專利名稱：一種基于雙材料效應(yīng)的微機械紅外探測器陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新的基于雙材料效應(yīng)的微機械紅外探測器陣列的制作方法，屬于微電子機械系統(tǒng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
紅外成像器件按照工作原理可分為量子型與熱型兩大類，微機械紅外探測器屬于后者。根據(jù)在吸收紅外輻射時紅外敏感部分是否移動，微機械紅外探測器又可分為兩大類一類是紅外敏感部分不移動，以微測輻射熱計(Microbolometer)為代表(R.A.Wood.Uncooledthermal imaging with monolithic silicon focal planes.Proceedings of SPIE Vol.2020，San Diego，CA，USA，July，1993322~329.)，利用某些材料(如VO2、硅薄膜和金屬鈦等)的電阻率隨溫度而變化的特性探測紅外輻射，目前已經(jīng)商業(yè)化；另一類是基于雙材料效應(yīng)，紅外敏感部分可移動。一般而言，該類紅外探測器的紅外敏感部分由雙材料梁支撐，當(dāng)有紅外輻射時，紅外敏感部分溫度升高，導(dǎo)致雙材料梁發(fā)生彎曲，從而帶動紅外敏感部分發(fā)生位移。
基于雙材料效應(yīng)的微機械紅外探測器雖還處于研究階段，但已有多個研究小組報告了他們的研究成果。Sarcon微系統(tǒng)公司研發(fā)了一種電容讀出方式的非致冷紅外成像器件，等效噪聲溫差(NETD)可達5mK(R.Amantea，C.M.Knoedler，F(xiàn).P.Pantuso，et al.An UncooledIR imager with 5mK NETD.Proceedings of SPIE Vol.3061，Orlando，April，1997210~222.)；P.L.Oden等人提出了一種壓阻讀出方式的非致冷紅外成像器件，并獲得了初步的成像結(jié)果(P.L.Oden，P.G.Datskos，T.thundat，et al.Uncooled thermal imagingusing a piezoresistive microcantilever.Appl.Phys.Lett.，1996(69)3277~3279.)；加州大學(xué)伯克利分校的Majumder等人提出了一種基于光柵衍射讀出方式的微機械紅外焦平面陣列(M.Mao，T.Perazzo，O.Kwon，and A.Majundar.Direct-view uncooledmicro-optomechanical infrared camer.Proceeding of MEMS’99，1999104~109.)；中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所(原中科院上海冶金研究所)張流強、馮飛等人分別提出了基于邁克爾遜干涉讀出、法布里-珀羅多光束干涉讀出的熱成像器件的設(shè)想(Liuqiang Zhang，Gengqing Yang.Design and FEM simulationAll-light-processing infrared imagetransduce.SPIE Vol.3878，1999293~301.Feng Fei，Jiao Jiwei，Xiong Bin and WangYuelin.A Novel All-Light Optically Readable Thermal Imaging Sensor Based on MEMSTechnology.The second IEEE international conference on sensors.Toronto，Canada.October 22-24，2003513~516.)。
以上基于雙材料效應(yīng)的微機械紅外探測器雖然紅外信號讀出方式不盡相同，但其基本像素結(jié)構(gòu)一般應(yīng)包括紅外敏感部分、雙材料梁部分和錨三部分，如圖1和圖2所示。雙材料梁部分一端與紅外敏感部分(通常也是紅外信號讀出部分)相連，另一端與錨相連，整個像素通過錨固定在基底材料上。在這里沒有專門指出紅外信號讀出部分，這是因為讀出方式不一樣紅外信號讀出部分所在區(qū)域有所不同。紅外敏感部分至少應(yīng)包含紅外吸收材料(如SiO2、SiNx及SiC等)，雙材料梁部分由熱膨脹系數(shù)相差很大的兩種材料構(gòu)成，通常由金屬材料(如Au、Al等)和非金屬材料(如SiO2、SiNx及SiC等)構(gòu)成，為了方便說明，在本發(fā)明下面的敘述中，紅外吸收材料以SiNx為例，雙材料梁以Al/SiNx為例。其工作原理在于在有紅外輻射時，紅外敏感部分溫度升高，在雙材料梁的兩端產(chǎn)生溫度梯度，雙材料梁發(fā)生彎曲，引起紅外讀出信號的變化。要注意的是，在有紅外輻射時，在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，紅外敏感部分發(fā)生扭轉(zhuǎn)，在圖2所示的結(jié)構(gòu)中，由于雙材料梁的對稱分布，紅外敏感部分沿其法向方向運動。
基于雙材料效應(yīng)的微機械紅外探測器像素的制作一般有兩種一是采用表面犧牲層工藝，如采用磷硅玻璃(PSG)作為犧牲層，該方法的優(yōu)點在于與集成電路(IC)工藝相兼容，其缺點在于需要濕法腐蝕釋放像素，釋放過程可能會發(fā)生粘附現(xiàn)象破壞像素；二是采用體微機械技術(shù)，通常采用深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)技術(shù)釋放像素，其優(yōu)點在于采用干法釋放，無粘附現(xiàn)象發(fā)生，但其價格昂貴。
針對上述問題，本申請的發(fā)明人提出了一種新的基于雙材料效應(yīng)的微機械紅外探測器陣列的制作方法，同時滿足與IC工藝相兼容、干法釋放和價格較低等條件，以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的這方面的不是。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出了一種新的基于雙材料效應(yīng)的微機械紅外探測器陣列的制作方法，一方面采用干法釋放，避免濕法釋放過程對像素結(jié)構(gòu)的破壞；另一方面，降低制作成本且與IC工藝相兼容。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的基于二氟化氙(XeF2)氣體腐蝕時所具有的材料選擇性，采用硅作為犧牲層，采用SiO2、SiNx、SiC、Au、Al及Cr等XeF2氣體幾乎不腐蝕的材料來制作像素，最后采用XeF2氣體腐蝕硅犧牲層釋放像素。
上述目的可以通過以下工藝制作實現(xiàn)以硅為襯底，首先在硅襯底上采用深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)或四甲基氫氧化銨(TMAH)或KOH各向異性腐蝕技術(shù)刻蝕/腐蝕出一個較深的凹坑，通過在凹坑內(nèi)淀積XeF2氣體幾乎不腐蝕的材料，形成所需的錨；或者在硅襯底上采用深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)或TMAH各向異性腐蝕技術(shù)在要保護的錨的周圍刻蝕/腐蝕出一個深槽，然后在深槽內(nèi)淀積XeF2氣體幾乎不腐蝕的材料，將錨保護起來；隨后在制作好錨的硅襯底上制作像素結(jié)構(gòu)；最后采用XeF2氣體腐蝕硅釋放像素結(jié)構(gòu)。
基于雙材料效應(yīng)的微機械紅外探測器陣列的像素結(jié)構(gòu)有很多種，其基本結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示可分為兩類一種是在接受紅外輻射時發(fā)生扭轉(zhuǎn)，另一種是在接受紅外輻射時發(fā)生沿像素法向方向的平動。這兩類基本結(jié)構(gòu)制作方法基本相同。
一種工藝步驟是對硅片進行熱氧化，氧化溫度為900-1100℃，光刻并圖形化，去膠，形成錨區(qū)腐蝕窗口；采用四甲基氫氧化銨(TMAH)或KOH腐蝕液或采用其它方法腐蝕硅，形成一個凹坑，腐蝕深度范圍從幾個微米至幾百微米，具體值可根據(jù)紅外敏感部分面積的大小以及XeF2氣體腐蝕硅的速率來選擇，隨后去掉二氧化硅掩膜；淀積低應(yīng)力SiNx、Al薄膜，光刻并圖形化，腐蝕/刻蝕SiNx、Al薄膜，形成雙材料梁區(qū)和紅外敏感區(qū)，得到所需要的像素圖形；最后采用XeF2氣體腐蝕硅從而釋放微結(jié)構(gòu)。
另一種工藝步驟是首先在硅襯底上涂光刻膠，光刻并圖形化，形成如圖所示的刻蝕窗口；采用深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)或其它技術(shù)刻蝕/腐蝕出一個較窄的環(huán)繞錨的深槽，刻蝕的最大深度由刻蝕寬度和設(shè)備的刻蝕深寬比決定，從幾個微米至幾百微米，具體深度可根據(jù)微結(jié)構(gòu)層面積的大小以及XeF2氣體腐蝕硅的速率來選擇；隨后采用熱氧化的方法填充深槽，填充方法不限于熱氧化，填充材料不限于氧化硅，只要能達到保護錨的作用即可；采用反應(yīng)離子刻蝕工藝去掉硅表面的氧化硅；淀積低應(yīng)力SiNx、Al薄膜，光刻并圖形化，腐蝕/刻蝕SiNx、Al薄膜，得到所需的像素圖形；最后采用XeF2氣體腐蝕硅從而釋放微結(jié)構(gòu)。
所述的錨、雙材料梁區(qū)和紅外敏感區(qū)的材料可以相同，也可以不同。所使用的材料為SiO2、SiNx、SiC、Au、Al或Cr等不為XeF2氣體腐蝕的材料。
本發(fā)明具有以下積極效果和優(yōu)點一方面采用干法釋放，避免濕法釋放過程對像素結(jié)構(gòu)的破壞；另一方面，降低了制作成本且與IC工藝相兼容。


圖1基于雙材料效應(yīng)的微機械紅外探測器陣列的扭轉(zhuǎn)式像素。
圖2基于雙材料效應(yīng)的微機械紅外探測器陣列的平動式像素。
圖3是實施例1的工藝流程圖。a氧化并圖形化；b腐蝕硅(腐蝕深度可根據(jù)紅外敏感部分2面積的大小以及XeF2氣體腐蝕硅的速率來選擇)；c淀積低應(yīng)力SiNx和金屬Al并圖形化，形成所需的像素結(jié)構(gòu)；d XeF2氣體腐蝕硅釋放微結(jié)構(gòu)。
圖4是實施例2的工藝流程圖。a涂光刻膠，并圖形化，形成如圖所示的刻蝕窗口(刻蝕窗口寬度一般在0.1-4μm)；b采用深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)或其它技術(shù)刻蝕硅(刻蝕深度可根據(jù)紅外敏感部分2面積的大小以及XeF2氣體腐蝕硅的速率來選擇)；c采用熱氧化的方法或采用其它工藝填充深槽；d采用反應(yīng)離子刻蝕工藝去掉硅表面的氧化硅；e淀積低應(yīng)力SiNx和金屬Al并圖形化，形成所需的像素結(jié)構(gòu)；f XeF2氣體腐蝕硅釋放微結(jié)構(gòu)。
圖中1-雙材料支撐梁部分2-紅外敏感部分3-錨 4-硅襯底5-氧化硅薄膜 6-氮化硅薄膜7-Al薄膜 8-光刻膠9-凹坑10-深槽具體實施方式
實施例1本實施例是實現(xiàn)如圖1所示的像素結(jié)構(gòu)的一種工藝流程，為了方便說明，構(gòu)成錨3、雙材料梁區(qū)1和紅外敏感區(qū)2的材料相同，但也可不同。下面結(jié)合圖3詳細闡述本實施例的工藝流程，對本發(fā)明作進一步說明。
圖3所示的具體工藝步驟如下(1)對硅片進行熱氧化，氧化溫度為900-1100℃，光刻并圖形化，去膠，形成腐蝕窗口，如圖3a所示；(2)采用四甲基氫氧化銨(TMAH)腐蝕液或采用其它方法腐蝕硅，形成如圖3b所示的凹坑9，腐蝕深度范圍從幾個微米至幾百微米，具體值可根據(jù)紅外敏感部分2面積的大小以及XeF2氣體腐蝕硅的速率來選擇，隨后去掉二氧化硅掩膜，如圖3b所示；(3)淀積低應(yīng)力SiNx、Al薄膜，光刻并圖形化，腐蝕/刻蝕SiNx、Al薄膜，形成雙材料梁區(qū)1和紅外敏感區(qū)2，得到所需的像素圖形，如圖3c所示；(4)XeF2氣體腐蝕硅釋放微結(jié)構(gòu)，如圖3d所示。
實施例2本實施例是實現(xiàn)如圖2所示的像素結(jié)構(gòu)的另外一種工藝流程，為了方便說明，構(gòu)成錨3、雙材料梁區(qū)1和紅外敏感區(qū)2的材料相同，但也可不同。下面結(jié)合圖4詳細闡述本實施例的工藝流程，對本發(fā)明作進一步說明。
圖4所示的具體工藝步驟如下(1)首先在硅襯底上涂光刻膠，并圖形化，形成如圖所示的刻蝕窗口(刻蝕窗口寬度一般在0.1-4μm)，如圖4a所示；(2)采用深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)或其它技術(shù)刻蝕/腐蝕出一個較窄的環(huán)繞錨的深槽10，如圖4b所示，刻蝕的最大深度由刻蝕寬度和設(shè)備的刻蝕深寬比決定，從幾個微米至幾百微米，具體深度可根據(jù)微結(jié)構(gòu)層2面積的大小以及XeF2氣體腐蝕硅的速率來選擇；(3)采用熱氧化的方法填充深槽，填充方法不限于熱氧化，填充材料不限于氧化硅，只要能達到保護錨的作用即可，如圖4c所示；(4)采用反應(yīng)離子刻蝕工藝去掉硅表面的氧化硅，如圖4d所示；(5)淀積低應(yīng)力SiNx、Al薄膜，光刻并圖形化，腐蝕/刻蝕SiNx、Al薄膜，形成雙材料梁區(qū)和紅外敏感區(qū)得到所需的像素圖形，如圖4e所示；(6)XeF2氣體腐蝕硅釋放微結(jié)構(gòu)，如圖4f所示。
權(quán)利要求
1.一種基于雙材料效應(yīng)的微機械紅外探測器陳列的制作方法，其特征在于以硅為襯底，首先在硅襯底上采用深反應(yīng)離子刻蝕或四甲基氫氧化銨或KOH各向異性腐蝕技術(shù)刻蝕或腐蝕出一個較深的凹坑，通過在凹坑內(nèi)淀積XeF2氣體不腐蝕的材料，形成所需的錨；或者在硅襯底上采用深反應(yīng)離子刻蝕或四甲基氫氧化鈉或KOH各向異性腐蝕技術(shù)在要保護的錨的周圍刻蝕/腐蝕出一個深槽，然后在深槽內(nèi)淀積XeF2氣體幾乎不腐蝕的材料，將錨保護起來；隨后在制作好錨的硅襯底上制作像素結(jié)構(gòu)；最后采用XeF2氣體腐蝕硅釋放像素結(jié)構(gòu)；所述的像素結(jié)構(gòu)分為在接受紅外輻射時發(fā)生扭轉(zhuǎn)和在接受紅外輻射時發(fā)生沿像素法向方向平動兩種。
2.按權(quán)利要求1所述的基于雙材料效應(yīng)的微機械紅外探測器陳列的制作方法，其特征在于在接受紅外輻射時發(fā)生扭轉(zhuǎn)的像素結(jié)構(gòu)，其制作工藝步驟是①首先對硅片進行熱氧化，氧化溫度為900-1100℃，光刻并圖形化，去膠，形成腐蝕窗口；②采用四甲基氫氧化銨或KOH腐蝕液或采用其它方法腐蝕硅，形成凹坑，腐蝕深度范圍從幾個微米至幾百微米，具體值應(yīng)根據(jù)紅外敏感部分面積的大小以及XeF2氣體腐蝕硅的速率來選擇，隨后去掉二氧化硅掩膜；③淀積低應(yīng)力SiNx、Al薄膜，光刻并圖形化，腐蝕或刻蝕SiNx、Al薄膜，形成雙材料梁區(qū)和紅外敏感區(qū)，得到所需的像素圖形；④XeF2氣體腐蝕硅釋放微結(jié)構(gòu)。
3.按權(quán)利要求1所述的基于雙材料效應(yīng)的微機械紅外探測器陳列的制作方法，其特征在于所述的錨、雙材料梁區(qū)和紅外敏感區(qū)的材料相同或不相同。
4.按權(quán)利要求1所述的基于雙材料效應(yīng)的微機械紅外探測器陳列的制作方法，其特征在于所述的錨、雙材料梁區(qū)和紅外敏感區(qū)的材料為SiO2、SiNx、SiC、Au、Al或Cr中一種不為XeF2氣體腐蝕的材料。
5.按權(quán)利要求1所述的基于雙材料效應(yīng)的微機械紅外探測器陳列的方法，其特征在于接受紅外輻射時發(fā)生沿像素法線方向平動的像素結(jié)構(gòu)，其制作的工藝步驟是①首先在硅襯底上涂光刻膠，并圖形化，形成刻蝕窗口；②采用深反應(yīng)離子刻蝕或其它技術(shù)刻蝕或腐蝕出一個較窄的環(huán)繞錨的深槽，刻蝕的最大深度由刻蝕寬度和設(shè)備的刻蝕深寬比決定，從幾個微米至幾百微米，具體深度應(yīng)根據(jù)微結(jié)構(gòu)層面積的大小以及XeF2氣體腐蝕硅的速率來選擇；③采用熱氧化的方法填充深槽，填充方法不限于熱氧化，填充材料不限于氧化硅，只要能達到保護錨的作用；④采用反應(yīng)離子刻蝕工藝去掉硅表面的氧化硅；⑤淀積低應(yīng)力SiNx、Al薄膜，光刻并圖形化，腐蝕或刻蝕SiNx、Al薄膜，形成雙材料梁區(qū)和紅外敏感區(qū)得到所需的像素圖形；⑥XeF2氣體腐蝕硅釋放微結(jié)構(gòu)。
6.按權(quán)利要求1所述的基于雙材料效應(yīng)的微機械紅外探測器陳列的方法，其特征在于在步驟①中所形成的刻蝕窗口寬度為0.1～4μm。
7.按權(quán)利要求5所述的基于雙材料效應(yīng)的微機械紅外探測器陳列的制作方法，其特征在于所述的錨、雙材料梁區(qū)和紅外敏感區(qū)的材料相同或不相同。
8.按權(quán)利要求5所述的基于雙材料效應(yīng)的微機械紅外探測器陳列的制作方法，其特征在于所述的錨、雙材料梁區(qū)和紅外敏感區(qū)的材料為SiO2、SiNx、SiC、Au、Al或Cr中一種不為XeF2氣體腐蝕的材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新的基于雙材料效應(yīng)的微機械紅外探測器陣列的制作方法，其特征在于采用硅作為犧牲層，采用SiO
文檔編號G01J5/12GK1819291SQ200510112299
公開日2006年8月16日 申請日期2005年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月29日
發(fā)明者馮飛, 熊斌, 楊廣立, 王躍林 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所