化技术可以显著提高像元间的均匀性，提高器件的可靠性。

附图说明

图1本发明制备的微悬臂梁阵列的折线式像元结构示意图；

图2本发明制备的微悬臂梁阵列的另一折线式像元结构示意图；

图3发明制备的微悬臂梁焦平面阵列的直线式像元结构示意图；

图4发明制备的微悬臂梁焦平面阵列的双折线式像元结构示意图；

图5发明制备的微悬臂梁焦平面阵列的串电容式像元结构示意图；

图6为串联电容原理的示意图；

图7为双材料梁温升后的变形；

图8为电容片的中心垂直位移示意图；

图9为电容信号的读出电路图；

图10a-i为本发明制备电容式微悬臂梁非制冷红外传感器的工艺流程图；

图11为本发明制备完成的电容式微悬臂梁非制冷红外传感器的电镜图。

其中，1-红外吸收面；2-上电极板；3-下电极板；4-锚点；5-热隔离支腿；6-变形支腿；7-高热膨胀系数材料；8-红外吸收面上的释放孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明的电容微机械式红外探测器焦平面阵列的像元结构如图1-4所示。包括：红外吸收面1、上电极板2、下电极板3、电互连引线、热隔离支腿部分5和变形支腿6和锚点4，红外吸收面可由一种吸收红外又具有较小热导率和热膨胀系数的材料制备，如Si₃N₄、SiC，也可以由具有较小热导率和热膨胀系数的结构材料和覆盖在其上面的红外吸收材料组成，红外吸收面上设有释放孔8。红外吸收面通过悬臂梁支腿和锚点固定在衬底上。锚点可以是一个或多个，位于悬臂梁像元的中心线对称位置处，支撑像元结构。像元的下电极板位于衬底上，并通过介质层与衬底进行电隔离。下极板材料可以是金属、多晶硅、硅化物；像元的上极板位于红外吸收面的下面，与下极板之间有一定的空气间隙；电互连引线用于连接上下电极板到读出电路系统。

亦可将上、下极板都制作在衬底上并通过红外吸收面下面的电极板形成两个串联电容，方便制备，如图6所示。即红外吸收面下面的电极板变成一公共极板7，这个公共极板与衬底上的两个极板8、9，分别构成了电容C1和C2，并且C1和C2串联，形成电容值大小为1/c1+1/c2的等效电容电容。

形变支腿部分由两种热膨胀系数相差较大的材料组成，一种材料与红外吸收面结构材料相同，另一种材料为高热膨胀系数的金属、聚合物等材料7，从而实现尽可能大的形变量；热隔离支腿部分仅包括热导率小的红外吸收面结构材料。悬臂梁支腿的排列方式包括直线式、折线式和双折线式，多折线式，支腿的一端与固定在衬底的热隔离支腿相连，另一端与红外吸收面相连。

微悬臂梁结构由两种以上热膨胀系数相差较大的材料组成，微悬臂梁像元中的一种材料为导电的或不导电的薄膜介质材料，并作为红外吸收和低热膨胀系数材料，另一种材料为金属材料，作为可见光反射和高热膨胀系数材料。当微悬臂梁阵列吸收红外辐射温度升高时，双材料效应将引起悬臂梁形变，如图7所示。电容片的中心垂直位移由于受双材料作用近似按下式1变化：

d＝d1+d2        (1)

中d1是双材料条末端的位移，d2是电容片中心的附加位移(见图8)。

d₁＝R(1-cosθ)        (2)

因为θ＜＜1， $\cos \mathrm{\θ}=1-\frac{{\mathrm{\θ}}^2}{2},$ sinθ＝θ，和θ＝L1/R有

$d_1=\frac{{L1}^2}{2R}---\left(3\right)$

$d2=\frac{L1\×L2}{2R}---\left(4\right)$

从而得其中心位移d为：

$d=\frac{{L1}^2+L1\×L2}{2R}---\left(5\right)$

微悬臂梁的偏转量与温度变化的比定义为悬臂梁热机械灵敏度，它可以由公式6得到，

$S_T=\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\ΔT}}=3({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2)\left(\frac{n+1}{K}\right)\left(\frac{L^2}{d_1+d_2}\right)---\left(6\right)$

其中δ是悬臂梁末端的垂直偏移量，ΔT是悬臂梁温度的变化量，α是两种材料的热膨胀系数，d是两种材料的厚度，L是悬臂梁的长度，

是一个结构参数，依赖于两种材料的厚度及杨氏模量E₁和E₂。

悬臂梁的变形带动上电极板的移动，改变了红外敏感电容量。电容的改变通过上电极板的互连引线经互连通孔面和下电极板引入COMS集成电路进行处理，从而通过读出的电信号形成红外图像。

图9为电容信号的读出电路图。电容式红外焦平面阵列的红外敏感电容和参考电容串联构成电容性电桥，它和运算放大器构成电容信号的采样电路部分。在非工作状态，如果红外敏感电容和参考电容大小相等，那么在敏感电容和参考电容的公共输出端的电位为零。红外吸收面吸收来自成像物体的红外辐射，双材料微悬臂梁产生热应力，发生弯曲，敏感电容值发生变化。在工作状态下，串联电容电桥由两幅值相等，相位相反的脉冲电压激励。敏感电容的变化使电荷放大器的输入端积累电荷，此电荷由采样电路保持，电荷转化为电压信号。红外焦平面阵列的每个像元经过电脉冲扫描，一行或多行的像元信息在一次扫描过程中存放到行扫描移位寄存器里，某时刻应选中的一行或多行由行选择器决定。由此，整个阵列的信息都在多次扫描过程中依次刷新进入行扫描移位寄存器，并由接口提供至图像显示设备中。其中C_s为红外热敏感电容，C_r是参考电容。

图10为本发明红外探测器的制备流程图，具体方案如下：

1)采用标准的CMOS工艺在微机械红外探测器芯片的硅衬底上设计并制造读出电路结构，除读出电路外，该制备工艺还要制造与焦平面阵列的红外像元电容值大小一样的参考电容、下电极板、以及上、下电极板的互连通孔面，(如图10a)。最后在读出电路上淀积一层SiO₂或SiN作为钝化绝缘层，除保护电路外，还防止上下极板形成电接触；

2)淀积制备微悬臂梁阵列的牺牲层，本工艺采用聚酰亚胺，通过旋涂、预固化和固化过程，再经过CMP形成牺牲层，CMP工艺是为了保证牺牲层的平坦性(如图10b)。该牺牲层也可以是氧化硅、多晶硅等其它材料，牺牲层的厚度决定了电容极板的间距，通常为100nm到10μm；

3)光刻并刻蚀牺牲层，以形成悬臂梁的锚点(如图10c)，该锚点用于进行悬臂梁像元与衬底的机械互连。刻蚀聚酰亚胺牺牲层的过程中，可利用PECVD二氧化硅、氮化硅，铝等介质材料作为硬掩膜，进行聚酰亚胺的微机械加工(图10d)。

4)光刻并刻蚀牺牲层，定义电互连通孔，露出在步骤1)中制造的上、下电极板互连通孔面(如图10e)；腐蚀掉聚酰亚胺上的硬掩膜。

5)溅射或蒸发一层绝热性和导电性较好的金属材料，如Cr、Ni、NiCr合金，光刻并腐蚀(刻蚀)金属材料，形成上电极板，也可采用剥离方式形成上电极板(如图10f)；

6)PECVD淀积悬臂梁像元的结构层，结构层包括红外吸收面、热隔离支腿部分和形变支腿部分的下层结构材料(3)，该层可以是氮化硅或碳化硅材料，如果该层同时作为红外吸收层，其厚度应保证最大的红外吸收和最高的热机械灵敏度；

7)溅射铝或者聚合物等热膨胀系数较大的材料作为双材料梁的第二层材料(如图10g)，光刻并腐蚀或刻蚀第二层材料(如图10h)；

8)光刻并刻蚀悬臂梁像元的结构层，形成悬臂梁像元结构；

9)如果红外吸收面的结构层不是吸收红外很好的材料，则淀积并图形化另外的红外吸收层，该层材料可以是黑金属、聚合物、碳纳米管等其它具有良好红外吸收特性的材料

10)最后一步是各向同性干法刻蚀或湿法腐蚀牺牲层，释放悬臂梁结构结构，(如图10i)。在悬臂梁红外吸收面上需设计一些释放孔，使像元下面的牺牲层材料能尽快刻蚀/腐蚀干净；对于聚酰亚胺牺牲层通常采用高密度氧等离子各项同性干法刻蚀工艺。

本发明制备完成的电容式微悬臂梁非制冷红外传感器，如图11所示。

以上通过详细实施例描述了本发明所提供的电容式MEMS非制冷红外探测器。本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims (10)

1.一种电容式MEMS非制冷红外探测器，包括微悬臂梁阵列、读出悬臂梁形变的电路以及支撑微悬臂梁阵列的衬底，其特征在于：所述微悬臂梁阵列构成探测器的红外焦平面阵列，每一个像元为一双材料悬臂梁结构，该悬臂梁结构通过锚点固定在衬底上，在所述悬臂梁结构上设置一电极板，在衬底上设置另一电极板，共同构成电容结构，该电容结构的电容信号的改变量由位于衬底上的读出悬臂梁形变的电路读出。

2.如权利要求1所述的电容式MEMS非制冷红外探测器，其特征在于：所述悬臂梁结构包括红外吸收面和悬臂梁支腿，所述悬臂梁支腿由形变支腿部分和热隔离支腿部分交替连接构成，所述形变支腿部分由低热膨胀系数的半导体介质材料和高热膨胀系数材料共同构成，所述热隔离支腿部分由低热导率的半导体介质材料构成，所述形变支腿部分与红外吸收面相连，所述热隔离支腿部分与锚点相连，所述红外吸收面吸收红外辐射，并传导到形变支腿部分，形变支腿部分由于温度变化发生弯曲。

3.如权利要求2所述的电容式MEMS非制冷红外探测器，其特征在于：所述悬臂梁支腿的排列方式为折线型、直线型、双折线型或多折线型，所述悬臂梁支腿的总长度介于10微米到10毫米。

4.如权利要求2所述的电容式MEMS非制冷红外探测器，其特征在于：所述红外吸收面由吸收红外光的一种或多种半导体介质材料构成，或由半导体介质材料和红外吸收材料共同构成，所述红外吸收材料是对近、中、远红外光产生吸收的材料，所述红外吸收面的面积介于10平方微米到1平方毫米。

5.如权利要求1所述的电容式MEMS非制冷红外探测器，其特征在于：所述锚点设置在衬底上，锚点位于悬臂梁像元的中心线对称位置处，用于支撑所述悬臂梁结构。

6.如权利要求1所述的电容式MEMS非制冷红外探测器，其特征在于：所述微悬臂梁结构上设置的上电极板位于红外吸收面下，下电极板位于衬底上，所述上下电极板通过互联引线连接到读出悬臂梁形变的电路中。

7.如权利要求1所述的电容式MEMS非制冷红外探测器，其特征在于：所述电容结构采用串连电容式设计，即与读出悬臂梁形变的电路相连有两个极板，分别位于衬底上，红外吸收面下设有电极板作为两个串连电容的互连电极板。

8.如权利要求1所述电容式MEMS非制冷红外探测器，其特征在于：所述读出悬臂梁形变的电路包括：

与每个悬臂梁阵列像元相匹配的运算放大器，该运算放大器分别与每个电容结构的上电极板相连；

一驱动电路，所述驱动电路为每个电容结构提供电压；

一采样电路，所述采样电路用于对放大器的输出信号进行采样和保持；

一行扫描移位寄存器，将某时刻的某一行的采样信息读取到显示处理电路的接口电路中；

一行选择器，用于选择某时刻需要扫描出的某一行像元信息；

和参考电容，与所述电容结构的电容等值。

9.一种电容式MEMS非制冷红外探测器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)采用标准的CMOS工艺在硅衬底上设计并制造读出悬臂梁形变的电路，除该电路外，该制备工艺步骤还要制造与微悬臂梁阵列像元的电容值大小一样的参考电容，以及在衬底上制备一下电极板和上、下电极板互连的通孔面，并在读出电路上淀积一层SiO₂或SiN钝化绝缘层除保护电路外，还防止上下极板形成电接触；

2)淀积制备微悬臂梁阵列的牺牲层，通过CMP保证牺牲层平坦性；

3)光刻并刻蚀牺牲层，以形成锚点，该锚点用于使悬臂梁结构与衬底形成机械互连；

4)光刻并刻蚀钝化绝缘层，定义电互连通孔，露出上、下电极板互连通孔面；

5)溅射或蒸发一金属材料，光刻并腐蚀/刻蚀该金属材料，形成上电极板；

6)淀积一微悬臂梁阵列结构层，该结构层包括红外吸收面材料、热隔离支腿部分和形变支腿部分的下层材料；

7)溅射铝或者聚合物等热膨胀系数大的材料，光刻并腐蚀/刻蚀，形成形变支腿部分的上层材料；

8)光刻并刻蚀微悬臂梁阵列结构层，形成悬臂梁结构；

9)各向同性干法刻蚀或湿法腐蚀牺牲层，释放悬臂梁结构，从而形成微悬臂梁阵列。

10.如权利要求9所述制备方法，其特征在于：所述牺牲层采用聚酰亚胺、氧化硅、多晶硅或其它聚合物材料，牺牲层厚度范围为100纳米到10微米。

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