CN102659068B

CN102659068B - 一种mems谐振腔结构

Info

Publication number: CN102659068B
Application number: CN201210183533.9A
Authority: CN
Inventors: 袁超
Original assignee: Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd
Current assignee: Shanghai IC R&D Center Co Ltd
Priority date: 2012-06-05
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2032-06-05
Also published as: CN102659068A

Abstract

本发明提供了一种MEMS谐振腔结构，包括：半导体衬底；第一支撑柱，所述第一支撑柱设置于所述半导体衬底上；反射层，所述反射层设置于所述第一支撑柱上；第二支撑柱，所述第二支撑柱设置于所述反射层上；结构层，所述结构层设置于所述第二支撑柱上，所述结构层包括功能层及设置于所述功能层上面及下面的释放保护层。通过所述第一支撑柱使得所述反射层悬空于所述半导体衬底之上，由此便可避免半导体衬底上的噪声对于反射层的影响，从而提高MEMS谐振腔结构的性能。

Description

一种MEMS谐振腔结构

技术领域

本发明涉及微电子机械系统技术领域，特别涉及一种MEMS谐振腔结构。

背景技术

微电子机械系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，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，近年来得到了快速发展，并已广泛应用于传感器、智能手机、平板电脑、汽车电子、生物医疗等诸多领域。

MEMS谐振腔结构是一种腔体两端分别为反射膜或透射膜，腔体内部为真空的结构。光线从腔体一端(入射端)进入后，被腔体另一端(反射端)的薄膜反射，反射回来的光线又被入射端的薄膜反射，这样光线在腔体内部来回反射，采用一定的设计可以使得处于腔体一端的光波得到极大增强。光线在腔体内部来回反射时，将发生干涉形成驻波，当腔体两端的距离为光线波长的1/4时，入射端位于驻波的波腹即振幅最大的位置，使得入射端接收的光波得到极大增强。

MEMS谐振腔结构应用于成像领域，可用来收集特定波长的光线。现有的MEMS谐振腔结构一般是利用其半导体衬底上的读出电路上的金属层作为反射层，此时，虽然金属的反射率很高，但由于读出电路工作时的发热等原因，该反射层极易受到半导体衬底噪声的影响；另外，金属对光线的吸收比较强，反射出去的光线仍然有限。

因此，亟需一种MEMS谐振腔结构，其能够避免半导体衬底上的噪声对于反射层的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MEMS谐振腔结构，以解决现有技术中半导体衬底上的噪声影响反射层，从而降低MEMS谐振腔结构的性能的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种MEMS谐振腔结构，包括：

半导体衬底；

第一支撑柱，所述第一支撑柱设置于所述半导体衬底上；

反射层，所述反射层设置于所述第一支撑柱上；

第二支撑柱，所述第二支撑柱设置于所述反射层上；

结构层，所述结构层设置于所述第二支撑柱上，所述结构层包括功能层及设置于所述功能层上面及下面的释放保护层。

可选的，在所述的MEMS谐振腔结构中，所述反射层与半导体衬底之间、所述反射层与结构层之间均为真空隔离状态。

可选的，在所述的MEMS谐振腔结构中，所述第一支撑柱及第二支撑柱的数量均为多个。

可选的，在所述的MEMS谐振腔结构中，所述反射层为金属薄膜，所述反射层的厚度为1000埃～10000埃。

可选的，在所述的MEMS谐振腔结构中，所述反射层由多层不同介质薄膜交替而成，每层介质薄膜的厚度为1000埃～20000埃。

可选的，在所述的MEMS谐振腔结构中，所述反射层由两种不同折射率的介质薄膜交替而成。

可选的，在所述的MEMS谐振腔结构中，所述两种不同折射率的介质薄膜的材料为SiO₂和Si₃N₄，或者ZnS和MgF₂。

可选的，在所述的MEMS谐振腔结构中，所述反射层中位于上下表面的薄膜均为折射率相对较大的介质薄膜。

可选的，在所述的MEMS谐振腔结构中，每层介质薄膜均为增反膜。

可选的，在所述的MEMS谐振腔结构中，所述反射层包括金属薄膜及位于所述金属薄膜上的多层不同介质薄膜，其中，所述金属薄膜靠近所述半导体衬底，所述多层不同介质薄膜交替排布。

可选的，在所述的MEMS谐振腔结构中，所述多层不同介质薄膜为两种不同折射率的介质薄膜，该两种不同折射率的介质薄膜的材料为SiO₂和Si₃N₄，或者ZnS和MgF₂。

可选的，在所述的MEMS谐振腔结构中，所述反射层的上表面与下面的释放保护层的表面之间的距离为接收波长的1/4的奇数倍，所述反射层的下表面与半导体衬底的表面的距离为接收波长的1/4的偶数倍。

可选的，在所述的MEMS谐振腔结构中，所述功能层包括：电极层及热敏感层。

可选的，在所述的MEMS谐振腔结构中，所述电极层的材料为Al、Cu、Ti、Ta、TiN及TaN中的一种或多种，所述电极层的厚度为50埃～500埃。

可选的，在所述的MEMS谐振腔结构中，所述热敏感层的材料为掺硼的非晶硅或者VO_x，所述热敏感层的厚度为500埃～5000埃。

可选的，在所述的MEMS谐振腔结构中，所述功能层还包括：热吸收层。

可选的，在所述的MEMS谐振腔结构中，所述热吸收层的材料为Ti、Ta、Pt、TiN、TaN或者SiN_x，所述热吸收层的厚度为200埃～1000埃。

可选的，在所述的MEMS谐振腔结构中，所述第一支撑柱及第二支撑柱均包括：释放保护层及位于释放保护层内的填充金属。

可选的，在所述的MEMS谐振腔结构中，所述填充金属为铜或者钨，所述填充金属的厚度为1000埃～10000埃。

可选的，在所述的MEMS谐振腔结构中，所述电极层通过第一支撑柱和第二支撑柱内的填充金属与半导体衬底的金属引线接触，通过所述半导体衬底的金属引线施加电信号。

可选的，在所述的MEMS谐振腔结构中，所述释放保护层的材料为氧化硅、氮化硅或者掺氮的氧化硅，所述释放保护层的厚度为500埃～20000埃。

可选的，在所述的MEMS谐振腔结构中，功能层上面的释放保护层是增透膜。

可选的，在所述的MEMS谐振腔结构中，功能层下面的释放保护层是增反膜。

在本发明提供的MEMS谐振腔结构中，通过增加第一支撑柱使得所述反射层悬空于所述半导体衬底之上，由此，可以避免半导体衬底上的噪声对于反射层的影响。特别的，当腔体保持真空时，可进一步避免对光线传输的损耗，提高MEMS谐振腔结构的性能。此外，通过引入增反型的多层交替介质薄膜作为反射层，可以降低吸收率，提高反射率，从而进一步提高MEMS谐振腔结构的性能。

附图说明

图1是本发明实施例的MEMS谐振腔结构的立体示意图；

图2是沿图1所示的MEMS谐振腔结构AA’的剖面示意图；

图3是本发明实施例的MEMS谐振腔结构中反射层的结构示意图；

图4是光线经过薄膜界面发生发射和折射的光路示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的MEMS谐振腔结构作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图1及图2，其中，图1为本发明实施例的MEMS谐振腔结构的立体示意图；图2为沿图1所示的MEMS谐振腔结构AA’的剖面示意图。

如图2所示，所述MEMS谐振腔结构包括：

半导体衬底100；

第一支撑柱230，所述第一支撑柱230设置于所述半导体衬底100上；

反射层300，所述反射层300设置于所述第一支撑柱230上；

第二支撑柱430，所述第二支撑柱430设置于所述反射层300上；

结构层550，所述结构层550设置于所述第二支撑柱430上，所述结构层550包括功能层540及设置于所述功能层540上面及下面的释放保护层510。

在此，通过所述第一支撑柱230使得所述反射层300悬空于所述半导体衬底100之上，由此便可避免半导体衬底100上的噪声对于反射层300的影响，从而提高MEMS谐振腔结构的性能。

其中，所述反射层300可通过如下具体结构予以实现：

结构一

所述反射层300为金属薄膜，即所述反射层为由金属制成的薄膜结构。所述反射层300(即所述金属薄膜)的厚度为1000埃～10000埃。在此，利用了金属良好的反射性能，提高反射层300对光线的反射。

结构二

所述反射层300由多层不同介质薄膜交替而成，每层介质薄膜的厚度为1000埃～20000埃。优选的，所述反射层由两种不同折射率的介质薄膜交替而成，其中，所述两种不同折射率的介质薄膜的材料可以为SiO₂和Si₃N₄，或者ZnS和MgF₂。

进一步的，所述反射层中位于上下表面的薄膜均为两种不同折射率的介质薄膜中折射率大的介质薄膜。请参考图3，本发明实施例的MEMS谐振腔结构中反射层的结构示意图。在此，假设其中折射率大/高的材料为A，折射率小/低的材料为B，则结构二的形式可表现为ABABA...BA，即使得多层不同介质薄膜交替而成的反射层300的上下表面均为折射率大的材料。通过将折射率大的材料设置于表面，利用了此种材料优良的反射性能，从而可提高反射层300对光线的反射。

因此，当介质薄膜的材料为SiO₂和Si₃N₄时，由于Si₃N₄的折射率大于SiO₂的，由此，材料为Si₃N₄的膜层位于上下表面；介质薄膜的材料为ZnS和MgF₂时，由于ZnS的折射率大于MgF₂的，由此，材料为ZnS的膜层位于上下表面。

进一步的，每层介质薄膜均为增反膜，通过将每层介质薄膜采用增反膜，可进一步提高反射层300对于光线的反射，进而提高MEMS谐振腔结构的性能。关于利用增反膜提高对于光线的反射效果，可参考图4以及如下说明：

光学增反膜和增透膜是广泛应用的光学薄膜组件，它们都利用光的干涉现象。增反膜是使得一定波长的光在经过薄膜上下表面的反射后的干涉得到增强，而增透膜则是使得反射后的干涉相消。根据光的干涉原理，如果不考虑半波损失的情况，当特定波长的光垂直入射增反膜或增透膜时，薄膜上下表面的光程差分别为

δ＝2nd＝kλ(公式1)

δ＝2nd＝(2k+1)λ/2(公式2)

如图4所示，当薄膜折射率n比相邻介质折射率n₁、n₂都要大或都要小时，即n＞max(n₁，n₂)或n＜min(n₁，n₂)时，由于光线经过薄膜其中一个表面为从光疏介质到光密介质的传输，而另一个表面则为光密介质到光疏介质，公式(1)的光程差应计入半波损失，从而能够使用更薄的薄膜达到增强反射的效果。

2nd+λ/2＝kλ(公式3)

结构三

所述反射层300包括金属薄膜及位于所述金属薄膜上的多层不同介质薄膜，其中，所述金属薄膜靠近所述半导体衬底100，所述多层不同介质薄膜交替排布。即在结构三中，所述反射层300是将结构二与结构一组合而成，此时，位于上下表面的也是折射率相对较大的介质薄膜，在该结构三中同样能够实现良好的反射性能。

进一步的，所述反射层300的上表面(即靠近第二支撑柱430的一面)与下面的(即位于结构层540下面)释放保护层510的表面之间的距离为接收波长的1/4的奇数倍，所述反射层300的下表面(即靠近第一支撑柱230的一面)与半导体衬底100的表面的距离为接收波长的1/4的偶数倍。由此，使得半导体衬底100表面的反射光(反射的光波)与反射层300下表面反射的光(波)相干形成的驻波到达反射层300的时候为波节，即反射层300下表面接收的光不断减弱；使得入射光(即从结构层550入射的光波)与反射层300上表面反射的光相干形成的驻波到达功能层540的时候为波腹，即功能层540下表面接收的光得到增强。通过上述设计，可使得MEMS谐振腔结构对于特定波长的光线能够进行有效的收集。

在本实施例中，所述反射层300与半导体衬底100之间、所述反射层300与结构层550之间均为真空隔离状态，由此，可进一步避免对光线传输的损耗，提高MEMS谐振腔结构的性能。即反射层300与半导体衬底100所形成的间隙700、反射层300与结构层550所形成的间隙800均为真空，真空能够有效隔离噪声，进一步防止外部噪声对于反射层300的影响，提高MEMS谐振腔结构的性能。

在本实施例中，所述功能层540包括：电极层520及热敏感层530。其中，所述电极层520部分/全部可以位于所述热敏感层530之下，也可以部分/全部位于所述热敏感层530之上，本申请对此不作限定。其中，所述电极层520的材料为Ti、Ta、TiN及TaN中的一种或多种，所述电极层520的厚度为50埃～500埃。所述热敏感层530的材料为掺硼的非晶硅或者VO_x，所述热敏感层530的厚度为500埃～5000埃。

在此，所述电极层520还可以承担热吸收的功能。在本发明的其他实施例中，所述功能层540还可以包括热吸收层。所述热吸收层的材料为Ti、Ta、Pt、TiN或者TaN，所述热吸收层的厚度为200埃～1000埃。

在本实施例中，所述释放保护层510的材料为氧化硅、氮化硅或者掺氮的氧化硅，所述释放保护层510的厚度为500埃～20000埃。优选的，功能层540上面的释放保护层510是增透膜；功能层540下面的释放保护层510是增反膜。由此，可以使得入射光更多的进入MEMS谐振腔结构，从而有效收集特定波长的光线。

在本实施例中，所述第一支撑柱230及第二支撑柱430的数量均为多个。优选的，所述第一支撑柱230的数量为4个，所述第二支撑柱430的数量为两个。

在本实施例中，第一支撑柱230包括：保护层210(也即释放保护层)及位于所述保护层210内的填充金属220；所述第二支撑柱430包括：保护层410及位于所述保护层410内的填充金属420。其中，所述保护层(包括：保护层210及保护层410)的材料为氧化硅、氮化硅或者掺氮的氧化硅，所述保护层的厚度为500埃～5000埃；所述填充金属(包括：填充金属220及填充金属420)为铜或者钨，所述填充金属的厚度为1000埃～10000埃。其中，所述填充金属220与填充金属420连通，所述电极层520与所述填充金属420连通。

进一步的，所述半导体衬底100上还形成有衬底读出电路的介质层110及金属层120，其中，所述金属层120位于所述第一支撑柱230正下方，与所述填充金属220连通。在此，所述电极层520通过第一支撑柱230和第二支撑柱430内的填充金属与半导体衬底的金属引线接触，通过半导体衬底的金属引线施加电信号。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims

1.一种MEMS谐振腔结构，其特征在于，包括：

半导体衬底；

第一支撑柱，所述第一支撑柱设置于所述半导体衬底上；

反射层，所述反射层固定设置于所述第一支撑柱上且所述反射层不可变形；从而使得所述反射层悬空于所述半导体衬底上，避免半导体衬底上的噪声对反射层的影响；

第二支撑柱，所述第二支撑柱设置于所述反射层上；

结构层，所述结构层设置于所述第二支撑柱上，所述结构层包括功能层及设置于所述功能层上面及下面的释放保护层；所述反射层的上表面与所述结构层下表面的释放保护层之间的距离为接收波长的1/4的奇数倍，入射光与反射层上表面反射的光相干形成的驻波到达所述功能层时为波腹，使得功能层下表面接收的光得到增强；所述反射层的下表面与所述半导体衬底表面的距离为接收波长的1/4的偶数倍，半导体衬底表面的反射光与反射层下表面反射的光相干形成的驻波到达反射层时为波节，使得反射层下表面接收的光不断减弱。

2.如权利要求1所述的MEMS谐振腔结构，其特征在于，所述反射层与半导体衬底之间、所述反射层与结构层之间均为真空隔离状态。

3.如权利要求1所述的MEMS谐振腔结构，其特征在于，所述第一支撑柱及第二支撑柱的数量均为多个。

4.如权利要求1所述的MEMS谐振腔结构，其特征在于，所述反射层为金属薄膜，所述反射层的厚度为1000埃～10000埃。

5.如权利要求1所述的MEMS谐振腔结构，其特征在于，所述反射层由多层不同介质薄膜交替而成，每层介质薄膜的厚度为1000埃～20000埃。

6.如权利要求5所述的MEMS谐振腔结构，其特征在于，所述反射层由两种不同折射率的介质薄膜交替而成。

7.如权利要求6所述的MEMS谐振腔结构，其特征在于，所述两种不同折射率的介质薄膜的材料为SiO₂和Si₃N₄，或者ZnS和MgF₂。

8.如权利要求6所述的MEMS谐振腔结构，其特征在于，所述反射层中位于上下表面的薄膜均为折射率相对较大的介质薄膜。

9.如权利要求5所述的MEMS谐振腔结构，其特征在于，每层介质薄膜均为增反膜。

10.如权利要求1所述的MEMS谐振腔结构，其特征在于，所述反射层包括金属薄膜及位于所述金属薄膜上的多层不同介质薄膜，其中，所述金属薄膜靠近所述半导体衬底，所述多层不同介质薄膜交替排布。

11.如权利要求10所述的MEMS谐振腔结构，其特征在于，所述多层不同介质薄膜为两种不同折射率的介质薄膜，该两种不同折射率的介质薄膜的材料为SiO₂和Si₃N₄，或者ZnS和MgF₂。

12.如权利要求1所述的MEMS谐振腔结构，其特征在于，所述功能层包括：电极层及热敏感层。

13.如权利要求12所述的MEMS谐振腔结构，其特征在于，所述电极层的材料为Al、Cu、Ti、Ta、TiN及TaN中的一种或多种，所述电极层的厚度为50埃～500埃。

14.如权利要求12所述的MEMS谐振腔结构，其特征在于，所述热敏感层的材料为掺硼的非晶硅或者VO_x，所述热敏感层的厚度为500埃～5000埃。

15.如权利要求12所述的MEMS谐振腔结构，其特征在于，所述功能层还包括：热吸收层。

16.如权利要求15所述的MEMS谐振腔结构，其特征在于，所述热吸收层的材料为Ti、Ta、Pt、TiN、TaN或者SiN_x，所述热吸收层的厚度为200埃～1000埃。

17.如权利要求12所述的MEMS谐振腔结构，其特征在于，所述第一支撑柱及第二支撑柱均包括：释放保护层及位于释放保护层内的填充金属。

18.如权利要求17所述的MEMS谐振腔结构，其特征在于，所述填充金属为铜或者钨，所述填充金属的厚度为1000埃～10000埃。

19.如权利要求17所述的MEMS谐振腔结构，其特征在于，所述电极层通过第一支撑柱和第二支撑柱内的填充金属与半导体衬底的金属引线接触，通过所述半导体衬底的金属引线施加电信号。

20.如权利要求1所述的MEMS谐振腔结构，其特征在于，所述释放保护层的材料为氧化硅、氮化硅或者掺氮的氧化硅，所述释放保护层的厚度为500埃～20000埃。

21.如权利要求1所述的MEMS谐振腔结构，其特征在于，功能层上面的释放保护层是增透膜。

22.如权利要求1所述的MEMS谐振腔结构，其特征在于，功能层下面的释放保护层是增反膜。