CN1749713B - 包括悬空固定的吸收膜的热电磁辐射探测器 - Google Patents

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Abstract

探测器的吸收膜(1)通过至少一个绝热支撑部件(5ab)悬空固定在衬底的前面上，该衬底(2)包括至少两个例如通过导电层(9)电连接到膜(1)的电连接端子(3)。支撑部件(5ab)具有至少一个基底端(6)和凸起区(7)。基底端(6)固定在导电柱(8)的顶部分上，该导电柱具有牢固地固定到电连接端子(3)之一的基底。膜(1)底面的基本平坦区直接与支撑部件(5ab)的凸起区(7)接触。支撑部件(5ab)优选由具有固定在第二柱(8)的顶部分的第二基底端(6)的桥接件组成，通过桥接件的平坦的中间部分形成凸起区(7)。

Description

包括悬空固定的吸收膜的热电磁辐射探测器
技术领域
本发明涉及一种热电磁辐射探测器，包括通过绝热支撑装置在衬底的前面上悬空固定的吸收膜，该衬底包括至少两个电连接到膜的电连接端子，该支撑装置包括至少一个布置在衬底与膜之间且具有至少一个基底端(baseend)和凸起区(raised zone)的支撑部件。
背景技术
近年来，在硅微电子学技术中技术的发展及薄膜技术的成就给热辐射探测器技术带来了新的推进，这种热辐射探测器包括通过绝热支撑装置在衬底上悬空固定的吸收膜。
微电子学是以硅晶片水平上执行的成套工艺(collective processes)为基础的，热探测器技术也可以在许多方面受益于这些工艺。这些成套工艺实际上提供了实现高复杂性探测器矩阵(通常为320×240探测器矩阵)的可能，还提供了在单个硅晶片上实现大量矩阵的可能，并因此提供了降低探测器单位制造成本的可能。
文件US 6094127记述了具有三个重叠台(superposed stages)的辐射热计(bolometer)，具体地讲是包括集成电路的台、支撑台和吸收台。通过牢靠固定到吸收台的柱将吸收台和支撑台分离。由于支撑装置布置在吸收台与包括集成电路的台之间，该吸收台可以占据辐射热计的全部表面，使得辐射热计感光辐射的表面与总表面的比率能够增加，因而增加辐射热计的效率。然而，为了将吸收台电连接到支撑台，在支撑台与吸收台之间安装了电互连部分。这个电互连部分由被绝缘材料环绕的电缆形成。这造成了需要大量制造步骤的复杂制造工艺，因而带来了高的生产成本。特别地，与吸收台接触的电互连部分的存在可能对吸收质量和探测器的敏感度具有有害影响。此外，由于互连部分的存在，使得制作具有良好平面度的吸收台变得困难了。
发明内容
本发明的目的是补偿这些缺点，尤其是提供了一种辐射热计对辐射敏感的表面与辐射热计总表面的比率高的探测器，同时简化了其制造工艺。
根据本发明，这一目的是通过将所述支撑部件的基底端固定到导电柱的顶端部分实现的，该导电柱具有牢靠固定到电连接端子的基底，膜底面基本平坦的区域直接接触支撑部件的凸起区。
根据本发明的第一特定实施例，通过第二端形成凸起区的臂形成支撑部件。
根据本发明的发展，探测器包括两个臂，分别固定于第一和第二导电柱且均包括导电层，该导电层用以将膜连接到导电柱之一。
根据本发明的第二特定实施例，通过将第二基底端被固定到第二柱的顶端部分的桥接件形成支撑部件，桥接件的中间部分形成凸起区。
根据本发明的发展，第二柱导电且桥接件包括互相电绝缘的两层导电层，所设计的导电层分别将膜电连接到导电柱，每个导电柱均具有牢固地固定到电连接端子的基底。
根据本发明的优选实施例，探测器包括两个桥接件，每个桥接件包括导电层，导电层用以将膜连接到相应的导电柱。
支撑部件的凸起区优选由平坦部分形成。
本发明的进一步目的是实现探测器的制作工艺，该工艺包括：
-在包括至少两个电连接端子的衬底上沉积牺牲层，
-蚀刻牺牲层，以获得与衬底平行的底部和顶部平坦区，底部平坦区覆盖电连接端子，
-在牺牲层上沉积介质层和导电层，以形成支撑部件，
-在牺牲层的底部区中及支撑部件中蚀刻开口，所述开口分别开向电连接端子上，
-在所述开口中沉积形成导电柱的导电层并蚀刻形成导电柱的导电层，
-蚀刻介质层和导电层，
-在由所述层形成的整个组件上沉积附加的牺牲层，以形成具有形成支撑部件的导电层的公共平坦表面，
-在所述的公共平坦表面上沉积膜，
-去除牺牲层。
附图说明
通过对仅作为非限制性实例给出且在附图中表现出的本发明的特定实施例进行描述，本发明其它的优势及特征将变得更明显，附图中：
图1表示的是根据本发明特定实施例的探测器的分解图。
图2到3表示的是在图1中表示的探测器，分别为沿着A-A轴和沿着B-B轴的横截面。
图4和5表示的是根据本发明的探测器的支撑部件的两个特定实施例。
图6示出了根据本发明另一特定实施例的探测器的分解图。
图7示出了根据本发明的探测器的特定实施例的顶视图。
图8到图10表示的是根据本发明特定实施例的制作工艺的不同步骤，对应于沿着图1中C-C轴的横截面。
图11示出了在沿着图1的D-D轴的横截面中与在图10中示出的相同的步骤。
具体实施方式
在图1中，热电磁辐射探测器(thermal electromagnetic radiation detector)包括吸收膜1，该吸收膜通过两个绝热支撑部件5悬空固定到衬底2的前面上。该膜包括，例如，用随温度而改变电阻率的材料，如非晶硅制作的层。该衬底2包括两个电连接到膜1的电连接端子3a和3d，如下所述。该衬底2可以包括连接到连接端子3的集成电路4，使探测器能够被偏置(biased)且处理探测器输出的电信号。当涉及红外线辐射时，探测器延伸为方形区域，该方形区域的边为十到一百微米。衬底2优选是平坦的且可以由硅制作。
在图1中，两个支撑端5布置在衬底2与膜1之间，通过具有第一和第二基底端6(6a和6b用于桥接件5ab，6c和6d用于桥接件5cd)和由桥接件的中间部分形成的凸起区7(分别为7ab和7cd)的桥接件(5ab和5cd)形成每个支撑端。桥接件5ab的基底的第一端6a固定到第一导电柱8a的顶部，该第一导电柱8a的基底牢固地固定到第一电连接端子3a。桥接件5ab的基底的第二端6b固定到第二柱8b的顶部。膜1的底面的基本平坦区域直接与每个支撑部件5的凸起区7接触，如图2中所示。
支撑部件5的凸起区7优选由平坦部分形成，如图1所示。因而在膜1与支撑部件5之间获得良好的机械强度。此外，这种结构使得探测器对辐射敏感的表面与其总表面的比率能够得以最大化。膜1事实上可以基本覆盖探测器的全部表面。
在膜1与支撑部件5之间的接触表面可以具有，例如，在膜1的边的尺寸的20％与40％之间的线性尺寸(linear dimension)。
导电柱8例如具有几个微米的高度，使得支撑部件5与衬底2分开几个微米。
在图1中，所述两个桥接件5ab和5cd分别包括导电层9a和9d(由阴影线表示)，设计每个导电层使之将膜1连接到一个导电柱8。导电层9a布置在桥接件5ab的凸起区7ab、基底端6a及连接凸起区7ab和基底端6a的倾斜部分上。导电层9a这样与导电柱8a相接触。导电层9d布置在桥接件5cd的凸起区7cd、基底端6d及连接凸起区7cd和基底端6d的倾斜部分上。导电层9d这样与导电柱8d相接触。导电柱8b和8c以及基底端6b和6c在特定实施例中没有任何电功能。
由于部件5具有机械固定及将膜1与衬底2绝热的功能，因此它们呈现这样的形状因子：最大化它们的长度且最小化它们的截面积。部件5的导电层9可以用氮化钛制作，使得能够确保导电功能。膜1在其平坦底面上包括两个扁平导体10(图1)，该扁平导体10覆盖着膜1的边缘且优选越过膜1的基本整个宽度延伸，以便最大化电流通过其流动的膜1的体积。布置导体10分别与导电层9接触。这样，穿过膜1流动的电流会穿过扁平导体10、导电层9、导电柱8及电连接端子3流动。这样在将膜1与衬底2充分地绝热同时获得膜1的良好电连接。扁平导体10位于膜1的底面上自动带来了膜1的特定平坦构造，该特定平坦构造提高了对电磁辐射的吸收。
如图2所示，探测器优选包括布置在衬底2上的反射金属层11。该层以公知方式使得在预定波长范围中辐射的吸收得以最大化。
在图1到图3中表示的特定实施例中，两个导体10各自连接到附加导体19(图1)，该附加导体布置在膜1的底面上且通过绝缘层20(图3)与膜1的有源层18绝缘。每个附加导体19基本覆盖膜1的表面的一半，在附加导体19之间具有微小的缝隙，因此两个附加导体19没有电接触。由于自由电子的吸收机制，入射的电磁波导致导体10和19的温度上升，在导体10和19的表面电阻与真空阻抗对应时这点尤其有效。相应地调整导体10和19的厚度及电阻率。例如，氮化钛层的电阻率为150μΩ.cm，4nm的厚度及电阻率。例如，氮化钛层的电阻率为150μΩ.cm，4nm的厚度就完美地满足这一要求。这样的层可以组成全部导体10和19，如图3中所示。这样，将对应着导体10的边缘区布置为与有源区18接触，且通过绝缘层20将与边缘区互补的区域与有源区18绝缘，从而形成导体19。
如图4所示，由桥接件5ef形成的支撑部件5可以包括分别布置在凸起区7的两个特定部分、相连的基底端6和连接凸起区7和基底端6(6e，6f)的相关倾斜部分上的两层导电层9e和9f。膜1可以通过它的中心部分固定在单个桥接件的凸起区7上。通过间隙使得两层导电层9e和9f分开，使得它们能够互相电绝缘。设计两层导电层9e和9f的每层，使其与相连的扁平导体10接触，使得膜电连接到导电柱8，桥接件即固定到导电柱上。
在图5所示的特定实施例中，两个支撑部件5分别由独立的(distinct)第一和第二臂(5g和5h)形成，每个臂具有基底端6g、6h及形成凸起区7的第二端。第一臂5g的基底端6g可以固定到第一导电柱，第二臂5h的基底端6h可以固定到第二导电柱。设计导电层9g(9h)使其将膜连接到布置在每个臂上的导电柱之一。每个导电层9g(9h)设计得与相应的导体10接触。这样两个臂使得膜1的两个导体10能够通过导电柱连接到衬底2的两个端子3。
在图6中所示的另一特定实施例中，四个导体10i、10j、10k、10l分别与形成桥接件的四个支撑部件5i、5j、5k、5l连接。桥接件分别包括导电层9的9i、9j、9k、9l区，一方面通过两个布置在桥接件之间的导电部分25两两交替地彼此连接，另一方面通过相应的柱8i、8l分别连接到相应的连接端子3i、3l。连接端子3i和3l例如分别连接到正极和负极接线端。
在图7中所示的特定实施例中，四个导体10交替地与虚线表示的两个支撑部件5连接。四个导体与膜1连接且被设计为平行地连接。每个支撑部件5的凸起区7越过三个导体10延伸。导体10固定到支撑部件5的凸起区7。由于膜1和/或支撑部件5可以包括最末绝缘层(last insulating layer)，后者在预定位置12去除以允许在支撑部件5的导电层9与相连的导体10之间电接触。
如图8到11所示，探测器的制作过程可以包括在包括两个电连接端子3的衬底2上沉积牺牲层13。该衬底可以包括通过绝缘层21从衬底分离的反射层11。
蚀刻牺牲层13以便获得平行于衬底2的底平坦区14和顶平坦区15。底平坦区14覆盖两个电连接端子3且优选通过斜率在60°到80°之间的倾斜区16从顶平坦区15分开，对于后续制造阶段来讲，这样比陡峭的台阶更有利。底平坦区14和顶平坦区15的高度差优选为微米级。
如图9所示，例如硅氧化物的介质层17及导电层9被沉积在牺牲层13上。设计该介质层17和导电层9使其形成支撑部件5。特别通过布置在底平坦区14上的部分层17和9形成了支撑部件5的基底端6，特别通过布置在顶平坦区15上的部分17和9层形成支撑部件5的凸起区7。
可以在导电层9上沉积附加的介质层。这样该导电层9就沉积在两个介质层之间了。通过在凸起区7上的蚀刻可以局部去除附加的介质层，以在导电层9与膜1之间实现接触。
然后，在牺牲层13的底部区14中以及在支撑部件5的基底端6中蚀刻两个开口，使得它们分别开向衬底2的两个电连接端子3上。例如用硅化钨或钛制作的导电层沉积在开口中，以形成导电柱8(图9)。然后蚀刻形成导电柱的所述导电层。该导电柱8例如为圆柱形且中空。然后横向蚀刻该层9和17以形成支撑部件5。附加牺牲层22沉积在全部所述层(8、13、17和9)上，以形成具有导电层9的凸起区的公共扁平表面。该附加牺牲层22必须有适当的流动性和厚度以获得充分平坦的表面。该附加牺牲层22优选均匀减薄以确保与导电层9齐平。
然后膜1沉积(图10和11)在所述的公共平坦表面上。如图10和11所示，膜1优选由例如形成导体10的氮化钛薄金属层、介质层23和温度敏感材料的有源层24形成。该介质层23使得导体10与膜1的有源层24之间的接触区能够分开。在工艺的最后，去除牺牲层13和22。
本发明不限于所示的实施例。特别是形成支撑部件5的桥接件和/或臂可以为任意数量，例如通过布置在支撑部件5上的导电层实现膜的电连接。

Claims (9)

1.一种热电磁辐射探测器，包括吸收膜，通过绝热支撑装置悬空固定在衬底的前面上，所述衬底包括至少两个电连接到所述膜的电连接端子，所述支撑装置包括至少一个支撑部件，布置在所述衬底与膜之间且由具有第一基底端、第二基底端和位于第一基底端和第二基底端之间的凸起区的桥接件形成，其特征在于：
所述支撑部件的第一基底端固定到第一导电柱的顶部，所述第一导电柱具有牢固地固定到所述电连接端子的基底，所述吸收膜的底面的基本平坦区直接与所述支撑部件的所述凸起区接触，且
所述支撑部件的第二基底端固定到第二柱的顶部。
2.根据权利要求1的探测器，其特征在于，所述第二柱导电，所述桥接件包括相互电绝缘的两个导电层，所述两个导电层将所述吸收膜分别电连接到所述第一导电柱和所述第二柱，所述第一导电柱和所述第二柱每个均具有牢固地固定到所述电连接端子的基底。
3.根据权利要求1的探测器，其特征在于，其包括两个支撑部件，每个支撑部件的桥接件包括将所述吸收膜连接到相应的所述第一导电柱的导电层。
4.根据权利要求2的探测器，其特征在于，所述吸收膜在其基本平坦的底面上包括至少两个布置得分别与所述两个导电层接触的扁平导体。
5.根据权利要求3的探测器，其特征在于，所述吸收膜在其基本平坦的底面上包括至少两个布置得分别与所述导电层接触的扁平导体。
6.根据权利要求4和5中的任一项的探测器，其特征在于，所述导体位于所述吸收膜的边缘上。
7.根据权利要求4和5中的任一项的探测器，其特征在于，所述导体越过所述吸收膜的整个宽度延伸。
8.根据权利要求1到5中的任一项的探测器，其特征在于，所述支撑部件的所述凸起区由平坦部分形成。
9.一种制造根据权利要求1到5中的任一项的探测器的方法，其特征在于包括如下步骤：
在包括至少两个电连接端子的所述衬底上沉积牺牲层，
蚀刻所述牺牲层以获得平行于所述衬底的底平坦区和顶平坦区，所述底平坦区覆盖所述电连接端子，
在所述牺牲层上沉积介质层和导电层，所述介质层和所述导电层用于形成所述支撑部件，
在所述牺牲层的所述底平坦区中及在所述支撑部件中蚀刻开口，所述开口分别开向所述电连接端子上，
在所述开口中沉积形成所述导电柱的导电层，并蚀刻形成所述导电柱的所述导电层，
蚀刻用于形成所述支撑部件的所述介质层和所述导电层，
在由所述牺牲层、所述支撑部件和所述导电柱形成的整个组件上沉积附加牺牲层，以形成具有形成所述支撑部件的所述导电层的公共平坦表面，
在所述公共平坦表面上沉积所述吸收膜，
去除所述牺牲层和所述附加牺牲层。
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