專利名稱：用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)中的微機電系統(tǒng)(MEMS)設(shè)計和微細(xì)加工技術(shù)領(lǐng)域，即提高非制冷紅外焦平面陣列器件熱力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計和用于消除全鏤空式非制冷紅外焦平面陣列器件熱串?dāng)_的改進(jìn)工藝，特別是指用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的制作方法。
背景技術(shù)：
微機電系統(tǒng)(MEMS)器件制造中，一些熱力學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和采用的工藝方案會影響其諸多性能，如溫度靈敏度、熱響應(yīng)靈敏度、熱響應(yīng)頻率、空間分辨率、像素等，這些性能是相互制約的矛盾體，不能朝著一個方向進(jìn)行優(yōu)化，必須根據(jù)實際的需求進(jìn)行折中。但往往有了高性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝方案，同時卻提高了成本，所以又要在這兩者中折中，取得一個平衡點。原有的基于低應(yīng)力氮化硅薄膜非制冷紅外焦平面陣列器件，其工藝采用體硅腐蝕形成全鏤空的陣列，單元之間的框架全部鍍金，存在熱串?dāng)_現(xiàn)象而導(dǎo)致熱響應(yīng)頻率低；其結(jié)構(gòu)設(shè)計采用回折腿寬度均勻的間隔鍍金的懸臂梁結(jié)構(gòu)，存在回折腿強度不夠而導(dǎo)致回折腿相互間的扭曲、造成非制冷紅外焦平面陣列反光板的變形，所以其熱響應(yīng)頻率和回折腿強度均不能很好地滿足實際需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的改進(jìn)方法，包括提高非制冷紅外焦平面陣列器件熱力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計和用于消除全鏤空式非制冷紅外焦平面陣列器件熱串?dāng)_的改進(jìn)工藝。其改進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計在原有的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上通過回折腿尺寸和折數(shù)的優(yōu)化來增強回折腿的強度，避免扭曲變形，同時能帶來減小像素面積，提高空間分辨率的好處；其改進(jìn)工藝，在原有的一次腐蝕體硅和硅梁全部鍍金的方法基礎(chǔ)上利用二次腐蝕體硅，形成單元鏤空式非制冷紅外焦平面陣列及在采用陣列邊緣選擇性鍍金的隔離補償方式，來有效消除熱串?dāng)_現(xiàn)象。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是本發(fā)明一種用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的制作方法，利用二次腐蝕背硅形成單元鏤空式非制冷紅外焦平面陣列器件，每個單元之間由硅梁進(jìn)行熱隔離，其特征在于，步驟如下步驟1、在雙拋光<100>硅基片雙表面淀積上氮化硅薄膜和下氮化硅??；步驟2、在下氮化硅薄膜上光刻、刻蝕，形成背面陣列腐蝕窗口圖形；步驟3、腐蝕減薄硅基片，形成倒梯形缺口；步驟4、清洗處理表面，在背面的倒梯形缺口和下氮化硅薄膜的表面上淀積氮化硅薄膜；步驟5、在氮化硅薄膜上光刻、刻蝕，形成背面單元腐蝕窗口圖形；步驟6、在上氮化硅薄膜上光刻，刻蝕，形成非制冷紅焦平面陣列圖形；步驟7、在非制冷紅焦平面陣列圖形上光刻，蒸金薄膜，剝離，形成間隔鍍金圖形；步驟8、腐蝕硅基片，形成單元鏤空式非制冷紅外焦平面陣列器件。
其中所述步驟1，在雙拋光<100>硅基片雙表面上淀積的上氮化硅薄膜和下氮化硅薄膜，氮化硅薄膜厚度為1.0-1.5μm，是采用低壓化學(xué)氣相沉積方法獲得的。
其中所述步驟2，在下氮化硅薄膜上光學(xué)光刻，用六氟化硫氣體、以110-130sccm的流量和40-60w的功率各向同性刻蝕氮化硅薄膜，直到刻到硅基片，形成2cm×2cm的背面陣列腐蝕窗口圖形。
其中所述步驟3，在30-40％氫氧化鉀溶液里、80-85℃度下各向異性腐蝕硅基片，腐蝕厚度為493-518μm。
其中所述步驟4，將器件放入濃硫酸高溫煮，然后用大量去離子水清洗表面，在背面的倒梯形缺口和下氮化硅薄膜的表面上再淀積氮化硅薄膜103，氮化硅薄膜厚度為0.08-1.0μm，是采用低壓化學(xué)氣相沉積方法獲得的。
其中所述步驟5，在氮化硅薄膜上光學(xué)光刻，用六氟化硫氣體、以110-130sccm的流量和40-60w的功率各向同性刻蝕氮化硅薄膜，直到刻到硅基片，形成200μm×200μm的背面單元腐蝕窗口圖形。
其中所述步驟6，在上氮化硅薄膜上光學(xué)光刻，用六氟化硫氣體、以110-130sccm的流量和40-60w的功率各向同性刻蝕氮化硅薄膜，直到刻到硅基片，形成非制冷紅外焦平面陣列圖形。
其中所述步驟7，在非制冷紅外焦平面陣列圖形上光學(xué)光刻，表面電子束蒸發(fā)金薄膜，金薄膜厚度為0.18-0.2μm，用丙酮剝離，形成寬分別為1.5μm和2μm的間隔鍍金圖形。
其中所述步驟8，在30-40％氫氧化鉀溶液里、80-85℃溫度下各向異性腐蝕硅基片，直到腐蝕到上氮化硅為止，形成單元鏤空式非制冷紅外焦平面陣列器件，單元上的硅梁最寬處為10μm。
本發(fā)明一種用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中每個單元包括一硅基片；一氮化硅薄膜圖形，該氮化硅薄膜圖形為鏤空懸臂梁圖形，該氮化硅薄膜圖形制作在硅基片上；一金薄膜圖形，該金薄膜圖形為條狀圖形，該金薄膜圖形選擇性地制作在氮化硅薄膜圖形上。
其中每個單元氮化硅鏤空懸臂梁圖形包括反光板、兩回折腿、框架，框架為直角形，位于單元邊緣，兩回折腿與框架的一直角邊連接，反光板位于兩回折腿之間，與兩回折腿相連。
其中位于器件陣列中間部分的每個單元中的金薄膜圖形選擇性地制作在氮化硅薄膜圖形上，是指金薄膜圖形制作在反光板、框架上，間隔制作在兩回折腿上。
其中兩回折腿為均勻等寬或不等寬條狀圖形；其中等寬的回折腿中，不鍍金的腿寬2μm，鍍金的腿寬2μm，其回折腿的折數(shù)為4折；或不鍍金的腿寬2μm，鍍金的腿寬3μm，其回折腿的折數(shù)為6折；其中不等寬的回折腿中，鍍金腿寬1μm/2μm與不鍍金腿寬2μm/3μm組合、或鍍金腿寬1.5μm/2μm與不鍍金腿寬2μm/2.5μm組合，其回折腿的折數(shù)為8折。
本發(fā)明改進(jìn)方法與原有的方法相比，能提高非制冷紅外焦平面陣列器件的熱響應(yīng)頻率、結(jié)構(gòu)強度、空間分辨率，同時能保證較高的溫度靈敏度、熱響應(yīng)靈敏度等性能。本方法設(shè)計方案具有多樣性，加工工藝簡單，成本低，生產(chǎn)周期短、工藝穩(wěn)定等特點，可以獲得高性能下的非制冷紅外焦平面陣列器件，適合用于大生產(chǎn)，具有一定的實用價值。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中圖1-1至圖1-8為本發(fā)明用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的制作方法的流程示意圖。
圖2-1至圖2-2為本發(fā)明用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計中每一單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3-1至圖3-2為本發(fā)明用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能中的熱響應(yīng)頻率及消除熱串?dāng)_的陣列的示意圖。
具體實施例方式
圖1-1至圖1-8是本發(fā)明用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的制作方法的流程示意圖
1、如圖1-1所示，在雙拋光<100>硅基片100雙表面上用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)方法淀積上氮化硅薄膜101、下氮化硅薄膜102，其厚度均為1.0-1.5μm。
2、如圖1-2所示，用六氟化硫氣體、以110-130sccm的流量和40-60w的功率各向同性刻蝕下氮化硅薄膜102，形成2cm×2cm的背面陣列腐蝕窗口104圖形。
3、如圖1-3所示，在30-40％氫氧化鉀溶液里、80-85℃溫度下各向異性腐蝕背硅形成倒梯形缺口105，腐蝕厚度為493-518μm。
4、如圖1-4所示，在背面的倒梯形缺口105和下氮化硅薄膜102的表面用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)方法淀積氮化硅薄膜103，厚度為0.08-1.0μm。
5、如圖1-5所示，用六氟化硫氣體、以110-130sccm的流量和40-60w的功率各向同性刻蝕氮化硅薄膜103，直到刻到硅基片100，形成200μm×200μm的背面單元腐蝕窗口106圖形。
6、如圖1-6所示，用六氟化硫氣體、以110-130sccm的流量和40-60w的功率各向同性刻蝕上氮化硅薄膜101，直到刻到硅基片100，形成非制冷紅外焦平面陣列器件圖形。
7、如圖1-7所示，在非制冷紅外焦平面陣列器件圖形表面電子束蒸發(fā)金薄膜107，厚度為0.18-0.2μm，用丙酮剝離，形成寬分別為1.5μm和2μm的間隔鍍金圖形。
8、如圖1-8所示，在30-40％氫氧化鉀溶液里、80-85℃溫度下各向異性腐蝕硅基片100，直到腐蝕到上氮化硅101為止，形成單元鏤空式非制冷紅外焦平面陣列器件，單元上的硅梁最寬處為10μm。
圖2-1至圖2-2為本發(fā)明用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計中每一單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
本發(fā)明一種用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的結(jié)構(gòu)，其中每個單元包括一硅基片；一氮化硅薄膜101圖形，該氮化硅薄膜101圖形為鏤空懸臂梁圖形，該氮化硅薄膜101圖形制作在硅基片上；其中氮化硅鏤空懸臂梁圖形包括反光板108、兩回折腿109、框架110，框架110為直角形，位于單元邊緣，兩回折腿109與框架110的一直角邊連接，反光板108位于兩回折腿109之間，與兩回折腿109相連；其中兩回折腿109為均勻等寬或不等寬條狀圖形等寬的回折腿109中，不鍍金的腿寬2μm，鍍金的腿寬2μm，其回折腿109的折數(shù)為4折，或不鍍金的腿寬2μm，鍍金的腿寬3μm，其回折腿109的折數(shù)為6折；不等寬的回折腿109中，鍍金腿寬1μm/2μm與不鍍金腿寬2μm/3μm組合、或鍍金腿寬1.5μm/2μm與不鍍金腿寬2μm/2.5μm組合，其回折腿109的折數(shù)為8折；一金薄膜107圖形，該金薄膜107圖形為條狀圖形，該金薄膜107圖形選擇性地制作在氮化硅薄膜101圖形上；其中位于器件陣列中間部分的每個單元中的金薄膜107圖形選擇性地制作在氮化硅薄膜101圖形上，是指金薄膜107圖形制作在反光板108、框架110上，間隔制作在兩回折腿109上。
其中每一單元尺寸為200μm×200μm，框架110寬10μm，所有間隙均為2μm。反光板108上全部鍍金，回折腿109采用間隔鍍金，尺寸的設(shè)計分為兩種圖2-1中，不鍍金的腿寬d2＝2μm與鍍金的腿寬d1＝2μm，其回折腿109的折數(shù)為n＝4折，或不鍍金的腿寬d2＝2μm與鍍金的腿寬d1＝3μm，其回折腿109的折數(shù)為n＝6折；圖2-2中不鍍金與鍍金的回折腿109均采用在一條腿上細(xì)寬變換，拐角處寬其他地方細(xì)，這樣能增強回折腿109的強度，有效避免扭曲變形，同時能減小像素面積，提高空間分辨率，這種設(shè)計有鍍金腿寬1μm/2μm與不鍍金腿寬2μm/3μm組合、鍍金腿寬1.5μm/2μm與不鍍金腿寬2μm/2.5μm組合，其回折腿109的折數(shù)為n＝8折。
圖3-1至圖3-2為本發(fā)明提高非制冷紅外焦平面陣列器件的熱響應(yīng)頻率及消除熱串?dāng)_的陣列設(shè)計示意圖。
圖3-1為基本隔離補償陣列，由5×5個單元組成。陰影部分為溫升最高(或先感應(yīng)到熱)的單元，標(biāo)號為1、2、3的單元為時間上依次感應(yīng)到傳熱的單元，標(biāo)號1×1的單元為級聯(lián)感應(yīng)到1號陣列傳熱的單元。為了阻斷這些帶來熱串?dāng)_的傳熱途徑，采用在框架的粗線部分不鍍金(僅僅是氮化硅)、其他部分鍍金。圖3-2為整個100×100陣列，其中10×10陣列為一個方格，陰影部分為主要成像區(qū)，由約5200個單元組成，這部分單元與單元之間的框架全部鍍金。剩下的白色方格部分其框架為需要采用選擇性鍍金進(jìn)行隔離補償?shù)牟糠?，以圖3-1的基本隔離補償陣列為一個周期進(jìn)行拓補，每一個方格(10×10陣列)包括四個基本隔離補償陣列(5×5陣列)。
權(quán)利要求
1.一種用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的制作方法，利用二次腐蝕背硅形成單元鏤空式非制冷紅外焦平面陣列器件，每個單元之間由硅梁進(jìn)行熱隔離，其特征在于，步驟如下步驟1、在雙拋光<100>硅基片雙表面淀積上氮化硅薄膜和下氮化硅??；步驟2、在下氮化硅薄膜上光刻、刻蝕，形成背面陣列腐蝕窗口圖形；步驟3、腐蝕減薄硅基片，形成倒梯形缺口；步驟4、清洗處理表面，在背面的倒梯形缺口和下氮化硅薄膜的表面上淀積氮化硅薄膜；步驟5、在氮化硅薄膜上光刻、刻蝕，形成背面單元腐蝕窗口圖形；步驟6、在上氮化硅薄膜上光刻，刻蝕，形成非制冷紅焦平面陣列圖形；步驟7、在非制冷紅焦平面陣列圖形上光刻，蒸金薄膜，剝離，形成間隔鍍金圖形；步驟8、腐蝕硅基片，形成單元鏤空式非制冷紅外焦平面陣列器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的制作方法，其特征在于，其中所述步驟1，在雙拋光<100>硅基片雙表面上淀積的上氮化硅薄膜和下氮化硅薄膜，氮化硅薄膜厚度為1.0-1.5μm，是采用低壓化學(xué)氣相沉積方法獲得的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的制作方法，其特征在于，其中所述步驟2，在下氮化硅薄膜上光學(xué)光刻，用六氟化硫氣體、以110-130sccm的流量和40-60w的功率各向同性刻蝕氮化硅薄膜，直到刻到硅基片，形成2cm×2cm的背面陣列腐蝕窗口圖形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的制作方法，其特征在于，其中所述步驟3，在30-40％氫氧化鉀溶液里、80-85℃溫度下各向異性腐蝕硅基片，腐蝕厚度為493-518μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的制作方法，其特征在于，其中所述步驟4，將器件放入濃硫酸高溫煮，然后用大量去離子水清洗表面，在背面的倒梯形缺口和下氮化硅薄膜的表面上再淀積氮化硅薄膜103，氮化硅薄膜厚度為0.08-1.0μm，是采用低壓化學(xué)氣相沉積方法獲得的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的制作方法，其特征在于，其中所述步驟5，在氮化硅薄膜上光學(xué)光刻，用六氟化硫氣體、以110-130sccm的流量和40-60w的功率各向同性刻蝕氮化硅薄膜，直到刻到硅基片，形成200μm×200μm的背面單元腐蝕窗口圖形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的制作方法，其特征在于，其中所述步驟6，在上氮化硅薄膜上光學(xué)光刻，用六氟化硫氣體、以110-130sccm的流量和40-60w的功率各向同性刻蝕氮化硅薄膜，直到刻到硅基片，形成非制冷紅外焦平面陣列圖形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的制作方法，其特征在于，其中所述步驟7，在非制冷紅外焦平面陣列圖形上光學(xué)光刻，表面電子束蒸發(fā)金薄膜，金薄膜厚度為0.18-0.2μm，用丙酮剝離，形成寬分別為1.5μm和2μm的間隔鍍金圖形。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的制作方法，其特征在于，其中所述步驟8，在30-40％氫氧化鉀溶液里、80-85℃溫度下各向異性腐蝕硅基片，直到腐蝕到上氮化硅為止，形成單元鏤空式非制冷紅外焦平面陣列器件，單元上的硅梁最寬處為10μm。
10.一種用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中每個單元包括一硅基片；一氮化硅薄膜圖形，該氮化硅薄膜圖形為鏤空懸臂梁圖形，該氮化硅薄膜圖形制作在硅基片上；一金薄膜圖形，該金薄膜圖形為條狀圖形，該金薄膜圖形選擇性地制作在氮化硅薄膜圖形上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中每個單元氮化硅鏤空懸臂梁圖形包括反光板、兩回折腿、框架，框架為直角形，位于單元邊緣，兩回折腿與框架的一直角邊連接，反光板位于兩回折腿之間，與兩回折腿相連。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中位于器件陣列中間部分的每個單元中的金薄膜圖形選擇性地制作在氮化硅薄膜圖形上，是指金薄膜圖形制作在反光板、框架上，間隔制作在兩回折腿上。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中兩回折腿為均勻等寬或不等寬條狀圖形；其中等寬的回折腿中，不鍍金的腿寬2μm，鍍金的腿寬2μm，其回折腿的折數(shù)為4折；或不鍍金的腿寬2μm，鍍金的腿寬3μm，其回折腿的折數(shù)為6折；其中不等寬的回折腿中，鍍金腿寬1μm/2μm與不鍍金腿寬2μm/3μm組合、或鍍金腿寬1.5μm/2μm與不鍍金腿寬2μm/2.5μm組合，其回折腿的折數(shù)為8折。
全文摘要
一種用于提高非制冷紅外焦平面陣列器件性能的制作方法，步驟如下在雙拋光<100>硅基片雙表面淀積上氮化硅薄膜和下氮化硅薄；在下氮化硅薄膜上光刻、刻蝕，形成背面陣列腐蝕窗口圖形；腐蝕減薄硅基片，形成倒梯形缺口；清洗處理表面，在背面的倒梯形缺口和下氮化硅薄膜的表面上淀積氮化硅薄膜；在氮化硅薄膜上光刻、刻蝕，形成背面單元腐蝕窗口圖形；在上氮化硅薄膜上光刻，刻蝕，形成非制冷紅焦平面陣列圖形；在非制冷紅焦平面陣列圖形上光刻，蒸金薄膜，剝離，形成間隔鍍金圖形；腐蝕硅基片，形成單元鏤空式非制冷紅外焦平面陣列器件。
文檔編號G01K7/00GK1911781SQ200510090179
公開日2007年2月14日 申請日期2005年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月11日
發(fā)明者石莎莉, 陳大鵬, 李超波, 焦斌斌, 歐毅, 葉甜春 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所