一种使用非晶碳作为牺牲层制作微测辐射热计微桥结构的方法与流程

本发明属于半导体技术中的微机电系统工艺制造领域，具体涉及一种使用非晶碳作为牺牲层制作微测辐射热计微桥结构的方法。

背景技术：

微测辐射热计(micro-bolometer)是基于具有热敏特性的材料在温度发生变化时电阻值发生相应的变化而制造的一种热探测器。

非制冷红外探测技术是无需制冷系统对外界物体的红外辐射(ir)进行感知并转化成电信号经处理后在显示终端输出的技术，可广泛应用于国防、航天、医学、生产监控等众多领域。非制冷红外探测器主要包括测辐射热计、热释电和热电堆探测器等，其中基于mems(微机电系统)制造工艺的微测辐射热计红外探测器由于其响应速率高，制作工艺简单且与集成电路制造工艺兼容，具有较低的串音和较低的1/f噪声，较高的帧速，工作无需斩波器，便于大规模生产等优点，是非制冷红外探测器的主流技术之一。

微测辐射热计的红外或者太赫兹辐射探测过程，主要是通过悬空的微桥结构来完成的，所以微测辐射热计的微桥制造是决定其性能的关键因素。它利用牺牲层释放工艺形成微桥支撑结构，支撑平台上的热敏材料通过微桥与基底读出电路相连。牺牲层厚度即光学谐振腔高度：空腔除了起到热绝缘作用之外，还可以增强器件对红外辐射或者太赫兹辐射的吸收(吸收系数可高达90％)，以及定位器件对红外或太赫兹吸收的波段。因此牺牲层厚度设计为λ/4n(λ是红外波或太赫兹波波长，n是空腔介质的折射率，真空中n＝1)，λ/4n使空腔谐振吸收得到加强。

为了使红外或者太赫兹探测器具有较高的灵敏度(sensitivity)和较低的噪声(noise)，这就要求牺牲层具有精确的高度，从而提供精确的光学谐振腔高度。牺牲层形成后，还需要在其基础上制作多层结构，而这些结构对平整度的要求非常高，所以牺牲层的平整与均匀也是影响探测器性能的重要因素。

使用聚酰亚胺作为牺牲层。该牺牲层的制作方法是将聚酰亚胺溶液滴在晶圆上，旋涂覆盖金属反射层。该方法由于使用的是旋涂手段，需要经验去控制旋涂仪的转速来控制薄膜旋涂厚度，这种方法难以精确控制薄膜的厚度；制作太赫兹微测辐射热计时需要制作厚度更大的牺牲层，而使用旋涂的方法难以制作厚膜，从而难以达到太赫兹微测辐射热计需要的比较高的光学谐振腔；另外，这种方法会导致旋涂材料的大量损失，而且容易造成设备的污染。

聚酰亚胺旋涂之后，会形成牺牲层薄膜。在旋涂圆盘上不同半径位置的离心力不同会导致薄膜的厚度由圆盘中心向边缘逐渐变薄，从而导致牺牲层的不平整。而后期的许多工艺都是基于牺牲层进行操作的，这样就会导致后续的结构不平整，从而影响微测辐射热计的敏感度，增加了噪声；同时会影响图形光刻特征尺寸的均匀性，造成器件性能不佳。

牺牲层释放时，需要使用离子轰击，由于不能准确控制其释放时间，释放时间过长会造成其他结构损伤，释放时间过短会造成牺牲层释放不完全。

专利申请号为201380071919.3的专利公开了利用非晶碳制作mems器件的方法，存在以下缺陷：(1)在制作电学连接金属时采用的是在图形化后的牺牲层上沉积金属薄膜，沉积的金属薄膜可能会沉积不到底部的电极上，导致电学连接失效；(2)未对沉积后的金属电极进行钝化保护，易导致金属电极氧化，从而导致其电学连接性差；(3)虽然使用非晶碳作为牺牲层，但是在沉积牺牲层之后未对其进行平坦化处理，而是直接沉积金属，虽然这样可以增加金属的粘附性，但是得到结构表面不够平整，对后续沉积或者光刻更多层结构时，会影响沉积薄膜的平整度和光刻的准确度。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术中存在的不足，提供一种电学连接性好，且结构平整度高的使用非晶碳作为牺牲层制作微测辐射热计微桥结构的方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种使用非晶碳作为牺牲层制作微测辐射热计微桥结构的方法，包括以下步骤：

步骤1.在包含读出电路为基底的晶圆上制作金属反射层，薄膜厚度0.05～0.40μm，对金属反射层进行图形化处理，图形化处理之后的金属反射层包括若干个金属块，并在图形化处理之后的金属反射层沉积一层绝缘介质，所述绝缘介质为氮化硅薄膜或者氧化硅薄膜；

步骤2.在所述绝缘介质层上制备牺牲层，所述牺牲层为非晶碳薄膜，利用物理气相沉积或化学气相沉积来实现非晶碳薄膜的制备，制备的薄膜厚度为0.5～500μm，并对牺牲层进行图形化处理，图形化处理的牺牲层上形成锚点孔，接着，利用化学机械抛光工艺(cmp)对非晶碳牺牲层表面进行平坦化处理；

步骤3.在平坦化后的牺牲层上利用等离子增强化学气相沉积制备支撑层，所述支撑层为低应力氮化硅薄膜；

步骤4.利用光刻和蚀刻，蚀刻掉所述锚点孔底部的支撑层和绝缘介质层，露出下面的金属块，形成通孔；

步骤5.利用钨插塞工艺在所述锚点孔和通孔内沉积金属钨,形成电学连接，利用化学机械抛光工艺将不平整的金属钨表面进行平坦化,使其与牺牲层保持在同一水平面上；

步骤6.制备金属电极层和热敏层：方法一，在支撑层利用物理气相沉积制备金属电极层，并对金属电极层进行图形化处理；接着，在图形化后的金属电极层上沉积电极保护层，并对电极保护层进行图形化处理，图形化后的电极保护层上形成接触孔，所述接触孔终止于图形化后的金属电极层；然后，采用离子束沉积或物理气相沉积的方法在图形化后的电极保护层上沉积热敏层，并对热敏层进行图形化处理；方法二，先在支撑层上采用离子束沉积物理气相沉积的方法生长热敏层，并对其进行图形化处理，再利用物理气相沉积的方法在热敏层上制备电极保护层，并对所述电极保护层进行图形化处理，图形化后的电极保护层上形成接触孔，所述接触孔终止于所述热敏层；然后，在图形化后的电极保护层上制备金属电极层，并对其进行图形化处理；

步骤7.利用等离子体增强化学气相沉积的方法在图形化后热敏薄膜层或金属电极层上制备钝化层，所述钝化层为低应力氮化硅薄膜，并对其进行图形化处理；

步骤8.牺牲层的释放，把完成钝化层图形化的器件放入等离子体灰化装置或等离子体刻蚀装置中，利用氧气等离子体灰化或等离子体刻蚀，去除非晶碳牺牲层，形成最终的微桥结构。

进一步，所述绝缘介质薄膜的厚度0.02～0.30μm。

进一步，所述支撑层厚度为0.10～0.30μm。

进一步，所述钝化层厚度为

进一步，所述电极保护层为氮化硅薄膜。

进一步，所述热敏层为氧化钒薄膜。

本发明的有益效果是：(1)使用非晶碳薄膜作为牺牲层，非晶碳薄膜是一种具有非晶态和微晶态结构的含氢碳膜，它具有高硬度、抗耐磨、光学透光性、低摩擦系数及化学惰性等类似金刚石的优异性能非晶碳膜不仅制备温度低，甚至可以在室温制备，放宽了对衬底的要求，且非晶碳膜的制备成本低，设备简单，容易获得较大面积的薄膜；(2)在通孔和锚点孔内利用坞插塞工艺沉积金属坞，电学连接性更好；(3)然后利用化学机械抛光(cmp)对非晶碳薄膜和沉积钨后的支撑层表面进行平坦化处理，提高结构的平整度，不仅减降低了工艺难度，减小了表面形貌对光刻特征尺寸的影响，提高了器件的均匀性，也为制作更大阵列和更小的像元提供基础；(4)牺牲层的释放采用氧气等离子灰化或者等离子刻蚀等方法实现，不仅可以完全去除牺牲层，还可以只生成二氧化碳，不会造成对环境以及其他产品和设备的污染

附图说明

图1为本发明金属反射层形成示意图；

图2为本发明牺牲层和支撑层形成示意图；

图3为本发明通孔形成示意图；

图4为本发明金属坞电学连接形成示意图；

图5为本发明金属电极层图形形成示意图；

图6为本发明接触孔形成示意图；

图7为本发明热敏层形成示意图；

图8为本发明微桥结构示意图；

在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：1、带读出电路的基底，2、金属反射层，2-1、金属块，3、绝缘介质层，4、牺牲层，5、支撑层，6、锚点孔，7、通孔，8、金属坞，9、金属电极层，10、接触孔，11、电极保护层，12、热敏层，13、钝化层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

一种使用非晶碳作为牺牲层制作微测辐射热计微桥结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.在包含读出电路为基底1的晶圆上制作金属反射层2，薄膜厚度0.05～0.40μm，对金属反射层2进行图形化处理，图形化处理之后的金属反射层包括若干个金属块2-1，并在图形化处理之后的金属反射层2沉积绝缘介质层3，所述绝缘介质层3为氮化硅薄膜或者氧化硅薄膜，所述绝缘介质层3的厚度0.02～0.30μm，如图1所示。

步骤2.在所述绝缘介质层3上制备牺牲层4，所述牺牲层4为非晶碳薄膜，利用物理气相沉积或化学气相沉积来实现非晶碳薄膜的制备，制备的非晶碳薄膜厚度为0.5～500μm，并对牺牲层4进行图形化处理，图形化处理的牺牲层4上形成锚点孔6，接着，利用化学机械抛光工艺(cmp)对非晶碳牺牲层4表面进行平坦化，如图2所示。

步骤3.在平坦化后的牺牲层4上利用等离子增强化学气相沉积制备支撑层5，所述支撑层5为低应力氮化硅薄膜，所述支撑层5厚度为0.10～0.30μm，如图2所示。

步骤4.利用光刻和蚀刻，蚀刻掉所述锚点孔6底部的支撑层5和绝缘介质层3，露出下面的金属块2-1，形成通孔7，如图3所示。

步骤5.利用钨插塞工艺在所述锚点孔6和通孔7内沉积金属钨8,形成电学连接，利用化学机械抛光工艺将不平整的金属钨表面进行平坦化,使其与牺牲层4保持在同一水平面上，如图4所示。

步骤6.制备金属电极层2和热敏层12：在支撑层5利用物理气相沉积制备金属电极层9，并对金属电极层9进行图形化处理；接着，在图形化后的金属电极层9上沉积电极保护层11，并对电极保护层11进行图形化处理，图形化处理后的电极保护层上形成接触孔10，所述接触孔10终止于图形化后的金属电极层9，所述电极保护层11为氮化硅薄膜；然后，采用离子束沉积或物理气相沉积的方法在图形化后的电极保护层上沉积热敏层12，并对热敏层12进行图形化处理，所述热敏层12为氧化钒薄膜，如图5至图7所示。

步骤7.利用等离子体增强化学气相沉积的方法在图形化后热敏层12制备钝化层13，所述钝化层13为低应力氮化硅薄膜，所述钝化层13厚度为如图7所示。

步骤8.牺牲层的释放，把完成钝化层图形化的器件放入等离子体灰化装置或等离子体刻蚀装置中，利用氧气等离子体灰化或等离子体刻蚀，去除非晶碳牺牲层，形成最终的微桥结构，如图8所示。

实施例2

与实施1不同的是在步骤6中，制备金属电极层和热敏层采用方法二：先在支撑层5上采用离子束沉积物理气相沉积的方法生长热敏层12，并对其进行图形化处理，再利用物理气相沉积的方法在热敏层12上制备电极保护层11，并对所述电极保护层11进行图形化处理，图形化后的电极保护层11上形成接触孔10，所述接触孔10终止于所述热敏层12；然在图形化后的电极保护层11上制备金属电极层9，并对其进行图形化处理(图中未画出)；

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。