[发明专利]微细加工热辐射红外传感器

说明书

本发明是关于微细加工热辐射红外传感器，特别是关于采用低热导率，低残余应力，由硅电化学腐蚀形成却不改变硅体积，因而适合平面加工的多孔硅膜为传感器的机械支持膜，并用工业标准的CMOS电路技术制造的微细加工热辐射红外传感器。

微型热辐射红外传感器应用范围非常广泛，包括安全保卫夜视仪，辅助驾驶路面监察仪，防火警报仪，工业用幅射计，搜索和救助辅助设备，边界巡逻和汽车防撞辅助设备等。

近年来发展的微型热辐射红外传感器，采用集成电路技术和微细加工技术制造，具有体积小，功效高，产量大，成本低等优点。传感器可在室温下运行，革除了传统的热辐射红外传感器须要进行泠却的使用要求，因而范围广阔的民政和消费应用迅速扩展，显示出美好的前景。

微型热辐射红外传感器主要由热敏电阻器和热辐射红外吸收膜组成。一般说来，有两种途径可以提高传感器的灵敏度。一是选用高电阻温度系数的电阻材料和高吸收系数的红外吸收材料，使微小的温度变化能够产生较大的电阻变化。二是减小传感器机械支持膜与周围环境的热交流，使吸收的热红外辐射能的大部分能用来提高传感器的温度。后者主要采用将传感元悬挂于空气或真空中，以降低与周围环境热接触的方法来实现。

已有大量的文献报道，以硅为材料，采用微细加工技术，可以形成种类繁多的微结构。其中一种微结构称为微桥，即为一块悬空的矩形薄膜通过一根或多根悬空梁连接到硅衬底的框架上。这种微结构已用来建造各种微型热辐射红外传感器。微桥的热隔离性能由微桥的几何形状和建造材料的热导率决定。用来建造微桥的常用材料为硅片上形成的二氧化硅膜或氮化硅膜。

更有不少文献报道，这种热辐射红外传感器与处理传感器转换的电信号的集成电路制造在同一硅衬底上，构成所谓的单片集成的传感器。

一类热辐射红外传感器，利用热氧化形成的二氧化硅膜作为机械支持结构的建造材料。热生长二氧化硅的残余应力高达200MPa，由于应力限制，可以形成的热生长二氧化硅膜的厚度仅为2μm。二氧化硅膜过厚造成的后果，一是，总应力随之增加，使膜破裂脱落；二是，热阻随之增大，电路的散热性能变差。因此集成电路中常用的热生长二氧化硅膜厚约为1μm。而用1μm厚的二氧化硅膜形成热辐射红外传感器的机械支持结构，由于过于脆弱，在制造过程中必须采取复杂的保护措施，否则很难保证足够的产品成品率。

另一类辐射红外传感器的机械支持结构由氮化硅膜形成。低压化学气相沉积(LPCVD)的氮化硅，其残余应力都比氧化硅高。只有当氮化硅中的硅含量比较高的情况下，其残余应力才能有比较大的降低，但其厚度目前仍未能超过2μm的限制。用氮化硅为机械支持结构，除了机械强度低以外，还存在其它问题，主要是：

一  氮化硅是沉积到硅衬底上去的，而不像热氧化硅是从硅里生长出来的，因此氮化硅膜光刻腐蚀后形成的图形都会产生一定高度的台阶。氮化硅膜增厚，虽然机械强度增加，但台阶也随着抬高。集成电路制造用的是平面加工技术，硅衬底表面存在过高的台阶对平面加工是很不利的。

二  氮化硅的热导率比二氧化硅高，用氮化硅膜作热隔离结构的建造材料并不很理想。

如上述，以热氧化硅和富硅含量的氮化硅为机械支持结构材料的共同存在的问题之一，是支持结构机械强度低。除此之外，还有一个共同存在的问题，是能否成功执行“先电路后微机械”的制造方针。“先电路后微机械”是发展集成传感器和集成微机电系统努力追求的制造方针。这一方针得以贯彻，有利于充分利用集成电路工业的丰富资源，避免制造设施的重复投资，加速集成传感器和集成微机电系统的发展速度。由于热氧化硅和富硅氮化硅都要在比较高的温度下形成，而集成电路的金属铝布线经受不了这么高的温度，因此不能先作好集成电路，再形成氧化硅或氮化硅膜，即不能执行“先电路后微机械”的制造方针。

为了解决上述热辐射红外传感器存在的问题，本发明提出一种新的热辐射红外传感器，该传感器具有如下特征：

本发明的热辐射红外传感器的特征之一，是传感器的机械支持结构由硅片自身形成，机械支持结构形成后，硅片的体积不改变，不增加硅片表面的高度，不在硅片表面产生台阶，不给硅片集成电路平面加工造成困难。

本发明的热辐射红外传感器的特征之二，是建造传感器机械支持结构的薄膜具有极低的残余应力，膜厚不受应力限制，因而可以形成比较厚的膜，使建造的机械支持结构具有比较高的机械强度。

本发明的热辐射红外传感器的特征之三，是传感器的机械支持结构在比较低的温度下形成，在这个温度下集成电路不受损坏，特别是集成电路的铝布线不受损坏，可以顺利执行“先集成电路后微机械”的制造方针。