CN1085343C - 一种微细加工的红外线法布里－珀罗滤色器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
介绍一种红外线法布里-珀罗滤色器，包括硅片，硅片内形成的矩形空腔，横跨空腔并以硅片为支持的矩形硅膜，附着于硅膜下部表面的反射镜和附着于空腔底部表面的反射镜，制作在矩形硅膜两相对固定边缘部分的压阻电阻器，制作在矩形硅膜中间部分的压阻电阻器，附着于矩形硅膜两相对固定边缘部分上部表面的电致薄膜伸缩器，附着于矩形硅膜中间部分上部表面的防红外线反射薄膜。反射镜的移动由电致薄膜伸缩器驱动，移动控制和反射镜平面性能调整由压阻电阻器执行。
Description
本发明是关于红外线法布-珀罗(FABRY-PEROT或F-P)滤色器，特别是关于由单块硅片微细加工而成的可调谐红外线F-P滤色器。
由硅片微细加工而成的可调谐红外线F-P滤色器已有若干报道，其中最有代表性的设计反映在J.H.Jerman等人题为″A Miniature Fabry-PerotInterferometers with a Corrugated Diaphragm Support″的论文中(TechnicalDigest IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop，Hilton Head，June 1990，pp.140-144)。
Jerman等人的F-P滤色器为两平面镜组成的谐振腔，两平面镜附着于两硅平面上，两硅平面相隔一定距离平行排列。硅的折射率为3.5，对于波长λ为1.1-10μm的红外线，硅是透明的。当两平面镜之间的间距为入射谐振腔的红外线半波长的正数倍时，透过谐振腔出射的红外线为一锐利的谐振峰。这些透射峰的产生，是由于红外线进入谐振腔后，在腔体内经具有高反射系数的反射镜多次反射，波长满足谐振条件的红外线被保留，其它波长的红外线都被衰减掉。
F-P滤色器的两平行平面镜分别由两块硅片加工而成，第一块硅片形成平底凹坑，平面镜中的一块附着于凹坑的底面，第二块硅片形成由柔性波状硅膜支持的台面，另一块平面镜附着于台面的顶面。两块硅片通过粘合剂连接，连接时保持凹坑底面与台面顶面平行对准。部分边缘凹坑底面与台面顶面形成平行平板电容器，当施加直流电压于该电容器，在静电力作用下，柔性波状硅膜支持的台面可以沿垂直台面的方面移动，附着于台面顶面的镜子也随之移动，从而改变谐振器的间隔。台面与支持台面的波状硅膜由各向异性化学腐蚀硅片形成，先腐蚀硅片正面形成波状凹槽，然后腐蚀硅片背面，减薄硅片，形成波状硅膜和由波状硅膜围绕的梯形台面。
其它有关F-P滤色器的报导也都采用类似的两硅片组合结构。这种两硅片组合结构的F-P滤色器存在不少问题，主要是需要对硅片的两面进行加工，不能直接用集成电路工艺和设备进行制造。集成电路制造用单面加工工艺，要满足两面加工的要求，不仅制造工艺要作比较大的改动，还需增添两面对准的光刻设备。其次是由于各向异性腐蚀的非自停特性，波状硅膜的厚度很难精确控制，制造的器件重复性差。第三是波状硅膜支持的台面类似于加速度传感器的惯性质量块，在惯性力作用下很容易引起波状硅膜形变引起台面移动，因此器件工作时必须严格防止振动的干扰。
本发明的总体目标就是要解决红外线F-P滤色器存在的上述问题以及其它问题。具体说来，本发明的第一个目标，就是要发展一种红外线F-P滤色器，由单一硅片加工而成，并且可以在同一硅片上制造驱动和控制反射镜平行移动的集成电路，以实现滤色器的单片集成。
本发明的第二个目标，就是要发展一种红外线F-P滤色器，能采用标准的集成电路平面工艺制造，不需要对工艺作太大改动，也不需要增添大型制造设备。
本发明的第三个目标，就是要发展一种红外线F-P滤色器，其可移动的反射镜，质量轻，惯性小，防振动干扰能力强。
本发明的第四个目标，就是要发展一种红外线F-P滤色器，其反射镜的移动由硅膜的形变实现，而硅膜的形变由制作在硅膜里的压阻电阻器检测，以简化反射镜移动的检测，并改进反射镜移动控制精度。
本发明的第五个目标，就是要发展一种红外线F-P滤色器，能在支持可移动反射镜的硅膜里制造压阻电阻器，利用压阻电阻器，监测平面镜的平面性能，如有形变及时进行调整。
本发明的第六个目标，就是要发展一种红外线F-P滤色器，其反射镜的移动可由电致薄膜伸缩器驱动，而电致薄膜伸缩器可由集成电路制造常用的薄膜淀积和光刻腐蚀技术形成。
图1A，图1B，和图1C为本发明设计的红外线F-P滤色器横截面示意图。图1A表示红外线F-P滤色器的可动反射镜处于尚未移动时的起始状态，图1B表示红外线F-P滤色器的可动反射镜处于向下移动一定距离时的短波状态，图1C表示红外线F-P滤色器的可动反射镜处于向上移动一定距离时的长波状态。
图2至图13表示本发明设计的红外线F-P滤色器处在各制造阶段形成的横截面示意图。
参看图1A，图1B，和图1C，本发明设计的红外线F-P滤色器，包括用于形成和支持滤色器的硅片101，硅片101表面内部形成的矩形空腔103，横跨空腔103并与硅片101支持部分相连接的矩形硅膜102，附着于硅膜102下部表面的反射镜104和附着于空腔103底部表面的反射镜105，制作在矩形硅膜102两相对固定边缘部分的压阻电阻器106，制作在矩形硅膜102中央部分的压阻电阻器107，附着于矩形硅膜102两相对固定边缘部分上部表面的电致薄膜伸缩器108和109，附着于矩形硅膜102中央部分上部表面的防红外线反射薄膜110。
图1A表示电致薄膜伸缩器108和109未加驱动电压时，红外线F-P滤色器所处的状态示意图。此时具有连续频谱分布113的红外线111垂直入射滤色器，经谐振腔103内部反射镜104和105多次反射，形成透射红外线112射出滤色器，透射红外线112具有窄带频谱分布114，其峰值频率由反射镜104和105之间的距离决定。
图1B表示矩形硅膜102下移，谐振腔103变窄时，红外线F-P滤色器所处的状态示意图。此时外加驱动电压，使电致薄膜伸缩器108缩短变成116，电致薄膜伸缩器109伸长变成117，结果使电致伸缩薄膜下面的硅膜向下弯曲成115。控制外加驱动电压，使矩形硅膜弯曲部分115的横向长度保持不变，从而使得矩形硅膜的未弯曲的中间部分102能平行下移而不发生形变。矩形硅膜中间部分102如发生形变，可通过监测制作在此硅膜里的压阻电阻器107测定，用以控制驱动电压，调整电致伸缩薄膜116和电致薄膜伸缩器117的伸缩比例，使矩形硅膜的中间部分102回复到无应力作用的自由状态。
电致伸缩薄膜116和117下面的硅膜115处于弯曲状态时，会产生相应的应力作用于其内的压阻电阻器118，使其电阻值发生变化，由此产生的电信号用以标定和控制硅膜102向下移动的距离。
由于谐振腔103变窄，反射镜104和105之间的距离变小，透射红外线的波峰119向比波峰114更短的波长方向移动。
图1C表示硅膜102上移，谐振腔103变宽时，红外线F-P滤色器所处的状态示意图。此时外加驱动电压改变极性，使电致薄膜伸缩器108伸长变成121，电致薄膜伸缩器109缩短变成122，结果使电致伸缩薄膜下面的硅膜向上弯曲成120。控制外加驱动电压，使矩形硅膜弯曲部分120的横向长度保持不变，从而使得矩形硅膜的未弯曲的中间部分102能平行上移而不发生形变。
弯曲的硅膜产生应力，使压阻电阻器123的电阻值发生相应变化，由此取得的电信号用以控制硅膜102向上移动的距离。
随着硅膜102上移，反射镜104远离反射镜105，谐振腔103变宽，透过谐振腔103的红外线具有比波峰114更长的波峰124。
参照图2至图13，详细说明本发明设计的红外线F-P滤色器的制造过程，包括每一制造步骤的应用技术和工艺条件。
准备单晶硅衬底201，其晶向为(100)，N型掺杂，掺杂浓度为1014-1015/cm3。清洗硅片，依次用H2SO4∶H2O2＝4∶1煮5min，用去离子水冲洗15min后，用H2O+49％HF腐蚀1min，用去离子水冲洗10min，然后烘干。热氧化生长SiO2薄膜202，氧化条件：温度1100℃，水汽氧化，得SiO2膜厚1微米。
进行光刻腐蚀，用以在硅衬底201表面形成埋层外延窗口。经过涂胶，预烘，曝光，显影，后烘形成光刻图形后，用(907gNH4F+400mlH2O)+325HF(49％)+450mlH2O溶液腐蚀SiO2，在SiO2薄膜202中形成矩形开口。以SiO2掩蔽，反应等离子体刻蚀开口区域内露出的硅，形成矩形平底镜面凹坑，如图1所示。腐蚀硅使用的气体为Cl2+He＝80∶400sccm，腐蚀条件为：功率275W，气压425mT，温度60℃，间距0.8cm，频率13.57MHz。
进行低压选择外延生长，在硅衬底201表面矩形平底镜面凹坑内形成硅单晶外延层203。选择外延生长采用辐射加热桶式反应器，硅源为SiH2Cl2，掺杂剂为HCl+H2，腐蚀剂为HCl。硅外延生长限于在窗口部分进行，在SiO2上淀积的多晶硅被HCl腐蚀掉了，HCl也腐蚀窗口部分生长的单晶硅，但由于腐蚀速率远低于对多晶硅的腐蚀，最终出现单晶硅的净生长。选择外延生长条件：工作压力7kPa，H2流速180l/min，硅源流速0.3l/min，HCl流速0.5-1l/min，生长温度950℃。调节掺杂剂流速，使外延层掺杂浓度为1017-1019/cm3。控制生长时间，使选择生长的外延层203厚度刚好填平凹坑，如图2所示。
用(907gNH4F+400mlH2O)+325HF(49％)+450mlH2O溶液腐蚀掉SiO2后，进行低压外延生长，形成硅单晶外延层204，使其覆盖整个硅衬底201表面，包括选择外延单晶层203。硅源为SiH2Cl2，掺杂剂为HCl+H2，生长条件：工作压力13kPa，H2流速180l/min，硅源流速0.7l/min，生长温度950℃。调节掺杂剂流速，使外延层掺杂浓度为1014-1015/cm3。控制生长时间，使形成外延层204厚3-5μm，如图3所示。
进行低压化学气相淀积(LPCVD)SiO2，淀积条件：淀积温度445℃，气体系统SiH4+O2+N2，气体组分SiH4 55ml/min，O2 220ml/min，H2 2.5l/min，反应压力100Pa，淀积速率120/min。控制淀积时间，使形成SiO2层205厚2μm。进行光刻腐蚀，形成浓硼扩散窗口208。扩散源为B(OCH3)3，源温25℃，扩散温度950℃，扩散时间25min，得方块电阻6Ω/□。再次进行光刻腐蚀，形成硼离子注入窗口206。注入条件：剂量1015/cm2，能量200kev，在N2中，在950℃退火30min，得方块电阻100Ω/□，硼离子注入形成压阻电阻条207，如图4所示。
用(907gNH4F+400mlH2O)+325HF(49％)+450mlH2O溶液腐蚀掉SiO2，再次进行LPCVD淀积，形成新的SiO2层209，覆盖整个硅外延层204，包括扩散区208和离子注入区206，淀积条件与前面用的相同，所得厚度为1μm。进行光刻腐蚀，形成曝露出扩散区208和离子注入区206的接触孔。用射频磁控溅射形成第一层厚2000的铂膜，接着进行光刻腐蚀，用1200mlHNO3+400mlHCl溶液腐蚀铂，形成通向边缘压阻电阻器的连线210，及其压焊块211，连接中心压阻电阻器的压焊块214，电致伸缩器下电极212，及其压焊块213，如图5所示。
用射频磁控溅射形成第一层厚2μm的PbTiO3电致伸缩薄膜。溅射以PbTiO3烧结体为靶，气氛Ar/O2＝1∶1，衬底温度450-650℃，靶基间距35-40mm，功率75W，淀积速率0.18μm/h。用射频磁控溅射形成第二层厚2000的铂膜，接着进行光刻腐蚀，用1200mlHNO3+400mlHCl溶液腐蚀铂，用H3PO4溶液腐蚀PbTiO3，形成底层电致伸缩薄膜215，中间电极216，及其压焊块217，如图6所示。
用射频磁控溅射形成第二层厚2μm厚的PbTiO3电致伸缩薄膜和第三层厚2000的铂膜，接着进行光刻腐蚀，形成顶层电致伸缩薄膜218，顶层电极219，及其压焊块220，如图7所示。
用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)方法，形成厚2000的SiC薄膜。反应气源由液态六甲基乙硅烷(C6H18Si2)提供。六甲基乙硅烷鼓泡瓶保持在20℃，在此温度，六甲基乙硅的蒸汽压为2.29kPa，使惰性载气He通过六甲基乙硅烷液体，携带六甲基乙硅烷蒸汽进入反应室。反应室为平行平板结构，板距25mm，射频加热频率100kHz，功率250W，淀积速率200/Min。为降低应力，淀积的SiC薄膜进行退火处理。退火条件：温度600℃，气氛N2，时间2h。退火后剩余张应力为70MPa。形成的SiC薄膜在80℃的33％KOH溶液中腐蚀4h，或在室温下48％HF溶液中腐蚀40min，均不能测出腐蚀速率。
进行光刻腐蚀，用CHF3/O2等离子体腐蚀SiC，用CF4+CHF3+He等离子体腐蚀SiO2，用Cl2+He等离子体腐蚀Si，腐蚀穿过SiC层222，SiO2层209，硅外延层204，直达选择硅外延埋层203，形成阳极氧化主窗口223和辅助窗口224，如图8所示。
阳极氧化在立式电化学反应槽中进行，硅片插入槽中将槽室分成相互隔离的两部分，每部分各有一铂电极，与硅片背面接触的电解质用作液体电极。电解质的组成为25％(重量)HF，25％水，50％无水乙醇，阳极电压控制不高于4V，阳极电流维持在60mA/cm2，反应在室温下进行。阳极氧化使选择硅外延N+埋层203转变成多孔硅，待N+埋层203都转变成多孔硅后，反应自动停止，不会将N+埋层203周围的N-硅转变成多孔硅。阳极氧化形成的多孔硅埋层225如图9所示。
用5％KOH溶液室温下腐蚀多孔硅，室温下的5％KOH溶液不腐蚀Si，SiO2，Pt和SiC，只腐蚀多孔硅，具有很强的腐蚀选择性。腐蚀多孔硅形成的空腔226和硅膜227，如图10所示。
进行高压水汽热氧化，气氛：H2+O2合成水汽，温度：900℃，压力：0.5MPa。在此条件下，SiO2生长速率为0.4μm/h。高压水汽热氧化使空腔226内的四壁形成SiO2层228，如图11所示。
在空腔226内进一步淀积多组SiO2/Poly-Si复合层，用作红外线反射膜。为在空腔226内淀积SiO2和Poly-Si，须采用能在非直接暴露的表面进行淀积的LPCVD技术。
化学气相淀积速率由气体质量传输和化学反应速度限定。在常压化学气相淀积(APCVD)情况下，气体质量传输是主要的决定因素，化学反应速度是次要的决定因素。由于非直接暴露的表面不便于气体质量传输，因而淀积速率很低，不能在空腔内形成所需的介质薄膜。
LPCVD与APCVD的区别，是压强由原来的105Pa下降到约102Pa。与此相应，分子的平均自由程与扩散系数增大了近一千倍，由于气体质量传输系数正比于扩散系数，所以气体质量传输系数也增大了一千倍，但化学反应速度常数基本不变，淀积速率主要取决于化学反应速度。在这种情况下，非直接暴露的表面也有分子到达，如果分子表面迁移显著，会在非直接暴露的表面进行淀积。
用LPCVD淀积Poly-Si的条件：反应气体SiH4/He，反应温度600℃，气压26Pa。
用LPCVD淀积SiO2的条件：反应气体Si(OC2H5)4，反应温度700℃，气压30Pa。
在上述淀积条件下，分子平均自由程约数百微米，并且分子吸附于衬底表面后能沿表面快速迁移，因而在远离空腔口数百微米内都能进行淀积，但考虑到淀积薄膜厚度的均匀性，淀积入口的间距不能太大，此处选为100μm，即阳极氧化主窗口224和辅助窗口223之间距离大约为100μm。
LPCVD淀积在空腔内形成SiO2/Poly-Si复合层229，从而形成上反射镜230，和下反射镜231。如图12所示。
用CHF3/O2等离子体腐蚀掉SiC层222，至此完成红外线F-P滤色器的制造，如图13所示。红外线F-P滤色器包括：硅衬底201，硅外延层204，隐埋腔体226，腔体226顶层硅膜227，腔体内部表面的缓冲SiO2层228，SiO2/Poly-Si复合反射膜229，由此形成的上反射镜230，下反射镜231，硅膜边缘区域内部压阻电阻器206，及其连线210和压焊块211，电致伸缩膜215，218，及其压焊块213，217，220，上电极219，硅膜中心区域内部压阻电阻器的压焊块214，硅膜中心区域表面防反射薄膜221。
上面给出了本发明的最佳实施方案，在本发明相关的技术领域内工作的熟练技术人员，很容易对本方案中某些细节进行修改，增补，或删略，但均不会脱离本发明的基本技术特征及其主要属性。
Claims (10)
1.一种微细加工的能调谐的红外线法布里-珀罗滤色器，其构成包括一个硅衬底，一个硅膜，二个反射镜，其特征在于：
一空腔处于所说硅衬底上部表面体内，
所说硅膜横跨所说空腔，其两端固定于所说硅衬底，
一个压阻电阻器处于所说硅膜固定边缘部分，
另一个压阻电阻器处于所说硅膜中央部分，
所说第一个反射镜附着于所说硅膜的下部表面，
所说第二个反射镜附着于所说空腔的底部表面，
两组电致伸缩薄膜分处于所说硅膜两相对固定边缘部分的上部表面，
一防反射薄膜附着于所说硅膜上部表面暴露部分。
2.一种制造能调谐的红外线法布里-珀罗滤色器的方法，其特征在于，制造步骤包括：
准备一轻掺杂的N-型硅衬底，
在所说硅衬底上部表面形成平底矩形凹坑，
在所说硅衬底表面选择外延生长重掺杂N-型硅填充所说凹坑，
在所说硅衬底表面普遍外延生长轻掺杂N-型硅层，覆盖硅衬底表面，包括所说选择处延N-型硅，
在所说外延层内处于所说选择外延N-型硅埋层边缘区域上方形成P-型压阻电阻器，
在所说外延层表面处于所说选择外延N-型硅埋层边缘区域上方形成电致薄膜伸缩执行器，
在所说外延层表面处于所说选择外延N-型硅埋层中心区域上方形成防红外线反射薄膜，
在所说硅衬底顶层表面形成阳极氧化保护薄膜，
光刻腐蚀形成阳极氧化窗口，
阳极氧化将所说选择外延重掺杂N-型硅埋层转变成多孔硅，
腐蚀去掉所说多孔硅形成空腔和空腔上部硅膜，
在空腔内形成多层介质红外线反射薄膜，
腐蚀去掉所说硅衬底顶部表面的阳极氧化保持薄膜。
3.如权利要求2所述的一种制造能调谐的红外线法布里-珀罗滤色器的方法，其特征是所说的轻掺杂N-型硅衬底的载流子浓度在1012/cm3至1016/cm3范围内。
4.如权利要求2所述的一种制造能调谐的红外线法布里-珀罗滤色器的方法，其特征是所说的选择生长的重掺杂N-型硅的载流子浓度在1018/cm3至1020/cm3范围内。
5.如权利要求2所述的一种制造能调谐的红外线法布里-珀罗滤色器的方法，其特征是所说的普遍生长的轻掺杂N-型硅的载流子浓度在1020/cm3至1016/cm3范围内。
6.如权利要求2所述的一种制造能调谐的红外线法布里-珀罗滤色器的方法，其特征是所说的压阻电阻器金属化材料为铂。
7.如权利要求2所述的一种制造能调谐的红外线法布里-珀罗滤色器的方法，其特征是所说的电致伸缩薄膜为PbTiO3薄膜。
8.如权利要求2所述的一种制造能调谐的红外线法布里-珀罗滤色器的方法，其特征是所说的电致伸缩薄膜电极材料为珀。
9.如权利要求2所述的一种制造能调谐的红外线法布里-珀罗滤色器的方法，其特征是所说的阳极氧化保护薄膜为等离子体增强化学气相淀积的本征SiC。
10.如权利要求2所述的一种制造能调谐的红外线法布里-珀罗滤色器的方法，其特征是所说的多层介质反射薄膜为多组SiO2/Poly-Si复合层。
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