专利名称：一种非制冷红外图像传感器芯片及其制备方法
技术领域：
本发明是关于红外图像传感器的制备技术，具体涉及一种非制冷红外图像传感器芯片 及其制备方法。
背景技术：
利用任何物体都有红外辐射的特点，通过对温度变化的探测，可以实现对红外的检测。 进一步，利用由红外敏感单元构成的红外图像传感器为核心器件的红外成像系统可以实现 对物体的红外成像。非制冷红外焦平面阵列图像传感器是一种红外成像的核心器件。与制 冷型红外成像技术相比，非制冷红外图像传感器具有体积、功耗、成本等一系列优势。但 在灵敏度和分辨率方面还存在差距。
目前常见的非制冷红外焦平面阵列图像传感器芯片采用的红外敏感像素单元有热应 变镜面、红外应变电容、PN结电压取样等方式。热应变反射镜式图像传感器像素单元需 要与可见光源和CCD摄像机配合使用，系统体积比较大，可见光照射带来的非红外能量 会影响传感器灵敏度。而且，工作时成像阵列芯片的一面要敏感红外辐射，另一面要通过 反射可见光形成信号输出。为获得足够高的灵敏度需要将大量单元制备在一个大面积悬浮 膜片上，工艺复杂，成品率很难保证；而且由于缺少散热途径，传感器的时间响应比较差， 像素间串扰比较严重。红外应变电容阵列取样红外传感器可以直接读出电信号，但受像素 尺寸限制，每个电容单元的面积比较小，电容变化量也相应较小，使传感器灵敏度受到限 制。单元阵列间引线的分布电容也会带来噪声，降低图像传感器的灵敏度。釆用PN结电 压的温度特性作为红外传感器的敏感单元具有信号处理相对简单的特点，这种传感器单元 通常采用多个PN结串联方式来获得比较高灵敏度。对PN结电压进行采样的偏置电流会 使传感器单元和弓I线温度升高，降低红外图像传感器的灵敏度。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供了一种采用红外敏感谐振体作为红外敏感像素单 元的非制冷红外图像传感器芯片。 本发明的技术方案是
一种非制冷红外图像传感器芯片，包括一传感器基片，在所述传感器基片上集成若干个红外敏感像素单元阵列，其特征在于，每个红外敏感像素单元包括一组弹性悬挂梁和一 红外敏感谐振体，所述弹性悬挂梁通过锚点固定在传感器基片上，红外敏感谐振体与上述 弹性悬挂梁相连，所述红外敏感谐振体包括一谐振膜片和一激振电极，在所述谐振膜片上 局部设置一与谐振膜片的热膨胀系数不同的材料层。
所述谐振膜片可为一氮化硅或多晶硅片，在所述氮化硅或多晶硅片的周边设置若干条 开口，使氮化硅或多晶硅片的边缘部分作为弹性悬挂梁，上述弹性悬挂梁由四个锚点固定 在传感器基片上。
在所述氮化硅或多晶硅片上镀有一图形化的金属层。其中，在所述氮化硅或多晶硅片 的居中位置处设置十字型开口，所述图形化的金属层为矩形框状，该矩形框金属层设置在 上述十字型开口的周围。
或，所述图形化的金属层为十字型，其位于氮化硅或多晶硅片的中央，与氮化硅或多 晶硅片的对角线相吻合。
所述激振电极由谐振膜片下表面的驱动电极和与之对应的传感器基片上表面的驱动 电极组成。
一种非制冷红外图像传感器芯片的制备方法，其步骤包括
1) 选择单晶硅或石英为传感器基片；
2) 物理气相淀积制备红外敏感像素单元的阵列引线；
3) 低压化学汽相淀积制备牺牲层，制备红外敏感谐振体的激振电极；
4) 等离子增强化学气相淀积氮化硅，制备红外敏感谐振体的谐振膜片和弹性悬挂梁；
5) 物理气相淀积PVD和光刻，形成谐振膜片上的金属图形；
6) 结构释放，制得非制冷红外图像传感器芯片。 与现有技术相比，本发明的有益效果是-
本发明非制冷红外图像传感器芯片的像素单元采用红外敏感谐振体，其优势在于
1、 红外敏感谐振体中没有热应变芯片结构中的大面积镂空悬浮薄膜结构、没有电容 式芯片结构中的小间隙大面积结构，工艺方法合理难度比较低，易于获得较高成品率。
2、 采用硅MEMS工艺，易于实行单元的同步复制构成阵列结构形成红外图像传感器。
3、 红外敏感谐振体采用静电驱动，相当于一种电容结构不消耗有功功率，自身不发 热。除少量引线电阻消耗外，不存在驱动引起的红外检测单元本身温度升高问题。例如， 连续工作状态下，单元电容lpF，容抗Zc二l/2兀f C=218KQ 〔f=5.0MHz);驱动电压 3-5V时电流为2pA。假定引线电阻30Q，引线消耗功率为(2xlO,、3(^1.2xlO"Gw，百万像素时总计引线功耗约0.12mW。而PN结敏感结构的取样电流为O.lpA时，三个PN结的 像素单元上就会有3x0.5Vx0.1pA-0.15nW，百万像素时的仅取样功耗就达到0.15瓦，比电 容取样结构大1000倍以上。
4、通过读取谐振频率的变化量反映红外辐射情况，是一种准数字输出，在相同灵敏 度情况下，不存在电容和热电等其它红外传感器工作时需要进行小信号模拟量的低噪声高 灵敏放大、引线和象元间信号干扰和其它噪声直接影响灵敏度的问题。因此，红外敏感谐 振体非常适合构成红外图像传感器的像素单元。
当用红外光学系统将红外辐射物体成像在由mxn个像素阵列构成非制冷红外图像传 感器芯片上时，每一个像素单元受到的红外辐射量与物体不同部位的辐射状况有对应关 系；即每个像素上受到的红外辐射不同，每个谐振单元的谐振频率变化则不同。将每个像 素单元的谐振频率变化量V-F转换电路变为亮度信号即可得到一幅用灰度显示的红外辐射 物体象。
由于非制冷红外图像传感器像素单元的制造采用了微电子加工技术，因此，可以象制 造集成电路一样，制造出结构相同的像素单元组成的阵列，从而构成非制冷红外图像传感 器芯片。
图1为本发明实施例中方形红外敏感像素单元的俯视图； 图2为图1红外敏感像素单元的剖视图； 图3为图1红外敏感像素单元的立体图4为本发明实施例中另一方形红外敏感像素单元的俯视图； 图5为本发明红外敏感像素单元阵列的局部布线示意图； 图6为本发明红外敏感像素单元反馈电压检测法的电路框图； 图7为本发明红外敏感像素单元锁相环频率检测法的电路框图； 图8为本发明非制冷红外图像传感器芯片的制备工艺。
图中，l一氮化硅谐振膜片；2—谐振膜片周边设置的开口； 3—弹性悬挂梁；4一锚点； 5—谐振膜片引出电极；6—氮化硅谐振膜片上的金属膜；7—膜片中心部分所设十字型开 口； 8—基片上表面的驱动电极；9一谐振膜片下表面的驱动电极；10—传感器基片；1 l一
图像传感器像元引出电极的压焊点；12—红外敏感像素单元阵列中的红外敏感像素单元。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述
采用微电子机械系统(MEMS〕技术制备红外敏感谐振体，其中，红外敏感谐振体由 热膨胀系数(CTE〕不同的两层材料构成，面向红外的一层为红外吸收特性好的材料。红 外敏感谐振体的工作原理为，工作时在谐振体电极和底层电极之间加激励电压，使谐振体 处于谐振状态。当谐振结构受到红外照射时温度升高，热膨胀系数的差异导致谐振体上的 双材料部分产生应力，即杨氏弹性模量(E)发生变化。由于谐振频率(co)与弹性模量成 正比关系，因此弹性模量的改变就会导致谐振频率的改变。另一方面，温度变化时双材料 结构的形变与单一材料构成的悬挂梁不同，结果导致弹性悬挂梁被拉伸或压縮，弹性系数 发生变化，引起谐振体的谐振频率发生变化。利用这个原理，通过计算和验证就可以建立 红外辐射量(M〕与谐振频率的关系，实现对红外辐射量的检测。由于红外图像传感器芯 片工作时被封装在真空中，谐振体的阻尼很小，具有很高的Q值，只要谐振频率在红外辐 射热作用下有很小量的偏移，谐振体与底层电极构成的电容结构阻抗就会发生明显变化， 为信号处理电路系统提供比较大的输入信号。通过锁相环电路跟踪谐振频率的变化，利用 锁相环电路中电压控制振荡器输入电压和频率变化的关系就可以得到红外辐射热与电信 号的关系，实现对红外的探测。也可以用频谱仪直接检测谐振频率的变化，得到谐振频率 与红外辐射量的关系。
以氮化硅材料和金属材料组成的红外敏感谐振体为例，具体说明本发明非制冷红外图 像传感器的像素单元。
参考图l、图2和图3，当氮化硅谐振膜片1受到红外辐射时膜片吸收红外辐射能量， 温度升高。框型金属层6热膨胀系数比氮化硅谐振膜片1材料的热膨胀系数高，使氮化硅 谐振膜片1与金属层6构成的双层材料部分体积膨胀比氮化硅谐振膜片1的其它部分大。 体积膨胀会将悬挂梁拉伸，刚性发生变化，使谐振体的振动频率偏离谐振频率。氮化硅谐 振膜片中心十字型开口的作用是膜片中心部分成为四个三角形悬空结构，减少对双材料膨 胀效果抵消作用。氮化硅谐振膜片周边开口的作用是形成与谐振膜片相连的弹性悬挂梁结 构，当氮化硅谐振膜片1发生温度变化时双层材料结构的应力就全部施加到悬挂梁3上， 提高整个谐振单元结构对红外的敏感特性。
参考图1，本发明氮化硅谐振膜片的形状为一正方形，在其居中位置处设置十字型开 口以及在周边设置若干条开口，金属层的形状为一矩形框。
谐振体的双层材料结构图形设计遵循的原则是，既避免双层材料结构中金属层面积过大影响氮化硅片的红外吸收，又避免金属图形结构不合理造成双层材料区的应力不能有效 地作用在悬挂梁上，进而很好地表现热辐射使得谐振体的谐振频率发生变化。最大限度的 将红外辐射量转变为可以通过电信号检测的谐振频率变化，实现对红外辐射量的检测。
参考图4,在本发明氮化硅片居中位置处设置十字型金属层，在其周边设置若干条开 口。使用十字交叉图形金属层，形成贯穿氮化硅片1对角线的双层材料结构，其作用是使 红外辐射引起双层材料体积膨胀对悬挂梁产生更大的应力，提高整个谐振单元结构对红外 辐射的敏感度。
红外敏感像素单元阵列是一个由mxn个红外敏感像素单元构成。参考图5，在红外敏 感像素单元制造工艺之前在基片上采用即能够实现单元信号引出，又不影响单元工作的多 层布线工艺制造各单元的引线。图5中各像素单元间保持一定间距用于布设引线。这种图 形设计有三个设计依据第一是布线会造成基片表面的不平坦，如果布线在敏感单元下面 会造成敏感结构表面不平坦，带来残余应力影响结构的力学特性；还会使驱动电容结构的 极板间形成不均匀电场，影响振动模态。第二个设计考虑是降低工艺难度，不需要在基片 上进行像元引出的双层电极布线后进行平坦化工艺。第三个设计考虑是布线均匀分布在像 元四周可以使像元吸热和散热环境对称，提高敏感结构工作的稳定性。
为实现对谐振体的激励和振动频率的检测，氮化硅膜的下面有一层多晶硅作为谐振体 上的电极，通过锚点与在红外敏感谐振体电极连接。该电极与底层电极构成了谐振器的静 电激励电极对。这对电极同时还构成了进行谐振频率检测的电容结构。
红外敏感谐振体的激励和谐振频率检测有多种方式如反馈电压检测法是采用电压 控制振动器〔V-F〕产生激励信号，加在谐振器电极上使其进入谐振状态。用自动跟踪电
路检测谐振器的工作状态，并输出反馈电压Vf信号给V-F电路，实时调整输出频率，使 谐振器处于谐振状态。电路原理见图6。由于反馈电压与谐振频率直接相关，利用谐振频
率与红外辐射的关系，就可以建立反馈电压与红外辐射量的关系。这种方法能够实现对红
外辐射的实时检测，反映速度主要由谐振器的热惯性决定。单元对红外的灵敏度主要由V-F 电路的V-F关系精度和单位温度变化引起谐振频率变化量决定。
或，参考图7，釆用锁相环振荡电路将红外敏感谐振体驱动到谐振状态，通过数字频 率计电路检测谐振频率就可以得到频率与红外辐射的关系。这种检测方式的精度主要由频 率计的分辨率和单位温度变化引起谐振频率变化决定。
通过计算可得到谐振体的自身红外辐射能量只是从悬挂梁传递到衬底能量的万分之 一左右，因此衬底的存在不会干扰谐振体结构对红外辐射的响应。另外，由于谐振体获得的热能通过悬挂梁向锚点传导的时间远大于谐振体上的热平衡时间，因此基本不会影响取 样的精度。
基于红外敏感谐振体的本发明非制冷红外图像传感器像素单元的工作原理是，在传感 器处于待机(红外黑暗〕状态时通过在谐振体和下面的电极加一在谐振体的谐振频率附近 扫频的激励，通过检测悬挂梁与下面电极之间电容在阻抗来确定谐振体的谐振频率。
本发明非制冷红外图像传感器像素单元本身就是一个对红外进行定量检测的红外传 感器。如果将nxm个非制冷红外图像传感器像素单元组合起来的阵列就构成了一个具有 nxm分辨率的红外图像传感器。
以氮化硅材料和金属材料组成的谐振体为例，本发明非制冷红外图像传感器芯片的制 造工艺为(以普通微电子工艺用硅片为基片。若用石英玻璃片会效果更好，因为对红外 透明，^且传热系数比^低的多，可降低敏感结构向衬底散热的速度，提高敏感度〕
以图8所示传感器单元的工艺流程断面图为例
" 千日日u土巩44犬巫门；
2、 制备红外敏感像素单元的阵列引线，如图8(a)—图8(c)所示；
1) 热氧化100-200nm,形成缓冲层；
2) LPCVD氮化硅150-180nm;
3) LPCVD多晶硅180-200nm;
4) PVD Ti 30陽50nm;
5) 光刻引出电极图形；
6) R正Ti/多晶硅；
7) 退火；
3、 谐振体激振电极/引线制备，如图8(d)—8(e)所示；
1) LPCVD氧化硅300-500nm;
2) LPCVD氮化硅180-200nm;
3) LPCVD多晶硅100-150nm;
4) PVD Ti 30-50nm;
5) 光刻底电极和引线图形；
6) RIE Ti/多晶硅，形成底电极；
7) 退火形成TiSi2电极；
4、 牺牲层制备，如图8(f)所示；1) LPCVD-PSG 2.0—2.5微米；
2) 光刻，形成锚点；
3) 刻蚀/腐蚀PSG;
5、谐振膜片制备，如图8 (g)—图8 (h)所示；
1) LPCVD多晶硅80-100nm;
2) 磷注入多晶硅(60-80KeV， l-3E15〕，形成导电层;
3) 光刻，形成谐振膜片下面电极；
4) 刻蚀多晶硅；
5) PECVD低应力氮化硅；
6) 退火，激活离子，调整应力；
6、 谐振膜片上的金属制备，如图8(i)所示；
1) 光刻，形成压焊点；
2) RIE氮化硅/多晶硅/PSG;
3) PVDCr/Au (10墨30nm/90—110nm〕；
4) 光刻，形成谐振膜片上的金属图形；
5) 腐蚀Au/Cr;
6) 合金；
7、 结构释放，如图8(j)所示；
1) 光刻，形成谐振体；
2) 刻蚀氮化硅/多晶硅；
3) HF腐蚀PSG牺牲层释放谐振体。
上述实施例中，用于形成硅化物的金属除Ti外也可以是Co、 Ni等；作为谐振体的低 应力氮化硅片也可以用富硅的LPCVD氮化硅方法制备；金属引线除Au/Cr外也可以使用 Al、 Al/Si等。
以上通过详细实施例描述了本发明所提供的非制冷红外图像传感器芯片及其制备方 法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的 变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。
权利要求
1、一种非制冷红外图像传感器芯片，包括一传感器基片，在所述传感器基片上集成若干个红外敏感像素单元阵列，其特征在于，每个红外敏感像素单元包括一组弹性悬挂梁和一红外敏感谐振体，所述弹性悬挂梁通过锚点固定在传感器基片上，红外敏感谐振体与上述弹性悬挂梁相连，所述红外敏感谐振体包括一谐振膜片和一激振电极，在所述谐振膜片上局部设置一与谐振膜片的热膨胀系数不同的材料层。
2、 如权利要求l所述的非制冷红外图像传感器芯片，其特征在于，所述谐振膜片为一 氮化硅或多晶硅片，在所述氮化硅或多晶硅片的周边设置若干条开口，使氮化硅或多晶硅 片的边缘部分作为弹性悬挂梁，上述弹性悬挂梁由四个锚点固定在传感器基片上。
3、 如权利要求2所述的非制冷红外图像传感器芯片，其特征在于，在所述氮化硅或多 晶硅片上镀有一图形化的金属层。
4、 如权利要求3所述的非制冷红外图像传感器芯片，其特征在于，在所述氮化硅或多 晶硅片的居中位置处设置十字型开口，所述图形化的金属层为矩形框状，该矩形框金属层 设置在上述十字型开口的周围。
5、 如权利要求3所述的非制冷红外图像传感器芯片，其特征在于，所述图形化的金 属层为十字型，其位于氮化硅或多晶硅片的中央，与氮化硅或多晶硅片的对角线相吻合。
6、 如权利要求1所述的非制冷红外图像传感器芯片，其特征在于，所述激振电极由 谐振膜片下表面的驱动电极和与之对应的传感器基片上表面的驱动电极组成。
7、 一种非制冷红外图像传感器芯片的制备方法，其步骤包括1) 选择单晶硅或石英为传感器基片；2) 物理气相淀积制备红外敏感像素单元的阵列引线；3) 低压化学汽相淀积制备牺牲层，制备红外敏感谐振体的激振电极；4) 等离子增强化学气相淀积氮化硅，制备红外敏感谐振体的谐振膜片和弹性悬挂梁；5) 物理气相淀积PVD和光刻，形成谐振膜片上的金属图形；6) 结构释放，制得非制冷红外图像传感器芯片。
8、 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述激振电极由谐振膜片下表面的电极和与之对应的传感器基片上表面的电极组成。
9、 如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述谐振膜片的周边设置若干条开 口，使谐振膜片的边缘部分作为弹性悬挂梁，上述弹性悬挂梁由四个锚点固定在传感器基 片上。
全文摘要
本发明公开了一种非制冷红外图像传感器芯片，属于红外图像传感器的制备技术领域。该非制冷红外图像传感器芯片包括一传感器基片，在所述传感器基片上集成若干个红外敏感像素单元阵列，每个红外敏感像素单元包括一组弹性悬挂梁和一红外敏感谐振体，所述弹性悬挂梁通过锚点固定在传感器基片上，红外敏感谐振体与上述弹性悬挂梁相连，所述红外敏感谐振体由谐振膜片和激振电极构成，在所述谐振膜片上局部叠置一与谐振膜片的热膨胀系数不同的红外敏感材料层。本发明红外敏感像素单元采用红外敏感谐振体，工艺简单，易于获得较高的成品率，实现了在一个芯片上制造阵列式非制冷红外图像传感器。
文档编号B81B7/02GK101439841SQ20081024059
公开日2009年5月27日 申请日期2008年12月25日 优先权日2008年12月25日
发明者霞 张, 张大成 申请人:中国传媒大学;北京大学