專利名稱：微橋結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制作微橋的一種方法與微橋的一種新結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)例如可以用在探測(cè)入射輻射的成象器件上。本發(fā)明自熱成象領(lǐng)域產(chǎn)生，但并不必局限于該領(lǐng)域。
基于熱探測(cè)器的二維陣列的紅外成象攝像機(jī)因其工作在室溫附近而具有吸引力。用于紅外成象的熱探測(cè)器仰賴于傳感材料吸收紅外輻射而產(chǎn)生的溫度變化。現(xiàn)場(chǎng)的溫度每變化1℃導(dǎo)致探測(cè)器中大約0.001℃的溫度變化，因此試圖使被吸收的輻射量最大化是重要的。
傳感材料具有溫度相關(guān)的性質(zhì)，此種性質(zhì)允許溫度上的變化幅度能夠應(yīng)用電子學(xué)線路來(lái)探測(cè)、放大以及顯示。實(shí)例是熱電陣列，它依賴于鐵電材料中出現(xiàn)的電極化隨溫度的變化；電阻式微測(cè)熱輻射計(jì)陣列，它利用某些材料中出現(xiàn)的電阻隨溫度的變化。
在所有各種熱探測(cè)器中，有利的是要最大程度地提高傳感材料因吸收紅外輻射而產(chǎn)生的溫升。溫升由于將熱量從傳感材料帶走的任何熱傳導(dǎo)機(jī)制而減小。這就導(dǎo)致了探測(cè)器的設(shè)計(jì)需要最大程度地實(shí)現(xiàn)傳感材料的熱絕緣。對(duì)電讀出與機(jī)械剛性的要求是指，對(duì)于大部分實(shí)用的探測(cè)器來(lái)說(shuō)，傳感材料需要實(shí)現(xiàn)物理連接。
紅外(IR)成象仰賴于所有物體輻射能量均有一個(gè)與其溫度相關(guān)的峰值波長(zhǎng)這樣一個(gè)事實(shí)。對(duì)于具有周圍溫度的物體，該峰值波長(zhǎng)處于紅外而約為10μm。更熱的物體其輻射也更強(qiáng)。IR成象典型的情況涉及采用可能是鍺制作的透鏡來(lái)收集和聚焦輻射到位于光學(xué)系統(tǒng)焦平面上的傳感元件陣列。這些元件通常是微電容器或微電阻器(微測(cè)熱輻射計(jì))，其特性參數(shù)(分別為電荷或電阻)與溫度相關(guān)。微測(cè)熱輻射計(jì)通常采用“微量切削加工技術(shù)”在硅的襯底上形成。這里涉及沉積和采用光刻方法在犧牲層上制作出活性層圖案而最后刻蝕掉留下一個(gè)獨(dú)立式的熱絕緣結(jié)構(gòu)。
這樣的一個(gè)結(jié)構(gòu)如附

圖1所示，其中腿2，4支撐元件1的主體于襯底上(圖中未示)。腿2，4保證向主體提供機(jī)械支撐但對(duì)襯底則具有低導(dǎo)熱性。
每個(gè)元件生成一個(gè)正比于它的溫度的電信號(hào)，而這又依賴于它或它的鄰層所吸收的紅外能量。電信號(hào)必須隨后用一個(gè)兼有濾波及放大功能的電路讀出。
傳統(tǒng)上用以探測(cè)紅外輻射的量子器件要求冷卻到液氮溫度。這里描述的“非冷卻”技術(shù)運(yùn)作在室溫下。因?yàn)榧t外輻射不為煙霧所遮蔽，這種技術(shù)也在消防應(yīng)用中發(fā)揮作用。還可以在不需要高分辨成象的場(chǎng)合下應(yīng)用。紅外傳感元件能夠用到簡(jiǎn)單的“闖入者探測(cè)器”或火災(zāi)探測(cè)器上。
現(xiàn)時(shí)電阻微橋有兩種基本形式。第一種是均勻形式，如附圖2a剖面所示。在這類微測(cè)熱輻射計(jì)中，微橋由一種材料制成，該材料的溫度因吸收輻射而改變，其性質(zhì)隨之而改變。材料性質(zhì)的變化用某種方式測(cè)定出來(lái)，或許采用測(cè)量通過(guò)橋的電流變化的方法。熟練技術(shù)人員將會(huì)理解，當(dāng)均勻微橋能夠很好地工作時(shí)，其性能可能不如期望的有效。
第二種可以稱為“支撐薄膜(film-on-support)”微橋，它提供一種溫度相關(guān)的(可以是電阻性的)材料以薄膜的形式貼在支撐橋上。這種支撐物上薄膜微橋的剖面表示見(jiàn)附圖2b。橋吸收相關(guān)波長(zhǎng)的入射熱輻射，導(dǎo)致橋中的溫度變化，從而影響電阻性材料的電阻。通常電阻性材料是一種金屬，在它放置在橋上時(shí)，反射一部分入射輻射，使微測(cè)熱輻射計(jì)的靈敏度降低。此外，設(shè)置金屬于橋的頂部要求加工通過(guò)橋的通孔，這就需要更多的工序。
微橋結(jié)構(gòu)的實(shí)例見(jiàn)于微機(jī)電系統(tǒng)雜志1996年12月第5卷第4期Shie，Chen，et al.一文(Journal of Microelectromechanicalsystem Vol 5，No4，December 1996)。然而，該文給出的微測(cè)熱輻射計(jì)的加工過(guò)程有可能比所期望的會(huì)要復(fù)雜一些。橋在一個(gè)采用異向性濕法刻蝕加工的V形槽范圍形成。
另外一種微橋結(jié)構(gòu)也在US 5 698 852中給出，那里一個(gè)鉭層提供電阻器于一層SiO2形成的橋的底面。然而，這個(gè)文件顯示電阻性微測(cè)熱輻射計(jì)部分夾在兩層SiO2之間。此項(xiàng)美國(guó)專利所展示的微測(cè)熱輻射計(jì)比了這里描述的微測(cè)熱輻射計(jì)在結(jié)構(gòu)上要復(fù)雜得多?？梢岳斫猓?jiǎn)化結(jié)構(gòu)及工序會(huì)降低器件成本，也有助于增加產(chǎn)量。
按照發(fā)明的第一個(gè)方面，提供了一個(gè)在一個(gè)襯體上加工微橋器件的方法，包括以下步驟
a 提供犧牲材料于襯底的表面區(qū)域；b 圖案刻蝕犧牲材料；c 提供傳感材料于犧牲材料的表面區(qū)域；d 提供支撐材料于傳感材料的表面區(qū)域；和e 除去犧牲材料使支撐材料、傳感材料處于其下表面，基本獨(dú)立于襯底之上。
本方法有利之處在于它提供了一種微橋結(jié)構(gòu)，其所用的方法比起現(xiàn)有技術(shù)具有較少工序。熟練技術(shù)人員將會(huì)理解，減少工序數(shù)目是有很大好處的，因?yàn)檫@往往會(huì)增加加工過(guò)程的產(chǎn)量，也會(huì)降低采用此法加工的器件成本。
有利的是，支撐元件以單層材料構(gòu)成，同時(shí)提供了對(duì)于傳感材料的物理支撐以及起著入射輻射的吸收體的作用。
傳感材料可以是導(dǎo)電材料。這樣一種材料適合于提供一種在其中測(cè)量電阻變化的微橋結(jié)構(gòu)。微橋器件最好是一種微測(cè)熱輻射計(jì)，其中傳感材料構(gòu)成電阻器。
另一方面，傳感材料也可以是鐵電材料。這種材料適合于提供一種在其中測(cè)量電荷變化的微橋結(jié)構(gòu)。
襯底最好要有電子學(xué)線路設(shè)置在內(nèi)。這樣的好處是它允許提供處理電子學(xué)線路來(lái)處理來(lái)自微橋的信號(hào)，并允許提供一個(gè)兼有微橋與處理電子學(xué)線路的單個(gè)密封裝置(package)。設(shè)置最佳處理電子學(xué)線路在某些現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)中可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。例如，在Shie，Chen，et al.的論文中，設(shè)置在微橋結(jié)構(gòu)下面的V形槽大概是要避免在微橋器件的平面區(qū)域底下設(shè)置這種電子學(xué)—襯底上設(shè)置電子學(xué)線路的區(qū)域被刻蝕掉。所以，用這種方法提供的結(jié)構(gòu)可以在微橋器件底下留出一個(gè)可以設(shè)置信號(hào)處理電子學(xué)線路的區(qū)域。
這個(gè)方法最好要與CMOS的處理步驟相兼容。這樣的好處是因?yàn)樵试S采用標(biāo)準(zhǔn)加工過(guò)程從而一般地能夠降低按照此法加工器件的成本。
方便地，相關(guān)過(guò)程的步驟b包括設(shè)置通過(guò)犧牲材料的通孔以便連接到襯底上的電子學(xué)線路。這樣一步是提供具有處理電子學(xué)線路與微橋的單一密封裝置的便利方法。熟練技術(shù)人員可以理解，采用一種通常的光抗蝕劑來(lái)制作犧牲層的圖案或者采用光可描摹的聚合物作為犧牲層，可以使通孔的位置得以確定下來(lái)。
在一種實(shí)施方案中，犧牲層為聚酰亞胺，后者可以是旋轉(zhuǎn)沉積并凝固的。犧牲材料可以應(yīng)用到大約3μm的厚度。但是，在另外一種實(shí)施方案中，犧牲材料可以應(yīng)用到大約1.5-6μm厚度，或者可以在大約2-4.5μm之間?？梢岳斫猓瑺奚牧系暮穸戎渲罱K微橋結(jié)構(gòu)中襯底上面的傳感材料的高度。
本方法可包括采用一種刻蝕溶劑以保證在犧牲層沉積之后除去所有抗蝕層的步驟?？涛g溶劑可為EKC。
傳感材料可為鈦(Ti)。鈦的好處是它的特性隨溫度而變化，也因?yàn)樗肼曀降?。此外，鈦具有高電阻率，它使得?duì)CMOS電路的設(shè)計(jì)優(yōu)化比其它傳感材料的優(yōu)化更為容易。熟練技術(shù)人員會(huì)理解，對(duì)于兩個(gè)相等部分的材料，具有較高電阻率的那部分的電阻較高。
傳感材料可以借助于濺射沉積方法沉積下來(lái)，這提供了一種與CMOS相兼容的方便方法。傳感材料可以沉積到大約0.2μm的厚度。
然而，熟練技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到其它厚度也可能合適。例如，傳感材料可以提供到大約0.05-0.3μm范圍的厚度，或者大約0.1-0.25μm。如果微橋器件是一個(gè)微測(cè)熱輻射計(jì)，則傳感材料可以形成電阻器。希望該電阻器的電阻相對(duì)地高，因?yàn)檫@樣使得從微測(cè)熱輻射計(jì)提供的信號(hào)較易于處理。在這個(gè)范圍里提供傳感材料保證了合適的電阻。大于這個(gè)范圍的厚度可能會(huì)過(guò)多地降低電阻。
這里描述的厚度和電阻在傳感材料為鈦時(shí)是特別合適的。如果傳感材料是別的材料，則其它厚度可能適用。
在另外一種實(shí)施方案中，傳感材料可為非晶硅、氧化釩、鉑、鎳、鋁或上述金屬中的任何一種具有合適性質(zhì)的合金。
傳感材料可以具有3.3Ω/sq的薄層電阻。另一種情況，傳感材料可以具有大約1.5-6Ω/sq的薄層電阻或大約2.5-4.5Ω/sq的薄層電阻。
方便地，本方法的步驟C是將傳感材料從位于襯底上用來(lái)調(diào)準(zhǔn)其隨后各層的光學(xué)調(diào)準(zhǔn)靶(OAT)上去除。這樣一步的好處是簡(jiǎn)化了此方法的余下步驟從而使余下各層較易于定位。熟練技術(shù)人員將會(huì)清楚，在使用晶片分檔器時(shí)，OAT是必不可少的。
本方法的步驟b也可以包括從位于襯底的OAT去除犧牲材料這一步驟。如果犧牲材料是二氧化硅以外的材料的話，這樣一步特別有好處。
支撐材料最好沉積在傳感材料的表面區(qū)域。這個(gè)沉積過(guò)程可由等離子體增強(qiáng)化學(xué)相汽沉積(PECVD)、低壓化學(xué)汽相沉積(LPCVD)或者濺射來(lái)達(dá)到。
支撐材料可以沉積到大約1μm的深度。這個(gè)深度是適宜的因?yàn)樗峁┝俗銐虻慕Y(jié)構(gòu)剛性。然而，熟練技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到其它的厚度范圍可能是合適的。例如支撐材料的厚度可以是大約0.05μm、0.1μm、0.5μm到或許是大約2μm、3μm、4μm、5μm。
最好，本方法應(yīng)用支撐材料為大約±10％的精確度。從上面的討論可以理解，探測(cè)器必須和周圍環(huán)境熱絕緣。一般地，這是通過(guò)提供一個(gè)由一對(duì)腿支撐的(支撐材料做的)微橋結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到的。在這樣的一個(gè)結(jié)構(gòu)里，腿提供了橋與晶片或襯底之間的熱接觸。腿太粗是不利的，因?yàn)楦嗟臒釓木蛞r底傳送到橋而降低微橋結(jié)構(gòu)的靈敏度。若腿太細(xì)則橋結(jié)構(gòu)沒(méi)有足夠的機(jī)械支撐。因此在提供牢固的支撐和提供熱絕緣之間要有一個(gè)折衷的考慮。
熟練技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，微橋結(jié)構(gòu)可以裝備有兩條以外的腿。微橋結(jié)構(gòu)可以裝備有1、3、4、5、6、7、或更多條腿。
本方法可以包括應(yīng)用厚度約為1/4λ的支撐材料，λ是在支撐材料中被考慮的入射輻射的波長(zhǎng)。熟練技術(shù)人員將會(huì)理解，輻射波長(zhǎng)會(huì)根據(jù)其傳播的材料而改變。應(yīng)用支撐材料到這樣的厚度的好處是造成具有被考慮的波長(zhǎng)的輻射從支撐材料的底面反射回來(lái)時(shí)與入射到橋上的輻射發(fā)生相消性的干涉。此相消性干涉引起能量吸收并增加支撐材料由于被考慮波長(zhǎng)的入射輻射而產(chǎn)生的溫升。
支撐材料被方便地形成圖案并刻蝕成所需結(jié)構(gòu)。去除用來(lái)形成圖案及刻蝕支撐材料的抗蝕劑最好用刻蝕溶劑，以EKC為宜。
在一種實(shí)施方案中，支撐材料用二氧化硅，其好處是可以容易地采用CMOS處理步驟并吸收波長(zhǎng)約為8-14μm的輻射；如前面所討論的，這是微橋器件能夠方便監(jiān)測(cè)的波長(zhǎng)。有利的是，支撐材料吸收輻射使支撐材料因具有所希望的波長(zhǎng)的入射輻射而導(dǎo)致盡可能大的溫度變化。熟練技術(shù)人員將會(huì)理解，對(duì)于8-14μm以外的波長(zhǎng)，吸收相應(yīng)波長(zhǎng)的其它材料會(huì)是有利的。
本方法可以包括在襯底的表面區(qū)域提供一個(gè)反射層的另一個(gè)步驟。這樣一層可以進(jìn)一步增強(qiáng)微橋結(jié)構(gòu)吸收入射輻射的效率。
反射層可以設(shè)置在犧牲層之前的襯底的表面區(qū)域，這提供了定位反射層的方便途徑?？梢岳斫猓@種方法提供了反射層設(shè)置在襯底頂部區(qū)域的一種微橋結(jié)構(gòu)，其中微橋結(jié)構(gòu)基本上是高懸在反射層之上的。
本方法方便地提供了金屬制作的反射層，可以采用以下任何一種金屬材料鋁、鈦、鎳鉻合金、鉑、鎳或者任何一種它們的合金。
反射層可以用濺射、蒸發(fā)或者任何其它適當(dāng)?shù)募夹g(shù)來(lái)提供，對(duì)此本領(lǐng)域技術(shù)人員是會(huì)理解的。
犧牲層方便地通過(guò)砂磨(ashing)去除，砂磨可在氧等離子體中進(jìn)行，這提供了一種有效的過(guò)程來(lái)去除犧牲材料而不與犧牲材料的覆蓋層相干擾。
在本方法的步驟e之后，熱退火更最好在襯底上進(jìn)行。熱處理之所以有利是因?yàn)樗S持鈦的電阻的溫度系數(shù)的升高值，并可保證電路中的接觸都是正確構(gòu)成的，等等。熱退火可由快速熱退火過(guò)程或者工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)爐退火來(lái)達(dá)到。
傳感材料可以至少以一條軌道提供出來(lái)。本方法更為可取的是設(shè)置一條軌道使具有特定偏振的入射輻射不能從那里通過(guò)。要做到這點(diǎn)的話，可以安排軌道使之處在阻止具有偏振的輻射通過(guò)的方式。特別是，軌道可以設(shè)置成具有長(zhǎng)度是互相橫向的。軌道可以設(shè)置成具有基本長(zhǎng)度是互相平行的，或者可以是互相橫向的，或者可以是互相正交的。在其它的實(shí)施方案中，本方法可以包括提供具有曲線部分的軌道。曲線部分可為圓、橢圓等等。
一個(gè)匹配層可以設(shè)置在支撐材料之上的區(qū)域中，以適合于吸收入射輻射。匹配層可為鎳鉻合金，并可由蒸發(fā)或者濺射提供。
匹配層的好處是可以使微橋結(jié)構(gòu)的折射率與自由空間的折射率匹配起來(lái)。熟練技術(shù)人員會(huì)理解，當(dāng)一個(gè)波前入射到具有不同折射率的材料的邊界時(shí)，就發(fā)生一定程度的反射。很清楚，如果具有該波長(zhǎng)的入射輻射發(fā)生反射，則因響應(yīng)輻射而產(chǎn)生的信號(hào)就會(huì)減弱。因此盡可能地減小出現(xiàn)于微橋上部表面的反射的量是有好處的。
匹配層可沉積到它具有所要求的每100平方英尺電阻。電阻可為大約377Ω/sq.。換言之，電阻可以處在大約250-500Ω/sq.的范圍內(nèi)，或者處在大約320-430Ω/sq.的范圍內(nèi)。
本方法可以進(jìn)一步包括在密封的密封裝置中提供微橋結(jié)構(gòu)。密封密封裝置可充以具有低熱導(dǎo)率的氣體(氙是一例)或者更的優(yōu)選地是可以將密封的密封裝置抽成真空。
按照發(fā)明的第二個(gè)方面，微橋結(jié)構(gòu)有一襯底，其上設(shè)置微橋結(jié)構(gòu)的支撐元件，支撐元件的下側(cè)則設(shè)置傳感材料，傳感材料由支撐元件支撐在襯底之上但在聯(lián)結(jié)區(qū)域與襯底上的軌道相連。
這樣一種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是其加工比了采用現(xiàn)有技術(shù)的器件簡(jiǎn)單，因而可以提供較高的產(chǎn)量和較為廉價(jià)的器件。
最好，支撐元件包括一個(gè)二氧化硅(SiO2)的區(qū)域。這是一種方便的材料，易于在CMOS過(guò)程中實(shí)現(xiàn)并強(qiáng)烈地吸收所考慮波長(zhǎng)的電磁波。
支撐元件可以是大體在平面上呈正方形的，這提供了用以構(gòu)成微橋結(jié)構(gòu)陣列的一個(gè)有效形狀。
在一種實(shí)施方案中，支撐元件在平面上大體上是呈正方形的，其尺寸為大體上50μm一邊。在另外一種實(shí)施方案中。支撐元件可以是邊長(zhǎng)約為25-100μm，或者可以為35-75μm。
支撐元件可裝備適合于將支撐元件懸于襯底之上的腿部分。這種腿部分的好處是它們?yōu)橹卧c襯底之間設(shè)置熱絕緣。熱絕緣是有益的，因?yàn)楸匦栌晌蚪Y(jié)構(gòu)測(cè)量的溫度變化量值不大，在襯底的熱質(zhì)量不予排除的情況下大概會(huì)被漏掉的。
方便地，傳感材料也設(shè)置在腿部的下面一邊。這樣一種結(jié)構(gòu)也是方便的，因?yàn)樗峁┝艘环N結(jié)構(gòu)，其中在支撐元件上的傳感材料能夠容易地連接到襯底上的電路元件。
傳感材料最好是傳導(dǎo)材料；在該情況下，傳感材料可形成一個(gè)電阻器。
另一方面，傳感材料可以是鐵電材料；在那種情況下，傳感元件可形成一個(gè)電容器的電介質(zhì)。
這樣的結(jié)構(gòu)是方便的，因?yàn)樗鼈兲峁┝藴y(cè)量支撐材料內(nèi)的溫度變化的手段(亦即電阻器電阻的變化，或者由電容器介質(zhì)形成的電容器中電荷的變化)。
電阻器可以連接到一個(gè)裝在襯底上的CMOS晶體管。這提供了一個(gè)方便的結(jié)構(gòu)，用以處理微橋結(jié)構(gòu)所提供的信息。
晶體管可以被安排成一個(gè)方便結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)，用以在正確的瞬間連接電阻器到處理電子學(xué)線路上來(lái)測(cè)量其電阻。
電阻器的電阻可以是大約3kΩ。換言之，電阻器的電阻可以是大約1.5-6kΩ，或者可以是大約2-4.5kΩ。
傳感材料可為金屬，特別是可為鈦，后者是利用CMOS相兼容過(guò)程的方便材料。此外，鈦顯示出與溫度相關(guān)的電阻，使其特別適合于此種應(yīng)用并具有相對(duì)高的電阻率。在另外一種實(shí)施方案中，像非晶態(tài)硅、氧化釩、鉑、鎳、鋁、任何一種上述金屬的合金等材料都可以制備傳感材料。
電阻器最好設(shè)置為支撐元件上的軌道。這樣是有利的，因?yàn)樗试S電阻器的長(zhǎng)度最大化從而增大其所能提供的電阻值。具有較大的電阻本身是有利的因?yàn)檫@樣使得探測(cè)電子學(xué)線路能夠比較簡(jiǎn)單地處理來(lái)自一個(gè)較高值的電阻器的讀數(shù)。
方便地，軌道具有彎曲的結(jié)構(gòu)，這是一種使軌道長(zhǎng)度最大化的方便結(jié)構(gòu)。彎曲結(jié)構(gòu)最好在橫向有主要部分。各個(gè)橫向可以基本上是互相垂直的。這種橫向的好處是有助于防止具有特定偏振的輻射不被吸收地通過(guò)傳感元件。
熟練技術(shù)人員將會(huì)理解，在某些實(shí)施方案中支撐元件的厚度滿足入射輻射在支撐元件的材料中大體為1/4λ的條件。這樣，具有所考慮的波長(zhǎng)的輻射入射到支撐元件后可能由下表面反射回到支撐元件的頂部表面，并與具有所考慮的波長(zhǎng)的入射輻射發(fā)生相消性干涉。設(shè)置靈敏材料于支撐元件的下面一側(cè)會(huì)有助于這個(gè)反射過(guò)程并保證具有特定偏振的輻射可以不通過(guò)可以進(jìn)一步增強(qiáng)這個(gè)反射過(guò)程。
方便地，支撐元件可以具有希望測(cè)量的大體上1/4輻射波長(zhǎng)的厚度。這樣取值所以有利的理由已在上文指出。特定地，支撐元件可具有厚度大體為1μm。在另外一個(gè)實(shí)施方案中，支撐元件可具有厚度大約0.5-2μm，或可為0.75-1.5μm。
一個(gè)反射層可以提供來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)從襯底通過(guò)微橋結(jié)構(gòu)反射回到微橋結(jié)構(gòu)的輻射的百分率。反射層可以設(shè)置在襯底的頂部區(qū)域在襯底與微橋結(jié)構(gòu)之間的間隙之下。
方便的是，反射層由下列任何一種金屬加工而成鋁、鈦、鎳鉻合金、鉑、鎳或這些金屬中任何一種的合金。
微橋結(jié)構(gòu)可以另外包括一個(gè)匹配層，它可以設(shè)置在支撐元件的最上面。這樣一個(gè)匹配層是有利的，因?yàn)樗橇硪环N機(jī)制，用以保證具有所考慮的波長(zhǎng)的入射輻射盡可能大地被吸收。該匹配層可以幫助結(jié)構(gòu)格外強(qiáng)烈地在被考慮的波長(zhǎng)上吸收輻射。
熟練技術(shù)人員將會(huì)理解，當(dāng)一個(gè)波前在兩個(gè)介質(zhì)間通過(guò)時(shí)會(huì)出現(xiàn)某種程度的反射。因此，匹配層可以將微橋結(jié)構(gòu)與自由空間的折射率匹配起來(lái)。這樣是有利的，因?yàn)檫@可以使微橋器件頂部表面反射的量盡可能地小。
按照發(fā)明的第三個(gè)方面，設(shè)置了一個(gè)傳感器，與按照本發(fā)明的第二部分的微橋結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)。
傳感器可以是一個(gè)壓力傳感器。因?yàn)?，?duì)于一個(gè)特定偏置電流，微橋結(jié)構(gòu)溫度與由于周圍氣體所引起的熱傳導(dǎo)相關(guān)，它可以測(cè)量這些氣體的壓力。傳感器可設(shè)想為匹拉尼(Pirani)壓力計(jì)。
如果傳感器是匹拉尼壓力計(jì)，犧牲材料可以采用按照本發(fā)明的第一部分的方法沉積到大約0.1μm的深度?？赡艿脑?，犧牲材料可以沉積到以下的大約任何一種深度0.05μm、0.075μm、0.125μm或0.15μm。
傳感器可以是流量傳感器。微橋結(jié)構(gòu)對(duì)于給定偏置電流的溫度將與熱量以多快速率被氣流或液流帶走相關(guān)，因而可以用作流量傳感器。
當(dāng)然，傳感器可以用作紅外傳感器，在諸如火災(zāi)探測(cè)、闖入者警報(bào)、紅外成象或自動(dòng)檢查方面得到應(yīng)用。
確實(shí)，傳感器還可以是一個(gè)紅外發(fā)射器，因?yàn)槲蚪Y(jié)構(gòu)的溫度在適當(dāng)?shù)碾娏魍ㄟ^(guò)它時(shí)將會(huì)改變。這樣一個(gè)發(fā)射器可以對(duì)于生成目標(biāo)的紅外特征有用，或許用于模擬的目的。
以下通過(guò)實(shí)例根據(jù)附圖給出發(fā)明的詳細(xì)描述圖1表示典型的微橋器件示意2表示三種不同類型的微橋結(jié)構(gòu)截面3表示按照本發(fā)明的微橋結(jié)構(gòu)加工過(guò)程圖示圖4a，b，c表示圖1的微橋器件的下邊的等角5及圖6表示按照本發(fā)明的微橋結(jié)構(gòu)掃描電子顯微1示出一個(gè)典型的微橋器件，在這情況下是微測(cè)熱輻射計(jì)。這里有主體1，適合于吸收入射于其上的我們所考慮的波長(zhǎng)的輻射。有腿2和4，用來(lái)支撐在襯底(未畫(huà)出)上的主體1，并提供與襯底之間的熱絕緣。襯底可由半導(dǎo)體晶片構(gòu)成。
圖2a示出一種均勻橋式的微橋結(jié)構(gòu)，其中微橋基本上由均勻材料組成。若干傳感手段用來(lái)測(cè)定橋的溫度變化。傳感手段可以是讓電流通過(guò)橋從而測(cè)量電流的變化。
圖2b表示一種支撐薄膜型的微橋結(jié)構(gòu)，其中(在本情況下)金屬膜6設(shè)置在支撐橋8的頂端。金屬膜采取的形狀使之起到電阻器的作用。通孔10及12通過(guò)橋8以使電阻器連接到位于橋8下部區(qū)域的處理電子學(xué)線路。根據(jù)這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的器件存在兩個(gè)缺點(diǎn)首先，金屬膜反射一部分所考慮的波長(zhǎng)的入射輻射，從而降低設(shè)計(jì)的效率。其次，加工通孔10及12引進(jìn)了額外的關(guān)鍵性工序，不僅使器件更加昂貴，而且使加工產(chǎn)量減少。
圖2c示出微橋器件的結(jié)構(gòu)，或者在本情況下是一個(gè)按照發(fā)明加工而成的微測(cè)熱輻射計(jì)。其中金屬膜14設(shè)置于橋結(jié)構(gòu)16的下邊。
圖3概括地示出涉及加工圖2c結(jié)構(gòu)的工序簡(jiǎn)圖。加工過(guò)程的起點(diǎn)如圖3a所示是一個(gè)充分加工了的CMOS晶片20。區(qū)域22(僅顯示在圖3a中)是想表示設(shè)置在晶片20中的CMOS電路。在涉及圖3描述的實(shí)例中，該方法的起始一步包括了在晶片的上部表面設(shè)置一金屬層。此金屬層將電路22與微橋結(jié)構(gòu)連接起來(lái)。此金屬層可以要也可以不要，取決于在加工CMOS電路22時(shí)所能達(dá)到的金屬層的數(shù)目。
在涉及圖3a所描述的加工過(guò)程開(kāi)始時(shí)，晶片20具有硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)鈍化層24設(shè)置于最高的頂部表面。
如圖3b所示，公開(kāi)方法的第一步是形成圖案及刻蝕BPSG鈍化層24以打開(kāi)通孔26到電路22上。一旦通孔26打開(kāi)，就進(jìn)行預(yù)金屬清洗。這是用10∶1的氫氟酸清洗30秒達(dá)到的。
一旦清洗完成，金屬就沉積并形成了圖案。金屬軌道28形成于通孔26。在一種實(shí)施方案中，沉積出5μm的Al/1％Si，其電阻率為60-70mΩ/sq.。
如圖3d所示，一旦設(shè)置了金屬軌道28，另外一個(gè)鈍化層30沉積在晶片20的表面上。在所示的實(shí)施方案中，氮化硅由等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)法沉積至2μm的深度。
熟練技術(shù)人員會(huì)理解，如果CMOS電路具有足夠的金屬層來(lái)提供連接于擬加工的微橋結(jié)構(gòu)，則這點(diǎn)就可以是加工過(guò)程的起點(diǎn)。
一旦設(shè)置了鈍化層30，將犧牲材料32設(shè)置于晶片20的表面。這個(gè)犧牲層包括了一種能從完整的微橋結(jié)構(gòu)下面刻蝕出來(lái)的材料而沒(méi)有所要求的刻蝕來(lái)破壞結(jié)構(gòu)、傳感材料或者任何底層的CMOS電路。方便地，這種材料可以是聚酰亞胺。通常的聚酰亞胺可以在標(biāo)準(zhǔn)的光致抗蝕過(guò)程中在形成圖案時(shí)用來(lái)保護(hù)它；或者使用光可描摹的聚酰亞胺，它可以在通過(guò)防護(hù)罩在紫外光中曝光后直接形成圖案。
在所述的實(shí)施方案中，通常的聚酰亞胺是和光致抗蝕劑一起使用的。犧牲層被旋轉(zhuǎn)沉積并凝固到大約3μm的深度。在形成圖案之后，重要的是除去所有抗蝕劑層的殘跡，在此處所述的實(shí)施方案中，這是由EKC刻蝕來(lái)達(dá)到的。聚酰亞胺厚度在此清洗過(guò)程中略有減小是可以容許的。
一旦設(shè)置了犧牲材料32，將如圖3f表示的那樣形成圖案并進(jìn)行刻蝕。需要指出，鈍化層30也在軌道所在區(qū)域28被刻蝕而得以形成與金屬軌道28之間的接觸。
在形成圖案及刻蝕之后，一個(gè)厚度大體為0.2μm的鈦層34(傳感材料)被濺射沉積到被加工的晶片表面，如圖3g所示。金屬層用等離子體方法刻蝕成所要求的結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，當(dāng)傳感材料時(shí)刻成為所要求的結(jié)構(gòu)時(shí)，傳感材料就從光學(xué)調(diào)準(zhǔn)靶(OAT)上去除而有助于其后各層的粗略調(diào)準(zhǔn)。
一個(gè)大體上為1μm厚的二氧化硅36(SiO2)(支撐元件用的支撐材料)沉積在鈦的表面上34，如圖3h所示。這個(gè)氧化物層36經(jīng)過(guò)形成圖案和刻蝕，并確保采用EKC去除抗蝕劑。
在加工過(guò)程的有些實(shí)施方案中，一個(gè)匹配層(未顯示)沉積或生長(zhǎng)在氧化物層的頂部。
下一步是砂磨被加工的晶片以去除犧牲(聚酰亞胺)材料。在所述實(shí)施方案中，砂磨過(guò)程約進(jìn)行12分鐘。這個(gè)砂磨過(guò)程將支撐元件從襯底脫離開(kāi)來(lái)，并在鈦傳感材料34與鈍化層30之間留出相當(dāng)大的一個(gè)空隙38來(lái)。
加工過(guò)程的最后一步是進(jìn)行快速熱退火，在400℃溫度下約持續(xù)30秒鐘。
熟練技術(shù)人員將會(huì)理解，圖1，2c及4示出了根據(jù)圖3所示的過(guò)程加工微橋器件的結(jié)構(gòu)情況。
主要參看圖1，微橋器件48在平面內(nèi)大體上是正方形的。正方形部分包括了支撐元件50，借助于腿2，4懸在襯底(未顯示)之上。腿2，4則由于狹縫52，54而與支撐元件50分離開(kāi)來(lái)，從而保證支撐元件50與襯底之間具有良好的熱絕緣。
圖1所示的微橋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)情況，在考慮到腿2，4的結(jié)構(gòu)時(shí)，是多少有點(diǎn)簡(jiǎn)化了的。在圖1中每一條腿2，4包括了一個(gè)平面部分56處于支撐元件50的同一平面內(nèi)但由于狹縫52，54而與其分離開(kāi)來(lái)。除了平面部分56，還有一個(gè)斜面部分58，從平面部分56伸展出來(lái)，與襯底呈一角度，支撐元件50懸于襯底之上。每一條腿2，4的平面部分借助于一個(gè)聯(lián)結(jié)區(qū)連接到支撐元件50上。斜面部分處于聯(lián)結(jié)區(qū)的末端。
熟練技術(shù)人員將會(huì)理解，采用公開(kāi)了的方法加工的具有特定結(jié)構(gòu)的腿2，4可能稍有不同。腿2，4是以傳感材料覆蓋刻蝕到犧牲材料中的凹陷并以支撐材料覆蓋傳感材料而形成的。
在支撐元件50的下面一邊設(shè)置金屬軌道60(在圖2c中表示為金屬膜)，它形成一具有溫度相關(guān)性質(zhì)的電阻器。軌道60經(jīng)過(guò)襯底，上行到微橋器件的第一條腿2，穿越聯(lián)結(jié)區(qū)(形成電阻器的一個(gè)聯(lián)結(jié)區(qū))連接第一條腿2至支撐元件，彎曲地經(jīng)過(guò)支撐元件50，穿越另外一個(gè)聯(lián)結(jié)區(qū)(形成電阻器的另外一個(gè)聯(lián)結(jié)區(qū))然后下行到另一條腿4上。
自圖4a及b可以見(jiàn)到，在某些實(shí)施方案中，軌道60的彎曲路徑的主要部分所走的方向基本上是彼此垂直的。這種彎曲保證了軌道60長(zhǎng)度的最大化，得以增加軌道60提供的電阻值，在本情況下電阻值約為3kΩ。軌道采用鈦制成，其電阻的溫度系數(shù)大約是0.35％/K。
圖4c示出微橋結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施方案，其彎曲的主要部分基本上只有一個(gè)方向。
圖5及6上的掃描電子顯微圖顯示軌道具有彎曲性質(zhì)，其主要部分的走向是彼此橫向的。相信這種彎曲性質(zhì)有助于防止具有特定偏振的輻射通過(guò)微橋。
熟練技術(shù)人員將會(huì)理解，雖然軌道設(shè)置在支撐材料底下，由于微橋結(jié)構(gòu)加工過(guò)程的性質(zhì)，軌道的路徑可以在圖5及6中在支撐材料的頂部表面見(jiàn)到。
加工支撐元件所用的SiO2的厚度(支撐材料)做成相當(dāng)于在SiO2內(nèi)具有所考慮的波長(zhǎng)的入射輻射的四分之一波長(zhǎng)。熟練技術(shù)人員將會(huì)理解，輻射的波長(zhǎng)在自由空間里和在SiO2內(nèi)是不同的。在這種情況下，SiO2粗略地做成1μm厚度。
在應(yīng)用時(shí)，提供了如圖所示的器件陣列，并安排以使輻射入射其上。支撐元件50調(diào)到其吸收輻射的波長(zhǎng)范圍為8μm-14μm(但也可以調(diào)到其它波長(zhǎng))而因此經(jīng)歷了在這樣的輻射入射時(shí)的溫度變化。這個(gè)溫度變化引起軌道60的電阻值以一種已知的方式變化，而這種溫度變化可以被連接軌道60以計(jì)算入射到支撐元件的所考慮的波長(zhǎng)的輻射量的電路所用。因此，支撐元件50被安排同時(shí)起物理支撐及作為輻射吸收體的作用。最簡(jiǎn)單形式的微橋器件具有兩層(支撐材料36和傳感材料34)，兩者一起發(fā)揮三種作用物理支撐，輻射吸收和輻射探測(cè)。
腿2，4保證支撐元件50機(jī)械支撐在襯底上，但是它們的設(shè)計(jì)保證足夠的熱絕緣使得襯底的熱質(zhì)量不影響到支撐元件的溫度變化。
具有所考慮的波長(zhǎng)的輻射入射到微橋，進(jìn)入到橋的結(jié)構(gòu)。最終這個(gè)輻射擊中形成軌道60的金屬膜14，軌道60將輻射反射回微橋頂部表面。設(shè)置彎曲軌道60的圖案來(lái)保證所有偏振的輻射應(yīng)被反射回來(lái)因此而被吸收，從而增加輻射吸收。如果彎曲路徑基本上僅以單一方向行進(jìn)，則有可能一個(gè)較高部分特定取向偏振的輻射會(huì)比了其它偏振的輻射以較高部分通過(guò)軌道(雖然一大部分還會(huì)被反射回來(lái))。彎曲若在多于一個(gè)方向上發(fā)生，將有助于減小能夠通過(guò)軌道的輻射量。
因?yàn)镾iO2是所考慮的輻射的1/4波長(zhǎng)，總的光學(xué)路徑長(zhǎng)度從頂部表面到金屬膜下至底下的表面而后回到頂部表面是1/2波長(zhǎng)。所以，相消性干涉發(fā)生在頂部表面的區(qū)域內(nèi)，保證了所考慮的輻射具有高度吸收。
在某些實(shí)施方案中，匹配層可以設(shè)置在微橋的頂部表面以適合于匹配表面與自由空間即377Ω/sq.。熟練技術(shù)人員將會(huì)理解，當(dāng)一個(gè)波前通過(guò)兩種不同折射率的介質(zhì)時(shí)，就會(huì)發(fā)生一定程度的反射。匹配層有助于使該反射最小化，并進(jìn)一步增加被微橋吸收的輻射量。重要的是保證盡可能大的吸收輻射量來(lái)保證支撐元件50所經(jīng)受的溫度變化盡可能地大。
熟練技術(shù)人員將會(huì)理解，雖然這一應(yīng)用大部分討論具有波長(zhǎng)為8-14μm的輻射的吸收，所描述的工藝是可以有更加廣泛的應(yīng)用的。探測(cè)8-14μm波長(zhǎng)可能是特別有利的，因?yàn)樗痛髿馕沾跋辔呛?，在該窗口處大氣吸收為小。熟練技術(shù)人員還將理解，還有一個(gè)在3-5μm處的吸收窗口也是可以利用的。此外，同樣可能加工吸收這些波長(zhǎng)以外的輻射的器件。在這些器件中，橋結(jié)構(gòu)的材料及結(jié)構(gòu)可以需要簡(jiǎn)單地針對(duì)所考慮的波長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)熱輻射計(jì)，該測(cè)熱輻射計(jì)包括一個(gè)擁有襯底(20)的微橋結(jié)構(gòu)(14，16)，在所述襯底上設(shè)有支撐元件(16)，在所述支撐元件(16)的下邊設(shè)置電阻性傳感材料(14)，所述傳感材料(14)的電阻隨入射輻射而發(fā)生變化；該傳感材料(14)被支撐元件(16)支撐在襯底(20)之上，并且在連接區(qū)與襯底上的軌道相連接；所述支撐元件(16)基本上包括一個(gè)單層材料，其特征在于，把支撐材料(16)布置成吸收入射的輻射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的測(cè)熱輻射計(jì)，其中支撐元件(16)的厚度滿足大體為入射輻射在支撐元件(16)材料內(nèi)1/4λ的條件。
3.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的測(cè)熱輻射計(jì)，其中支撐元件(16)由SiO2制成。
4.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求的測(cè)熱輻射計(jì)，其中腿部分(2，4)被設(shè)置使得支撐元件(16)懸于襯底(20)之上而其中傳感材料(34)位于腿部分的下邊。
5.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的測(cè)熱輻射計(jì)，其中傳感材料(34)被設(shè)置成使得至少一條軌道(60)具有彎曲結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的測(cè)熱輻射計(jì)，其中彎曲結(jié)構(gòu)(60)包含有沿橫向的部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的測(cè)熱輻射計(jì)，其中各橫向基本上互相垂直。
8.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的測(cè)熱輻射計(jì)，其中一個(gè)匹配層被設(shè)置在該支撐元件(16)的最上表面。
9.一種加工包括位于襯底(20)上的微橋結(jié)構(gòu)(14，16)的測(cè)熱輻射計(jì)的方法，該方法具有以下步驟a.在襯底(20)的表面區(qū)域提供犧牲材料(32)；b.形成圖案的方式刻蝕犧牲材料(32)；c.在犧牲材料的表面區(qū)域提供電阻性傳感材料(34)，使其接觸襯底上的軌道；d.在傳感材料(34)的表面區(qū)域提供支撐材料(36)；以及e.除去犧牲材料(32)留下支撐材料(36)，電阻性傳感材料(34)位于其較低的表面，基本上獨(dú)立于襯底之上，從而布置該支撐材料使其吸收入射輻射。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中犧牲材料(32)為聚酰亞胺。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10的方法，其中該方法包括應(yīng)用支撐材料(36)使其具有厚度大約為1/4λ，此處λ為所考慮的入射輻射在支撐材料內(nèi)的波長(zhǎng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任何一項(xiàng)要求的方法，該方法包括提供傳感材料(34)使得具有特定偏振的入射輻射不能通過(guò)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任何一項(xiàng)要求的方法，其中將傳感材料(34)設(shè)置為至少一條彎曲軌道(60)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中至少設(shè)置一條軌道(60)使得其長(zhǎng)度走向互相是橫向的。
15.根據(jù)權(quán)利要求9至14中任何一項(xiàng)要求的方法，其中給微橋結(jié)構(gòu)設(shè)置了一個(gè)密封的密封裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，該方法包括向密封的密封裝置充以低熱導(dǎo)性的氣體，或者抽空該密封裝置。
17.一種傳感器，該傳感器結(jié)合了根據(jù)權(quán)利要求1至8中任何一項(xiàng)要求的微橋結(jié)構(gòu)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的傳感器，其中該傳感器為紅外傳感器和/或發(fā)射器。
全文摘要
一種加工微橋結(jié)構(gòu)(14，16)于襯底(20)上的方法。該方法包括以下步驟設(shè)置犧牲材料(32)于襯底(20)的表面區(qū)域；形成圖案的方式刻蝕犧牲材料(32)；設(shè)置傳感材料(34)于犧牲材料的表面區(qū)域；設(shè)置支撐材料(36)于傳感材料的表面區(qū)域；以及去除犧牲材料(32)留下支撐材料(36)及傳感材料(34)于其下表面上，基本上獨(dú)立于襯底(20)之上。
文檔編號(hào)G01J5/02GK1558193SQ20041000292
公開(kāi)日2004年12月29日 申請(qǐng)日期2000年8月23日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月24日
發(fā)明者J·P·吉爾哈姆, R·瓦頓, J·C·阿爾德曼, J P 吉爾哈姆, 阿爾德曼 申請(qǐng)人:秦內(nèi)蒂克有限公司