專利名稱：光讀出紅外圖像傳感器像元芯片的光刻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于非制冷光讀出紅外焦平面陣列傳感器的制備技術(shù)，具體涉及一種制備光 讀出紅外焦平面陣列傳感器像元芯片工藝中所采用的光刻方法。
背景技術(shù)：
非制冷光讀出紅外焦平面陣列(FPA)傳感器是一種紅外成像的核心器件，具有體積 小、功耗低、成本低等一系列優(yōu)勢。大多數(shù)基于MEMS工藝的光讀出紅外焦平面陣列傳感 器的像元由反光板和支撐反光板的懸臂梁構(gòu)成，其中全部或部分梁結(jié)構(gòu)由雙層材料構(gòu)成。 上述像元的工作原理是利用雙材料懸臂梁受紅外輻射而發(fā)熱彎曲，造成像元反光板偏轉(zhuǎn)， 使入射到反光板的取樣可見光入射角發(fā)生變化，引起反射光強(qiáng)度在空間分布發(fā)生變化，通 過CCD攝像機(jī)拾取取樣可見光強(qiáng)的空間分布就可實(shí)現(xiàn)對紅外的探測。
上述像元的設(shè)計(jì)需要追求單位溫升的反光板旋轉(zhuǎn)角度變化最大。且為保證靈敏度，像 元的面積應(yīng)足夠大，以吸收更多的紅外能量；同時，為獲得更高的分辨率，像元的數(shù)量也 越來越多。這些因素決定了圖像傳感器芯片的尺寸不可能很小。通常，由于圖像傳感器芯 片的正反兩面都有圖形結(jié)構(gòu)，在像元芯片的制造工藝中需要雙面光刻。根據(jù)現(xiàn)有加工技術(shù) 的能力和發(fā)展趨勢，大面積和雙面圖形的芯片結(jié)構(gòu)決定了這種芯片的加工主要依賴接近接 觸式雙面光刻技術(shù)。
由于技術(shù)手段的特點(diǎn)，接觸式光刻技術(shù)中各層圖形間的對準(zhǔn)偏差不可避免，主要來自 三個方面光刻版的制版誤差、光刻溫度變化引起光刻版和硅片膨脹量不同造成的偏差、 套刻過程造成的套刻偏差。在常用的MEMS工藝中光刻版誤差和熱膨脹不同造成的套刻偏 差通常在O.lpm量級，而采用接近接觸式光刻機(jī)的套刻偏差指標(biāo)通常為0.5~1.0pm。對于 像元結(jié)構(gòu)中l(wèi)-2pm寬的雙材料梁來說，這么大的套刻偏差會直接影響像元結(jié)構(gòu)的靈敏度。 另外套刻偏差還會造成雙材料梁和反光板結(jié)構(gòu)的不對稱，使反光板不僅沿設(shè)計(jì)方向轉(zhuǎn)動， 還會沿與設(shè)計(jì)方向垂直的方向移動，影響紅外輻射能量和通過圖像傳感器形成灰度圖像的 對應(yīng)關(guān)系。
同時，由于常規(guī)微電子制備像元的雙材料梁工藝步驟是，先光刻和刻蝕形成梁結(jié)構(gòu)， 再淀積金屬、光刻，刻蝕金屬；每次光刻時都需要與上一步光刻制備的圖形對準(zhǔn)，因此不 可避免的存在套刻偏差。例如，在光讀出FPA芯片制備工藝流程中，雙材料梁采用先光刻和刻蝕形成SiNx梁結(jié)構(gòu)，隨后淀積、光刻和腐蝕金屬，形成雙材料梁的金屬圖形時必然 存在與紅外吸收層(SiNx)圖形的套刻偏差，如圖1所示。
像元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果表明，在雙材料梁的長度方向〔y〕 ， 0.5 1.(^m的套刻偏差 對5(Vm梁長來說可以忽略不計(jì)。而在梁的寬度方向〔x)，梁寬設(shè)計(jì)為2.0pm， 0.5~l.(Him 的套刻偏差就意味著在雙材料梁上金屬只覆蓋了 SiNx梁寬度的50 75M，這樣的套刻偏差 會對雙材料梁的熱應(yīng)變特性產(chǎn)生很大影響，使其在z軸方向(離面〕的熱應(yīng)變彎曲減小， 在X-Y方向(面內(nèi)〕出現(xiàn)不應(yīng)有的熱應(yīng)變彎曲，造成FPA像元靈敏度下降、噪聲增加。
下表為套刻偏差在不同溫升下對像元反光板扭轉(zhuǎn)角(radX10勺的影響。
00.20.30.40.50.60.70.80.91.0
i2.2242.0472.0392扁1.9951.9691.9361.8351.8331.757
24.448楊44.0794.0411.9953.9383.8713.6693.6673.514
48.8968.1888.1578.0817.9787.8767.7437.3387.3337.029
613.34412.28112.23612.12211.96711.81411.61411.00711.00010.543
817.79116.37516.31416.16215.95615.75315.48514.66614.05714.057
表中數(shù)據(jù)顯示，套刻偏差越大，人們所希望得到的反光板的熱應(yīng)變轉(zhuǎn)角越小。附圖2 為上表對應(yīng)的曲線。
如何解決像元芯片的光刻工藝的套刻偏差，使像元特性更接近設(shè)計(jì)指標(biāo)，是需要結(jié)合 加工技術(shù)中材料特性、材料制備方法和材料腐蝕的兼容性和選擇性的特點(diǎn)進(jìn)行深入細(xì)致的 分析和設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種光讀出紅外傳感器像元芯片的光刻工藝， 完全排除了光刻對準(zhǔn)偏差造成雙材料梁的兩層材料重合不佳的缺陷。 本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種制備光讀出紅外傳感器像元芯片所釆用的光刻方法，其步驟包括
1) 在光讀出紅外傳感器像元基片上淀積第一層金屬材料，該金屬材料為雙材料梁的上 層結(jié)構(gòu)材料；
2) 第一次光刻，為反光板區(qū)金屬圖形，腐蝕第一層金屬、淀積第二層金屬，所述第二 層金屬為反光板表面金屬材料；
43) 第二次光刻，為雙材料梁和反光板的金屬圖形，刻蝕，形成雙材料梁的上層結(jié)構(gòu)和 反光板表面金屬結(jié)構(gòu)；
4) 第三次光刻，為除雙材料梁和反光板以外的梁結(jié)構(gòu)和像元框架結(jié)構(gòu)；以第三次光刻 的光刻膠和第二次光刻形成的雙材料梁的上層結(jié)構(gòu)、反光板表面金屬結(jié)構(gòu)的組合為掩模， 刻蝕，形成光讀出紅外傳感器像元芯片的表面結(jié)構(gòu)。
所述步驟1)淀積的第一金屬層厚度大于步驟2)反光板上淀積的第二層金屬層的厚度。
所述步驟2)中，光刻圖形的邊長尺寸比反光板結(jié)構(gòu)的邊長尺寸相比大2個最大套刻偏 差，相差尺寸為1一2微米。
所述步驟3)中，光刻圖形的尺寸比梁結(jié)構(gòu)、反光板的尺寸大2個最大套刻偏差，相差 尺寸為1—2微米。
所述步驟l)和步驟2)中第一金屬層和第二金屬層釆用的材料對雙材料梁的底層材料 的刻蝕選擇比為5—8: 1。
所述步驟4)中，作為掩膜的第二次光刻形成的雙材料梁的上層結(jié)構(gòu)、反光板表面金屬 結(jié)構(gòu)對底層材料的刻蝕選擇比不夠時，在所述步驟3)之后，在該雙材料梁的上層結(jié)構(gòu)和 反光板表面金屬結(jié)構(gòu)上制備一層刻蝕掩模材料層，待像元芯片的表面結(jié)構(gòu)加工完成后，將 該刻蝕掩模材料層去除。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
(1) 由于以構(gòu)成雙材料梁結(jié)構(gòu)中的上層金屬作為掩模刻蝕另一種材料，結(jié)果使雙材 料梁結(jié)構(gòu)的兩層材料完全重合，構(gòu)成雙材料梁結(jié)構(gòu)的光刻自對準(zhǔn)。
(2) 由于光刻圖形的尺寸和實(shí)際結(jié)構(gòu)存在間隔(由于將兩種不同厚度金屬的交界設(shè) 計(jì)在像元圖形的空白處)，即反光板金屬與雙材料梁金屬的交界設(shè)計(jì)在梁和反光板的間隔 區(qū)中。即使存在0.5-1.0微米的套刻誤差，也能保證兩者交界不會落在雙材料梁或反光板上， 確保在光刻金屬圖形時雙材料梁和反光板圖形內(nèi)的金屬層厚度一致，不存在不同厚度金屬 的接縫，避免了套刻誤差的影響，實(shí)現(xiàn)了反光板光刻自對準(zhǔn)。
(3) 由于雙材料梁圖形設(shè)計(jì)比有效工作區(qū)的兩端分別長2個套刻間距，即使存在沿 梁長度方向的套刻偏差，所獲得的雙材料梁工作區(qū)尺寸也不會發(fā)生變化。光刻膠構(gòu)成的單 層材料梁圖形與雙材料梁圖形設(shè)計(jì)為過交疊結(jié)構(gòu)，即使存在與雙材料梁垂直方向的套刻偏 差，雙材料梁的尺寸也不會變化，只可能出現(xiàn)兩條相鄰梁的間距不同。由于像元中相鄰梁 的間距不影響像元的工作，因此，這種通過特殊圖形設(shè)計(jì)和組合光刻保證了梁結(jié)構(gòu)的完整性，避免了套刻誤差影響，也可以視為一種自對準(zhǔn)。
上述光刻自對準(zhǔn)設(shè)計(jì)充分利用了材料制備、腐蝕的兼容關(guān)系和像元結(jié)構(gòu)的空白區(qū)。第 一種設(shè)計(jì)利用雙材料梁的上層金屬作為刻蝕下層梁結(jié)構(gòu)材料的掩膜，實(shí)現(xiàn)了像元中梁結(jié)構(gòu) 的自對準(zhǔn)。第一和第二種設(shè)計(jì)將可能產(chǎn)生套刻偏差的地方設(shè)計(jì)在不沒有像元圖形結(jié)構(gòu)的空 白區(qū)域，不會影響結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)，使最終工藝實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)更接近設(shè)計(jì)，有效避免了套刻 偏差造成的像元靈敏度下降和噪聲增加等問題。


圖1為雙材料梁套刻誤差示意圖2為套刻偏差與單位溫度偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系示意圖3 FPA像元自對準(zhǔn)工藝示意圖，其中圖3(a)為1#反光板金屬圖形；圖3(b)為2#雙材 料梁結(jié)構(gòu)和反光板的金屬圖形;圖3(c)為3#除雙材料梁以外的梁結(jié)構(gòu)和像元框架結(jié)構(gòu)圖形； 圖3(d)為2#光刻形成的金屬和3#光刻的光刻膠的圖形組合。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和光讀出紅外傳感器像元芯片的制備工藝對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述
1) 光讀出紅外傳感器像元基片制備
在硅片上淀積低應(yīng)力氮化硅(SiNx)，形成制備了雙材料梁底層材料的光讀出紅外傳 感器像元基片。
2) 淀積金屬材料
PVD Al 0.28p。該金屬材料為雙材料梁的上層結(jié)構(gòu)的材料，同時作為雙材料梁的底層
結(jié)構(gòu)的刻蝕掩模。
3) 反光板金屬制備
光刻1# (予制反光板區(qū)金屬圖形尺寸比實(shí)際反光板結(jié)構(gòu)大w，保證反光板區(qū)內(nèi)的金
屬厚度一致)、腐蝕AL、 PVDA1200A (在反光板處形成200A鋁，其他區(qū)域?yàn)?800A+ 200A-3000A鋁膜)；
4) 雙層梁和反光板圖形制備
光刻2# (反光板和雙層結(jié)構(gòu)梁金屬部分，在梁長度方向比有效梁結(jié)構(gòu)長兩倍套刻偏差 的長度，刻蝕AL;
5) 金屬圖形以外的像元圖形光刻3# (光刻除雙材料梁和反光板以外的梁結(jié)構(gòu)和像
6元框架結(jié)構(gòu)〕
6)像元結(jié)構(gòu)制備刻蝕SiN 〔以2#光刻形成的金屬圖形和3#光刻的光刻膠圖形構(gòu)成
組合掩模〕形成雙材料梁的底層結(jié)構(gòu)，最終制得光讀出紅外傳感器像元芯片的表面結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的FPA像元結(jié)構(gòu)自對準(zhǔn)加工方法實(shí)現(xiàn)的前提是雙材料梁和反光板所使用的金 屬材料對底層材料有足夠高的刻蝕選擇比，以保證自對準(zhǔn)刻蝕底層材料時不會損壞。如果 雙材料梁和反光板所采用的金屬在刻蝕底層材料時的選擇比不夠，可以通過在上述金屬材 料上制備一層刻蝕掩模材料作為保護(hù)層，待像元芯片的表面結(jié)構(gòu)加工完成后再將其去除。
以上通過詳細(xì)實(shí)施例描述了本發(fā)明所提供的光讀出紅外傳感器像元芯片的光刻方法， 本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明做一定的變形 或修改；其制備方法也不限于實(shí)施例中所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1、一種制備光讀出紅外焦平面陣列傳感器像元芯片所采用的光刻方法，其步驟包括1)在光讀出紅外傳感器像元基片上淀積第一層金屬材料，該金屬材料為雙材料梁的上層結(jié)構(gòu)材料；2)第一次光刻，為反光板區(qū)的金屬圖形，腐蝕第一層金屬，淀積第二層金屬，所述第二層金屬為反光板表面金屬材料；3)第二次光刻，為雙材料梁和反光板的金屬圖形，刻蝕，形成雙材料梁的上層結(jié)構(gòu)和反光板表面金屬結(jié)構(gòu)；4)第三次光刻，為除雙材料梁和反光板以外的梁結(jié)構(gòu)和像元框架結(jié)構(gòu)圖形；以第三次光刻的光刻膠和第二次光刻形成的雙材料梁的上層結(jié)構(gòu)、反光板表面金屬結(jié)構(gòu)為掩模，刻蝕，形成光讀出紅外傳感器像元芯片的表面結(jié)構(gòu)。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟1)淀積的金屬層厚度大于步驟 2)反光板上淀積的表面金屬層的厚度。
3、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述步驟2)中，光刻圖形的邊長尺寸比反光板結(jié)構(gòu)的邊長尺寸長l一2微米。
4、 如權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述步驟3)中，光刻圖形的長度尺寸 比梁結(jié)構(gòu)、反光板的尺寸大1一2微米。
5、 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步驟1)和步驟2)中第一金屬層 和第二金屬層采用的材料對雙材料梁的底層材料的刻蝕選擇比為5—8: 1。
6、 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步驟4)中，作為掩膜的第二次 光刻形成的雙材料梁的上層結(jié)構(gòu)、反光板表面金屬結(jié)構(gòu)對底層材料的刻蝕選擇比不夠時， 在所述步驟3)之后，在該雙材料梁的上層結(jié)構(gòu)和反光板表面金屬結(jié)構(gòu)上制備一層刻蝕掩 模材料層，待像元芯片的表面結(jié)構(gòu)加工完成后，將該刻蝕掩模材料層去除。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光讀出紅外傳感器像元芯片的光刻方法，屬于紅外焦平面陣列傳感器的制備技術(shù)。該方法包括在光讀出紅外傳感器像元基片上淀積一層金屬材料，該金屬材料為雙材料梁的上層材料；第一次光刻，為反光板區(qū)金屬圖形，腐蝕、再淀積一層反光板表面金屬材料；然后第二次光刻，為雙材料梁和反光板的金屬圖形，刻蝕，形成雙材料梁的上層結(jié)構(gòu)和反光板表面金屬結(jié)構(gòu)；最后，第三次光刻，為除雙材料梁和反光板以外的梁結(jié)構(gòu)和像元框架結(jié)構(gòu)，以第三次光刻的光刻膠和第二次光刻形成的金屬結(jié)構(gòu)為掩模，刻蝕，形成光讀出紅外傳感器像元芯片的表面結(jié)構(gòu)。本發(fā)明可有效避免套刻偏差造成的像元靈敏度下降和噪聲增加等問題。
文檔編號B81C1/00GK101659389SQ20091008942
公開日2010年3月3日 申請日期2009年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月17日
發(fā)明者霞 張, 張大成 申請人:中國傳媒大學(xué)