基于mems的紅外輻射熱計的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于MEMS的紅外輻射熱計，包括橋面、導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂以及橋墩組件；橋面上布置有溫敏層；導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂有兩根，分別是第一導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂與第二導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂，第一導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂與第二導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂相對布置在橋面的兩側(cè)；橋墩組件包括第一橋墩與第二橋墩，第一橋墩與第二橋墩的底部分別設(shè)置有與溫敏層電連接的第一讀出電路連接點與第二讀出電路連接點；橋面與第一讀出電路連接點或第二讀出電路連接點所在平面之間的間隙大于第一橋墩或者第二橋墩的高度。本實用新型中橋墩的高度小于橋面的高度，可減小橋墩占用的面積，提高器件單元的有效面積，提高器件的性能。
【專利說明】基于MEMS的紅外輻射熱計
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及紅外輻射熱計，具體地說是一種基于MEMS的紅外輻射熱計。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外輻射熱計是一種探測物體發(fā)出的紅外輻射熱的探測器。一切高于絕對零度的物體具有發(fā)射輻射熱的特性，溫度越高，輻射出的總能量也越大，短波的成分也越多。常溫或常溫附近的物體自身發(fā)射的熱輻射的波長集中于遠紅外波段，無法被人眼識別，因此在無日光、星光、月光以及其他照明條件下，人眼對周邊的物體無法識別。但這些物體發(fā)出的紅外輻射熱電磁波能夠通過紅外探測器將輻射熱信號轉(zhuǎn)換成容易識別的電信號，再經(jīng)過處理以后達到人眼能夠識別的作用，這樣的探測器稱之為紅外輻射熱計。
[0003]其中的一種紅外輻射熱計能夠探測8-14微米的紅外輻射熱，這種探測器能夠探測大部分物體發(fā)出的輻射熱，可以用于夜視、探測火災(zāi)、過熱零件診斷、物體溫度量測、感應(yīng)人體溫度等等，在各行業(yè)有廣泛的用途。同時，大氣層對這個波長的輻射電磁波具有較少的吸收率，因此能夠感應(yīng)較長的距離，使得這一類型的探測器適用于雨、煙、霧、雪等惡劣的天氣。
[0004]紅外福射熱計具有多種形式，其中一種基于微機械電子系統(tǒng)技術(shù)(也稱為MEMS技術(shù))的紅外輻射熱計具有制造成本低、靈敏度高、并且能夠工作在常溫狀態(tài)等特性得到廣泛應(yīng)用。其基本的探熱單元是一種基于MEMS微橋結(jié)構(gòu)的單元，如圖1所示。整個單元大致為正方形，主要由橋面1，兩根導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂，以及支撐這個結(jié)構(gòu)并提供電氣連接的橋墩組件等三部分組成，兩根導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂分別是第一導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂3、第二導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂4，橋墩組件包括第一像元連接5、第二像元連接6，第一讀出電路連接點7、第二讀出電路連接點8，第一橋墩10、第二橋墩11。橋面I是一塊有一定厚度比較平的面，由能夠吸收紅外輻射熱的材料組成，如氮化硅多晶硅等。除此之外，橋面I的上方還覆蓋有一層溫敏層2，溫敏層2由溫敏材料如氧化釩等制成，此材料的特點為電阻特性合適，并且對溫度變化敏感，溫度的變化能夠?qū)е缕潆娮柚蛋l(fā)生較大的變化。整個結(jié)構(gòu)的等效電路就相當于一個可變電阻Rs0
[0005]這種微橋結(jié)構(gòu)單元的工作原理如圖2所示，當有紅外輻射熱9照射在橋面的時候，大部分的紅外輻射熱被橋面吸收，引起橋面升溫，從而導(dǎo)致覆蓋在橋面上面的溫敏材料的電阻發(fā)生變化，這個變化的電阻再由橋面下方的讀出電路轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號，然后進行后續(xù)處理。
[0006]為使輻射熱能被橋面最大程度地吸收，從而獲得最大的靈敏度，橋面下方通常會設(shè)計一個由鋁制成的反射層13，橋面I和反射層13之間存在一個間隙12。這個間隙12非常重要，合適的間隙能夠使得部分未被橋面吸收的紅外輻射熱經(jīng)過橋面下方的反射層13反射回橋面而被橋面再次吸收，增加了結(jié)構(gòu)的靈敏度。這個間隙12通常設(shè)計成入射輻射電磁波波長的I / 4。如對于紅外熱成像常用的8-14微米波長的輻射計，其間隙的高度通常設(shè)計成2-2.5微米。多個這樣的單元可以形成陣列，如320x240陣列、640x480陣列甚至更大的陣列等等，以實現(xiàn)視頻紅外圖像的輸出。整個微橋結(jié)構(gòu)單元的面積一般不超過45x45微米，最小的可以達到14x14微米，較小的單元尺寸能夠在單位面積上形成較大的陣列、實現(xiàn)更高的解析度，還有更低的制造成本。顯然，單元的尺寸大小對于成本來說至為關(guān)鍵。
[0007]為獲得這樣的結(jié)構(gòu)，尤其是需要的橋面和反射層之間的間隙，其制造工藝流程通常需要用到一種犧牲層。犧牲層的作用是在工藝的過程中對結(jié)構(gòu)進行支撐，而在工藝的最后進行去除，從而獲得需要的間隙。
[0008]常見的基于MEMS的紅外輻射熱計的制作工藝流程如圖3(a)?圖3(f)所示，具體描述如下:
[0009]圖3(a):器件的襯底。器件基于一定的襯底，這個襯底可以是多種形式，如含有讀出電路的圓片，或者單晶硅襯底等等。以硅襯底為例，其襯底為阻值合適的單晶硅圓片，在此基礎(chǔ)上，先用PECVD (等離子增強的化學(xué)氣相沉積)但不限于PECVD方法在單晶硅襯底21上沉積一層厚度為300人-5000人的氮化硅(SiNx)薄膜22。然后再沉積上一層金屬用于制作金屬連接。這層金屬可以但不限于Al，Ti / TiN，厚度為300人-12000人。緊接著采用光刻+金屬刻蝕的方法形成金屬連接圖形23。
[0010]圖3(b):犧牲層以及吸收層制作。先用涂覆或者生長一層犧牲層29，其厚度為2-2.5 μ m,這層犧牲層29的材料應(yīng)該為耐高溫材料，能夠承受后續(xù)的高溫工藝，如350°C的PECVD SiNx沉積工藝，材料可以為(但不限制為)聚酰亞胺(Polyimide)。然后在金屬連接圖形23上方光刻刻蝕，形成碗狀的第一橋墩模子24、第二橋墩模子25。緊接著在犧牲層29上沉積一層PECVD SiNx層，用作輻射計單元的輻射吸收層26，并在金屬連接圖形23上方開第一連接孔27、第二連接孔28，為之后的金屬連接做準備。
[0011]圖3(c):溫敏層的制作。緊接著，用PECVD、PVD或者其他相應(yīng)的方法沉積上一層溫敏材料并光刻刻蝕以形成所需要的圖形，形成溫敏層30。這層溫敏層30的材料可以是但不限于多晶娃、氧化I凡等等。
[0012]圖3(d):金屬連接層制作。器件上再沉積上一層金屬如Ti，NiCr合金等熱導(dǎo)系數(shù)比較小的材料。此金屬刻蝕以后形成的圖形為金屬連接層31，其起兩個作用，一個是連接橋墩和橋墩下方的金屬接觸圖形23，另外通過橋臂連接橋墩和導(dǎo)電溫敏層30。
[0013]圖3(e):器件上再沉積一層SiNx鈍化層32，起到保護器件的作用。
[0014]圖3(f):器件經(jīng)過適當?shù)那懈钜院筮M行釋放工藝，掏空全部的犧牲層29，工藝完成并等待封裝。
[0015]如上所示，在傳統(tǒng)的制造工藝設(shè)計中，其犧牲層29的厚度決定間隙。然而，這種工藝設(shè)計方案具有一些缺陷。第一，如果犧牲層29的厚度達到2.5微米時，在工藝上實現(xiàn)第一連接孔27與第二連接孔28的難度顯著增加，在碗口內(nèi)的光刻膠由于碗口效應(yīng)，厚度顯著增加，光刻工藝不容易控制，容易造成成品率低。再加上連接孔27、28位于碗口的底部，和位于碗口邊沿的光刻標記位置有一個2.5微米的高度差，在光刻工藝中容易造成由于光刻機曝光景深不夠造成的曝光圖形邊緣不清晰，從而容易導(dǎo)致連接孔失效，造成成品率低下。第二，為保證在橋墩上的電器連接性，犧牲層29的開孔需要做成碗口形狀，如圖4所示。其金屬連接層31通常采用物理氣相沉積(PVD)方法，其特點是金屬沉積過程是垂直向下的，如果犧牲層開口的側(cè)壁角度Θ較大，如接近90度，這樣在側(cè)壁沉積的金屬將非常少，導(dǎo)致側(cè)壁的導(dǎo)電性差，甚至?xí)斐刹粚?dǎo)電的情況。因此，犧牲層29的開口側(cè)壁通常會需要一個小于60度的角度以獲得良好的側(cè)壁導(dǎo)電性。這樣，犧牲層29開口的截面會是個倒梯形，上方的開口直徑d2會大于下方的開口直徑dl，其差別d2-dl可以表示為:
[0016]c^-dfSdcos ( Θ )
[0017]在d為2.5微米的情況下，d2-dl可以達到2.5微米。這樣導(dǎo)致橋墩的上表面需要較大的面積。由于橋墩主要起機械支撐和導(dǎo)電的作用，對器件單元的性能沒有任何幫助。橋墩占用的面積越大，則器件單元的有效面積越小，性能越差。較大的橋墩面積對于較大的器件單元如45x45微米的單元可以忽略，但對于較小的器件單元如14x14微米的單元則不可忽略，會顯著降低器件的有效面積，從而顯著降低器件的性能。
[0018]因此從以上兩個方面來說，如果能夠降低犧牲層的厚度，同時又能夠保持橋面和反射層之間需要的2-2.5微米的間隙對小器件單元時是非常重要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]本實用新型針對上述問題，提供一種基于MEMS的紅外輻射熱計，該紅外輻射熱計在制作時可以在使用較薄的犧牲層厚度的同時獲得足夠的橋面間隙。
[0020]本實用新型的技術(shù)方案為:一種基于MEMS的紅外輻射熱計，包括橋面、導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂以及橋墩組件；所述橋面上布置有溫敏層；所述導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂有兩根，分別是第一導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂與第二導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂，所述第一導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂與所述第二導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂相對布置在所述橋面的兩側(cè)；所述橋墩組件包括分別布置在所述第一導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂與所述第二導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂端部下方的第一橋墩與第二橋墩，所述第一橋墩與所述第二橋墩的底部分別設(shè)置有與所述溫敏層電連接的第一讀出電路連接點與第二讀出電路連接點；所述橋面與所述第一讀出電路連接點或所述第二讀出電路連接點所在平面之間的間隙大于所述第一橋墩或者所述第二橋墩的高度。
[0021]進一步地， 所述第一橋墩或者所述第二橋墩的高度為0.3-1.5微米，所述間隙為1-4微米。
[0022]進一步地，所述第一導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂與所述第二導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂分別為L形。
[0023]本實用新型的技術(shù)效果在于:本實用新型中的輻射熱計，其橋墩的高度小于橋面的聞度，可減小橋壤占用的面積，提聞器件單兀的有效面積，提聞器件的性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為基于MEMS的紅外輻射熱計的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2為紅外輻射熱計的工作原理圖。
[0026]圖3(a)~圖3(f)為紅外輻射熱計的工藝流程圖。
[0027]圖4為紅外輻射熱計金屬連接處的截面詳圖。
[0028]圖5 (a)、圖5(b)為本實用新型施加預(yù)應(yīng)力后的結(jié)構(gòu)形變示意圖。
[0029]圖6為有限元仿真結(jié)構(gòu)圖。
[0030]圖7為有限元仿真結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】作進一步的說明。[0032]圖1?圖7中，包括橋面1、溫敏層2、第一導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂3、第二導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂4、第一像元連接5、第二像元連接6,第一讀出電路連接點7、第二讀出電路連接點8,第一橋墩10、第二橋墩11、間隙12、反射層13、襯底21、氮化硅或者二氧化硅薄膜22、金屬連接圖形23、第一橋墩模子24、第二橋墩模子25、吸收層26、第一連接孔27、第二連接孔28、犧牲層29、金屬連接層31、鈍化層32等。
[0033]如圖1、圖5(b)、圖6及圖7所示，一種基于MEMS的紅外輻射熱計，包括橋面1、導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂以及橋墩組件。
[0034]橋面I上布置有溫敏層2。溫敏層2由溫敏材料如氧化釩等制成。
[0035]導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂有兩根，分別是第一導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂3與第二導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂4，第一導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂3與第二導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂4相對布置在橋面I的兩側(cè)。第一導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂3與第二導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂4分別為L形，當然也可以是“一”字形，甚至可以是繞來繞去的多個“一”字形組成的。
[0036]橋墩組件包括分別布置在第一導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂3與第二導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂4端部下方的第一橋墩10與第二橋墩11，第一橋墩10與第二橋墩11的底部分別設(shè)置有與溫敏層2電連接的第一讀出電路連接點7與第二讀出電路連接點8 ;第一橋墩10與第二橋墩11的頂部分別設(shè)置有第一像元連接5、第二像元連接6。
[0037]橋面I與第一讀出電路連接點7或第二讀出電路連接點8所在平面之間的間隙12大于第一橋墩10或者第二橋墩11的高度。第一橋墩10或者第二橋墩11的高度一般為
0.3-1.5微米，間隙12為1-4微米。
[0038]上述基于MEMS的紅外輻射熱計的制作方法，包括以下步驟:
[0039](a)器件的襯底:襯底可以是多種形式，如含有讀出電路的圓片，或者單晶硅襯底等等。以硅襯底為例，其襯底為阻值合適的單晶硅圓片，在此基礎(chǔ)上，先用PECVD但不限于PECVD方法在單晶硅襯底21上沉積一層厚度為300人-5000A的氮化硅(SiNx)薄膜22。然后再沉積上一層金屬用于制作金屬連接，這層金屬可以是但不限于Al，Ti / TiN，厚度為300人-12000人。接著采用光刻+金屬刻蝕的方法形成金屬連接圖形23 ；
[0040](b)犧牲層以及吸收層制作:在氮化硅或者二氧化硅薄膜22及金屬連接圖形23上涂覆或者生長一層犧牲層29，其厚度為0.5-1 μ m，這層犧牲層29的材料為耐高溫材料，能夠承受后續(xù)的高溫工藝，如350°C的PECVD SiNx沉積工藝，材料可以為(但不限制為)聚酰亞胺(Polyimide);然后在金屬連接圖形23上方光刻刻蝕,形成碗狀的第一橋墩模子24、第二橋墩模子25 ;緊接著在犧牲層29上沉積一層PECVD SiNx，用作輻射計單元的輻射吸收層26，并在金屬連接圖形23上方開第一連接孔27、第二連接孔28，為之后的金屬連接做準備；該吸收層26在工藝過程中施加一個負值的預(yù)應(yīng)力，例如-50?-500MPa。施加負值的預(yù)應(yīng)力的方法可以通過調(diào)整工藝過程中的工藝參數(shù)如工藝氣體種類、工藝氣體流量、腔室溫度、熱盤溫度、射頻電源功率、高低頻射頻電源的功率配比等等。以采用美國Novellus公司制造的型號為Concept One的PECVD薄膜沉積設(shè)備為例，該設(shè)備具有兩個射頻功率源，一個為13.56MHz高頻射頻電源，另外一個為90-450KHZ低頻射頻電源。一個產(chǎn)生_216MPa的功率菜單如下:
[0041]表I _216MPa工藝參數(shù)
[0042]
【權(quán)利要求】
1.一種基于MEMS的紅外輻射熱計，包括橋面(I)、導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂以及橋墩組件；所述橋面(I)上布置有溫敏層(2);所述導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂有兩根，分別是第一導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂(3)與第二導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂(4)，所述第一導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂(3)與所述第二導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂(4)相對布置在所述橋面(I)的兩側(cè)；所述橋墩組件包括分別布置在所述第一導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂(3)與所述第二導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂(4)端部下方的第一橋墩(10)與第二橋墩(11)，所述第一橋墩(10)與所述第二橋墩(11)的底部分別設(shè)置有與所述溫敏層(2)電連接的第一讀出電路連接點(7)與第二讀出電路連接點(8);其特征是:所述橋面(I)與所述第一讀出電路連接點(7)或所述第二讀出電路連接點(8)所在平面之間的間隙(12)大于所述第一橋墩(10)或者所述第二橋墩(11)的高度。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于MEMS的紅外輻射熱計，其特征是:所述第一橋墩(10)或者所述第二橋墩(11)的高度為0.3-1.5微米，所述間隙(12)為1-4微米。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的基于MEMS的紅外輻射熱計，其特征是:所述第一導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂⑶與所述第二導(dǎo)熱導(dǎo)電橋臂⑷分別為L形。
【文檔編號】G01J5/22GK203643027SQ201320850208
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月19日
【發(fā)明者】郭俊 申請人:無錫微奇科技有限公司