CN100396593C - 单层双材料微悬臂梁热隔离焦平面阵列的制作方法 - Google Patents

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一种单层双材料微悬臂梁热隔离焦平面阵列的制作方法，包括：1.在单晶硅基片上双面生长氮化硅薄膜；2.用加热的氢氧化钾溶液各向异性腐蚀氮化硅；3.在正面甩正性光刻胶；4.在背面甩正性光刻胶，光学光刻背面窗口图形；5.各向异性刻蚀有光刻图形面；6.去除光刻胶；7.在正面甩正性光刻胶，光学光刻正面氮化硅梁图形；8.在有光刻图形的一面蒸发、剥离铬薄膜；9.各向异性刻蚀有铬薄膜覆盖的氮化硅；10.各向同性腐蚀去除铬薄膜；11.在有氮化硅梁图形的正面甩正性光刻胶，光学光刻正面隔离金图形；12.蒸发、剥离金；13.用加热的氢氧化钾溶液各向异性腐蚀基片，完成镂空的双材料微悬臂梁热隔离结构焦平面阵列的制作。

Description

单层双材料微悬臂梁热隔离焦平面阵列的制作方法
技术领域
本发明属于微电子技术中的硅微机械加工技术领域，特别涉及一种硅微机械加工技术制作镂空的单层双材料微悬臂梁热隔离结构焦平面阵列(FPA)的方法。
背景技术
应用光学读出的、基于微机电系统(MEMS)的非制冷型红外探测焦平面阵列(FPA)大多采用双材料微悬臂梁热隔离结构，他们的探测灵敏度和器件的结构有着直接的关系。应用光学读出的焦平面阵列(FPA)通常采用带有牺牲层的多层双材料悬臂梁热隔离结构，这种结构的特点是保留了图形区的硅衬底，而且利用多层的结构自动的实现热隔离，缺点是红外辐射的利用率低，造成焦平面阵列(FPA)的温升不够，影响了器件性能。为了解决红外辐射利用率低的问题，我们采用了镂空的单层双材料热隔离微悬臂梁热隔离结构的焦平面阵列(FPA)。它的特点是图形区的硅衬底用带选择性的各向异性腐蚀去除，通常是用碱性的腐蚀液，对于我们所用的富硅型氮化硅薄膜，常规的焦平面阵列(FPA)制作工艺在最后的体硅腐蚀中，会把氮化硅图形上间隔的金线条也去除掉，所以无法制作热隔离的结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种制作镂空的单层双材料热隔离微悬臂梁热隔离结构焦平面阵列(FPA)的方法，它首先用加热的氢氧化钾(KOH)溶液对基片进行处理，再用常规工艺进行加工，从而获得镂空的单层双材料热隔离微悬臂梁热隔离结构焦平面阵列(FPA)。
为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种单层双材料微悬臂梁热隔离焦平面阵列的制作方法，用硅微机械加工技术制作，为镂空的单层双材料微悬臂梁热隔离结构；其步骤如下：
步骤1、在单晶硅基片上双面生长富硅型氮化硅薄膜；
步骤2、用加热的氢氧化钾(KOH)溶液各向异性腐蚀氮化硅二小时以上；
步骤3、在正面甩正性光学光刻胶做保护；
步骤4、在背面甩正性光学光刻胶，光学光刻背面窗口图形；
步骤5、各向异性刻蚀有光刻图形的背面，刻蚀深度等于此面氮化硅的厚度；
步骤6、去除光学光刻胶；
步骤7、在没有图形的正面甩正性光学光刻胶，光学光刻正面氮化硅梁图形；
步骤8、在有光刻图形的正面蒸发、剥离铬薄膜；
步骤9、各向异性刻蚀有铬薄膜覆盖的氮化硅，刻蚀深度等于此面氮化硅的厚度；
步骤10、去除铬薄膜；
步骤11、在有氮化硅梁图形的正面甩正性光学光刻胶，光学光刻正面隔离金图形；
步骤12、蒸发、剥离金；
步骤13、用加热的氢氧化钾(KOH)溶液各向异性腐蚀此基片，到背面窗口图形以内的硅全部腐蚀完毕，完成镂空的双材料微悬臂梁热隔离结构焦平面阵列的制作。
所述的方法，其中所述所述第1步，在单晶硅基片上双面生长富硅型氮化硅薄膜的厚度是0.5～3μm，是采用低压化学气相淀积(LPCVD)的方法获得的。
所述的方法，其中所述第2步，用加热的氢氧化钾(KOH)溶液各向异性腐蚀氮化硅二小时以上是采用浓度为20％～40％、温度为50～90度的氢氧化钾(KOH)溶液，以去除富硅型氮化硅表面镶嵌的纳米硅晶粒。
所述的方法，其中所述第3步，正面甩正性光学光刻胶做保护，用以在光刻背面时，被保护的这一面不被磨损、划伤。
所述的方法，其中所述第4步，背面窗口图形是通过在背面甩光学光刻胶并光学光刻、显影获得的。
所述的方法，其中所述第5步，各向异性刻蚀有光刻图形的背面采用氟基气体，被刻蚀的深度等于此面氮化硅的厚度，以刻蚀背面腐蚀窗口。
所述的方法，其中所述第6步，去除光学光刻胶方法是采用丙酮湿法去除。
所述的方法，其中所述第7步，光学光刻正面氮化硅梁图形是通过在没有图形的正面甩正性光学光刻胶并光学光刻、显影获得的。
所述的方法，其中所述第8步，在有光刻图形的正面蒸发、剥离的铬薄膜的厚度为20～100nm，是采用电子束或者电阻式蒸发的方法获得的，用以做正面氮化硅梁刻蚀的掩蔽膜。
所述的方法，其中所述第9步，各向异性刻蚀有铬薄膜覆盖的氮化硅是采用氟基气体，以刻蚀正面的氮化硅梁图形。
所述的方法，其中所述第10步，去除铬薄膜是采用去铬液湿法腐蚀方法完成的。
所述的方法，其中所述第11步，正面隔离金图形是通过在有氮化硅梁图形的正面甩正性光学光刻胶并光学光刻、显影获得的。
所述的方法，其中所述第12步，蒸发、剥离的金的厚度为100nm～400nm，是采用电子束或者电阻式蒸发的方法获得的，用以做热隔离的双材料悬臂梁。
所述的方法，其中所述第13步，用加热的氢氧化钾(KOH)溶液各向异性腐蚀此基片，到背面窗口图形以内的硅全部腐蚀完毕，是采用浓度为20％～40％、温度为50～90度的氢氧化钾(KOH)溶液，使正面双材料悬臂梁梁图形完全释放。
所述的方法，其还包括：在甩正性光学光刻胶的程序后，用热板进行前烘。
本发明的特点是从物理原理的角度分析得到不同于常规工艺的工艺路线，在常规工艺之前用加热的氢氧化钾(KOH)溶液腐蚀氮化硅以去除富硅型氮化硅表面镶嵌的纳米硅晶粒，从而得到热隔离的双材料悬臂梁结构。
附图说明
图1-1至图1-13是本发明的流程图；
图2-1至图2-16是本发明实施例子的流程图。
具体实施方式
本发明的方法制备的镂空的单层双材料微悬臂梁热隔离结构图形的形成，是由一次各向异性湿法腐蚀获得合适的表面形貌，再用三次光学光刻、两次各向异性等离子体刻蚀、一次蒸发、剥离金和一次各向异性湿法腐蚀获得的。
本发明单层双材料微悬臂梁热隔离焦平面阵列的制作方法，步骤如下：1、在单晶硅基片上双面生长富硅型氮化硅薄膜；2、用加热的氢氧化钾(KOH)溶液各向异性腐蚀氮化硅二小时以上；3、在单晶硅基片正面甩正性光学光刻胶做保护；4、在单晶硅基片背面甩正性光学光刻胶，光学光刻背面窗口图形；5、各向异性刻蚀有光刻图形的背面，刻蚀深度等于此面氮化硅的厚度；6、去除光学光刻胶；7、在没有图形的正面甩正性光学光刻胶，光学光刻正面氮化硅梁图形；8、在有光刻图形的正面蒸发、剥离铬薄膜；9、各向异性刻蚀有铬薄膜覆盖的氮化硅，刻蚀深度等于此面氮化硅的厚度；10、各向同性腐蚀去除铬薄膜；11、在有氮化硅梁图形的正面甩正性光学光刻胶，光学光刻正面隔离金图形；12、蒸发、剥离金；13、用加热的氢氧化钾(KOH)溶液各向异性腐蚀此基片，到背面窗口图形以内的硅全部腐蚀完毕，完成镂空的双材料微悬臂梁热隔离结构焦平面阵列(FPA)的制作。
归纳起来，本发明的步骤如图1所示：
1、如图1-1所示，在单晶硅基片101上双面生长富硅型氮化硅薄膜102和103，氮化硅薄膜厚度是0.5～3μm，是采用低压化学气相淀积(LPCVD)的方法获得的。
2、如图1-2所示，用浓度为20％～40％、温度为50～90度的氢氧化钾(KOH)溶液各向异性腐蚀氮化硅薄膜102和103两小时以上，去除富硅型氮化硅薄膜102和103表面镶嵌的纳米硅晶粒。
3、如图1-3所示，在氮化硅薄膜102上甩正性光学光刻胶104，保护这一面不被磨损、划伤。
4、如图1-4所示，在氮化硅薄膜103上甩正性光学光刻胶，光学光刻、显影获得背面窗口图形105。
5、如图1-5所示，以背面窗口图形105为掩蔽，采用氟基气体各向异性刻蚀氮化硅薄膜103，被刻蚀的深度等于氮化硅薄膜103的厚度，获得背面腐蚀窗口106。
6、如图1-6所示，采用丙酮湿法去除光刻胶图形104和105。
7、如图1-7所示，在氮化硅薄膜102上甩正性光学光刻胶，光学光刻、显影获得正面氮化硅梁图形107。
8、如图1-8所示，在正面氮化硅梁图形107上蒸发、剥离铬薄膜108，铬薄膜的厚度为20～100nm，是采用电子束或者电阻式蒸发的方法获得的。
9、如图1-9所示，以铬薄膜108为掩蔽，采用氟基气体各向异性刻蚀氮化硅薄膜102，被刻蚀的深度等于氮化硅薄膜102的厚度，获得正面氮化硅梁图形109。
10、如图1-10所示，采用去铬液湿法腐蚀方法去除铬薄膜108。
11、如图1-11所示，在正面氮化硅梁图形109上甩正性光学光刻胶，光学光刻、显影获得正面隔离金图形110。
12、如图1-12所示，在正面隔离金图形110上蒸发、剥离金薄膜111，金薄膜的厚度为100nm～400nm，是采用电子束或者电阻式蒸发的方法获得的。
13、如图1-13所示，用浓度为20％～40％、温度为50～90度的氢氧化钾(KOH)溶液腐蚀从背面腐蚀窗口106和正面氮化硅梁图形109中露出的硅，直到正面氮化硅梁完全释放，得成品。
实施例，如图2所示：
1、如图2-1所示，在单晶硅基片201上双面生长富硅型氮化硅薄膜202和203，氮化硅薄膜厚度是0.5～3μm，是采用低压化学气相淀积(LPCVD)的方法获得的。
2、如图2-2所示，用浓度为20％～40％、温度为50～90度的氢氧化钾(KOH)溶液各向异性腐蚀氮化硅薄膜202和203两小时以上，去除富硅型氮化硅薄膜202和203表面镶嵌的纳米硅晶粒。
3、如图2-3所示，在氮化硅薄膜202上甩正性光学光刻胶204，并用热板进行前烘。
4、如图2-4所示，在氮化硅薄膜203上甩正性光学光刻胶205，并用热板进行前烘。
5、如图2-5所示，光学光刻、显得获得背面窗口图形206。
6、如图2-6所示，以背面窗口图形206为掩蔽，采用氟基气体各向异性刻蚀氮化硅薄膜203，被刻蚀的深度等于氮化硅薄膜203的厚度，获得背面腐蚀窗口207
7、如图2-7所示，采用丙酮湿法去除光刻胶图形204和206。
8、如图2-8所示，在氮化硅薄膜102上甩正性光学光刻胶208。
9、如图2-9所示，光学光刻、显影获得正面氮化硅梁图形209。
10、如图2-10所示，，在正面氮化硅梁图形209上蒸发、剥离铬薄膜210，铬薄膜的厚度为20～100nm，是采用电子束蒸发的方法获得的。
11、如图2-11所示，以铬薄膜210为掩蔽，采用氟基气体各向异性刻蚀氮化硅薄膜202，被刻蚀的深度等于氮化硅薄膜202的厚度，获得正面氮化硅梁图形211。
12、如图2-12所示，采用去铬液湿法腐蚀方法去除铬薄膜210。
13、如图2-13所示，在正面氮化硅梁图形211上甩正性光学光刻胶212，并用热板进行前烘。
14、如图2-14所示，光学光刻、显影获得正面隔离金图形213。
15、如图2-15所示，在正面隔离金图形213上蒸发、剥离金薄膜214，金薄膜的厚度为100nm～400nm，是采用电子束蒸发的方法获得的。
16、如图2-16所示，用浓度为20％～40％、温度为50～90度的氢氧化钾(KOH)溶液从背面腐蚀窗口207和正面氮化硅梁图形211中露出的硅，直到正面氮化硅梁完全释放，得成品。

Claims (15)

1.一种单层双材料微悬臂梁热隔离焦平面阵列的制作方法，用硅微机械加工技术制作，为镂空的单层双材料微悬臂梁热隔离结构；其特征在于，步骤如下：
步骤1、在单晶硅基片上双面生长富硅型氮化硅薄膜；
步骤2、用加热的氢氧化钾溶液各向异性腐蚀氮化硅二小时以上；
步骤3、在正面甩正性光学光刻胶做保护；
步骤4、在背面甩正性光学光刻胶，光学光刻背面窗口图形；
步骤5、各向异性刻蚀有光刻图形的背面，刻蚀深度等于此面氮化硅的厚度；
步骤6、去除光学光刻胶；
步骤7、在没有图形的正面甩正性光学光刻胶，光学光刻正面氮化硅梁图形；
步骤8、在有光刻图形的正面蒸发、剥离铬薄膜；
步骤9、各向异性刻蚀有铬薄膜覆盖的氮化硅，刻蚀深度等于此面氮化硅的厚度；
步骤10、去除铬薄膜；
步骤11、在有氮化硅梁图形的正面甩正性光学光刻胶，光学光刻正面隔离金图形；
步骤12、蒸发、剥离金；
步骤13、用加热的氢氧化钾溶液各向异性腐蚀此基片，到背面窗口图形以内的硅全部腐蚀完毕，完成镂空的双材料微悬臂梁热隔离结构焦平面阵列的制作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第1步，在单晶硅基片上双面生长富硅型氮化硅薄膜的厚度是0.5～3μm，是采用低压化学气相淀积的方法获得的。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第2步，用加热的氢氧化钾溶液各向异性腐蚀氮化硅二小时以上是采用浓度为20％～40％、温度为50～90度的氢氧化钾溶液，以去除富硅型氮化硅表面镶嵌的纳米硅晶粒。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第3步，正面甩正性光学光刻胶做保护，用以在光刻背面时，被保护的这一面不被磨损、划伤。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第4步，背面窗口图形是通过在背面甩光学光刻胶并光学光刻、显影获得的。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第5步，各向异性刻蚀有光刻图形的背面采用氟基气体，被刻蚀的深度等于此面氮化硅的厚度，以刻蚀背面腐蚀窗口。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第6步，去除光学光刻胶方法是采用丙酮湿法去除。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第7步，光学光刻正面氮化硅梁图形是通过在没有图形的正面甩正性光学光刻胶并光学光刻、显影获得的。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第8步，在有光刻图形的正面蒸发、剥离的铬薄膜的厚度为20～100nm，是采用电子束或者电阻式蒸发的方法获得的，用以做正面氮化硅梁刻蚀的掩蔽膜。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第9步，各向异性刻蚀有铬薄膜覆盖的氮化硅是采用氟基气体，以刻蚀正面的氮化硅梁图形。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第10步，去除铬薄膜是采用去铬液湿法腐蚀方法完成的。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第11步，正面隔离金图形是通过在有氮化硅梁图形的正面甩正性光学光刻胶并光学光刻、显影获得的。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第12步，蒸发、剥离的金的厚度为100nm～400nm，是采用电子束或者电阻式蒸发的方法获得的，用以做热隔离的双材料悬臂梁。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第13步，用加热的氢氧化钾溶液各向异性腐蚀此基片，到背面窗口图形以内的硅全部腐蚀完毕，是采用浓度为20％～40％、温度为50～90度的氢氧化钾溶液，使正面双材料悬臂梁梁图形完全释放。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在甩正性光学光刻胶的程序后，用热板进行前烘。
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