CN100452350C - 基于硅衬底无牺牲层的非制冷红外焦平面阵列的制作方法 - Google Patents

基于硅衬底无牺牲层的非制冷红外焦平面阵列的制作方法 Download PDF

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Abstract

一种基于硅衬底无牺牲层的非制冷红外焦平面阵列,其与反光板连接的悬臂梁固支在利用各向同性腐蚀出的近似契型硅柱上,其阵列中单元结构分为独立式和嵌套式。该非制冷红外焦平面阵列器件的工艺步骤如下:1、在<100>硅基片上淀积氮化硅薄膜;2、在正面氮化硅薄膜表面光刻,表面淀积铬薄膜,剥离;3、刻蚀氮化硅薄膜,去铬,清洗处理表面;4、在图形表面光刻,表面淀积金薄膜,剥离,在支撑悬臂梁上形成厚的间隔镀金;5、继续在图形表面光刻,表面淀积金薄膜,剥离,在反光板上形成薄的镀金;6、正面腐蚀硅衬底,形成近似契型硅柱来支撑悬臂梁,同时释放悬臂梁和反光板薄膜形成非制冷红外焦平面阵列。

Description

基于硅衬底无牺牲层的非制冷红外焦平面阵列的制作方法
技术领域
本发明涉及微电子技术领域,特别是一种基于硅衬底无牺牲层的非制冷红外焦平面阵列的制作方法。
背景技术
MEMS器件制造中,一些器件包括悬空的梁或膜结构。悬空的梁或膜即可以通过硅基表面微机械加工,运用到“牺牲层”技术来制造,也可以通过体硅加工而成;但运用“牺牲层”技术,容易发生结构层与衬底粘连,而通过体硅加工释放的结构抗震性能较差,运用受到限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用硅的各向同性腐蚀,形成近似契型硅柱来固支悬臂梁,同时释放悬臂梁和反光板,形成由独立式单元或嵌套式单元组成的基于硅衬底无牺牲层的非制冷红外焦平面阵列器件。采用这种工艺制作的非制冷红外焦平面阵列器件抗震性能较好,能有效防止粘连,同时,独立式单元结构强度较高,温度灵敏度、热响应灵敏度较高;嵌套式单元组成的阵列空间分辨率较高。
一种采用基于硅衬底无牺牲层工艺制作的非制冷红外焦平面阵列器件,其与反光板连接的悬臂梁固支在利用各向同性腐蚀出的近似契型硅柱上,其阵列中单元结构分为独立式和嵌套式。
基于硅衬底无牺牲层的非制冷红外焦平面阵列,其阵列中单元结构分为独立式和嵌套式。形成它的工艺特点是先在正面形成完整的结构层图形,即带有厚间隔镀金的悬臂梁和薄镀金的反光板;然后利用各向同性腐蚀正面硅衬底,形成近似契型硅柱来支撑悬臂梁,同时释放悬臂梁和反光板薄膜形成非制冷红外焦平面阵列。该工艺避免了牺牲层瓶颈工艺;基于硅衬底,阵列中每个单元固支在硅衬底上,抗震性能较好;同时利用各向同性在反光板下腐蚀出硅尖,能有效防止在潮湿环境下反光板与衬底粘连。另外,成本低廉,生产效率高,工艺稳定,具有一定的实用价值。独立式和嵌套式的单元结构各具优点,独立式单元结构强度较高,温度灵敏度、热响应灵敏度较高;由嵌套式单元组成的阵列空间分辨率较高。
其固支在近似契型硅柱上的悬臂梁和反光板薄膜的形成和释放是:先在<100>硅基片上用低压化学气相沉积(LPCVD-Low Pressure ChemicalVapor Deposition)方法淀积氮化硅薄膜,刻蚀形成悬臂梁和反光板图形;再经过两次淀积金薄膜、剥离形成悬臂梁上的厚间隔镀金和反光板上的薄镀金;最后正面各向同性腐蚀硅衬底,形成近似契型硅柱来支撑悬臂梁,并释放整个悬臂梁和反光板薄膜,形成非制冷红外焦平面阵列.
本发明的工艺步骤如下:1、在<100>硅基片上淀积氮化硅薄膜;2、在正面氮化硅薄膜表面光刻,打底胶,表面淀积铬薄膜,剥离;3、刻蚀氮化硅薄膜,形成悬臂梁和反光板图形;去铬,清洗处理表面;4、在图形表面光刻,打底胶,表面淀积金薄膜,剥离,在支撑悬臂梁上形成厚的间隔镀金;5、继续在图形表面光刻,打底胶,表面淀积金薄膜,剥离,在反光板上形成薄的镀金;6、正面腐蚀硅衬底,形成近似契型硅柱来支撑悬臂梁,同时释放悬臂梁和反光板薄膜形成非制冷红外焦平面阵列。
其中,在<100>硅基片上采用低压化学气相沉积(LPCVD)方法淀积厚度为0.8-1.0μm的氮化硅薄膜。
其中,淀积氮化硅薄膜之后光学光刻,用氧气、以50-70sccm的流量和10-12w的功率打底胶1分钟左右,表面蒸发铬薄膜,用丙酮剥离。
其中,剥离铬薄膜之后用SF6、以50-70sccm的流量和50-70w的功率条件下刻蚀氮化硅薄膜,直到刻到硅衬底为止,用去铬液湿法各向同性去铬,用去离子水冲洗处理表面。
其中,在表面光学光刻,用氧气、以50-70sccm的流量和10-12w的功率打底胶1分钟左右,表面蒸发金薄膜,厚度为0.2-0.3μm,用丙酮剥离,在悬臂梁上形成厚的间隔镀金。
其中,在表面光学光刻,用氧气、以50-70sccm的流量和10-12w的功率打底胶1分钟左右,表面蒸发金薄膜,厚度为0.025-0.03μm,用丙酮剥离,在反光板上形成薄的镀金。
其中,腐蚀正面硅衬底,是用9份40%氢氟酸、75份69-71%的硝酸和40份99.5%的醋酸组成的HNA腐蚀液,在室温(15℃)下湿法各向同性腐蚀硅衬底,形成近似契型硅柱来支撑悬臂梁,同时释放悬臂梁和反光板薄膜形成非制冷红外焦平面阵列。
本发明的结构设计,其阵列中单元结构分为独立式和嵌套式两种。由独立式单元构成的是200×200阵列,单元大小为a(100μm)×b(100μm);悬臂梁呈来回回折状固支在硅衬底上,固支块大小为a2(15μm)×b2(15μm)。靠近固支处的回折梁是隔热腿,是氮化硅材料,梁宽/间隙/折数是w2(3μm)/d3(3μm)/1(折),隔热腿总长81μm;远离固支处的回折梁是变形腿,是0.2-0.3μm厚金/氮化硅双材料,梁宽/间隙/折数是w1(3μm)/d2(3μm)/n(折),变形腿总长468μm;反光板与悬臂梁连接,尺寸为a1(15μm)×b1(97μm),是0.025-0.03μm薄金/氮化硅双材料,反光板中间腐蚀窗口大小为1μm×83μm。由嵌套式单元构成的是400×400阵列,单元如实线标示,单元大小为50μm×50μm;悬臂梁固支在硅衬底上,固支块大小为12μm×12μm,靠近固支处的梁是来回回折梁,是隔热腿,是氮化硅材料,梁宽/间隙/折数是2μm/2μm/3(折),隔热腿总长约84μm;远离固支处的梁由2段组成朝一个方向延伸,是变形腿,是0.2-0.3μm厚金/氮化硅双材料,梁宽/间隙/折数是2μm/2μm/2(折),变形腿总长96μm;反光板与悬臂梁连接,尺寸为14μm×48μm,是0.025-0.03μm薄金/氮化硅双材料,反光板中间腐蚀窗口大小为1μm×35μm。
该方法可以获得采用基于硅衬底无牺牲层工艺制作的非制冷红外焦平面阵列器件,适合用于大生产。
附图说明
图1-1至图1-5是本发明的流程图。
图2-1至图2-2为本发明结构设计中单元的设计示意图。
具体实施方式
为了更进一步说明本发明的内容,以下结合附图对本发明做详细描述,其中:
1、如图1-1所示,在<100>硅基片101上用低压化学气相沉积(LPCVD)方法淀积氮化硅薄膜102和106,厚度为0.8-1.0μm。
2、如图1-2所示,用SF6气体、以50-70sccm的流量和50-70w的功率刻蚀氮化硅薄膜102,直到刻到硅衬底。
3、如图1-3所示,表面蒸发金薄膜103,厚度为0.2-0.3μm。
4、如图1-4所示,表面蒸发金薄膜104,厚度为0.025-0.03μm。
5、如图1-5所示,用9份40%氢氟酸、75份69-71%的硝酸和40份99.5%的醋酸组成的HNA腐蚀液,在室温(15℃)下湿法各向同性腐蚀硅衬底,形成近似契型硅柱105,同时释放悬臂梁和反光板薄膜。
图2-1至图2-2为本发明结构设计中单元的设计示意图。
由独立式单元构成的是200×200阵列,单元大小为a(100μm)×b(100μm);悬臂梁呈来回回折状固支在硅衬底上,固支块大小为a2(15μm)×b2(15μm)。靠近固支处的回折梁是隔热腿,是氮化硅材料,梁宽/间隙/折数是w2(3μm)/d3(3μm)/1(折),隔热腿总长81μm;远离固支处的回折梁是变形腿,是0.2-0.3μm厚金/氮化硅双材料,梁宽/间隙/折数是w1(3μm)/d2(3μm)/n(折),变形腿总长468μm;反光板与悬臂梁连接,尺寸为a1(15μm)×b1(97μm),是0.025-0.03μm薄金/氮化硅双材料,反光板中间腐蚀窗口大小为1μm×83μm。由嵌套式单元构成的是400×400阵列,单元如实线标示,单元大小为50μm×50μm;悬臂梁固支在硅衬底上,固支块大小为12μm×12μm,靠近固支处的梁是来回回折梁,是隔热腿,是氮化硅材料,梁宽/间隙/折数是2μm/2μm/3(折),隔热腿总长约84μm;远离固支处的梁由2段组成朝一个方向延伸,是变形腿,是0.2-0.3μm厚金/氮化硅双材料,梁宽/间隙/折数是2μm/2μm/2(折),变形腿总长96μm;反光板与悬臂梁连接,尺寸为14μm×48μm,是0.025-0.03μm薄金/氮化硅双材料,反光板中间腐蚀窗口大小为1μm×35μm。

Claims (8)

1、一种基于硅衬底无牺牲层的非制冷红外焦平面阵列的制作方法,其特征在于,其固支在近似契型硅柱上的悬臂梁和反光板薄膜的形成和释放是:先在<100>硅基片上用低压化学气相沉积方法淀积氮化硅薄膜,刻蚀形成悬臂梁和反光板图形;再经过两次淀积金薄膜、剥离形成悬臂梁上的厚间隔镀金和反光板上的薄镀金;最后正面各向同性腐蚀硅衬底,形成近似契型硅柱来支撑悬臂梁,并释放整个悬臂梁和反光板薄膜,形成非制冷红外焦平面阵列;其步骤如下:
步骤1、在<100>硅基片上淀积氮化硅薄膜;
步骤2、在正面氮化硅薄膜表面光刻,打底胶,表面淀积铬薄膜,剥离;
步骤3、刻蚀氮化硅薄膜,形成悬臂梁和反光板图形;去铬,清洗处理表面;
步骤4、在图形表面光刻,打底胶,表面淀积金薄膜,剥离,在支撑悬臂梁上形成厚的间隔镀金;
步骤5、继续在图形表面光刻,打底胶,表面淀积金薄膜,剥离,在反光板上形成薄的镀金;
步骤6、正面腐蚀硅衬底,形成近似契型硅柱来支撑悬臂梁,同时释放悬臂梁和反光板薄膜形成非制冷红外焦平面阵列。
2、根据权利要求1所述的基于硅衬底无牺牲层的非制冷红外焦平面阵列的制作方法,其特征在于,其中,在<100>硅基片上采用低压化学气相沉积方法淀积厚度为0.8-1.0μm的氮化硅薄膜。
3、根据权利要求1所述的基于硅衬底无牺牲层的非制冷红外焦平面阵列的制作方法,其特征在于,其中,淀积氮化硅薄膜之后光学光刻,用氧气、以50-70sccm的流量和10-12w的功率打底胶1分钟左右,表面蒸发铬薄膜,用丙酮剥离。
4、根据权利要求1所述的基于硅衬底无牺牲层的非制冷红外焦平面阵列的制作方法,其特征在于,其中,剥离铬薄膜之后用SF6、以50-70sccm的流量和50-70w的功率条件下刻蚀氮化硅薄膜,直到刻到硅衬底为止,用去铬液湿法各向同性去铬,用去离子水冲洗处理表面。
5、根据权利要求1所述的基于硅衬底无牺牲层的非制冷红外焦平面阵列的制作方法,其特征在于,其中,在表面光学光刻,用氧气、以50-70sccm的流量和10-12w的功率打底胶1分钟左右,表面蒸发金薄膜,厚度为0.2-0.3μm,用丙酮剥离,在悬臂梁上形成厚的间隔镀金。
6、根据权利要求1所述的基于硅衬底无牺牲层的非制冷红外焦平面阵列的制作方法,其特征在于,其中,在表面光学光刻,用氧气、以50-70sccm的流量和10-12w的功率打底胶1分钟左右,表面蒸发金薄膜,厚度为0.025-0.03μm,用丙酮剥离,在反光板上形成薄的镀金。
7、根据权利要求1所述的基于硅衬底无牺牲层的非制冷红外焦平面阵列的制作方法,其特征在于,其中,腐蚀正面硅衬底,是用9份40%氢氟酸、75份69-71%的硝酸和40份99.5%的醋酸组成的HNA腐蚀液,在室温下湿法各向同性腐蚀硅衬底,形成近似契型硅柱来支撑悬臂梁,同时释放悬臂梁和反光板薄膜形成非制冷红外焦平面阵列。
8、一种采用根据权利要求1-7中任一项所述的方法制作的非制冷红外焦平面阵列,其阵列中单元结构分为独立式和嵌套式,由独立式单元构成的是200×200阵列,单元大小为a(100μm)×b(100μm);悬臂梁呈来回回折状固支在硅衬底上,固支块大小为a2(15μm)×b2(15μm),靠近固支处的回折梁是隔热腿,是氮化硅材料,梁宽/间隙/折数是w2(3μm)/d3(3μm)/1,隔热腿总长81μm;远离固支处的回折梁是变形腿,是0.2-0.3μm厚金/氮化硅双材料,梁宽/间隙/折数是w1(3μm)/d2(3μm)/n,变形腿总长468μm;反光板与悬臂梁连接,尺寸为a1(15μm)×b1(97μm),是0.025-0.03μm薄金/氮化硅双材料,反光板中间腐蚀窗口大小为1μm×83μm,由嵌套式单元构成的是400×400阵列,单元大小为50μm×50μm;悬臂梁固支在硅衬底上,固支块大小为12μm×12μm,靠近固支处的梁是来回回折梁,是隔热腿,是氮化硅材料,梁宽/间隙/折数是2μm/2μm/3,隔热腿总长约84μm;远离固支处的梁由2段组成朝一个方向延伸,是变形腿,是0.2-0.3μm厚金/氮化硅双材料,梁宽/间隙/折数是2μm/2μm/2,变形腿总长96μm;反光板与悬臂梁连接,尺寸为14μm×48μm,是0.025-0.03μm薄金/氮化硅双材料,反光板中间腐蚀窗口大小为1μm×35μm。
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