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CN105712284B - Mems双层悬浮微结构的制作方法和mems红外探测器 - Google Patents

Mems双层悬浮微结构的制作方法和mems红外探测器 Download PDF

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Abstract

一种MEMS双层悬浮微结构的制作方法，可以制作出具有双层的悬浮微结构，用该双层悬浮微结构(具备第一介质层和第二介质层的悬浮微结构)制作的红外探测器，由于第二介质层不需要制作悬臂梁，所以第二介质层可以制作得比第一介质层大，因而可以比单层悬浮微结构的红外探测器拥有更大的悬浮吸收区域，从而具备较高的红外响应率。此外，还公开一种MEMS红外探测器。

Description

MEMS双层悬浮微结构的制作方法和MEMS红外探测器
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种MEMS双层悬浮微结构的制作方法和MEMS红外探测器。
背景技术
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微电子机械系统)是利用集成电路制造技术和微加工技术把微结构、微传感器、微执行器、控制处理电路甚至接口和电源等制造在一块或多块芯片上的微型集成系统。与传统红外探测器相比，采用MEMS技术制备的红外探测器在体积、功耗、重量以及价格等方面有十分明显的优势。目前，利用MEMS技术制作的红外探测器已广泛用于军事和民用领域。按照工作原理的不同，红外探测器主要分为热电堆、热释电和热敏电阻探测器等。热电堆红外探测器通过塞贝克效应将红外辐射导致的温度变化转换为电压信号输出。热释电红外探测器是通过受热物体中的电荷堆积来测量红外辐射导致的温度变化。热敏电阻红外探测器通过读取电阻阻值的变化来测量红外辐射导致的温度变化。目前，MEMS红外探测器一般都采用单层悬浮微结构，这种工艺虽很简单，但是当红外探测器芯片尺寸减小时，用作红外辐射吸收的悬浮吸收区域(膜状吸收层)相应地也会减小，这样会大大降低红外探测器的红外响应率。
发明内容
基于此，有必要提供一种MEMS双层悬浮微结构的制作方法，该MEMS双层悬浮微结构的制作方法可以制作出较高红外响应率的红外探测器。此外，还提供一种MEMS红外探测器。
一种MEMS双层悬浮微结构的制作方法，包括步骤：
提供基片；
在基片上形成第一牺牲层；
将第一牺牲层图形化；
在第一牺牲层上淀积第一介质层；
将第一介质层图形化以制作位于所述第一牺牲层上的第一膜体，及连接基片和第一膜体的悬臂梁；
在第一介质层上形成第二牺牲层；
将位于第一膜体上的第二牺牲层图形化以制作出用于形成支撑结构的凹部，所述凹部的底部暴露出第一膜体；
在第二牺牲层上淀积第二介质层；
将第二介质层图形化以制作出第二膜体和所述支撑结构，所述支撑结构连接第一膜体和第二膜体；
去除第一牺牲层和第二牺牲层，得到MEMS双层悬浮微结构。
在其中一个实施例中，所述第一牺牲层和/或第二牺牲层为聚酰亚胺层。
在其中一个实施例中，所述第一牺牲层和第二牺牲层的厚度均为500nm～3000nm。
在其中一个实施例中，所述第一介质层和第二介质层的厚度均为100nm～2000nm。
在其中一个实施例中，所述第一介质层和第二介质层的材质为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其两两组合层叠或三种组合层叠。
在其中一个实施例中，所述悬臂梁为两条，分别位于所述第一膜体的两侧。
在其中一个实施例中，所述凹部为一个，暴露在所述第一膜体的上方且位于第二牺牲层的中间位置。
在其中一个实施例中，所述第二膜体在水平方向上的投影面积比所述第一膜体在水平方向上的投影面积大。
在其中一个实施例中，利用氧离子干法刻蚀工艺去除第一牺牲层和第二牺牲层，得到MEMS双层悬浮微结构。
一种MEMS红外探测器，包括利用上述的MEMS双层悬浮微结构的制作方法制作出的MEMS双层悬浮微结构。
上述MEMS双层悬浮微结构的制作方法，可以制作出具有双层的悬浮微结构，用该双层悬浮微结构(具备第一介质层和第二介质层的悬浮微结构)制作的红外探测器，由于第二介质层不需要制作悬臂梁，所以第二介质层可以制作得比第一介质层大，因而可以比单层悬浮微结构的红外探测器拥有更大的悬浮吸收区域，从而具备较高的红外响应率。当红外探测器芯片尺寸减小时，相对于传统的单层悬浮微结构的红外探测器来说，尽管用作红外辐射吸收的悬浮吸收区域(第二介质层)也相应地也会减小，但是由于第二介质层不需要制作悬臂梁，所以第二介质层可以制作得比第一介质层大，因而即使当红外探测器芯片尺寸减小时也可以比单层悬浮微结构的红外探测器拥有更大的悬浮吸收区域，这样会较传统的单层悬浮微结构的红外探测器大大提高红外响应率。
附图说明
图1是一实施例MEMS双层悬浮微结构的制作方法的流程图；
图2是将第一聚酰亚胺层图形化后的结构示意图；
图3是制作出第一膜体和悬臂梁后的结构示意图；
图4是制作出第一膜体和悬臂梁后的俯视示意图；
图5是制作出凹部后的结构示意图；
图6是制作出凹部后的俯视示意图；
图7是制作出第二膜体和支撑结构后的结构示意图；
图8是去除第一聚酰亚胺层和第二聚酰亚胺层后的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。
图1是一实施例MEMS双层悬浮微结构的制作方法的流程图。在本实施例中，第一牺牲层和/或第二牺牲层为聚酰亚胺层。
一种MEMS双层悬浮微结构的制作方法，包括步骤：
步骤S100：提供基片100。基片100应该是已布有电路结构的基片。
步骤S200：在基片100上形成第一聚酰亚胺层200。用涂覆的方式形成第一聚酰亚胺层200，第一聚酰亚胺层200的厚度为500nm～3000nm。
步骤S300：将第一聚酰亚胺层200图形化。见图2，被刻蚀的区域210用于形成介质层与基片的连接区域。
步骤S400：在第一聚酰亚胺层200上淀积第一介质层300。第一介质层300的厚度为100nm～2000nm，材质为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其两两组合层叠或三种组合层叠。即第一介质层300可以为二氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层的单层结构，也可以是二氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层两两组合层叠或三种组合层叠的非单层结构。
步骤S500：将第一介质层300图形化以制作位于第一聚酰亚胺层200上第一膜体310，及连接基片100和第一膜体310的悬臂梁320。见图3和图4，在本实施例中悬臂梁320为两条，分别位于第一膜体310的两侧。悬臂梁320十分细小，与基底100的接触面积远小于红外吸收区域(此处为第一膜体310)，防止红外能量快速被基片100吸收。使用第一聚酰亚胺层200使第一模体310固定在基片100上。
步骤S600：在第一介质层300上形成第二聚酰亚胺层400。用涂覆的方式形成第二聚酰亚胺层400，第二聚酰亚胺层400的厚度为500nm～3000nm。
步骤S700：将位于第一膜体310上的第二聚酰亚胺层400图形化以制作出用于形成支撑结构520的凹部410，凹部410的底部暴露出第一膜体310。见图5和图6，凹部410在本实施例中为一个，暴露在第一膜体310的上方且位于第二聚酰亚胺层400的中间位置。
步骤S800：在第二聚酰亚胺层400上淀积第二介质层500。第二介质层500的厚度为100nm～2000nm，材质为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其两两组合层叠或三种组合层叠。即第二介质层500可以为二氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层的单层结构，也可以是二氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层两两组合层叠或三种组合层叠的非单层结构。
步骤S900：将第二介质层500图形化以制作出第二膜体510和支撑结构520，支撑结构520连接第一膜体310和第二膜体510。在第二聚酰亚胺层400的凹部410上淀积并图形化的介质层作为支撑结构520，连接支撑结构520四周的区域形成第二膜体510。见图7，由于第二介质层500上不需要制作悬臂梁，所以第二膜体510在水平方向上的投影面积可以制作得比第一膜体310在水平方向上的投影面积大。使用第二聚酰亚胺层400使第二模体510固定在第一模体310上。
步骤S1100：去除第一聚酰亚胺层200和第二聚酰亚胺层400，得到MEMS双层悬浮微结构，见图8。利用氧离子干法刻蚀工艺去除第一聚酰亚胺层200和第二聚酰亚胺层400，得到MEMS双层悬浮微结构。氧离子干法刻蚀工艺其工作原理是在真空系统中通入少量氧气，加高电压使氧气电离，从而形成氧等离子的辉光柱。活性氧可以迅速将聚酰亚胺氧化并生成可挥发气体，从而实现刻蚀。第一聚酰亚胺层200和第二聚酰亚胺层400在本方法中属于牺牲层，在其他实施例中，所有能够通过半导体刻蚀工艺除去的材料都能够替代聚酰亚胺作为本方法中的牺牲层，半导体刻蚀工艺当然包括利用气体或光来刻蚀的刻蚀工艺，例如氧离子干法刻蚀工艺。
用上述MEMS双层悬浮微结构制作的MEMS红外探测器，第一膜体310和第二膜体510(主要依靠第二膜体510)都可以用来吸收红外的膜状吸收层，吸收的红外能量转化的电信号通过悬臂梁320传到基片100的电路结构。
本发明还公开了一种MEMS红外探测器，包括利用上述的MEMS双层悬浮微结构的制作方法制作出的MEMS双层悬浮微结构。MEMS红外探测器例如可以是热敏电阻红外探测器。
上述MEMS双层悬浮微结构的制作方法，可以制作出具有双层的悬浮微结构，用该双层悬浮微结构(具备第一介质层和第二介质层的悬浮微结构)制作的红外探测器，由于第二介质层不需要制作悬臂梁，所以第二介质层可以制作得比第一介质层大，因而可以比单层悬浮微结构的红外探测器拥有更大的悬浮吸收区域，从而具备较高的红外响应率。当红外探测器芯片尺寸减小时，相对于传统的单层悬浮微结构的红外探测器来说，尽管用作红外辐射吸收的悬浮吸收区域(第二介质层)也相应地也会减小，但是由于第二介质层不需要制作悬臂梁，所以第二介质层可以制作得比第一介质层大，因而即使当红外探测器芯片尺寸减小时也可以比单层悬浮微结构的红外探测器拥有更大的悬浮吸收区域，这样会较传统的单层悬浮微结构的红外探测器大大提高红外响应率。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种MEMS双层悬浮微结构的制作方法，其特征在于，包括步骤：
提供基片；
在基片上形成第一牺牲层；
将第一牺牲层图形化；
在第一牺牲层上淀积第一介质层；
将第一介质层图形化以制作位于所述第一牺牲层上的第一膜体，及连接基片和第一膜体的悬臂梁；
在第一介质层上形成第二牺牲层；
将位于第一膜体上的第二牺牲层图形化以制作出用于形成支撑结构的凹部，所述凹部的底部暴露出第一膜体；
在第二牺牲层上淀积第二介质层；
将第二介质层图形化以制作出第二膜体和所述支撑结构，所述支撑结构连接第一膜体和第二膜体；
去除第一牺牲层和第二牺牲层，得到MEMS双层悬浮微结构。
2.根据权利要求1所述的MEMS双层悬浮微结构的制作方法，其特征在于，所述第一牺牲层和/或第二牺牲层为聚酰亚胺层。
3.根据权利要求1所述的MEMS双层悬浮微结构的制作方法，其特征在于，所述第一牺牲层和第二牺牲层的厚度均为500nm～3000nm。
4.根据权利要求1所述的MEMS双层悬浮微结构的制作方法，其特征在于，所述第一介质层和第二介质层的厚度均为100nm～2000nm。
5.根据权利要求1所述的MEMS双层悬浮微结构的制作方法，其特征在于，所述第一介质层和第二介质层的材质为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其两两组合层叠或三种组合层叠。
6.根据权利要求1所述的MEMS双层悬浮微结构的制作方法，其特征在于，所述悬臂梁为两条，分别位于所述第一膜体的两侧。
7.根据权利要求1所述的MEMS双层悬浮微结构的制作方法，其特征在于，所述凹部为一个，暴露在所述第一膜体的上方且位于第二牺牲层的中间位置。
8.根据权利要求1所述的MEMS双层悬浮微结构的制作方法，其特征在于，所述第二膜体在水平方向上的投影面积比所述第一膜体在水平方向上的投影面积大。
9.根据权利要求1所述的MEMS双层悬浮微结构的制作方法，其特征在于，利用氧离子干法刻蚀工艺去除第一牺牲层和第二牺牲层，得到MEMS双层悬浮微结构。
10.一种MEMS红外探测器，其特征在于，包括利用权利要求1～9任一项所述的MEMS双层悬浮微结构的制作方法制作出的MEMS双层悬浮微结构。
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