專利名稱：一種基于雙材料效應(yīng)的微機(jī)械紅外探測(cè)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(jī)械紅外探測(cè)器陣列的制作方法，屬于微電子機(jī)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(jī)械紅外探測(cè)器屬于后者。根據(jù)在吸收紅外輻射時(shí)紅外敏感部分是否移動(dòng)，微機(jī)械紅外探測(cè)器又可分為兩大類一類是紅外敏感部分不移動(dòng)，以微測(cè)輻射熱計(jì)(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(cè)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(dòng)。一般而言，該類紅外探測(cè)器的紅外敏感部分由雙材料梁支撐，當(dāng)有紅外輻射時(shí)，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(dòng)紅外敏感部分發(fā)生位移。
基于雙材料效應(yīng)的微機(jī)械紅外探測(cè)器雖還處于研究階段，但已有多個(gè)研究小組報(bào)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(dá)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(jī)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(qiáng)、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(jī)械紅外探測(cè)器雖然紅外信號(hào)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(hào)讀出部分)相連，另一端與錨相連，整個(gè)像素通過(guò)錨固定在基底材料上。在這里沒(méi)有專門指出紅外信號(hào)讀出部分，這是因?yàn)樽x出方式不一樣紅外信號(hào)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(shuō)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(shí)，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(hào)的變化。要注意的是，在有紅外輻射時(shí)，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(duì)稱分布，紅外敏感部分沿其法向方向運(yùn)動(dòng)。
基于雙材料效應(yīng)的微機(jī)械紅外探測(cè)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(diǎn)在于與集成電路(IC)工藝相兼容，其缺點(diǎn)在于需要濕法腐蝕釋放像素，釋放過(guò)程可能會(huì)發(fā)生粘附現(xiàn)象破壞像素；二是采用體微機(jī)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(diǎn)在于采用干法釋放，無(wú)粘附現(xiàn)象發(fā)生，但其價(jià)格昂貴。
針對(duì)上述問(wèn)題，本申請(qǐng)的發(fā)明人提出了一種新的基于雙材料效應(yīng)的微機(jī)械紅外探測(cè)器陣列的制作方法，同時(shí)滿足與IC工藝相兼容、干法釋放和價(jià)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(jī)械紅外探測(cè)器陣列的制作方法，一方面采用干法釋放，避免濕法釋放過(guò)程對(duì)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(shí)現(xiàn)的基于二氟化氙(XeF2)氣體腐蝕時(shí)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(lái)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(guò)以下工藝制作實(shí)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(gè)較深的凹坑，通過(guò)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(hù)的錨的周圍刻蝕/腐蝕出一個(gè)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(hù)起來(lái)；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(jī)械紅外探測(cè)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(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，另一種是在接受紅外輻射時(shí)發(fā)生沿像素法向方向的平動(dòng)。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(duì)硅片進(jìn)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(gè)凹坑，腐蝕深度范圍從幾個(gè)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(lái)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(gè)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(gè)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(lái)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(dá)到保護(hù)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(diǎn)一方面采用干法釋放，避免濕法釋放過(guò)程對(duì)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(jī)械紅外探測(cè)器陣列的扭轉(zhuǎn)式像素。
圖2基于雙材料效應(yīng)的微機(jī)械紅外探測(cè)器陣列的平動(dòng)式像素。
圖3是實(shí)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(lái)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(shí)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(lái)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(shí)施方式
實(shí)施例1本實(shí)施例是實(shí)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(shuō)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(xì)闡述本實(shí)施例的工藝流程，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
圖3所示的具體工藝步驟如下(1)對(duì)硅片進(jìn)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(gè)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(lái)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(shí)施例2本實(shí)施例是實(shí)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(shuō)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(xì)闡述本實(shí)施例的工藝流程，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)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(gè)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(gè)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(lái)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(dá)到保護(hù)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(jī)械紅外探測(cè)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(gè)較深的凹坑，通過(guò)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(hù)的錨的周圍刻蝕/腐蝕出一個(gè)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(hù)起來(lái)；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(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)和在接受紅外輻射時(shí)發(fā)生沿像素法向方向平動(dòng)兩種。
2.按權(quán)利要求1所述的基于雙材料效應(yīng)的微機(jī)械紅外探測(cè)器陳列的制作方法，其特征在于在接受紅外輻射時(shí)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(duì)硅片進(jìn)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(gè)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(lái)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(jī)械紅外探測(cè)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(jī)械紅外探測(cè)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(jī)械紅外探測(cè)器陳列的方法，其特征在于接受紅外輻射時(shí)發(fā)生沿像素法線方向平動(dòng)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(gè)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(gè)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(lái)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(dá)到保護(hù)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(jī)械紅外探測(cè)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(jī)械紅外探測(cè)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(jī)械紅外探測(cè)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(jī)械紅外探測(cè)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(hào)G01J5/12GK1819291SQ200510112299
公開(kāi)日2006年8月16日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所