CN100423311C - 一种基于双材料效应的微机械红外探测器阵列的制作方法 - Google Patents

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本发明涉及一种新的基于双材料效应的微机械红外探测器阵列的制作方法，其特征在于采用硅作为牺牲层，采用SiO2、SiNx、SiC、Au、Al及Cr等XeF2气体几乎不腐蚀的材料来制作像素的双材料支撑梁和红外敏感部分，采用SiO2、SiNx、SiC、Au、Al及Cr等XeF2气体几乎不腐蚀的材料制作锚或对锚进行保护，最后采用XeF2气体腐蚀硅牺牲层释放像素。本发明具有以下积极效果和优点：一方面采用干法释放，避免湿法释放过程对像素结构的破坏；另一方面，降低了制作成本且与IC工艺相兼容。

Description

一种基于双材料效应的微机械红外探测器阵列的制作方法
技术领域
本发明涉及一种新的基于双材料效应的微机械红外探测器阵列的制作方法，属于微电子机械系统领域。
背景技术
红外成像器件按照工作原理可分为量子型与热型两大类，微机械红外探测器属于后者。根据在吸收红外辐射时红外敏感部分是否移动，微机械红外探测器又可分为两大类：一类是红外敏感部分不移动，以微测辐射热计(Microbolometer)为代表(R.A.Wood.Uncooledthermal imaging with monolithic silicon focal planes.Proceedings of SPIE Vol.2020，San Diego，CA，USA，July，1993：322~329.)，利用某些材料(如VO2、硅薄膜和金属钛等)的电阻率随温度而变化的特性探测红外辐射，目前已经商业化；另一类是基于双材料效应，红外敏感部分可移动。一般而言，该类红外探测器的红外敏感部分由双材料梁支撑，当有红外辐射时，红外敏感部分温度升高，导致双材料梁发生弯曲，从而带动红外敏感部分发生位移。
基于双材料效应的微机械红外探测器虽还处于研究阶段，但已有多个研究小组报告了他们的研究成果。Sarcon微系统公司研发了一种电容读出方式的非致冷红外成像器件，等效噪声温差(NETD)可达5mK(R.Amantea，C.M.Knoedler，F.P.Pantuso，et al.An UncooledIR imager with 5mK NETD.Proceedings of SPIE Vol.3061，Orlando，April，1997：210~222.)；P.L.Oden等人提出了一种压阻读出方式的非致冷红外成像器件，并获得了初步的成像结果(P.L.Oden，P.G.Datskos，T.thundat，et al.Uncooled thermal imagingusing a piezoresistive microcantilever.Appl.Phys.Lett.，1996(69)：3277~3279.)；加州大学伯克利分校的Majumder等人提出了一种基于光栅衍射读出方式的微机械红外焦平面阵列(M.Mao，T.Perazzo，O.Kwon，and A.Majundar.Direct-view uncooledmicro-optomechanical infrared camer.Proceeding of MEMS’99，1999：104~109.)；中科院上海微系统与信息技术研究所(原中科院上海冶金研究所)张流强、冯飞等人分别提出了基于迈克尔逊干涉读出、法布里-珀罗多光束干涉读出的热成像器件的设想(Liuqiang Zhang，Gengqing Yang.Design and FEM simulation：All-light-processing infrared imagetransduce.SPIE Vol.3878，1999：293~301.Feng Fei，Jiao Jiwei，Xiong Bin and WangYuel in.A Novel All-Light Optically Readable Thermal Imaging Sensor Based on MEMSTechnology.The second IEEE international conference on sensors.Toronto，Canada.October 22-24，2003：513~516.)。
以上基于双材料效应的微机械红外探测器虽然红外信号读出方式不尽相同，但其基本像素结构一般应包括红外敏感部分、双材料梁部分和锚三部分，如图1和图2所示。双材料梁部分一端与红外敏感部分(通常也是红外信号读出部分)相连，另一端与锚相连，整个像素通过锚固定在基底材料上。在这里没有专门指出红外信号读出部分，这是因为读出方式不一样红外信号读出部分所在区域有所不同。红外敏感部分至少应包含红外吸收材料(如SiO2、SiNx及SiC等)，双材料梁部分由热膨胀系数相差很大的两种材料构成，通常由金属材料(如Au、Al等)和非金属材料(如SiO2、SiNx及SiC等)构成，为了方便说明，在本发明下面的叙述中，红外吸收材料以SiNx为例，双材料梁以Al/SiNx为例。其工作原理在于：在有红外辐射时，红外敏感部分温度升高，在双材料梁的两端产生温度梯度，双材料梁发生弯曲，引起红外读出信号的变化。要注意的是，在有红外辐射时，在图1所示的结构中，红外敏感部分发生扭转，在图2所示的结构中，由于双材料梁的对称分布，红外敏感部分沿其法向方向运动。
基于双材料效应的微机械红外探测器像素的制作一般有两种：一是采用表面牺牲层工艺，如采用磷硅玻璃(PSG)作为牺牲层，该方法的优点在于与集成电路(IC)工艺相兼容，其缺点在于需要湿法腐蚀释放像素，释放过程可能会发生粘附现象破坏像素；二是采用体微机械技术，通常采用深反应离子刻蚀(DRIE)技术释放像素，其优点在于采用干法释放，无粘附现象发生，但其价格昂贵。
针对上述问题，本申请的发明人提出了一种新的基于双材料效应的微机械红外探测器阵列的制作方法，同时满足与IC工艺相兼容、干法释放和价格较低等条件，以克服现有技术中存在的这方面的不是。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种新的基于双材料效应的微机械红外探测器阵列的制作方法，一方面采用干法释放，避免湿法释放过程对像素结构的破坏；另一方面，降低制作成本且与IC工艺相兼容。
本发明的目的是这样实现的：基于二氟化氙(XeF2)气体腐蚀时所具有的材料选择性，采用硅作为牺牲层，采用SiO2、SiNx、SiC、Au、Al及Cr等XeF2气体几乎不腐蚀的材料来制作像素，最后采用XeF2气体腐蚀硅牺牲层释放像素。
上述目的可以通过以下工艺制作实现：以硅为衬底，首先在硅衬底上采用深反应离子刻蚀(DRIE)或四甲基氢氧化铵(TMAH)或KOH各向异性腐蚀技术刻蚀/腐蚀出一个较深的凹坑，通过在凹坑内淀积XeF2气体几乎不腐蚀的材料，形成所需的锚；或者在硅衬底上采用深反应离子刻蚀(DRIE)或TMAH各向异性腐蚀技术在要保护的锚的周围刻蚀/腐蚀出一个深槽，然后在深槽内淀积XeF2气体几乎不腐蚀的材料，将锚保护起来；随后在制作好锚的硅衬底上制作像素结构；最后采用XeF2气体腐蚀硅释放像素结构。
基于双材料效应的微机械红外探测器阵列的像素结构有很多种，其基本结构如图1和图2所示可分为两类：一种是在接受红外辐射时发生扭转，另一种是在接受红外辐射时发生沿像素法向方向的平动。这两类基本结构制作方法基本相同。
一种工艺步骤是：对硅片进行热氧化，氧化温度为900-1100℃，光刻并图形化，去胶，形成锚区腐蚀窗口；采用四甲基氢氧化铵(TMAH)或KOH腐蚀液或采用其它方法腐蚀硅，形成一个凹坑，腐蚀深度范围从几个微米至几百微米，具体值可根据红外敏感部分面积的大小以及XeF2气体腐蚀硅的速率来选择，随后去掉二氧化硅掩膜；淀积低应力SiNx、Al薄膜，光刻并图形化，腐蚀/刻蚀SiNx、Al薄膜，形成双材料梁区和红外敏感区，得到所需要的像素图形：最后采用XeF2气体腐蚀硅从而释放微结构。
另一种工艺步骤是：首先在硅衬底上涂光刻胶，光刻并图形化，形成如图所示的刻蚀窗口；采用深反应离子刻蚀(DRIE)或其它技术刻蚀/腐蚀出一个较窄的环绕锚的深槽，刻蚀的最大深度由刻蚀宽度和设备的刻蚀深宽比决定，从几个微米至几百微米，具体深度可根据微结构层面积的大小以及XeF2气体腐蚀硅的速率来选择；随后采用热氧化的方法填充深槽，填充方法不限于热氧化，填充材料不限于氧化硅，只要能达到保护锚的作用即可；采用反应离子刻蚀工艺去掉硅表面的氧化硅；淀积低应力SiNx、Al薄膜，光刻并图形化，腐蚀/刻蚀SiNx、Al薄膜，得到所需的像素图形；最后采用XeF2气体腐蚀硅从而释放微结构。
所述的锚、双材料梁区和红外敏感区的材料可以相同，也可以不同。所使用的材料为SiO2、SiNx、SiC、Au、Al或Cr等不为XeF2气体腐蚀的材料。
本发明具有以下积极效果和优点：一方面采用干法释放，避免湿法释放过程对像素结构的破坏；另一方面，降低了制作成本且与IC工艺相兼容。
附图说明
图1基于双材料效应的微机械红外探测器阵列的扭转式像素。
图2基于双材料效应的微机械红外探测器阵列的平动式像素。
图3是实施例1的工艺流程图。a氧化并图形化；b腐蚀硅(腐蚀深度可根据红外敏感部分2面积的大小以及XeF2气体腐蚀硅的速率来选择)；c淀积低应力SiNx和金属Al并图形化，形成所需的像素结构；d XeF2气体腐蚀硅释放微结构。
图4是实施例2的工艺流程图。a涂光刻胶，并图形化，形成如图所示的刻蚀窗口(刻蚀窗口宽度一般在0.1-4μm)；b采用深反应离子刻蚀(DRIE)或其它技术刻蚀硅(刻蚀深度可根据红外敏感部分2面积的大小以及XeF2气体腐蚀硅的速率来选择)；c采用热氧化的方法或采用其它工艺填充深槽；d采用反应离子刻蚀工艺去掉硅表面的氧化硅；e淀积低应力SiNx和金属Al并图形化，形成所需的像素结构；f XeF2气体腐蚀硅释放微结构。
图中：
1-双材料支撑梁部分    2-红外敏感部分
3-锚                  4-硅衬底
5-氧化硅薄膜          6-氮化硅薄膜
7-Al薄膜              8-光刻胶
9-凹坑                10-深槽
具体实施方式
实施例1
本实施例是实现如图1所示的像素结构的一种工艺流程，为了方便说明，构成锚3、双材料梁区1和红外敏感区2的材料相同，但也可不同。下面结合图3详细阐述本实施例的工艺流程，对本发明作进一步说明。
图3所示的具体工艺步骤如下：
(1)对硅片进行热氧化，氧化温度为900-1100℃，光刻并图形化，去胶，形成腐蚀窗口，如图3a所示；
(2)采用四甲基氢氧化铵(TMAH)腐蚀液或采用其它方法腐蚀硅，形成如图3b所示的凹坑9，腐蚀深度范围从几个微米至几百微米，具体值可根据红外敏感部分2面积的大小以及XeF2气体腐蚀硅的速率来选择，随后去掉二氧化硅掩膜，如图3b所示；
(3)淀积低应力SiNx、Al薄膜，光刻并图形化，腐蚀/刻蚀SiNx、Al薄膜，形成双材料梁区1和红外敏感区2，得到所需的像素图形，如图3c所示；
(4)XeF2气体腐蚀硅释放微结构，如图3d所示。
实施例2
本实施例是实现如图2所示的像素结构的另外一种工艺流程，为了方便说明，构成锚3、双材料梁区1和红外敏感区2的材料相同，但也可不同。下面结合图4详细阐述本实施例的工艺流程，对本发明作进一步说明。
图4所示的具体工艺步骤如下：
(1)首先在硅衬底上涂光刻胶，并图形化，形成如图所示的刻蚀窗口(刻蚀窗口宽度一般在0.1-4μm)，如图4a所示；
(2)采用深反应离子刻蚀(DRIE)或其它技术刻蚀/腐蚀出一个较窄的环绕锚的深槽10，如图4b所示，刻蚀的最大深度由刻蚀宽度和设备的刻蚀深宽比决定，从几个微米至几百微米，具体深度可根据微结构层2面积的大小以及XeF2气体腐蚀硅的速率来选择；
(3)采用热氧化的方法填充深槽，填充方法不限于热氧化，填充材料不限于氧化硅，只要能达到保护锚的作用即可，如图4c所示；
(4)采用反应离子刻蚀工艺去掉硅表面的氧化硅，如图4d所示；
(5)淀积低应力SiNx、Al薄膜，光刻并图形化，腐蚀/刻蚀SiNx、Al薄膜，形成双材料梁区和红外敏感区得到所需的像素图形，如图4e所示；
(6)XeF2气体腐蚀硅释放微结构，如图4f所示。

Claims (5)

1. 一种基于双材料效应的微机械红外探测器阵列的制作方法，其特征在于以硅为衬底，首先在硅衬底上采用深反应离子刻蚀或四甲基氢氧化铵或KOH各向异性腐蚀技术刻蚀或腐蚀出一个凹坑，通过在凹坑内淀积XeF2气体不腐蚀的材料，形成所需的锚；或者在硅衬底上采用深反应离子刻蚀或四甲基氢氧化铵或KOH各向异性腐蚀技术在要保护的锚的周围刻蚀/腐蚀出一个槽，然后在槽内淀积XeF2气体不腐蚀的材料，将锚保护起来；随后在制作好锚的硅衬底上制作像素结构；最后采用XeF2气体腐蚀硅释放像素结构；所述的像素结构分为在接受红外辐射时发生扭转和在接受红外辐射时发生沿像素结构平面的法向方向平动两种；所述双材料梁区的材料由SiO2、SiNx、SiC、Au、Al或Cr中的热膨胀系数相差很大的两种材料构成，两种材料中的一种为SiO2、SiNx或SiC，另一种为Au、Al或Cr；所述的红外敏感区的材料为SiO2、SiNx或SiC；其中，SiO2、SiNx、SiC、Au、Al和Cr六种是不为XeF2气体腐蚀的材料。
2. 按权利要求1所述的基于双材料效应的微机械红外探测器阵列的制作方法，其特征在于在接受红外辐射时发生扭转像素结构，其制作工艺步骤是：
①首先对硅片进行热氧化，氧化温度为900-1100℃，光刻并图形化，去胶，形成腐蚀窗口；
②采用四甲基氢氧化铵或KOH腐蚀液腐蚀硅，形成凹坑，腐蚀深度范围从几个微米至几百微米，具体值应根据红外敏感区面积的大小以及XeF2气体腐蚀硅的速率来选择，随后去掉二氧化硅掩膜；
③淀积低应力SiNx、Al薄膜，光刻并图形化，腐蚀或刻蚀SiNx、Al薄膜，形成双材料梁区和红外敏感区，得到所需的像素图形；
④XeF2气体腐蚀硅释放像素结构。
3. 按权利要求1所述的基于双材料效应的微机械红外探测器阵列的制作方法，其特征在于所述的锚材料与双材料梁区和红外敏感区的材料不相同。
4. 按权利要求1所述的基于双材料效应的微机械红外探测器阵列的方法，其特征在于接受红外辐射时发生沿像素结构平面的法线方向平动的像素结构，其制作的工艺步骤是：
①首先在硅衬底上涂光刻胶，并图形化，形成刻蚀窗口；
②采用深反应离子刻蚀、四甲基氢氧化铵或KOH溶液各向异性腐蚀技术刻蚀或腐蚀环绕锚的槽，刻蚀的最大深度由刻蚀宽度和设备的刻蚀深宽比决定，从几个微米至几百微米，具体深度应根据红外敏感区的面积的大小以及XeF2气体腐蚀硅的速率来选择；
③采用热氧化的方法填充槽，填充方法为热氧化，填充材料为氧化硅；
④采用反应离子刻蚀工艺去掉硅表面的氧化硅；
⑤淀积低应力SiNx、Al薄膜，光刻并图形化，腐蚀或刻蚀SiNx、Al薄膜，形成双材料梁区和红外敏感区得到所需的像素图形；
⑥XeF2气体腐蚀硅释放像素结构。
5. 按权利要求4所述的基于双材料效应的微机械红外探测器阵列的方法，其特征在于在步骤①中所形成的刻蚀窗口宽度为0.1～4μm。
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