專利名稱：紅外傳感器開關(guān)器件及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于紅外技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于MEMS技術(shù)制作的紅外傳感器開關(guān)結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
自從1780年英國(guó)天文學(xué)家Herschel發(fā)現(xiàn)紅外輻射以來，紅外技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、工業(yè)、科研等各領(lǐng)域。自然界中的任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)向外輻射電磁波，其輻射強(qiáng)度和波長(zhǎng)取決于輻射物體的溫度分布，即普朗克黑體輻射定律，具體可表示為其中，Μλ為絕對(duì)黑體的光譜輻射通量密度，λ為黑體輻射的波長(zhǎng)，T為絕對(duì)溫度，h為普朗克常數(shù)，c為光速，kB為玻耳茲曼常數(shù)。通過對(duì)其在進(jìn)行積分，可得 Stephan-Boltzmann M(T) = σ Τ4( ο為M^han-BoItzmarm常數(shù))，即物體單位面積所發(fā)射的輻射功率
與溫度的四次方成正比。而對(duì)于厚度為t的材料，紅外輻射能量的吸收率可由下式給出
4 ^tkAbsorption = 1 一 exp(--1)
Λ
O其中，κ為材料折射率的虛部，由此式可看出，對(duì)于特定材料，紅外的吸收率隨著材料厚度增加而增大，而當(dāng)材料屬性及厚度確定后，吸收率只與紅外輻射波長(zhǎng)有關(guān)。基于上述原理，可以制作形成不同類型紅外傳感器。傳感器通過收集物體發(fā)出的紅外輻射，將物體的特征轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降男盘?hào)，通過檢測(cè)這些信號(hào)可得到被測(cè)物體的信息，進(jìn)而將物體的特征表現(xiàn)出來。這種不同形式的紅外傳感器結(jié)構(gòu)已得到廣泛應(yīng)用，如紅外測(cè)溫儀，紅外熱像儀等等。紅外測(cè)溫儀，紅外熱像儀等紅外傳感器利用了紅外輻射的光電效應(yīng)或者熱效應(yīng)來進(jìn)行工作，具有響應(yīng)時(shí)間快、非接觸、使用安全及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。紅外技術(shù)還具有十分廣泛應(yīng)用，如軍事中的夜視儀，醫(yī)療中的腫瘤診斷，工業(yè)中的熱故障監(jiān)測(cè)，產(chǎn)品質(zhì)量分析等等。除此之外，紅外技術(shù)還具有很廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用途徑需要開發(fā)，如公共場(chǎng)所溫度相關(guān)疾病排查系統(tǒng)，應(yīng)用紅外傳感器開關(guān)具有可自動(dòng)工作、非接觸，安全高效等優(yōu)點(diǎn)，該類紅外傳感器開關(guān)可安裝在天花板、墻上，進(jìn)行非接觸性、自動(dòng)工作。目前的紅外傳感器開關(guān)主要由紅外傳感器和控制器兩部分組成，控制器利用紅外傳感器的探測(cè)結(jié)果來控制對(duì)應(yīng)負(fù)載單元的接通和關(guān)斷，但器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作難度較大。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)目前紅外傳感器開關(guān)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作難度大的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的旨在提出一種新型的基于MEMS技術(shù)制作的紅外傳感器開關(guān)器件，該器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，制作工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)器件在工作中巧妙地利用了雙層材料懸臂梁的應(yīng)力失配而造成的彎曲狀態(tài)，從而不需調(diào)整應(yīng)力，導(dǎo)通與斷開通過不同熱膨脹系數(shù)的雙材料懸臂梁在不同溫度下的彎曲變形來實(shí)現(xiàn)。為此，本發(fā)明的實(shí)施例提出了一種體積小且制作工藝簡(jiǎn)單的紅外傳感器開關(guān)器件及其制作方法。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明實(shí)施例提出了一種紅外傳感器開關(guān)器件，所述器件包括襯底；位于所述襯底上的金屬梁，用于形成第一電極；位于所述襯底和金屬梁上的犧牲層；以及位于所述犧牲層上方的雙層材料懸臂梁，用于形成可與所述第一電極接觸的可動(dòng)的第二電極，所述雙層材料懸臂梁的下層材料為具有張應(yīng)力的金屬材料，所述雙層材料懸臂梁的上層材料為具有壓應(yīng)力的非金屬材料。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例，所述金屬梁的材料為包括鋁、金、鉻或銅的導(dǎo)電金
jM ο根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例，所述雙層材料懸臂梁的下層材料為鋁或金的導(dǎo)電金
jM ο根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例，所述雙層材料懸臂梁的上層材料為氮化硅或氧化娃。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例，所述犧牲層為非晶硅、多晶硅、多孔硅或聚酰亞胺。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明的實(shí)施例提出一種紅外傳感器開關(guān)器件的制作方法，所述制作方法包括以下步驟提供一個(gè)襯底；在所述襯底上沉積金屬層，并刻蝕形成金屬梁，以形成第一電極；在所述襯底和金屬梁上沉積犧牲層；以及在所述犧牲層上方形成有雙層材料的懸臂梁，以形成可與所述第一電極接觸的可動(dòng)的第二電極，所述懸臂梁的下層材料具有張應(yīng)力，所述懸臂梁的上層材料具有壓應(yīng)力。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例，所述金屬梁的材料為包括鋁、金、鉻或銅的導(dǎo)電金
jM ο根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例，所述懸臂梁的下層材料為鋁或金的導(dǎo)電金屬。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例，所述懸臂梁的上層材料為氮化硅或氧化硅。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例，所述犧牲層為非晶硅、多晶硅、多孔硅或聚酰亞胺。本發(fā)明提出了一種新型的基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制作的紅外傳感器開關(guān)器件，該開關(guān)器件包括上層材料具有壓應(yīng)力和下層材料具有張應(yīng)力的兩層不同熱膨脹系數(shù)的雙層薄膜懸臂梁，由于熱膨脹系數(shù)不同雙層材料懸臂梁在制作過程中引入了殘余應(yīng)力，因而使得在犧牲層釋放后發(fā)生彎曲，所述器件巧妙利用了多層懸臂梁由于應(yīng)力失配而造成的彎曲變形而進(jìn)行工作，這樣在制作過程中無需調(diào)整應(yīng)力，避開了 MEMS技術(shù)中多層材料的應(yīng)力匹配這一復(fù)雜問題，同時(shí)使得工藝周期縮短，難度降低，效率提高。并且，利用MEMS技術(shù)制作工藝，所得的開關(guān)器件尺寸小，可以做到毫米甚至微米量級(jí)。因此，能夠廣泛應(yīng)用于各種需要小體積紅外傳感器的精密儀器的場(chǎng)合。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖1為本發(fā)明實(shí)施例的紅外傳感器開關(guān)器件的制作方法流程圖；圖2至圖10為本發(fā)明實(shí)施例的紅外傳感器開關(guān)器件各個(gè)制作階段的示意圖；圖11和圖12分別為本發(fā)明實(shí)施例的紅外傳感器開關(guān)器件的三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及其剖面圖；以及圖13和圖14分別顯示了本發(fā)明實(shí)施例的紅外傳感器開關(guān)器件的接通狀態(tài)和斷開狀態(tài)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明通常涉及一種紅外傳感器開關(guān)器件及其制造方法。下文的公開提供了許多不同的實(shí)施例或例子用來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡(jiǎn)化本發(fā)明的公開，下文中對(duì)特定例子的部件和設(shè)置進(jìn)行描述。當(dāng)然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發(fā)明。此外， 本發(fā)明可以在不同例子中重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)是為了簡(jiǎn)化和清楚的目的， 其本身不指示所討論各種實(shí)施例和/或設(shè)置之間的關(guān)系。此外，本發(fā)明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識(shí)到其他工藝的可應(yīng)用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”及/或“上方”的結(jié)構(gòu)可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實(shí)施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實(shí)施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。參考圖1，圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的紅外傳感器開關(guān)器件的制造方法的流程圖。在步驟101中，首先提供一個(gè)半導(dǎo)體襯底202，參考圖2。在本實(shí)施例中，襯底202 包括位于晶體結(jié)構(gòu)中的硅襯底(例如晶片)。其他例子的襯底202還可以包括其他基本半導(dǎo)體，例如鍺和石英。在步驟102中，在襯底202上濺射第一層金屬材料204，第一層金屬材料204可以是任意合適的導(dǎo)電金屬，例如包括鋁、金、鉻或銅等等。然后，刻蝕部分的第一層金屬材料204，以在襯底202形成金屬梁204’ (步驟 103)，以用作紅外傳感器開關(guān)器件的第一電極204’，參考圖3。在步驟104中，接著在襯底202和金屬梁204’上方沉積犧牲層，常用犧牲層材料主要有非晶硅、多晶硅、多孔硅和聚酰亞胺。利用犧牲層可為得到后續(xù)的懸臂梁結(jié)構(gòu)做準(zhǔn)備。犧牲層的形成可以參考圖4到圖6，首先在襯底202和金屬梁204’上方沉積諸如多晶硅的犧牲層材料206，厚度與第一層金屬材料204相同，參考圖4。然后，利用光刻工藝刻蝕掉金屬梁204’上面的犧牲層材料206，得到位于襯底202另一端與金屬梁厚度相同的犧牲層206’，參考圖5。最后，再次于犧牲層206’和金屬梁204’上方淀積諸如多晶硅的犧牲層材料，得到犧牲層208，參考圖6。在步驟105中，接著在犧牲層208上方濺射具有張應(yīng)力的第二層金屬材料層210， 參考圖7。第二層金屬材料層210可以是鋁或金等具有張應(yīng)力的導(dǎo)電金屬。在步驟106中，在第二層金屬材料層210上方沉積具有壓應(yīng)力的材料212，參考圖 8。材料212可以是氮化硅或氧化硅等具有壓應(yīng)力的材料。
在步驟107中，利用干法刻蝕在對(duì)應(yīng)金屬梁204’的一端刻蝕掉部分的壓應(yīng)力材料 212和第二層金屬材料210，對(duì)應(yīng)暴露出部分的犧牲層208，并且對(duì)應(yīng)金屬梁204’蝕掉的部分在其長(zhǎng)度范圍內(nèi)。這樣，在對(duì)應(yīng)金屬梁204’的另一端剩余的壓應(yīng)力材料212’和第二層金屬材料210’，與金屬梁204’在上、下方向上有重合。參考圖9。在步驟108中，刻蝕釋放犧牲層208，以分離第二層金屬材料210’和金屬梁204’， 在襯底202另一端釋放形成包括上層壓應(yīng)力材料和下層張應(yīng)力材料的雙層材料懸臂梁 214。上述熱膨脹系數(shù)不同雙層材料懸臂梁在制作過程中引入了殘余應(yīng)力，而使得在犧牲層釋放后發(fā)生彎曲，進(jìn)而形成紅外傳感器開關(guān)器件可與用作第一電極的金屬梁204’接觸的、 可動(dòng)的第二電極，紅外傳感器開關(guān)器件利用了該殘余應(yīng)力而進(jìn)行工作。參考圖10。通過上述制作工藝得到的紅外傳感器開關(guān)器件的三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及其剖面圖如圖 11和圖12所示，從圖中可知，由雙材料懸臂梁214和下端的金屬梁204’構(gòu)成紅外傳感器開關(guān)的主要結(jié)構(gòu)，通過用作電極的雙層材料懸臂梁214和金屬梁204’的接觸和分離，可使得紅外傳感器開關(guān)器件相應(yīng)接通和斷開。由于在制備中懸臂梁214的下層材料表現(xiàn)為張應(yīng)力，上層材料表現(xiàn)為壓應(yīng)力，所以當(dāng)雙材料懸臂梁214釋放后，下層會(huì)收縮，上層會(huì)膨脹，由于其約束關(guān)系，最后表現(xiàn)出來的結(jié)果為向下層方向彎曲，即向下彎曲，這樣就與下方和襯底202相接觸的另一電極金屬梁204’相連，此時(shí)結(jié)構(gòu)處于關(guān)態(tài)，即接通狀態(tài)，如圖13所示。當(dāng)溫度升高時(shí)，紅外輻射功率增大，雙材料懸臂梁214吸收紅外輻射后溫度升高， 由于熱膨脹系數(shù)的差異，使得雙材料懸臂梁214向上層方向彎曲，即向上彎曲，此時(shí)結(jié)構(gòu)處于斷開狀態(tài)，如圖14所示。當(dāng)冷卻到一定溫度以下時(shí)，紅外輻射功率降低，雙材料懸臂梁214吸收能量減小， 變形復(fù)原，結(jié)構(gòu)回到圖13所示狀態(tài)，器件開始正常工作。由于氮化硅的機(jī)械性能良好，同時(shí)與鋁的熱膨脹系數(shù)相差較大，在一個(gè)實(shí)施例中， 雙材料懸臂梁214的上、下層材料優(yōu)選氮化硅和鋁材料。本發(fā)明提出了一種新型的基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制作的紅外傳感器開關(guān)器件，該開關(guān)器件巧妙利用了多層懸臂梁由于應(yīng)力失配而造成的彎曲變形而進(jìn)行工作， 利用不同熱膨脹系數(shù)的雙材料懸臂梁的運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行工作，這樣在制作過程中無需調(diào)整應(yīng)力，使得制作工藝簡(jiǎn)單，工藝周期縮短，難度降低，效率提高。器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，同時(shí)該結(jié)構(gòu)還能夠應(yīng)用于熱故障安全監(jiān)控、恒溫加熱等方面。并且，基于MEMS技術(shù)制作工藝，所得的開關(guān)器件尺寸小，可以做到毫米甚至微米量級(jí)。因此，能夠廣泛應(yīng)用于各種需要小體積紅外傳感器的精密器件的場(chǎng)合。此外，制造工藝與CMOS工藝兼容，工藝簡(jiǎn)單，可批量生產(chǎn)，制作中使用了自對(duì)準(zhǔn)套刻工藝，成本極低。并且，該器件在工作中還具有非接觸、使用安全及等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)本發(fā)明開關(guān)器件可重復(fù)利用，使用壽命長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了資源的高效利用。雖然關(guān)于示例實(shí)施例及其優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)詳細(xì)說明，應(yīng)當(dāng)理解在不脫離本發(fā)明的精神和所附權(quán)利要求限定的保護(hù)范圍的情況下，可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行各種變化、替換和修改。對(duì)于其他例子，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易理解在保持本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)的同時(shí)，工藝步驟的次序可以變化。
此外，本發(fā)明的應(yīng)用范圍不局限于說明書中描述的特定實(shí)施例的工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法及步驟。從本發(fā)明的公開內(nèi)容，作為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地理解，對(duì)于目前已存在或者以后即將開發(fā)出的工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟，其中它們執(zhí)行與本發(fā)明描述的對(duì)應(yīng)實(shí)施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結(jié)果，依照本發(fā)明可以對(duì)它們進(jìn)行應(yīng)用。因此，本發(fā)明所附權(quán)利要求旨在將這些工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟包含在其保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種紅外傳感器開關(guān)器件，所述器件包括 襯底；位于所述襯底上方的金屬梁，用于形成第一電極； 位于所述襯底和所述金屬梁上方的犧牲層；以及位于所述犧牲層上方的雙層材料懸臂梁，用于形成可與所述第一電極接觸的可動(dòng)的第二電極，所述雙層材料懸臂梁的下層材料為具有張應(yīng)力的金屬材料，所述雙層材料懸臂梁的上層材料為具有壓應(yīng)力非金屬材料。
2.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述金屬梁的材料為包括鋁、金、鉻或銅的
3.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述雙層材料懸臂梁的下層材料為具有張應(yīng)力的鋁或金的導(dǎo)電金屬材料。
4.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述雙層材料懸臂梁的上層材料為具有壓應(yīng)力的氮化硅或氧化硅材料。
5.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述犧牲層為非晶硅、多晶硅、多孔硅或聚酰亞胺。
6.一種紅外傳感器開關(guān)器件的制作方法，所述制作方法包括以下步驟 提供一個(gè)襯底；在所述襯底上形成有金屬梁，以形成第一電極； 在所述襯底和所述金屬梁上方淀積犧牲層；以及在所述犧牲層上方形成有雙層材料的懸臂梁，以形成可與所述第一電極接觸的可動(dòng)的第二電極，所述雙材料懸臂梁的下層材料具有張應(yīng)力，所述雙材料懸臂梁的上層材料具有壓應(yīng)力。
7.如權(quán)利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述金屬梁的材料為包括鋁、金、鉻或銅的導(dǎo)電金屬。
8.如權(quán)利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述懸臂梁的下層材料為鋁或金的導(dǎo)
9.如權(quán)利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述懸臂梁的上層材料為氮化硅或氧化硅。
10.如權(quán)利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述犧牲層為非晶硅、多晶硅、多孔硅或聚酰亞胺。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于微細(xì)加工技術(shù)的、利用雙材料梁的殘余應(yīng)力來進(jìn)行工作的紅外傳感器開關(guān)器件及其制作方法，所述制作方法首先提供一個(gè)襯底；然后在所述襯底上淀積并刻蝕形成金屬梁，以形成第一電極；接著在所述結(jié)構(gòu)上淀積形成犧牲層；以及在所述犧牲層上方依次淀積金屬和非金屬材料，刻蝕并釋放形成雙層材料懸臂梁，以形成可與所述第一電極接觸的第二電極，所述雙材料懸臂梁的下層金屬材料應(yīng)具有張應(yīng)力，所述雙材料懸臂梁的上層非金屬材料應(yīng)具有壓應(yīng)力。本發(fā)明提出的紅外傳感器開關(guān)器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，體積小，且制作工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)巧妙利用了雙材料懸臂梁的殘余應(yīng)力來進(jìn)行工作。
文檔編號(hào)H03K17/78GK102480285SQ20101057210
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月29日
發(fā)明者劉瑞文, 李志剛, 焦斌斌, 陳大鵬 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所