CN101446758B - 改善微机械非制冷红外成像芯片中反光板平整度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善微机械非制冷红外成像芯片中反光板平整度的方法，包括：在硅衬底正面涂光学光刻胶，光刻曝光出反光板加强筋图形；刻蚀硅衬底上的反光板加强筋图形；在硅衬底双面生长氮化硅；在硅衬底背面涂光学光刻胶，光刻曝光得到背面腐蚀窗口图形；刻蚀背面腐蚀窗口的氮化硅；在硅衬底正面套版光刻出反光板及回折梁图形，蒸发金属铬层并超声剥离；刻蚀硅衬底正面的氮化硅；去除作为掩蔽层的金属铬，得到反光板和回折梁图形；在硅衬底正面套刻反光板图形，在曝光显影后蒸发铬/金，超声剥离；在硅衬底正面套刻回折梁图形，在曝光显影后蒸发铬/金，超声剥离；去除反光板和回折梁下方的硅衬底，释放结构。本发明提高了最终的红外成像效果。
Description
技术领域
本发明涉及微电子器件制备技术领域，尤其涉及一种改善微机械非制冷红外成像芯片中反光板平整度的方法。
背景技术
传统的红外辐射探测器吸收入射光的红外能量，使探测单元温度上升，再通过集成电路检测探测器温升引起的热电效应，比如电阻率和电容的变化等，得到红外辐射的信息。
传统的热型红外探测器中热电效应是集成电路从每个探测器单元中读出的，由于电流输入会在探测器单元上产生附加的热量，所以这种方式难以准确地检测到入射的红外辐射。
基于光-机械式的微悬梁阵列的红外探测器的敏感单元为双材料梁。入射的红外光能被探测单元吸收后转化为悬臂梁的热能，引发悬臂梁产生热形变，再通过光学读出系统，非接触的检测出形变，例如悬臂梁的挠度或转角，就可以得到被测物体的热辐射信息。
本发明是对200310112820.1(光-机械式微梁阵列热型红外图象传感器)和200510012264.X(光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列)的改进设计，因为未改进的反光板会因为薄膜应力的问题再释放后而发生弯曲，不能保持平整的反光面。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种改善微机械非制冷红外成像芯片中反光板平整度的方法，以提高最终的红外成像效果，改善整个红外成像系统。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种改善微机械非制冷红外成像芯片中反光板平整度的方法，该方法包括：
在硅衬底正面涂光学光刻胶，光刻曝光出反光板加强筋图形；
在光刻胶掩蔽下刻蚀硅衬底上的反光板加强筋图形；
在硅衬底双面生长氮化硅；
在硅衬底背面涂光学光刻胶，并光刻曝光得到背面腐蚀窗口图形；
在光刻胶掩蔽下采用干法反应离子刻蚀工艺刻蚀背面腐蚀窗口的氮化硅；
在硅衬底正面套版光刻出反光板及回折梁图形，蒸发金属铬层，并超声剥离；
在金属掩蔽下采用干法反应离子刻蚀工艺刻蚀硅衬底正面的氮化硅；
去除作为掩蔽层的金属铬，得到氮化硅上的反光板和回折梁图形；
在硅衬底正面套刻反光板图形，并在曝光显影后蒸发铬/金，然后超声剥离；
在硅衬底正面套刻回折梁图形，并在曝光显影后蒸发铬/金，然后超声剥离；
采用湿法腐蚀去除反光板和回折梁下方的硅衬底，释放结构。
上述方案中，所述硅衬底为普通双面抛光硅片，厚度为480至520微米。
上述方案中，所述在硅衬底正面涂的光学光刻胶及用于掩蔽刻蚀硅衬底上的反光板加强筋图形的光学光刻胶为S9918光学光刻胶，厚度为2000至2500nm；所述在硅衬底背面涂的光学光刻胶及用于掩蔽刻蚀背面腐蚀窗口的氮化硅的光学光刻胶为BP218光学光刻胶，厚度为6000至7000nm。
上述方案中，所述在光刻胶掩蔽下刻蚀硅衬底上的反光板加强筋图形的步骤中，刻蚀深度1至1.5微米；所述在硅衬底双面生长氮化硅的步骤中，氮化硅膜的厚度为1.2至1.5微米。
上述方案中，所述在硅衬底正面套版光刻出反光板及回折梁图形时，采用的光学光刻胶为S9912光学光刻胶，厚度为1000至2000nm。
上述方案中，所述在硅衬底正面套刻反光板图形和回折梁图形时，采用的光学光刻胶为AZ5214光学光刻胶，并采用反转工艺。
上述方案中，所述在硅衬底正面套版光刻出反光板及回折梁图形，蒸发金属铬层的步骤中，采用电子束蒸发工艺蒸发铬层，蒸发厚度50至60nm。
上述方案中，所述在硅衬底正面套刻反光板图形，并在曝光显影后蒸发铬/金的步骤中，采用电子束蒸发工艺蒸发铬/金薄膜，先蒸发厚度为5至10nm的铬薄膜，然后再蒸发厚度为15至20nm金薄膜。
上述方案中，所述在硅衬底正面套刻回折梁图形，并在曝光显影后蒸发铬/金的步骤中，采用电子束蒸发工艺蒸发铬/金薄膜，先蒸发厚度为5至10nm的铬薄膜，然后再蒸发厚度为150至200nm金薄膜。
上述方案中，所述在光刻胶掩蔽下采用干法反应离子刻蚀工艺刻蚀背面腐蚀窗口的氮化硅，以及在金属掩蔽下采用干法反应离子刻蚀工艺刻蚀硅衬底正面的氮化硅的步骤中，干法反应离子刻蚀工艺条件为气体采用SF6，流量55至65毫升每秒，等离子体偏压功率为60至80瓦特，加磁场，水冷。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，采用本发明提供的这种改善微机械非制冷红外成像芯片中反光板平整度的方法制备的非制冷红外成像阵列，由于反光板上制作了加强筋，所以反光板镜面平整度明显改善，从而提高了最终的红外成像效果，对整个红外成像系统具有明显的改善作用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1为本发明提供的改善微机械非制冷红外成像芯片中反光板平整度的方法流程图；
图2为依照本发明实施例在硅衬底正面光刻加强筋图形的工艺流程图；
图3为依照本发明实施例在硅衬底正面刻蚀加强筋沟槽的工艺流程图；
图4为依照本发明实施例在硅衬底双面生长氮化硅薄膜的工艺流程图；
图5为依照本发明实施例在硅衬底背面氮化硅薄膜上光学光刻形成腐蚀窗口的工艺流程图；
图6为依照本发明实施例光刻胶掩蔽刻蚀背面氮化硅的工艺流程图；
图7为依照本发明实施例在硅衬底正面光刻反光板和回折梁图形并蒸发金属的工艺流程；
图8为依照本发明实施例干法掩蔽刻蚀的工艺流程图；
图9为依照本发明实施例去铬的工艺流程图；
图10为依照本发明实施例在硅衬底正面光刻反光板图形并蒸发铬/金的工艺流程；
图11为依照本发明实施例在硅衬底正面光刻回折梁图形并蒸发铬/金的工艺流程；
图12为依照本发明实施例湿法腐蚀的工艺流程图；
图13为最终得到的非制冷红外成像芯片一个单个像素的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为本发明提供的改善微机械非制冷红外成像芯片中反光板平整度的方法流程图，该方法包括：
步骤101：在硅衬底正面涂光学光刻胶，光刻曝光出反光板加强筋图形；在本步骤中，所述硅衬底为普通双面抛光硅片，厚度为480至520微米。
步骤102：在光刻胶掩蔽下刻蚀硅衬底上的反光板加强筋图形；
步骤103：在硅衬底双面生长氮化硅；
步骤104：在硅衬底背面涂光学光刻胶，并光刻曝光得到背面腐蚀窗口图形；
步骤105：在光刻胶掩蔽下采用干法反应离子刻蚀工艺刻蚀背面腐蚀窗口的氮化硅；
步骤106：在硅衬底正面套版光刻出反光板及回折梁图形，蒸发金属铬层，并超声剥离；
步骤107：在金属掩蔽下采用干法反应离子刻蚀工艺刻蚀硅衬底正面的氮化硅；
步骤108：去除作为掩蔽层的金属铬，得到氮化硅上的反光板和回折梁图形；
步骤109：在硅衬底正面套刻反光板图形，并在曝光显影后蒸发铬/金，然后超声剥离；
步骤110：在硅衬底正面套刻回折梁图形，并在曝光显影后蒸发铬/金，然后超声剥离；
步骤111：采用湿法腐蚀去除反光板和回折梁下方的硅衬底，释放结构。
基于图1所示的改善微机械非制冷红外成像芯片中反光板平整度的方法流程图，图2至图12示出了依照本发明实施例改善微机械非制冷红外成像芯片中反光板平整度的工艺流程图，具体包括以下步骤：
第一步：在硅基片100正面涂光学光刻胶101并曝光；如图2所示，选用普通双抛硅片做衬底100，衬底的厚度为500μm，采用S9918光学光刻胶曝光，得到加强筋图形101。
第二步：光刻胶掩蔽刻蚀硅衬底，得到图形102；如图3所示，在胶掩蔽下采用干法反应离子刻蚀(RIE)工艺刻蚀硅衬底，刻蚀深度1～1.5微米，得到图形102。
第三步：双面生长氮化硅，得到103和104；如图4所示，采用低压化学气相沉积的方法在硅衬底双面生长氮化硅膜103和104，厚度为1.2～1.5微米。
第四步：在硅片背面光刻得到背面腐蚀窗口图形105；如图5所示，在硅片背面涂BP218光学光刻胶，并曝光得到背面腐蚀窗口图形105。
第五步：干法掩蔽刻蚀；如图6所示，在光刻胶掩蔽下采用干法反应离子刻蚀(RIE)工艺将氮化硅刻透，得到图形106。
第六步：正面套刻反光板和回折梁图形并蒸发金属铬，剥离后得到107；如图7所示，涂S9912光学光刻胶，胶厚1000-1500nm，曝光后蒸发金属铬50纳米作为掩蔽层，然后超声剥离，得到107。
第七步：干法掩蔽刻蚀；如图8所示，在金属掩蔽下采用干法反应离子刻蚀(RIE)工艺将氮化硅刻透，得到图形108。
第八步：去铬；如图9所示，用硝酸铈氨溶液去除作为掩蔽层的金属铬，得到氮化硅上的反光板和回折梁图形109。
第九步：套刻反光板图形并蒸铬/金，后剥离；如图10所示，在硅片正面套刻反光板图形，曝光显影后蒸发金属铬5～10纳米/金20～25纳米，再经过剥离后得到110。
第十步：套刻回折梁图形并蒸铬/金，后剥离；如图11所示，在硅片正面套刻回折梁图形，曝光显影后蒸发金属铬5～10纳米/金200～250纳米，再经过剥离后得到111。
第十一步：湿法腐蚀；如图12所示，用氢氧化钾溶液将反光板和回折梁下方的硅衬底去除，最终释放结构，得到器件112。
至此，一种MEMS非制冷红外成像芯片中反光板的平整方法制备完毕。图13示出了最终得到的非制冷红外成像芯片一个单个像素的示意图。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种改善微机械非制冷红外成像芯片中反光板平整度的方法，其特征在于，该方法包括：
在硅衬底正面涂光学光刻胶，光刻曝光出反光板加强筋图形；
在光刻胶掩蔽下刻蚀硅衬底上的反光板加强筋图形；
在硅衬底双面生长氮化硅；
在硅衬底背面涂光学光刻胶，并光刻曝光得到背面腐蚀窗口图形；
在光刻胶掩蔽下采用干法反应离子刻蚀工艺刻蚀背面腐蚀窗口的氮化硅；
在硅衬底正面套版光刻出反光板及回折梁图形，蒸发金属铬层，并超声剥离；
在该金属铬层掩蔽下采用干法反应离子刻蚀工艺刻蚀硅衬底正面的氮化硅；
去除作为掩蔽层的金属铬，得到氮化硅上的反光板和回折梁图形；
在硅衬底正面套刻反光板图形，并在曝光显影后蒸发铬/金，然后超声剥离；
在硅衬底正面套刻回折梁图形，并在曝光显影后蒸发铬/金，然后超声剥离；
采用湿法腐蚀去除反光板和回折梁下方的硅衬底，释放结构。
2.根据权利要求1所述的改善微机械非制冷红外成像芯片中反光板平整度的方法，其特征在于，所述硅衬底为普通双面抛光硅片，厚度为480至520微米。
3.根据权利要求1所述的改善微机械非制冷红外成像芯片中反光板平整度的方法，其特征在于，
所述在光刻胶掩蔽下刻蚀硅衬底上的反光板加强筋图形的步骤中，刻蚀深度1至1.5微米；
所述在硅衬底双面生长氮化硅的步骤中，氮化硅膜的厚度为1.2至1.5微米。
4.根据权利要求1所述的改善微机械非制冷红外成像芯片中反光板平整度的方法，其特征在于，所述在硅衬底正面套版光刻出反光板及回折梁图形，蒸发金属铬层的步骤中，采用电子束蒸发工艺蒸发铬层，蒸发厚度50至60nm。
5.根据权利要求1所述的改善微机械非制冷红外成像芯片中反光板平整度的方法，其特征在于，所述在硅衬底正面套刻反光板图形，并在曝光显影后蒸发铬/金的步骤中，采用电子束蒸发工艺蒸发铬/金双层薄膜，先蒸发厚度为5至10nm的铬薄膜，然后再蒸发厚度为15至20nm金薄膜。
6.根据权利要求1所述的改善微机械非制冷红外成像芯片中反光板平整度的方法，其特征在于，所述在硅衬底正面套刻回折梁图形，并在曝光显影后蒸发铬/金的步骤中，采用电子束蒸发工艺蒸发铬/金双层薄膜，先蒸发厚度为5至10nm的铬薄膜，然后再蒸发厚度为150至200nm金薄膜。
7.根据权利要求1所述的改善微机械非制冷红外成像芯片中反光板平整度的方法，其特征在于，所述在光刻胶掩蔽下采用干法反应离子刻蚀工艺刻蚀背面腐蚀窗口的氮化硅，以及在金属掩蔽下采用干法反应离子刻蚀工艺刻蚀硅衬底正面的氮化硅的步骤中，干法反应离子刻蚀工艺条件为气体采用SF6，流量55至65毫升每秒，等离子体偏压功率为60至80瓦特，加磁场，水冷。
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