用于提高非制冷红外焦平面阵列器件性能的制作方法
技术领域
本发明属于微电子技术中的微机电系统(MEMS)设计和微细加工技术领域,即提高非制冷红外焦平面阵列器件热力学性能的结构改进设计和用于消除全镂空式非制冷红外焦平面阵列器件热串扰的改进工艺,特别是指用于提高非制冷红外焦平面阵列器件性能的制作方法。
背景技术
微机电系统(MEMS)器件制造中,一些热力学传感器的结构设计和采用的工艺方案会影响其诸多性能,如温度灵敏度、热响应灵敏度、热响应频率、空间分辨率、像素等,这些性能是相互制约的矛盾体,不能朝着一个方向进行优化,必须根据实际的需求进行折中。但往往有了高性能的结构设计和工艺方案,同时却提高了成本,所以又要在这两者中折中,取得一个平衡点。原有的基于低应力氮化硅薄膜非制冷红外焦平面阵列器件,其工艺采用体硅腐蚀形成全镂空的阵列,单元之间的框架全部镀金,存在热串扰现象而导致热响应频率低;其结构设计采用回折腿宽度均匀的间隔镀金的悬臂梁结构,存在回折腿强度不够而导致回折腿相互间的扭曲、造成非制冷红外焦平面阵列反光板的变形,所以其热响应频率和回折腿强度均不能很好地满足实际需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于提高非制冷红外焦平面阵列器件性能的改进方法,包括提高非制冷红外焦平面阵列器件热力学性能的结构改进设计和用于消除全镂空式非制冷红外焦平面阵列器件热串扰的改进工艺。其改进的结构设计在原有的结构基础上通过回折腿尺寸和折数的优化来增强回折腿的强度,避免扭曲变形,同时能带来减小像素面积,提高空间分辨率的好处;其改进工艺,在原有的一次腐蚀体硅和硅梁全部镀金的方法基础上利用二次腐蚀体硅,形成单元镂空式非制冷红外焦平面阵列及在采用阵列边缘选择性镀金的隔离补偿方式,来有效消除热串扰现象。
为达到上述目的,本发明的技术解决方案是:
本发明一种用于提高非制冷红外焦平面阵列器件性能的制作方法,利用二次腐蚀背硅形成单元镂空式非制冷红外焦平面阵列器件,每个单元之间由硅梁进行热隔离,其特征在于,步骤如下:
步骤1、在双抛光<100>硅基片双表面淀积上氮化硅薄膜和下氮化硅薄;
步骤2、在下氮化硅薄膜上光刻、刻蚀,形成背面阵列腐蚀窗口图形;
步骤3、腐蚀减薄硅基片,形成倒梯形缺口;
步骤4、清洗处理表面,在背面的倒梯形缺口和下氮化硅薄膜的表面上淀积氮化硅薄膜;
步骤5、在氮化硅薄膜上光刻、刻蚀,形成背面单元腐蚀窗口图形;
步骤6、在上氮化硅薄膜上光刻,刻蚀,形成非制冷红焦平面阵列图形;
步骤7、在非制冷红焦平面阵列图形上光刻,蒸金薄膜,剥离,形成间隔镀金图形;
步骤8、腐蚀硅基片,形成单元镂空式非制冷红外焦平面阵列器件。
其中所述步骤1,在双抛光<100>硅基片双表面上淀积的上氮化硅薄膜和下氮化硅薄膜,氮化硅薄膜厚度为1.0-1.5μm,是采用低压化学气相沉积方法获得的。
其中所述步骤2,在下氮化硅薄膜上光学光刻,用六氟化硫气体、以110-130sccm的流量和40-60w的功率各向同性刻蚀氮化硅薄膜,直到刻到硅基片,形成2cm×2cm的背面阵列腐蚀窗口图形。
其中所述步骤3,在30-40%氢氧化钾溶液里、80-85℃度下各向异性腐蚀硅基片,腐蚀厚度为493-518μm。
其中所述步骤4,将器件放入浓硫酸高温煮,然后用大量去离子水清洗表面,在背面的倒梯形缺口和下氮化硅薄膜的表面上再淀积氮化硅薄膜103,氮化硅薄膜厚度为0.08-1.0μm,是采用低压化学气相沉积方法获得的。
其中所述步骤5,在氮化硅薄膜上光学光刻,用六氟化硫气体、以110-130sccm的流量和40-60w的功率各向同性刻蚀氮化硅薄膜,直到刻到硅基片,形成200μm×200μm的背面单元腐蚀窗口图形。
其中所述步骤6,在上氮化硅薄膜上光学光刻,用六氟化硫气体、以110-130sccm的流量和40-60w的功率各向同性刻蚀氮化硅薄膜,直到刻到硅基片,形成非制冷红外焦平面阵列图形。
其中所述步骤7,在非制冷红外焦平面阵列图形上光学光刻,表面电子束蒸发金薄膜,金薄膜厚度为0.18-0.2μm,用丙酮剥离,形成宽分别为1.5μm和2μm的间隔镀金图形。
其中所述步骤8,在30-40%氢氧化钾溶液里、80-85℃温度下各向异性腐蚀硅基片,直到腐蚀到上氮化硅为止,形成单元镂空式非制冷红外焦平面阵列器件,单元上的硅梁最宽处为10μm。
本发明一种用于提高非制冷红外焦平面阵列器件性能的结构,其特征在于,其中每个单元包括:
一硅基片;
一氮化硅薄膜图形,该氮化硅薄膜图形为镂空悬臂梁图形,该氮化硅薄膜图形制作在硅基片上;
一金薄膜图形,该金薄膜图形为条状图形,该金薄膜图形选择性地制作在氮化硅薄膜图形上。
其中每个单元氮化硅镂空悬臂梁图形包括反光板、两回折腿、框架,框架为直角形,位于单元边缘,两回折腿与框架的一直角边连接,反光板位于两回折腿之间,与两回折腿相连。
其中位于器件阵列中间部分的每个单元中的金薄膜图形选择性地制作在氮化硅薄膜图形上,是指金薄膜图形制作在反光板、框架上,间隔制作在两回折腿上。
其中两回折腿为均匀等宽或不等宽条状图形;其中等宽的回折腿中,不镀金的腿宽2μm,镀金的腿宽2μm,其回折腿的折数为4折;或不镀金的腿宽2μm,镀金的腿宽3μm,其回折腿的折数为6折;其中不等宽的回折腿中,镀金腿宽1μm/2μm与不镀金腿宽2μm/3μm组合、或镀金腿宽1.5μm/2μm与不镀金腿宽2μm/2.5μm组合,其回折腿的折数为8折。
本发明改进方法与原有的方法相比,能提高非制冷红外焦平面阵列器件的热响应频率、结构强度、空间分辨率,同时能保证较高的温度灵敏度、热响应灵敏度等性能。本方法设计方案具有多样性,加工工艺简单,成本低,生产周期短、工艺稳定等特点,可以获得高性能下的非制冷红外焦平面阵列器件,适合用于大生产,具有一定的实用价值。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容,以下结合实施例及附图详细说明如后,其中:
图1-1至图1-8为本发明用于提高非制冷红外焦平面阵列器件性能的制作方法的流程示意图。
图2-1至图2-2为本发明用于提高非制冷红外焦平面阵列器件性能的结构设计中每一单元的结构示意图。
图3-1至图3-2为本发明用于提高非制冷红外焦平面阵列器件性能中的热响应频率及消除热串扰的阵列的示意图。
具体实施方式
图1-1至图1-8是本发明用于提高非制冷红外焦平面阵列器件性能的制作方法的流程示意图:
1、如图1-1所示,在双抛光<100>硅基片100双表面上用低压化学气相沉积(LPCVD)方法淀积上氮化硅薄膜101、下氮化硅薄膜102,其厚度均为1.0-1.5μm。
2、如图1-2所示,用六氟化硫气体、以110-130sccm的流量和40-60w的功率各向同性刻蚀下氮化硅薄膜102,形成2cm×2cm的背面阵列腐蚀窗口104图形。
3、如图1-3所示,在30-40%氢氧化钾溶液里、80-85℃温度下各向异性腐蚀背硅形成倒梯形缺口105,腐蚀厚度为493-518μm。
4、如图1-4所示,在背面的倒梯形缺口105和下氮化硅薄膜102的表面用低压化学气相沉积(LPCVD)方法淀积氮化硅薄膜103,厚度为0.08-1.0μm。
5、如图1-5所示,用六氟化硫气体、以110-130sccm的流量和40-60w的功率各向同性刻蚀氮化硅薄膜103,直到刻到硅基片100,形成200μm×200μm的背面单元腐蚀窗口106图形。
6、如图1-6所示,用六氟化硫气体、以110-130sccm的流量和40-60w的功率各向同性刻蚀上氮化硅薄膜101,直到刻到硅基片100,形成非制冷红外焦平面阵列器件图形。
7、如图1-7所示,在非制冷红外焦平面阵列器件图形表面电子束蒸发金薄膜107,厚度为0.18-0.2μm,用丙酮剥离,形成宽分别为1.5μm和2μm的间隔镀金图形。
8、如图1-8所示,在30-40%氢氧化钾溶液里、80-85℃温度下各向异性腐蚀硅基片100,直到腐蚀到上氮化硅101为止,形成单元镂空式非制冷红外焦平面阵列器件,单元上的硅梁最宽处为10μm。
图2-1至图2-2为本发明用于提高非制冷红外焦平面阵列器件性能的结构设计中每一单元的结构示意图。
本发明一种用于提高非制冷红外焦平面阵列器件性能的结构,其中每个单元包括:
一硅基片;
一氮化硅薄膜101图形,该氮化硅薄膜101图形为镂空悬臂梁图形,该氮化硅薄膜101图形制作在硅基片上;其中氮化硅镂空悬臂梁图形包括反光板108、两回折腿109、框架110,框架110为直角形,位于单元边缘,两回折腿109与框架110的一直角边连接,反光板108位于两回折腿109之间,与两回折腿109相连;其中两回折腿109为均匀等宽或不等宽条状图形:等宽的回折腿109中,不镀金的腿宽2μm,镀金的腿宽2μm,其回折腿109的折数为4折,或不镀金的腿宽2μm,镀金的腿宽3μm,其回折腿109的折数为6折;不等宽的回折腿109中,镀金腿宽1μm/2μm与不镀金腿宽2μm/3μm组合、或镀金腿宽1.5μm/2μm与不镀金腿宽2μm/2.5μm组合,其回折腿109的折数为8折;
一金薄膜107图形,该金薄膜107图形为条状图形,该金薄膜107图形选择性地制作在氮化硅薄膜101图形上;其中位于器件阵列中间部分的每个单元中的金薄膜107图形选择性地制作在氮化硅薄膜101图形上,是指金薄膜107图形制作在反光板108、框架110上,间隔制作在两回折腿109上。
其中每一单元尺寸为200μm×200μm,框架110宽10μm,所有间隙均为2μm。反光板108上全部镀金,回折腿109采用间隔镀金,尺寸的设计分为两种:图2-1中,不镀金的腿宽d2=2μm与镀金的腿宽d1=2μm,其回折腿109的折数为n=4折,或不镀金的腿宽d2=2μm与镀金的腿宽d1=3μm,其回折腿109的折数为n=6折;图2-2中不镀金与镀金的回折腿109均采用在一条腿上细宽变换,拐角处宽其他地方细,这样能增强回折腿109的强度,有效避免扭曲变形,同时能减小像素面积,提高空间分辨率,这种设计有镀金腿宽1μm/2μm与不镀金腿宽2μm/3μm组合、镀金腿宽1.5μm/2μm与不镀金腿宽2μm/2.5μm组合,其回折腿109的折数为n=8折。
图3-1至图3-2为本发明提高非制冷红外焦平面阵列器件的热响应频率及消除热串扰的阵列设计示意图。
图3-1为基本隔离补偿阵列,由5×5个单元组成。阴影部分为温升最高(或先感应到热)的单元,标号为1、2、3的单元为时间上依次感应到传热的单元,标号1×1的单元为级联感应到1号阵列传热的单元。为了阻断这些带来热串扰的传热途径,采用在框架的粗线部分不镀金(仅仅是氮化硅)、其他部分镀金。图3-2为整个100×100阵列,其中10×10阵列为一个方格,阴影部分为主要成像区,由约5200个单元组成,这部分单元与单元之间的框架全部镀金。剩下的白色方格部分其框架为需要采用选择性镀金进行隔离补偿的部分,以图3-1的基本隔离补偿阵列为一个周期进行拓补,每一个方格(10×10阵列)包括四个基本隔离补偿阵列(5×5阵列)。