专利名称：一种用于光调制热成像系统的芯片及制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于光调制热成像系统的芯片及制作方法，属于微电子机械系统领域。
光调制热成像系统(LMTID)是利用红外光的热效应对可见光的强度进行调制，从而将红外图像转化为可见光的一种装置。目前，主要是在硅片上生长牺牲层来制作LMTID的芯片，这种表面微机械的方法在制作LMTID芯片时主要有两个困难一是很难准确控制法布里—珀罗干涉仪(F-P腔)的两个反射面之间的距离(为了提高微镜阵列对入射红外辐射的吸收，该距离应为四分之一入射红外波长)；二是应用表面微机械的方法很难制造出符合要求的双层镜面来。这无疑影响了器件的性能。
本发明的目的是这样实现的绝缘层上硅(SOI)硅片是由厚的硅基底和薄的二氧化硅、硅膜组成的，选择合适厚度的二氧化硅、硅膜的SOI硅片，使硅膜的厚度等于F-P腔的两个反射面之间的距离，二氧化硅厚度等于要制作的微镜的厚度。制作时，首先光刻微镜阵列图案，腐蚀硅膜、二氧化硅膜，重新热氧化硅、蒸上铝膜，并应使得这二层膜的总厚度等于原来SOI硅片中二氧化硅的厚度，而后光刻并刻蚀出微镜图案，随后作一次硅—玻璃键合，把F-P腔的两个面(微镜阵列和玻璃半透镜)键合在一起，这样不但保证了F-P腔的两个反射面之间的距离满足要求，同时也较为方便地制作出了符合要求的双层镜面，整个工艺过程也不复杂。
在本发明中，LMTID芯片由半透镜、微镜阵列和滤光片组成，其中微镜的反射面和半透镜的反射面构成了F-P腔的两个反射面，它们之间的距离为入射红外辐射波长的四分之一。目标红外辐射从滤光片一侧入射，由于红外的热效应引起了微镜的位移，改变了F-P腔的两个反射面之间的距离，从而可以对从半透镜1一侧入射的单色可见光进行调制，调制过的可见光经过半透镜2干涉成像于视网膜上或者用CCD相机摄制下来，于是完成了红外图像向可见光图像的转化。
从图2中可以很清楚地看到微镜阵列中一个像元的结构。镜面被包围在一个小的硅框架中，镜面的上方是键合在硅框架上的半透镜1，镜面被四根弯曲的复合梁支撑着，复合梁的一端固定在镜面上，另一端固定在硅框架上。镜面接受红外辐射，其温度将上升(四周梁由于接受红外辐射的面积太小，所接受的红外辐射可被忽略掉)，结果在复合梁的两端出现了温度梯度，从而引起了复合梁的位移，改变了镜面和半透镜1之间的距离，从而对从半透镜1一侧的入射可见光进行调制。微镜的位移由微镜所接受的红外辐射和复合梁的热灵敏度共同决定。复合梁一端连接镜面高温区，另外一端固定在硅框架低温区，梁两端所在位置可根据具体情况而定，不受图2的限制。增加复合梁的长度可以极大地提高复合梁的热灵敏度，这也是图2中采用沿镜面两边弯曲的梁而不采用沿镜面单边的直梁的原因。为了进一步提高复合悬臂梁的热灵敏度，还可以进一步增加梁的长度，如采用沿镜面三边弯曲的U形梁甚至沿镜面四边的弯曲梁；或者采用沿镜面单边的折叠梁等。在灵敏度要求不高或者镜面尺寸较大的情况下，也可以采用沿镜面单边的直梁。
本发明中，选用硅膜厚度为1～10μm的SOI硅片，热氧化温度为1050℃-1150℃，铝膜(或金膜)与氧化硅厚度之比为0.1～1，铝膜(或金膜)与氮化硅厚度之比为0.2～1。镜面和复合梁或是由铝膜(或金膜)和氧化硅或是铝膜(或金膜)和氮化硅或是铝膜(或金膜)和氮化硅及氧化硅复合而成，也可以镜面区域和复合梁区域有不同的复合层组成(详见实施例3)。用金膜取代铝膜时应注意与氮化硅或氧化硅厚度比不同。
图2是像元的立体图。
图3是实施例1的LMTID芯片中一个像元的剖面图。
图4是图3所示的实施例1的工艺流程图。
具体的工艺流程是a光刻→b腐蚀硅→c腐蚀二氧化硅→d去胶→e热氧化→f蒸铝→g刻蚀微镜图案→h键合→i刻蚀背面硅图5是实施例2的像元剖面图。
图6是实施例3的像元剖面图。
图中1-滤光片 2-硅框架3-半透镜2 4-半透镜15-微镜阵列6-弯曲复合梁7-镜面8-硅膜9-铝膜或金膜 10-氧化硅膜11-光刻胶下面结合图4所示的实施例1的工艺流程，对本发明作进一步说明。
(1)选择硅膜厚为2.5μm，二氧化硅膜厚约为1μm的SOI硅片，光刻微镜阵列图形，如图4a所示；(2)腐蚀硅膜和二氧化硅膜并去胶，如图4b、c、d所示；(3)进行1050℃热氧化，光刻，用HF溶液漂去多余的氧化硅形成如图4e所示薄的氧化硅层；(4)蒸铝，光刻，用H3PO4溶液漂去多余的铝，在氧化硅层上形成如图4f所示铝膜，铝膜的厚度和氧化硅厚度可依生长工艺而定，但其厚度比要保证在0.14左右，两层膜的总厚度约为SOI硅片中的二氧化硅膜的厚度；(5)刻蚀微镜图案，如图4g所示；(6)键合玻璃半透镜，如图4h所示；(7)刻蚀背面硅，释放悬空结构，如图4i所示。
实施例2图5所示的实施例2和图3所示的实施例1的区别在于，实施例2中的镜面和复合梁是由铝和氮化硅膜构成，而不是由铝和二氧化硅膜构成。在工艺流程图中也要作相应的改变，要以淀积氮化硅取代热氧化。
实施例3图6所示的实施例3和图3所示的实施例1的区别在于，实施例3中的镜面和复合梁是由铝、氮化硅、二氧化硅三层复合而成，而不是由铝和二氧化硅膜构成。在工艺流程图中也要作相应的改变，热氧化之后还要淀积氮化硅，然后蒸铝。
在实施例3中，还可以作以下改变。即在镜面区域由铝、氮化硅、二氧化硅三层复合而成，而在复合梁区域由铝、二氧化硅构成。在工艺流程图中也要作相应的改变，即在热氧化之后淀积氮化硅，随后刻蚀出镜面区域的氮化硅，最后蒸铝。
在以上的三个实施方案中，均可以用金膜取代铝膜，但要注意其厚度比不一样；在以上三个实施例中梁的形状是沿镜面两边弯曲的梁(如图2所示)，但如果对复合梁的热灵敏度有较高要求，还可以进一步增加梁的长度，如采用沿镜面三边弯曲的U形梁甚至沿镜面四边的弯曲梁；或者采用沿镜面单边的折叠梁等。在灵敏度要求不高或者镜面尺寸较大的情况下，可采用沿镜面单边的直梁。
权利要求
1.一种用于光调制热成像系统的芯片，由滤光片、半透镜和微镜阵列组成，其特征在于微镜的反射面和半透镜的反射面构成F-P腔的两个反射面，它们之间的距离为入射红外辐射波长的四分之一。
2.按权利要求1所述用于光调制热成像系统的芯片，其特征在于所述的微镜阵列中镜面被包围在一个硅框架中，上方是键合在硅框架上的半透镜，镜面被四根弯曲的复合梁支撑，其一端固定在镜面上，另一端固定在硅框架上。
3.按权利要求2所述用于光调制热成像系统的芯片，其特征在于复合梁长度与复合梁的灵敏度有关，它或是采用沿镜面双边的弯曲梁或是沿镜面三边的U形梁或是沿镜面四边的弯曲梁；或是采用沿镜面单边的折叠梁，或是采用沿镜面单边的直梁。
4.按权利要求1或2或3所述用于光调制热成像系统的芯片，其特征在于镜面和复合梁或是铝膜或金膜和氧化硅膜组成；或是铝膜或金膜和氮化硅膜组成；或是铝膜或金膜和氧化硅膜及氮化硅膜组成。
5.按权利要求4所述用于光调制热成像系统的芯片，其特征在于所述的镜面区域和复合梁区域由不同的复合层组成。
6.一种用于光调制热成像系统的芯片，包括光刻、蒸膜、腐蚀硅、腐蚀二氧化硅、去胶、热氧化、蒸铝或金工艺过程，其特征在于(1)选择合适厚度的二氧化硅、硅膜的SOI硅片，使得硅膜的厚度等于F-P腔的两个反射面之间的距离；二氧化硅厚度等于微镜的厚度；(2)光刻并刻蚀出微镜图案，将硅、玻璃键合使F-P腔的两个面键合在一起。
7.按权利要求6所述用于光调制热成像系统的芯片，其特征在于选用的硅膜厚度为1～10μm的SOI硅片；热氧化温度为1050℃～1150℃。
8.按权利要求6所述用于光调制热成像系统的芯片，其特征在于铝膜或金膜与氧化硅厚度之比为0.1～1，铝膜或金膜与氮化硅厚度之比为0.2～1。
全文摘要
本发明涉及一种用于光调制热成像系统的芯片及制作方法，属于微电子机械系统领域。该芯片由滤光片、半透镜和微镜阵列组成，其特征在于微镜的反射面和半透镜的反射面构成F－P腔的两个反射面，其之间的距离为入射红外辐射波长的四分之一。其制作特征是选择合适厚度的硅膜、二氧化硅膜的SOI硅片，首先光刻微镜阵列图案，腐蚀硅膜、二氧化硅膜，重新热氧化硅、蒸上铝膜，使得这二层膜的总厚度等于原来SOI硅片中二氧化硅的厚度，而后光刻并刻蚀出微镜图案，随后作一次硅－玻璃键合，把F－P腔的两个面键合在一起。本发明不但保证了F－P腔的两个反射面之间的距离满足要求，同时较为方便地制作出了符合要求的双层镜面。
文档编号G02F1/21GK1400486SQ0213662
公开日2003年3月5日 申请日期2002年8月23日 优先权日2002年8月23日
发明者熊斌, 冯飞, 王跃林 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所