改善微機械非製冷紅外成像晶片中反光板平整度的方法

2023-10-27 10:03:47 2

專利名稱：改善微機械非製冷紅外成像晶片中反光板平整度的方法
技術領域：
本發明涉及微電子器件製備技術領域，尤其涉及一種改善微機械 非製冷紅外成像晶片中反光板平整度的方法。
背景技術：
傳統的紅外輻射探測器吸收入射光的紅外能量，使探測單元溫度 上升，再通過集成電路檢測探測器溫升引起的熱電效應，比如電阻率 和電容的變化等，得到紅外輻射的信息。
傳統的熱型紅外探測器中熱電效應是集成電路從每個探測器單元 中讀出的，由於電流輸入會在探測器單元上產生附加的熱量，所以這 種方式難以準確地檢測到入射的紅外輻射。
基於光-機械式的微懸梁陣列的紅外探測器的敏感單元為雙材料 梁。入射的紅外光能被探測單元吸收後轉化為懸臂梁的熱能，引發懸 臂梁產生熱形變，再通過光學讀出系統，非接觸的檢測出形變，例如 懸臂梁的撓度或轉角，就可以得到被測物體的熱輻射信息。
本發明是對200310112820.1 (光-機械式微梁陣列熱型紅外圖象傳 感器)和200510012264.X (光-機械式雙層結構非製冷紅外成像焦平面 陣列)的改進設計，因為未改進的反光板會因為薄膜應力的問題再釋 放後而發生彎曲，不能保持平整的反光面。

發明內容
(一)要解決的技術問題 有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種改善微機械非製冷紅 外成像晶片中反光板平整度的方法，以提高最終的紅外成像效果，改 善整個紅外成像系統。(二)技術方案
為達到上述目的，本發明提供了一種改善微機械非製冷紅外成像 晶片中反光板平整度的方法，該方法包括
在矽襯底正面塗光學光刻膠，光刻曝光出反光板加強筋圖形；
在光刻膠掩蔽下刻蝕矽襯底上的反光板加強筋圖形；
在矽襯底雙面生長氮化矽；
在矽襯底背面塗光學光刻膠，並光刻曝光得到背面腐蝕窗口圖形； 在光刻膠掩蔽下採用幹法反應離子刻蝕工藝刻蝕背面腐蝕窗口的 氮化矽；
在矽襯底正面套版光刻出反光板及回折梁圖形，蒸發金屬鉻層， 並超聲剝離；
在金屬掩蔽下採用幹法反應離子刻蝕工藝刻蝕矽襯底正面的氮化
矽；
去除作為掩蔽層的金屬鉻，得到氮化矽上的反光板和回折梁圖形； 在矽襯底正面套刻反光板圖形，並在曝光顯影后蒸發鉻/金，然後 超聲剝離；
在矽襯底正面套刻回折梁圖形，並在曝光顯影后蒸發鉻/金，然後 超聲剝離；
採用溼法腐蝕去除反光板和回折梁下方的矽襯底，釋放結構。 上述方案中，所述矽襯底為普通雙面拋光矽片，厚度為480至520 微米。
上述方案中，所述在矽襯底正面塗的光學光刻膠及用於掩蔽刻蝕 矽襯底上的反光板加強筋圖形的光學光刻膠為S9918光學光刻膠，厚 度為2000至2500nm;所述在矽襯底背面塗的光學光刻膠及用於掩蔽 刻蝕背面腐蝕窗口的氮化矽的光學光刻膠為BP218光學光刻膠，厚度 為6000至7000腿。
上述方案中，所述在光刻膠掩蔽下刻蝕矽襯底上的反光板加強筋
圖形的步驟中，刻蝕深度1至1.5微米；所述在矽襯底雙面生長氮化矽
的步驟中，氮化矽膜的厚度為1.2至1.5微米。
上述方案中，所述在矽襯底正面套版光刻出反光板及回折梁圖形時，採用的光學光刻膠為S9912光學光刻膠，厚度為1000至2000nm。 上述方案中，所述在矽襯底正面套刻反光板圖形和回折梁圖形時，
採用的光學光刻膠為AZ5214光學光刻膠，並採用反轉工藝。
上述方案中，所述在矽襯底正面套版光刻出反光板及回折梁圖形，
蒸發金屬鉻層的步驟中，採用電子束蒸發工藝蒸發鉻層，蒸發厚度50
至60匪。
上述方案中，所述在矽襯底正面套刻反光板圖形，並在曝光顯影 後蒸發鉻/金的步驟中，採用電子束蒸發工藝蒸發鉻/金薄膜，先蒸發厚 度為5至10nm的鉻薄膜，然後再蒸發厚度為15至20nm金薄膜。
上述方案中，所述在矽襯底正面套刻回折梁圖形，並在曝光顯影 後蒸發格/金的步驟中，採用電子束蒸發工藝蒸發鉻/金薄膜，先蒸發厚 度為5至10nm的鉻薄膜，然後再蒸發厚度為150至200nm金薄膜。
上述方案中，所述在光刻膠掩蔽下採用幹法反應離子刻蝕工藝刻 蝕背面腐蝕窗口的氮化矽，以及在金屬掩蔽下採用幹法反應離子刻蝕 工藝刻蝕矽襯底正面的氮化矽的步驟中，幹法反應離子刻蝕工藝條件 為氣體採用SF6，流量55至65毫升每秒，等離子體偏壓功率為60至 80瓦特，加磁場，水冷。
(三)有益效果
從上述技術方案可以看出，採用本發明提供的這種改善微機械非 製冷紅外成像晶片中反光板平整度的方法製備的非製冷紅外成像陣 列，由於反光板上製作了加強筋，所以反光板鏡面平整度明顯改善， 從而提高了最終的紅外成像效果，對整個紅外成像系統具有明顯的改 善作用。


下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明
圖1為本發明提供的改善微機械非製冷紅外成像晶片中反光板平 整度的方法流程圖2為依照本發明實施例在矽襯底正面光刻加強筋圖形的工藝流
7程圖3為依照本發明實施例在矽襯底正面刻蝕加強筋溝槽的工藝流 程圖4為依照本發明實施例在矽襯底雙面生長氮化矽薄膜的工藝流 程圖5為依照本發明實施例在矽襯底背面氮化矽薄膜上光學光刻形 成腐蝕窗口的工藝流程圖6為依照本發明實施例光刻膠掩蔽刻蝕背面氮化矽的工藝流程
圖7為依照本發明實施例在矽襯底正面光刻反光板和回折梁圖形 並蒸發金屬的工藝流程；
圖8為依照本發明實施例幹法掩蔽刻蝕的工藝流程圖； 圖9為依照本發明實施例去鉻的工藝流程圖IO為依照本發明實施例在矽襯底正面光刻反光板圖形並蒸發鉻 /金的工藝流程；
圖11為依照本發明實施例在矽襯底正面光刻回折梁圖形並蒸發鉻 /金的工藝流程；
圖12為依照本發明實施例溼法腐蝕的工藝流程圖13為最終得到的非製冷紅外成像晶片一個單個像素的示意圖。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具 體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
如圖1所示，圖1為本發明提供的改善微機械非製冷紅外成像芯 片中反光板平整度的方法流程圖，該方法包括
步驟101:在矽襯底正面塗光學光刻膠，光刻曝光出反光板加強筋 圖形；在本步驟中，所述矽襯底為普通雙面拋光矽片，厚度為480至 520微米。
步驟102:在光刻膠掩蔽下刻蝕矽襯底上的反光板加強筋圖形； 步驟103:在矽襯底雙面生長氮化矽；步驟104:在矽襯底背面塗光學光刻膠，並光刻曝光得到背面腐蝕 窗口圖形；
步驟105:在光刻膠掩蔽下釆用幹法反應離子刻蝕工藝刻蝕背面腐 蝕窗口的氮化矽；
步驟106:在矽襯底正面套版光刻出反光板及回折梁圖形，蒸發金 屬鉻層，並超聲剝離；
步驟107:在金屬掩蔽下採用幹法反應離子刻蝕工藝刻蝕矽襯底正
面的氮化矽；
步驟108:去除作為掩蔽層的金屬鉻，得到氮化矽上的反光板和回 折梁圖形；
步驟109:在矽襯底正面套刻反光板圖形，並在曝光顯影后蒸發鉻 /金，然後超聲剝離；
步驟110:在矽襯底正面套刻回折梁圖形，並在曝光顯影后蒸發鉻 /金，然後超聲剝離；
步驟lll:採用溼法腐蝕去除反光板和回折梁下方的矽襯底，釋放 結構。
基於圖1所示的改善微機械非製冷紅外成像晶片中反光板平整度 的方法流程圖，圖2至圖12示出了依照本發明實施例改善微機械非制 冷紅外成像晶片中反光板平整度的工藝流程圖，具體包括以下步驟
第一步在矽基片100正面塗光學光刻膠101並曝光；如圖2所
示，選用普通雙拋矽片做襯底IOO，襯底的厚度為500um ，採用S9918 光學光刻膠曝光，得到加強筋圖形IOI。
第二步光刻膠掩蔽刻蝕矽襯底，得到圖形102;如圖3所示，在
膠掩蔽下採用幹法反應離子刻蝕(RIE)工藝刻蝕矽襯底，刻蝕深度 1 1.5微米，得到圖形102。
第三步雙面生長氮化矽，得到103和104;如圖4所示，採用低 壓化學氣相沉積的方法在矽襯底雙面生長氮化矽膜103和104，厚度為 1.2 1.5微米。
第四步在矽片背面光刻得到背面腐蝕窗口圖形105;如圖5所示，在矽片背面塗BP218光學光刻膠，並曝光得到背面腐蝕窗口圖形105。
第五步幹法掩蔽刻蝕；如圖6所示，在光刻膠掩蔽下採用幹法 反應離子刻蝕(RIE)工藝將氮化矽刻透，得到圖形106。
第六步正面套刻反光板和回折梁圖形並蒸發金屬鉻，剝離後得
到107;如圖7所示，塗S9912光學光刻膠，膠厚1000-1500nm，曝光
後蒸發金屬鉻50納米作為掩蔽層，然後超聲剝離，得到107。
第七步幹法掩蔽刻蝕；如圖8所示，在金屬掩蔽下採用幹法反 應離子刻蝕(RIE)工藝將氮化矽刻透，得到圖形108。
第八步去鉻；如圖9所示，用硝酸鈰氨溶液去除作為掩蔽層的 金屬鉻，得到氮化矽上的反光板和回折梁圖形109。
第九步套刻反光板圖形並蒸鉻/金，後剝離；如圖IO所示，在矽 片正面套刻反光板圖形，曝光顯影后蒸發金屬鉻5~10納米/金20~25 納米，再經過剝離後得到IIO。
第十步套刻回折梁圖形並蒸鉻/金，後剝離；如圖11所示，在矽 片正面套刻回折梁圖形，曝光顯影后蒸發金屬鉻5 10納米/金200~250 納米，再經過剝離後得到lll。
第十一步溼法腐蝕；如圖12所示，用氫氧化鉀溶液將反光板和 回折梁下方的矽襯底去除，最終釋放結構，得到器件112。
至此， 一種MEMS非製冷紅外成像晶片中反光板的平整方法製備 完畢。圖13示出了最終得到的非製冷紅外成像晶片一個單個像素的示 意圖。
以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果 進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體 實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內， 所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍 之內。
10
權利要求
1、一種改善微機械非製冷紅外成像晶片中反光板平整度的方法，其特徵在於，該方法包括在矽襯底正面塗光學光刻膠，光刻曝光出反光板加強筋圖形；在光刻膠掩蔽下刻蝕矽襯底上的反光板加強筋圖形；在矽襯底雙面生長氮化矽；在矽襯底背面塗光學光刻膠，並光刻曝光得到背面腐蝕窗口圖形；在光刻膠掩蔽下採用幹法反應離子刻蝕工藝刻蝕背面腐蝕窗口的氮化矽；在矽襯底正面套版光刻出反光板及回折梁圖形，蒸發金屬鉻層，並超聲剝離；在金屬掩蔽下採用幹法反應離子刻蝕工藝刻蝕矽襯底正面的氮化矽；去除作為掩蔽層的金屬鉻，得到氮化矽上的反光板和回折梁圖形；在矽襯底正面套刻反光板圖形，並在曝光顯影后蒸發鉻/金，然後超聲剝離；在矽襯底正面套刻回折梁圖形，並在曝光顯影后蒸發鉻/金，然後超聲剝離；採用溼法腐蝕去除反光板和回折梁下方的矽襯底，釋放結構。
2、 根據權利要求1所述的改善微機械非製冷紅外成像晶片中反光 板平整度的方法，其特徵在於，所述矽襯底為普通雙面拋光矽片，厚 度為480至520微米。
3、 根據權利要求1所述的改善微機械非製冷紅外成像晶片中反光 板平整度的方法，其特徵在於，所述在矽襯底正面塗的光學光刻膠及 用於掩蔽刻蝕矽襯底上的反光板加強筋圖形的光學光刻膠為S9918光 學光刻膠，厚度為2000至2500nm;所述在矽襯底背面塗的光學光刻膠及用於掩蔽刻蝕背面腐蝕窗口 的氮化矽的光學光刻膠為BP218光學光刻膠，厚度為6000至7000nm。
4、 根據權利要求1所述的改善微機械非製冷紅外成像晶片中反光板平整度的方法，其特徵在於，所述在光刻膠掩蔽下刻蝕矽襯底上的反光板加強筋圖形的步驟 中，刻蝕深度1至1.5微米；所述在矽襯底雙面生長氮化矽的步驟中，氮化矽膜的厚度為1.2 至1.5微米。
5、 根據權利要求1所述的改善微機械非製冷紅外成像晶片中反光 板平整度的方法，其特徵在於，所述在矽襯底正面套版光刻出反光板及回折梁圖形時，採用的光學光刻膠為S9912光學光刻膠，厚度為1000 至2000腿0
6、 根據權利要求1所述的改善微機械非製冷紅外成像晶片中反光 板平整度的方法，其特徵在於，所述在矽襯底正面套刻反光板圖形和 回折梁圖形時，採用的光學光刻膠為AZ5214光學光刻膠，並採用反 轉工藝。
7、 根據權利要求1所述的改善微機械非製冷紅外成像晶片中反光 板平整度的方法，其特徵在於，所述在矽襯底正面套版光刻出反光板 及回折梁圖形，蒸發金屬鉻層的步驟中，採用電子束蒸發工藝蒸發鉻 層，蒸發厚度50至60nm。
8、 根據權利要求1所述的改善微機械非製冷紅外成像晶片中反光 板平整度的方法，其特徵在於，所述在矽襯底正面套刻反光板圖形， 並在曝光顯影后蒸發鉻/金的步驟中，採用電子束蒸發工藝蒸發鉻/金薄 膜，先蒸發厚度為5至10nm的鉻薄膜，然後再蒸發厚度為15至20nm 金薄膜。
9、 根據權利要求1所述的改善微機械非製冷紅外成像晶片中反光 板平整度的方法，其特徵在於，所述在矽襯底正面套刻回折梁圖形， 並在曝光顯影后蒸發鉻/金的步驟中，採用電子束蒸發工藝蒸發鉻/金薄 膜，先蒸發厚度為5至10nm的鉻薄膜，然後再蒸發厚度為150至200nm 金薄膜。
10、 根據權利要求1所述的改善微機械非製冷紅外成像晶片中反 光板平整度的方法，其特徵在於，所述在光刻膠掩蔽下採用幹法反應 離子刻蝕工藝刻蝕背面腐蝕窗口的氮化矽，以及在金屬掩蔽下採用幹法反應離子刻蝕工藝刻蝕矽襯底正面的氮化矽的步驟中，幹法反應離子刻蝕工藝條件為氣體採用SF6，流量55至65毫升每秒，等離子體偏 壓功率為60至80瓦特，加磁場，水冷。
全文摘要
本發明公開了一種改善微機械非製冷紅外成像晶片中反光板平整度的方法，包括在矽襯底正面塗光學光刻膠，光刻曝光出反光板加強筋圖形；刻蝕矽襯底上的反光板加強筋圖形；在矽襯底雙面生長氮化矽；在矽襯底背面塗光學光刻膠，光刻曝光得到背面腐蝕窗口圖形；刻蝕背面腐蝕窗口的氮化矽；在矽襯底正面套版光刻出反光板及回折梁圖形，蒸發金屬鉻層並超聲剝離；刻蝕矽襯底正面的氮化矽；去除作為掩蔽層的金屬鉻，得到反光板和回折梁圖形；在矽襯底正面套刻反光板圖形，在曝光顯影后蒸發鉻/金，超聲剝離；在矽襯底正面套刻回折梁圖形，在曝光顯影后蒸發鉻/金，超聲剝離；去除反光板和回折梁下方的矽襯底，釋放結構。本發明提高了最終的紅外成像效果。
文檔編號G03F7/00GK101446758SQ20071017831
公開日2009年6月3日 申請日期2007年11月28日 優先權日2007年11月28日
發明者史海濤, 景玉鵬, 李超波, 毅 歐, 焦斌斌, 陳大鵬 申請人:中國科學院微電子研究所