[发明专利]应力匹配的双材料微悬臂梁的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体器件制造方法，特别是涉及一种应力匹配的双材料微悬臂梁的制造方法。

背景技术

随着真空科学技术、光电子技术和半导体技术的飞速发展，薄膜光学器件以及薄膜电子器件得到了日益广泛的应用。在基于MEMS的微悬臂梁阵列结构的光学读出非制冷红外焦平面成像系统中，其核心结构为非制冷红外探测器系统，即双材料微悬臂梁红外焦平面阵列(FPA)，由一系列成像像元组成面阵列，每个像元是由两种热膨胀差别很大的材料构成。像元通过吸收物体的红外辐射，将辐射能量转化为热能，利用构成微悬臂梁双材料的热膨胀，将热能转化为微悬臂梁的转角或位移，通过检测这些转角或位移信号可得到被测物体的信息，进而将物体的特征表现出来。

在非制冷红外探测器技术中，噪声等效温差(NETD)是衡量系统在噪声中辨别小信号能力的一个参数，它标志红外探测系统可探测的最小温差，是衡量红外探测器系统性能的重要指标之一。对于采用光读出的双材料微悬臂梁红外焦平面阵列，其理想的反光板结构的曲率半径为无限大，使入射到其表面的读出光有效的反射回读出光路。但是由于双材料之间的应力失配问题，反光板通常会弯曲成弧形，从而造成其反射光谱展宽，最终导致读出系统灵敏度的大幅下降，使噪声等效温差增加。所以，当采用本征应力相同的两种材料组成双材料微悬臂梁红外焦平面阵列时，将使反光板的曲率半径增加，从而使NETD减小。

由于二氧化硅(SiO₂)和铝(Al)不但其热膨胀系数差别大，而且是微细加工中的常规材料、且价格便宜，所以成为双材料微悬臂梁的最佳选择。在微细加工中，Al通常具有应力为-60MPa～200MPa。当采用等离子增强型化学气相淀积(PECVD)方法生长SiO₂时，根据其生长条件的不同，其本征应力为-300MPa～300MPa。当采用低压化学气相淀积(LPCVD)方法生长SiO₂时，根据其生长条件的不同，其本征应力为-120MPa～-20MPa。仅从本征应力考虑，似乎PECVD SiO₂可以满足与Al膜的应力匹配，能够用于组成双材料微悬臂梁红外焦平面阵列。

然而，在双材料微悬臂梁红外焦平面阵列的制备工艺中，通常使用XeF₂从正面刻蚀释放硅衬底，故要求SiO₂具有良好的抗XeF₂腐蚀能力，否则微结构可能在释放衬底过程中断裂或脱离，造成器件失效。然而，采用PECVD生长的SiO₂其XeF₂腐蚀能力差，而采用LPCVD生长的SiO₂其抗XeF2腐蚀能力强。因此，LPCVD SiO₂虽然满足抗XeF₂腐蚀能力，但是其无法实现与Al膜的应力匹配。所以，在SiO₂的选择上，即要实现SiO₂与Al的应力匹配，又要增强SiO₂的抗XeF2腐蚀能力。

虽然，采用杂质注入工艺和退火工艺可以实现张应力LPCVD SiO₂膜制备，但是由于LPCVD SiO₂膜淀积设备、生长条件和膜厚的差别，其制备的LPCVD SiO₂膜经杂质注入工艺和退火工艺后，形成的张应力LPCVD SiO₂膜的应力值具有较大的变化范围，其值为0MPa～200MPa，无法实现Al膜应力与LPCVD SiO₂膜应力的完全匹配，而现有的工艺无法使得Al膜应力也同样在负应力至正应力间连续调节。

综上所述，现有技术的SiO₂薄膜制备工艺无法兼顾应力完全匹配和抗腐蚀能力，无法有效用于双材料微悬臂梁红外焦平面阵列的制备工艺。

发明内容

本发明目的在于利用现有的设备和制备工艺，以低廉成本制造出兼顾应力完全匹配和抗腐蚀能力的LPCVD SiO₂薄膜与Al薄膜构成的双材料微悬臂梁。