一种高占空比绝热微桥结构及其实现方法.pdf

本发明公开了一种高占空比绝热微桥结构及其实现方法，该微桥结构将桥面和桥腿从功能上分离，桥面为吸收结构，桥腿为支撑结构、导电结构和绝热结构，桥腿和桥面的重叠接触部分为敏感结构，将桥腿置于桥面下方，在不提高桥面热质量的前提下，提高器件的占空比。并给出一种有效而简便的实现方法，可以制备大规模微桥阵列。

1.  一种红外探测器的高占空比绝热微桥结构，包括吸收层桥面(1)、功能敏感区(2)、桥腿(3)、互连柱(4)和读出电路衬底(5)五个基本部分，其特征在于：最上面一层包括两个粘连在一起的子层，最上表面的子层桥面为吸收层桥面(1)，吸收层桥面(1)下的子层为功能敏感区(2)，功能敏感区(2)面积不大于吸收层桥面(1)，功能敏感区(2)中包含功能敏感层(14)；第二层为桥腿(3)，桥腿(3)在吸收层桥面(1)的下方，其中包含电极(15)；第三层为读出电路衬底(5)。第二层的桥腿(3)与第一层的功能敏感区(2)相连，通过桥腿倾斜的部分支撑起第一层的吸收层桥面(1)和功能敏感区(2)，桥腿(3)中的电极(15)与功能敏感层(14)相连导通。第三层的读出电路衬底(5)通过互连柱(4)支撑起第二层的桥腿(3)，互连柱(4)与桥腿(3)中的电极(15)相连导通，将功能敏感层(14)的探测信号引入至读出电路。

2.  一种权利要求1所述的红外探测器的高占空比绝热微桥结构的实现方法，其特征在于：它包括以下步骤：
1)在微桥衬底(6)上淀积PECVD氮化硅薄膜作为增粘层(7)，增强与聚酰亚胺的粘附性；在增粘层(7)上旋涂聚酰亚胺，厚度为20μm，聚酰亚胺薄膜在400℃温度及氮气保护的环境下亚胺化1小时，作为牺牲层一(8)；在所述的牺牲层一(8)溅射氮化钛，厚度为20nm，作为吸收层一(9)；在所述的吸收层一(9)上淀积氮化硅，厚度250nm，作为吸收层二(10)，吸收层一(9)和吸收层二(10)复合薄膜为吸收层；在吸收层一(9)和吸收层二(10)上刻蚀出图形，形成吸收层桥面(1)；
2)在所述的吸收层二(10)上旋涂聚酰亚胺，厚度1.5μm，聚酰亚胺薄膜在400℃温度及氮气保护的环境下亚胺化1小时，作为牺牲层二(11)；采用氮化硅为掩膜，采用氧等离子体刻蚀开孔至吸收层桥面(1)上，然后去除氮化硅掩膜，形成功能区腔体(12)；淀积氮化硅，厚度为250nm，作为上支撑层(13)；在上支撑层(13)上溅射氧化钒作为功能敏感层(14)，并在功能区腔体(12)上对功能敏感层图形化；采用剥离工艺制备电极(15)；淀积氮化硅覆盖电极(15)，氮化硅厚度为250nm，作为下支撑层(16)；刻蚀上支撑层(13)和下支撑层(16)形成功能敏感区(2)和桥腿(3)，在桥腿(3)上刻蚀下支撑层(16)至电极(15)，形成微桥引线口(17)；
3)采用剥离工艺，在微桥引线口(17)上形成铬金复合薄膜图形，铬金厚度分别为20nm和100nm，作为互连粘附层一(18)；采用剥离工艺在互连粘附层一(17)上形成铟柱，作为互连柱一(19)，互连柱的高度为10微米；在读出电路电极(20)上制备互连粘附层二(22)和互连柱二(21)，然后将微桥衬底(6)翻转与读出电路衬底(5)对准互连，互连柱一(19)和互连柱二(21)连接形成互连柱(4)。
4)采用划片机，从微桥衬底(6)背面划释放槽(23)至牺牲层一(8)的中部，槽的宽度为80μm。采用氧等离子体将牺牲层一(8)和牺牲层二(11)同时灰化(分段刻蚀，控制衬底温度)，使微桥衬底(6)与吸收层桥面(1)分离，吸收层桥面(1)和桥腿(3)也分离。

一种高占空比绝热微桥结构及其实现方法
技术领域
本发明涉及探测器微细加工技术领域，具体指一种高占空比的红外探测器单元结构及其实现方法，它适用于非制冷焦平面器件，也适用于其它需要高占空比薄膜微桥结构的器件。
背景技术
非制冷焦平面本质上是一种“热”探测器，利用敏感元的“辐射热效应”进行红外探测，其核心是具有一定热累积能力和热敏效应的红外敏感元阵列。
在单元面积一定的情况下，敏感元桥面的面积越大，也即，占空比越高，敏感元接收的辐射也越多。为了提高占空比，一般采用双层结构，在CMOS读出电路上利用表面工艺制备敏感元桥面，其缺点在于桥腿和桥面在同一个平面上，桥腿的面积限制了占空比。论文[[1]Jerominek H，，Pope T D，Alain C.“Miniature VO2-based bolometric detectors for high-resolution uncooled FPAs.”Proc.SPIE4028，47-57，2000，[2]Lee H K，Yoon E S.“A high fill-factor bolometerusing micromachined multilevel electrothermal structures.”IEEE Trans on ED，46，1489-1491，1999]提出的三层结构将腿隐藏于桥面下方，进一步提高了占空比，其缺点在于制作过程十分复杂，薄膜应力平衡问题突出，互连失效率高。
发明内容
本发明提出一种三层结构，将桥面和桥腿从功能上分离，桥面为吸收结构，桥腿为支撑结构、导电结构和绝热结构，桥腿和桥面的重叠接触部分为敏感结构，将桥腿置于桥面下方，在不提高桥面热质量的前提下，提高器件的占空比，并给出一种有效而简便的实现方法，可以制备大规模微桥阵列。
本发明的结构描述如下：该结构共包括五个基本部分，分别为吸收层桥面、功能敏感区、桥腿、互连柱和读出电路衬底。这五个部分为三层具有垂直间隙的结构，最上面一层包括两个粘连在一起的子层，最上表面的子层桥面为吸收层，起吸收辐射的作用，吸收层下的子层为功能敏感区，功能敏感区面积不大于吸收层桥面，功能敏感区中包含功能敏感层，起敏感作用；第二层为桥腿，在桥面的下方，其中包含电极，起支撑和导电作用；第三层为读出电路衬底。第二层的桥腿与第一层的功能敏感区相连，并通过桥腿倾斜的部分支撑起第一层，桥腿中的电极与功能敏感层相连导通。第三层的读出电路通过互连柱支撑起第二层的桥腿，互连柱与桥腿中的电极相连导通，将功能敏感层的探测信号引入至读出电路。
其中第一层的桥面吸收层的形状、材料和尺寸不固定，可以是单层结构或多层复合薄膜结构，根据需要确定。功能敏感层形状不固定，面积不固定，但不大于吸收层，根据需要确定。敏感材料不固定，根据需要确定。
其中第二层的桥腿的形状、尺寸、材料和数量不固定，根据需要确定。
功能敏感层和桥腿可以采用自支撑结构，也可以采用支撑薄膜结构。对于自支撑结构，敏感层和桥腿为同一种材料，例如无定型硅。对于支持薄膜结构，敏感层为介质层/敏感材料层/介质层的三明治结构，桥腿为介质层/导电金属层/介质层的三明治结构，导电金属层与敏感材料层相连导通。
第一层和第二层的垂直间距不固定，根据具体应用确定，第二层和第三层的垂直间距不固定，根据具体应用确定。
首先，该结构的桥腿在桥面下面，桥腿不影响桥面的占空比。其次桥面和桥腿的功能分离，相互耦合强度小。桥面为吸收层，和桥腿不在同一平面上，单独确定器件的占空比，敏感功能区面积较小，因此桥面基本决定了热容C。桥腿起支撑和导电作用，和桥面的设计相对独立，根据需要自由选择材料和尺寸，单独决定热导G。器件的热响应时间，τ＝C/G，设计的自由度大大扩大。再次，该结构的第一层包含较大面积的吸收层桥面和较小面积的功能敏感区，与一般的双层结构以及[1][2]中的桥面的吸收层和敏感层重叠的多层复合结构相比，热容C相对较小，器件的热响应时间τ较小，器件响应更快。因此，该结构适合高密度小尺寸的大规模阵列。
本发明的结构实现方法描述如下：在微桥阵列的衬底上先生长一层牺牲层，在其上制备吸收层桥面，然后生长第二层牺牲层，在第二层牺牲层上开孔至吸收层桥面表面形成功能区腔体，淀积薄膜制备功能敏感区和桥腿，其中功能敏感区在功能区腔体中，桥腿在第二层牺牲层上，然后将微桥衬底倒转与读出电路衬底互连，最后去掉所有牺牲层，微桥衬底脱离吸收层桥面，吸收层桥面和桥腿也相互脱离。
其实现方法具体包括如下步骤：
(1)在微桥衬底上生长第一层牺牲层，在其上淀积薄膜，并形成图形，制备吸收层桥面。
(2)生长第二层牺牲层，在该牺牲层的上开孔至吸收层表面，淀积薄膜制备敏感区和微桥腿。开孔区域为桥腿和桥面的接触区域，在这个区域淀积敏感材料制作敏感区，微桥腿淀积在第二层牺牲层上。该步工艺与一般双层工艺相同，但是敏感区域在第二层牺牲层开出的孔中，而桥腿在第二层牺牲层上。
(3)将微桥衬底倒转，与读出电路衬底互连。
(4)去除所有牺牲层，使微桥衬底脱离吸收层桥面，吸收层桥面脱离桥腿。
对于步骤(1)中的衬底可以采用硅片和键合玻璃等，牺牲层可以采用聚酰亚胺等薄膜或者低温热氧化硅薄膜。
对于步骤(2)中牺牲层可以采用聚酰亚胺等薄膜或者低温氧化硅薄膜，其厚度视具体工艺过程确定。接触区域面积和形状不固定。
对于步骤(3)中的倒装互连，互连柱采用铟柱，互连柱的形状、高度无特殊限制，由具体工艺确定。
对于步骤(4)中去除牺牲层的方法可以是湿法或干法，根据采用的牺牲层材料定。
本发明的优点在于：
(1)该方法采用与一般双层桥面的工艺实现微桥的上两层结构，然后采用薄膜转移工艺通过铟柱将上两层结构架在读出电路衬底上，实现了高占空比的三层结构，避免了[1][2]提到的三层结构中，薄膜结构之间多次互连的可靠性问题，有利于提高成品率。
(2)该方法将现有成熟的双层工艺和薄膜转移工艺结合，无需对现有工艺进行大量调整，适用于各类大规模的混成式非制冷焦平面和类似的器件，有利于规模生产。
附图说明
图1微桥主体结构示意图，其中图1(a)为完整结构示意图，图1(b)为去掉图1(a)中吸收层桥面(1)后的示意图；
示意图中标记说明如下：1——吸收层桥面；2——功能敏感区；3--桥腿；4——互连柱；5——读出电路衬底；
图2实现过程示意图，其中：图2(a)，在微桥衬底(6)上淀积PECVD氮化硅薄膜作为增粘层(7)；图2(b)，在增粘层(7)上旋涂聚酰亚胺作为牺牲层一(8)；图2(c)，在牺牲层一(8)淀积氮化钛作为吸收层一(9)；图2(d)，在吸收层一(9)上淀积氮化硅，作为吸收层二(10)；图2(e)，在吸收层一(9)和吸收层二(10)上刻蚀出图形，形成吸收层桥面(1)；图2(f)，在吸收层桥面(1)上旋涂聚酰亚胺，作为牺牲层二(11)；图2(g)，在牺牲层二(11)上形成功能区腔体(12)；图2(h)，淀积氮化硅作为上支撑层(13)；图2(i)，在上支撑层(13)上淀积氧化钒作为功能敏感层(14)，并在功能区腔体(12)上对功能敏感层(14)图形化；图2(j)，制备电极(15)；图2(k)，淀积氮化硅，作为下支撑层(16)；图2(l)，刻蚀上支撑层(13)和下支撑层(16)形成功能敏感区(2)和桥腿(3)，在桥腿(3)上刻蚀下支撑层(16)至电极(15)，形成微桥引线口(17)；图2(m)，在微桥引线口(17)上形成铬金复合薄膜图形，作为互连粘附层一(18)；图2(n)，在互连粘附层一(18)上形成铟柱，作为互连柱一(19)；图2(o)，在读出电路衬底(5)的引线口上制备互连粘附层二(22)和互连柱二(21)；图2(p)，微桥衬底(6)和读出电路衬底(5)互连；图2(q)，从微桥阵列衬底背面划释放槽(23)；图2(r)，释放后的结构。
示意图中标记说明如下：6——微桥衬底；7——增粘层；8——牺牲层一；9——吸收层一；10——吸收层二；11——牺牲层二；12——功能区腔体；13——上支撑层；14——功能敏感层；15——电极；16——下支撑层；17——微桥引线口；18——连粘附层一；19-—互连柱一；20——读出电路电极；21——互连柱二；22——互连粘附层二；23——释放槽。
具体实施方式
实施例1
本实施方式以硅片为微桥衬底(6)，聚酰亚胺为牺牲层，氧化钒为敏感材料，采用铟柱互连。
下面为利用本发明薄膜转移的具体步骤：
1)如图2(a)所示，在微桥衬底(6)上淀积PECVD氮化硅薄膜作为增粘层(7)，增强与聚酰亚胺的粘附性。
如图2(b)所示，在增粘层(7)上旋涂聚酰亚胺，厚度为20μm，亚胺化(400℃，1小时，氮气保护)，作为牺牲层一(8)。
如图2(c)所示，在牺牲层一(8)溅射氮化钛，厚度为20nm，作为吸收层一(9)。
如图2(d)所示，在吸收层一(9)上淀积氮化硅，厚度250nm，作为吸收层二(10)，吸收层一(9)和吸收层二(10)复合薄膜为吸收层。
如图2(e)所示，在吸收层一(9)和吸收层二(10)上刻蚀出图形，形成吸收层桥面(1)。
2)如图2(f)所示，旋涂聚酰亚胺，厚度1.5μm，亚胺化(400℃，1小时，氮气保护)，作为牺牲层二(11)。
如图2(g)所示，采用氮化硅为掩膜，采用氧等离子体刻蚀开孔至吸收层上，然后去除氮化硅掩膜，形成功能区腔体(12)。
如图2(h)所示，淀积氮化硅，厚度为250nm，作为上支撑层(13)。
如图2(i)所示，在上支撑层(13)上淀积氧化钒作为功能敏感层(14)，并在功能区腔体(12)上对功能敏感层(14)图形化。
如图2(j)所示，采用剥离工艺制备电极(15)。
如图2(k)所示，淀积淀积氮化硅，厚度为250nm，作为下支撑层(16)。
如图2(l)所示，刻蚀上支撑层(13)和下支撑层(16)形成功能敏感区(2)和桥腿(3)，在桥腿(3)上刻蚀下支撑层(16)至电极(15)，形成微桥引线口(17)。
3)如图2(m)所示，采用剥离工艺，在引线口上形成铬金复合薄膜图形，铬金厚度分别为20nm和100nm，作为互连粘附层一(18)。
如图2(n)所示，采用剥离工艺在引线口上形成铟柱，作为互连柱一(19)，互连柱的高度为10微米。
如图2(o)所示，在读出电路衬底(5)的引线口上制备互连粘附层二(22)和互连柱二(21)。
如图2(p)所示，将微桥衬底(6)翻转，和读出电路衬底(5)对准，互连。互连柱一(19)和互连柱二(21)连接成互连柱(4)。
4)如图2(q)所示，采用划片机，从微桥阵列衬底背面划释放槽(23)至牺牲层一的中部，增大牺牲层的反应面积，缩短氧等离子体至反应物表面的扩散路径长度，释放槽(23)的宽度为80μm。
采用氧等离子体将牺牲层一和牺牲层二同时灰化(分段刻蚀，控制衬底温度)，使微桥衬底(6)与吸收层桥面(1)分离，同时吸收层桥面(1)和桥腿(2)也分离。释放后的结构如图2(r)所示。