CN110823386A - Mems结构及其加工方法、热释电传感器、红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS结构及其加工方法、热释电传感器、红外探测器，属于MEMS技术及红外探测技术领域。该MEMS结构包括设有读出集成电路的基底，以及包括：悬浮在基底一侧的热敏感层，所述的热敏感层为镧钛酸铅铁电薄膜；用于支撑所述热敏感层的支撑结构，所述支撑结构通过若干组锚柱与所述基底相连，所述支撑结构与所述基底之间形成光学谐振腔；所述的支撑结构依次包括第一碳化硅层、电极层以及第二碳化硅层；所述的电极层为钛膜和/氮化钛膜。本发明通过采用镧钛酸铅铁电薄膜作为热敏感层，以及使热敏感层通过支撑结构悬浮在基底一侧，可以提高MEMS结构的光学吸收特性以及降低MEMS结构的噪声等效温差。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS技术及红外探测技术领域，具体是一种MEMS结构及其加工方法、热释电传感器、红外探测器。
背景技术
微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械，其可以用于形成非制冷红外探测器等探测器的像素阵列或盲元结构。
目前，现有探测器所采用的MEMS结构，大多采用氧化钒等作为材质，其在结构上，一般只通过锚柱作为支撑，该类型的MEMS结构存在噪声等效温差较大等问题，其对探测器的综合性能影响较大，故不适用于非制冷红外探测器等探测器中。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种MEMS结构，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种MEMS结构，包括设有读出集成电路的基底，以及还包括：
悬浮在基底一侧的热敏感层，所述的热敏感层为镧钛酸铅铁电薄膜；
用于支撑所述热敏感层的支撑结构，所述支撑结构通过若干组锚柱与所述基底相连，所述支撑结构与所述基底之间形成光学谐振腔；所述的支撑结构依次包括第一碳化硅层、电极层以及第二碳化硅层；所述的电极层为钛膜和/氮化钛膜。
优选的，所述的锚柱为钨材质。
优选的，所述锚柱的外围设有氧化硅层。
优选的，所述的基底上还设有金属反射层。
优选的，所述的金属反射层为铝薄膜。
本发明实施例的另一目的在于提供一种上述MEMS结构的加工方法，其包括以下步骤：
在基底上旋涂一层聚酰亚胺膜，作为牺牲层，并利用化学气相沉积法在牺牲层上沉积一层碳化硅保护膜；
对上述牺牲层和碳化硅保护膜进行刻蚀打孔，得到若干组第一孔道；
利用化学气相沉积法在上述第一孔道内沉积氧化硅，并对牺牲层进行第一次平整化；
利用化学气相沉积法在上述第一次平整化后的牺牲层上沉积一层氮氧化硅保护膜；
对上述氮氧化硅保护膜和第一孔道内的氧化硅进行刻蚀，得到填充有氧化硅层的第二孔道，并在第二孔道内沉积钨以及对牺牲层进行第二次平整化，形成若干组与第二孔道相对应的锚柱；
利用化学气相沉积法在上述第二次平整化后的牺牲层上沉积碳化硅膜，并刻蚀锚柱上的碳化硅膜，形成第一碳化硅层；
利用物理气相沉积法在第一碳化硅层上方沉积钛膜和/或氮化钛膜，并对沉积的钛膜和/或氮化钛膜进行刻蚀，形成叉指电极结构的电极层；
利用化学气相沉积法在电极层上方沉积碳化硅膜，形成第二碳化硅层；
利用化学气相沉积法在第二碳化硅层上方沉积镧钛酸铅铁电薄膜；
刻蚀上述镧钛酸铅铁电薄膜，形成热敏感层；以及刻蚀上述第一碳化硅层、电极层以及第二碳化硅层，形成支撑结构；
在氧环境中干法释放上述聚酰亚胺膜，形成光学谐振腔，得到所述的MEMS结构。
优选的，所述的步骤中，聚酰亚胺膜的厚度为1～3μm，第一碳化硅层的厚度为10～20nm，第二碳化硅层的厚度为10～20nm，镧钛酸铅铁电薄膜的厚度为120～180nm。
本发明实施例的另一目的在于提供一种采用上述加工方法加工而成的MEMS结构。
本发明实施例的另一目的在于提供一种上述MEMS结构在探测器中的应用。
本发明实施例的另一目的在于提供一种热释电传感器，所述的热释电传感器包含上述MEMS结构。
本发明实施例的另一目的在于提供一种非制冷红外探测器，所述的非制冷红外探测器包含上述热释电传感器。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果是：
本发明实施例提供的一种MEMS结构，通过采用镧钛酸铅铁电薄膜作为热敏感层，以及使热敏感层通过包含第一碳化硅层、电极层以及第二碳化硅层的支撑结构悬浮在基底一侧，可以提高MEMS结构的光学吸收特性以及降低MEMS结构的噪声等效温差。
附图说明
图1为实施例1提供的一种MEMS结构的结构示意图。
图2为实施例1提供的支撑结构和热敏感层的立体结构图。
图3为实施例6加工得到的MEMS结构的光学吸收特性仿真分析曲线图。
图中：1-基底、2-热敏感层、3-支撑结构、31-第一碳化硅层、32-电极层、33-第二碳化硅层、4-锚柱、5-氧化硅层、6-金属反射层、7-光学谐振腔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参照附图1～2，该实施例提供了一种MEMS结构，其包括设有读出集成电路的基底1、悬浮在基底1上侧的热敏感层2以及用于支撑所述热敏感层2的支撑结构3；所述的热敏感层2为镧钛酸铅铁电薄膜；所述支撑结构通过四组锚柱4与所述基底1进行电性相连，所述支撑结构3与所述基底1之间形成光学谐振腔7；所述的支撑结构3从下往上依次包括第一碳化硅层31、电极层32和第二碳化硅层33。
其中，所述的电极层32为叉指电极结构，所述的锚柱4为钨材质；所述锚柱4的外围设有氧化硅层5，可以起到支撑锚柱4的作用；所述的基底1上还设有金属反射层6，所述的金属反射层6为铝薄膜。
实施例2
参照附图1～2，该实施例提供了一种上述实施例1提供的MEMS结构的加工方法，其包括以下步骤：
(1)在基底1上旋涂一层1μm厚度的聚酰亚胺膜，作为牺牲层，并利用化学气相沉积法在牺牲层上沉积一层碳化硅保护膜，以起到保护聚酰亚胺膜的作用。
(2)对上述牺牲层和碳化硅保护膜的四个角落进行刻蚀打孔，得到四组第一孔道。
(3)利用化学气相沉积法在上述第一孔道内沉积氧化硅，并对牺牲层进行第一次平整化，去除牺牲层上的碳化硅保护膜。
(4)利用化学气相沉积法在上述第一次平整化后的牺牲层上沉积一层40nm厚的氮氧化硅保护膜，作为聚酰亚胺膜的保护膜层。
(5)对上述氮氧化硅保护膜和第一孔道内的氧化硅进行刻蚀，得到填充有氧化硅层的第二孔道，并在第二孔道内利用现有标准半导体工艺沉积钨以及对牺牲层进行第二次平整化，去除氮氧化硅保护膜，便可形成四组与第二孔道相对应的锚柱4。
(6)利用化学气相沉积法在上述第二次平整化后的牺牲层上沉积10nm厚度的碳化硅膜，并刻蚀锚柱上方的碳化硅膜，形成第一碳化硅层31；
(7)利用物理气相沉积法在第一碳化硅层31上方沉积5nm厚度的钛膜，并对沉积的钛膜进行刻蚀，形成叉指电极结构的电极层32。
(8)利用化学气相沉积法在电极层32上方沉积10nm厚度的碳化硅膜，形成第二碳化硅层33。
(9)刻蚀上述第二碳化硅层33，使得部分的电极层32露出来，并利用化学气相沉积法在第二碳化硅层33上方沉积120nm厚度的镧钛酸铅铁电薄膜，使得镧钛酸铅铁电薄膜与电极层32接触。
(10)刻蚀上述镧钛酸铅铁电薄膜，形成热敏感层2；以及刻蚀上述第一碳化硅层31、电极层32和第二碳化硅层33，即可形成支撑结构3。
(11)在氧环境中干法释放上述聚酰亚胺膜，形成1μm厚度的光学谐振腔7，即可得到所述的MEMS结构。该MEMS结构可用作为非制冷红外探测器中的热释电传感器。
实施例3
参照附图1～2，该实施例提供了一种上述实施例1提供的MEMS结构的加工方法，其包括以下步骤：
(1)在基底1上旋涂一层3μm厚度的聚酰亚胺膜，作为牺牲层，并利用化学气相沉积法在牺牲层上沉积一层碳化硅保护膜，以起到保护聚酰亚胺膜的作用。
(2)对上述牺牲层和碳化硅保护膜的四个角落进行刻蚀打孔，得到四组第一孔道。
(3)利用化学气相沉积法在上述第一孔道内沉积氧化硅，并对牺牲层进行第一次平整化，去除牺牲层上的碳化硅保护膜。
(4)利用化学气相沉积法在上述第一次平整化后的牺牲层上沉积一层40nm厚的氮氧化硅保护膜，作为聚酰亚胺膜的保护膜层。
(5)对上述氮氧化硅保护膜和第一孔道内的氧化硅进行刻蚀，得到填充有氧化硅层的第二孔道，并在第二孔道内利用现有标准半导体工艺沉积钨以及对牺牲层进行第二次平整化，去除氮氧化硅保护膜，便可形成四组与第二孔道相对应的锚柱4。
(6)利用化学气相沉积法在上述第二次平整化后的牺牲层上沉积20nm厚度的碳化硅膜，并刻蚀锚柱上方的碳化硅膜，形成第一碳化硅层31；
(7)利用物理气相沉积法在第一碳化硅层31上方沉积15nm厚度的钛膜及氮化钛膜的复合膜，并对沉积的钛膜及氮化钛膜的复合膜进行刻蚀，形成叉指电极结构的电极层32。
(8)利用化学气相沉积法在电极层32上方沉积20nm厚度的碳化硅膜，形成第二碳化硅层33。
(9)刻蚀上述第二碳化硅层33，使得部分的电极层32露出来，并利用化学气相沉积法在第二碳化硅层33上方沉积180nm厚度的镧钛酸铅铁电薄膜，使得镧钛酸铅铁电薄膜与电极层32接触。
(10)刻蚀上述镧钛酸铅铁电薄膜，形成热敏感层2；以及刻蚀上述第一碳化硅层31、电极层32和第二碳化硅层33，即可形成支撑结构3。
(11)在氧环境中干法释放上述聚酰亚胺膜，形成3μm厚度的光学谐振腔7，即可得到所述的MEMS结构。该MEMS结构可用作为非制冷红外探测器中的热释电传感器。
实施例4
参照附图1～2，该实施例提供了一种上述实施例1提供的MEMS结构的加工方法，其包括以下步骤：
(1)在基底1上旋涂一层2μm厚度的聚酰亚胺膜，作为牺牲层，并利用化学气相沉积法在牺牲层上沉积一层碳化硅保护膜，以起到保护聚酰亚胺膜的作用。
(2)对上述牺牲层和碳化硅保护膜的四个角落进行刻蚀打孔，得到四组第一孔道。
(3)利用化学气相沉积法在上述第一孔道内沉积氧化硅，并对牺牲层进行第一次平整化，去除牺牲层上的碳化硅保护膜。
(4)利用化学气相沉积法在上述第一次平整化后的牺牲层上沉积一层40nm厚的氮氧化硅保护膜，作为聚酰亚胺膜的保护膜层。
(5)对上述氮氧化硅保护膜和第一孔道内的氧化硅进行刻蚀，得到填充有氧化硅层的第二孔道，并在第二孔道内利用现有标准半导体工艺沉积钨以及对牺牲层进行第二次平整化，去除氮氧化硅保护膜，便可形成四组与第二孔道相对应的锚柱4。
(6)利用化学气相沉积法在上述第二次平整化后的牺牲层上沉积15nm厚度的碳化硅膜，并刻蚀锚柱上方的碳化硅膜，形成第一碳化硅层31；
(7)利用物理气相沉积法在第一碳化硅层31上方沉积10nm厚度的钛膜，并对沉积的钛膜进行刻蚀，形成叉指电极结构的电极层32。
(8)利用化学气相沉积法在电极层32上方沉积15nm厚度的碳化硅膜，形成第二碳化硅层33。
(9)刻蚀上述第二碳化硅层33，使得部分的电极层32露出来，并利用化学气相沉积法在第二碳化硅层33上方沉积150nm厚度的镧钛酸铅铁电薄膜，使得镧钛酸铅铁电薄膜与电极层32接触。
(10)刻蚀上述镧钛酸铅铁电薄膜，形成热敏感层2；以及刻蚀上述第一碳化硅层31、电极层32和第二碳化硅层33，即可形成支撑结构3。
(11)在氧环境中干法释放上述聚酰亚胺膜，形成2μm厚度的光学谐振腔7，即可得到所述的MEMS结构。该MEMS结构可用作为非制冷红外探测器中的热释电传感器。
实施例5
参照附图1～2，该实施例提供了一种上述实施例1提供的MEMS结构的加工方法，其包括以下步骤：
(1)在基底1上旋涂一层2μm厚度的聚酰亚胺膜，作为牺牲层，并利用化学气相沉积法在牺牲层上沉积一层碳化硅保护膜，以起到保护聚酰亚胺膜的作用。
(2)对上述牺牲层和碳化硅保护膜的四个角落进行刻蚀打孔，得到四组第一孔道。
(3)利用化学气相沉积法在上述第一孔道内沉积氧化硅，并对牺牲层进行第一次平整化，去除牺牲层上的碳化硅保护膜。
(4)利用化学气相沉积法在上述第一次平整化后的牺牲层上沉积一层40nm厚的氮氧化硅保护膜，作为聚酰亚胺膜的保护膜层。
(5)对上述氮氧化硅保护膜和第一孔道内的氧化硅进行刻蚀，得到填充有氧化硅层的第二孔道，并在第二孔道内利用现有标准半导体工艺沉积钨以及对牺牲层进行第二次平整化，去除氮氧化硅保护膜，便可形成四组与第二孔道相对应的锚柱4。
(6)利用化学气相沉积法在上述第二次平整化后的牺牲层上沉积15nm厚度的碳化硅膜，并刻蚀锚柱上方的碳化硅膜，形成第一碳化硅层31；
(7)利用物理气相沉积法在第一碳化硅层31上方沉积10nm厚度的氮化钛膜，并对沉积氮化钛膜进行刻蚀，形成叉指电极结构的电极层32。
(8)利用化学气相沉积法在电极层32上方沉积15nm厚度的碳化硅膜，形成第二碳化硅层33。
(9)刻蚀上述第二碳化硅层33，使得部分的电极层32露出来，并利用化学气相沉积法在第二碳化硅层33上方沉积150nm厚度的镧钛酸铅铁电薄膜，使得镧钛酸铅铁电薄膜与电极层32接触。
(10)刻蚀上述镧钛酸铅铁电薄膜，形成热敏感层2；以及刻蚀上述第一碳化硅层31、电极层32和第二碳化硅层33，即可形成支撑结构3。
(11)在氧环境中干法释放上述聚酰亚胺膜，形成2μm厚度的光学谐振腔7，即可得到所述的MEMS结构。该MEMS结构可用作为非制冷红外探测器中的热释电传感器。
实施例6
参照附图1～2，该实施例提供了一种上述实施例1提供的MEMS结构的加工方法，其包括以下步骤：
(1)在基底1上旋涂一层2.25μm厚度的聚酰亚胺膜，作为牺牲层，并利用化学气相沉积法在牺牲层上沉积一层碳化硅保护膜，以起到保护聚酰亚胺膜的作用。
(2)对上述牺牲层和碳化硅保护膜的四个角落进行刻蚀打孔，得到四组第一孔道。
(3)利用化学气相沉积法在上述第一孔道内沉积氧化硅，并对牺牲层进行第一次平整化，去除牺牲层上的碳化硅保护膜。
(4)利用化学气相沉积法在上述第一次平整化后的牺牲层上沉积一层40nm厚的氮氧化硅保护膜，作为聚酰亚胺膜的保护膜层。
(5)对上述氮氧化硅保护膜和第一孔道内的氧化硅进行刻蚀，得到填充有氧化硅层的第二孔道，并在第二孔道内利用现有标准半导体工艺沉积钨以及对牺牲层进行第二次平整化，去除氮氧化硅保护膜，便可形成四组与第二孔道相对应的锚柱4。
(6)利用化学气相沉积法在上述第二次平整化后的牺牲层上沉积15nm厚度的碳化硅膜，并刻蚀锚柱上方的碳化硅膜，形成第一碳化硅层31；
(7)利用物理气相沉积法在第一碳化硅层31上方沉积5nm厚度的钛膜，并对沉积的钛膜进行刻蚀，形成叉指电极结构的电极层32。
(8)利用化学气相沉积法在电极层32上方沉积15nm厚度的碳化硅膜，形成第二碳化硅层33。
(9)刻蚀上述第二碳化硅层33，使得部分的电极层32露出来，并利用化学气相沉积法在第二碳化硅层33上方沉积150nm厚度的镧钛酸铅铁电薄膜，使得镧钛酸铅铁电薄膜与电极层32接触。
(10)刻蚀上述镧钛酸铅铁电薄膜，形成热敏感层2；以及刻蚀上述第一碳化硅层31、电极层32和第二碳化硅层33，即可形成支撑结构3。
(11)在氧环境中干法释放上述聚酰亚胺膜，形成2.25μm厚度的光学谐振腔7，即可得到所述的MEMS结构。该MEMS结构可用作为非制冷红外探测器中的热释电传感器。
需要说明的是，上述步骤中的化学气相沉积法和物理气相沉积法等气相沉积法均可采用现有的工艺，其中，化学气相沉积法可采用离子体增强化学的气相沉积法，其具体的工艺在这边就不做赘述了。
对比例1
该对比例提供了一种ULIS公司市售的非制冷红外探测器中的25μm像素阵列。
依据对比例1提供的25μm像素阵列的规格，分别按照上述实施例4～5提供的加工方法进行加工，可以得到对应MEMS结构的25μm像素阵列，并将实施例4～5得到的25μm像素阵列与对比例1提供的25μm像素阵列在相同的条件下进行热阻、热传导率、热响应时间和噪声等效温差等性能的仿真测试，其测试结果如下表1所示。需要说明的是，这些性能的仿真测试方法均为本领域的现有技术，故在这边就不作赘述了。
表1
| 测试项目 | 实施例4 | 实施例5 | 对比例1 |
| 热传导率(W/(m·K)) | 2.95×10<sup>-8</sup> | 1.64×10<sup>-8</sup> | - |
| 热阻(MK/W) | 33.9 | 61.1 | 55 |
| 热响应时间(ms) | 7.8 | 12.5 | 7 |
| 噪声等效温差(mK) | 88.9 | 49.4 | 85 |
另外，将实施例6得到的MEMS结构利用采用Concise Macleod软件进行光学吸收特性仿真分析，其分析结果如附图3所示。从图中可以看到，该MEMS结构在10μm波段会有接近100％的红外辐射吸收。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.一种MEMS结构，包括设有读出集成电路的基底，其特征在于，还包括：
悬浮在基底一侧的热敏感层，所述的热敏感层为镧钛酸铅铁电薄膜；
用于支撑所述热敏感层的支撑结构，所述支撑结构通过若干组锚柱与所述基底相连，所述支撑结构与所述基底之间形成光学谐振腔；所述的支撑结构依次包括第一碳化硅层、电极层以及第二碳化硅层；所述的电极层为钛膜和/氮化钛膜。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS结构，其特征在于，所述的锚柱为钨材质。
3.根据权利要求2所述的一种MEMS结构，其特征在于，所述锚柱的外围设有氧化硅层。
4.根据权利要求1所述的一种MEMS结构，其特征在于，所述的基底上还设有金属反射层。
5.根据权利要求4所述的一种MEMS结构，其特征在于，所述的金属反射层为铝薄膜。
6.一种如权利要求1~5中任一项所述MEMS结构的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
在基底上旋涂一层聚酰亚胺膜，作为牺牲层，并利用化学气相沉积法在牺牲层上沉积一层碳化硅保护膜；
对上述牺牲层和碳化硅保护膜进行刻蚀打孔，得到若干组第一孔道；
利用化学气相沉积法在上述第一孔道内沉积氧化硅，并对牺牲层进行第一次平整化；
利用化学气相沉积法在上述第一次平整化后的牺牲层上沉积一层氮氧化硅保护膜；
对上述氮氧化硅保护膜和第一孔道内的氧化硅进行刻蚀，得到填充有氧化硅层的第二孔道，并在第二孔道内沉积钨以及对牺牲层进行第二次平整化，形成若干组与第二孔道相对应的锚柱；
利用化学气相沉积法在上述第二次平整化后的牺牲层上沉积碳化硅膜，并刻蚀锚柱上的碳化硅膜，形成第一碳化硅层；
利用物理气相沉积法在第一碳化硅层上方沉积钛膜和/或氮化钛膜，并对沉积的钛膜和/或氮化钛膜进行刻蚀，形成叉指电极结构的电极层；
利用化学气相沉积法在电极层上方沉积碳化硅膜，形成第二碳化硅层；
利用化学气相沉积法在第二碳化硅层上方沉积镧钛酸铅铁电薄膜；
刻蚀上述镧钛酸铅铁电薄膜，形成热敏感层；以及刻蚀上述第一碳化硅层、电极层以及第二碳化硅层，形成支撑结构；
在氧环境中干法释放上述聚酰亚胺膜，形成光学谐振腔，得到所述的MEMS结构。
7.根据权利要求6所述的一种MEMS结构的加工方法，其特征在于，所述的步骤中，聚酰亚胺膜的厚度为1~3μm，第一碳化硅层的厚度为10~20nm，第二碳化硅层的厚度为10~20nm，镧钛酸铅铁电薄膜的厚度为120~180nm。
8.一种采用如权利要求6或7所述加工方法加工而成的MEMS结构。
9.一种热释电传感器，其特征在于，所述的热释电传感器包含如权利要求1~5和权利要求8中任一项所述的MEMS结构。
10.一种非制冷红外探测器，其特征在于，所述的非制冷红外探测器包含如权利要求9所述的热释电传感器。
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