基于薄膜體聲波諧振器的mems紅外傳感器制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器，及其制備方法，依次包括金屬塊、壓電振蕩堆和聲波反射層；壓電振蕩堆和金屬塊依次沉積在聲波反射層上，壓電振蕩堆包括依次沉積在聲波反射層上的底電極、壓電層、上電極；上電極位于紅外傳感器表面即稱為紅外窗口薄膜，其材質(zhì)為具有紅外透射率的導(dǎo)電薄膜，便于紅外光線透過上電極照射在壓電層上；聲波反射層包括基片、基片上沉積的支撐層、以及基片與支撐層之間的空氣腔；壓電振蕩堆沉積在支撐層上；本發(fā)明中MEMS紅外傳感器的尺寸較小，制作成本低，制備工藝簡單，并且能夠反復(fù)使用，且可批量生產(chǎn)并集成陣列、制造成本低、易于同外部電路相兼容、無需制冷、對整個(gè)紅外波段敏感等特點(diǎn)。
【專利說明】基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器,屬于微電子【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外輻射技術(shù)在最近40多年中已經(jīng)發(fā)展成為一門新興技術(shù)科學(xué)。它在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中，特別是在科學(xué)研究、軍事工程和醫(yī)學(xué)方面起著極其重要的作用。例如在紅外制導(dǎo)火箭、紅外成像、紅外遙感等。而紅外輻射技術(shù)的重要工具就是紅外傳感器，紅外傳感器已經(jīng)在現(xiàn)代化的生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮著它的巨大作用。尤其是在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離溫度檢測與控制方面。紅外溫度傳感器以其優(yōu)異的性能，滿足了多方面的需求，因而在產(chǎn)品傳感器大顯身手的地方，紅外傳感器的發(fā)展前景也是不可估量的。
[0003]隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新技術(shù)、新材料、新工藝和新器件的相繼出現(xiàn)，人們對紅外光學(xué)進(jìn)行了深入的研究、開發(fā)。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、節(jié)省人力、提高效率、增加設(shè)備功能、確保安全、保護(hù)環(huán)境、節(jié)省資源和能源，對紅外傳感器產(chǎn)品在低功耗、可靠性、穩(wěn)定性、低成本、小型化、微型化、復(fù)合型、標(biāo)準(zhǔn)化等技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面提出了更高的要求。MEMS紅外傳感器的優(yōu)勢在于批量化的制造技術(shù)，成本低、便于集成、功耗低，相比于傳統(tǒng)技術(shù)，紅外傳感器技術(shù)呈現(xiàn)出去單一功能化特征，朝著智能化、集成化方向發(fā)展。基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器的研究越來越受到人們的重視。
[0004]薄膜體聲波諧振器(FBAR)由于其高工作頻率、高品質(zhì)因素(Q值)、低溫度系數(shù)、高功率承載能力、可集成以及體積小的特點(diǎn)，近年來得到廣泛重視，并在無線通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。有多個(gè)FBAR串并聯(lián)可以構(gòu)成一定帶通或帶阻特性的射頻濾波器，濾潑器的帶寬主要由所組成的單個(gè)FBAR諧振頻率點(diǎn)決定，濾波器滾降特性主要由所組成的單個(gè)FBAR諧振峰Q值決定。如果基于單個(gè)薄膜體聲波諧振器的紅外傳感器具有良好的傳感性能，那么由其組成的濾波器、振蕩器、多工器等也可以實(shí)現(xiàn)紅外傳感特性。那么，尋找一種低功耗、可靠穩(wěn)定、可集成化的可基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器成為迫切的需要。
[0005]現(xiàn)有的紅外傳感技術(shù)雖然能夠滿足基本的傳感需求，如:紅外測溫儀，紅外成像儀，紅外人體探測報(bào)警器，自動(dòng)門控制系統(tǒng)等，但是紅外傳感器技術(shù)呈現(xiàn)出去單一元件、單一功能化特征，使得具有多功能傳感器或者能夠集成的傳感成為各個(gè)通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，受到越來越多的重視。薄膜體聲波諧振器具有體積小、可靠穩(wěn)定的特點(diǎn)，我們可以將在一個(gè)晶圓上制備多個(gè)FBAR，構(gòu)成FBAR陣列，每一個(gè)FBAR可用來實(shí)現(xiàn)不同的傳感器功能?；诒∧んw聲波諧振器的紅外傳感器陣列，可以克服現(xiàn)有單一元件、單一功能化的缺點(diǎn)，向集成化、多功能化的方向發(fā)展。
[0006]紅外探測器分為光子探測器和熱探測器兩種，光子探測器的一般需要在低溫下工作，探測波段較窄，而熱探測器由于宏觀樣品的加熱與冷卻是一個(gè)緩慢的過程，因此響應(yīng)時(shí)間較長，探測靈敏度低。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器，
技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器,其特征在于:依次包括金屬塊、壓電振蕩堆和聲波反射層；所述壓電振蕩堆和金屬塊依次沉積在聲波反射層上，其中:壓電振蕩堆包括依次沉積在聲波反射層上的底電極、壓電層、上電極；所述上電極位于紅外傳感器表面即稱為紅外窗口薄膜，其材質(zhì)為具有紅外透射率的導(dǎo)電薄膜或者露出壓電薄膜的柵格狀電極，便于紅外光線透過上電極照射在壓電層上；
所述聲波反射層包括基片、基片上沉積的支撐層；壓電振蕩堆沉積在支撐層上；所述聲波反射層為背腔刻蝕結(jié)構(gòu)、空氣隙結(jié)構(gòu)或者布拉格反射層結(jié)構(gòu)。
[0008]當(dāng)所述聲波反射層為空氣隙結(jié)構(gòu)時(shí)，所述基片與支撐層之間設(shè)置有空氣腔。
[0009]所述上電極-紅外窗口薄膜為左右結(jié)構(gòu)、上下結(jié)構(gòu)或者叉指結(jié)構(gòu)。
[0010]所述上電極-紅外窗口薄膜的紅外透射率大于60%、且紅外光線的波段為
0.76-1000um。
[0011]所述底電極的材質(zhì)為Al、Au、Pt，厚度為10-200nm。
[0012]壓電層的材質(zhì)為ZnO、AlN或者鋯鈦酸鉛(PZT)，厚度為lum_4um。
[0013]作為最優(yōu)選，所述壓電層的材質(zhì)為具有壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)的95/5的PZT材料。
[0014]所述上電極的材質(zhì)為石墨烯，采用化學(xué)氣相沉積的方式形成，厚度為6-10個(gè)原子層。
[0015]所述上電極為柵格狀的金屬電極，厚度為10-100nm。
[0016]本發(fā)明還提供所述的基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器的制備方法，包括以下步驟:
采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝在硅片上表面刻蝕3-30 μ m的空腔；然后在硅片表面熱生長一層二氧化硅薄膜，保護(hù)硅片在后續(xù)工藝過程中不受到影響；隨后淀積一層犧牲層材料(可選用磷石英玻璃PSG或者鈦Ti)，并采用化學(xué)機(jī)械拋光去掉多余犧牲層；然后直流磁控濺射沉積下電極，之后用溶膠-凝膠的方法在下電極上生長壓電薄膜，即壓電層；化學(xué)氣相沉積生長上電極并圖形化后使用電子束蒸發(fā)的方式沉積金屬塊；最后去除犧牲層形成空氣隙，釋放出壓電三明治結(jié)構(gòu)。
[0017]有益效果:本發(fā)明提供的基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器，當(dāng)紅外光線照射在MEMS傳感器的敏感薄膜上時(shí)，薄膜表面溫度的上升使得壓電層內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，降低了體聲波的傳播速度，從而導(dǎo)致整個(gè)諧振器諧振點(diǎn)漂移，通過測量諧振器諧振點(diǎn)漂移大小獲得該像素點(diǎn)的紅外光強(qiáng)，最終實(shí)現(xiàn)對紅外物體的成像。本發(fā)明中基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器的尺寸較小，制作成本低，制備工藝簡單，并且能夠反復(fù)使用，且可批量生產(chǎn)并集成陣列、制造成本低、易于同外部電路相兼容、無需制冷、對整個(gè)紅外波段敏感等特點(diǎn)。具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器采用薄膜堆疊結(jié)構(gòu)，和外接分離元件或者集成微機(jī)電系統(tǒng)MEMS電容相比，可以減小器件尺寸，降低成本，同時(shí)其體積小、頻率高、性能好、可集成等優(yōu)點(diǎn)使其能夠達(dá)到射頻電路要求的頻率，其制備工藝相對簡單，能都在反復(fù)使用。(2)基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器能夠在低電壓電源下工作，其探測的波長范圍完全在紫外光譜區(qū)，具有較高的靈敏度、高光響應(yīng)特性，并且抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定可靠壽命長、耗電少。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明中采用背腔刻蝕結(jié)的薄膜體諧振器的剖面圖；
圖2是本發(fā)明中基于FBAR器件的紅外探測系統(tǒng)；
圖3是本發(fā)明中薄膜體聲波諧振點(diǎn)的陣列；
圖4是本發(fā)明紅外線的強(qiáng)度與探測器FBAR頻率段偏移的關(guān)系圖像。
[0019]圖中:金屬塊101、上電極102、壓電層103、底電極104、支撐層105、空氣腔106、基片107、電振蕩堆108、聲波反射層109。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0021]1.基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器的制備
圖1所示，本發(fā)明中用于紅外探測薄膜體聲波諧振器FBAR包括金屬塊101、壓電振蕩堆108及其下的聲反射層109。其中，壓電振蕩堆108包括底電極104、壓電層103、上電極102 ;聲波反射層109包括基片107、支撐層105、以及空氣腔106。
[0022]FBAR振動(dòng)模式可以是剪切波模式、橫波模式或者兩者的混合模式，不同的振動(dòng)模式對應(yīng)于電極分布結(jié)構(gòu)分別為左右結(jié)構(gòu)、上下結(jié)構(gòu)和叉指結(jié)構(gòu)；本實(shí)施例中采用的是上下結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。
[0023]圖1中基于FBAR的MEMS紅外傳感器的壓電層103可以使用Ζη0、Α1Ν或者PZT材料，其厚度為l_4um之間，本實(shí)施例中采用具有壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)的PZT材料作為壓電層。PZT的高居里溫度、高優(yōu)值因子、低熱擴(kuò)散系數(shù)等性能使其成為發(fā)展非制冷紅外紅焦平面陣列器件的熱釋電材料。
[0024]圖1中FBAR上電級102以及金屬塊101也可使用柵格狀的金屬電極，柵格狀的金屬電極使得壓電層103有部分的PZT材料直接暴露在空氣中，這樣紅外線可以之間照射在PZT材料的表面。
[0025]圖1中紅外窗口即基于FBAR的MEMS紅外傳感器的上電極102，上電極薄膜的紅外線的透射率對器件的靈敏度有較大的影響，本實(shí)施例中選擇石墨烯作為上電極材料，石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層結(jié)構(gòu)，能夠探測到整個(gè)光譜的紅外線，且其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，可避免大氣或者化學(xué)物質(zhì)的侵蝕。
[0026]基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器的聲波反射層在本實(shí)施例中米用空氣腔結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例中MEMS紅外傳感器的制備步驟是采用深反應(yīng)離子刻蝕(De印RIE)在硅片上表面刻蝕3-30 μ m的空腔；然后采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的方法在硅片表面熱生長一層二氧化硅薄膜，作為器件的支撐層，其厚度為300nm;隨后淀積一層犧牲層材料(可選用磷石英玻璃PSG或者鈦Ti)，并使用化學(xué)機(jī)械拋光的的方法去掉多余的犧牲層；隨后使用正膠剝離(lift-off)工藝對硅片正面(拋光面)進(jìn)行曝光顯影，并采用電子束蒸發(fā)的方式沉積5nm的Cr、50nm的Au作為底電極104,剝離完成后形成底電極形狀。然后使用溶膠_凝膠Sol-gel法生長2um左右的PZT壓電層103陶瓷壓電薄膜。隨后將襯片置于快速退火爐中，退火的條件為常壓400°C，lOmin，完成第一次退火以后將PZT刻蝕出通孔；然后使用化學(xué)氣相沉積(CVD)沉積6-10層石墨烯并使用電感耦合等離子的方法刻蝕出上電極102 ;隨之使用與底電極相同的工藝步驟沉積IOOnm的金屬塊101 ;最后去將基片置于丙酮溶液中除犧牲層形成空氣腔106，釋放出壓電三明治結(jié)構(gòu)。
[0027]2.紅外探測器件的組裝
本實(shí)施例中使用銀漿烘電極引線，所述形成的金屬塊用銀漿引出電極引線，然后在薄膜的電極引線孔上涂滿銀漿，然后把金屬絲放在銀漿上，在烘箱內(nèi)烘干，烘烤條件為150°C /Ih0要注意的是銀漿不能再空氣中放置時(shí)間過長。將焊接好的基片置于用于測試的PCB板上，并用銀漿將電極引線的另一端焊接。
[0028]3.基于的薄膜體聲波諧振器的紅外探測
圖2為FBAR器件的紅外探測系統(tǒng)，本實(shí)施例中網(wǎng)絡(luò)分析儀的型號為Agilent 8714ET，其用于顯示FBAR器件的諧振曲線，其諧振峰值的變化使用Labview軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測。
[0029]4.基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器陣列
圖3是基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器的陣列，薄膜體聲波諧振器因具有體積小、可靠穩(wěn)定的特點(diǎn)，可以將在一個(gè)晶圓上制備多個(gè)FBAR，構(gòu)成FBAR陣列，每一個(gè)FBAR可用來實(shí)現(xiàn)不同的傳感器功能?；诒∧んw聲波諧振器的紅外傳感器陣列，可以克服現(xiàn)有單一元件、單一功能化的缺點(diǎn)，向集成化、多功能化的方向發(fā)展。
[0030]圖4是基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器的頻率偏移與紅外線光強(qiáng)的關(guān)系O
[0031]本發(fā)明中基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外探測器具有體積小、分辨率高、可批量生產(chǎn)并集成陣列、制造成本低、易于同外部電路相兼容、無需制冷、對整個(gè)紅外波段敏感等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了一般熱型探測器件與光量子型探測器件的不足，因而適用于受到功耗、體積和制冷能力限制，同時(shí)要求具有卓越性能的制導(dǎo)、衛(wèi)星偵察及空間技術(shù)等領(lǐng)域。
[0032]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器,其特征在于:依次包括金屬塊、壓電振蕩堆和聲波反射層；所述壓電振蕩堆和金屬塊依次沉積在聲波反射層上，其中:壓電振蕩堆包括依次沉積在聲波反射層上的底電極、壓電層、上電極；所述上電極位于紅外傳感器表面即稱為紅外窗口薄膜，其材質(zhì)為具有紅外透射率的導(dǎo)電薄膜或者露出壓電薄膜的柵格狀電極，便于紅外光線透過上電極照射在壓電層上； 所述聲波反射層包括基片、基片上沉積的支撐層；壓電振蕩堆沉積在支撐層上；所述聲波反射層為背腔刻蝕結(jié)構(gòu)、空氣隙結(jié)構(gòu)或者布拉格反射層結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器，其特征在于:當(dāng)所述聲波反射層為空氣隙結(jié)構(gòu)時(shí)，所述基片與支撐層之間設(shè)置有空氣腔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器，其特征在于:所述上電極-紅外窗口薄膜為左右結(jié)構(gòu)、上下結(jié)構(gòu)或者叉指結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器，其特征在于:所述上電極-紅外窗口薄膜的紅外透射率大于60%、且紅外光線的波段為0.76-1000um。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器，其特征在于:所述底電極的材質(zhì)為Al、Au、Pt，厚度為10-200nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器，其特征在于:壓電層的材質(zhì)為ΖηΟ、Α1Ν或者鋯鈦酸鉛(PZT)，厚度為lum_4um。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器，其特征在于:所述壓電層的材質(zhì)為具有壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)的95/5的PZT材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器，其特征在于:所述上電極的材質(zhì)為石墨烯，采用化學(xué)氣相沉積的方式形成，厚度為6-10個(gè)原子層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器，其特征在于:所述上電極為柵格狀的金屬電極，厚度為10-100nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于薄膜體聲波諧振器的MEMS紅外傳感器的制備方法，包括以下步驟:采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝在硅片上表面刻蝕3-30 μ m的空腔；然后在硅片表面熱生長一層二氧化硅薄膜，保護(hù)硅片在后續(xù)工藝過程中不受到影響；隨后淀積一層犧牲層材料，并采用化學(xué)機(jī)械拋光去掉多余犧牲層；然后直流磁控濺射沉積下電極，之后用溶膠-凝膠的方法在下電極上生長壓電薄膜，即壓電層；化學(xué)氣相沉積生長上電極并圖形化后使用電子束蒸發(fā)的方式沉積金屬塊；最后去除犧牲層形成空氣隙，釋放出壓電三明治結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】B81C1/00GK104030234SQ201410245702
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月4日
【發(fā)明者】胡娜娜, 董樹榮, 駱季奎, 郭維, 卞曉磊 申請人:江蘇艾倫摩爾微電子科技有限公司