CN1889235A

CN1889235A - 具有自支撑的非晶硅热成像探测器微结构的制作方法

Info

Publication number: CN1889235A
Application number: CNA2006101044341A
Authority: CN
Inventors: 刘卫国; 蔡长龙; 刘欢; 周顺
Original assignee: Xian Technological University
Current assignee: Xian Polytechnic University; Xian Technological University
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2007-01-03
Anticipated expiration: 2026-07-31
Also published as: CN100380587C

Abstract

本发明是采用非晶硅作为红外敏感材料制作非致冷焦平面红外热成像探测阵列悬空结构技术领域，提供一种在硅片上制作具有自支撑的非晶硅热成像探测器微结构的制作方法，首先采用在硅片上镀制一定厚度的PI胶作为制作非晶硅非致冷红外热成像探测器悬空微结构的牺牲层；采用PECVD的方法制作低应力、具有自支撑能力的非晶硅敏感薄膜；采用快速热处理对PI胶的固化和硬化处理；最后采用等离子体反应刻蚀去除牺牲层PI胶和剩余的光刻胶，获得悬空结构自支撑的非晶硅非致冷焦平面红外热成像探测阵列微结构。用该方法制作的非晶硅非致冷焦平面红外热成像探测阵列解决了悬空结构性能良好，填充因子高，工艺简单、稳定、重复性好的问题，该方法适于实际工业生产应用。

Description

具有自支撑的非晶硅热成像探测器微结构的制作方法

技术领域

本发明涉及红外热成像探测技术领域，进一步讲是涉及采用非晶硅作为红外敏感材料制作非致冷焦平面红外热成像探测阵列悬空结构技术领域，具体是一种具有自支撑的非晶硅热成像探测器微结构的制作方法。

背景技术

红外热成像探测器是能对外界红外辐照产生响应的光电传感器，是红外热成像探测系统的核心。红外热成像探测器的应用从最初的军事应用逐渐扩展到了包括工业测控、医疗检测、防火防灾等在内的更为广阔的民用领域。红外热成像探测器是基于敏感材料受到红外辐射后所产生的各种效应来对红外辐射强度进行检测的。按照工作原理分，红外探测器可以分为光子探测器和热探测器两大类。在红外线的照射下，半导体材料中产生电荷载流子，利用探测器对产生的电荷进行收集和放大处理，这是光子探测器的基本工作原理。致冷型红外探测器虽然可获得极高的探测率，但为了抑制探测器的暗电流和噪声，必须利用杜瓦瓶等致冷装置来提供液氮温度。这导致了致冷型红外探测器成本高、体积大的致命缺陷，使致冷型红外探测器基本上只用于军事领域，而无法深入民用领域。红外探测元件吸收红外辐射后温度发生变化，测量由温度变化而导致的敏感元件物理性质的变化来对红外辐射进行探测，这是热探测器的基本原理。热探测器无需致冷设备，可以工作于室温环境下，在低成本、低功耗、小型化和可靠性等方面均有明显的优势，目前已成为各国军方及各大公司研究的热点，且已显示出了巨大的市场潜力。目前除了应用于传统的导弹制导、目标识别与跟踪、夜视仪等军事领域外，在夜间驾驶、防火防灾、医学诊断等民用领域也得到了越来越多的重视。

目前，国外非致冷焦平面红外探测器主要采用两种不同的技术途径，即热释电探测器焦平面阵列和测辐射热计焦平面阵列，它们都取得了重要的技术突破和应用。

热释电焦平面阵列目前已形成产品，在军事和民用方面得到应用。美国TI公司的热电型非致冷焦平面阵列的红外探测器材料是由BST(中文名)组成的具有热释电效应的陶瓷，美国TI公司夜瞄具200系列摄像机主要用于警用和汽车夜间驾驶，目前正在研制640×480元的热电非致冷焦平面阵列。美国ElectroPhysics公司1995年研制了民用非致冷热电钛酸锶钡(Ba_xSr_1-xTiO₃，BST)焦平面热像仪。英国GMMT公司的混合热释电非致冷焦平面阵列采用钛酸锆铅(Pb_xZr_1-xTiO₃，PZT)热电陶瓷探测器，已研制出384×288像元的探测器阵列，洛克希德马丁红外成像系统公司LTC500摄像机用于医学研究和医疗诊断，IRSolutions公司的IR Snapshot摄像机用于检测和预防维护均采用热释电焦平面阵列产品。

测辐射热计焦平面阵列的应用大致包括：氧化钒测辐射热计焦平面阵列，由美国Honeywell传感器及系统开发中心在90年代初提出，近年来已研制成功相应的热成像系统；非晶硅测辐射热计焦平面阵列，澳大利亚国防科技署采用非晶、微晶和多晶作为热敏电阻材料，研制成功单片式非致冷焦平面阵列；法国SOFRADIR公司最近推出一种基于非晶硅技术的非制冷320×240元热辐射计红外探测器；温差电堆焦平面阵列，日本防卫厅技术研究和开发研究所于1994年研制出128×128元温差电堆热像传感器；1999年D.S.Tezcan等人提出了一种基于标准CMOS制作工艺的测辐射热计，该探测器以n阱单晶电阻作为红外辐射敏感单元，利用了硅单晶电阻的温度特性对红外辐射进行探测；Agema公司的THV570是采用测辐射热计技术并于最近进入市场的产品；Amber公司新的Hotshot成像辐射测量仪采用了非致冷探测器技术；日本航空电子公司(Avio)研制的Hot shot也采用了Amber公司的测辐射热计技术；美国EIect rophysics公司利用PV320，与Lifesight Fire Research公司联合开发了消防热像仪Lifesight Plus，用于消防救灾；美国Gileta公司1996年制成警用非致冷测辐射热计成像仪。

测辐射热计是一种热敏电阻型探测器，目前已经研究了由氧化钒、多晶硅、非晶硅、非晶锗、多晶锗硅、金属材料以及高温超导材料YBaCuO等敏感材料制作的测辐射热计，且已有基于氧化钒测辐射热计的热成像仪出售。20世纪90年代初，Honeywell公司首先研制了由氧化钒热敏电阻构成的微桥式测辐射热计。测辐射热计的响应度比热电堆型高，制作工艺比热释电型简单，并且具有直流响应，无需斩波器，虽然该探测器发展较早，但仍是现在红外探测技术研究的热点。由于氧化钒和YBaCuO都不是标准的CMOS工艺材料；多晶硅、非晶硅、多晶锗硅由于是非晶材料而具有较高的噪声；金属材料的噪声很低，但探测器的响应度过低；所以测辐射热计目前研究的重点是制作工艺与IC常规工艺的兼容，实现单片集成化。非晶硅测辐射热计的主要优点有：1、热时间常数低；2、温度敏感系数高；3、工艺简单；4、制备温度低，能与标准的CMOS硅工艺完全兼容；5、成本低，风险小；6、高的响应度；7、高的红外辐射吸收率。

1999年D.S.Tezcan等人提出了一种基于标准CMOS制作工艺的微测辐射热计，该探测器以n阱单晶电阻作为红外辐射敏感单元，利用了硅单晶电阻的温度特性对红外辐射进行探测。制作时利用电化学腐蚀的方法腐蚀掉敏感单元下方的衬底，形成热绝缘结构。该结构可以和标准CMOS工艺基本兼容，但填充因子仅为13％，且需要设计专门的电路和设备来实现四电极化学腐蚀，增加了工艺实现难度。1999年日本先进技术研发中心的T.Ishikaw等人根据二极管电流-电压的温度特性提出了基于SOI的非致冷红外探测器，并制作了320×240元阵列，实现了阵列的热成像，但由于SOI制作工艺目前尚不成熟，制作成本较高。2003年，A.Torres等利用非晶锗制作了一种新型微测辐射热计，该探测器以非晶锗电阻作为敏感单元，以热氧SiO2和LPCVD-Si3N4复合层作为机械支撑层，利用体硅刻蚀技术得到探测器的绝热结构。因为非晶锗材料的电阻温度系数高达4％，该探测器可以得到较高的响应度，但由于该探测器需要体硅腐蚀技术，对硅片的均匀性要求较高，从而限制了其更为广泛的应用。清华大学微电子学研究所的研究人员提出了一种基于非晶硅薄膜晶体管的非致冷红外探测器，并已申请了国家发明专利。具有很高的沟道电流温度系数，再加上薄膜晶体管的放大作用，因而可以获得较高的响应度，该探测器的制作完全基于常规CMOS工艺。但该结构制作步骤多，工艺过程复杂。

对于微测辐射热计式的非致冷红外探测器的研究属于前沿领域，国外的资料也很少。

目前，国内研究非致冷焦平面红外探测器的单位有昆明物理所、西安交通大学器件研究所、重庆44所、上海计量物理所、西安电子科技大学微电子研究所、华中科技大学以及兰州物理所等。它们在各种探测器敏感材料的制备和结构、探测器结构、信号读出电路等方面都做了大量的研究工作。但到目前为止，还未见有关制作出具有自支撑的非晶硅非致冷焦平面红外探测器悬空结构的报道。

本发明项目组对国内外专利文献和公开发表的期刊论文检索，再尚未发现与本发明密切相关和一样的报道或文献。

发明内容

本发明的目的是克服上述技术或方法存在的缺点，提供一种简化制作工艺；改善探测器的热绝缘性能，提高探测器灵敏度的制作具有自支撑的非晶硅热成像探测器微结构的制作方法，采用该方法制作的悬空微结构，填充因子高，其中的非晶硅既是红外热成像敏感材料，又是探测单元支撑臂的材料。制作方法工艺简单、稳定、重复性好、适用于实际工业生产的需要。制作得具有自支撑的非晶硅非致冷焦平面红外热成像探测器微结构阵列，从而改善了探测器的热绝缘性能，提高探测器灵敏度使得以此为基础制备的非晶硅热成像探测器工作稳定、测试重复性好。

下面对本发明的技术方案进行详细说明

本发明是一种具有自支撑的非晶硅热成像探测器微结构的制作方法。

本发明的实现在于：具有自支撑结构的非致冷红外热成像探测器的器件芯片微结构采用在硅片上镀制一定厚度的聚酰亚胺(PI胶)作为制作非晶硅非致冷红外热成像探测器悬空微结构的牺牲层；采用等离子体增强化学气相沉积方法(英文简称PECVD方法)制作低应力、具有自支撑能力的非晶硅敏感薄膜；采用快速热处理对PI胶的固化和硬化处理；采用等离子体反应刻蚀去除牺牲层PI胶，

具体做法的步骤如下：

步骤一、采用RCA工艺清洗单面抛光硅基片，取出用高纯氮气把硅片吹干，然后放在烘箱里烘干；

步骤二、在硅基片上制备PI胶牺牲层，采用甩胶的方法制备，PI胶的厚度为1.7～2.2μm；

步骤三、采用快速热处理的方法对PI胶进行固化快速热处理，时间为1个小时，温度为170℃；

步骤四、制作PI胶过孔的图形，在PI胶上涂光刻胶，然后用光刻机曝光，再用显影液显影并腐蚀PI胶，再用丙酮腐蚀剩余的光刻胶，得到PI胶过孔的图形；

步骤五、采用快速热处理的方法对PI胶进行硬化快速热处理，温度为250℃，时间为半个小时；

步骤六、采用PECVD制备低应力、具有自支撑能力的非晶硅敏感薄膜，敏感薄膜的膜厚为180～300nm；

步骤七、采用甩胶、曝光、显影的方法制作所需微结构的光刻胶图形；

步骤八、采用等离子体反应刻蚀制作非晶硅薄膜的图形；

步骤九、采用等离子体反应刻蚀去除牺牲层材料PI胶和剩余的光刻胶，制作非晶硅热成像探测阵列悬空结构。

在选定非晶硅作为非致冷测辐射热计红外热成像探测器的热敏感材料的情况下，器件的结构在很大程度上影响探测器的性能。器件的悬空结构设计合理，它的填充因子就越高，器件的热绝缘性也越好，红外吸收效率就越高，非晶硅薄膜的升温值就越大，器件的温度敏感系数就越高。为此，需要制作非晶硅薄膜的悬空结构。在本发明专利中，提出了一种采用非晶硅薄膜作为敏感元件的新型非致冷红外探测器，它具有悬浮式的非晶硅薄膜结构，而且它是一种自支撑的悬浮结构，也就是说，非晶硅既是红外热成像敏感材料，又是探测单元支撑臂的材料。

为了制作悬空结构，就需要选用合适的牺牲层材料，用作制造图形和悬空结构的牺牲层材料很多，比如PI胶、光刻胶以及氧化镁等，本发明专利选用了PI胶，不仅材料成本低，这主要还是因为PI胶独特的腐蚀性能，在低温处理下，直接用显影液就可以去除，而且它能够满足后续处理温度，它的去除方法也简单，即硬化后可用等离子体反应刻蚀来实现。

在采用等离子体反应刻蚀时要考虑刻蚀气体的选择，主要应考虑该气体反应生成的离子与器件制作过程中的其他材料不发生反应，本发明专利采用SF₆气体来反应刻蚀非晶硅薄膜，采用O₂气体来反应刻蚀PI胶和光刻胶。

由于本发明采用在硅片上镀制一定厚度的PI胶作为制作非晶硅非致冷红外热成像探测器悬空微结构的牺牲层；采用PECVD的方法制作低应力、具有自支撑能力的非晶硅敏感薄膜；采用快速热处理对PI胶的固化和硬化处理；采用等离子体反应刻蚀去除牺牲层PI胶的技术方案，解决了热成像探测器微结构的制作方法中存在的工艺复杂，成本高，所制作的热成像探测器的填充因子低，悬空结构不能自支撑，难于工业上实际应用的问题。采用本发明所制作的探测器的灵敏度高，填充因子高，自支撑悬空结构，牺牲层材料能够满足后续处理工艺温度的需要，而且去除方法简单，与其他结构之间的相容性也好；非晶硅既是红外热成像敏感材料，又是探测单元支撑臂的材料，该方法工艺简单、稳定、重复性好、适用于实际工业生产的需要。

附图说明：

图1为本发明专利的制作非晶硅非致冷焦平面红外热成像探测阵列悬空结构的工艺流程图；

图2为本发明专利的非晶硅非致冷焦平面红外热成像探测阵列悬空结构断面的SEM照片；

图3为本发明专利的采用显微镜拍摄的非晶硅非致冷焦平面红外热成像探测阵列像元的照片。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明专利做详细说明。

实施例1：

参见图1，制作具有自支撑结构的非致冷红外热成像探测器的器件芯片微结构主要是采用在硅片上镀制一定厚度的PI胶作为制作非晶硅非致冷红外热成像探测器悬空微结构的牺牲层；采用PECVD的方法制作低应力、具有自支撑能力的非晶硅敏感薄膜；采用快速热处理对PI胶的固化和硬化处理；采用等离子体反应刻蚀去除牺牲层PI胶，

具体做法的步骤如下：

步骤二、在硅基片上制备PI胶牺牲层，采用甩胶的方法制备，PI胶的厚度为1.7μm；

步骤六、采用PECVD制备低应力、具有自支撑能力的非晶硅敏感薄膜，敏感薄膜的膜厚为180nm；

步骤八、采用等离子体反应刻蚀制作非晶硅薄膜的图形；

概括地说本发明就是采用RCA工艺清洗单面抛光硅片，然后采用甩胶的方法在硅片上制备一定厚度的牺牲层材料—聚酰亚胺(PI胶)薄膜，采用固化的热处理方法处理聚酰亚胺薄膜，采用甩光刻胶、光刻、显影的方法在聚酰亚胺薄膜上形成探测器单元的孔，以备给微结构制作电极支撑腿，再采用硬化的热处理方法处理聚酰亚胺薄膜，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法镀制一定厚度的非晶硅薄膜，采用甩光刻胶、光刻、显影的方法制作出所需微结构的光刻胶图形，采用等离子体反应刻蚀去除图形中暴露的非晶硅薄膜，最后采用等离子体反应刻蚀去除牺牲层材料和剩余的光刻胶，获得悬空结构的非晶硅非致冷焦平面红外热成像探测阵列微结构。采用该方法制作的非晶硅非致冷焦平面红外热成像探测阵列悬空结构性能良好，而且工艺简单、稳定、重复性好、适用于实际工业生产。

实施例2：工艺条件，制作步骤，使用设备均同实施例1，不同之处在于步骤(2)中PI胶的厚度为2.2μm；敏感薄膜的膜厚为300nm。

实施例3：工艺条件，制作步骤，使用设备均同实施例1，不同之处在于步骤(2)中PI胶的厚度为2μm；敏感薄膜的膜厚为200nm。用此方法制作的具有自支撑的非晶硅非致冷焦平面红外热成像探测阵列悬空结构性能良好，而且工艺简单、稳定、重复性好。图2为该方法制作的非晶硅非致冷焦平面红外热成像探测阵列悬空结构断面的SEM照片。以此为基础制备的探测器包括一个间距为45μm、占空因子高于80％的160×120元红外焦平面列阵，其工作波长为8-12μm。这种非制冷微热辐射计红外探测器的热辐射计由一层非常薄(0.2μm)的掺杂非晶硅微桥温度计膜层构成。该结构不带额外的支撑膜层。微桥做在牺牲聚酰亚胺层上。在最后一道工序中，当聚酰亚胺被刻蚀去除后，微桥与读出电路之间便形成一个2μm高的真空腔，这样便可以增强对10μm波长的红外辐射的吸收。具体照片见图2和图3。

实施例4：制作具有自支撑的非晶硅非致冷焦平面红外热成像探测阵列悬空结构的方法，其具体做法是：清洗硅片(1)；采用甩胶的方法制备PI胶(2)；PI胶的固化快速热处理；甩光刻胶(3)；光刻；采用显影方法在聚酰亚胺薄膜上挖探测器单元电极支撑腿的孔(4)；采用丙酮去除剩余的光刻胶(5)；PI胶的硬化快速热处理；采用PECVD方法镀制非晶硅薄膜(6)；甩光刻胶(7)；光刻；采用显影的方法制作所需微结构的光刻胶图形(8)；采用ICP-98A等离子体反应刻蚀机刻蚀出非晶硅薄膜的图形(9)；采用ICP-98A等离子体反应刻蚀机去除牺牲层材料和剩余的光刻胶，获得悬空结构的非晶硅非致冷焦平面红外热成像探测阵列微结构(10、11)。

采用该方法制作的具有自支撑的非晶硅非致冷焦平面红外热成像探测阵列悬空结构性能良好，而且工艺简单、稳定、重复性好、适用于实际工业生产的需要。发明人对按照以上工艺流程获得的具有自支撑的非晶硅非致冷焦平面红外热成像探测阵列悬空结构进行了测试，具体结果如下：

探测阵列像元数：160×120

像元尺寸：45×45μm²

稳定性：经过两个月，阵列未发现损坏；

重复性：经过五次重复工艺流程实验，可以得到相同的探测阵列结构；

悬空高度：1.9μm

由此可见，采用此探测器阵列制作技术，可以获得性能优良的具有自支撑的非晶硅非致冷焦平面红外热成像探测阵列悬空结构。

实施例5：

制作具有自支撑的非晶硅非致冷焦平面红外探测器悬空结构需要考虑的因素很多，比如结构的设计和尺寸、牺牲层材料的选择、刻蚀气体的选择、薄膜镀制工艺参数的选择以及微细加工工艺参数的选择等，这些因素中的任一方面都不容忽视。

具体做法如下：

(1)采用RCA工艺清洗单面抛光硅基片，取出用高纯氮气把硅片吹干，然后放在烘箱里烘干。

(2)在硅基片上制备PI胶牺牲层，采用甩胶的方法制备，PI胶的厚度为2.1μm。

(3)采用快速热处理的方法对PI胶进行固化快速热处理，时间为1个小时，温度为170℃。

(4)制作PI胶过孔的图形，在PI胶上涂光刻胶，然后用光刻机曝光，再用显影液显影并腐蚀PI胶，再用丙酮腐蚀剩余的光刻胶，得到PI胶过孔的图形。

(5)采用快速热处理的方法对PI胶进行硬化快速热处理，温度为250℃，时间为半个小时。

(6)采用PECVD制备低应力、具有自支撑能力的非晶硅敏感薄膜，敏感薄膜的膜厚为220nm。

(7)采用甩胶、曝光、显影的方法制作所需微结构的光刻胶图形。

(8)采用等离子体反应刻蚀制作非晶硅薄膜的图形。

(9)采用等离子体反应刻蚀去除牺牲层材料PI胶和剩余的光刻胶，制作非晶硅热成像探测阵列悬空结构。

本发明专利经过大量的实验研究和理论分析，采用了科学的制备工艺，从而得到了具有自支撑的非晶硅非致冷焦平面红外热成像探测阵列的悬空结构，而且性能良好，工艺简单、稳定、重复性好、适用于实际工业生产的需要。综合起来，本发明专利所提供的非晶硅非致冷焦平面红外热成像探测阵列的悬空结构的制作工艺具有以下优点：

1、采用悬空的膜式结构来改善探测器的热绝缘性能，提高了探测器的灵敏度；

2、选用PI胶作为牺牲层材料，它能够满足后续处理工艺温度的需要，而且它的去除方法简单，与其他结构之间的相容性也好；

3、采用了自支撑设计，即非晶硅既是红外热成像敏感材料，又是探测单元支撑臂的材料，简化了制作工艺；

4、采用PI胶的两步快速热处理方法，即固化和硬化处理，简化了制作过程中工艺的复杂性；

5、在非晶硅非致冷焦平面红外热成像探测阵列的悬空结构的制作中，充分考虑结构和尺寸设计、工艺流程的设计及其可行性分析。

采用PI胶的两步快速热处理方法，即固化和硬化处理，简化了制作过程中工艺的复杂性；

Claims

1.一种具有自支撑的非晶硅热成像探测器微结构的制作方法其特征在于：具有自支撑结构的非致冷红外热成像探测器的器件芯片微结构采用在硅片上镀制一定厚度的PI胶作为制作非晶硅非致冷红外热成像探测器悬空微结构的牺牲层；采用PECVD的方法制作低应力、具有自支撑能力的非晶硅敏感薄膜；采用快速热处理对PI胶的固化和硬化处理；采用等离子体反应刻蚀去除牺牲层PI胶，

具体做法的步骤如下：

步骤八、采用等离子体反应刻蚀制作非晶硅薄膜的图形；

2、根据权利要求1所述的制作技术，其特征在于步骤二中PI胶的厚度为2μm。

3、根据权利要求1所述的制作技术，其特征在于步骤六中的非晶硅敏感薄膜的厚度为200nm。