专利名称：一种非制冷红外探测器塔式桥墩及其制作方法
技术领域：
本发明专利涉及MEMS器件设计和制造领域，具体为ー种非制冷红外探測器塔式桥墩结构和制造方法。
背景技术：
非制冷红外探测器(Uncooled infrared detector)广泛应用于军事、汽车、安防、生物医学、电力、航空、警用、森林防火和物联网等领域。近年来，非致冷红外探測器技术获得了重要突破并实现商业量产化。它不仅解决了制冷红外探測器要求低温(-77K)冷却的工作条件，还实现同读出电路的大規模或超大規模集成。这种技术适合采用大規模集成电路制造技术批量生产，使红外探測器成本低廉化，从而使红外热像仪的应用从传统的军用领域逐渐推广到民用领域。它响应速率高，具有极低的噪声水平，它工作时无需斩波器辅助，便于大規模生产。工作时，在热敏电阻两端施加固定的偏置电压或电流源，入射红外辐射引起的温度变化使得热敏材料电阻值发生改变，从而使电流、电压发生改变，并由读出电路(ROIC)读出电信号的变化，并把电信号转换为图形信号进行成像。同时，非制冷红外探测器的加工属于微机电系统(MEMS:Micro-electromechanical Systems)领域，是一种基于微电子技术和微加工技术的一种高新技术领域。MEMS技术可将机械构件、驱动部件、电控系统、数字处理系统等集成为ー个整体的微型单元。MEMS器件具有微小、智能、可执行、可集成、エ艺兼容性好、成本低等诸多优点。但是，在MEMS器件的制造エ艺中，涉及到复杂的三维结构，需要使用牺牲层来制作微结构，如微型桥、悬臂梁、悬臂块和质量块等，在制作微结构中，一定包含固定支撑结构即锚点(Anchor，在本专利中，称为桥墩)。非制冷红外探測器实现了和读出电路的集成，随着技术路线的发展和技术革新，非制冷红外探测器的像元(Pixel)大小从50 iim — 35iim — 25iim — 17iim — 14iim及以下尺寸发展。但由于非制冷红外探測器是属于MEMS技术领域，有些特殊结构，如支撑结构的桥墩(Anchor)，就不能按照像元尺寸等比例进行缩小。所以本发明方法，就是针对非制冷红外探測器关键的支撑结构桥墩(Anchor)进行优化和创新，可适用于像元(Pixel)尺寸为25 u m, 17 u m, 14 u m及以下尺寸的结构和制造エ艺之中，并降低エ艺制造的难度,确保像元尺寸缩小时，桥墩结构缩小且仍保持原有的稳固性和可靠性，并改进和解决尺寸縮小所引入的新的问题。现有技术:在牺牲层(厚度为2.0 2.5μm)上蚀刻支撑孔，支撑孔为直孔(各向异性蚀刻)或一定傾斜度(如50 70° )的倾斜孔，可使用Lift-offエ艺进行T1、TiN1、NiCr等金属填充，然后完成后面的支撑层、热敏层、介质层、电极层和钝化层等一系列エ艺。在介质层エ艺完成后，需要在支撑孔位置处光刻和蚀刻通孔(VIA)，通孔必须制作在支撑孔(Post HoIe)底部的中间，不可蚀刻到桥墩(Anchor)的侧壁。否则，桥墩侧壁被蚀刻，破坏了桥墩的支撑作用，后面无法进行完整的电极布线，电极金属薄膜在此位置处的台阶覆盖差或不可覆盖；由于要求通孔必须制作在支撑孔底部的中间，要求设计时保留一定的对位容差，如支撑孔(Post Hole)底部比通孔直径大1.0 μ m。如果通孔要求是2.0 μ m，支撑孔的高度为2.0 μ m,倾角为60° ,考虑支撑孔内壁的介质厚度为0.3 0.5 μ m。那么,支撑孔上部桥墩宽度在6.0 μ m左右甚至更大。随着像元尺寸的縮小，为了保持支撑结构的稳定性，可靠性，以及保持通孔的大小不变才能保证良好的电接触。所以，桥墩(Anchor)大小不能按像元尺寸縮小的比例进行減少，这样就必然占用像元的有效面积，导致器件的填充系数偏低，影响器件的性能。且传统的方法，一般还需要在VIA孔后进行铝(Al)填充或溅射厚的电极金属，填充エ艺复杂，厚金属热导大；另外，如果桥墩(Anchor)縮小，通孔的大小保持不变，那么对位容差就小，会増加通孔层的制造难度等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种全新的塔式桥墩(Anchor)结构和制造方法:本桥墩(Anchor)结构可以解决非制冷红外探测器的像元按比例缩小时，桥墩的大小不能按比例进行缩小的问题；解决桥墩处通孔对位出现偏差，像元失效的问题；解决像元尺寸缩小时，通孔也要相应缩小而导致接触电阻不良或失效增多的问题；解决支撑孔内需要做金属填充的エ艺问题去改善接触电阻；解决蚀刻厚的牺牲层，桥墩处支撑孔形貌和和线宽重复性差，均匀性差的问题，形貌不易控制的问题；且本结构由于使用了 Ti或NiCr做为结构的凹型支撑结构，在蚀刻Post Hole2和通孔时，起到了自然终止层的作用。解决像元尺寸进ー步缩小(如17 u m及以下)，桥墩如果不能比例縮小，像元填充系数低，导致器件性能差，无法做大面阵和高性能器件的问题；解决原有结构因高台阶和支撑孔(深度>2.0μ m)导致侧壁电极金属薄膜台阶覆盖差的问题，从而导致接触电阻大和器件噪声大的问题。本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种非制冷红外探測器塔式桥墩的制造方法，包括以下步骤:(1)电路(1)上旋涂聚酰亚胺牺牲层(3)，退火后的厚度为l.0μ m;(2)在牺牲层(3)上涂覆光刻胶，所述光刻胶的分辨率小于0.5pm ;随后以O2作为主蚀刻气体，CF4, CHF3, N2, Ar作为辅助蚀刻气体，进行各向异性蚀刻，蚀刻成直孔的支撑孔(4-1)。然后进行湿法去胶，并对圆片进行甩干处理；(3)在蚀刻支撑孔(4-1)的圆片上溅射Ti或NiCr金属(4)，金属厚度为50 200nm ;涂覆光刻胶，光刻胶的分辨率要求小于0.5 μ m，然后进行光刻，光刻后使用干法蚀刻 Ti，NiCr ;(5)重复上述エ艺步骤，完成聚酰亚胺牺牲层(5)、支撑孔(6-1)和第二层Ti或NiCr金属层(6),金属厚度50 200nm ；(6)沉积ー层厚度为1000 ~ 2000人低应カ的氮化娃薄膜，形成支撑层(7);(7)在支撑层(7)上沉积热敏薄膜500 ~ 2000A,然后使用光刻和蚀刻的方法完成热敏层(8)的图形；(8)在热敏层(8)上沉积ー层介质层(9)，所述介质层(9)为低应力的氮化硅薄膜，厚度为 500 ~ 1000A;(9)通过光刻和蚀刻掉热敏层(8)上面的介质层(9)得到接触孔(11)，通过光刻和蚀刻支撑孔内金属层(6)上面的支撑层和介质层得到通孔；
(10)在完成通孔(10)和接触孔(11)后，在圆片上进行电极金属的溅射沉积，溅射沉积电极金属前，需进行圆片的反溅，然后溅射得到高质量的电极金属(12)。在整个圆片表面上沉积ー层钝化层(13)，进行钝化层(13)的光刻和蚀刻エ艺，使每个像元分开，并对ASIC电路的Pad钝化块开孔，使金属铝Pad钝化块露出来；(11)然后进行最后的结构释放。本发明的有益效果是:该结构首先能保证非制冷红外探測器桥墩结构的稳定性和可靠性；在像元尺寸缩小时，桥墩的面积也按像元尺寸进行等比例縮小，缩小桥墩面积，可以增加像元的填充系数，提高探測器的性能；此结构虽然缩小了桥墩的面积，但仍可以保持甚至适当増加通孔(VIA)的尺寸，并增加通孔(VIA)的对位容差，降低了エ艺制造难度；在不增加金属(Al)填充和Lift-offエ艺的基础上，在通孔处进行了金属填充和整个侧壁处的金属填充，并使Ti，NiCr金属薄膜和氮化硅薄膜一起作为桥墩的支撑层，加固了支撑层的可靠性和稳定性，并做为通孔蚀刻时的自然阻挡层，改善接触电阻；由于塔式结构是分两次进行牺牲层的光刻和蚀刻完成的，虽然增加了一次エ艺步骤，但可以把支撑孔(PostHole)的形貌和线宽(Critical Dimension)控制得更好,使设计的塔式(凹式)结构和最终成型的结构完全一致，重复性和均匀性好。此新型结构，可应用到17ym及以下尺寸的非制冷红外探测器中，还可应用于其他测辐射热仪(Bolometer)的单层结构和双层结构中。并且此结构的应用范围包含但不限于非制冷红外探測器中，也包含在其他测辐射热仪中，如THz(Terahertz)测福射热仪中。在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。进ー步，所述金属层(4)和金属层(6)的金属为Ti或NiCr，厚度为50 200nm。在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。进ー步，所述支撑层(7)为氮化硅薄膜，在氮化硅沉积前先沉积ー层ニ氧化硅缓冲层薄膜，厚度为300 500 A;所述氮化硅薄膜为低应力薄膜(0±50Mpa)。在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。进ー步，所述介质层(9)为低应力氮化硅薄膜，厚度为:500 1000A。在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。进ー步，所述电极金属(12)可以为Ti，NiCr, Cr或V中的ー种或几种，厚度为400- 1000 A,,在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。进ー步，所述钝化层(13)为氮化硅，厚度为500 I 000 A。
图1为本发明步骤(I)示意图；图2为本发明步骤(4)示意图；图3为本发明步骤(5)示意图；图4为本发明步骤(7)示意图；图5为本发明步骤(9)中示意图；图6为本发明步骤(9)中示意图7为本发明步骤(10)示意图；图8为本发明步骤(11)示意图；图9为本发明步骤(11)中VIA孔有偏移的示意图；附图中，各标号所代表的部件列表如下:UASIC电路，2、电极块，3、聚酰亚胺牺牲层，4、金属层，4-1、支撑孔，5、聚酰亚胺牺牲层，6、金属层，6-1、支撑孔，7、支撑层，8、热敏层，9、介质层，10、通孔，11、接触孔，12、电极金属，13、钝化层。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。如图1至9所示，(I)电路(I)上旋涂聚酰亚胺牺牲层(3)，退火后的厚度为
1.0 u m ；(2)在牺牲层(3)上涂覆光刻胶，所述光刻胶的分辨率小于0.5pm ;随后以O2做为主蚀刻气体，CF4, CHF3, N2, Ar做为辅助蚀刻气体，进行各向异性蚀刻，蚀刻成直孔的支撑孔(4-1)。然后进行湿法去胶，并对圆片进行甩干处理；(3)在蚀刻支撑孔(4-1)的圆片`上溅射Ti或NiCr金属(4)，金属厚度为50 200nm ；(4)涂覆光刻胶，光刻胶的分辨率要求小于0.5 y m，然后进行光刻，光刻后使用干法蚀刻Ti, NiCr ；(5)重复上述エ艺步骤，完成聚酰亚胺牺牲层(5)、支撑孔(6-1)和第二层Ti或NiCr金属层(6),金属厚度50 200nm ；(6)沉积ー层低应力的氮化硅薄膜，所述氮化硅薄膜的厚度为1000 ~ 2000A，形成支撑层(7);(7)在支撑层(7)上沉积热敏薄I〗 ->00 ~ 2000A，然后光刻和蚀刻的方法完成热敏层(8)的图形；(8)热敏层(8)片上沉积ー层介质层(9)，所述介质层(9)的厚度为ヽ00 ~ IOOOA,所述介质层(9)为低应力的氮化硅薄膜；(9)通过光刻和蚀刻掉热敏层(8)上面的介质层(9)得到接触孔(11);光刻和蚀刻掉支撑孔内金属层(6)上面的支撑层，介质层，得到通孔(10);在通孔(10)和接触孔(11)的所在的圆片上，进行电极金属的溅射沉积；溅射沉积电极金属前，需进行圆片的反溅，并把通孔(10)内Ti或NiCr表面层的氧化物反溅掉，露出清洁无污染的金属层(6)，得到电极金属(12)。(10)在整个圆片表面上沉积ー层钝化层(13)，进行钝化层(13)的光刻和蚀刻エ艺，使每个像元分开，并对ASIC电路的Pad钝化块开孔，使金属铝Pad钝化块露出来。(11)然后进行最后的结构释放。一种非制冷红外探測器塔式桥墩，包括ASIC电路，所述ASIC电路上设置有聚酰亚胺牺牲层(3 )和电极块(2 )，聚酰亚胺牺牲层(3 )上有蚀刻支撑孔(4-1);蚀刻支撑孔(4-1)所在的圆片上有溅射金属层(4)；牺牲层(3)上设置有聚酰亚胺牺牲层(5)，聚酰亚胺牺牲层(5)上有蚀刻支撑孔(6-1);蚀刻支撑孔(6-1)所在的圆片上有溅射金属层(6)；金属层(6)上有支撑层(7)，支撑层(7)上有热敏层(8)，热敏层(8)上有介质层
(9);介质层(9)上有接触孔(11)，支撑孔内有通孔(10)；在通孔(10)和接触孔(11)上连接有电极金属(12)，电极金属(12)上沉积有钝化层(13)。ASIC 电路是指:Application Specific Integrated Circuit,特定用途集成电路)。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种非制冷红外探測器塔式桥墩的制造方法，特征在于包括以下步骤: (1)电路(1)上旋涂聚酰亚胺牺牲层(3)，退火后的厚度为1.0ym; (2)在牺牲层(3)上涂覆光刻胶，所述光刻胶的分辨率小于0.5 ;随后以O2作为主蚀刻气体，CF4, CHF3, N2, Ar作为辅助蚀刻气体，进行各向异性蚀刻，蚀刻成直孔的支撑孔(4-1)，然后进行湿法去胶，并对圆片进行甩干处理； (3)在蚀刻支撑孔(4-1)的 圆片上溅射Ti或NiCr金属(4)，金属厚度为50 200nm； (4)涂覆光刻胶，光刻胶的分辨率要求小于0.5 y m，然后进行光刻，光刻后使用干法蚀刻 Ti 或 NiCr ； (5)重复上述エ艺步骤，完成聚酰亚胺牺牲层(5)、支撑孔(6-1)和第二层Ti或NiCr金属层(6),金属厚度50 200nm ； (6)沉积ー层厚度为1000 2000人的低应カ氮化硅薄膜，形成支撑层(7)； (7)在支撑层(7)上沉积热敏薄膜500~ 2000A,然后使用光刻和蚀刻的方法完成热敏层(8)的图形； (8)在热敏层(8)上沉积ー层厚度为500~ IOOOA的低应カ氮化硅薄膜介质层(9)； (9)通过光刻和蚀刻掉热敏层(8)上面的介质层(9)得到接触孔(11);蚀刻掉支撑孔内金属层(6)上面的支撑层，介质层，得到通孔(10);在通孔(10)和接触孔(11)的所在的圆片上，进行电极金属的溅射沉积；溅射沉积电极金属前，需进行圆片的反溅，然后溅射得到高质量的电极金属(12); (10)在整个圆片表面上沉积ー层钝化层(13)，进行钝化层(13)的光刻和蚀刻エ艺，使每个像元分开，并对ASIC电路的钝化块(Pad)开孔，使金属铝钝化块(Pad)露出来； (11)然后进行最后的结构释放。
2.根据权利I要求的非制冷红外探測器塔式桥墩制造方法，其特征在于，所述电极金属(12)由Ti，NiCr, Cr, V等金属中的ー种或几种构成，厚度为400 1000A。
3.根据权利I要求的非制冷红外探測器塔式桥墩的制造方法，其特征在于，所述步骤(4)可用离子束方法进行蚀刻。
4.根据权利要求1中的非制冷红外探測器塔式桥墩的制造方法，其特征在于，所述步骤(6)可以增加沉积ー层ニ氧化硅缓冲层膜后再沉积低应カ氮化硅薄膜做支撑层(7)。
5.一种非制冷红外探测器塔式桥墩，包括ASIC电路，其特征在于，所述ASIC电路上设置有聚酰亚胺牺牲层(3)和电极块(2)，牺牲层(3)上有蚀刻支撑孔(4-1);蚀刻支撑孔(4-1)所在的圆片上有溅射金属层(4)； 牺牲层(3 )上设置有聚酰亚胺牺牲层(5 )，聚酰亚胺牺牲层(5 )上有支撑孔(6-1)，支撑孔(6-1)所在的圆片上有溅射金属层(6); 金属层(6)上有支撑层(7)，支撑层(7)上有热敏层(8)，热敏层(8)上有介质层(9)，介质层(9 )上有接触孔(11)，支撑孔金属层(6 )上有通孔(10 ); 在通孔(10 )和接触孔(11)之间有电极金属(12 )连接，电极金属(12)后沉积有钝化层(13)。
6.根据权利要求5要求的一种非制冷红外探測器塔式桥墩，其特征在干，所述金属层(4)和金属层(6)的金属为Ti或NiCr中的ー种或两种，厚度为50 200nm。
7.根据权利要求5和6要求的一种非制冷红外探測器塔式桥墩，其特征在于，所述支撑层(7)为氮化硅薄膜，厚度为1000 2000 A，或下面沉积ー层ニ氧化硅缓冲层薄膜，厚度为300 500 A；所述氮化硅薄膜为低应力薄膜，应カ为0±50Mpa。
8.根据权利要求7要求的一种非制冷红外探測器塔式桥墩，其特征在干，所述介质层(9)为低应力氮化硅薄膜，厚度为DUO 1000A。
9.根据权利要求8要求的一种非制冷红外探測器塔式桥墩，其特征在于，所述电极金属(12)可以为Ti，NiCr，Cr或V中的ー种或两种，厚度为400 1000人。
10.根据权利要求5和6要求的一种非制冷红外探測器塔式桥墩，其特征在于，所述钝化层(13)为氮化硅，厚度为500 1000人 。
全文摘要
本发明涉及一种非制冷红外探测器塔式桥墩，包括ASIC电路，所述ASIC电路上设置有聚酰亚胺牺牲层(3)和电极块(2)；聚酰亚胺牺牲层(3)上有蚀刻支撑孔(4-1)；蚀刻支撑孔(4-1)所在的圆片上有溅射金属层(4)；牺牲层(3)上设置有聚酰亚胺牺牲层(5)，聚酰亚胺牺牲层(5)上有蚀刻支撑孔(6-1)；蚀刻支撑孔(6-1)所在的圆片上有溅射金属层(6)；金属层(6)上有支撑层(7)；支撑层(7)上有热敏层(8)；热敏层(8)上有介质层(9)；支撑孔内金属层(6)上有通孔(10)；介质层(9)上有接触孔(11)；在通孔(10)和接触孔(11)上连接有电极金属(12)，电极金属(12)完成后沉积有钝化层(13)。
文档编号B81C1/00GK103112817SQ1004133
公开日5月22日 申请日期2月4日 优先权日2月4日
发明者甘先锋, 王宏臣, 杨水长, 孙瑞山 申请人:烟台睿创微纳技术有限公司
