MEMS双层悬浮微结构的制作方法和MEMS红外探测器与流程

本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种MEMS双层悬浮微结构的制作方法和MEMS红外探测器。

背景技术：

MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微电子机械系统)是利用集成电路制造技术和微加工技术把微结构、微传感器、微执行器、控制处理电路甚至接口和电源等制造在一块或多块芯片上的微型集成系统。与传统红外探测器相比，采用MEMS技术制备的红外探测器在体积、功耗、重量以及价格等方面有十分明显的优势。目前，利用MEMS技术制作的红外探测器已广泛用于军事和民用领域。按照工作原理的不同，红外探测器主要分为热电堆、热释电和热敏电阻探测器等。热电堆红外探测器通过塞贝克效应将红外辐射导致的温度变化转换为电压信号输出。热释电红外探测器是通过受热物体中的电荷堆积来测量红外辐射导致的温度变化。热敏电阻红外探测器通过读取电阻阻值的变化来测量红外辐射导致的温度变化。目前，MEMS红外探测器一般都采用单层悬浮微结构，这种工艺虽很简单，但是当红外探测器芯片尺寸减小时，用作红外辐射吸收的悬浮吸收区域(膜状吸收层)相应地也会减小，这样会大大降低红外探测器的红外响应率。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种MEMS双层悬浮微结构的制作方法，该MEMS双层悬浮微结构的制作方法可以制作出较高红外响应率的红外探测器。此外，还提供一种MEMS红外探测器。

一种MEMS双层悬浮微结构的制作方法，包括步骤：

提供基片；

在基片上形成第一介质层；

将所述第一介质层图形化以制作第一膜体和连接所述第一膜体的悬臂梁；

在所述第一介质层上形成牺牲层；

将位于所述第一膜体上的牺牲层图形化以制作出用于形成支撑结构的凹部，所述凹部的底部暴露出所述第一膜体；

在所述牺牲层上形成第二介质层；

将所述第二介质层图形化以制作出第二膜体和所述支撑结构，所述支撑结构连接所述第一膜体和所述第二膜体；

去除所述第一膜体下的部分基片，去除所述牺牲层，得到MEMS双层悬浮微结构。

在其中一个实施例中，采用干法刻蚀工艺去除所述第一膜体下的部分基片。

在其中一个实施例中，采用气相氟化氙干法刻蚀工艺或深反应离子刻蚀工艺去除所述第一膜体下的部分基片。

在其中一个实施例中，所述牺牲层为聚酰亚胺层，采用氧离子干法刻蚀工艺去除所述牺牲层；或

所述牺牲层为非晶硅，采用干法刻蚀工艺去除所述牺牲层。

在其中一个实施例中，所述牺牲层的厚度为500nm～3000nm。

在其中一个实施例中，所述第一介质层和第二介质层的厚度均为100nm～2000nm。

在其中一个实施例中，形成所述第一介质层和第二介质层的材质为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其两两组合层叠或三种组合层叠。

在其中一个实施例中，所述悬臂梁为两条，分别位于所述第一膜体的两侧。

在其中一个实施例中，所述第二膜体在水平方向上的投影面积比所述第一膜体在水平方向上的投影面积大。

一种MEMS红外探测器，包括利用上述的MEMS双层悬浮微结构的制作方法制作出的MEMS双层悬浮微结构。

上述MEMS双层悬浮微结构的制作方法，可以制作出具有双层的悬浮微结构，用该双层悬浮微结构(具备第一膜体和第二膜体的悬浮微结构)制作的红外探测器，由于第二膜体不需要制作悬臂梁，所以第二膜体可以制作得比第一 膜体大，因而可以比单层悬浮微结构的红外探测器拥有更大的悬浮吸收区域，从而具备较高的红外响应率。当红外探测器芯片尺寸减小时，相对于传统的单层悬浮微结构的红外探测器来说，尽管用作红外辐射吸收的悬浮吸收区域(第二膜体)也相应地也会减小，但是由于第二膜体不需要制作悬臂梁，所以第二膜体可以制作得比第一膜体大，因而即使当红外探测器芯片尺寸减小时也可以比单层悬浮微结构的红外探测器拥有更大的悬浮吸收区域，这样会较传统的单层悬浮微结构的红外探测器大大提高红外响应率。

附图说明

图1是一实施例MEMS双层悬浮微结构的制作方法的流程图；

图2是将第一介质层图形化后的侧面示意图；

图3是将第一介质层图形化后的俯视示意图；

图4是牺牲层图形化后的侧面示意图；

图5是牺牲层图形化后的俯视示意图；

图6是形成第二介质层后的侧面示意图；

图7是MEMS双层悬浮微结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。

图1是一实施例MEMS双层悬浮微结构的制作方法的流程图。

一种MEMS双层悬浮微结构的制作方法，包括步骤：

步骤S100：提供基片100。基片100可以是已布有电路结构的基片。

步骤S200：在基片100上形成第一介质层200。采用淀积工艺形成第一介质层200，第一介质层200的厚度为100nm～2000nm。形成第一介质层200的材质可以为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其两两组合层叠或三种组合层叠。即第一介质层200可以为二氧化硅层、氮化硅层或氮氧化硅层的单层结构，也可以是二氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层两两组合层叠或三种组合层叠的非单层结构。在本实施例为二氧化硅。图2是将第一介质层图形化后的侧面示意图；图3是将第一介质层图形化后的俯视示意图。

步骤S300：将第一介质层200图形化以制作第一膜体210和连接基片100和第一膜体210的悬臂梁220。见图3，在本实施例中悬臂梁220为两条，分别位于第一膜体210的两侧。悬臂梁220十分细小，与基底100的接触面积远小于红外吸收区域(此处为第一膜体210)，防止红外能量快速被基片100吸收。

步骤S400：在第一介质层200上形成牺牲层300。牺牲层300可以是聚酰亚胺层和非晶硅中的一种。如果是聚酰亚胺，则用涂覆的方式形成牺牲层300；如果是非晶硅，则采用淀积工艺形成牺牲层300。牺牲层300的厚度为500nm～3000nm。

步骤S500：将位于第一膜体210上的牺牲层300图形化以制作出用于形成支撑结构的凹部310，凹部310的底部暴露出第一膜体210。见图4和图5，凹部310在本实施例中为一个，暴露在第一膜体210的上方且位于第一膜体210上的牺牲层的中间位置。图4是牺牲层图形化后的侧面示意图；图5是牺牲层图形化后的俯视示意图。

步骤S600：在牺牲层300上淀积形成第二介质层400。第二介质层400的厚度为100nm～2000nm，形成第二介质层400的材质可以为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其两两组合层叠或三种组合层叠。即第二介质层400可以为二氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层的单层结构，也可以是二氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层两两组合层叠或三种组合层叠的非单层结构。在本实施例为二氧化硅。图6是形成第二介质层后的侧面示意图。

步骤S700：将第二介质层400图形化以制作出第二膜体410和支撑结构420，支撑结构420连接第一膜体210和第二膜体410。在牺牲层300的凹部310上淀积并图形化的介质层作为支撑结构420，连接支撑结构420四周的区域形成第二膜体410。见图6，由于第二膜体410上不需要制作悬臂梁，所以第二膜体410在水平方向上的投影面积可以制作得比第一膜体210在水平方向上的投影面积大。使用牺牲层300使第二模体410固定在第一模体210上。

步骤S800：去除第一膜体210下的部分基片110，去除牺牲层300，得到MEMS双层悬浮微结构，见图7。如果牺牲层300是非晶硅，可以采用干法刻蚀工艺刻蚀掉第一膜体210下的部分基片110和牺牲层300；如果牺牲层300是聚酰亚胺，可以采用干法刻蚀工艺先从基片100背面刻蚀掉第一膜体210下的部分基片110，然后再利用氧离子干法刻蚀工艺去除牺牲层300，得到MEMS双层悬浮微结构。刻蚀非晶硅或者第一膜体210下的部分基片110，可以采用气相氟化氙干法刻蚀工艺(例如二氟化氙XeF2)或深反应离子刻蚀工艺(DRIE)去除。

氧离子干法刻蚀工艺其工作原理是在真空系统中通入少量氧气，加高电压使氧气电离，从而形成氧等离子的辉光柱。活性氧可以迅速将聚酰亚胺氧化并生成可挥发气体，从而实现刻蚀。在其他实施例中，所有能够通过半导体刻蚀工艺除去的材料都能够替代聚酰亚胺作为本方法中的牺牲层，半导体刻蚀工艺当然包括利用离子、气体或光来刻蚀的刻蚀工艺，例如氧离子干法刻蚀工艺。

用上述MEMS双层悬浮微结构制作的MEMS红外探测器，第一膜体210和第二膜体410(主要依靠第二膜体410)都可以用来吸收红外的膜状吸收层，吸收的红外能量转化的电信号通过悬臂梁220传到基片100的电路结构。

本发明还公开了一种MEMS红外探测器，包括利用上述的MEMS双层悬浮微结构的制作方法制作出的MEMS双层悬浮微结构。MEMS红外探测器例如可以是热敏电阻红外探测器。

应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而 且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

可以理解，上述MEMS双层悬浮微结构的制作方法，仅描述一些主要步骤，并不代表制作MEMS双层悬浮微结构方法的所有步骤。图2～图7中的图示也是对制作MEMS双层悬浮微结构的过程中器件的一些主要结构的简单示例，并不代表器件的全部结构。

上述MEMS双层悬浮微结构的制作方法，可以制作出具有双层的悬浮微结构，用该双层悬浮微结构(具备第一膜体和第二膜体的悬浮微结构)制作的红外探测器，由于第二膜体不需要制作悬臂梁，所以第二膜体可以制作得比第一膜体大，因而可以比单层悬浮微结构的红外探测器拥有更大的悬浮吸收区域，从而具备较高的红外响应率。当红外探测器芯片尺寸减小时，相对于传统的单层悬浮微结构的红外探测器来说，尽管用作红外辐射吸收的悬浮吸收区域(第二膜体)也相应地也会减小，但是由于第二膜体不需要制作悬臂梁，所以第二膜体可以制作得比第一膜体大，因而即使当红外探测器芯片尺寸减小时也可以比单层悬浮微结构的红外探测器拥有更大的悬浮吸收区域，这样会较传统的单层悬浮微结构的红外探测器大大提高红外响应率。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。