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形成mems熱電堆探測器空腔結(jié)構(gòu)的體硅微加工方法

文檔序號:5271725閱讀:498來源:國知局
專利名稱:形成mems熱電堆探測器空腔結(jié)構(gòu)的體硅微加工方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種形成MEMS空腔結(jié)構(gòu)的體硅微加工技術(shù),特別適用于熱電堆紅外探測器的制造。
背景技術(shù)
紅外探測器是紅外系統(tǒng)中最關(guān)鍵的元件之一。熱電堆紅外探測器是較早發(fā)展的一種非制冷型紅外探測器。其工作原理基于賽貝克效應(yīng),即兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料溫度差異導(dǎo)致兩種材料之間產(chǎn)生電壓差。由于熱電堆紅外探測器具有體積小,可以室溫下工作,寬譜紅外輻射響應(yīng),能夠檢測恒定輻射量,并且制備成本低等優(yōu)勢,在安全監(jiān)視、醫(yī)學(xué)治療、生命探測等方面有廣泛應(yīng)用。目前,熱電堆結(jié)構(gòu)普遍采用薄膜結(jié)構(gòu),以起到良好的隔熱效果。采用MEMS技術(shù)制作的熱電堆紅外探測器多采用從硅片背面進行腐蝕形成全膜結(jié)構(gòu),此方法需要正反雙面對準曝光,且與半導(dǎo)體代工廠的工藝兼容性差。此外,該方法通常采用濕法腐蝕,會產(chǎn)生芯片尺寸大及制造成本高的缺點。目前很多人采用了與CMOS工藝兼容,從硅片正面進行釋放熱電堆探測器支撐膜的制造工藝,此方法一般是在薄膜表面光刻腐蝕開口,形成熱電堆結(jié)構(gòu)釋放通道,最后采用各向同性腐蝕工藝釋放熱電堆結(jié)構(gòu)。此方法的缺陷是側(cè)向鉆蝕不可控制,內(nèi)表面平滑度低,降低熱電堆結(jié)構(gòu)對稱性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足,提供一種形成MEMS熱電堆探測器空腔結(jié)構(gòu)的體硅微加工方法,形成的空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)表面規(guī)則光滑,結(jié)構(gòu)對稱性好,工藝實現(xiàn)可控性高。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
步驟101,提供硅基底,在硅基底的正面熱氧化生長二氧化硅膜;
步驟102,在二氧化硅膜上通過淀積、光刻、刻蝕形成熱電堆區(qū)域和紅外吸收區(qū);
步驟103,在二氧化硅膜、熱電堆區(qū)域和紅外吸收區(qū)上淀積復(fù)合膜結(jié)構(gòu);復(fù)合膜結(jié)構(gòu)的上層為Si3N4鈍化層,下層為二氧化硅保護層;
步驟104,在Si3N4鈍化層表面旋涂光刻膠,并通過光刻工藝在光刻膠上形成光刻膠開口圖形,即腐蝕開口 ;然后利用RIE技術(shù)刻蝕腐蝕開口下方的材料,直到達到硅基底為止,以形成熱電堆結(jié)構(gòu)的釋放通道;
步驟105,通過釋放通道,采用各向同性腐蝕方法腐蝕體硅表面淺層,以形成體硅淺層的薄型空腔;
步驟106,通過釋放通道和薄型空腔,采用各向異性腐蝕方法腐蝕薄型空腔下方的體硅深層,形成規(guī)則平滑的梯形空腔結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)點:采用各向同性腐蝕與各向異性腐蝕技術(shù)相結(jié)合的雙腐蝕工藝釋放熱電堆探測器腔體,使得熱電堆探測器結(jié)構(gòu)對稱,制造過程可控性高,可制造性強與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容。


圖1為本發(fā)明形成二氧化硅膜后的示意圖。圖2為本發(fā)明形成熱電堆區(qū)域和紅外吸收區(qū)后的示意圖。圖3為本發(fā)明淀積復(fù)合膜結(jié)構(gòu)后的示意圖。圖4為本發(fā)明形成釋放通道后的示意圖。圖5為本發(fā)明形成薄型空腔后的示意圖。圖6為本發(fā)明形成梯形空腔結(jié)構(gòu)后的示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。本發(fā)明提出的具有空腔結(jié)構(gòu)的紅外熱電堆探測器結(jié)構(gòu)如圖6所示,在硅基底I上熱氧化生長二氧化硅(Si02)膜2,在二氧化硅膜2上形成熱電堆區(qū)域3和紅外吸收區(qū)4,其中熱電堆結(jié)構(gòu)可采取多種形式如圓形、矩形等。熱電堆區(qū)域3上靠近紅外吸收區(qū)4的一端為熱結(jié)區(qū)31,遠離紅外吸收區(qū)4的另一端為冷結(jié)區(qū)32。在熱電堆結(jié)構(gòu)層上淀積氮化硅和二氧化硅復(fù)合膜結(jié)構(gòu)5,在復(fù)合膜上光刻腐蝕開口 6。通過腐蝕窗口 6形成熱電堆結(jié)構(gòu)的釋放通道61,釋放硅基底形成空腔7,其中空腔7由各向同性腐蝕工藝形成的體硅淺層的薄型空腔71和各向異性腐蝕工藝形成的體硅深層的梯形空腔結(jié)構(gòu)72組成。具體方法過程如下所述。步驟101,提供硅基底1,在硅基底I的正面熱氧化生長二氧化硅(SiO2)膜2 ;具體如圖1所示,所采用的硅基底I可以是雙面拋光單硅基底、P型摻雜硅基底或N型摻雜硅基底中的一種。本例采用雙面拋光單硅基底。在硅基底I的正面通過干氧氧化的方式生長二氧化硅(3102)膜2,該二氧化硅膜2的厚度為5000A,干氧氧化時溫度為950°C,氧氣的含量為 60%。步驟102,在二氧化硅膜2上通過淀積、光刻、刻蝕形成熱電堆區(qū)域3和紅外吸收區(qū)4 ;
如圖2所示,熱電堆區(qū)域3上靠近紅外吸收區(qū)4的一端為熱結(jié)區(qū)31,遠離紅外吸收區(qū)4的另一端為冷結(jié)區(qū)32,熱電堆組成材料可以是多晶硅/金屬、摻雜硅/鋁、N型多晶硅/P型多晶硅等與CMOS工藝兼容材料。形成熱電堆區(qū)域3和紅外吸收區(qū)4的工藝步驟是本領(lǐng)域的常見技術(shù)手段,并且不是本方法的重點,在此對于其詳細的工藝過程不作深入展開。本發(fā)明的重點在于形成體硅內(nèi)的空腔結(jié)構(gòu)的過程。步驟103,在二氧化硅膜2、熱電堆區(qū)域3和紅外吸收區(qū)域4上淀積復(fù)合膜結(jié)構(gòu)5 ;復(fù)合膜結(jié)構(gòu)5的上層為Si3N4鈍化層,下層為二氧化硅保護層;
具體如圖3所示,在二氧化硅膜2、熱電堆區(qū)域3和紅外吸收區(qū)域4上先通過LPCVD技術(shù)生長保護膜材料SiO2,厚度為4000A,以形成二氧化硅保護層;然后通過LPCVD技術(shù)生長鈍化層材料Si3N4,厚度為4000A,以形成Si3N4鈍化層。LPCVD技術(shù)生長復(fù)合膜結(jié)構(gòu)5時,工作爐管溫度為800°C,壓強為200mTorr,淀積速率l(T20nm/min。步驟104,在Si3N4鈍化層表面旋涂光刻膠,并通過光刻工藝在光刻膠上形成光刻膠開口圖形,即腐蝕開口 6 ;然后利用RIE (反應(yīng)離子刻蝕)技術(shù)刻蝕腐蝕開口 6下方的材料,直到達到硅基底I為止,以形成熱電堆結(jié)構(gòu)的釋放通道61 ;
具體如圖4所示,在Si3N4鈍化層表面旋涂光刻膠,然后在需要產(chǎn)生釋放通道的對應(yīng)的Si3N4鈍化層表面位置通過光刻工藝在光刻膠上形成光刻膠開口圖形,即腐蝕開口 6 ;利用RIE技術(shù)刻蝕腐蝕開口 6位置下方的材料(包括Si3N4鈍化層、二氧化硅保護層、二氧化硅膜2中的材料),直到達到硅基底I為止,以形成熱電堆結(jié)構(gòu)的釋放通道61。最后利用氧等離子體干法去膠與硫酸/雙氧水濕法去膠相結(jié)合的方法去除Si3N4鈍化層表面的光刻膠。上述RIE刻蝕時的RF功率為150W,腔體壓力為400mTorr,刻蝕氣體為CHF3、He、SF6混合氣體,對應(yīng)的流量為7/100/30sCCm。形成的釋放通道61直徑為14um。每一個釋放通道間的距離為15um。步驟105,通過釋放通道61,采用各向同性腐蝕方法腐蝕體硅(即硅基底I)表面淺層,以形成體硅淺層的薄型空腔71 ;
具體如圖5所示,腐蝕氣體或液體可以經(jīng)步驟104中形成的釋放通道61腐蝕體硅表面淺層以形成薄型空腔71。本例采用XeF2氣體干法刻蝕技術(shù)各向同性腐蝕熱電堆區(qū)域3和紅外吸收區(qū)4下方的體硅表面淺層,步驟101中熱氧化生長的二氧化硅(Si02)膜2在腐蝕釋放體硅的過程中起到阻擋腐蝕的作用,從而形成薄型空腔71。采用XeF2氣體干法刻蝕,是由于XeF2腐蝕選擇性好,幾乎不腐蝕步驟101中熱氧化生長的二氧化硅(Si02)膜2。XeF2氣體干法刻蝕可以在XeF2刻蝕機中進行,刻蝕腔內(nèi)壓力為533Pa,進行兩個刻蝕周期,每個周期20s。步驟106,通過釋放通道61和薄型空腔71,采用各向異性腐蝕方法腐蝕薄型空腔71下方的體硅深層,形成規(guī)則平滑的梯形空腔結(jié)構(gòu)72 ;
具體如圖6所示,各向異性腐蝕時,腐蝕液通過步驟105中形成的薄型空腔71腐蝕深層體硅,形成梯形空腔結(jié)構(gòu)72。步驟101中熱氧化生長的二氧化硅(Si02)膜2在腐蝕釋放體硅的過程中起到阻擋腐蝕的作用。各向異性腐蝕溶液采用氫氧化鉀(KOH)溶液或TMAH腐蝕液。采用氫氧化鉀(KOH)腐蝕液時,氫氧化鉀(Κ0Η)、異丙酮(IPA)、水(H2O)重量配比為23.4%: 13.3%: 63.3%,腐蝕溫度80°C。采用TMAH腐蝕液(四甲基氫氧化銨水)時,TMAH腐蝕液中四甲基氫氧化銨摩爾濃度為22%,腐蝕溫度90°C。兩種腐蝕溶液都具有較高的選擇性,對于本發(fā)明涉及的熱電堆結(jié)構(gòu),兩種腐蝕液均能形成規(guī)則平滑梯形空腔。采用各向異性腐蝕法形成的梯形空腔結(jié)構(gòu)72內(nèi)表面規(guī)則光滑,結(jié)構(gòu)對稱性好,其結(jié)構(gòu)尺寸可以根據(jù)設(shè)計要求精確控制,工藝實現(xiàn)可控性高。綜上所述,本發(fā)明針對已有背面腐蝕工藝腐蝕時間長、對器件抗腐蝕性要求高的缺點,精心設(shè)計正面開孔腐蝕工藝釋放結(jié)構(gòu)層,縮短腐蝕時間,提高成品率。針對現(xiàn)有各向同性腐蝕工藝側(cè)向鉆蝕不可控,腐蝕結(jié)構(gòu)內(nèi)表面平滑度低,對稱性差等缺點,采用各向同性腐蝕與各向異性腐蝕技術(shù)相結(jié)合的雙腐蝕工藝釋放熱電堆探測器腔體,制造過程簡單易行,空腔結(jié)構(gòu)可根據(jù)設(shè)計要求精確控制,工藝實現(xiàn)可控性高。采用該方法制作的熱電堆探測器結(jié)構(gòu)對稱,性能優(yōu)異,可制造性強,并且與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容,易于實現(xiàn)傳感器與后續(xù)讀出電路的集成。
權(quán)利要求
1.一種形成MEMS熱電堆探測器空腔結(jié)構(gòu)的體娃微加工方法,包括: 步驟101,提供硅基底(I),在硅基底(I)的正面熱氧化生長二氧化硅膜(2); 步驟102,在二氧化硅膜(2)上通過淀積、光刻、刻蝕形成熱電堆區(qū)域(3)和紅外吸收區(qū)(4); 其特征在于,在步驟102之后,還包括下述步驟: 步驟103,在二氧化硅膜(2)、熱電堆區(qū)域(3)和紅外吸收區(qū)(4)上淀積復(fù)合膜結(jié)構(gòu)(5);復(fù)合膜結(jié)構(gòu)(5)的上層為Si3N4鈍化層,下層為二氧化硅保護層; 步驟104,在Si3N4鈍化層表面旋涂光刻膠,并通過光刻工藝在光刻膠上形成光刻膠開口圖形,即腐蝕開口(6);然后利用RIE技術(shù)刻蝕腐蝕開口(6)下方的材料,直到達到硅基底(I)為止,以形成熱電堆結(jié)構(gòu)的釋放通道(61); 步驟105,通過釋放通道(61),采用各向同性腐蝕方法腐蝕體硅表面淺層,以形成體硅淺層的薄型空腔(71); 步驟106,通過釋放通道¢1)和薄型空腔(71),采用各向異性腐蝕方法腐蝕薄型空腔(71)下方的體硅深層,形成規(guī)則平滑的梯形空腔結(jié)構(gòu)(72)。
2.如權(quán)利要求1所述的形成MEMS熱電堆探測器空腔結(jié)構(gòu)的體硅微加工方法,其特征在于: 所述步驟105中,采用各向同性腐蝕方法腐蝕體硅表面淺層時,采用的方法是乂亦2氣體干法刻蝕技術(shù)各向同性 腐蝕方法,采用的腐蝕氣體是XeF2氣體,XeF2氣體干法刻蝕在XeF2刻蝕機中進行,刻蝕腔內(nèi)壓力為533Pa,進行兩個刻蝕周期,每個周期20s。
3.如權(quán)利要求1所述的形成MEMS熱電堆探測器空腔結(jié)構(gòu)的體硅微加工方法,其特征在于: 所述步驟106中,采用各向異性腐蝕方法腐蝕薄型空腔(71)下方的體硅深層時,采用的腐蝕液為氫氧化鉀腐蝕液,氫氧化鉀、異丙酮、水重量配比為23.4%: 13.3%:63.3%,腐蝕溫度80°C;或者采用的腐蝕液為TMAH腐蝕液,TMAH腐蝕液中四甲基氫氧化銨摩爾濃度為22%,腐蝕溫度90°C。
全文摘要
本發(fā)明提供一種形成MEMS熱電堆探測器空腔結(jié)構(gòu)的體硅微加工方法,包括提供硅基底,在硅基底上熱氧化生長二氧化硅膜,在二氧化硅膜上形成熱電堆區(qū)域和紅外吸收區(qū)。熱電堆區(qū)域上靠近紅外吸收區(qū)的一端為熱結(jié)區(qū),遠離紅外吸收區(qū)的另一端為冷結(jié)區(qū)。在熱電堆結(jié)構(gòu)層上淀積氮化硅和二氧化硅復(fù)合膜結(jié)構(gòu),在復(fù)合膜上光刻腐蝕開口。通過腐蝕窗口形成熱電堆結(jié)構(gòu)的釋放通道。通過釋放通道,采用各向同性腐蝕方法腐蝕體硅表面淺層,以形成體硅淺層的薄型空腔;采用各向異性腐蝕方法腐蝕薄型空腔下方的體硅深層,形成規(guī)則平滑的梯形空腔結(jié)構(gòu),最終就形成了體硅內(nèi)的空腔結(jié)構(gòu)。本方法所形成的空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)表面規(guī)則光滑,結(jié)構(gòu)對稱性好。
文檔編號B81C1/00GK103145094SQ201310090948
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月21日
發(fā)明者孟如男, 王瑋冰 申請人:江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心
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