專利名稱：紅外探測(cè)器像元應(yīng)力的監(jiān)控結(jié)構(gòu)及監(jiān)控方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種紅外探測(cè)器，特別是關(guān)于一種紅外探測(cè)器像元應(yīng)力的監(jiān) 控結(jié)構(gòu)及監(jiān)控方法。
背景技術(shù)：
微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)具有微小、智能、可執(zhí)行、可集成、工藝 兼容性好、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。紅外探測(cè)器是紅外探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣 泛的一種MEMS產(chǎn)品，它利用敏感材料探測(cè)層吸收紅外線且將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)， 據(jù)此來(lái)實(shí)現(xiàn)熱成像功能，其可用于電力網(wǎng)絡(luò)的安全檢測(cè)、森林火警的探測(cè)以及
人體溫度探測(cè)等各種環(huán)境。
紅外探測(cè)器中敏感材料探測(cè)層和金屬電極對(duì)其質(zhì)量有著極其重要的影響。 其4象元結(jié)構(gòu)是半懸空的纟敬橋結(jié)構(gòu)，上面是釋放保護(hù)層材料、；欽橋支撐層材料、 探測(cè)器敏感材料和金屬電極的復(fù)合結(jié)構(gòu)，下面是反射層。由于是半懸空的微橋 結(jié)構(gòu)，微橋結(jié)構(gòu)上表面的復(fù)合材料產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)像元特性非常關(guān)鍵， 一旦應(yīng)力 控制不好，就會(huì)發(fā)生纟敖橋結(jié)構(gòu)的翹曲甚至斷裂，導(dǎo)致產(chǎn)品性能下降和失效。
現(xiàn)有技術(shù)在開發(fā)和制造該紅外探測(cè)器時(shí)，請(qǐng)參見圖1,先制備反射層110和 犧牲層120,然后制備釋放保護(hù)層及支撐層130、敏感材料層140和金屬電極150， 其中金屬電極150經(jīng)過(guò)圖形化處理。經(jīng)過(guò)釋放工藝后，其犧牲層120材料被完 全去除掉，形成微橋懸空結(jié)構(gòu)，并在反射層IIO和敏感材料層140之間形成支 撐柱及電連接160。在開發(fā)和制造紅外探測(cè)器時(shí)，其像元結(jié)構(gòu)的應(yīng)力是通過(guò)培片 來(lái)開發(fā)和監(jiān)控的，然而經(jīng)過(guò)多步工藝處理以后，現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)于像元微橋結(jié)構(gòu) 的應(yīng)力并沒(méi)有4艮好的測(cè)試和監(jiān)控手段。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種紅外探測(cè)器像元應(yīng)力的監(jiān)控結(jié)構(gòu)及監(jiān)控方法，以實(shí)現(xiàn)像元微橋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力監(jiān)控。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種紅外探測(cè)器像元應(yīng)力的監(jiān)控結(jié)構(gòu)， 用于監(jiān)控一紅外探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力，所述監(jiān)控結(jié)構(gòu)包括從下至上依次層 疊的金屬反射層，犧牲層，釋放保護(hù)及支撐層，敏感材料層，以及覆蓋于所述 敏感材料層上的未經(jīng)過(guò)圖形化處理的金屬電極，其中，所述金屬反射層作為一 下電極板，金屬電極作為一上電極板，利用所述上、下電極板間的電容特性來(lái) 監(jiān)控所述紅外探測(cè)器像無(wú)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力。
可選的，所述監(jiān)控結(jié)構(gòu)還包括連接在上、下電極板之間的測(cè)量電路，用于 測(cè)量上、下電極板之間的電容值，并可通過(guò)硅片級(jí)測(cè)試來(lái)監(jiān)控所述電容值。
本發(fā)明還提供了 一種紅外探測(cè)器像元應(yīng)力的監(jiān)控方法，用于監(jiān)控一紅外探
測(cè)器像元結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力，所述監(jiān)控方法包括下列步驟
首先，在硅襯底上依次制作金屬反射層，犧牲層，釋放保護(hù)及支撐層，敏 感材料層，以及金屬電極，其中，所述制作過(guò)程采用與待監(jiān)控的紅外探測(cè)器像 元結(jié)構(gòu)相同的工藝條件完成，且所述金屬電極不經(jīng)過(guò)圖形化處理；
接著，將所述金屬反射層作為一下電極板，金屬電極作為一上電極板，獲 取一標(biāo)準(zhǔn)工藝條件下，上、下電極板之間的電容值作為一參考電容值；
然后，對(duì)不同工藝條件下，上、下電極板之間的電容值進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè) 得的電容值與參考電容值進(jìn)行比較，以判斷所述待監(jiān)控的紅外探測(cè)器像元結(jié)構(gòu) 中的應(yīng)力類型及相對(duì)大小。
本發(fā)明的監(jiān)控結(jié)構(gòu)釆用和紅外探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)相同的工藝制造，基于電容 值隨上、下極板間距變化的原理，以金屬反射層和未經(jīng)過(guò)圖形化處理的金屬電 極作為下電極板和上電極板進(jìn)行電容值監(jiān)測(cè)，通過(guò)該電容值可以反映出金屬反 射層與金屬電極之間的距離變化，即反應(yīng)了是否存在極板翹曲現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn) 對(duì)紅外探測(cè)器像元微橋結(jié)構(gòu)在應(yīng)力影響下產(chǎn)生翹曲程度的監(jiān)控。采用該監(jiān)控結(jié) 構(gòu)和方法不需要在制造工藝中增加額外的工序，便于實(shí)施且成本較低，同時(shí)，
化時(shí)，發(fā)生應(yīng)力致其形變而引起的翹曲，從而為工藝開發(fā)、優(yōu)化和監(jiān)控提供有 力的測(cè)試和監(jiān)控手段，提高整個(gè)產(chǎn)品的可靠性、成品率和性能。


圖l所示為現(xiàn)有紅外探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)的示意圖2A所示為本發(fā)明一實(shí)施例所提供的監(jiān)控結(jié)構(gòu)示意圖2B所示為本發(fā)明一實(shí)施例所提供的監(jiān)控結(jié)構(gòu)的局部剖視圖3所示為本發(fā)明一實(shí)施例所提供的監(jiān)控方法流程圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、特征更明顯易懂，給出較佳實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本 發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
本發(fā)明的監(jiān)控結(jié)構(gòu)主要用于紅外探測(cè)器制造過(guò)程中的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，其作為測(cè) 試結(jié)構(gòu)被制作于晶圓的外圍區(qū)域或者晶圓上芯片單元(die)間的空隙處，這里 所述的芯片單元指的是紅外探測(cè)器元件，所述監(jiān)控結(jié)構(gòu)與紅外探測(cè)器像元結(jié)構(gòu) 采用完全相同的工藝制作，以確保監(jiān)控結(jié)構(gòu)的測(cè)試值能夠真實(shí)、準(zhǔn)確地反映紅 外探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化。
請(qǐng)參見圖2及圖3，本發(fā)明一實(shí)施例所提供的像元應(yīng)力監(jiān)控結(jié)構(gòu)，包括從下 至上依次層疊的金屬反射層210、犧牲層220、釋放保護(hù)層及支撐層230、敏感 材料層240和金屬電極250。與紅外探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)不同的是，該監(jiān)控結(jié)構(gòu)的金 屬電極250不進(jìn)行圖形化處理，而是大面積地覆蓋在敏感材料層240上，該覆 蓋可以完全遮蔽掉敏感材料層240，也可在邊緣處留邊，露出一小部分敏感材料 層240，該留邊的寬度可以是金屬電極250寬度的10%以內(nèi)，例如對(duì)于45umX 45um大小的金屬電極250，留邊的寬度可以是lum ~ 3um之間。其中，犧牲層 220在后續(xù)工藝中被去除，以使監(jiān)控結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成懸空結(jié)構(gòu)，并在金屬反射層 210和敏感材料層240之間形成支撐柱及電連接260。所述監(jiān)控結(jié)構(gòu)以金屬反射 層210作為下電極板，以金屬電極250作為上電極板，該金屬電極250之所以 采用大面積覆蓋，是為了更好地充當(dāng)上電極板，獲取良好的電容特性。利用上、 下電極板之間的電容特性即可監(jiān)控采用相同的現(xiàn)有工藝或者新開發(fā)的工藝制造 的紅外探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力。其中，電容特性的監(jiān)控可以通過(guò)從上、下電 極板各引出一條引線連接至一測(cè)量電路實(shí)現(xiàn)，該測(cè)量電路可以是現(xiàn)有技術(shù)中各 種能夠用于測(cè)量?jī)蓸O板間電容值的電路。在進(jìn)行電容測(cè)試監(jiān)控時(shí)，通過(guò)硅片級(jí)
測(cè)試來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在本實(shí)施例中，金屬反射層210可以采用鋁(Al)、鈦(Ti)、鉭(Ta)等對(duì) 光信號(hào)具有反射特性的材料或它們形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)；犧牲層220所使用的材料 是非晶硅或硅基化合物或尼龍等有機(jī)物；釋放保護(hù)層和支撐層230可以是二氧 化硅(Si02 )、氮氧化硅(SiON)、氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC )等硅基的介質(zhì) 材料；敏感材料層240主要是非晶硅或氧化釩等材料；金屬電極250可以是鋁 (Al)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、鴒(W)等材料或 它們形成的復(fù)合材料。金屬電極250的選取應(yīng)考慮其應(yīng)力模式與敏感材料層240 一致，并選取合適的厚度以便降低金屬電極對(duì)整個(gè)孩史橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力疊加的影響。
由于金屬電極250不進(jìn)行圖形化處理，金屬電極250面積尺寸遠(yuǎn)大于其敏 感材料層240和金屬反射層210的間距，故而電場(chǎng)主要集中于金屬電極250與 金屬反射層210中間，所以，金屬電極250與金屬反射層210間具有良好的電 容特性。根據(jù)電容公式可知，電容大小與電容極板間距離成反比，所以當(dāng)像元 結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致極板向內(nèi)彎曲即間距減小時(shí)，電容值變大；當(dāng)極板向外彎 曲即間距增大時(shí)，電容值變小。通過(guò)監(jiān)控電容值的變化即可初步判斷出像元結(jié) 構(gòu)中的應(yīng)力情況。
參見圖3，本發(fā)明的實(shí)施例還提供了對(duì)紅外探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的監(jiān)控方 法，包括
S310在硅襯底上依次制作金屬反射層，犧牲層，釋放保護(hù)及支撐層，敏感 材料層，以及金屬電極。該制作過(guò)程采用與待監(jiān)控的紅外探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)相同 的工藝條件完成，以確保后續(xù)的監(jiān)控結(jié)果能夠真實(shí)、準(zhǔn)確地反應(yīng)紅外探測(cè)器像 元結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況。所述金屬電極在制作過(guò)程中不經(jīng)過(guò)圖形化處理，而是以大 面積金屬層的形式覆蓋在敏感材料層表面，以獲取較佳的電容特性。
S320將所述金屬反射層作為一下電極板，金屬電極作為一上電極板，獲取 一標(biāo)準(zhǔn)工藝條件下，上、下電極板之間的電容值作為一參考電容值。如果生產(chǎn) 產(chǎn)品時(shí)發(fā)生工藝穩(wěn)定性問(wèn)題，例如釋放保護(hù)層或者壽文感材料等材料的成膜溫度 或厚度等工藝參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致其應(yīng)力及膜質(zhì)等材料特性發(fā)生變化，引起傳 感器產(chǎn)品的失效，此時(shí)可以通過(guò)該結(jié)構(gòu)的監(jiān)控及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，停止該產(chǎn)品的后 續(xù)工藝，并查明和解決問(wèn)題，防止擴(kuò)大損失。所述標(biāo)準(zhǔn)工藝條件指的是最佳芯
片性能條件或者芯片性能符合指標(biāo)要求時(shí)所對(duì)應(yīng)的工藝條件。
S330在生產(chǎn)和工藝優(yōu)化及開發(fā)時(shí)，對(duì)不同工藝條件下，上、下電極板之間 的電容值進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)得的電容值與參考電容值進(jìn)行比較，以判斷所述待 監(jiān)控的紅外探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力類型及相對(duì)大小。其中，該測(cè)量可以是實(shí) 時(shí)測(cè)量或者間隔一定時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)不同批次或者不同工藝條件下的結(jié)構(gòu) 進(jìn)行測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)像元應(yīng)力的持續(xù)監(jiān)控，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電容值產(chǎn)生變化時(shí)，可以認(rèn) 為出現(xiàn)了極板翹曲，并推測(cè)像元結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了應(yīng)力。
為了進(jìn)一步對(duì)極板翹曲程度進(jìn)行計(jì)算，以便在該翹曲程度超過(guò)工藝所能允 許的最大范圍時(shí)，及時(shí)停止器件的制造流程，該監(jiān)控方法還包括S340根據(jù)步 驟S320和S330的測(cè)量結(jié)果計(jì)算出電容變化值，并判斷該電容變化值是否超出 了一預(yù)定范圍，若是，則停止當(dāng)前的紅外探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)制作工藝；若否，則 繼續(xù)當(dāng)前的制作工藝。其中，該預(yù)定范圍可以設(shè)定為±10%,即當(dāng)電容變化值超 出了參考電容值的±10%范圍時(shí)，停止當(dāng)前制作工藝，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行分 析和檢測(cè)，以查出應(yīng)力產(chǎn)生的原因，并加以改進(jìn)。
需要說(shuō)明的是，在上述監(jiān)控方法的實(shí)施過(guò)程中，需要對(duì)可能影響電容測(cè)量 值的各類參數(shù)進(jìn)行控制，將其影響減小到可以忽略的程度，以確保測(cè)得的電容
值能夠準(zhǔn)確地反映上、下電才及板之間距離的變化量，減小誤差。
綜上所述，本發(fā)明的像元應(yīng)力監(jiān)控結(jié)構(gòu)的制造工藝與紅外探測(cè)器像元結(jié)構(gòu) 的制造工藝完全兼容，監(jiān)控結(jié)構(gòu)與像元結(jié)構(gòu)同步制作和形成。應(yīng)力監(jiān)控結(jié)構(gòu)， 是基于像元結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的，其金屬電極大面積覆蓋在敏感材料層上，不再進(jìn)行 圖形化處理，通過(guò)該結(jié)構(gòu)可以在保證工藝完全兼容且不增加工序的前提下，利 用電容測(cè)試實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器微橋結(jié)構(gòu)在應(yīng)力影響下產(chǎn)生翹曲程度的監(jiān)控，同時(shí)可 以應(yīng)用于測(cè)試敏感材料對(duì)應(yīng)溫度變化引起熱膨脹系數(shù)變化時(shí)，發(fā)生應(yīng)力致形變 而引起的翹曲，從而為工藝開發(fā)、優(yōu)化和監(jiān)控提供有力的測(cè)試和監(jiān)控手段，提 高整個(gè)產(chǎn)品的可靠性、成品率和性能。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟 習(xí)此技術(shù)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動(dòng)與潤(rùn)飾，因 此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)啦iU又利要求書所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1. 一種紅外探測(cè)器像元應(yīng)力的監(jiān)控結(jié)構(gòu)，用于監(jiān)控一紅外探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力，其特征在于，所述監(jiān)控結(jié)構(gòu)包括從下至上依次層疊的金屬反射層，犧牲層，釋放保護(hù)及支撐層，敏感材料層，以及覆蓋于所述敏感材料層上的未經(jīng)過(guò)圖形化處理的金屬電極，其中，所述金屬反射層作為一下電極板，金屬電極作為一上電極板，利用所述上、下電極板間的電容特性來(lái)監(jiān)控所述紅外探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)控結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述犧牲層在釋放工藝 中去除，在所述監(jiān)控結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成懸空的微橋結(jié)構(gòu)，并在所述金屬反射層和敏 感材料層之間形成支撐柱及電連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)控結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬反射層所使用 的材料是對(duì)光信號(hào)具有反射特性的金屬材料或者上述金屬材料形成的復(fù)合材 料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的監(jiān)控結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬反射層所使用 的材料是鋁、鈦、鉭或者它們形成的復(fù)合材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)控結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬電極，所使用 的材料包括鋁、鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、鎢或上述材料形成的復(fù)合材料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)控結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括連接在上、下電 極板之間的測(cè)量電路，用于測(cè)量上、下電極板之間的電容值。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的監(jiān)控結(jié)構(gòu)，其特征在于，通過(guò)硅片級(jí)測(cè)試來(lái)監(jiān)控 所述電容值。
8. —種紅外探測(cè)器像元應(yīng)力的監(jiān)控方法，用于監(jiān)控一紅外探測(cè)器像元結(jié)構(gòu) 中的應(yīng)力，其特征在于，所述監(jiān)控方法包括下列步驟a. 在硅襯底上依次制作金屬反射層，犧牲層，釋放保護(hù)及支撐層，敏感材 料層，以及金屬電極，其中，所述制作過(guò)程采用與待監(jiān)控的紅外探測(cè)器像元結(jié) 構(gòu)相同的工藝條件完成，且所述金屬電極不經(jīng)過(guò)圖形化處理；b. 將所述金屬反射層作為一下電極板，金屬電極作為一上電極板，獲取一 標(biāo)準(zhǔn)工藝條件下，上、下電極板之間的電容值作為一參考電容值； C.對(duì)不同工藝條件下，上、下電極板之間的電容值進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)得的 電容值與參考電容值進(jìn)行比較，以判斷所述待監(jiān)控的紅外探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)中的 應(yīng)力類型及相對(duì)大小。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的監(jiān)控方法，其特征在于，還包括根據(jù)步驟b和 步驟c的測(cè)量結(jié)果計(jì)算電容變化值，并判斷該電容變化值是否超出了一預(yù)設(shè)范 圍，若是，則停止當(dāng)前的紅外探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)制作工藝。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的監(jiān)控方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)范圍是參考電 容值的±10%以內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種紅外探測(cè)器像元應(yīng)力的監(jiān)控結(jié)構(gòu)及監(jiān)控方法，用于監(jiān)控紅外探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力。所述監(jiān)控結(jié)構(gòu)采用與紅外探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)相同的制造工藝制造，其包括從下至上依次層疊的金屬反射層，犧牲層，釋放保護(hù)及支撐層，敏感材料層，以及覆蓋于所述敏感材料層上的未經(jīng)過(guò)圖形化處理的金屬電極，所述金屬反射層作為一下電極板，金屬電極作為一上電極板，利用上、下電極板間的電容特性來(lái)監(jiān)控所述紅外探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力。本發(fā)明基于電容值隨上、下極板間距變化的原理，通過(guò)對(duì)電容值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以反映出金屬反射層與金屬電極之間的距離變化，即反應(yīng)了是否存在極板翹曲現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)在應(yīng)力影響下產(chǎn)生翹曲程度的監(jiān)控。
文檔編號(hào)B81C1/00GK101386401SQ200810201308
公開日2009年3月18日 申請(qǐng)日期2008年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月16日
發(fā)明者姜利軍, 康曉旭 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司;浙江大立科技股份有限公司