CN103145094B - 形成mems热电堆探测器空腔结构的体硅微加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种形成MEMS热电堆探测器空腔结构的体硅微加工方法，包括：提供硅基底，在硅基底上热氧化生长二氧化硅膜，在二氧化硅膜上形成热电堆区域和红外吸收区域。热电堆区域上靠近红外吸收区域的一端为热结区，远离红外吸收区域的另一端为冷结区。在热电堆结构层上淀积氮化硅和二氧化硅复合膜结构，在复合膜上光刻腐蚀开口。通过腐蚀窗口形成热电堆结构的释放通道。通过释放通道，采用各向同性腐蚀方法腐蚀体硅表面浅层，以形成体硅浅层的薄型空腔；采用各向异性腐蚀方法腐蚀薄型空腔下方的体硅深层，形成规则平滑的梯形空腔结构，最终就形成了体硅内的空腔结构。本方法所形成的空腔结构内表面规则光滑，结构对称性好。

Description

形成MEMS热电堆探测器空腔结构的体硅微加工方法
技术领域
本发明涉及一种形成MEMS空腔结构的体硅微加工技术，特别适用于热电堆红外探测器的制造。
背景技术
红外探测器是红外***中最关键的元件之一。热电堆红外探测器是较早发展的一种非制冷型红外探测器。其工作原理基于赛贝克效应，即两种不同电导体或半导体材料温度差异导致两种材料之间产生电压差。由于热电堆红外探测器具有体积小，可以室温下工作，宽谱红外辐射响应，能够检测恒定辐射量，并且制备成本低等优势，在安全监视、医学治疗、生命探测等方面有广泛应用。
目前，热电堆结构普遍采用薄膜结构，以起到良好的隔热效果。采用MEMS技术制作的热电堆红外探测器多采用从硅片背面进行腐蚀形成全膜结构，此方法需要正反双面对准曝光，且与半导体代工厂的工艺兼容性差。此外，该方法通常采用湿法腐蚀，会产生芯片尺寸大及制造成本高的缺点。目前很多人采用了与CMOS工艺兼容，从硅片正面进行释放热电堆探测器支撑膜的制造工艺，此方法一般是在薄膜表面光刻腐蚀开口，形成热电堆结构释放通道，最后采用各向同性腐蚀工艺释放热电堆结构。此方法的缺陷是侧向钻蚀不可控制，内表面平滑度低，降低热电堆结构对称性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种形成MEMS热电堆探测器空腔结构的体硅微加工方法，形成的空腔结构内表面规则光滑，结构对称性好，工艺实现可控性高。本发明采用的技术方案是：
步骤101，提供硅基底，在硅基底的正面热氧化生长二氧化硅膜；
步骤102，在二氧化硅膜上通过淀积、光刻、刻蚀形成热电堆区域和红外吸收区域；
步骤103，在二氧化硅膜、热电堆区域和红外吸收区域上淀积复合膜结构；复合膜结构的上层为Si3N4钝化层，下层为二氧化硅保护层；
步骤104，在Si3N4钝化层表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在光刻胶上形成光刻胶开口图形，即腐蚀开口；然后利用RIE技术刻蚀腐蚀开口下方的材料，直到达到硅基底为止，以形成热电堆结构的释放通道；
步骤105，通过释放通道，采用各向同性腐蚀方法腐蚀体硅表面浅层，以形成体硅浅层的薄型空腔；
步骤106，通过释放通道和薄型空腔，采用各向异性腐蚀方法腐蚀薄型空腔下方的体硅深层，形成规则平滑的梯形空腔结构。
本发明的优点：采用各向同性腐蚀与各向异性腐蚀技术相结合的双腐蚀工艺释放热电堆探测器腔体，使得热电堆探测器结构对称，制造过程可控性高，可制造性强与传统CMOS工艺兼容。
附图说明
图1为本发明形成二氧化硅膜后的示意图。
图2为本发明形成热电堆区域和红外吸收区域后的示意图。
图3为本发明淀积复合膜结构后的示意图。
图4为本发明形成释放通道后的示意图。
图5为本发明形成薄型空腔后的示意图。
图6为本发明形成梯形空腔结构后的示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提出的具有空腔结构的红外热电堆探测器结构如图6所示，在硅基底1上热氧化生长二氧化硅（SiO2）膜2，在二氧化硅膜2上形成热电堆区域3和红外吸收区域4，其中热电堆结构可采取多种形式如圆形、矩形等。热电堆区域3上靠近红外吸收区域4的一端为热结区31，远离红外吸收区域4的另一端为冷结区32。在热电堆结构层上淀积氮化硅和二氧化硅复合膜结构5，在复合膜上光刻腐蚀开口6。通过腐蚀窗口6形成热电堆结构的释放通道61，释放硅基底形成空腔7，其中空腔7由各向同性腐蚀工艺形成的体硅浅层的薄型空腔71和各向异性腐蚀工艺形成的体硅深层的梯形空腔结构72组成。具体方法过程如下所述。
步骤101，提供硅基底1，在硅基底1的正面热氧化生长二氧化硅（SiO2）膜2；具体如图1所示，所采用的硅基底1可以是双面抛光单硅基底、P型掺杂硅基底或N型掺杂硅基底中的一种。本例采用双面抛光单硅基底。在硅基底1的正面通过干氧氧化的方式生长二氧化硅（SiO2）膜2，该二氧化硅膜2的厚度为5000Å，干氧氧化时温度为950℃，氧气的含量为60%。
步骤102，在二氧化硅膜2上通过淀积、光刻、刻蚀形成热电堆区域3和红外吸收区域4；
如图2所示，热电堆区域3上靠近红外吸收区域4的一端为热结区31，远离红外吸收区域4的另一端为冷结区32，热电堆组成材料可以是多晶硅/金属、掺杂硅/铝、N型多晶硅/P型多晶硅等与CMOS工艺兼容材料。形成热电堆区域3和红外吸收区域4的工艺步骤是本领域的常见技术手段，并且不是本方法的重点，在此对于其详细的工艺过程不作深入展开。本发明的重点在于形成体硅内的空腔结构的过程。
步骤103，在二氧化硅膜2、热电堆区域3和红外吸收区域4上淀积复合膜结构5；复合膜结构5的上层为Si3N4钝化层，下层为二氧化硅保护层；
具体如图3所示，在二氧化硅膜2、热电堆区域3和红外吸收区域4上先通过LPCVD技术生长保护膜材料SiO2，厚度为4000Å，以形成二氧化硅保护层；然后通过LPCVD技术生长钝化层材料Si3N4，厚度为4000Å，以形成Si3N4钝化层。LPCVD技术生长复合膜结构5时，工作炉管温度为800℃，压强为200mTorr，淀积速率10~20nm/min。
步骤104，在Si3N4钝化层表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在光刻胶上形成光刻胶开口图形，即腐蚀开口6；然后利用RIE（反应离子刻蚀）技术刻蚀腐蚀开口6下方的材料，直到达到硅基底1为止，以形成热电堆结构的释放通道61；
具体如图4所示，在Si3N4钝化层表面旋涂光刻胶，然后在需要产生释放通道的对应的Si3N4钝化层表面位置通过光刻工艺在光刻胶上形成光刻胶开口图形，即腐蚀开口6；利用RIE技术刻蚀腐蚀开口6位置下方的材料（包括Si3N4钝化层、二氧化硅保护层、二氧化硅膜2中的材料），直到达到硅基底1为止，以形成热电堆结构的释放通道61。最后利用氧等离子体干法去胶与硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除Si3N4钝化层表面的光刻胶。上述RIE刻蚀时的RF功率为150W，腔体压力为400mTorr，刻蚀气体为CHF3、He、SF6混合气体，对应的流量为7/100/30sccm。形成的释放通道61直径为14um。每一个释放通道间的距离为15um。
步骤105，通过释放通道61，采用各向同性腐蚀方法腐蚀体硅（即硅基底1）表面浅层，以形成体硅浅层的薄型空腔71；
具体如图5所示，腐蚀气体或液体可以经步骤104中形成的释放通道61腐蚀体硅表面浅层以形成薄型空腔71。本例采用XeF2气体干法刻蚀技术各向同性腐蚀热电堆区域3和红外吸收区域4下方的体硅表面浅层，步骤101中热氧化生长的二氧化硅（SiO2）膜2在腐蚀释放体硅的过程中起到阻挡腐蚀的作用，从而形成薄型空腔71。采用XeF2气体干法刻蚀，是由于XeF2腐蚀选择性好，几乎不腐蚀步骤101中热氧化生长的二氧化硅（SiO2）膜2。XeF2气体干法刻蚀可以在XeF2刻蚀机中进行，刻蚀腔内压力为533Pa，进行两个刻蚀周期，每个周期20s。
步骤106，通过释放通道61和薄型空腔71，采用各向异性腐蚀方法腐蚀薄型空腔71下方的体硅深层，形成规则平滑的梯形空腔结构72；
具体如图6所示，各向异性腐蚀时，腐蚀液通过步骤105中形成的薄型空腔71腐蚀深层体硅，形成梯形空腔结构72。步骤101中热氧化生长的二氧化硅（SiO2）膜2在腐蚀释放体硅的过程中起到阻挡腐蚀的作用。各向异性腐蚀溶液采用氢氧化钾（KOH）溶液或TMAH腐蚀液。采用氢氧化钾（KOH）腐蚀液时，氢氧化钾（KOH）、异丙酮（IPA）、水（H2O）重量配比为23.4%:13.3%:63.3%，腐蚀温度80℃。采用TMAH腐蚀液（四甲基氢氧化铵水）时，TMAH腐蚀液中四甲基氢氧化铵摩尔浓度为22%，腐蚀温度90℃。两种腐蚀溶液都具有较高的选择性，对于本发明涉及的热电堆结构，两种腐蚀液均能形成规则平滑梯形空腔。采用各向异性腐蚀法形成的梯形空腔结构72内表面规则光滑，结构对称性好，其结构尺寸可以根据设计要求精确控制，工艺实现可控性高。
综上所述，本发明针对已有背面腐蚀工艺腐蚀时间长、对器件抗腐蚀性要求高的缺点，精心设计正面开孔腐蚀工艺释放结构层，缩短腐蚀时间，提高成品率。针对现有各向同性腐蚀工艺侧向钻蚀不可控，腐蚀结构内表面平滑度低，对称性差等缺点，采用各向同性腐蚀与各向异性腐蚀技术相结合的双腐蚀工艺释放热电堆探测器腔体，制造过程简单易行，空腔结构可根据设计要求精确控制，工艺实现可控性高。采用该方法制作的热电堆探测器结构对称，性能优异，可制造性强，并且与传统CMOS工艺兼容，易于实现传感器与后续读出电路的集成。

Claims (1)

1.一种形成MEMS热电堆探测器空腔结构的体硅微加工方法，包括：
步骤101，提供硅基底(1)，在硅基底(1)的正面热氧化生长二氧化硅膜(2)；
步骤102，在二氧化硅膜(2)上通过淀积、光刻、刻蚀形成热电堆区域(3)和红外吸收区域(4)；
其特征在于，在步骤102之后，还包括下述步骤：
步骤103，在二氧化硅膜(2)、热电堆区域(3)和红外吸收区域(4)上淀积复合膜结构(5)；复合膜结构(5)的上层为Si3N4钝化层，下层为二氧化硅保护层；具体包括：
在二氧化硅膜(2)、热电堆区域(3)和红外吸收区域(4)上先通过LPCVD技术生长保护膜材料SiO2，厚度为4000Å，以形成二氧化硅保护层；然后通过LPCVD技术生长钝化层材料Si3N4，厚度为4000Å，以形成Si3N4钝化层；LPCVD技术生长复合膜结构(5)时，工作炉管温度为800℃，压强为200mTorr，淀积速率10～20nm/min；
步骤104，在Si3N4钝化层表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在光刻胶上形成光刻胶开口图形，即腐蚀开口(6)；然后利用RIE技术刻蚀腐蚀开口(6)下方的材料，直到达到硅基底(1)为止，以形成热电堆结构的释放通道(61)；具体包括：
在Si3N4钝化层表面旋涂光刻胶，然后在需要产生释放通道的对应的Si3N4钝化层表面位置通过光刻工艺在光刻胶上形成光刻胶开口图形，即腐蚀开口(6)；利用RIE技术刻蚀腐蚀开口(6)位置下方的材料，直到达到硅基底(1)为止，以形成热电堆结构的释放通道(61)；最后利用氧等离子体干法去胶与硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除Si3N4钝化层表面的光刻胶；上述RIE刻蚀时的RF功率为150W，腔体压力为400mTorr，刻蚀气体为CHF3、He、SF6混合气体，对应的流量为7/100/30sccm；形成的释放通道(61)直径为14um；每一个释放通道间的距离为15um；
步骤105，通过释放通道(61)，采用各向同性腐蚀方法腐蚀体硅表面浅层，以形成体硅浅层的薄型空腔(71)；
所述步骤105中，采用各向同性腐蚀方法腐蚀体硅表面浅层时，采用的方法是XeF2气体干法刻蚀技术各向同性腐蚀方法，采用的腐蚀气体是XeF2气体，XeF2气体干法刻蚀在XeF2刻蚀机中进行，刻蚀腔内压力为533Pa，进行两个刻蚀周期，每个周期20s；
步骤106，通过释放通道(61)和薄型空腔(71)，采用各向异性腐蚀方法腐蚀薄型空腔(71)下方的体硅深层，形成规则平滑的梯形空腔结构(72)；
所述步骤106中，采用各向异性腐蚀方法腐蚀薄型空腔(71)下方的体硅深层时，采用的腐蚀液为氢氧化钾腐蚀液，氢氧化钾、异丙酮、水重量配比为23.4%:13.3%:63.3%，腐蚀温度80℃；或者采用的腐蚀液为TMAH腐蚀液，TMAH腐蚀液中四甲基氢氧化铵摩尔浓度为22%，腐蚀温度90℃。
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