自监控真空泄露的器件、制备方法、系统及自监控方法
【专利摘要】本发明提供了一种自监控真空泄露的器件、制备方法、系统及自监控方法，利用真空探测区域的电容结构实时监测封装结构内真空度的变化，一旦发生变化，真空探测区域的电容结构所产生的电信号将会产生明显的变化，从而很容易知晓是封装结构发生了泄露；避免了现有的当结构发生异常时需要额外判断检测排除等手段来找出原因的繁琐过程。
【专利说明】
自监控真空泄露的器件、制备方法、系统及自监控方法
技术领域
[0001]本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种具有自监控单芯片真空泄露功能的器件及其系统、制备方法，以及真空泄露自监控方法。
【背景技术】
[0002]红外探测器是将入射的红外辐射信号转变为电信号输出的器件，其利用热敏元件检测物体的存在或移动，探测器手机外界的红外辐射进而聚集到红外传感器上，红外传感器采用热敏元件，热敏元件在接受了红外辐射温度发生变化时就会输出信号，将其转换为电信号，然后对电信号进行波形分析。红外探测器在芯片结构制备出来之后要进行封装，封装结构内部需要保持真空环境;如果发生真空泄露，将导致红外探测器的性能下降甚至失效；同时，在实际工艺中，当红外探测器进行封装之后需要进行检测和校准；由于导致红外探测器发生异常的原因有很多比如工艺问题、真空泄露等，因此，当检测到红外探测器发生异常时，需要采用额外的对比芯片、设备以及经过繁琐的检测排除步骤来找出导致红外探测器发生异常的原因，这无疑增加了成本和工艺难度，延长了工艺时间。
【发明内容】
[0003]为了克服以上问题，本发明旨在提供一种具有自监控真空泄露功能的器件，通过设置真空探测区域来实现自监控功能。
[0004]为了达到上述目的，本发明提供了具有自监控真空泄露功能的器件，其具有位于一硅衬底上的真空探测区域，并且硅衬底由一封装结构密封;硅衬底具有与外部电路相连接的互连层，其特征在于，真空探测区域包括:
[0005]位于硅衬底上的介质层，位于介质层中的导电结构和底部金属层，所述底部金属层位于所述导电结构之间并且通过介质层相隔离;底部金属层和导电结构分别与互连层中不同的互连线相连接；
[0006]位于介质层上方的电极层，电极层中具有释放孔；
[0007]覆盖于电极层上的覆盖层，覆盖层将释放孔顶部封住；
[0008]位于导电金属与电极层之间的支撑环，支撑环用于支撑电极层，支撑环顶部与电极层相接触连接，支撑环的底部与导电金属接触连接；
[0009]支撑环内部与电极层之间构成密闭真空腔;其中，所述电极层、所述密闭真空腔和所述底部金属层构成电容结构，所述电极层作为电容结构的上电极，所述底部金属层作为电容结构的下电极;其中，
[0010]当封装结构内的真空发生泄露时，密闭真空腔内的气压与密闭真空腔外部的气压的比例会发生变化，所述电容结构所输出的电信号数据发生变化。
[0011]优选地，所述电极层具有褶皱，所述释放孔穿透电极层且对应于电极层的褶皱的凹陷处。
[0012]优选地，所述电极层中褶皱的凹陷呈连续环形阵列分布或呈点状阵列分布。
[0013]优选地，在支撑环顶部侧壁的所述电极层为多级台阶状，且在支撑环顶部的电极层具有凹陷。
[0014]优选地，所述电极层底部具有下介质保护层，所述电极层和所述覆盖层之间具有上介质保护层，所述电极层和所述支撑环顶部侧壁上的下介质保护层之间具有中间介质层。
[0015]优选地，在所述硅衬底上具有所述红外探测区域，所述红外探测区域包括:
[0016]位于娃衬底上的介质层，位于介质层中的反射层和导电金属，反射层位于导电金属之间且通过介质层相隔离；导电金属与互连层相连接;所述红外探测区域的介质层与所述真空探测区域的介质层为同一层；
[0017]位于支撑柱上的红外探测结构，红外探测结构用于探测红外线并且输出电信号；所述红外探测结构中具有释放孔且释放孔穿透红外探测结构；
[0018]位于导电金属上的支撑柱，用于支撑红外探测结构并且将红外探测结构的电信号传输给导电金属，再由导电金属传输给互连层;互连层将电信号传输到外部电路;其中，
[0019]所述红外探测结构具有褶皱，所述释放孔设置于所述支撑柱之间的所述红外探测结构中且对应于褶皱的非凹陷处。
[0020]为了达到上述目的，本发明还提供了一种自监控真空泄露系统，所述系统具有所述的具有自监控真空泄露功能的器件，还具有比较器和判断器;其中，
[0021]所述具有自监控真空泄露功能的器件的电容结构实时地输出实际电信号数据；
[0022]比较器，用于比较所述实际电信号数据是否超出预先设定的安全范围；并且将比较结果发送给判断器；
[0023]判断器，根据所述比较器的比较结果来判断所述器件是否发生泄露，当判断结果为是时，判断器判断所述器件发生泄露。
[0024]为了达到上述目的，本发明还提供了一种采用上述的系统进行的真空泄露自监控方法，包括:
[0025]步骤A01:所述具有自监控真空泄露功能的器件实时地输出实际电信号数据；
[0026]步骤A02:比较所述实际电信号数据是否超出预先设定的安全范围；
[0027]步骤A03:根据比较结果来判断所述器件是否发生泄露，当判断结果为是时，判断出所述器件发生泄露。
[0028]为了达到上述目的，本发明还提供了一种制备上述具有自监控真空泄露功能的器件的方法，所述真空探测区域的形成步骤包括:
[0029]步骤01:提供一具有互连层的硅衬底；
[0030]步骤02:在所述娃衬底上形成介质层、以及介质层中的导电结构和底部金属层；
[0031]步骤03:在完成步骤02的硅衬底上形成牺牲层，并且在牺牲层中刻蚀出真空探测区域的支撑环图案，并且在支撑环图案中填充导电金属材料，并且去除支撑环图案之外的且位于牺牲层表面的导电金属材料，从而形成支撑环；
[0032]步骤04:在位于支撑环内部的牺牲层的顶部形成多个凹槽；
[0033]步骤05:在完成完步骤04的硅衬底上沉积电极层，从而使所形成的电极层依附所述凹槽形成褶皱；
[0034]步骤06:在所述电极层中形成所述释放孔，在所述支撑环外的所述电极层的边缘区域形成开口，经释放工艺，去除所述牺牲层;然后在真空条件下沉积覆盖层于电极层上，覆盖层将释放孔顶部封住，从而在电极层下方形成真空密封腔；
[0035]步骤07:对完成步骤06的硅衬底进行真空封装，以形成封装结构;其中，
[0036]所述电极层、所述密闭真空腔和所述底部金属层构成电容结构，电极层作为电容结构的上电极，底部金属层作为电容结构的下电极；当封装结构内发生真空泄露时，密闭真空腔内的气压与密闭真空腔外部的气压的比值会发生变化，从而监测出封装结构内发生真空泄露。
[0037]优选地，所述步骤05中，在沉积电极层之前还包括:所述支撑环顶部侧壁形成中间介质层。
[0038]本发明的具有自监控真空泄露功能的器件，利用真空探测区域的电容结构实时监测封装结构内真空度的变化，一旦发生变化，真空探测区域的电容结构所产生的电信号将会产生明显的变化，从而很容易知晓是封装结构发生了泄露;避免了现有的当器件发生异常时需要额外判断检测排除等手段来找出原因的繁琐过程。
【附图说明】
[0039]图1a为本发明的一个较佳实施例的具有自监控真空泄露功能的器件的截面结构示意图
[0040]图1b为本发明的一个较佳实施例的具有自监控真空泄露功能的器件中第一空腔和支撑柱、第二空腔和支撑环的俯视关系示意图
[0041 ]图1c为本发明的一个较佳实施例的自监控真空泄露功能的器件中褶皱分布的俯视示意图
[0042]图2为本发明的一个较佳实施例的自监控真空泄露功能的器件的真空自监测方法的流程示意图
[0043]图3为本发明的一个较佳实施例的自监控真空泄露功能的器件的制备方法的流程示意图
[0044]图4-13为本发明的一个较佳实施例的自监控真空泄露功能的器件的制备方法的各制备步骤示意图
[0045]图14-16分别为本发明的一个较佳实施例的自监控真空泄露功能的器件的制备方法中步骤06 ’的具体过程示意图
【具体实施方式】
[0046]为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
[0047]本发明中，具有自监控真空泄露功能的器件，具有真空探测区域，真空探测区域包括:
[0048]位于娃衬底上的介质层，位于介质层中的导电结构和底部金属层，导电结构和底部金属层之间通过介质层隔离;底部金属层和导电结构层分别与互连层中不同的互连线相连接；
[0049]位于介质层上方的电极层，电极层中具有释放孔；
[0050]覆盖于电极层上的覆盖层，覆盖层将释放孔顶部封住；
[0051]位于导电结构与电极层之间的支撑环，支撑环用于支撑电极层，支撑环顶部与电极层向接触连接，支撑环的底部与导电金属相接触连接；
[0052]支撑环内部与电极层之间构成密闭真空腔;其中，所述电极层、所述密闭真空腔和所述底部金属层构成电容结构，所述电极层作为电容结构的上电极，所述底部金属层作为电容结构的下电极;其中，
[0053]当封装结构内的真空发生泄露时，密闭真空腔内的气压与密闭真空腔外部的气压的比例会发生变化，所述电容结构所输出的电信号数据发生变化。
[0054]需要说明的是，本发明的器件中除了具有真空探测区域，还具有器件功能区域，例如红外探测器中，在一硅衬底上具有红外探测区域，并且还具有真空探测区域;并且硅衬底由一封装结构密封；
[0055]本发明中，制备上述自监控红外探测器的方法，在同一硅衬底上同时形成红外探测区域和真空探测区域;真空探测区域的形成包括:
[0056]步骤01:提供一具有互连层的硅衬底；
[0057]步骤02:在所述娃衬底上形成介质层、以及介质层中的导电结构和底部金属层；
[0058]步骤03:在完成步骤02的硅衬底上形成牺牲层，并且在牺牲层中刻蚀出真空探测区域的支撑环图案，并且在支撑环图案中填充导电金属材料，并且去除支撑环图案之外的且位于牺牲层表面的导电金属材料，从而形成支撑环；
[0059]步骤04:在位于支撑环内部的牺牲层的顶部形成多个凹槽；
[0060]步骤05:在完成完步骤04的硅衬底上沉积电极层，从而使所形成的电极层依附所述凹槽形成褶皱；
[0061]步骤06:在电极层中形成释放孔，在所述支撑环外的所述电极层的边缘区域形成开口，经释放工艺，去除所述牺牲层;然后在真空条件下沉积覆盖层于电极层上，覆盖层将释放孔顶部封住，从而在电极层下方形成真空密封腔；
[0062]步骤07:对完成步骤06的娃衬底进行真空封装，以形成封装结构。
[0063]以下结合附图la-16和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
[0064]本实施例中，提供一种具有自监控真空泄露功能的红外探测器，红外探测器具有红外探测区域和真空探测区域;红外探测区域和真空探测区域位于同一硅衬底上;红外探测区域中，红外探测结构采用第一微桥结构，第一微桥结构具有下介质保护层、电极层、上介质保护层和红外敏感材料层；
[0065]真空探测区域中，电极层底部具有下介质保护层，电极层和覆盖层之间具有上介质保护层，在上介质保护层上的覆盖层也采用红外敏感材料层，从而构成第二微桥结构，进一步的，电极层和支撑环顶部侧壁上的下介质保护层之间还可以具有中间介质层。较佳的，在支撑环顶部侧壁的电极层为多级台阶状，且在支撑环顶部的电极层具有凹陷，从而可以提高对电极层的支撑力以及提高电极层对形变的灵敏度。
[0066]请参阅图1a和图lb，本实施例中，具有自监控真空泄露功能的红外探测器包括:在同一硅衬底上的红外探测区域(图1a中左边的结构)和真空探测区域(图1a中右边的结构)；在红外探测区域和真空探测区域下方对应的硅衬底区域具有与外部电路相连接的互连层(图1a中未示出)；互连层用于将探测器的电信号输出到外部电路;本实施例中的红外探测区域的导电金属为第一导电金，真空探测区域的导电结构为第二导电金属；
[0067]红外探测区域(图1a中左边的结构)，包括:位于硅衬底I上的第一介质结构2;位于第一介质结构2之间的第一导电金属M;第一导电金属M与互连层(未示出)相连接;位于第一介质结构2之间且在第一导电金属M之间的反射层Mx，且反射层Mx与第一导电金属M之间通过部分第一介质结构2隔离开;位于第一导电金属M上的支撑柱3，用于支撑第一微桥结构并且将第一微桥结构的电信号传输给第一导电金属M，再由第一导电金属M传输给互连层;互连层将电信号传输到外部电路;位于支撑柱3上的第一微桥结构，第一微桥结构用于探测红外线并且输出电信号；其中，第一微桥结构具有褶皱;第一微桥结构具有下介质保护层41、电极层44、上介质保护层43和红外敏感材料层45;在支撑柱3之间的部分第一微桥结构中第一释放孔Kl，本实施例中，第一释放孔Kl位于在支撑柱3之间的部分第一微桥结构的非褶皱处，也就是较为平坦的区域，这样，有利于牺牲层的材料的充分释放。本实施例中，支撑柱3包括支撑柱主体和位于支撑柱主体顶部的盖帽，采用盖帽的设计可以增加支撑柱的支撑能力。支撑柱3的盖帽的高度可以等于支撑柱3的宽度的1/2，这里，支撑柱3的材料可以为铝、铜等，较佳的为铝。第一微桥结构的厚度可以为280?320nm，第一微桥结构下方到反射层Mx的距离可以为1.8?2.3μπι。第一微桥结构下方形成的第一空腔Q，如图1b所示，图1b中左边为第一空腔Q和支撑柱3的俯视关系示意图，为了便于描述，仅在图中显示了第一微桥结构下方的第一空腔Q和支撑柱3，沿图1b中左边结构的虚线箭头得到图1a左边的截面结构，也就是，第一微桥结构并不是一个连续的平面，而是图1b中俯视示意图所示的呈直角弯曲折回的平面;从俯视图中可以看到，在第一微桥结构中相邻边之间具有空隙；
[0068]真空探测区域(图1a中左边的结构)，包括:位于硅衬底I上的第二介质结构2’；位于第二介质结构2’中的第二导电金属Μ’；第二导电金属Μ’与互连层相连接;位于第二介质结构2’中的且在第二导电金属Μ’之间的底部金属层My，且底部金属层My与第二导电金属Μ’之间通过部分第二介质结构2’隔离开;位于第二导电金属Μ’上的支撑环3’，用于支撑第二微桥结构并且将第二微桥结构的电信号传输给第二导电金属Μ’，再由第二导电金属Μ’传输给互连层;互连层将该电信号传输给外部电路;位于支撑环3 ’上的第二微桥结构，第二微桥结构具有:下介质保护层41，、电极层43，、上介质保护层44，和红外敏感材料层45，；第二微桥结构具有褶皱，在支撑环3 ’内的第二微桥结构部分具有第二释放孔Κ2，红外敏感材料层45 ’将第二释放孔Κ2封住，本实施例中，第二释放孔Κ2位于第二微桥结构中且对应于第二微桥结构的褶皱的凹陷处;在支撑环3’内部且在第二微桥结构下方构成密闭真空腔;本实施例中，支撑环3’包括支撑环主体和位于支撑环主体顶部的盖帽，利用盖帽设计可以增强支撑环的支撑能力，支撑环3’的盖帽的高度可以等于支撑环3’的宽度的1/2;这里，支撑环3’的俯视结构可以为矩形环状、方形环状、圆形环状，如图1b所示，本实施例中的支撑环3’的俯视结构为矩形环状。这里，支撑环3’的材料可以为铝、铜等，较佳的为铝。第二微桥结构的厚度可以小于或等于第一微桥结构的厚度，较佳的在200?320nm之间，第二微桥结构下方到底部金属层My的距离可以为1.8?2.3μπι。这里，密闭真空腔的内部压强小于ITorr，较佳的在50?10mtorr，真空封装结构内部的压强也即是密闭空腔外周围的压强也小于ITorr，较佳的在50?10mtorr;当然，密闭真空腔和真空封装结构内的压力并不一定相同，但在本发明所称的真空条件下，二者较为接近;而且，密闭真空腔中还可以具有惰性气体，如Ar、He，含Si的气体，如SiH4，含O2的气体，如N2O,等等。第二微桥结构下方形成的第二空腔Q’，如图1b所示，图1b中右边为密闭真空腔Q’和支撑环3’的俯视关系示意图，为了便于描述，仅在图中显示了第二微桥结构下方的密闭真空腔Q’和支撑环3’，沿图1b中右边结构的虚线箭头得到图1a右边的截面结构，也就是，第二微桥结构可以是一个连续的平面，从图1b中俯视示意图可以看到，支撑环3’环绕密闭真空腔Q’设置;这里，第一介质结构2和第二介质结构2’位于同一层。
[0069]此外，第一微桥结构在支撑柱3顶部和顶部侧壁区域形成了多级台阶状，特别是在支撑柱3顶部还具有凹陷，这样，可以增强第一微桥结构的支撑能力和强度；同理，第二微桥结构在支撑环3’顶部和顶部侧壁区域形成了多级台阶状，特别是在支撑环3’顶部还具有凹陷，这样，可以增强第二微桥结构的支撑能力和强度。其中，第一微桥结构的下介质保护层41和电极层43之间还具有中间介质层42，第二微桥结构的支撑环3’顶部侧壁区域中下介质保护层41’和电极层43’之间还具有中间介质层42’且第二微桥结构的非支撑环顶部侧壁区域不具有中间介质层42’。这样，可以使第一微桥结构和第二微桥结构分别在支撑柱3和支撑环3’顶部及其顶部侧壁区域形成具有凹陷和凸起的褶皱。较佳的，第一微桥结构和第二微桥结构中裙皱的凹陷处的深宽比大于5，宽度小于Ιμπι。第一微桥结构和第二微桥结构中褶皱的凹陷还可以呈环形阵列分布或呈点状阵列分布，如图1c所示，左边结构为褶皱呈连续环形阵列分布示意图，右边为褶皱呈点状阵列分布示意图，图中黑色粗线表示褶皱。
[0070]第一微桥结构采用褶皱，可以增强微桥的硬度、支撑效果和抗应力效果，因为，第一微桥结构下方为空的，且仅采用支撑柱来支撑，容易向下弯曲或塌落;采用褶皱较没有褶皱的硬度要高，可以避免向下弯曲或塌落；同理，第二微桥结构采用褶皱，也是因为第二微桥结构下方为空的，虽然采用支撑环来支撑，但是还是容易向下弯曲或塌落。
[0071]其中，电极层、密闭真空腔和底部金属层构成电容结构，电极层作为电容结构的上电极，底部金属层作为电容结构的下电极;封装之后，当封装结构内的真空发生泄露时，密闭真空腔内的气压与密闭真空腔外部的气压的比值会发生变化，电容结构所输出的电信号数据发生变化，从而判断出发生真空泄露。
[0072]本实施例的自监控真空泄露系统具有上述的具有自监控真空泄露功能的红外探测器、比较器和判断器，还可以具有存储器;存储器用于存储电容结构所产生的电信号数据的安全范围；红外探测器的电容结构实时地输出实际电信号数据；比较器用于将实际电信号数据与预先设定的安全范围相比较，并比较实际电信号数据是否超出安全范围；并且将比较结果发送给判断器;判断器根据比较器的比较结果来判断红外探测器是否发生泄露，当判断结果为是时，判断器判断出红外探测器发生泄露；还可以具有报警器，当发生泄露时，判断器向报警器发送信号，报警器接受到信号后发出警报。这里，红外探测器可以分为用于建立安全数值范围的第一红外探测器和用于作为产品的第二红外探测器;根据多个第一红外探测器，在不发生真空泄露时收集一组第一红外探测器的电容结构所发出的电信号数据，并且据此建立电容结构所输出电信号数据的安全范围，并且将安全范围存储到存储器中；
[0073]这里需要说明的是，之所以要设立安全范围，是因为:由于设备噪声、环境等外界条件影响，会导致电容结构所输出的电信号数据在一定范围内波动，然这种波动是合理的不应当视为异常情况，因此，设立该安全范围，避免电容结构一有波动就造成不必要的报警，影响工艺进度。
[0074]本实施例中，请参阅图2，采用上述的自监控真空泄露系统进行的真空泄露自监控方法，包括:
[0075]为了达到上述目的，本发明还提供了一种采用上述的系统进行的真空泄露自监控方法，包括:
[0076]步骤A01:具有自监控真空泄露功能的器件实时地输出实际电信号数据；
[0077]步骤A02:比较实际电信号数据是否超出预先设定的安全范围；
[0078]这里，关于安全范围是设定过程可以包括:提供多个用于建立安全数值范围的第一红外探测器，在不发生真空泄露时收集一组第一红外探测器的电容结构所发出的电信号数据，并且据此建立电容结构所输出电信号数据的安全范围，并且将安全范围存储起来;这里，这些多个第一红外探测器用来作为检测样品的，通过本步骤的过程，可以建立一个关于电容结构在不发生真空泄露下的安全数值范围的数据库，便于后续用于产品的第二红外探测器进行检测参照使用；因为，本发明所称的真空为相对真空，也就是真空度很小的情况，理论真空是不可能目前是不可能做到的；这里，电容结构的密闭真空腔的内部压强小于ITorr，较佳的在50?10mtorr，真空封装结构内部的压强也即是密闭空腔外周围的压强也小于ITorr，较佳的在50?10mtorr;当然，电容结构的密闭真空腔和真空封装结构内的压力并不一定相同，但在本发明所称的真空条件下，二者较为接近;而且，密闭真空腔中还可以具有惰性气体，如Ar、He，含Si的气体，如SiH4,含O2的气体，如N20，等等。
[0079]这里，在封装结构内部发生真空泄露时，第二红外探测器的电容结构的密闭真空腔发生变形，导致该电容结构的电容发生变化，从而使所输出的电信号数据发生变化;这里，采用比较器比较实际电信号数据是否超出安全范围；
[0080]步骤A03:根据比较结果判断该器件是否发生泄露，当判断结果为是时，判断出该器件发生泄露。
[0081]具体的，当实际电信号数据超出安全范围时，判断器判断第二红外探测器发生泄露。这里，当判断发生泄露时，还可以发出警报来通知工程师。
[0082]以下，结合具体实施例来进一步描述上述具有自监控真空泄露功能的器件的制备方法。需要说明的是，图3-13的每幅图中仅显示了硅衬底上的红外探测区域和真空探测区域，用于说明红外探测区域和真空探测区域的各个制备步骤示意结构。
[0083]本实施例中，请参阅图3，上述的具有自监控真空泄露功能的红外探测器的制备方法，在同一硅衬底上同时形成红外探测区域和真空探测区域，其包括:
[0084]步骤01:提供一具有互连层的硅衬底；
[0085]具体的，请参阅图4，硅衬底I中可以具有前道器件(未示出)，互连层(未示出)与前道器件相连;互连层用于将探测器的电信号输出到外部电路。
[0086]步骤02:在娃衬底上形成介质层、以及介质层中的导电金属和底部金属层；
[0087]具体的，可以采用如下过程来完成步骤02:在硅衬底上形成介质层，经刻蚀，在介质层中刻蚀出第一导电金属、反射层图案、第二导电金属图案和底部金属层图案，并且在这些图案中填充导电金属，从而形成第一导电金属、反射层、位于第一导电金属和反射层之间以及第一导电金属外侧的第一介质结构，以及形成第二导电金属、底部金属层、位于第二导电金属和底部金属层之间以及第二导电金属外侧的第二介质结构；
[0088]还可以采用如下另一个过程来完成步骤02:在所述硅衬底上形成金属材料层，经刻蚀，在金属材料层中刻蚀出第一导电金属、反射层、第二导电金属和底部金属层，并且在第一导电金属、反射层、第二导电金属和底部金属层之间填充介质材料，从而形成位于第一导电金属和反射层之间以及第一导电金属外侧的第一介质结构、以及位于第二导电金属和底部金属层之间以及第二导电金属外侧的第二介质结构；
[0089]这里，简言之，可以采用介质层中填充金属或者是金属层中填充介质层的方式;请参阅图5，其中，第一导电金属M和第二导电金属M与互连层相连接;第一导电金属和第一导电金属M、以及反射层图案和反射层Mx位于红外探测区域，第二导电金属图案和第二导电金属M’、以及底部金属层图案和底部金属层My位于真空探测区域；
[0090]步骤03:在完成步骤02的硅衬底上形成牺牲层，并且在牺牲层中刻蚀出真空探测区域的支撑环图案，并且在支撑环图案中填充导电金属材料，并且去除支撑环图案之外的且位于牺牲层表面的导电金属材料，从而形成支撑环；
[0091 ]具体的，在完成步骤02的整个硅衬底上沉积牺牲层，并且在牺牲层中同时刻蚀出位于红外探测区域的支撑柱图案和位于真空探测区域的支撑环图案，然后，在支撑柱图案中和支撑环图案中沉积导电金属材料，并且去除支撑柱图案和支撑环图案之外的且位于牺牲层表面的导电金属材料，从而形成支撑柱和支撑环;这里，支撑柱和支撑环的顶部均具有盖帽，盖帽部分高出牺牲层表面，从而使得后续沉积的第一微桥结构和第二微桥结构的薄膜也随之形成凸起，构成裙皱的一部分；
[0092]请参阅图6，设位于红外探测区域的牺牲层为X和位于真空探测区域的牺牲层为X’，支撑柱3和支撑环3’分别与第一导电金属M和第二导电金属M’相连接，分别用于将第一微桥结构和第二微桥结构的电信号传输到互连层进而传输到外部电路中；
[0093]步骤04:在位于支撑环内部的牺牲层的顶部形成多个凹槽；
[0094]具体的，在位于支撑柱之间的部分牺牲层的顶部和位于支撑环内部的部分牺牲层的顶部同时形成多个凹槽；
[0095]请参阅图7，可以但不限于采用光刻和干法刻蚀工艺来形成多个凹槽Y。凹槽Y的设置可以使后续沉积的第一微桥结构和第二微桥结构的薄膜随之形成凹陷，从而构成褶皱。
[0096]步骤05:在完成完步骤04的硅衬底上沉积电极层，从而使所形成的电极层依附凹槽形成裙皱；
[0097]具体的，在完成所述步骤04的硅衬底上沉积下介质保护层、电极层、上介质保护层以构成具有褶皱的第一子微桥结构和具有褶皱第二子微桥结构；
[0098]具体的，请参阅图8，包括:首先，沉积下介质保护层，这里位于红外探测区域的下介质保护层命名为41，位于真空探测区域的下介质保护层命名为41’；接着，在下介质保护层上在沉积中间介质层，这里位于红外探测区域的中间质层命名为42，位于真空探测区域的中间介质层命名为42’；然后，刻蚀中间介质层和下介质保护层，从而在支撑柱和支撑环顶部的中间介质层部分和下介质保护层部分形成凹槽以及去除位于支撑环顶部侧壁区域之外的中间介质层部分;再沉积电极层并且图案化第一子微桥结构中的电极层，这里位于红外探测区域的电极层命名为43，位于真空探测区域的电极层命名为43’；最后沉积上介质保护层，这里位于红外探测区域的上介质保护层命名为44，位于真空探测区域的上介质保护层命名为44，，从而形成第一自微桥结构和第二子微桥结构分别在支撑柱3和支撑环3，顶部和顶部侧壁区域的多级台阶状的褶皱，如图8中所示。这里，刻蚀上介质保护层时也将部分上电极暴露出来，虽然在图8中所示的截面图上没有显示，可以理解在其它方向的截面结构上呈两者呈接触状态，这是为了使电极层和后续的红外敏感材料层接触；
[0099]步骤06:在电极层中形成释放孔，在支撑环外的电极层的边缘区域形成开口，经释放工艺，去除牺牲层;然后在真空条件下沉积覆盖层于电极层上，覆盖层将释放孔顶部封住，从而在电极层下方形成真空密封腔；
[0100]具体的，首先，在位于支撑环内的部分第二子微桥结构中形成第二释放孔；
[0101]请参阅图9，在第二子微桥结构中且对应于牺牲层X’顶部的凹槽位置形成第二释放孔K2;可以采用光刻和刻蚀工艺来形成第二释放孔K2。通过第二释放孔K2的深宽比的设置，可以确保后续红外敏感材料层沉积时，将第二释放孔K2封住，较佳的，第一子微桥结构中的第二释放孔K2的深宽比大于5:1。
[0102]这里需要说明的是，红外探测区域和真空探测区域的每一个步骤均采用同一块光刻版，每一步骤所对应的光刻版中显示的红外探测区域的图形和真空探测区域的图形可能相同也可能不相同。
[0103]然后，通过第二释放孔进行第一次释放工艺，将位于第二子微桥结构下方且在支撑环内的牺牲层材料部分去除;请参阅图10，关于释放工艺，对于不同的牺牲层X的材料具有不同的工艺条件，例如，当牺牲层X的材料为非晶硅时，则采用XeF2作为释放气体，将牺牲层X去除，此时，上介质保护层44、44’和下介质保护层41、41，的材料为二氧化硅和铝的复合材料。在本发明的另一实施例中，当牺牲层X的材料为氧化硅时，可以采用气态氟化氢作为释放气体，将全部的牺牲层X的材料去除，此时，上介质保护层44、44’和下介质保护层41、41 ’的材料为氮化硅、或硅等。在本发明的又一实施例中，当牺牲层X的材料为有机物时，例如光刻胶，聚酰亚胺，可以采用O2作为释放气体，将全部的牺牲层X的材料去除，此时，上介质保护层44、44’和下介质保护层41、41’的材料为所有无机物材料。
[0104]接着，在完成上述第一次释放工艺的硅衬底上真空环境下沉积红外敏感材料层，从而分别使具有褶皱的第一子微桥结构和具有褶皱的第二子微桥结构成为具有褶皱的第一微桥结构和具有褶皱的第二微桥结构；其中部分红外敏感材料层将第一释放孔顶部封住，从而在第二微桥结构下方且在支撑环内形成密闭真空腔;请参阅图11，可以但不限于采用真空化学气相沉积工艺来制备红外敏感材料层，这里位于红外探测区域的红外敏感材料层命名为45，位于真空探测区域的红外敏感材料层命名为45’；由于沉积是在真空环境下，因而第二子微桥结构下的气体被抽出从而在红外敏感材料层45’将第一释放孔Kl顶部封住后可以在第二微桥结构下方形成密闭真空腔Q’。
[0105]然后，分别在支撑柱之间的部分第一微桥结构中形成第一释放孔以及在第二微桥结构的边缘区域形成开口；请参阅图12，在支撑柱3之间的部分第一微桥结构中且对应于牺牲层X顶部的非凹槽区域形成第一释放孔Kl，在第二微桥结构左侧边缘区域刻蚀掉从而形成开口 K3。
[0106]最后，进行第二次释放工艺，去除所有剩余的牺牲层材料，从而在第一微桥结构和支撑柱之间形成空腔;请参阅图13，通过第一释放孔Kl和开口 K3来释放牺牲层材料;关于释放工艺，对于不同的牺牲层X的材料具有不同的工艺条件，例如，当牺牲层X的材料为非晶硅时，则采用XeF2作为释放气体，将牺牲层X去除，此时，上介质保护层44、44’和下介质保护层41、41’的材料为二氧化硅和铝的复合材料。在本发明的另一实施例中，当牺牲层材料为氧化硅时，可以采用气态氟化氢作为释放气体，将全部的牺牲层材料去除，此时，上介质保护层44、44’和下介质保护层41、41’的材料为氮化硅、或硅等。在本发明的又一实施例中，当牺牲层X材料为有机物时，例如光刻胶，聚酰亚胺，可以采用O2作为释放气体，将全部的牺牲层X材料去除，此时，上介质保护层和下介质保护层的材料为所有无机物材料。如图13中，为完成释放工艺的红外探测区域和真空探测区域的结构示意图。
[0107]还需要说明的是，附图4-13均为红外探测器沿某一路径方向的截面结构示意图，微桥结构中的红外敏感材料层与电极层实际上在图中未显示的其它截面方向上是相接触的。
[0108]步骤07:对完成所述步骤10的硅衬底进行真空封装，以形成封装结构；
[0109]具体的，真空探测区域的电极层、密闭真空腔和底部反射层构成电容结构，电极层作为电容结构的上电极，底部抗反射层作为电容结构的下电极;封装之后，当封装结构内的真空发生泄露时，密闭真空腔内的气压与密闭真空腔外部的气压的比值会发生变化，从而监测出封装结构内发生真空泄露。
[0110]需要说明的是，在本发明的其它实施例中，开口K3也可以和第二释放孔K2同时形成，那么在第一次释放工艺时，第二子微桥结构下方的牺牲层X就可以全部被去除掉;或者，开口 3和第一释放孔K1、第二释放孔K2同时形成，那么，就采用第一次释放工艺即可实现第一微桥结构下方的空腔以及第二微桥结构下方的空腔，无需第二次释放工艺了，第一次释放工艺之后沉积红外敏感材料层，最后真空封装即可;此外，在第一子微桥结构或第一微桥结构的边缘区域也可以形成开口。本领域技术人员可以理解，可以实现第一微桥结构下方的空腔以及第二微桥结构下方的空腔的关于第一释放孔、第二释放孔和开口的形成先后顺序与释放工艺的任意合理组合，都应当在本发明的保护范围之内。
[0111]此外，在本发明的另一个实施例中提供了一种具有自监控真空泄露功能的红外探测器的制备方法，在同一硅衬底上同时形成红外探测区域和真空探测区域，与上述实施例的自监控红外探测器的制备方法的区别在于步骤06，其余步骤01-05以及步骤07均相同；本实施例中的步骤06 ’具体包括:
[0112]首先，在位于支撑环内的部分第二子微桥结构中形成第二释放孔、在支撑柱之间的部分第一子微桥结构中形成第一释放孔、以及在第一子微桥结构的边缘和第二子微桥结构的边缘区域分别刻蚀出开口 ；
[0113]请参阅图14，在位于支撑环3’内的部分第二子微桥结构中形成第二释放孔K2以及在支撑柱3之间的部分第一子微桥结构中形成第一释放孔Kl，在第一子微桥结构的边缘和第二子微桥结构的边缘区域分别刻蚀出开口K4和K3;较佳的，第二子微桥结构中的第二释放孔K2的深宽比大于5:1;第一子微桥结构中的第一释放孔Kl的深宽比小于1:1，通过第一释放孔Kl和第二释放孔K2的深宽比的设置，可以确保后续红外敏感材料层沉积时，将第二释放孔K2封住，而在第一释放孔Kl处仍然形成开口，不会将第一释放孔Kl封住。
[0114]然后，通过第一释放孔、第二释放孔和开口进行释放工艺，将所述牺牲层全部去除，从而在所述第一子微桥结构下方和所述第二子微桥结构下方形成分别形成空腔；
[0115]请参阅图15，通过第一释放孔Kl、第二释放孔K2和开口K3、K4进行释放工艺，将牺牲层X全部去除，从而在第一子微桥结构下方和第二子微桥结构下方形成分别形成空腔；
[0116]最后，在完成步骤07，的硅衬底上真空环境下沉积红外敏感材料层，从而分别使具有褶皱的第一子微桥结构和具有褶皱的第二子微桥结构成为具有褶皱的第一微桥结构和具有褶皱的第二微桥结构;其中部分红外敏感材料层将第一释放孔顶部封住，从而在第二微桥结构下方且在支撑环内形成密闭真空腔；
[0117]请参阅图16，可以但不限于采用真空化学气相沉积工艺来制备红外敏感材料层，这里位于红外探测区域的红外敏感材料层命名为45，位于真空探测区域的红外敏感材料层命名为45’；由于沉积是在真空环境下，因而第二子微桥结构下的气体被抽出从而在红外敏感材料层45’将第二释放孔Κ2顶部封住后可以在第二微桥结构下方形成密闭真空腔Q’，而且由于第二微桥结构下方是不密闭的，则形成空腔Q，该空腔不一定是真空状态。
[0118]需要说明的是，在沉积红外敏感材料层的过程中，红外敏感材料层的材料会通过第一子微桥结构中的第一释放孔Kl沉积在反射层Mx上，由于这些沉积在反射层Mx上的红外敏感材料层的材料很少，对整个器件的性能没有影响，因此，可以采用此工艺。
[0119]还需要说明的是，附图14-16均为红外探测器沿某一路径方向的截面结构示意图，微桥结构中的红外敏感材料层与电极层实际上在图中未显示的其它截面方向上是相接触的。需要说明的是，在本发明的其它实施例中，开口Κ3、Κ4、第一释放孔Kl和第二释放孔Κ2可以同时形成也可以先后形成，只要采用多次释放工艺来实现即可;本领域技术人员可以理解，可以实现第一微桥结构下方的空腔以及第二微桥结构下方的空腔的关于第一释放孔、第二释放孔和多个开口的形成先后顺序与释放工艺的任意合理组合，都应当在本发明的保护范围之内。
[0120]虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。
【主权项】
1.一种具有自监控真空泄露功能的器件，其具有位于一硅衬底上的真空探测区域，并且硅衬底由一封装结构密封;硅衬底具有与外部电路相连接的互连层，其特征在于，真空探测区域包括: 位于硅衬底上的介质层，位于介质层中的导电结构和底部金属层，所述底部金属层位于所述导电结构之间并且通过介质层相隔离;底部金属层和导电结构分别与互连层中不同的互连线相连接； 位于介质层上方的电极层，电极层中具有释放孔； 覆盖于电极层上的覆盖层，覆盖层将释放孔顶部封住； 位于导电金属与电极层之间的支撑环，支撑环用于支撑电极层，支撑环顶部与电极层相接触连接，支撑环的底部与导电金属接触连接； 支撑环内部与电极层之间构成密闭真空腔;其中，所述电极层、所述密闭真空腔和所述底部金属层构成电容结构，所述电极层作为电容结构的上电极，所述底部金属层作为电容结构的下电极;其中， 当封装结构内的真空发生泄露时，密闭真空腔内的气压与密闭真空腔外部的气压的比例会发生变化，所述电容结构所输出的电信号数据发生变化。2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述电极层具有褶皱，所述释放孔穿透电极层且对应于电极层的褶皱的凹陷处。3.根据权利要求2所述的器件，其特征在于，所述电极层中褶皱的凹陷呈连续环形阵列分布或呈点状阵列分布。4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，在支撑环顶部侧壁的所述电极层为多级台阶状，且在支撑环顶部的电极层具有凹陷。5.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述电极层底部具有下介质保护层，所述电极层和所述覆盖层之间具有上介质保护层，所述电极层和所述支撑环顶部侧壁上的下介质保护层之间具有中间介质层。6.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，在所述硅衬底上具有所述红外探测区域，所述红外探测区域包括: 位于硅衬底上的介质层，位于介质层中的反射层和导电金属，反射层位于导电金属之间且通过介质层相隔离；导电金属与互连层相连接;所述红外探测区域的介质层与所述真空探测区域的介质层为同一层； 位于支撑柱上的红外探测结构，红外探测结构用于探测红外线并且输出电信号；所述红外探测结构中具有释放孔且释放孔穿透红外探测结构； 位于导电金属上的支撑柱，用于支撑红外探测结构并且将红外探测结构的电信号传输给导电金属，再由导电金属传输给互连层;互连层将电信号传输到外部电路;其中， 所述红外探测结构具有褶皱，所述释放孔设置于所述支撑柱之间的所述红外探测结构中且对应于褶皱的非凹陷处。7.—种自监控真空泄露系统，其特征在于，所述系统具有权利要求1-6任意一项所述的具有自监控真空泄露功能的器件，还具有比较器和判断器;其中， 所述具有自监控真空泄露功能的器件的电容结构实时地输出实际电信号数据； 比较器，用于比较所述实际电信号数据是否超出预先设定的安全范围；并且将比较结果发送给判断器； 判断器，根据所述比较器的比较结果来判断所述器件是否发生泄露；当判断结果为是时，判断器判断所述器件发生泄露。8.一种采用权利要求7所述的系统进行的真空泄露自监控方法，其特征在于，包括: 步骤AOl:所述具有自监控真空泄露功能的器件实时地输出实际电信号数据； 步骤A02:比较所述实际电信号数据是否超出预先设定的安全范围； 步骤A03:根据比较结果来判断所述器件是否发生泄露，当判断结果为是时，判断出所述器件发生泄露。9.一种制备权利要求1所述的具有自监控真空泄露功能的器件的方法，其特征在于，所述真空探测区域的形成步骤包括: 步骤01:提供一具有互连层的硅衬底； 步骤02:在所述硅衬底上形成介质层、以及介质层中的导电结构和底部金属层； 步骤03:在完成步骤02的硅衬底上形成牺牲层，并且在牺牲层中刻蚀出真空探测区域的支撑环图案，并且在支撑环图案中填充导电金属材料，并且去除支撑环图案之外的且位于牺牲层表面的导电金属材料，从而形成支撑环； 步骤04:在位于支撑环内部的牺牲层的顶部形成多个凹槽； 步骤05:在完成完步骤04的硅衬底上沉积电极层，从而使所形成的电极层依附所述凹槽形成裙皱； 步骤06:在所述电极层中形成所述释放孔，在所述支撑环外的所述电极层的边缘区域形成开口，经释放工艺，去除所述牺牲层;然后在真空条件下沉积覆盖层于电极层上，覆盖层将释放孔顶部封住，从而在电极层下方形成真空密封腔； 步骤07:对完成步骤06的硅衬底进行真空封装，以形成封装结构;其中， 所述电极层、所述密闭真空腔和所述底部金属层构成电容结构，电极层作为电容结构的上电极，底部金属层作为电容结构的下电极；当封装结构内发生真空泄露时，密闭真空腔内的气压与密闭真空腔外部的气压的比值会发生变化，从而监测出封装结构内发生真空泄Mo10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤05中，在沉积电极层之前还包括:所述支撑环顶部侧壁形成中间介质层。
【文档编号】G01J5/10GK106092332SQ201610564787
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月18日
【发明人】康晓旭
【申请人】上海集成电路研发中心有限公司