專利名稱：一種用于光調(diào)制熱成像系統(tǒng)的芯片及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于光調(diào)制熱成像系統(tǒng)的芯片及制作方法，屬于微電子機械系統(tǒng)領(lǐng)域。
光調(diào)制熱成像系統(tǒng)(LMTID)是利用紅外光的熱效應(yīng)對可見光的強度進行調(diào)制，從而將紅外圖像轉(zhuǎn)化為可見光的一種裝置。目前，主要是在硅片上生長犧牲層來制作LMTID的芯片，這種表面微機械的方法在制作LMTID芯片時主要有兩個困難一是很難準(zhǔn)確控制法布里—珀羅干涉儀(F-P腔)的兩個反射面之間的距離(為了提高微鏡陣列對入射紅外輻射的吸收，該距離應(yīng)為四分之一入射紅外波長)；二是應(yīng)用表面微機械的方法很難制造出符合要求的雙層鏡面來。這無疑影響了器件的性能。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的絕緣層上硅(SOI)硅片是由厚的硅基底和薄的二氧化硅、硅膜組成的，選擇合適厚度的二氧化硅、硅膜的SOI硅片，使硅膜的厚度等于F-P腔的兩個反射面之間的距離，二氧化硅厚度等于要制作的微鏡的厚度。制作時，首先光刻微鏡陣列圖案，腐蝕硅膜、二氧化硅膜，重新熱氧化硅、蒸上鋁膜，并應(yīng)使得這二層膜的總厚度等于原來SOI硅片中二氧化硅的厚度，而后光刻并刻蝕出微鏡圖案，隨后作一次硅—玻璃鍵合，把F-P腔的兩個面(微鏡陣列和玻璃半透鏡)鍵合在一起，這樣不但保證了F-P腔的兩個反射面之間的距離滿足要求，同時也較為方便地制作出了符合要求的雙層鏡面，整個工藝過程也不復(fù)雜。
在本發(fā)明中，LMTID芯片由半透鏡、微鏡陣列和濾光片組成，其中微鏡的反射面和半透鏡的反射面構(gòu)成了F-P腔的兩個反射面，它們之間的距離為入射紅外輻射波長的四分之一。目標(biāo)紅外輻射從濾光片一側(cè)入射，由于紅外的熱效應(yīng)引起了微鏡的位移，改變了F-P腔的兩個反射面之間的距離，從而可以對從半透鏡1一側(cè)入射的單色可見光進行調(diào)制，調(diào)制過的可見光經(jīng)過半透鏡2干涉成像于視網(wǎng)膜上或者用CCD相機攝制下來，于是完成了紅外圖像向可見光圖像的轉(zhuǎn)化。
從圖2中可以很清楚地看到微鏡陣列中一個像元的結(jié)構(gòu)。鏡面被包圍在一個小的硅框架中，鏡面的上方是鍵合在硅框架上的半透鏡1，鏡面被四根彎曲的復(fù)合梁支撐著，復(fù)合梁的一端固定在鏡面上，另一端固定在硅框架上。鏡面接受紅外輻射，其溫度將上升(四周梁由于接受紅外輻射的面積太小，所接受的紅外輻射可被忽略掉)，結(jié)果在復(fù)合梁的兩端出現(xiàn)了溫度梯度，從而引起了復(fù)合梁的位移，改變了鏡面和半透鏡1之間的距離，從而對從半透鏡1一側(cè)的入射可見光進行調(diào)制。微鏡的位移由微鏡所接受的紅外輻射和復(fù)合梁的熱靈敏度共同決定。復(fù)合梁一端連接鏡面高溫區(qū)，另外一端固定在硅框架低溫區(qū)，梁兩端所在位置可根據(jù)具體情況而定，不受圖2的限制。增加復(fù)合梁的長度可以極大地提高復(fù)合梁的熱靈敏度，這也是圖2中采用沿鏡面兩邊彎曲的梁而不采用沿鏡面單邊的直梁的原因。為了進一步提高復(fù)合懸臂梁的熱靈敏度，還可以進一步增加梁的長度，如采用沿鏡面三邊彎曲的U形梁甚至沿鏡面四邊的彎曲梁；或者采用沿鏡面單邊的折疊梁等。在靈敏度要求不高或者鏡面尺寸較大的情況下，也可以采用沿鏡面單邊的直梁。
本發(fā)明中，選用硅膜厚度為1～10μm的SOI硅片，熱氧化溫度為1050℃-1150℃，鋁膜(或金膜)與氧化硅厚度之比為0.1～1，鋁膜(或金膜)與氮化硅厚度之比為0.2～1。鏡面和復(fù)合梁或是由鋁膜(或金膜)和氧化硅或是鋁膜(或金膜)和氮化硅或是鋁膜(或金膜)和氮化硅及氧化硅復(fù)合而成，也可以鏡面區(qū)域和復(fù)合梁區(qū)域有不同的復(fù)合層組成(詳見實施例3)。用金膜取代鋁膜時應(yīng)注意與氮化硅或氧化硅厚度比不同。
圖2是像元的立體圖。
圖3是實施例1的LMTID芯片中一個像元的剖面圖。
圖4是圖3所示的實施例1的工藝流程圖。
具體的工藝流程是a光刻→b腐蝕硅→c腐蝕二氧化硅→d去膠→e熱氧化→f蒸鋁→g刻蝕微鏡圖案→h鍵合→i刻蝕背面硅圖5是實施例2的像元剖面圖。
圖6是實施例3的像元剖面圖。
圖中1-濾光片 2-硅框架3-半透鏡2 4-半透鏡15-微鏡陣列6-彎曲復(fù)合梁7-鏡面8-硅膜9-鋁膜或金膜 10-氧化硅膜11-光刻膠下面結(jié)合圖4所示的實施例1的工藝流程，對本發(fā)明作進一步說明。
(1)選擇硅膜厚為2.5μm，二氧化硅膜厚約為1μm的SOI硅片，光刻微鏡陣列圖形，如圖4a所示；(2)腐蝕硅膜和二氧化硅膜并去膠，如圖4b、c、d所示；(3)進行1050℃熱氧化，光刻，用HF溶液漂去多余的氧化硅形成如圖4e所示薄的氧化硅層；(4)蒸鋁，光刻，用H3PO4溶液漂去多余的鋁，在氧化硅層上形成如圖4f所示鋁膜，鋁膜的厚度和氧化硅厚度可依生長工藝而定，但其厚度比要保證在0.14左右，兩層膜的總厚度約為SOI硅片中的二氧化硅膜的厚度；(5)刻蝕微鏡圖案，如圖4g所示；(6)鍵合玻璃半透鏡，如圖4h所示；(7)刻蝕背面硅，釋放懸空結(jié)構(gòu)，如圖4i所示。
實施例2圖5所示的實施例2和圖3所示的實施例1的區(qū)別在于，實施例2中的鏡面和復(fù)合梁是由鋁和氮化硅膜構(gòu)成，而不是由鋁和二氧化硅膜構(gòu)成。在工藝流程圖中也要作相應(yīng)的改變，要以淀積氮化硅取代熱氧化。
實施例3圖6所示的實施例3和圖3所示的實施例1的區(qū)別在于，實施例3中的鏡面和復(fù)合梁是由鋁、氮化硅、二氧化硅三層復(fù)合而成，而不是由鋁和二氧化硅膜構(gòu)成。在工藝流程圖中也要作相應(yīng)的改變，熱氧化之后還要淀積氮化硅，然后蒸鋁。
在實施例3中，還可以作以下改變。即在鏡面區(qū)域由鋁、氮化硅、二氧化硅三層復(fù)合而成，而在復(fù)合梁區(qū)域由鋁、二氧化硅構(gòu)成。在工藝流程圖中也要作相應(yīng)的改變，即在熱氧化之后淀積氮化硅，隨后刻蝕出鏡面區(qū)域的氮化硅，最后蒸鋁。
在以上的三個實施方案中，均可以用金膜取代鋁膜，但要注意其厚度比不一樣；在以上三個實施例中梁的形狀是沿鏡面兩邊彎曲的梁(如圖2所示)，但如果對復(fù)合梁的熱靈敏度有較高要求，還可以進一步增加梁的長度，如采用沿鏡面三邊彎曲的U形梁甚至沿鏡面四邊的彎曲梁；或者采用沿鏡面單邊的折疊梁等。在靈敏度要求不高或者鏡面尺寸較大的情況下，可采用沿鏡面單邊的直梁。
權(quán)利要求
1.一種用于光調(diào)制熱成像系統(tǒng)的芯片，由濾光片、半透鏡和微鏡陣列組成，其特征在于微鏡的反射面和半透鏡的反射面構(gòu)成F-P腔的兩個反射面，它們之間的距離為入射紅外輻射波長的四分之一。
2.按權(quán)利要求1所述用于光調(diào)制熱成像系統(tǒng)的芯片，其特征在于所述的微鏡陣列中鏡面被包圍在一個硅框架中，上方是鍵合在硅框架上的半透鏡，鏡面被四根彎曲的復(fù)合梁支撐，其一端固定在鏡面上，另一端固定在硅框架上。
3.按權(quán)利要求2所述用于光調(diào)制熱成像系統(tǒng)的芯片，其特征在于復(fù)合梁長度與復(fù)合梁的靈敏度有關(guān)，它或是采用沿鏡面雙邊的彎曲梁或是沿鏡面三邊的U形梁或是沿鏡面四邊的彎曲梁；或是采用沿鏡面單邊的折疊梁，或是采用沿鏡面單邊的直梁。
4.按權(quán)利要求1或2或3所述用于光調(diào)制熱成像系統(tǒng)的芯片，其特征在于鏡面和復(fù)合梁或是鋁膜或金膜和氧化硅膜組成；或是鋁膜或金膜和氮化硅膜組成；或是鋁膜或金膜和氧化硅膜及氮化硅膜組成。
5.按權(quán)利要求4所述用于光調(diào)制熱成像系統(tǒng)的芯片，其特征在于所述的鏡面區(qū)域和復(fù)合梁區(qū)域由不同的復(fù)合層組成。
6.一種用于光調(diào)制熱成像系統(tǒng)的芯片，包括光刻、蒸膜、腐蝕硅、腐蝕二氧化硅、去膠、熱氧化、蒸鋁或金工藝過程，其特征在于(1)選擇合適厚度的二氧化硅、硅膜的SOI硅片，使得硅膜的厚度等于F-P腔的兩個反射面之間的距離；二氧化硅厚度等于微鏡的厚度；(2)光刻并刻蝕出微鏡圖案，將硅、玻璃鍵合使F-P腔的兩個面鍵合在一起。
7.按權(quán)利要求6所述用于光調(diào)制熱成像系統(tǒng)的芯片，其特征在于選用的硅膜厚度為1～10μm的SOI硅片；熱氧化溫度為1050℃～1150℃。
8.按權(quán)利要求6所述用于光調(diào)制熱成像系統(tǒng)的芯片，其特征在于鋁膜或金膜與氧化硅厚度之比為0.1～1，鋁膜或金膜與氮化硅厚度之比為0.2～1。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于光調(diào)制熱成像系統(tǒng)的芯片及制作方法，屬于微電子機械系統(tǒng)領(lǐng)域。該芯片由濾光片、半透鏡和微鏡陣列組成，其特征在于微鏡的反射面和半透鏡的反射面構(gòu)成F－P腔的兩個反射面，其之間的距離為入射紅外輻射波長的四分之一。其制作特征是選擇合適厚度的硅膜、二氧化硅膜的SOI硅片，首先光刻微鏡陣列圖案，腐蝕硅膜、二氧化硅膜，重新熱氧化硅、蒸上鋁膜，使得這二層膜的總厚度等于原來SOI硅片中二氧化硅的厚度，而后光刻并刻蝕出微鏡圖案，隨后作一次硅－玻璃鍵合，把F－P腔的兩個面鍵合在一起。本發(fā)明不但保證了F－P腔的兩個反射面之間的距離滿足要求，同時較為方便地制作出了符合要求的雙層鏡面。
文檔編號G02F1/21GK1400486SQ0213662
公開日2003年3月5日 申請日期2002年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月23日
發(fā)明者熊斌, 馮飛, 王躍林 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所