用于支撑微桥结构的氮化硅-钛-氮化硅悬臂梁制造方法与流程

本发明属于微电子加工技术领域，特别是一种用于支撑微桥结构的氮化硅—钛—氮化硅悬臂梁制造方法。

背景技术：

红外焦平面探测器是热成像系统的核心部件。随着mems技术的飞速发展，高性能、低成本的非制冷红外焦平面器件在军事、工业、安防监控、气象等多领域当中都得到了广泛的应用，如热像仪、夜视摄像机、热传感器。红外探测器的主要性能是由红外吸收率、电阻温度系数(tcr)、热绝缘性和噪声性能等诸多因素共同决定的。其中，焦平面阵列对红外辐射的吸收率和像元的热传导是影响探测器性能的重要参数。目前，为了获得良好的像元热学性能，市场上采用的大多是两点固定的牺牲层微桥结构，根据桥腿悬臂梁的形状不同主要可分为“i”型桥腿、“l”型桥腿、“u”型桥腿和“l+u”型桥腿。这种悬空的微桥结构保证像元具有小的热导，实现了较好的热隔离，但是也使得整个像元对于制备过程中引入的应力和外部载荷的影响更加敏感。在像元制备过程中，引入的应力主要有热应力和工艺应力。这些应力的存在会造成薄膜的褶皱，甚至破裂。当像元结构释放后，则体现在桥面悬臂梁的翘曲或弯曲触底。这种变形经悬臂梁放大后会导致桥面的翻转扭曲，沿对角线的卷曲等多种像元失效形式。因此，制备应力平衡的像元微桥悬臂梁是提高非制冷红外焦平面阵列结构稳定性的关键问题。

现有的悬臂梁应力控制方法一般采用热退火处理和改变工艺参数来控制薄膜应力。热退火处理能使薄膜内部的各种缺陷，如原来被“冻结”的空位、填隙原子、错位发生复合，或移动到表面和晶界消失，或组合成缺陷较低的缺陷组态。但是这种方法只能在一定程度上去除薄膜内应力，形成悬臂梁结构后仍存在较大的变形现象。而改变工艺参数则主要通过控制基底温度，沉积气压或沉积速率来改善薄膜内部各种缺陷及分布。但是由于参数组合的多样性，往往需要大量的前期准备和实验探索尝试，不确定性大。这些问题的存在均使得非制冷红外焦平面像元悬臂梁应力控制难以得到有效解决。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题在于提供一种用于支撑微桥结构的氮化硅—钛—氮化硅悬臂梁制造方法，以解决非制冷红外焦平面阵列像元桥腿悬臂梁因膜内张(压)应力而产生的变形问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种用于支撑微桥结构的氮化硅—钛—氮化硅悬臂梁制造方法，包括以下步骤：

步骤s10、在晶圆表面形成两个电极锚点；

步骤s20、在晶圆表面制备牺牲层；

步骤s30、在晶圆表面制备第一层氮化硅薄膜；

步骤s40、在氮化硅薄膜和牺牲层上形成连接电极的通孔；

步骤s50、在电机锚点上形成电极柱；

步骤s60、在晶圆上制备钛薄膜；

步骤s70、在晶圆上制备与第一层氮化硅薄膜应力状态相反的第二层氮化硅薄膜；

步骤s80、刻蚀第一层氮化硅薄膜、钛薄膜、第二层氮化硅薄膜，形成悬臂梁结构；

步骤s90、干法去除牺牲层。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)本发明使用薄膜沉积过程中系统工作频率的高低频匹配来平衡氮化硅—钛—氮化硅悬臂梁应力状态,通过控制沉积薄膜的应力状态平衡，最终获得的氮化硅-钛-氮化硅悬臂梁应力状态,相较于传统热退火处理等方法，本发明所获得悬臂梁变形更小，稳定性更高。

(2)本发明在薄膜沉积过程中即可完成结构的应力平衡，无需添加额外的工艺步骤，方法更简单，更适应于大规模生产。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为增强型化学气相沉积(pecvd)设备原理图。

图3(a-b)分别为张应力状态下测试结构变形sem图和受力示意图。

图4(a-b)分别为压应力状态下测试结构变形sem图和受力示意图。

图5(a-b)分别为平衡状态下测试结构变形sem图和受力示意图。

图6(a-i)为氮化硅-钛-氮化硅悬臂梁制备工艺流程图。

具体实施方式

为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1，本发明的一种用于支撑微桥结构的氮化硅—钛—氮化硅悬臂梁制造方法，包括以下步骤：

步骤s00、清洗晶圆：

将晶圆浸没于丙酮溶液中，超声清洗8-12分钟；取出放入异丙醇溶液中，超声清洗8-12分钟；取出用去离子水冲洗，惰性气体吹干；移入氮气烘箱，130-160℃烘烤13-17分钟。

其中，惰性气体优选氮气。

步骤s10、在晶圆表面形成电极锚点：

优选的，对晶圆进行hdms处理；再在晶圆表面涂布光刻胶，前烘曝光显影坚膜形成电极锚点图形；

进一步的，使用磁控溅射机溅射沉积20-50nm厚金，采用标准lift-off工艺剥离形成金电极锚点36，清洗并烘干晶圆。如图6(a)。

其中，光刻胶优选az5214。

步骤s20、在晶圆表面制备牺牲层30：

优选的，在晶圆表面通过旋涂工艺制备牺牲层30；

使用涂胶机旋涂，转速为1500-3000rmp/min，旋涂30-40秒；移入氮气烘箱，250℃烘烤100-140分钟。如图6(b)。

其中，优选涂胶机转速为2000rmp/min，旋涂时间为35秒，烘烤时间为120分钟。

步骤s30、在晶圆表面制备第一层氮化硅薄膜：

优选的，采用pecvd法低温沉积一层厚50-200nm的呈张应力状态的第一层氮化硅薄膜32，如图6(c)：

在一些实施方式中，所述第一层氮化硅薄膜32呈张应力状态；张应力状态的氮化硅薄膜制备方法如下：

如图2所示，将晶圆置于真空腔25内，真空泵22将腔室抽真空至1.5×10^-4-2.5×10^-4pa；设定沉积温度240-260℃，加热基台21升温至设定温度并保持恒温；充入n2，气体流量290-310sccm，预清洗腔体1-2分钟；清洗完毕后反应气体通道26通入sih4、nh3和n2，气体流量分别为13-14sccm、8-12sccm和95-105sccm，每个沉积循环低频功率源23(35-45khz，50-60w)和高频功率源24(12-14mhz，60-70w)交替工作18-22秒，其中低频功率源23工作9-11秒，高频功率源24工作9-11秒，平均沉积速率约为48nm/min；最后待温度降低至常温取出晶圆。。

优选高低频功率源交替工作时间为20秒，其中高频功率源参数设定为13.56mhz，53w，工作时间10秒；低频功率源参数设定为40khz，67w，工作时间10秒。

图3(a)为通过上述方法得到的张应力状态的薄膜高低频沉积测试结构变形sem图，图3(b)为张应力状态薄膜形态受力示意图。

在另外一些实施方式中，所述第一层氮化硅薄膜32呈压应力状态；压应力状态的氮化硅薄膜制备方法如下：

将晶圆置于真空腔25内，抽真空至1.5×10^-4-2.5×10^-4pa；设定沉积温度240-260℃，加加热基台21升温至设定温度并保持恒温；充入n2，气体流量290-310sccm，预清洗腔体1-2分钟；清洗完毕后反应气体通道26通入sih4、nh3和n2，气体流量分别为13-14sccm、8-12sccm和95-105sccm，每个沉积循环低频功率源23(35-45khz，50-60w)和高频功率源24(12-14mhz，60-70w)交替工作18-22秒，其中低频功率源23工作14-16秒，高频功率源24工作4-6秒，平均沉积速率约为48nm/min；最后待温度降低至常温后取出晶圆。

优选高低频功率源交替工作时间为20秒，其中低频功率源参数设定为40khz，53w，工作时间15秒；高频功率源参数设定为13.56mhz，67w，工作时间5秒。

图4(a)为通过上述方法得到的压应力状态的薄膜高低频沉积测试结构变形sem图，图4(b)为压应力状态薄膜形态受力示意图。

步骤s40、在氮化硅薄膜32和牺牲层30上形成连接电极36的通孔：

首先，对晶圆进行hdms处理；在晶圆表面涂布光刻胶，前烘曝光显影坚膜形成电极锚点图形；

其次，通过rie刻蚀机刻蚀氮化硅薄膜32和牺牲层30形成电极互联通孔；

最后，清洗去胶：先后用丙酮，异丙醇，去离子水清洗去胶，氮气吹干。如图6(d)。

步骤s50、在电机锚点36上形成电极柱33；

优选的，通过电镀技术，在金电极锚点上生长2-3μm高金电极柱33，如图6(e)。

s60、在晶圆上制备钛薄膜；

优选的，使用磁控溅射机溅射沉积厚10-40nm钛薄膜34；如图6(f)。

将晶圆置于旋转基板上；真空泵将腔体抽真空至1.5×10^-4-2×10^-4pa；施加磁场使得粒子加速轰击钛靶材产生溅射效应沉积钛薄膜34；待温度回复到常温后取出晶圆。

步骤70、在晶圆上制备第二层氮化硅薄膜；如图6(f)。

第二层氮化硅薄膜35的应力状态与第一层氮化硅薄膜32的应力状态相反：即若第一层氮化硅薄膜32的应力为张应力，则第二层氮化硅薄膜35的应力为压应力，若第一层氮化硅薄膜32的应力为压应力，则第二层氮化硅薄膜35的应力为张应力。

制备方法在步骤s30已作介绍，此处不再赘述。

步骤s80、刻蚀第一层氮化硅薄膜、钛薄膜、第二层氮化硅薄膜，形成悬臂梁结构。

首先，对晶圆进行hdms处理；在晶圆表面涂布光刻胶，前烘曝光显影坚膜形成相应图形；

然后通过ire刻蚀技术刻蚀第一层氮化硅薄膜32、钛薄膜34、第二层氮化硅薄膜35，形成悬臂梁结构。如图6(h)。

步骤s90、去除牺牲层，得到所述氮化硅—钛—氮化悬臂梁结构。

优选的，利用氧等离子体刻蚀技术，将晶圆移入去胶机内，刻蚀60-70分钟，干法去除牺牲层30，释放结构。如图6(i)。

优选刻蚀时间65分钟。

图5为最终得到的氮化硅—钛—氮化硅悬臂梁的sem图，图6为受力示意图。通过如本发明所述的制备方法，可以获得应力平衡的氮化硅—钛—氮化硅悬臂梁，解决了非制冷红外焦平面阵列像元微桥悬臂梁在制备过程中出现的翘曲触底等问题，大大提高了非制冷红外探测器在实际应用中的稳定性和抗冲击性能。