[发明专利]一种具有缓和坡度的牺牲层结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微机电系统和红外热成像技术领域，具体涉及一种具有缓和坡度的牺牲层结构的制备方法。

背景技术

自1800年英国物理学家赫胥尔发现了红外线以后，由于红外线具有能穿透黑夜、厚云和浓烟等进行探测和成像的特殊本领，红外探测就成为科研工作者的一个重要研究内容。红外探测器分为两类：光子探测器和热探测器。光子探测器具有很高的灵敏度，但是需要在体积和功耗都相对较大的制冷器协助下才能正常工作。而热探测器可以在室温下正常工作，与光子型红外探测器相比，具有体积小、重量轻、价格低和操作简单等很多优点，可用于军事领域、公安消防、汽车夜视、防盗保安和医学诊断等民用领域，具有广泛的应用前景和市场前景。

用于红外成像的热探测器仰赖于敏感材料吸收红外辐射而产生的温度变化，现场的温度每变化1℃导致探测器中大约0.001℃及以上的温度变化，因此试图使被吸收的辐射量最大化是重要的。敏感材料具有温度相关的性质，此种性质允许温度上的变化幅度能够应用电子学线路来探测、放大以及显示。例如电阻式微测热辐射计阵列，它可以利用某些材料中出现的电阻随温度的变化进行信号探测。

在所有各种热探测器中，有利的是要最大程度地提高敏感材料因吸收红外辐射而产生的温升及电阻变化，但是热量会从敏感材料或支撑材料带走到底部连接部分，因而任何热传导机制都会减弱红外热成像器件的探测结果。这就导致了探测器的设计需要最大程度地实现敏感材料或支撑材料的热绝缘。如何合理的设计微结构来减弱向底部的热传导非常重要，通常红外热探测器的敏感单元与衬底是隔离的，即敏感单元处于悬空状态。另外对电信号读出与微结构机械刚性的要求包括敏感材料需要实现稳定的物理连接，以实现温度或电阻变化的有效传递。因为在器件微结构设计上即要支撑部分有保证较好的刚性又要尽量减小支撑部分的体积来减弱敏感信号的热传导。

部分红外热成像的微桥结构中采用异向性的湿法刻蚀加工方法进行硅V形槽结构的制备(Shie，Chen，etc，Journal of Microelectromechanical System，Vol.15，No.4，1996)，这种设计的加工过程可能比期望的要复杂。类似的结构在文献(Lavrik N.，etc.″Uncooled MEMS IR Imagers with Optical Readout and ImageProcessing″，Proceedings of the SPIE，Vol.6542，pp.65421E，2007)中也有报道，他们采用硅衬底刻蚀形成支撑桥腿，然后覆盖二氧化硅作为牺牲层，覆盖后进行化学机械抛光露出桥腿图案，进而沉积支撑材料和敏感材料，刻蚀后进行二氧化硅作牺牲层的湿法释放以形成桥结构。美国Honeywell公司在1995年申请的专利中(US005450053)也提到了这种将衬底硅材料腐蚀出V形槽的方法。这些做法且不利于底部集成CMOS驱动电路的制作，不利于后续各功能层的制备工艺兼容，并且不利于提高热辐射计敏感单元的占空比，因而在高密度的非致冷红外微测热辐射计中很少采用湿法刻蚀硅凹槽的结构。

另一种有效的方法采用两个或多个微细的桥腿来支撑敏感层及其他功能层，这种结构的制作过程中，需要首先制备一层牺牲层材料，然后制作后续的各个功能图形，最后将该牺牲层去除掉，使得敏感层薄膜与衬底隔离，只用微细的桥腿与衬底相连。

美国Honeywell研究中心经过多年研究最早进行非制冷红外探测器件的相关研究，在Honwywell公司1993年申请的专利(USOO5260225A)中提到了采用多晶硅作为敏感材料制作探测器，其中选用的牺牲层材料为CVD方法制作的氧化物，最后用刻蚀剂去除掉牺牲层。这种方法首先制备牺牲层薄膜复杂，再者牺牲层图形化需要进行光刻、刻蚀、去胶等步骤，这需要投入较多设备和相关材料，工艺流程复杂，最后使用湿法溶剂去除掉牺牲层容易导致微桥结构的塌陷，进而单元性能失效。与之类似的是日本NEC在专利US9339220B1中采用多晶硅作为牺牲层，用锰复合物或钒复合物作为敏感材料制作探测器，最后用湿法腐蚀去掉该牺牲层，这种方式同样存在如前所述的不足。

Honeywell公司另一个基于氧化钒敏感薄膜的微桥制备设计专利(US005286976A)中提到了采用光敏玻璃作为牺牲层材料，没有说明该层的详细制作方法和效果。