一種耐受振動和衝擊的雙層紅外焦平面微橋結構的製作方法

2023-08-05 06:46:11

一種耐受振動和衝擊的雙層紅外焦平面微橋結構的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種耐受振動和衝擊的雙層紅外焦平面微橋結構，涉及非製冷紅外焦平面【技術領域】，其包括L型橋腿和基於熱敏薄膜層的複合橋面，L型橋腿與複合橋面刻蝕連接，以及外圍固定框、位於L型橋腿拐角處的連接短橋腿、位於微橋結構中部的支柱及其支撐的頂層紅外吸收層。所述L型橋腿經連接橋腿與外圍固定框連接，外圍固定框和連接橋腿均由絕緣材料構成。本發明引入外圍固定框，解決了傳統微橋結構在經受外部振動和衝擊激勵時，微橋結構橋面形變最大、結構不穩定的問題。這種雙層紅外焦平面微橋結構能克服現有技術中存在的缺陷，提高微測輻射熱計的工作性能，適宜應用於產業化生產。
【專利說明】一種耐受振動和衝擊的雙層紅外焦平面微橋結構

【技術領域】
[0001] 本發明屬於非製冷紅外焦平面【技術領域】，具體涉及一種耐受振動和衝擊的雙層紅 外焦平面微橋結構，其引入減震和減衝擊措施，以實現雙層焦平面微橋結構耐受力學振動 和衝擊的可靠性。

【背景技術】
[0002] 非製冷紅外焦平面器件具有體積小、成本低、穩定性高且與矽半導體工藝兼容性 好等特點，使得其在醫療、夜視成像、消防以及工業控制等領域得到了非常廣泛的應用，是 構成紅外探測系統的核心部件。目前市場上製冷型紅外探測器性能優越，但是需要在低溫 下工作，並且結構複雜，系統龐大，成本高昂。目前，得益於大規模矽集成電路技術的發展， 非製冷紅外焦平面技術已成為高效率、低成本紅外探測技術的主流發展方向。
[0003] 傳統的微測輻射熱計由單層微橋結構構成，其中紅外吸收層與熱敏感層同處於一 個橋面，其結構簡單、易於製造，但缺點是光吸收層與熱敏感層在溫度變化上同升同降，難 以在降低器件熱導的同時提高光吸收率，從而限制了器件性能的進一步提高。單層微橋結 構微測輻射熱計很難實現更高解析度的要求，這是因為在保持探測晶片尺寸大小的前提 下，為了提高解析度需要增加像素點的數目，這將導致單個像元面積的減小，而單個像素麵 積的減小，又會導致像元吸收紅外輻射能力的下降。此外，從微細加工工藝角度考慮，持續 降低單個像素麵積也有一定的極限。因此，必須通過改善微橋結構等來提高微測輻射熱計 的紅外探測性能。目前，美國、日本等國家提出了一類嶄新的雙層(或多層)微測輻射熱計結 構，以克服單層橋面結構的上述缺陷。
[0004] 現有的雙層微測輻射熱計普遍採用的一種思路，是在傳統的單層微測輻射熱計之 上再沉積一層氮化矽吸收層，而原有熱敏層位於中間層，正如本專利所採用的"傘狀結構" 設計。這種結構不僅可提升探測器的填充率，還可以方便地調整熱導和熱容，有利於最大限 度地吸收紅外輻射、提高響應率、降低噪聲損耗。同時，採用雙光腔結構能通過調節光腔高 度，來優化特定波段的頻域響應，實現雙色和多色紅外光譜探測。
[0005] 但是，隨著焦平面器件朝著大陣列、小像元方向的發展，加之微橋結構的日益多層 化與複雜化，勢必將使得結構的穩定性與可靠性面臨嚴峻的考驗。無論是單層微橋結構還 是雙層微橋結構，器件在製備過程中會不可避免的產生一些薄膜殘餘應力，使得製備出的 薄膜器件在犧牲層釋放後會呈現出一定的變形，甚至屈曲。較大的應力屈曲可能會使得器 件探測效率降低甚至失效。另外，振動和衝擊是現實生活中非常普遍的一種激勵，在許多精 密製造行業都需要重點考慮。超過器件結構承受的振動和衝擊會使得器件結構受到嚴重的 影響，甚至於被破壞，這些都是在焦平面器件結構設計中不可忽視的因素。因而，進行基於 力學和環境適應等方面的可靠性設計，既可以通過對結構本身的改進設計，降低共振和衝 擊等力學激勵的影響，還可以通過器件與使用環境適應性的改善，在設計中引入減震和減 衝擊措施，最終實現焦平面微橋結構耐受力學振動和衝擊的可靠性設計。


【發明內容】

[0006] 針對上述現有技術，本發明要解決的技術問題是提供一種提高雙層紅外焦平面振 動和衝擊性能的微橋結構設計；它保證了與矽半導體製備工藝的兼容性以及高效的紅外吸 收率，同時使得器件在經受振動、衝擊以及其它外部激勵時器件的力學穩定性能得到極大 的提升。
[0007] 為了解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案： 一種耐受振動和衝擊的雙層紅外焦平面微橋結構，包括L型橋腿和基於熱敏薄膜層的 複合橋面，L型橋腿與複合橋面刻蝕連接，以及外圍固定框、位於L型橋腿拐角處的連接短 橋腿、位於微橋結構中部的支柱及其支撐的頂層紅外吸收層，所述L型橋腿經連接短橋腿 與外圍固定框連接，外圍固定框和連接短橋腿均由絕緣材料構成。
[0008] 作為本發明的優選方案，所述複合橋面至少包含熱敏感功能層和氮化矽支撐層， 複合橋面最底層為非晶氮化矽薄膜，用於作為微橋結構的支持層與絕緣層，其上面是金屬 電極，再往上一層是熱敏感電阻層，再往上一層為另外一層非晶矽氮化矽薄膜層，用於鈍化 保護以及應力控制。
[0009] 作為本發明的優選方案，在本發明中，所述熱敏感薄膜的材料為a-Si:H、a-SiGe:H 或 V0X。
[0010] 作為本發明的優選方案，在本發明中，所述金屬電極層的材料為Al、W、NiCr、Ti、 TiN中的一種。
[0011] 作為本發明的優選方案，在本發明中，所述紅外吸收層的材料可以為TiN、Si3N 4、 a -C:H、SiC、Si02 以及 a-Si:H 等。
[0012] 非製冷紅外焦平面器件的工作原理為：被探測物體紅外輻射被非製冷紅外焦平面 器件的光敏面所吸收，紅外吸收層吸收輻射後可引起多層薄膜體系溫度升高，同時，透射紅 外光還可以進一步被非晶矽、氧化釩等熱敏感薄膜所吸收，引起光敏面溫度的升高。由於熱 敏感薄膜的電阻溫度特性，電阻值將發生相應的變化，通過電學方式讀出這種變化來實現 對紅外輻射的探測。
[0013] 與現有技術相比，本發明具有以下有益效果： 一、外圍固定框極大地解決了傳統微橋結構在經受外部振動和衝擊激勵時，微橋結構 橋面整體形變最大、結構不穩定的問題，使得微橋結構關鍵部分的穩定性大大增強，避免了 橋面的局部應力集中；微橋結構在承受外部振動和高速衝擊時，應力大部分由外圍固定框 分散承受，從而避免出現大形變和撕裂而造成器件功能失效；器件耐受殘餘應力以及外部 振動和衝擊作用的能力得到明顯的提升；在相同的像元尺寸和外部激勵的條件下，本發明 的最大位移減小為原來的19. 1%，最大應力減小為原來的36. 0%。
[0014] 二、紅外吸收層和基於熱敏薄膜層的複合橋面由位於兩橋面之間的支柱相連接， 形成一傘狀結構。傘狀結構的設計提高了器件的填充率。這種結構的設計還可以相應地調 整熱導和熱容，有利於最大限度地吸收紅外輻射，提高響應率，降低噪聲損耗，從而實現 高效率地紅外探測。同時，通過調節雙光腔結構的光腔高度，可以進一步優化特定波段 的頻域響應。
[0015] 三、基於熱敏薄膜層的複合橋面與外圍固定框剛性連接，以及雙諧振腔的設計，使 得紅外輻射被穩定、高效且最大程度地吸收，吸收效率> 85%。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖la為傳統非製冷雙層紅外焦平面微橋結構斜視圖； 圖lb為傳統非製冷雙層紅外焦平面微橋結構側視圖； 圖2為本發明提供的新型雙層紅外焦平面微橋結構示意圖； 圖3a、圖3b為傳統、新型雙層微橋結構振動衝擊時中心節點位移頻率圖； 圖4a、圖4b為傳統、新型雙層微橋結構Z向共振位移形變圖； 圖5a、圖5b為傳統、新型雙層微橋結構的Z向的共振應力分布圖。
[0017] 附圖標記說明：1- L型橋腿，2-複合橋面，3-紅外吸收層，4-支柱，5-外圍固定框， 6-連接短橋腿。

【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖、試驗例及【具體實施方式】對本發明作進一步的詳細描述。但不應將 此理解為本發明上述主題的範圍僅限於以下的實施例，凡基於本
【發明內容】
所實現的技術均 屬於本發明的範圍。
[0019] 一種耐受振動和衝擊的雙層紅外焦平面微橋結構，包括L型橋腿1和基於熱敏薄 膜層的複合橋面2, L型橋腿1與複合橋面2刻蝕連接，還包括外圍固定框5、位於L型橋腿 1拐角處的連接短橋腿6、位於微橋結構中部的橋面間的支柱4及其支撐的頂層紅外吸收層 3。所述L型橋腿1經連接短橋腿6與外圍固定框5連接，外圍固定框5和連接短橋腿6均 由絕緣材料構成。外圍固定框5極大地解決了傳統微橋結構在經受外部振動和衝擊激勵 時，微橋結構橋面整體形變最大、結構不穩定的問題，使得微橋結構關鍵部分的穩定性大大 增強，避免了橋面的局部應力集中。微橋結構在承受外部振動和高速衝擊時，應力大部分由 外圍固定框分散承受，從而避免出現大形變和撕裂而造成器件功能失效。
[0020] 紅外吸收層3和基於熱敏薄膜層的複合橋面2由位於兩橋面之間的支柱4分離開 來，形成一傘狀結構。傘狀結構的設計提高了器件的填充率。這種結構的設計還可以相應 地調整熱導和熱容，有利於最大限度地吸收紅外輻射，提高響應率，降低噪聲損耗，從而 實現高效率地紅外探測。同時，通過調節雙光腔結構的光腔高度，可以進一步優化特定 波段的頻域響應。
[0021] 該微橋結構適用於以非晶矽薄膜為熱敏感層的非製冷雙層紅外焦平面器件結構 設計，紅外吸收層材料可以為TiN、Si3N4、a-C:H、SiC、Si0 2以及a_Si:H等。該結構對當前 研究的17?45μπι像元尺寸具有如下優勢：相同像元尺寸下的結構和傳統結構相比，新結 構在張應力和壓應力下一階屈曲值分別提高23. 3%和233%左右。在應力分布上，傳統結構 應力集中於橋墩處以及橋腿橋面連接處；新結構不僅使得應力值大大降低，還使得應力分 布更加均勻。相同像元尺寸的新結構和傳統結構在相同大小的壓應力或者張應力作用下， 新結構最大變形只有傳統結構的19. 1%，最大應力只有傳統結構的36. 0%。新結構保持了與 MEMS工藝的兼容，不僅能夠確保焦平面器件高的紅外吸收效率，還使得微橋結構的力學穩 定性得到顯著地提高，對探測器組件的可靠性設計具有重要的指導意。
【權利要求】
1. 一種耐受振動和衝擊的雙層紅外焦平面微橋結構，其特徵在於：包括L型橋腿和基 於熱敏薄膜層的複合橋面，L型橋腿與複合橋面刻蝕連接，還包括外圍固定框、位於L型橋 腿拐角處的連接短橋腿、位於微橋結構中部的支柱及其支撐的頂層紅外吸收層，所述L型 橋腿經連接橋腿與外圍固定框連接，外圍固定框和連接橋腿均由絕緣材料構成。
2. 根據權利要求1所述的耐受振動和衝擊的雙層紅外焦平面微橋結構，其特徵在於： 所述複合橋面至少包含熱敏感功能層和氮化矽支撐層，複合橋面最底層為非晶氮化矽薄膜 層，用於作為微橋結構的支持層與絕緣層，其上一層是金屬電極層，再往上一層是熱敏感電 阻層，再往上一層為另外一層非晶氮化矽薄膜層，用於鈍化保護以及應力控制。
3. 根據權利要求1所述的耐受振動和衝擊的雙層紅外焦平面微橋結構，其特徵在於： 所述紅外吸收層的材料可以為：TiN、Si3N4、a-C:H、SiC、Si0 2以及a_Si:H。
4. 根據權利要求2所述的耐受振動和衝擊的雙層紅外焦平面微橋結構，其特徵在於： 所述熱敏感電阻層的薄膜材料為a-Si :H、a-SiGe:H或V0X。
5. 根據權利要求2所述的耐受振動和衝擊的雙層紅外焦平面微橋結構，其特徵在於， 所述金屬電極層的材料為Al、W、NiCr、Ti、TiN中的一種。
【文檔編號】G01J5/20GK104111119SQ201410384651
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年8月7日 優先權日:2014年8月7日
【發明者】李偉, 呂小龍, 廖家科, 陳旭, 王軍, 蔣亞東 申請人:電子科技大學