CN1994861B - 一种全光学微机械非致冷红外热成像芯片结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全光学微机械非致冷红外热成像芯片的结构及制作方法，所述的非制冷红外热成像芯片是由框架、弯折梁、可动微镜和长条形开口组成，其中，框架与中间悬浮的可动微镜构成像素元的冷结区和热结区；弯折梁连接框架和可动微镜；弯折梁由作为结构的主要支撑材料的非金属层、上金属层和下金属层组成，上金属层与非金属层构成双材料层使梁发生偏转，下金属层调节热导；长条形开口是在可动微镜上刻蚀的腐蚀窗口。利用〔100〕单晶硅各向异性腐蚀特性采用与(100)方向平行的开口通过正面腐蚀实现光机械敏感元结构。由于芯片采用光学读出，不需要复杂的读出电路和致冷设备，具有价格低、体积小、功耗小等优势，特别适合制作佩戴式热成像系统。

Description

一种全光学微机械非致冷红外热成像芯片结构及制作方法 

技术领域

本发明涉及一种高成品率的光机械非致冷红外成像芯片的结构及其制作方法，特别适用于大阵列红外探测器的制造。本发明属于红外探测器领域。 

背景技术

近年来，红外探测器在公共安全、医学诊断、环境监测、安全系统、天文研究、辅助驾驶以及芯片的实时热检测等方面的应用日益受人关注。随着应用的日益普及，对红外探测系统的微型、灵敏、精巧、隐秘与高可靠也要求日益强烈。与传统的光量子型探测器件相比，非制冷型红外技术采用目前日臻成熟的MEMS技术，利片光-热转化探测红外光，由于不需要制冷机和扫描机构，降低了整机的重量、复杂性、功耗、成本，是红外技术低成本、小型化的主流发展方向。传统的非致冷红外热成像系统采用电学读出方式。光-机械型红外探测器是通过把入射红外光转化成热，由两种材料组成的梁由于双金属片效应会弯曲，使得微镜的角度发生偏转，打到微镜上的可见光的反射角度会发生变化，从而实现对红外信号的探测。同传统的电学读出热成像系统相比，由于不需要复杂的读出电路，采用光学读出的非致冷红外成像系统在价格、体积、重量、功耗等方面更有优势，适合制作佩戴式热成像系统。 

目前，采用光学读出的非致冷红外热成像系统按照光学读出方式的不同可分为：光栅衍射型、法布里-泊罗干涉型等。2002年，加州大学伯克利分校的Majumdar等人在《Optomechanical Uncooled Infrared Imaging System：Design，Microfabrication，and Performance》一文中提出了一种光栅衍射型的微机械红外焦平面阵列，该器件基于光栅衍射的原理，将红外附着直接转化为可见光，但是为了实现光学读出，需要针孔板，增加了系统的复杂性并降低了可见光图像显示的分辨率。2004年，中科院上海微系统与信息技术研究所的冯飞在博士论文《微机械法布里-泊罗干涉型光学读出非致冷热成像技术研究》中提出了法布里-泊罗干涉型光学读出非致冷热成像技术，利用法布里-泊罗干涉原理将红外光引起的微镜的平动位移直接转化为可见光信号，但是由于采用背面刻蚀释放工艺，需要正反两面对准曝光，刻蚀时间长，工艺难度大，与CMOS工艺兼容性差，制作成本较高。

渐变弯折梁和等长弯折梁是由非金属层、非金属层、非金属层与下金属层的双层结构和非金属层和下金属层及上金属三层结构中两种或三种组成。(见图2)；或支微镜(3)为双层结构为非金属层和其下面一层薄金属层；框架为硅和硅上的三层结构。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种高成品率的全光学微机械非致冷红外热成像芯片的结构及制作方法。通过采用SiN、SiO、Au、Al等材料中的两种或数种组合，利用〔100〕单晶硅各向异性腐蚀特性采用与(100)方向平行的开口通过正面腐蚀实现光机械敏感元结构，具有占空比大、腐蚀时间短，成品率高、成本低、与CMOS兼容性好、适合阵列化等特点。 

本发明之微机械热电堆红外探测器是在{100}晶向硅片上制作的，其结构如附图1所示，包括框架1，弯折梁2，可动微镜3，长条形开口4，等4部分。其中，框架1与中间悬浮的可动微镜3构成像素元的冷结区和热结区，弯折梁起到连接框架1和可动微镜3的目的。弯折梁2包括非金属层，上金属层和下金属层，可以工作在扭转或平动状态。考虑到热-机械灵敏度的优化和与CMOS工艺兼容，一般选择一种非金属材料和一种金属材料，其中，非金属层选择SiNx或者SiO₂，上金属层和下金属层一般选择Au或者Al。非金属层是结构的主要支撑材料。上金属层的作用是与非金属层构成 双材料层使梁发生偏转，从而带动可动微镜3的扭转或平动。下金属层是调节热导的金属层，可以改变微镜的温度响应和时间常数。图1(a)-(d)中是渐变扭转梁的情况，其中(b)-(d)分别添加了不同长度的下金属层以调节热导实现频率和灵敏度的选择。图1(e)是渐变平动梁的情况，其弯折梁也同样可以按照(b)-(d)添加下金属层。图1(f)-(g)是采用等长弯折梁2和双三角微镜的大占空比情况。框架1为硅或硅上的多层结构，多层结构系指硅上的氧化层、薄的金属层等；可以是两层、三层或更多层组成，弯折梁为渐变弯折梁或等长弯折梁；它由非金属层、非金属层与上金属层的双层结构和非金属层、下金属层和上金属三层结构中两种或三种构成。弯折梁发生层偏转有下列7种中任意一种，它们是弯折梁发生偏转结构为基本扭动结构、高频扭动结构、优化扭动结构、高灵敏扭动结构、渐变平动结构，大占空比扭动结构或大占空比平动结构。所述的可动微镜为非金属层和其下面的薄金属层组成的双层结构；长条形开口4是在可动微镜3上刻蚀的腐蚀窗口，其沿<100>方向，是利用{100}面单晶硅各向异性腐蚀的特性来设计的。腐蚀后将形成以开口为对角线，沿<110>晶向的正方形底面棱台形坑，如附图2所示。通过适当的设计，可以得到很快的释放速度。图3为本发明的长条形开口设计(a)及中间腐蚀情况(b)。 

本发明所述的非致冷红外热成像芯片是利用(100〕单晶硅各向异性腐蚀特性，采用与(100)方向平行的开口，通过正面腐蚀实现光机械敏感结构 

本发明的制作方法如图4所示，具体如下： 

a)在单面抛光的(100)单晶硅上涂上光刻胶，烘干后光刻出下金属层图形； 

b)溅射一薄层的金属； 

c)去掉光刻胶和其上附着的金属，形成下金属层结构； 

d)在硅片和下金属层的结构上用PECVD的方法生长非金属层，然后将结构合金化； 

e)上光刻胶，光刻； 

f)用Ion-beam将微镜和梁的形状打出来，之后把残余的光刻胶去掉； 

g)溅射过渡层和薄层金属，合金化； 

h)光刻出电镀的模板； 

i)带胶电镀上金属层，电镀完之后将光刻胶去掉； 

j)用Ion-beam刻蚀将辅助电镀的金属刻蚀掉； 

k)使用如四甲基氢氧化铵或氢氧化钾的各向异性腐蚀液进行腐蚀，使弯折梁和微镜完全释放，采用超临界干燥的方法去掉残留的腐蚀液，得到未封装的芯片。 

本发明的优点如下： 

1、采用正面腐蚀释放像素元的方法，可以短时间内迅速释放大面积器件结构，提高成品率，降低生产成本； 

2、采用上下金属层结构可以灵活条件器件的性能指标； 

3、制作工艺与现有CMOS工艺兼容。由于器件中所需要的薄膜材料都是在常规IC工艺材料范围内，而且采用了不同于以往的体硅正面腐蚀释放结构层工艺，器件整体工艺与CMOS兼容，成本更低； 

4、整体结构设计使得红外吸收区面积占空比大，有利于器件性能提高； 

5、采用全光学系统，不用复杂的读出电路，可以直接用眼睛观察到红外图像，使得器件在价格低、体积小、重量轻、功耗小等方面有很大的优势，适合于佩戴式非致冷红外热成像系统的制作。 

附图说明

图1为本发明之CMOS兼容正面腐蚀的光-机械非致冷红外热成像芯片像素元结构的设计示意图。(a)为基本扭动结构，(b)为高频扭动结构，(c)为优化扭动结构，(d)为高灵敏扭动结构，(e)为基本渐变平动结构，(f)为大占空比扭动结构，(g)为大占空比平动结构。 

图2为沿<100>方向的长条形开口设计(a)及其腐蚀结果示意图(b)。 

图3为本发明的长条形开口设计(a)以及中间腐蚀情况(b)。 

图4为本发明之CMOS兼容正面腐蚀的光-机械非致冷红外热成像芯片结构制作过程。(a)下金属层的光刻，(b)下金属层溅射，(c)剥离，(d)PECVD，(e)像素元形状的光刻，(f)Ion-beam，刻蚀出像素元的形状，(g)金属溅射，(h)上层金属的光刻，(i)带胶电镀，(j)Ion-beam，将多余的金属去掉，(k)正面腐蚀，释放像素元结构。

图中1为框架，框架为硅和硅上的三层结构；2为弯折梁，其中网格部分为非金属层5，白色部分为非金属层5与下金属层7的双层结构，横线部分为三层结构，为非金属层5和下金属层7以及上金属层6；3可动微镜，系双层结构，为非金属层及其下面的一层薄金属层；4为长条形开口。 

具体实施方式

本实施例结构参见图1(a)，其制作工艺如下： 

1.在单面抛光的(100)单晶硅上涂上1μm厚的正性光刻胶，烘干后光刻出第1层Al的图形，即要留下Au的地方去掉光刻胶，要去掉Au的地方留下光刻胶。(图4(a)) 

2.先溅射800 

的Au，再溅射200 

的Cr。然后再将其合金化。溅射Cr的目的是增加Au和非金属层的附着，防止腐蚀时Au的脱落。(图4(b)) 

3.将光刻胶去掉，同时也将光刻胶上面附着的金属去掉，即剥离技术。形成了最下面一层Au的结构。(图4(c)) 

4.在硅片和第一层Au的结构上用PECVD的方法生长1μm厚的SiNx，做为微镜和梁结构的主要支撑。(图4(d)) 

5.涂上光刻胶，光刻出Ion-beam的掩膜，即将微镜和梁的部分上面的光刻胶保留，其余地方的光刻胶去掉。(图4(e)) 

6.用Ion-beam将微镜和梁的形状打出来，之后把残余的光刻胶去掉，为后面的工艺做准备。(图4(f)) 

7.先溅射500 

的Cr，再溅射500 的Au。然后再将其合金化，以增加Au层的附着能力，防止腐蚀时Au的脱落(图4(g))。溅射这一层Au是为后面的电镀工艺提供电学连接。 

8.涂2μm的光刻胶(烘干后的厚度)，光刻出电镀的模板。(图4(h)) 

9.带胶电镀9000

的Au。(图4(i))电镀完之后将光刻胶去掉，为下一步的Ion-beam做准备。 

10.用Ion-beam刻蚀将500

的Au和500的Cr去掉。(图4(j)) 

11.使用各向异性腐蚀液，如四甲基氢氧化铵(TMAH)或氢氧化钾(KOH)进行腐蚀，到弯折梁和微镜完全释放。(图4(k)) 

12.采用超临界干燥的方法去掉残留的腐蚀液，防止一般清洗液的表面张力对膜结构的破坏，得到如发明内容所述的未封装图1(a)所示的芯片结构。 

图中其他结构，采用类似于本实施例的方法，均可方便地获得。 

Claims (8)

1.一种全光学微机械非致冷红外热成像芯片结构，其特征在于：所述的非制冷红外热成像芯片是由框架(1)、弯折梁(2)、可动微镜(3)和与<100>晶向平行的长条形开口(4)组成，其中，

(a)框架(1)与中间悬浮的可动微镜(3)构成像素元的冷结区和热结区；

(b)弯折梁(2)连接框架(1)和可动微镜(3)；

(c)弯折梁(2)由非金属层、上金属层和下金属层组成，非金属层作为结构的主要支撑材料，上金属层与非金属层构成双材料层使梁发生偏转，下金属层调节热导；

(d)与<100>晶向平行的长条形开口(4)是在可动微镜(3)上刻蚀的腐蚀窗口；

(e)所述芯片结构制作材料是<100>单晶硅。

2.按权利要求1所述的全光学微机械非致冷红外热成像芯片结构，其特征在于框架(1)为硅或硅上的多层结构。

3.按权利要求1所述的全光学微机械非致冷红外热成像芯片结构，其特征在于非金属层选择SiNx或者SiO₂，上金属层和下金属层选择Au或者Al。

4.按权利要求1所述的全光学微机械非致冷红外热成像芯片结构，其特征在于弯折梁(2)为渐变弯折梁或等长弯折梁。

5.按权利要求1所述的全光学微机械非致冷红外热成像芯片结构，其特征在于上金属层与非金属层构成双材料层，使梁发生偏转，带动可动微镜(3)的扭动或平动。

6.权利要求1所述的全光学微机械非致冷红外热成像芯片结构，其特征在于可动微镜为非金属层和其下面的薄金属层组成的双层结构。

7.权利要求1所述的全光学微机械非致冷红外热成像芯片结构，其特征在于与<100>晶向平行的长条形开口(4)腐蚀后形成以开口为对角线，沿<110>晶向的正方形底面棱台形坑。

8.制备如权利要求1、2、3、4、5、6和7中任意一项所述的全光学微机械非致冷红外热成像芯片结构的方法，其特征在于制作步骤是：

a)在单面抛光的(100)单晶硅上涂上光刻胶，烘干后光刻出下金属层图形；

b)溅射一薄层的金属；

c)去掉光刻胶和其上附着的金属，形成下金属层结构；

d)在硅片和下金属层的结构上用PECVD的方法生长非金属层，然后将结构合金化；

e)上光刻胶，光刻；

f)用Ion-beam将微镜和梁的形状打出来，之后把残余的光刻胶去掉；

g)溅射过渡层和薄层金属，合金化；

h)光刻出电镀的模板；

i)带胶电镀上金属层，电镀完之后将光刻胶去掉；

j)用Ion-beam刻蚀将辅助电镀的金属刻蚀掉；

k)使用四甲基氢氧化铵或氢氧化钾的各向异性腐蚀液进行腐蚀，使弯折梁和微镜完全释放，采用超临界干燥的方法去掉残留的腐蚀液，得到未封装的芯片。

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