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、生长多晶硅填满沟槽；
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，生长多晶硅是采用LPCVD(低压化学气项淀积) 工艺在单晶硅片上表面生成一层多晶硅，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，通过多晶硅干法刻蚀多余 的多晶硅实现的。
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、多晶硅沟 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釆取的技术手段及功 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0. 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101正面生长一层多晶硅层105，多晶硅层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上除沟槽中以外的多晶硅；
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101的双面生长厚度在0. 1 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. 1微米到0. 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，K0H (氢氧化钾)溶液或TMAH (四甲基氢氧化铵)溶液，浓度分别为 33%的K0H (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 (二氟化氙)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、生长多晶硅填满沟槽；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1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1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1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，生长多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多晶硅，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，通过多晶硅干法刻蚀多余的多晶硅实现的。
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7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7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1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1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氤作为腐蚀气 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.生长多晶硅填满沟槽；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G01J5/20GK101538005SQ20091008027
公开日2009年9月23日 申请日期2009年3月17日 优先权日2009年3月17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