专利名称：一种具有缓和坡度的牺牲层结构的制备方法
技术领域：
本发明涉及微机电系统和红外热成像技术领域，具体涉及一种具有缓和坡度的牺 牲层结构的制备方法。
背景技术：
自1800年英国物理学家赫胥尔发现了红外线以后，由于红外线具有能穿透黑夜、 厚云和浓烟等进行探测和成像的特殊本领，红外探测就成为科研工作者的一个重要研究内 容。红外探测器分为两类光子探测器和热探测器。光子探测器具有很高的灵敏度，但是需 要在体积和功耗都相对较大的制冷器协助下才能正常工作。而热探测器可以在室温下正常 工作，与光子型红外探测器相比，具有体积小、重量轻、价格低和操作简单等很多优点，可用 于军事领域、公安消防、汽车夜视、防盗保安和医学诊断等民用领域，具有广泛的应用前景 和市场前景。用于红外成像的热探测器仰赖于敏感材料吸收红外辐射而产生的温度变化，现场 的温度每变化rc导致探测器中大约o. oorc及以上的温度变化，因此试图使被吸收的辐 射量最大化是重要的。敏感材料具有温度相关的性质，此种性质允许温度上的变化幅度能 够应用电子学线路来探测、放大以及显示。例如电阻式微测热辐射计阵列，它可以利用某些 材料中出现的电阻随温度的变化进行信号探测。在所有各种热探测器中，有利的是要最大程度地提高敏感材料因吸收红外辐射而 产生的温升及电阻变化，但是热量会从敏感材料或支撑材料带走到底部连接部分，因而任 何热传导机制都会减弱红外热成像器件的探测结果。这就导致了探测器的设计需要最大程 度地实现敏感材料或支撑材料的热绝缘。如何合理的设计微结构来减弱向底部的热传导非 常重要，通常红外热探测器的敏感单元与衬底是隔离的，即敏感单元处于悬空状态。另外对 电信号读出与微结构机械刚性的要求包括敏感材料需要实现稳定的物理连接，以实现温度 或电阻变化的有效传递。因为在器件微结构设计上即要支撑部分有保证较好的刚性又要尽 量减小支撑部分的体积来减弱敏感信号的热传导。部分红外热成像的微桥结构中采用异向性的湿法刻蚀加工方法进行硅V形槽 结构的制备(Shie, Chen, etc, Journal of Microelectromechanical System, Vol. 15, No. 4，1996)，这种设计的加工过程可能比期望的要复杂。类似的结构在文献(Lavrik N.， etc. “ Uncooled MEMS IR Imagers with Optical Readout and ImageProcessing", Proceedings of the SPIE，Vol. 6542，pp. 65421E，2007)中也有报道，他们采用硅衬底刻蚀 形成支撑桥腿，然后覆盖二氧化硅作为牺牲层，覆盖后进行化学机械抛光露出桥腿图案，进 而沉积支撑材料和敏感材料，刻蚀后进行二氧化硅作牺牲层的湿法释放以形成桥结构。美 国Honeywell公司在1995年申请的专利中(US005450053)也提到了这种将衬底硅材料腐 蚀出V形槽的方法。这些做法且不利于底部集成CMOS驱动电路的制作，不利于后续各功能 层的制备工艺兼容，并且不利于提高热辐射计敏感单元的占空比，因而在高密度的非致冷 红外微测热辐射计中很少采用湿法刻蚀硅凹槽的结构。
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另一种有效的方法采用两个或多个微细的桥腿来支撑敏感层及其他功能层，这种 结构的制作过程中，需要首先制备一层牺牲层材料，然后制作后续的各个功能图形，最后将 该牺牲层去除掉，使得敏感层薄膜与衬底隔离，只用微细的桥腿与衬底相连。美国Honeywell研究中心经过多年研究最早进行非制冷红外探测器件的相关研 究，在Honwywell公司1993年申请的专利(US005260225A)中提到了采用多晶硅作为敏感 材料制作探测器，其中选用的牺牲层材料为CVD方法制作的氧化物，最后用刻蚀剂去除掉 牺牲层。这种方法首先制备牺牲层薄膜复杂，再者牺牲层图形化需要进行光刻、刻蚀、去胶 等步骤，这需要投入较多设备和相关材料，工艺流程复杂，最后使用湿法溶剂去除掉牺牲层 容易导致微桥结构的塌陷，进而单元性能失效。与之类似的是日本NEC在专利US9339220B1 中采用多晶硅作为牺牲层，用锰复合物或钒复合物作为敏感材料制作探测器，最后用湿法 腐蚀去掉该牺牲层，这种方式同样存在如前所述的不足。Honeywell公司另一个基于氧化钒敏感薄膜的微桥制备设计专利(US005286976A) 中提到了采用光敏玻璃作为牺牲层材料，没有说明该层的详细制作方法和效果。Raytheon公司在一个制作红外探测器的专利(US005399897A)中涉及到了将牺牲 层边缘倾斜的方法，该专利中采用polydimethyl glutarimide (PMGI)作为牺牲层，依次进 行该层薄膜的沉积、光刻和刻蚀步骤，此时牺牲层断面坡度陡立，然后在进行高温烘烤的过 程使得PMGI融化从而降低材料图形断面的坡度。这种方法虽然减缓了牺牲层坡度，但是制 备工艺步骤复杂，所需设备和材料较多，增大了器件的制备成本。Indigo Systems公司在所申请的高填充因子红外微辐射探测器的专利 (US006958478B2)中提出了采用聚酰亚胺作为牺牲层材料，最后用等离子去胶的方法将牺 牲层释放。Raytheon公司也在小单元尺寸红外探测器的制备专利(US006144030A)中采用 聚酰亚胺作为底层的牺牲层材料，顶层的牺牲层可能采用二氧化硅或多晶硅或聚合物。专 利ZL 200410061385. 9中采用聚酰亚胺作为牺牲层，首先用光刻工艺形成聚酰亚胺薄膜孤 岛和桥墩孔，然后采用金属填充桥墩孔，接着覆盖上复合薄膜层，而后刻蚀复合薄膜层形成 桥面和桥腿并进行氧等离子去除聚酰亚胺形成微桥结构。这些专利中虽然采用了聚酰亚 胺薄膜作为牺牲层材料，但是没有提及聚酰亚胺图形的详细制作方法和断面缓和坡度的改 进。因此十分必要制备出具有缓和倾斜坡度的聚酰亚胺牺牲层结构，即要保证桥面电 极与底部电路的稳定电学连通，降低桥腿爬坡过程中的急剧高度变化引起的桥面形变，又 要尽量减小工艺流程，降低器件的制作成本。
发明内容
本发明所要解决的问题是如何提供一种具有缓和坡度的牺牲层结构的制备方 法，该方法克服了现有技术中牺牲层制备流程复杂、牺牲层断面坡度较大等不足，降低了桥 腿爬坡过程中的急剧高度变化引起的桥面形变，降低了器件的制作成本。本发明所提出的技术问题是这样解决的提供一种具有缓和坡度的牺牲层结构的 制备方法，其特征在于，包括以下步骤①在带有驱动电路20的衬底10上制备一层厚度均勻的牺牲层30，驱动电路20预 留有与顶层电极连接的电路接口 21 ；
②对经步骤①得到的衬底10进行烘烤，使表面液态化的牺牲层30中的水汽及部 分溶剂挥发；③对烘烤后的牺牲层30进行曝光操作采用不同掩膜图形尺寸的光掩膜板进行 多次曝光，每次曝光都需要将衬底图形与掩膜版图形对准，被曝光区域与电路接口 21对应 并且面积每次都不相同；④将经步骤③曝光完成的衬底10进行烘烤，然后进行显影操作，将牺牲层30被曝 光的部分除去，与电路接口 21对应的区域由于曝光量的差异，显影速度不同，显影完成后 牺牲层30与电路接口 21对应的区域边缘呈现出缓和的坡度并将电路接口 21暴露出来；⑤将步骤④得到的衬底10进行亚胺化操作，然后进行后续功能薄膜60的制备，功 能薄膜60覆盖在牺牲层30的表面，同样呈现出缓和的坡度。按照本发明所提供的具有缓和坡度的牺牲层结构的制备方法，其特征在于，在步 骤③中，曝光的次数应大于或者等于2次。按照本发明所提供的具有缓和坡度的牺牲层结构的制备方法，其特征在于，在步 骤③中，设定光掩膜板42的图形尺寸为正常大小，光掩膜板41的线条尺寸偏大，光掩膜板 43的线条尺寸偏小，用光掩膜41与衬底10图形进行对位，然后执行曝光操作，由于光掩膜 41的图形尺寸比正常尺寸偏大，被曝光的牺牲层面积偏小，衬底10不动，依次更换光掩膜 板42、光掩膜板43进行对位曝光操作，在衬底10上曝光出与电路接口 21中心对应的区域 曝光量大，邻接周边曝光量小的曝光区域。按照本发明所提供的具有缓和坡度的牺牲层结构的制备方法，其特征在于，所述 牺牲层材料为光敏聚酰亚胺或其他具有光敏感性质的材料，厚度为1 5 ym，其中多数厚 度应在1. 5 3iim之间。本发明的有益效果本发明克服前述一些探测器微桥结构中牺牲层制备流程复 杂、牺牲层断面坡度较大等不足，提供一种具有缓和断面坡度的牺牲层结构的制备方法，它 通过不同光掩膜多次曝光的方法实现了牺牲层的缓和坡度结构，该坡度缓和的牺牲层结构 即保证桥面电极与底部电路的稳定电学连通，降低桥腿爬坡过程中的急剧高度变化引起的 桥面形变，又减小了制备工艺流程，降低器件的制作成本，为高性能红外辐射阵列探测器提 供了有力支持。
图1为已具有底部驱动电路的衬底，其中10为衬底，20为带有电路接口的驱动电 路，21为电路接口 ；图2为制备牺牲层30后的衬底示意图，30为牺牲层；图3为进行牺牲层多次曝光的示意图。以三次曝光为例，其中图3(a)用光掩膜板 41进行曝光，牺牲层曝光区域为31区域，图3 (b)为用光掩膜板42进行曝光，牺牲层曝光区 域为32区域，图3(c)为用光掩膜板43进行曝光，牺牲层曝光区域为33区域，三次曝光均 要对准电路接口 21，因此三次的曝光区域有重叠；图4为完成牺牲层图案沉积功能薄膜60的示意图。图中牺牲层显影后切面呈现 倾斜的斜坡，如图中坡度50所示，沉积功能薄膜60后，薄膜在具有倾斜斜坡的牺牲层图形 位置有良好的覆盖；
图5为具有斜坡结构牺牲层图形的扫描电镜测试图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述本发明所述的坡度缓和的牺牲层结构制备流程包括在带有驱动电路20的衬底10上制备一层厚度均勻的牺牲层30薄膜，如图2所示， 该层薄膜的制备可以采用旋转涂覆工艺也可以采用丝网印刷的方法制备，其中衬底的驱动 电路部分需要留有与顶层电极连接的电极接口 21 ；对衬底进行前烘烤流程，使得表面液态的牺牲层材料中的水汽及部分溶剂挥发， 利于提高线条的分辨率。实现前烘烤可以采用热板也可以采用烘箱；然后对烘烤后的牺牲层30进行曝光操作，需要用不同掩膜版进行多次曝光，这里 以用3块光掩膜为例进行该步骤的详细阐述设定光掩膜板42的图形尺寸为正常大小，光 掩膜板41的线条尺寸偏大，光掩膜板43的线条尺寸偏小，用光掩膜41与衬底10图形进行 对位，然后执行曝光操作，由于光掩膜41的图形尺寸比正常尺寸偏大，因此被曝光的牺牲 层面积偏小，如图3 (a)中31所示，衬底10不动，依次更换光掩膜42、光掩膜43进行对位曝 光操作，在衬底片上曝光的面积分别如图3(b)、3(c)中的32、33所示；将三次曝光完成的衬底10进行曝光后烘烤，然后进行显影操作，将曝光的部分牺 牲层材料去除，由于31、32、33三个区域曝光量的差异，不同区域的显影速度会有不同，显 影完成后牺牲层图形边缘的呈现出缓和的坡度，如图4中50所示，并且显影后驱动电路的 电极接口 21会部分暴漏的表面，以便于与顶层电极的连接；对完成牺牲层图形的衬底进行亚胺化操作，完成后再进行后续功能薄膜60的制 备，后续薄膜因为是覆盖在牺牲层上面，同样呈现出缓和的爬坡状态，因而增强了探测器桥 面电极与底部电路的稳定电学连通，同时降低桥腿爬坡过程中的急剧高度变化引起的桥面 形变。衬底10最好将电子驱动电路设置在内，这样它允许提供电子电路来处理微桥结 构产生的信号，并可以提供一个兼有微桥结构器件和底部驱动电路的单个密封装置。底部 驱动电路最好与半导体工艺的CMOS电路步骤相互兼容，这样可以采用标准加工过程从而 降低结构的价格成本和提高器件的稳定性。同时在完成电路驱动以后的衬底要留有与微桥 结构的接口，以保证微桥受辐射产生的变化可以迅速传递给电路部分。这里强调的是为底 层电路留出与微桥器件的电路接口，接口的大小和形状可以进行多种变化。牺牲层材料优选为光敏聚酰亚胺，它能够容易的通过旋涂和光刻方法制备出所需 的形状。牺牲层材料也可以为其他具有光敏性质的涂层材料，通过光刻方法将其制备成所 需形状。牺牲层的厚度大约为1 5iim，其中多数厚度应在1.5 3iim之间。可以理解， 此牺牲层最终的厚度决定着微桥桥面与衬底之间的距离。牺牲层的去除可以用氧等离子轰 击或者用反应离子刻蚀清除，在去除方法中注意工艺的兼容性。这里需要强调的是采用光 敏聚酰亚胺材料作为牺牲层可以直接用曝光显影的方法完成图形的制作，而不用其他牺牲 层那样需要进行刻蚀等步骤才能图形化，并且其最后去除可以用等离子体灰化完成，而不 用湿法溶剂。它的优势在于可以大大简化工艺步骤，减少工艺设备，并且避免因去除牺牲层 导致的器件微桥结构坍塌等失效现象。牺牲层要开出窗口位置要露出底层电路的电极接口，以方便微桥单元测试信号的连接。牺牲层开出窗口的大小和形状可以进行多种变化。牺牲层采用多次曝光的方法来实现，这里所说的多次是指大于等于2次，并不局 限于前述的3次曝光。多次曝光需要用到不同的光掩膜版，这些光掩膜图形的构架是基本 一致的，不同的是图形存在向外延伸或者向内收缩的情况，延伸或收缩的量要也结合具体 工艺和牺牲层倾斜坡度要求来制定。在进行多次曝光的过程中，每次曝光前掩膜版必须要 和衬底图形进行对位，不同掩膜版之间曝光的先后顺序并不是固定的，可以进行前后调整。 多次曝光的曝光剂量可以相同，也可以不同，设定牺牲层一次完全曝光所需的曝光量为I， 则多次曝光中每次曝光的剂量在I/10-I之间选择。牺牲层在亚胺化完成后断面呈现斜坡结构，斜坡角度的角度在20-50°。在牺牲层 上采用化学气相沉积或蒸发或溅射等方法沉积薄膜时，会在牺牲层上面形成良好的覆盖， 薄膜在缓和斜坡上沉积的厚度与平坦处衬底的薄膜厚度相差较小，避免了原来器件中因牺 牲层坡度陡导致的薄膜覆盖率低、薄膜断裂和薄膜应力大等情况。这大大提高了红外探测 器件的电学和力学稳定性。通过选用如上各层材料及工艺要求，采用前面简述的工艺步骤，即可完成具有缓 和坡度结构的牺牲层制备，工艺步骤的部分方法在实施例中详述。实施例1本发明提供一种用于红外辐射探测器的具有斜坡结构牺牲层的制备方法，该方法 优选光敏聚酰亚胺为牺牲层材料，通过用不同掩膜进行多次曝光的步骤来实现牺牲层图形 侧壁的缓和坡度结构。该结构在已经制备好底部驱动电路20的硅衬底10上展开，底部驱动电路20已经 留出与上层微桥结构的电路接口 21 ；在制备聚酰亚胺(PI)薄膜前，先清洗衬底表面，去除表面沾污。并对衬底进行 200°C下烘烤，以除去表面的水汽，增强光刻胶的粘接性能。用自动涂胶轨道进行光敏聚酰亚胺薄膜30的涂覆，聚酰亚胺薄膜的厚度可以通 过转速进行调节，并且可以对聚酰亚胺进行稀释以让其达到合适的粘度，对涂覆的PI进行 120°C下的烘烤以除去部分胶内的溶剂，利于曝光线条的整齐。PI涂覆的厚度在1-8 ym范 围内；采用NIKON光刻机对PI进行3次曝光操作首先选用光掩膜板41与衬底片进行 对位，设置曝光量时间为400ms进行衬底曝光，再选掩光膜板42与衬底10进行对位，设置 曝光量时间为300ms进行衬底曝光操作，然后选光掩膜板43与衬底片进行对位，设置曝光 量时间为200ms进行衬底曝光操作，三次曝光后衬底片可以进行显影；经过曝光的衬底送到自动显影轨道进行胶的显影，显影液为通用的正胶显影液 TMAH,由于不同掩膜的曝光区域不一致，导致不同区域的显影速度不一致，中心区域曝光量 大，边缘区域曝光量小，因此显影后PI图形呈现出缓和的坡度形状，PI图形显影后需露出 底层电路接口 21，以和微桥桥面的电极相连，如图4中50区域所示；随后将聚酰亚胺薄膜放置在用惰性气体保护的退火烘箱中进行亚胺化处理，亚胺 化温度为阶段上升设置，最低为室温，最高温度在250°C -400°C，恒温时间为30-120min，亚 胺化后PI厚度在1-5 y m范围内，亚胺化后的薄膜采用扫描电子显微镜进行表面测试，结果 如图5所示，PI图形边缘呈现出缓和的坡度，坡度大小约40° ；
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采用PECVD设备及混频溅射技术制作氮化硅功能层60，制备氮化硅层的厚度范围 在0.2 lym范围内，由于PI孔的侧面具有缓和的坡度，因此氮化硅薄膜在PI孔处有着 良好的台阶覆盖，如图4所示；在其他功能层制备完成后，即可进行微桥桥面的刻蚀和释放，因为氮化硅功能层 具有缓和的坡度，制作出器件在电学连通和防止形变方面都有显著的提高。所做的微桥结 构具有良好的支撑稳定性，释放后的桥面坍塌率< 0. 3%，同时又能够有效的与底部电路连
通o实施例2牺牲层结构在已经制备好底部驱动电路20的硅衬底10上展开，底部驱动电路20 已经留出与上层微桥结构的电路接口 21 ；牺牲层薄膜的涂覆过程同前；采用NIKON光刻机对PI进行2次曝光操作首先选用掩膜板41与衬底片进行对 位，设置曝光量时间为500ms进行衬底曝光，再选光掩膜板42与衬底片进行对位，设置曝光 量时间为300ms进行衬底曝光操作，两次曝光后衬底片可以进行显影；经过曝光的衬底送到自动显影轨道进行胶的显影，显影液为标准的正胶显影液 TMAH,由于不同掩膜的曝光区域不一致，导致不同区域的显影速度不一致，中心区域曝光量 大，边缘区域曝光量小，因此显影后PI图形呈现出缓和的坡度形状，PI图形显影后需露出 底层电路接口 21，以和微桥桥面的电极相连；随后将聚酰亚胺薄膜放置在用惰性气体保护的退火烘箱中进行亚胺化处理，亚胺 化温度为阶段上升设置，最低为室温，最高温度在250°C -400°C，恒温时间为30-120min，亚 胺化后PI厚度在1-5 y m范围内。亚胺化后的薄膜采用扫描电子显微镜进行表面测试，结 果如图5所示，PI图形边缘呈现出缓和的坡度，坡度大小约40° ；采用磁控溅射方法制备铝薄膜60，铝薄膜的厚度在0. 05 0. 3 y m范围内。该层 铝图形覆盖牺牲层上并与底层电路接口 21相连，该层作用是将敏感层受红外辐射后的电 学变化传递给底层驱动电路(20)，由于PI孔的侧面具有缓和的坡度，因此氮化硅薄膜在PI 孔处有着良好的台阶覆盖，电学连通性非常稳定，如图4所示。
权利要求
一种具有缓和坡度的牺牲层结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤①在带有驱动电路(20)的衬底(10)上制备一层厚度均匀的牺牲层(30)，驱动电路(20)预留有与顶层电极连接的电路接口(21)；②对经步骤①得到的衬底(10)进行烘烤，使表面液态化的牺牲层(30)中的水汽及部分溶剂挥发；③对烘烤后的牺牲层(30)进行曝光操作采用不同掩膜图形尺寸的光掩膜板进行多次曝光，每次曝光都需要将衬底图形与掩膜版图形对准，被曝光区域与电路接口(21)相对应并且面积每次都不相同；④将经步骤③曝光完成的衬底(10)进行烘烤，然后进行显影操作，将牺牲层(30)被曝光的部分除去，与电路接口(21)对应的区域由于曝光量的差异，显影速度不同，显影完成后牺牲层(30)与电路接口(21)对应的区域边缘呈现出缓和的坡度并将电路接口(21)暴露出来；⑤将步骤④得到的衬底(10)进行亚胺化操作，然后进行后续功能薄膜(60)的制备，功能薄膜(60)覆盖在牺牲层(30)的表面，同样呈现出缓和的坡度。
2.根据权利要求1所述的具有缓和坡度的牺牲层结构的制备方法，其特征在于，在步 骤③中，曝光的次数应大于或者等于2次。
3.根据权利要求1或2所述的具有缓和坡度的牺牲层结构的制备方法，其特征在于， 在步骤③中，设定光掩膜板(42)的图形尺寸为正常大小，光掩膜板(41)的线条尺寸偏大， 光掩膜板(43)的线条尺寸偏小，用光掩膜板(41)与衬底(10)图形进行对位，然后执行曝 光操作，由于光掩膜板(41)的图形尺寸比正常尺寸偏大，被曝光的牺牲层面积偏小，衬底 (10)不动，依次更换光掩膜板(42)、光掩膜板(43)进行对位曝光操作，在衬底(10)上曝光 出与电路接口(21)中心对应的区域曝光量大，邻接周边曝光量小的曝光区域。
4.根据权利要求1所述的具有缓和坡度的牺牲层结构的制备方法，其特征在于，所述 牺牲层(30)材料为光敏聚酰亚胺，厚度为1 5i!m。
全文摘要
本发明公开了一种具有缓和坡度的牺牲层结构的制备方法，该方法通过多次掩膜曝光实现牺牲层图形的制作，使得制备出牺牲层侧壁具有缓和的斜坡形状。该具有斜坡结构的牺牲层能克服现有技术中的缺陷，既保证了桥结构高落差下的稳定电学连通，降低桥腿爬坡过程中的急剧高度变化引起的桥面形变，又简化了制备工艺流程，为高性能红外辐射阵列探测器提供了有力支持。
文档编号G03F7/00GK101872119SQ201010194660
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月8日 优先权日2010年6月8日
发明者吴志明, 彭自求, 王军, 蒋亚东 申请人:电子科技大学