CN102480285B - 红外传感器开关器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微细加工技术的、利用双材料梁的残余应力来进行工作的红外传感器开关器件及其制作方法，所述制作方法首先提供一个衬底；然后在所述衬底上淀积并刻蚀形成金属梁，以形成第一电极；接着在所述结构上淀积形成牺牲层；以及在所述牺牲层上方依次淀积金属和非金属材料，刻蚀并释放形成双层材料悬臂梁，以形成可与所述第一电极接触的第二电极，所述双材料悬臂梁的下层金属材料应具有张应力，所述双材料悬臂梁的上层非金属材料应具有压应力。本发明提出的红外传感器开关器件结构简单实用，体积小，且制作工艺简单，同时巧妙利用了双材料悬臂梁的残余应力来进行工作。

Description

红外传感器开关器件及其制作方法

技术领域

本发明属于红外技术领域，涉及一种基于MEMS技术制作的红外传感器开关结构及其制造方法。

背景技术

自从1780年英国天文学家Herschel发现红外辐射以来，红外技术已广泛应用于军事、医疗、工业、科研等各领域。自然界中的任何温度高于绝对零度的物体都会向外辐射电磁波，其辐射强度和波长取决于辐射物体的温度分布，即普朗克黑体辐射定律，具体可表示为：

$M_{\mathrm{\λ}}=2h{c}^2{\mathrm{\λ}}^{-5}\frac{1}{e^{\mathrm{hc}/\mathrm{\λ}{k}_{B}T}-1}$

其中，M_λ为绝对黑体的光谱辐射通量密度，λ为黑体辐射的波长，T为绝对温度，h为普朗克常数，c为光速，k_B为玻耳兹曼常数。通过对其在进行积分，可得Stephan-Boltzmann定律：

M(T)＝σT⁴(σ为Stephan-Boltzmann常数)，即物体单位面积所发射的辐射功率与温度的四次方成正比。而对于厚度为t的材料，红外辐射能量的吸收率可由下式给出：

$\mathrm{Absorption}=1-\exp (-\frac{4\mathrm{\π\κ}}{\mathrm{\λ}}t).$

其中，κ为材料折射率的虚部，由此式可看出，对于特定材料，红外的吸收率随着材料厚度增加而增大，而当材料属性及厚度确定后，吸收率只与红外辐射波长有关。

基于上述原理，可以制作形成不同类型红外传感器。传感器通过收集物体发出的红外辐射，将物体的特征转变为其他形式的信号，通过检测这些信号可得到被测物体的信息，进而将物体的特征表现出来。这种不同形式的红外传感器结构已得到广泛应用，如红外测温仪，红外热像仪等等。

红外测温仪，红外热像仪等红外传感器利用了红外辐射的光电效应或者热效应来进行工作，具有响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。

红外技术还具有十分广泛应用，如军事中的夜视仪，医疗中的肿瘤诊断，工业中的热故障监测，产品质量分析等等。除此之外，红外技术还具有很广泛的应用领域和应用途径需要开发，如公共场所温度相关疾病排查系统，应用红外传感器开关具有可自动工作、非接触，安全高效等优点，该类红外传感器开关可安装在天花板、墙上，进行非接触性、自动工作。

目前的红外传感器开关主要由红外传感器和控制器两部分组成，控制器利用红外传感器的探测结果来控制对应负载单元的接通和关断，但器件结构复杂，制作难度较大。

发明内容

针对目前红外传感器开关结构复杂，制作难度大的缺点，本发明的目的旨在提出一种新型的基于MEMS技术制作的红外传感器开关器件，该器件结构简单实用，制作工艺简单，同时器件在工作中巧妙地利用了双层材料悬臂梁的应力失配而造成的弯曲状态，从而不需调整应力，导通与断开通过不同热膨胀系数的双材料悬臂梁在不同温度下的弯曲变形来实现。

为此，本发明的实施例提出了一种体积小且制作工艺简单的红外传感器开关器件及其制作方法。

根据本发明的一个方面，本发明实施例提出了一种红外传感器开关器件，所述器件包括：衬底；位于所述衬底上的金属梁，用于形成第一电极；位于所述衬底和金属梁上的牺牲层；以及位于所述牺牲层上方的双层材料悬臂梁，用于形成可与所述第一电极接触的可动的第二电极，所述双层材料悬臂梁的下层材料为具有张应力的金属材料，所述双层材料悬臂梁的上层材料为具有压应力的非金属材料。

根据本发明进一步的实施例，所述金属梁的材料为包括铝、金、铬或铜的导电金属。

根据本发明进一步的实施例，所述双层材料悬臂梁的下层材料为铝或金的导电金属。

根据本发明进一步的实施例，所述双层材料悬臂梁的上层材料为氮化硅或氧化硅。

根据本发明进一步的实施例，所述牺牲层为非晶硅、多晶硅、多孔硅或聚酰亚胺。

根据本发明的另一方面，本发明的实施例提出一种红外传感器开关器件的制作方法，所述制作方法包括以下步骤：提供一个衬底；在所述衬底上沉积金属层，并刻蚀形成金属梁，以形成第一电极；在所述衬底和金属梁上沉积牺牲层；以及在所述牺牲层上方形成有双层材料的悬臂梁，以形成可与所述第一电极接触的可动的第二电极，所述悬臂梁的下层材料具有张应力，所述悬臂梁的上层材料具有压应力。

根据本发明进一步的实施例，所述金属梁的材料为包括铝、金、铬或铜的导电金属。

根据本发明进一步的实施例，所述悬臂梁的下层材料为铝或金的导电金属。

根据本发明进一步的实施例，所述悬臂梁的上层材料为氮化硅或氧化硅。

根据本发明进一步的实施例，所述牺牲层为非晶硅、多晶硅、多孔硅或聚酰亚胺。

本发明提出了一种新型的基于微电子机械系统(MEMS)技术制作的红外传感器开关器件，该开关器件包括上层材料具有压应力和下层材料具有张应力的两层不同热膨胀系数的双层薄膜悬臂梁，由于热膨胀系数不同双层材料悬臂梁在制作过程中引入了残余应力，因而使得在牺牲层释放后发生弯曲，所述器件巧妙利用了多层悬臂梁由于应力失配而造成的弯曲变形而进行工作，这样在制作过程中无需调整应力，避开了MEMS技术中多层材料的应力匹配这一复杂问题，同时使得工艺周期缩短，难度降低，效率提高。

并且，利用MEMS技术制作工艺，所得的开关器件尺寸小，可以做到毫米甚至微米量级。因此，能够广泛应用于各种需要小体积红外传感器的精密仪器的场合。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的红外传感器开关器件的制作方法流程图；

图2至图10为本发明实施例的红外传感器开关器件各个制作阶段的示意图；

图11和图12分别为本发明实施例的红外传感器开关器件的三维结构简图及其剖面图；以及

图13和图14分别显示了本发明实施例的红外传感器开关器件的接通状态和断开状态示意图。

具体实施方式

本发明通常涉及一种红外传感器开关器件及其制造方法。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”及/或“上方”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

参考图1，图1示出了根据本发明的实施例的红外传感器开关器件的制造方法的流程图。在步骤101中，首先提供一个半导体衬底202，参考图2。在本实施例中，衬底202包括位于晶体结构中的硅衬底(例如晶片)。其他例子的衬底202还可以包括其他基本半导体，例如锗和石英。

在步骤102中，在衬底202上溅射第一层金属材料204，第一层金属材料204可以是任意合适的导电金属，例如包括铝、金、铬或铜等等。

然后，刻蚀部分的第一层金属材料204，以在衬底202形成金属梁204’(步骤103)，以用作红外传感器开关器件的第一电极204’，参考图3。

在步骤104中，接着在衬底202和金属梁204’上方沉积牺牲层，常用牺牲层材料主要有非晶硅、多晶硅、多孔硅和聚酰亚胺。利用牺牲层可为得到后续的悬臂梁结构做准备。

牺牲层的形成可以参考图4到图6，首先在衬底202和金属梁204’上方沉积诸如多晶硅的牺牲层材料206，厚度与第一层金属材料204相同，参考图4。然后，利用光刻工艺刻蚀掉金属梁204’上面的牺牲层材料206，得到位于衬底202另一端与金属梁厚度相同的牺牲层206’，参考图5。最后，再次于牺牲层206’和金属梁204’上方淀积诸如多晶硅的牺牲层材料，得到牺牲层208，参考图6。

在步骤105中，接着在牺牲层208上方溅射具有张应力的第二层金属材料层210，参考图7。第二层金属材料层210可以是铝或金等具有张应力的导电金属。

在步骤106中，在第二层金属材料层210上方沉积具有压应力的材料212，参考图8。材料212可以是氮化硅或氧化硅等具有压应力的材料。

在步骤107中，利用干法刻蚀在对应金属梁204’的一端刻蚀掉部分的压应力材料212和第二层金属材料210，对应暴露出部分的牺牲层208，并且对应金属梁204’蚀掉的部分在其长度范围内。这样，在对应金属梁204’的另一端剩余的压应力材料212’和第二层金属材料210’，与金属梁204’在上、下方向上有重合。参考图9。

在步骤108中，刻蚀释放牺牲层208，以分离第二层金属材料210’和金属梁204’，在衬底202另一端释放形成包括上层压应力材料和下层张应力材料的双层材料悬臂梁214。上述热膨胀系数不同双层材料悬臂梁在制作过程中引入了残余应力，而使得在牺牲层释放后发生弯曲，进而形成红外传感器开关器件可与用作第一电极的金属梁204’接触的、可动的第二电极，红外传感器开关器件利用了该残余应力而进行工作。参考图10。

通过上述制作工艺得到的红外传感器开关器件的三维结构简图及其剖面图如图11和图12所示，从图中可知，由双材料悬臂梁214和下端的金属梁204’构成红外传感器开关的主要结构，通过用作电极的双层材料悬臂梁214和金属梁204’的接触和分离，可使得红外传感器开关器件相应接通和断开。

由于在制备中悬臂梁214的下层材料表现为张应力，上层材料表现为压应力，所以当双材料悬臂梁214释放后，下层会收缩，上层会膨胀，由于其约束关系，最后表现出来的结果为向下层方向弯曲，即向下弯曲，这样就与下方和衬底202相接触的另一电极金属梁204’相连，此时结构处于关态，即接通状态，如图13所示。

当温度升高时，红外辐射功率增大，双材料悬臂梁214吸收红外辐射后温度升高，由于热膨胀系数的差异，使得双材料悬臂梁214向上层方向弯曲，即向上弯曲，此时结构处于断开状态，如图14所示。

当冷却到一定温度以下时，红外辐射功率降低，双材料悬臂梁214吸收能量减小，变形复原，结构回到图13所示状态，器件开始正常工作。

由于氮化硅的机械性能良好，同时与铝的热膨胀系数相差较大，在一个实施例中，双材料悬臂梁214的上、下层材料优选氮化硅和铝材料。

本发明提出了一种新型的基于微电子机械系统(MEMS)技术制作的红外传感器开关器件，该开关器件巧妙利用了多层悬臂梁由于应力失配而造成的弯曲变形而进行工作，利用不同热膨胀系数的双材料悬臂梁的运动来进行工作，这样在制作过程中无需调整应力，使得制作工艺简单，工艺周期缩短，难度降低，效率提高。器件结构简单实用，同时该结构还能够应用于热故障安全监控、恒温加热等方面。

并且，基于MEMS技术制作工艺，所得的开关器件尺寸小，可以做到毫米甚至微米量级。因此，能够广泛应用于各种需要小体积红外传感器的精密器件的场合。

此外，制造工艺与CMOS工艺兼容，工艺简单，可批量生产，制作中使用了自对准套刻工艺，成本极低。

并且，该器件在工作中还具有非接触、使用安全及等优点。同时本发明开关器件可重复利用，使用寿命长，实现了资源的高效利用。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (10)

1.一种红外传感器开关器件，所述器件包括：

衬底；

位于所述衬底上方的金属梁，用于形成第一电极；

位于所述衬底和所述金属梁上方的牺牲层；以及

位于所述牺牲层上方的双层材料悬臂梁，用于形成可与所述第一电极接触的可动的第二电极，所述双层材料悬臂梁的下层材料为具有张应力的金属材料，所述双层材料悬臂梁的上层材料为具有压应力非金属材料；

所述双层材料悬臂梁中存在残余应力，牺牲层释放后发生弯曲，红外传感器开关器件利用残余应力工作。

2.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述金属梁的材料为包括铝、金、铬或铜的导电金属。

3.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述双层材料悬臂梁的下层材料为具有张应力的铝或金的导电金属材料。

4.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述双层材料悬臂梁的上层材料为具有压应力的氮化硅或氧化硅材料。

5.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述牺牲层为非晶硅、多晶硅、多孔硅或聚酰亚胺。

6.一种红外传感器开关器件的制作方法，所述制作方法包括以下步骤：

提供一个衬底；

在所述衬底上形成有金属梁，以形成第一电极；

在所述衬底和所述金属梁上方淀积牺牲层；以及

在所述牺牲层上方形成有双层材料的悬臂梁，以形成可与所述第一电极接触的可动的第二电极，所述双层材料的悬臂梁的下层材料具有张应力，所述双层材料的悬臂梁的上层材料具有压应力；

所述双层材料悬臂梁中存在残余应力，牺牲层释放后发生弯曲，红外传感器开关器件利用残余应力工作。

7.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述金属梁的材料为包括铝、金、铬或铜的导电金属。

8.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述悬臂梁的下层材料为铝或金的导电金属。

9.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述悬臂梁的上层材料为氮化硅或氧化硅。

10.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述牺牲层为非晶硅、多晶硅、多孔硅或聚酰亚胺。