一種電極引線及微橋結(jié)構(gòu)中的電極引線的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 一種電極引線及微橋結(jié)構(gòu)中的電極引線的制備方法，用于紅外與太赫茲探測與成像技術(shù)，屬于電極引線及微橋結(jié)構(gòu)中的電極引線技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]自1800年英國物理學(xué)家赫胥爾發(fā)現(xiàn)了紅外線以后，由于紅外線具有能穿透黑夜、厚云和濃煙等進(jìn)行探測和成像的特殊本領(lǐng)，紅外探測就成為科研工作者的一個(gè)重要研究內(nèi)容。紅外探測器分為兩類:光子探測器和熱探測器。光子探測器具有很高的靈敏度，但是需要在體積和功耗都相對(duì)較大的制冷器協(xié)助下才能正常工作。而熱探測器可以在室溫下正常工作，與光子型紅外探測器相比，具有體積小、重量輕、價(jià)格低和操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，可用于軍事領(lǐng)域、公安消防、汽車夜視、防盜保安和醫(yī)學(xué)診斷等民用領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景和市場前景。
[0003]用于紅外成像的熱探測器仰賴于敏感材料吸收紅外輻射而產(chǎn)生的溫度變化，現(xiàn)場的溫度每變化TC導(dǎo)致探測器中大約0.0orc及以上的溫度變化，因此試圖使被吸收的輻射量最大化是重要的。敏感材料具有溫度相關(guān)的性質(zhì)，此種性質(zhì)允許溫度上的變化幅度能夠應(yīng)用電子學(xué)線路來探測、放大以及顯示。例如電阻式微測熱輻射計(jì)陣列，它可以利用某些材料中出現(xiàn)的電阻隨溫度的變化進(jìn)行信號(hào)探測。在所有各種熱探測器中，有利的是要最大程度地提高敏感材料因吸收紅外輻射而產(chǎn)生的溫升及電阻變化，但是熱量會(huì)從敏感材料或支撐材料帶走到底部連接部分，因而任何熱傳導(dǎo)機(jī)制都會(huì)減弱紅外熱成像器件的探測結(jié)果。這就導(dǎo)致了探測器的設(shè)計(jì)需要最大程度地實(shí)現(xiàn)敏感材料或支撐材料的熱絕緣。如果合理的設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)來減弱向底部的熱傳導(dǎo)非常重要。另外，對(duì)電信號(hào)的讀出要求實(shí)現(xiàn)敏感材料穩(wěn)定的物理連接，以實(shí)現(xiàn)溫度或電阻變化的有效傳遞。
[0004]紅外成像典型的情況涉及采用可能是鍺制作的透鏡來收集和聚焦輻射到位于光學(xué)系統(tǒng)焦平面上的敏感元件陣列。這些元件通常是微測熱輻射計(jì)，其特性參數(shù)(電阻)與溫度相關(guān)。這里涉及采用光刻方法在犧牲層上制作出敏感層圖案而最后刻蝕掉犧牲層留下一個(gè)獨(dú)立式的熱絕緣微橋結(jié)構(gòu)。為了充分利用物體的紅外輻射，通常在犧牲層底部增加一層反射結(jié)構(gòu)以提高敏感層對(duì)紅外輻射的吸收，通常認(rèn)為敏感層與反射層距離為入射紅外光線波長的1/4時(shí)形成的微腔效果最好。因此敏感層與底部反射層形成的空腔高度較高，這樣的高度不利于底部電極接口與頂部敏感層的連接。
[0005]美國Honeywell研究中心經(jīng)過多年研究后，在二十世紀(jì)90年代報(bào)道了他們開發(fā)出的多種型號(hào)的非致冷微測輻射熱計(jì)，其中噪聲等效溫差在8 - 12μπι波段達(dá)到
0.039 °C，可以實(shí)現(xiàn)中波和長波紅外成像(Wood, R.A., "High - performance InfraredThermal Imaging with monolithic silicon Focal planes operating at RoomTemperature", IEEE on IEDM, pp.175 - 177, 1993) 0該探測器的核心結(jié)構(gòu)就是具有高熱阻特性的薄膜微橋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)利用一種聚合物作為犧牲層材料，利用低應(yīng)力氮化硅薄膜作為結(jié)構(gòu)層，真空封裝后與襯底間的熱導(dǎo)為2*10_7W/K，具有很好的熱絕緣特性(Cole，B.Ε.，etc，"Monolithic two -dimens1nal arrays of micromachined microstructures forinfrared applicat1ns,,Proceedings of the IEEE, vol.86 (8), pp.1679 - 1686，1998) 0但Honeywell中心研制的微橋結(jié)構(gòu)沒有集成橋墩結(jié)構(gòu)，而是利用兩條傾斜的橋腿將橋面支撐在硅襯底之上，這種彎曲的橋腿容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成微橋結(jié)構(gòu)破損和器件成品率下降。類似的傾斜橋腿結(jié)構(gòu)的制備方法在文章也有報(bào)道(Butler N., etc, "LowCost Uncooled Microbolometer Imaging System for Dual Use〃，Proceedings of theSPIE, Vol.2552，pp.583 - 591，1995)。專利 ZL 200410061385.9 中采用聚酰亞胺作為犧牲層，首先用光刻工藝形成聚酰亞胺薄膜孤島和橋墩孔，然后采用金屬填充橋墩孔形成橋柱，接著覆蓋上復(fù)合薄膜層，而后刻蝕復(fù)合薄膜層形成橋面和橋腿并進(jìn)行氧等離子去除聚酰亞胺形成微橋結(jié)構(gòu)。此專利在微橋結(jié)構(gòu)中，橋柱層與上層互聯(lián)引線圖案一般分別形成，即先制備橋柱層金屬，光刻掩膜圖形，刻蝕形成橋柱圖案，去除光刻膠并清洗殘留物，然后制備上層互聯(lián)引線層金屬并重復(fù)上述過程形成互聯(lián)引線圖案。這樣自下而上的工藝過程為半導(dǎo)體制造中的常規(guī)工藝流程，但由于兩層金屬之間需要涂覆光刻膠并進(jìn)行一系列繁雜的刻蝕、去膠和清洗工藝，我們在工藝中發(fā)現(xiàn)，若下層金屬層表面的光刻膠去除不完全或在工藝中引入其他沾污，將極大地影響敏感層與襯底電路間的電學(xué)連通穩(wěn)定性和均勻性。
[0006]太赫茲(THz)波是指頻率介于0.1?1THz (波長3mm?30 μ m)的電磁福射。由于THz輻射具有瞬態(tài)性、寬帶性、低能性、穿透性等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使得THz成像技術(shù)在物體成像、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、射電天文、寬帶移動(dòng)通訊等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值?；谖蚪Y(jié)構(gòu)的紅外微測輻射熱計(jì)作為當(dāng)今非制冷熱成像的主流技術(shù)，在THz輻射源的照射下可以用于THz波段的探測與成像。根據(jù)1/4波長理論，以輻射頻率3THz為例，為充分吸收太赫茲輻射，非制冷紅外焦平面陣列的光學(xué)諧振器高度應(yīng)為25 μπι(入射輻射的1/4波長)，但這樣的諧振腔高度在器件的制備上難以實(shí)現(xiàn)。若不改變諧振腔高度，其膜系結(jié)構(gòu)對(duì)太赫茲輻射的吸收極低，使得信號(hào)檢測的難度較大。目前常用的解決方法是:保持非制冷紅外焦平面陣列微橋結(jié)構(gòu)的諧振腔高度不變，增加一層專門的太赫茲輻射吸收層在膜系結(jié)構(gòu)的頂層上，以實(shí)現(xiàn)太赫茲輻射的探測與成像。Alan W.M.Lee等報(bào)道了采用160X120非制冷紅外焦平面陣列進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)太赫茲波成像。敏感材料為位于微橋結(jié)構(gòu)上的氧化釩薄膜。他們提出，為提高信噪比和空間分辨率，需改進(jìn)焦平面陣列的設(shè)計(jì)，其中的主要工作是優(yōu)化太赫茲福射吸收材料(Alan ff.M.Lee, etc, “Real - time, continuous-wave terahertz imaging by use of a microbolometer focal - plane array，，，OpticsLetters, vol.30，pp.2563 - 2565，2005)。N.0da 等采用基于氧化釩熱敏薄膜的 320X240和640X480非制冷紅外焦平面陣列進(jìn)行太赫茲輻射的探測。由于原有膜系結(jié)構(gòu)對(duì)太赫茲輻射的吸收率僅為2.6?4%。因此，他們在微橋結(jié)構(gòu)的頂層增加一層具有適當(dāng)方塊電阻的金屬薄膜用作太赫茲輻射吸收層，將入射輻射頻率為3THz時(shí)的噪聲等效功率降至 40pW(N.0da, etc, “Detect1n of terahertz radiat1n from quantum cascadelaser using vanadium oxide microbolometer focal plane arrays”，Proceedingsof SPIE, vol.6940, pp.69402Y -1 - 69402Y - 12，2008)。將金屬薄膜用作微橋結(jié)構(gòu)中的太赫茲福射吸收層在文獻(xiàn)(L.Marchese, etc, “A microbolometer - based THzimager”，Proceedings of SPIE, vol.7671, pp.76710Z -1 - 76710Z - 8, 2010)中也有報(bào)道，通過優(yōu)化金屬吸收層的厚度可將太赫茲輻射吸收最大化。
[0007]綜上所述，微測輻射熱計(jì)在非制冷紅外與太赫茲探測與成像領(lǐng)域均具有重要的應(yīng)用，其探測單元主要基于微橋結(jié)構(gòu)。微橋底部電極接口與橋面敏感層通過橋腿上的金屬引線連接。部分中國文獻(xiàn)利用金屬填充橋墩孔形成橋柱，將敏感層通過橋柱與底層電路接口相連，可有效增強(qiáng)電學(xué)與力學(xué)連接穩(wěn)定性。然而，現(xiàn)有的微橋結(jié)構(gòu)中，橋柱層與上層互聯(lián)引線圖案一般分別形成，即先制備橋柱層金屬，光刻掩