【導(dǎo)讀】本文綜述了MEMS技術(shù)的工藝及主要特點(diǎn),詳細(xì)介紹了其有代表性的非制冷紅外探測(cè)器的具體應(yīng)用及工藝結(jié)構(gòu)的制作。
MEMS技術(shù)是在微電子制造工藝基礎(chǔ)上吸收融合其它加工工藝技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)的。它是實(shí)現(xiàn)微型傳感器、微型執(zhí)行器、微能源及電子線路集成為一體的新興特殊微加工技術(shù)r3), 由較小的0.5~500gm的可動(dòng)子元件構(gòu)成的器件系統(tǒng)。60年代初開發(fā)出了MEMS的重要技術(shù)一一晶體各向異性腐蝕和陽(yáng)極鍵合技術(shù);80年代末開發(fā)出LIGA技術(shù),并取得初步成果,研制出了齒輪、曲柄、彈簧和微型電極以及更為復(fù)雜的MEMS;90年代,MEMS技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用,如汽車防撞氣囊用的加速度傳感器,成本僅為5美元左右。
通常,MEMS技術(shù)可分為體微機(jī)械加工(腐蝕、鍍膜、摻雜、鍵合)、表面微加工、高深寬比微加工及超微精密加工等,同時(shí)還借助了一些成熟的半導(dǎo)體工藝,如光刻、氧化、擴(kuò)散、離子注入、濺射、外延生長(zhǎng)和淀積等技術(shù)。目前加工材料以硅基為主,同時(shí)對(duì)金屬、玻璃、陶瓷、塑料和Ⅲ,V族化合物等材料的研究也逐漸增多。
微電子技術(shù)是MEMS技術(shù)的重要基礎(chǔ),其加工手段是MEMS技術(shù)重要加工手段之一。MEMS也有它自己的特點(diǎn),如工藝多樣化,能制作梁、隔膜、凹槽、孔、密封洞、錐、針尖、彈簧及所構(gòu)成的復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu),同時(shí)它能與微電子工藝兼容,器件實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),成本降低。MEMS技術(shù)幾乎可應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域,尤其是要求小尺寸、高精度、高可靠性及低功耗的高科技領(lǐng)域。
圖1:MEMS產(chǎn)業(yè)
MEMS技術(shù)在非制冷紅外探測(cè)器中的應(yīng)用
近年來(lái),MEMS技術(shù)得到了迅速發(fā)展,將其應(yīng)用于非制冷紅外探測(cè)器有了比較成功的例子,為現(xiàn)有單元器件小型化和高密度陣列集成開辟了一條新的途徑。
微機(jī)械紅外熱電堆探測(cè)器
紅外熱電堆探測(cè)器的工作原理為塞貝克效應(yīng)(Seebeckeffect)。早先的紅外熱電堆探測(cè)器是利用掩膜真空鍍膜的方法,將熱電偶材料沉積到塑料或陶瓷襯底上獲得的,但器件的尺寸較大,且不易批量生產(chǎn)。隨著MEMS技術(shù)的應(yīng)用,出現(xiàn)了微機(jī)械紅外熱電堆探測(cè)器。K.D.Wise等人,最先利用MEMS技術(shù)于20世紀(jì)80年代初制造獲得了硅基紅外熱電堆探測(cè)器。
器件制作一般采用體硅,從硅片背面利用硅的各向異性腐蝕而得到呈金字塔型的腐蝕孔,側(cè)壁為慢腐蝕面。現(xiàn)在主要通過(guò)薄膜結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱結(jié)區(qū)與冷結(jié)區(qū)的隔熱結(jié)構(gòu)。應(yīng)用的薄膜結(jié)構(gòu)有兩類,即封閉膜結(jié)構(gòu)和懸梁結(jié)構(gòu),其中封閉膜是指熱堆的支撐膜為整層的復(fù)合介質(zhì)膜,一般為氮化硅膜或氮化硅與氧化硅復(fù)合膜。懸梁則是指周圍為氣氛介質(zhì)所包圍,一端固支、一端懸空的膜結(jié)構(gòu)。從隔熱效果來(lái)說(shuō),懸梁比封閉膜更具優(yōu)勢(shì),因?yàn)樵诜忾]膜結(jié)構(gòu)中熱可以沿著介質(zhì)支撐膜傳播,而并不完全沿著熱偶對(duì)傳播,使熱耗散較大,熱電轉(zhuǎn)換效率低,靈敏度小。但從工藝制造過(guò)程以及成品率角度來(lái)說(shuō),封閉膜更具優(yōu)勢(shì),因?yàn)檫@種膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,由于膜與基體處處相連,因此受應(yīng)力影響小,制造過(guò)程中膜本身不易破裂,成品率高,易制造而懸梁與基體間只通過(guò)固支一端相連,另一端懸空,因此受應(yīng)力的影響顯著,制造過(guò)程中膜容易發(fā)生翹曲或破裂,故成品率較低,不易制造。
現(xiàn)在許多研究團(tuán)體正致力于微機(jī)械紅外熱電堆陣列的研究,而硅基熱電堆是其中的研究熱點(diǎn),如多晶硅/金熱偶線陣列、硅/鋁熱偶線陣列、n型多晶硅/p型多晶硅熱偶面陣列。與一般的紅外探測(cè)器相比,微機(jī)械紅外熱堆探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)在于:①具有較高的靈敏度,寬松的工作環(huán)境與非常寬的頻譜響應(yīng):②與標(biāo)準(zhǔn)IC工藝兼容,成本低廉且適合批量生產(chǎn)。
熱釋電非制冷紅外探測(cè)器
熱釋電探測(cè)器的工作原理為熱電晶體的熱釋電效應(yīng)。由于熱釋電探測(cè)器的性能隨著熱量的下降而降低,所以良好的熱絕緣結(jié)構(gòu)是制作高性能熱釋電探測(cè)器的關(guān)鍵。最早采用的絕緣技術(shù),是把熱釋電紅外探測(cè)器或陣列通過(guò)可塑性金屬(如In)臺(tái)面與Si信號(hào)處理電路對(duì)接,但I(xiàn)n的熱絕緣性能很差,不利于制作高性能的大面積集成熱釋電紅外焦平面陣列?,F(xiàn)在多采用MEMS技術(shù)制作橋式結(jié)構(gòu)或者懸浮的膜式結(jié)構(gòu)來(lái)改善感應(yīng)單元的熱鄉(xiāng)這樣當(dāng)紅外光照射時(shí),每個(gè)感應(yīng)單元可以獲得一個(gè)相對(duì)大的溫度升高值,相應(yīng)地提高了探測(cè)器的靈敏度。是一種采用懸浮的膜式結(jié)構(gòu)的微機(jī)械熱釋電紅外探測(cè)器感應(yīng)單元截面圖。
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現(xiàn)在用于非致冷紅外焦平面的鐵電材料主要有BST,PZT和PST三種。下面是一種BST薄膜紅外探測(cè)器膜式絕緣結(jié)構(gòu)的制作方法。先用Pt/Ti/pSi/n-Si作襯底,采用溶膠-凝膠法沉積BST薄膜,然后利用光刻和離子束刻蝕技術(shù),將BST薄膜與pt底電極刻成列陣圖案,接著采用光刻和離子束濺射技術(shù),在每個(gè)BST薄膜探測(cè)單元上面濺射Pt薄膜作為上電極,再使用雙面光刻技術(shù),與正面探測(cè)單元相對(duì)應(yīng),在基片的背面套刻彼此互不相連的面單元圖案,使用EDP腐蝕去探測(cè)單元背面的Si襯底,使得每個(gè)探測(cè)單元懸空,形成膜式絕緣結(jié)構(gòu)。
圖2:非制冷紅外探測(cè)器
MEMS技術(shù)制作橋式結(jié)構(gòu)或者懸浮的膜式結(jié)構(gòu)有兩個(gè)關(guān)鍵問題需要解決:一是找到沉積高質(zhì)量鐵電材料薄膜的技術(shù),該技術(shù)必須與Si-CMOS電路的工藝溫度和刻蝕技術(shù)相兼容;二是沉積膜與硅基底之間必須有高的熱絕緣。
T.Evans等人利用硅膠做沉積膜與硅基底之間的熱絕緣層,較好地解決了沉積膜與硅基底之間的熱絕緣問題。當(dāng)硅膠的孔隙率為75%~95%時(shí),有著比空氣更低的熱導(dǎo)率,而且該方法與標(biāo)準(zhǔn)IC工藝完全兼容(這種技術(shù)在鐵電存儲(chǔ)器制作中已得到成熟運(yùn)用),用這種技術(shù)做出的陣列是低成本非制冷紅外探測(cè)器制作的又一選擇。
圖3:非制冷紅外探測(cè)器光學(xué)原理
微測(cè)輻射熱計(jì)
微測(cè)輻射熱計(jì)是利用物體體電阻對(duì)溫度的敏感性制成的。為了盡可能的增加器件的熱絕緣性,減小熱導(dǎo)以提高器件的靈敏度,現(xiàn)在大多采用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)懸浮微橋結(jié)構(gòu)來(lái)解決這一問題。它采用兩臂支撐的微橋?qū)崿F(xiàn)熱絕緣,Si,N,作為支撐薄膜,微橋下方的硅襯底被掏空,微橋橋面上制作多晶鍺硅Poly-Si07Ge03,薄膜電阻作熱敏探測(cè)源,為提高對(duì)紅外的吸收,表面有Sio/SiN復(fù)合膜作紅外吸收層。
和微機(jī)械熱釋電探測(cè)器相比較而言,在性能和低成本等方面,微測(cè)輻射熱計(jì)占有優(yōu)勢(shì),走單片式橋狀熱絕緣探測(cè)器結(jié)構(gòu)的途徑,測(cè)輻射熱計(jì)也比熱釋電探測(cè)器早走了十多年。目前微測(cè)輻射熱計(jì)陣列大小已達(dá)640X 480,像素尺寸可以做到25um×25um,性能已達(dá)到非制冷光子探測(cè)器的水平。
圖4:信號(hào)處理組成框圖
DenizSabuncuoglutezcan等人最新報(bào)道用一種完全與IC技術(shù)兼容的MEMS~藝做出了一種新的微測(cè)輻射熱計(jì)。它利用硅的各向異性腐蝕把CMOS結(jié)構(gòu)的n阱掏空而形成懸吊結(jié)構(gòu)(利用TMAH溶液的電化學(xué)腐蝕停技術(shù))。用這種方法做成的微測(cè)輻射熱計(jì), 當(dāng)象素單元為74LLmX 74~tm時(shí),直流響應(yīng)率達(dá)到9250V/W,探測(cè)率可達(dá)2 X 109cmHzla/W,而且由于這種方法在完成CMOS結(jié)構(gòu)后不再需要任何光刻或者紅外敏感材料的沉積,使得探測(cè)器的成本就大大降低,幾乎可以做到與CMOS芯片的成本等價(jià),因此這種方法具有非常大的發(fā)展前途。
相比較以上三類探測(cè)器,熱電堆探測(cè)器的性能處于劣勢(shì),研究也相對(duì)較少,而對(duì)測(cè)輻射熱探測(cè)器和熱釋電探測(cè)器而言,在性能和低成本方面相對(duì)較好。但正是由于MEMS技術(shù)和IC工藝的應(yīng)用,才使得探測(cè)器整體性能不斷提高、成本不斷降低。
其它非制冷紅外探測(cè)器
由于MEMS技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),使得探測(cè)器陣列元件集成度更高,性能更好,有越來(lái)越多的研究團(tuán)體利用MEMS技術(shù)研制出了其它種類的非制冷紅外探測(cè)器。是一種利用真空勢(shì)壘中存在的電子隧穿效應(yīng)而制成的微機(jī)械電子隧道紅外探測(cè)器這種探測(cè)器采用三層硅結(jié)構(gòu):第一層硅結(jié)構(gòu)制作隧道硅尖電極和靜電偏轉(zhuǎn)電極;第二層硅結(jié)構(gòu)制作彈性敏感薄膜和一半氣腔:第三層硅結(jié)構(gòu)制作紅外透射膜和另一半氣腔。這種探測(cè)器的靈敏度比較高,電子隧穿位移傳感器部分的分辨率可達(dá)10-4nm/Hzl/2。
MEMS技術(shù)作為一種新興交叉學(xué)科的產(chǎn)物,在非制冷紅外探測(cè)器的發(fā)展中起到了突破性的作用,隨著各種MEMS新技術(shù)越來(lái)越多地融入,非制冷紅外探測(cè)器的發(fā)展也必定會(huì)越來(lái)越有生機(jī)。