CN1865923A - 基于闪耀光栅和热堆探测器的微型集成光栅光谱仪及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于闪耀光栅和热堆探测器的微型集成光栅光谱仪及制作方法，其特征在于由盖板、热堆阵列芯片和光栅芯片按顺序集成组合而成；其中盖板包括一个两面腐蚀的通光孔和下表面的浅槽；热堆阵列芯片的支撑框架支撑整个膜结构；热堆位于介质薄膜上面，引线柱位于支撑框架上，热堆阵列芯片上的通光孔与盖板上的通光孔相对应；光栅芯片上的闪耀光栅是采用特定晶向腐蚀出来的，将特定波长的红外光的最大功率正好反射在热堆的热端薄膜表面。依所述结构采用MEMS工艺制作三块芯片，再采用点胶机点胶键合，或利用粘合剂光刻对准键合，或直接进行Si－Si、Si－玻璃对准键合。具有体积微小、结构稳定、重复性好、成本低廉等优点。

Description

基于闪耀光栅和热堆探测器的微型集成光栅光谱仪及制作方法

技术领域

本发明涉及一种基于闪耀光栅和热堆探测器的微型集成光栅光谱仪及其制作方法，属于光栅光谱仪领域。

背景技术

传感器的微型化趋势使多个传感器或相关结构的集成化成为可能。随着制造和生产技术向规模化水平发展，国际上已有将多个传感器集成以完成复杂功能的报道。IBM苏黎士研究中心将多个气体传感器集成实现非标识性生化智能识别和人工电子鼻系统。ETH苏黎士大学则采用与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术相兼容的MEMS(微机电系统)技术将质量、热量、电容、温度等四个传感器与处理电路进行单片集成，实现智能化气体传感器。但这些传感器往往都面临着结构设计复杂、工艺兼容性差、信息处理困难等一系列问题。

微型光栅光谱仪是目前受到人们注意的一种器件。采用MEMS技术集成红外传感器的光栅光谱仪将具有微型化、集成化、使用方便灵活、性能价格比高等特点，其应用领域可以涵盖遥感遥测、矿藏勘探、气体检测、成分分析、环境监控等航天、地质、化学、生物、医药和冶金领域等，具有重要的经济价值和社会价值。

传统的光栅光谱仪包括入射狭缝、准直透镜、分光光栅、聚焦透镜和探测器等多个分立部件。具有光路长(可长达数米)，分辨率高(可达纳米量级)，分析准确的优点，但结构复杂、体积庞大、价格昂贵，大大限制了其应用范围。而在一些场合，光谱仪并不需要太高的分辨率，小体积、轻重量、低价格以及便于携带是其迫切要求。为了达到这一目的，人们采用了一些方法使光谱仪微小型化。如Datskos Panagiotis George等采用平面波导将凹面光栅和热电探测器相集成，研制了一体化的微型光谱仪。其中的凹面光栅采用反应离子刻蚀(RIE)或深反应离子刻蚀(DRIE)技术制作，光刻、加工精度要求极高，否则就会导致光栅质量不高，耦合效率、分光质量都受到影响，而且其中的波导加工难度较大，制造成本仍很昂贵。

D.P Poenar于1999年提出采用MEMS技术制作光栅和探测器，将两者完全集成实现光谱仪的设想。在对可能的光谱仪结构和性能进行较为深入分析的基础上，Poenar指出：采用微电子技术制作的集成光谱仪完全可以针对某些化学物质提供简单、快速、廉价、方便的测试、鉴别和分析。2001年S.H.Kong等首次采用MEMS技术首次将黑白衍射光栅和热电堆探测器集成制作了一体化光栅光谱仪。在他们的研究中，利用两块硅片分别制作了黑白光栅和热电堆探测器，然后将两块硅片进行了Si-Si对准、键合，实现了一体化封装，在微电子兼容的工艺内完成了微型光栅光谱仪的制作。虽然这一设计尽最大可能利用了MEMS技术，但其设计中还是存在着一些问题。由于其结构采用的是黑白光栅，单元衍射因子与单元间干涉因子主极强重叠，零级主极强占总光能的绝大部分，而零级主极强是没有分光能力的，因此，大部分的入射光都浪费了，这对器件的性能有极大的影响。

发明内容

本发明目的在于利用MEMS技术，提出一种基于闪耀光栅和热堆探测器的微型集成光栅光谱仪及制作方法。其优点是：体积微小、结构稳定、重复性好、成本低廉等，在现代科学实验、生物研究、医学及医药研究、工农业生产、国防、天文预测等领域都有广泛的应用前景。

本发明的光栅光谱仪的工作原理如下：入射光经过光学窗口进入光谱仪，垂直入射到闪耀光栅，经闪耀光栅分光，衍射在红外探测器上，从而将不同波长的光探测出来。

依图1(b)所示、本发明所制作的微型集成光栅光谱仪通过将盖板、热堆陈列芯片和光栅芯片按照顺序集成组合在一起从而形成特定功能的器件。入射光经过盖板1的通光孔4进入光谱仪，由盖板1上的通光孔4和热堆芯片2上的通光孔8形成的狭缝限制入射光的角度在一个较小范围；入射光被闪耀光栅9分光之后，到达热堆芯片2，热堆芯片2与光栅芯片3之间的相对位置需要经过精心设计，从而保证只有某种或者某几种特定波长的红外光反射到达热堆探测器，产生电压信号，经放大读出。

所述的盖板1包括一个两面腐蚀出的通光孔4和浅槽6，从而达到限制光路，屏蔽干扰的目的。为了避免杂散光的影响，在其上表面溅射有高反射率金属膜，如Au、Ag或Al等。这样保证了热堆5所接收到的只有从背面入射的经过分光后的准单色光。盖板1下表面的浅槽6，是为了避免盖板1与热堆5的接触，形成电短路或热短路。盖板1尺寸比热堆芯片2尺寸略小，使得热堆芯片2上的引线柱11可以露在外面，方便制作金引线，实现电互联；盖板上的通光孔位置可安放柱面微透镜或衍射微透镜。

所述的热堆芯片2上的介质薄膜7是为了实现热隔离，减小热堆5上的热能与周围环境的热交换而设计；热堆5位于介质薄膜7上面；支撑框架12则同时起到支撑整个膜结构以及控制闪耀光栅9与热堆5之间的光程的作用；高反射率金属膜13位于介质薄膜7上，减小了从通光孔4入射的全波段光源对薄膜温度的影响，提高了器件的抗干扰能力；热堆芯片2上的通光孔8与盖板1上的通光孔4相对应控制入射光入射角度；热堆5作为红外探测器，其结构完全位于介质薄膜上，其引线柱11则位于支撑框架上，方便制作金引线，将探测信号引出。介质薄膜7为氧化硅、氮化硅或它们两者组合构成。

所述的闪耀光栅9是按本发明人提出的“一种基于{100}晶面硅锭制作的红外闪耀光栅结构及方法”专利(ZL200410025197.0，2004.6.16)制作的，具体地说，采用特定晶向硅片制作，其结构须同时兼顾制作难度和功能进行设计，与热堆5的水平距离和垂直距离相互对应，从而可以将特定波长的红外光的最大功率正好反射在热堆5热端的薄膜表面上，为提高反射率，其表面溅射有金反射膜10。红外探测器表面可涂黑以提高红外吸收率。

本发明所制作的微型集成光栅光谱仪，热堆芯片2上的热堆5可以根据应用所需要的信道数，制作单个或者数百个。其位置由光栅分光得到的所需波长的位置决定。应先期计算光栅的分光距离，将热堆(5)置于特定的位置，以接受特定波长的辐射光能，其中还要考虑热堆间的距离，以减小各信道间的信号串扰。

本发明所制作的微型集成光栅光谱仪，三块芯片在分别制作完成后，先采用圆片级封装方式封装，之后划片成一个个的器件，再进行器件级的封装。两级封装方式的采用，既很有利于提高对准精度，从而保证产品质量，又可以保护易受损的薄膜部分，提高成品率。在圆片级封装中，可以采用点胶机点胶对准键合，或者采用光刻型BCB胶光刻对准键合，以保证设计中的关键尺寸的精度。

本发明的具体工艺步骤为：

a.盖板制作

采用一次或多次双面对准光刻及KOH或四甲基氢氧化铵各向异性腐蚀液腐蚀，得到一个穿通孔以及一个浅槽，光刻对准标记留作后续圆片级封装时的对准标记；

b.热堆芯片制作

1)硅片表面化学气相沉积二氧化硅和氮化硅以及多晶硅，并在多晶硅中注入硼离子，以形成P型多晶硅材料；

2)利用多晶硅表面的二氧化硅作掩膜，光刻后腐蚀出多晶硅的图样，作为热偶对的一部分；

3)氧化保护多晶硅层，并刻蚀出引线孔；

4)采用剥离工艺制作钛铂金的金属膜，形成热堆结构以及反射膜部分；

5)合金化；

6)保护正面已经成型的结构，光刻以及刻蚀背面的氧化硅、氮化硅或他们组合形成的薄膜，形成图样；

7)利用背面的氮化硅图样作为掩膜，KOH或四甲基氢氧化铵各向异性腐蚀液腐蚀体硅材料，直至完全去除，从而释放薄膜，形成薄膜及支撑结构；

c.光栅芯片制作

1)根据设计的要求定制特殊晶向单面或双面抛光的硅片；

2)光刻，利用KOH各向异性腐蚀出光滑的凹槽作为光栅；

3)利用多次氧化技术将凹槽间的连接部削尖；

4)溅射得到高反射率的金膜，增加效率；

d.圆片级封装

1)将上述已制备的芯片依次排列，利用点胶机编程点胶；或者依次在盖板下表面及光栅芯片上表面旋涂光刻型BCB胶，并光刻显影；

2)移到光刻机上，利用盖板制作工艺中留下的对准标记进行对准，并夹持；

3)送入键合炉加热固化键合；

e.划片

将键合好的圆片逐一划开，器件分离之后，沿此槽扳断，取出多余部分，露出引线柱，以便制作金引线。

f.器件级封装

将单个的器件一一安装在标准管壳中，固定，并打金引线将信号引到管脚上。气密封装。

本发明所制作的微型集成光栅光谱仪通过利用闪耀光栅实现红外光的高效率分光，红外热堆探测器完成不同波长红外光的检测，利用微电子工艺将两者集成，实现光谱仪特性。制作的光谱仪具有体积微小、结构稳定、重复性好、成本低等特点，在航天、地质、化学、生物、医药和冶金等领域都具有重要的经济和社会价值。

附图说明

图1是系统的原理图和装配结构图。

图1(a)是系统原理图，入射光经过盖板和薄膜上的开孔后，被光栅衍射反射，最终到达热堆，从而被吸收，输出电信号。

图1(b)是三块芯片的装配图，其按照图中顺序安装，相对位置由事先计算而得，并由硅片上的对准标记辅助实现。

图2是器件各组成部分的示意图。其中包括盖板1，热堆芯片2和光栅芯片3三个部分。

图2(a)是盖板1的组成结构，主要由通光孔4和浅槽6构成。

图2(b)是热堆芯片2的组成结构图，其主要包括热堆5、薄膜7、通光孔8、支撑框架12、反射膜13、多晶硅条14、金线15和引线柱11组成。

图2c是光栅芯片3的组成结构图，其主要包括闪耀光栅9和反射膜10。

图3是增加了折射型微透镜的盖板示意图，其上表面用光刻胶热熔回流法刻蚀制作了一个折射型柱面微透镜16，用于对入射光进行会聚。

具体实施方式

依图1b所示的本发明提供的微型集成光栅光谱仪的结构进行盖板1、热堆芯片2和光栅芯片3的制作，而后组装而成。

(A)盖板的制作

1)取<100>双抛硅片，氧化形成2000nm二氧化硅层。

2)正面涂胶光刻显影烘干，反面涂胶对准光刻显影烘干。

3)常温BOE腐蚀25分钟，清洗去胶。

4)50℃KOH腐蚀25小时，至通光孔完全贯通。

5)在正面溅射沉积钛20nm、铂100nm和金200nm，以提高反射率。

(B)热堆芯片的制作

1)取用N型<100>晶向双抛硅片，采用标准清洗程序清洁表面，去除有机、无机及金属污染物。在硅片的两个表面用LPCVD(低压气相化学沉积)按顺序依次沉积250nm二氧化硅、150nm氮化硅以及3500nm多晶硅。

2)多晶硅中注入能量50kev剂量9E15的硼离子，形成P型多晶硅材料，40分钟干氧退火，使注入离子再分布的同时，生长一层约160nm的氧化层并消除应力。

3)光刻后BOE腐蚀120秒，得到二氧化硅图案作为掩膜，去胶后50℃KOH溶液腐蚀20分钟，制作出多晶硅条，作为热偶对的一部分。BOE腐蚀液配比为HF∶NH₄F∶DI＝3ml∶6ml∶9ml，DI为去离子水。

4)取出剩余的二氧化硅，热氧化350nm的氧化层作为绝缘层保护多晶硅层。

5)光刻并用BOE腐蚀280秒，得到引线孔，并去胶。

6)光刻形成厚胶图形，离子束溅射依次沉积钛20nm、铂100nm和金200nm，丙酮浸泡4个小时，超声去除光刻胶以及其上面的金属膜，无水乙醇替换丙酮，去离子水冲洗。最终形成热堆结构以及反射膜部分。

7)氮气保护炉400℃合金化30分钟，形成合金以减小电阻。

8)背面光刻，正面涂胶保护已经成型的结构，离子束刻蚀15分钟背面的氮化硅薄膜，打开腐蚀窗口。

9)利用背面的氮化硅图样作为掩膜，20％TMAH溶液80℃腐蚀23个小时，从背面完全去除体硅材料，从而释放薄膜，形成薄膜及支撑结构。

(C)光栅芯片的制作

1)制备表面为特殊晶面的硅片，如以偏离硅<111>晶面29.49°的<113>晶面做为表面，双面抛光。

2)将硅片氧化350nm，在其正面涂胶光刻，背面涂胶保护，常温BOE腐蚀表面二氧化硅300秒，并去除光刻胶。

3)利用KOH溶液各向异性腐蚀特性，腐蚀30分钟后，得到若干条沿两个<111>晶面自动停止腐蚀形成的三角型凹槽，即为闪耀光栅；BOE腐蚀400秒去除剩余的二氧化硅层。

4)重新氧化800nm厚度的二氧化硅层，并BOE腐蚀10分钟去尽氧化层。

5)重复上述4)步骤二到三次，直至光栅的相邻两个凹槽之间的连接处由平面变为尖顶。

6)在硅片有光栅的表面溅射沉积钛20nm、铂100nm和金200nm，以提高反射率。

(D)封装

1)已制备的光栅芯片上表面依次旋涂增粘剂AP3000和光刻型BCB胶10μm，并光刻显影，去除闪耀光栅上的胶层，80℃烘胶5分钟。

2)将光栅芯片和热堆阵列芯片依次排列移到光刻机上，利用IC工艺中留下的对准标记进行对准，并夹持。

3)送入键合炉加热至250℃固化键合0.5小时。

4)在盖板芯片下表面依次旋涂增粘剂AP3000和光刻型BCB胶5μm，并光刻显影，去除闪耀光栅上的胶层，80℃烘胶5分钟。

5)将已经部分键合的光栅-热堆芯片组和盖板依次排列，放入光刻机对准并夹持。

6)送入键合炉加热至250℃固化键合1小时。

7)将键合好的芯片组贴蓝膜，切片。

8)将划分出来的单个的芯片点胶粘贴于标准管壳中，150℃烘胶50分钟，冷却后加盖。

Claims (10)

1、一种基于闪耀光栅和热堆探测器的微型集成光栅光谱仪，其特征在于由盖板(1)、热堆阵列芯片(2)和光栅芯片(3)按顺序集成组合而成；其中盖板(1)包括一个两面腐蚀的通光孔(4)和下表面的浅槽(6)；热堆阵列芯片(2)的支撑框架(12)支撑整个膜结构；热堆(5)位于介质薄膜(7)上面，引线柱(11)位于支撑框架(12)上，热堆阵列芯片上的通光孔(8)与盖板(1)上的通光孔(4)相对应；光栅芯片(3)上的闪耀光栅(9)是采用特定晶向腐蚀出来的，将特定波长的红外光的最大功率正好反射在热堆(5)的热端薄膜表面。

2、按权利要求1所述的基于闪耀光栅和热堆探测器的微型集成光栅光谱仪，其特征在于盖板表面溅射有高反射率金属膜。

3、按权利要求2所述的基于闪耀光栅和热堆探测器的微型集成光栅光谱仪，其特征在于所述的高反射率金属膜为Au、Ag或Al。

4、按权利要求1所述的基于闪耀光栅和热堆探测器的微型集成光栅光谱仪，其特征在于盖板的尺寸略小于热堆阵列芯片，热堆阵列芯片上的引线柱(11)暴露在外面，通过引线，实现电互联。

5、按权利要求1所述的基于闪耀光栅和热堆探测器的微型集成光栅光谱仪，其特征在于所述的介质薄膜为氧化硅、氮化硅或它们两者的组合。

6、按权利要求1所述的基于闪耀光栅和热堆探测器的微型集成光栅光谱仪，其特征在于盖板上通光孔位置安放柱面微透镜或衍射微透镜。

7、按权利要求1所述的基于闪耀光栅和热堆探测器的微型集成光栅光谱仪，其特征在于热堆为单个或多至数百个，其位置由光栅分光得到的所需波长位置决定。

8、按权利要求7所述的基于闪耀光栅和热堆探测器的微型集成光栅光谱仪，其特征在于热堆个数由应用时所需的信道数而定。

9、按权利要求1所述的基于闪耀光栅和热堆探测器的微型集成光栅光谱仪，其特征在于光栅芯片表面溅射有金反射膜。

10、制作如权利要求1所述的基于闪耀光栅和热堆探测器的微型集成光栅光谱仪的方法，其特征在于先制作出如权利要求1所述的采用MEMS工艺制作出来的三块芯片，采用点胶机点胶键合，或者利用粘合剂光刻对准键合，或者直接进行Si-Si、Si-玻璃对准键合，具体工艺步骤为：

a.盖板制作

采用一次或多次双面对准光刻及KOH或四甲基氢氧化铵各向异性腐蚀液腐蚀，得到一个穿通孔以及一个浅槽，光刻对准标记留作后续圆片级封装时的对准标记；

b.热堆芯片制作

1)硅片表面化学气相沉积二氧化硅和氮化硅以及多晶硅，并在多晶硅中注入硼离子，以形成P型多晶硅材料；

2)利用多晶硅表面的二氧化硅作掩膜，光刻后腐蚀出多晶硅的图样，作为热偶对的一部分；

3)氧化保护多晶硅层，并刻蚀出引线孔；

4)采用剥离工艺制作钛铂金的金属膜，形成热堆结构以及反射膜部分；

5)合金化；

6)保护正面已经成型的结构，光刻以及刻蚀背面的氧化硅、氮化硅或他们组合形成的薄膜，形成图样；

7)利用背面的氮化硅图样作为掩膜，KOH或四甲基氢氧化铵各向异性腐蚀液腐蚀体硅材料，直至完全去除，从而释放薄膜，形成薄膜及支撑结构；

c.光栅芯片制作

1)根据设计的要求定制特殊晶向单面或双面抛光的硅片；

2)光刻，利用KOH各向异性腐蚀出光滑的凹槽作为光栅；

3)利用多次氧化技术将凹槽间的连接部削尖；

4)溅射得到高反射率的金膜，增加效率；

d.圆片级封装

1)将上述已制备的芯片依次排列，利用点胶机编程点胶；或者依次在盖板下表面及光栅芯片上表面旋涂光刻型BCB胶，并光刻显影；

2)移到光刻机上，利用盖板制作工艺中留下的对准标记进行对准，并夹持；

3)送入键合炉加热固化键合；

e.划片

将键合好的圆片逐一划开，器件分离之后，沿此槽扳断，取出多余部分，露出引线柱，以便制作金引线。

f.器件级封装

将单个的器件一一安装在标准管壳中，固定，并打金引线将信号引到管脚上。气密封装。

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