光调制热成像焦平面阵列的制作方法

xiaoxiao2020-7-23  10

专利名称:光调制热成像焦平面阵列的制作方法
技术领域
本发明属于微电子技术中的硅微机械加工领域,特别涉及一种硅微机械加工技术制作带 硅支撑框架的全镂空结构光调制热成像焦平面阵列(FPA)的方法。
背景技术
采用光学调制方法的、基于微机电系统(MEMS)的非制冷型红外探测焦平面阵列(FPA )大多采用微悬臂梁热隔离结构,他们的探测灵敏度和器件的结构有着直接的关系。此种类 型的焦平面阵列(FPA)通常采用带有牺牲层的多层双材料悬臂梁热隔离结构,这种结构的 特点是保留有红外敏感区的硅衬底,而利用多层结构实现热隔离,其缺点是红外辐射在到达 敏感单元之前先会被硅衬底所反射,从而造成这类器件的红外辐射利用率低,影响器件性能 。为了解决这一问题,我们曾提出了一种衬底全镂空结构的光调制非制冷红外焦平面阵列, 这种器件的特点是在红外敏感单元区域的硅衬底全部被去掉,敏感单元完全依靠一层薄膜结 构支撑。此种全镂空结构的光调制非制冷红外焦平面阵列解决了红外辐射被硅衬底反射的问 题,从而极大地提高了器件的响应灵敏度性能。但是这种器件由于器件结构只由一层薄膜所 支撑,所以异常脆弱,很容易破损。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种制作带硅支撑框架的全镂空结构光调制热成像焦 平面阵列(FPA)的制作方法。
本发明是通过如下技术方案解决上述技术问题的,本发明提出一种带硅支撑框架的全镂 空结构光调制热成像焦平面阵列的制作方法,包括如下步骤
步骤l、在单晶硅片上表面覆盖掺杂层;
步骤2、按照预设图案,在单晶硅片上表面刻蚀沟槽;
步骤3、在沟槽内壁覆盖氧化硅层;
步骤4、生长非晶硅填满沟槽;
步骤5、在单晶硅片上表面覆盖薄膜层A;
步骤6、在薄膜层A上覆盖金属层;
步骤7、按照预设图案,刻蚀金属层;
步骤8、按照预设图案,刻蚀薄膜层A;
5步骤9、按照预设图案,从背面腐蚀单晶硅; 步骤IO、按预设图案,腐蚀掺杂层。
从而得到带硅支撑框架的全镂空结构光调制热成像焦平面阵列。 优选的,上述单晶硅片单晶硅晶向为〈100〉。
优选的,上述步骤1中,所述的掺杂层是采用高能粒子注入后再高温退火的方法或者标
准的杂质扩散掺杂工艺在所述的单晶硅片上掺加浓B (硼)、P (磷)、或As (砷)杂质实现 的。
优选的,上述步骤2中,所述的在单晶硅片上刻蚀沟槽是采用Si02 (二氧化硅)作为掩 蔽层,使用RIE (反应粒子刻蚀)设备或者ICP (感应耦合等离子刻蚀)设备通过各向异性干 法深硅刻蚀实现的。
优选的,上述步骤3中,在沟槽内壁生长氧化硅是采用干氧化工艺或者湿氧化工艺实现的。
优选的,上述步骤4中,生长非晶硅是采用LPCVD (低压化学气项淀积)工艺在单晶硅片 上表面生成一层非晶硅,并填满所述的沟槽,然后使用Br (溴)基刻蚀气体和RIE (反应离 子刻蚀)设备,通过非晶硅干法刻蚀多余的非晶硅实现的。
优选的,上述步骤5还包括,在所述的单晶硅片下表面覆盖薄膜层B,所述的薄膜层A和 薄膜层B均为氮化硅材料或者氧化硅材料,该过程是采用LPCVD (低压化学气相淀积)或者 PECVD (等离子增强化学气相淀积)实现的。
优选的,上述步骤6中,所述的覆盖金属层是采用MSS (磁控溅射)工艺实现的。
优选的,上述步骤7中,所述的刻蚀金属层A是采用RIE (反应离子刻蚀)设备,通过干 法刻蚀工艺实现的。
优选的,上述步骤8中,所述的刻蚀薄膜层A是采用RIE (反应离子刻蚀)设备刻蚀形成的。
优选的,上述步骤9还包括,按照预设图案刻蚀薄膜层B,该刻蚀过程是通过使用RIE ( 反应离子刻蚀)设备,采用RIE (反应离子刻蚀)工艺实现的。
优选的,上述步骤9中,所述的腐蚀单晶硅采用的是KOH (氢氧化钾)溶液或者TMAH (四 甲基氢氧化铵)溶液作为腐蚀溶液。
优选的,上述步骤10中,所述的腐蚀掺杂层是采用XeF2 (二氟化氙)作为腐蚀气体。
综上所述,本发明从微细加工角度出发,结合体硅深刻蚀、非晶硅沟槽填充、单晶硅湿 法腐蚀自终止、硅的各项同性干法腐蚀等技术,提出的一种带硅支撑框架的全镂空结构光调制热成像焦平面阵列的制作方法,从而完善了本发明提出的一种制作带硅支撑框架的全镂空 结构光调制热成像焦平面阵列(FPA)的制作方法。
本发明一种制作带硅支撑框架的全镂空结构光调制热成像焦平面阵列(FPA)的制作方 法还包括正性光刻胶的涂胶、曝光、显影等一系列图形转移工作。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,并可依 照说明书的内容予以实施,以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。


图1至图12为本发明的带硅支撑框架的全镂空结构光调制热成像焦平面阵列的制作方法 的各个步骤所形成产品的结构示意图。
具体实施例方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及 较佳实施例,对依据本发明提出的带硅支撑框架的全镂空结构光调制热成像焦平面阵列的制 作方法其具体实施方式
、结构、特征及其功效,详细说明如后。
步骤l,参照图l,采用高能粒子注入后再高温退火的方法或者标准的杂质扩散掺杂工艺 ,在晶向为〈100〉的单晶硅片101的正面掺杂一层浓B (硼)掺杂层102,其杂质浓度大于le19 1/cm3,掺杂的浓B (硼)掺杂层102的深度在2微米到20微米之间;
步骤2,参照图2,使用RIE (反应粒子刻蚀)设备或者ICP (感应耦合等离子刻蚀)设备 ,采用Si02 (二氧化硅)作掩蔽层103,在单晶硅片101正面进行各向异性干法深硅刻蚀形成 沟槽,得到深度在5微米到30微米之间,宽度在0.5微米到3微米之间的沟槽;
步骤3,参照图3,采用干氧化工艺或者湿氧化工艺,对单晶硅片进行氧化,在所述的沟 槽内侧壁生长一层O. 05微米到0. 1微米的氧化硅层104;
步骤4,参照图4和图5,采用LPCVD (低压化学气项淀积)工艺,在所述的单晶硅片IOI 正面生长一层非晶硅层105,非晶硅层105厚度在0. 25微米到1. 5微米之间,并将沟槽填满; 使用Br (溴)基刻蚀气体,采用RIE (反应离子刻蚀)设备,刻蚀掉单晶硅片101上除沟槽中 以外的非晶硅;
步骤5,参照图6,采用LPCVD (低压化学气相淀积)工艺或者PECVD (等离子增强化学气 相淀积)的工艺,在单晶硅片IOI的双面生长厚度在O. l微米到2微米之间的低应力氮化硅薄 膜层106或者氧化硅薄膜层106;
步骤6,参照图7,采用MSS (磁控溅射)工艺,在所述的氮化硅薄膜层106或者氧化硅薄 膜层106上溅射一层厚度在0. l微米到O. 8微米之间的铝金属薄膜层107;步骤7,参照图8,采用RIE (反应离子刻蚀)设备,采用干法刻蚀工艺刻蚀掉部分的铝 金属薄膜层107;
步骤8,参照图9,采用RIE (反应离子刻蚀)设备,采用氟基气体,刻蚀掉部分氧化硅 薄膜层106,形成悬臂梁结构;
步骤9,参照图10和图11,使用具有双面光刻功能的光刻机如SUSS公司的MA6或EVG公司 的620光刻机在单晶硅片101背面定义出背面图形,使用RIE (反应离子刻蚀)设备,采用 RIE (反应离子刻蚀)工艺,在硅片正面图形区所对应的硅片背面干法刻蚀掉部分背面的氮 化硅薄膜层106或者氧化硅薄膜层106,使得单晶硅片101背面的单晶硅部分暴露,此需要使 用到具有双面光刻功能的光刻机如SUSS公司的MA6或EVG公司的620光刻机;对单晶硅片101背 面部分暴露出的单晶硅的窗口进行腐蚀,利用掺杂有高浓度的B元素的硅不会被腐蚀液所腐 蚀以及各向异性腐蚀液对单晶硅〈111 >晶面腐蚀速度极低的原理,使腐蚀过程到达浓硼掺杂 层102,然后自动终止,KOH (氢氧化钾)溶液或TMAH (四甲基氢氧化铵)溶液,浓度分别为 33%的KOH (氢氧化钾)溶液或20%的TMAH (四甲基氢氧化铵)溶液,腐蚀温度为50度到90 度之间。
步骤IO,参照图12,采用XeF2 (二氟化氤)作为腐蚀气体在常压下,采用干法各向异性 腐蚀从硅片的正面腐蚀掉没有被湿法腐蚀所去除的拥有浓B (硼)杂质的单晶硅,即浓B (硼 )掺杂层102,完成腐蚀工作,并最终释放出器件结构,完成整个器件的加工工序。
上述实施例的方法还包括正性光刻胶的涂胶、曝光、显影等一系列图形转移工作。
权利要求
1.一种光调制热成像焦平面阵列的制作方法,其特征在于,该方法包括步骤1、在单晶硅片上表面制造重掺杂层;步骤2、按照预设图案,在单晶硅片上表面刻蚀沟槽;步骤3、在沟槽内壁覆盖氧化硅层;步骤4、生长非晶硅填满沟槽;步骤5、在单晶硅片上表面覆盖薄膜层A;步骤6、在薄膜层A上覆盖金属层;步骤7、按照预设图案,刻蚀金属层;步骤8、按照预设图案,刻蚀薄膜层A;步骤9、按照预设图案,从硅片背面腐蚀单晶硅;步骤10、按预设图案,腐蚀掺杂层,得到带硅支撑框架的全镂空结构光调制热成像焦平面阵列。
2.根据权利要求l所述的光调制热成像焦平面阵列的制作方法,其特征在于,上述单晶硅 片的单晶硅晶向为〈100〉。
3.根据权利要求l所述的光调制热成像焦平面阵列的制作方法,其特征在于,上述步骤l 中,所述的重掺杂层是采用高能粒子注入后再高温退火的方法或者标准的杂质扩散掺杂工艺 在所述的单晶硅片上掺加浓硼、砷或磷杂质实现的。
4.根据权利要求l所述的光调制热成像焦平面阵列的制作方法,其特征在于,上述步骤2 中所述的在单晶硅片上刻蚀沟槽是采用二氧化硅作为掩蔽层,使用反应粒子刻蚀设备或者感 应耦合等离子刻蚀设备通过各向异性干法深硅刻蚀实现的。
5.根据权利要求l所述的光调制热成像焦平面阵列的制作方法,其特征在于,上述步骤3 中,在沟槽内壁生长氧化硅是采用干氧化工艺或者湿氧化工艺实现的。
6.根据权利要求l所述的光调制热成像焦平面阵列的制作方法,其特征在于,上述步骤4 中,生长非晶硅是采用低压化学气项淀积工艺在单晶硅片上表面生成一层非晶硅,并填满所 述的沟槽,然后使用溴基刻蚀气体和反应离子刻蚀设备,通过非晶硅干法刻蚀多余的非晶硅 实现的。
7.根据权利要求l所述的光调制热成像焦平面阵列的制作方法,其特征在于,上述步骤5 还包括,在所述的单晶硅片下表面覆盖薄膜层B,所述的薄膜层A和薄膜层B均为氮化硅材料 或者氧化硅材料,该过程是采用低压化学气相淀积或者等离子增强化学气相淀积实现的。
8.根据权利要求l所述的光调制热成像焦平面阵列的制作方法,其特征在于,上述步骤6 中,所述的覆盖金属层是采用磁控溅射工艺实现的。
9.根据权利要求l所述的光调制热成像焦平面阵列的制作方法,其特征在于,上述步骤7 中,所述的刻蚀金属层A是采用反应离子刻蚀设备,通过干法刻蚀工艺实现的。
10.根据权利要求8所述的光调制热成像焦平面阵列的制作方法,其特征在于,上述步骤8 中,所述的刻蚀薄膜层A是采用反应离子刻蚀设备刻蚀形成的。
11.根据权利要求8所述的光调制热成像焦平面阵列的制作方法,其特征在于,上述步骤9 还包括,按照预设图案刻蚀薄膜层B,该刻蚀过程是通过使用反应离子刻蚀设备,采用反应 离子刻蚀工艺实现的。
12.根据权利要求l所述的光调制热成像焦平面阵列的制作方法,其特征在于,上述步骤9 中,所述的腐蚀单晶硅采用的是氢氧化钾溶液或者四甲基氢氧化铵溶液作为腐蚀溶液。
13.根据权利要求l所述的光调制热成像焦平面阵列的制作方法,其特征在于,上述步骤10中,所述的腐蚀掺杂层是采用二氟化氙作为腐蚀气体。
全文摘要
本发明是关于一种光调制热成像焦平面阵列的制作方法,包括如下步骤步骤1.在单晶硅片上表面制造重掺杂层;步骤2.按照预设图案,在单晶硅片上表面刻蚀沟槽;步骤3.在沟槽内壁覆盖氧化硅层;步骤4.生长非晶硅填满沟槽;步骤5.在单晶硅片上表面覆盖薄膜层A;步骤6.在薄膜层A上覆盖金属层;步骤7.按照预设图案,刻蚀金属层;步骤8.按照预设图案,刻蚀薄膜层A;步骤9.按照预设图案,从硅片背面腐蚀单晶硅;步骤10.按预设图案,腐蚀掺杂层,得到带硅支撑框架的全镂空结构光调制热成像焦平面阵列。
文档编号G01J5/02GK101538006SQ20091030182
公开日2009年9月23日 申请日期2009年4月24日 优先权日2009年4月24日
发明者叶甜春, 毅 欧, 焦斌斌, 陈大鹏 申请人:中国科学院微电子研究所

最新回复(0)