一种基于键合技术的光学读出红外探测器阵列的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子机械系统领域，涉及一种光学读出红外探测器阵列的制作方法，特别是涉及一种基于键合技术的光学读出红外探测器阵列的制作方法。
【背景技术】
[0002]光学读出红外探测器阵列的像素结构一般包括:锚、支撑梁(包括双材料梁和隔热梁)和可动微镜。锚站立于衬底之上，可动微镜通过支撑梁与锚相联接，并悬浮于衬底之上。双材料梁一般由两种热膨胀系数相差较大的材料构成，如由金属材料(金、铝或其它金属材料)和介质材料(氧化硅或氮化硅或碳化硅或它们的复合膜)构成；隔热梁由热导系数较小的材料(氧化硅或氮化硅或碳化硅或它们的复合膜)构成；可动微镜部分一般包括可见光反射层(金、铝或其它金属材料)和红外吸收层(氧化硅或氮化硅或碳化硅或它们的复合膜)。
[0003]就现已公开发表的光学读出红外探测器阵列研制方案而言，一般基于硅衬底进行器件结构和工艺设计，其制作方法可以分为两类:
[0004]一类是采用表面微机械加工技术制作(如图1所示)，以硅2为衬底，以氧化娃、磷娃玻璃、多晶娃为牺牲层，一般采用湿法腐蚀释放像素结构(Yang Zhao, MinyaoMaoj Roberto Horowitz, Arunava Majumdarjet al.0ptomechanical UncooledInfrared Imaging System:Design, Microfabricat1n,and Performance,Journal ofMicro-electro-mechanical Systems, Vol.11，No，2，2002:136-146)。由于不需要去除衬底硅，器件的机械强度好，像素之间没有热串扰；由于牺牲层厚度只有几微米，采用这种方法制作的光学读出红外探测器阵列释放后的像素很容易和硅衬底发生黏连，另外红外辐射需要透过硅衬底才能入射到像素结构中的红外吸收层上，而硅在8-14 μ m波长范围内的红外透过率大约为50%左右，也就是说这类器件的红外辐射利用率一般在50%左右。
[0005]另一类是采用体硅微机械工艺制作(如图2所示)，一般采用深反应离子刻蚀(DRIE)方法去除像素下方的娃衬底释放像素阵列(Feng Fei, Jiao Jiwei, X1ng Binand Wang Yuelin.A Novel All-Light Optically Readable Thermal Imaging SensorBased on MEMS Technology.The second IEEE internat1nal conference on sensors.Toronto, Canada.0ctober 22-24，2003:513-516.)，红外福射能无遮挡地入射到像素结构中的红外吸收层上，大幅提高了红外辐射的利用率；由于像素结构下的硅衬底被去除，避免了像素和衬底的黏连；但是深反应离子刻蚀过程中高能粒子的轰击会对像素结构带来一定程度的损伤，去除像素下方的硅衬底会造成器件的机械强度下降；另外如果像素下方的硅衬底被全部去除时，像素之间会有严重的热串扰(Zhengyu Miao, QingchuanZhang, Dapeng Chen and et al.Uncooled IR imaging using optomechanical detectors.Ultramicroscopy 107(2007):610 - 616)0
[0006]针对上述问题，我们提出了一种新的基于键合技术的光学读出红外探测器阵列的制作方法。
【发明内容】
[0007]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于键合技术的光学读出红外探测器阵列的制作方法，用于解决现有技术中所公开的制作方法不能同时满足光学读出红外探测器阵列对器件机械强度、热串扰、像素的无损释放和红外辐射利用率等方面的要求的问题。
[0008]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于键合技术的光学读出红外探测器阵列的制作方法，所述制作方法至少包括:
[0009]I)提供一牺牲衬底和一玻璃衬底，将所述牺牲衬底与所述玻璃衬底键合，减薄所述牺牲衬底形成牺牲层；
[0010]2)在所述牺牲层上制作形成像素结构阵列，所述像素结构阵列包括制作于所述牺牲层表面的悬浮结构和制作于牺牲层中且与所述玻璃衬底直接接触的锚；
[0011]3)腐蚀所述牺牲层，释放所述像素结构阵列，形成光学读出红外探测器阵列。
[0012]可选地，所述步骤I)中提供的牺牲衬底为硅衬底、SOI衬底、锗衬底、砷化镓衬底或钛衬底。
[0013]可选地，所述步骤I)中提供的牺牲衬底为硅衬底，形成牺牲层为硅牺牲层，步骤具体包括:将所述硅衬底与玻璃衬底进行阳极键合，键合温度为200?450°C，键合电压为600?1400V，键合之后采用化学机械抛光或者化学腐蚀的方法减薄所述硅衬底，并对减薄后的硅衬底表面进行抛光，获得表面平整的牺牲层。
[0014]可选地，所述步骤I)中提供的牺牲衬底为SOI衬底，所述SOI衬底包括底层硅、埋氧层和顶层硅，形成牺牲层为硅牺牲层，步骤具体包括:将所述SOI衬底中的顶层硅与玻璃衬底进行阳极键合，键合温度为200?450 °C，键合电压为600?1400V，键合之后采用化学腐蚀或刻蚀的方法去除所述SOI衬底中的底层硅和埋氧层，剩下的顶层硅形成牺牲层。
[0015]可选地，所述牺牲层的厚度为d，7 < d彡100 μm。
[0016]可选地，所述步骤2)中形成像素结构阵列的具体过程为:
[0017]2-1A)沉积金属薄膜，采用光刻图形化或剥离工艺在所述牺牲层表面分别形成双材料梁的金属层；
[0018]2-2A)再一次沉积金属薄膜，采用剥离工艺在所述牺牲层表面形成可见光反射层，所述双材料梁的金属层位于所述可见光反射层的两侧；
[0019]2-3A)采用深反应离子刻蚀技术刻蚀所述牺牲层，在所述牺牲层中形成暴露所述玻璃衬底表面的锚区；
[0020]2-4A)沉积介质薄膜，光刻并图形化所述介质薄膜，使锚区中形成锚、牺牲层的表面形成隔热梁、双材料梁的金属层表面形成双材料梁的介质层、可见光反射层表面形成红外吸收层，所述隔热梁形成于双材料梁的两侧，所述隔热梁、双材料梁、可见光反射层和红外吸收层作为一个整体定义为像素结构阵列的悬浮结构。
[0021]可选地，所述步骤2)中形成像素结构阵列的具体过程为:
[0022]2-1B)沉积金属薄膜，采用光刻图形化或剥离工艺在所述牺牲层表面形成可见光反射层；
[0023]2-2B)采用深反应离子刻蚀技术刻蚀所述牺牲层，在所述牺牲层中形成暴露所述玻璃衬底表面的锚区；
[0024]2-3B)沉积介质薄膜，使介质薄膜覆盖步骤2-2B)所获得的整个结构表面；
[0025]2-4B)沉积金属薄膜，采用光刻图形化或剥离工艺在所述可见光反射层两侧的介质薄膜表面形成双材料梁的金属层；
[0026]2-5B)采用光刻并图形化所述介质薄膜，使锚区中形成锚、牺牲层的表面形成隔热梁、双材料梁的金属层和牺牲层之间形成双材料梁的介质层、可见光反射层表面形成红外吸收层，所述隔热梁形成于双材料梁的两侧，所述隔热梁、双材料梁、可见光反射层和红外吸收层作为一个整体定义为像素结构阵列的悬浮结构。
[0027]可选地，所述可见光反射层的厚度远小于所述双材料梁的金属层的厚度。
[0028]可选地，所述可见光反射层的厚度小于50nm。
[0029]可选地，所述介质薄膜为氮化硅薄膜、氧化硅薄膜或者碳化硅薄膜中的一种或多种的组合。
[0030]可选地，所述金属薄膜为铝或者金。
[0031]如上所述，本发明的基于键合技术的光学读出红外探测器阵列的制作方法，具有以下有益效果:
[0032]1.通过键合技术可制作较厚的牺牲层，有效增加了像素结构阵列悬浮结构和衬底之间的距离，从而避免了像素结构阵列和衬底的黏连，保证了像素结构阵列的无损释放；
[0033]2.以玻璃为衬底，像素结构阵列直接制作在玻璃衬底上，避免了像素结构间的热串扰，并使器件具有良好的机械强度；
[0034]3.可见光从玻璃衬底一侧入射，红外辐射则直接入射到像素结构阵列中的红外吸收层上，保证了器件良好的红外利用率；
[0035]4.采用二氟化氙气体腐蚀释放，避免湿法释放或深反应离子刻蚀释放过程对像素结构阵列的破坏，进一步保证了像素结构阵列的无损释放。
【附图说明】
[0036]图1为现有技术中基于表面微机械工艺的光学读出红外探测器结构示意图。
[0037]图2为现有技术中基于体硅微机械工艺的光学读出红外探测器结构示意图。
[0038]图3为本发明基于键合技术的光学读出红外探测器阵列的制作方法流程图。
[0039]图4a?图4g为本发明实施例一制作方法的结构流程图。
[0040]图4h为实施例一制作的基于键合技术的光学读出红外探测器阵列实际应用剖视图。
[0041]图5a?图5h为本发明实施例二制作方法的结构流程图。
[0042]图5i为实施例二制作的基于键合技术的光学读出红外探测器阵列实际应用剖视图。
[0043]图6为本发明的制作方法所制作的光学读出红外探测器阵列偏转式像素俯视图。
[0044]图7为本发明的制作方法所制作的