一种用于红外探测器小孔腐蚀的腐蚀液及方法与流程

1.本发明属于红外探测器制造技术领域，具体涉及一种用于红外探测器小孔腐蚀的腐蚀液及方法。


背景技术：

2.红外探测器的工作原理是将热敏材料受红外辐射产生的热信号转换为电信号。大气环境对3～5μm和8～14μm的红外线是透明的，利用这两个波段制作的红外探测器，可以在夜晚或雨雪、沙尘、大雾等天气，清晰地观察到所需监控的对象，正是因为红外辐射的这个特点，红外探测器广泛应用于军事和民用领域。
3.红外探测器属mems器件，包含很多小孔和微桥，为使探测器发挥最佳性能并保护这些微小的结构，红外探测器必须封装在真空环境中，而在真空封装过程中往往需要在封装结构上引入硫化锌作为红外增透膜；多余的硫化锌可采用盐酸湿法腐蚀去除。但不论使用浓盐酸还是稀盐酸，硫化锌湿法腐蚀过程中不仅会出现浮胶现象，破坏图形结构；还会因为湿法腐蚀各向同性的特点而产生严重的侧向钻蚀现象，当特征线宽非常小的情况下将严重影响封装效果，因此，需要改进腐蚀液配方和小孔腐蚀工艺。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有红外探测器小孔湿法腐蚀易出现浮胶现象，破坏图形结构，以及侧向钻蚀严重的问题。
5.为此，本发明提供了一种用于红外探测器小孔腐蚀的腐蚀液，包括作为溶剂的水，以及溶于水中的溶质，所述溶质包括盐酸、醋酸和氯化锌。
6.进一步的，所述盐酸的质量浓度为36～38%，醋酸的质量浓度不小于99.8%。
7.进一步的，所述盐酸、水、醋酸的体积比为5:4:1～5:5:1。
8.进一步的，所述氯化锌的浓度为24.0～27.0mol/l。
9.另外，本发明还提供了一种红外探测器小孔腐蚀方法，包括如下步骤：s1，在含有待加工器件结构的衬底上涂覆衬底牺牲层；s2，在衬底牺牲层上沉积硫化锌层，作为增透膜；s3，在硫化锌层上沉积非晶硅层，作为红外透过层和硫化锌层腐蚀的硬掩模版；s4，对非晶硅层进行光刻、干法刻蚀和去胶，得到释放孔前驱体；s5，用上述的腐蚀液对硫化锌层进行湿法腐蚀，得到所需要的小孔。
10.进一步的，所述衬底牺牲层为聚酰亚胺牺牲层，其厚度为2.0～2.2μm。
11.进一步的，所述硫化锌层厚度为1.0～1.2μm。
12.进一步的，所述非晶硅层厚度为100～150nm。
13.进一步的，所述释放孔前驱体的直径为0.8～1.0μm。
14.进一步的，所述步骤s5中湿法腐蚀采用单片式湿法腐蚀，且腐蚀液的温度为30
±
2℃。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果：(1)本发明提供的这种用于红外探测器小孔腐蚀的腐蚀液以盐酸作为腐蚀剂，并在盐酸中引入水、醋酸和氯化锌分别作为稀释剂、缓冲剂和保护剂，有效改善了硫化锌腐蚀过快、侧向钻蚀严重的问题。
16.(2)本发明提供的这种红外探测器小孔腐蚀方法中引入红外透过材料非晶硅作为硫化锌湿法腐蚀的硬掩模版，既不影响红外吸收，又有效避免了湿法腐蚀过程中的浮胶现象。
17.(3)本发明提供的这种红外探测器小孔腐蚀方法通过优化腐蚀液配方，并结合单片式湿法腐蚀工艺，既可保证切割道腐蚀干净，又可以得到良好的小孔形貌，其腐蚀因子f可达1.45。
18.以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
19.图1是红外探测器窗片结构示意图；图2是现有硫化锌湿法腐蚀形貌示意图；图3是采用本发明腐蚀液进行硫化锌腐蚀的化学反应过程示意图；图4是本发明红外探测器小孔腐蚀工艺流程示意图；图5是本发明实施例中实际加工产品形貌结构图。
20.附图标记说明：1、衬底；2、待加工器件结构；3、衬底牺牲层；4、硫化锌层；5、非晶硅层；6、释放孔前驱体；7、小孔；8、湿法腐蚀释放孔。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
22.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
23.为了解决现有硫化锌湿法腐蚀过程中不仅会出现浮胶现象，破坏图形结构的问题，本实施例采用如图1所示的红外探测器窗片结构，主要包括衬底牺牲层3、硫化锌层4、非晶硅层5和小孔7；其中，硫化锌层4作为增透膜，非晶硅层5作为红外透过层和硫化锌腐蚀的硬掩模版，小孔7用于将衬底牺牲层释放干净，在硫化锌层4上引入红外透过材料非晶硅作为硫化锌湿法腐蚀的硬掩模版，既不影响红外吸收，又有效避免了湿法腐蚀过程中的浮胶现象。
24.然而，硫化锌与衬底牺牲层3接触的粘附性低于与非晶硅接触的粘附性，采用传统的盐酸作为腐蚀液对硫化锌进行湿法腐蚀后会形成倒梯形结构的湿法腐蚀释放孔8，如图2所示，造成侧向钻蚀严重的问题。为了改善这一现象，需要优化腐蚀液配方，来降低硫化锌
的刻蚀速率；通过大量实验，最终选择本实施例提供的这种用于红外探测器小孔腐蚀的腐蚀液，包括作为溶剂的水，以及溶于水中的溶质，所述溶质包括盐酸、醋酸和氯化锌。
25.其中，盐酸作为腐蚀剂，醋酸作为缓冲剂，水起到稀释作用，氯化锌作为保护剂；采用此腐蚀液进行硫化锌湿法腐蚀的反应原理如图3所示，硫化锌界面和腐蚀液界面存在很薄的固液反应界面层，在该反应界面层，盐酸和硫化锌反应生成大量硫化氢气体，即化学方程式1：zns 2h

=h2s
↑
zn
2
，气体附着在硫化锌表面，可以阻碍盐酸对硫化锌腐蚀作用。此外，氯化锌是强酸弱碱盐，会发生水解反应，即化学方程式2：2h2o zn
2
=zn(oh)2↓
2h

。界面层中存在大量的氯化锌，随着盐酸的消耗，h

离子浓度降低，促使化学方程式2向右移动，生成难溶的氢氧化锌，氢氧化锌附着在硫化锌表面，对硫化锌有保护作用，在一定程度上减缓了盐酸对硫化锌的腐蚀过程；同时从化学方程式1可知，随着反应的进行盐酸的浓度逐渐降低，溶液的腐蚀速率也会随之下降，醋酸则起到提供h

，调节溶液腐蚀速率的作用。
26.可优选的，所述盐酸的质量浓度为36～38%，醋酸的质量浓度不小于99.8%，所述盐酸、水、醋酸的体积比为5:4:1～5:5:1，盐酸含量过多，硫化锌腐蚀速率过快，小孔侧向钻蚀严重；水和醋酸的含量过大，则硫化锌腐蚀缓慢，生产效率低。所述氯化锌的浓度为24.0～27.0mol/l。
27.采用上述腐蚀液加工红外探测器小孔的工艺流程如图4所示，具体过程如下：s1，在含有待加工器件结构2的衬底1上涂敷衬底牺牲层3，所述衬底牺牲层3厚度为2.0～2.2μm；所述衬底牺牲层3经涂胶和光刻露出不需要保护的衬底牺牲层3，通过干法刻蚀去除未被光刻胶保护的衬底牺牲层3，通过湿法清洗去胶，得到如图4(a)所示的结构；其中，衬底牺牲层3采用聚酰亚胺牺牲层，而对衬底牺牲层的涂胶、光刻、干法刻蚀、湿法清洗去胶等过程均为现有技术，其具体操作过程此处不再赘述。
28.s2，在图4(a)所示结构的衬底牺牲层3上沉积硫化锌层4，作为增透膜；经模拟，所述硫化锌层4厚度为1.0～1.2μm，此厚度范围的硫化锌层4既对8～12μm的红外光有较好的透过率，又能保证良好的台阶覆盖性。
29.s3，在所述硫化锌层4上沉积非晶硅层5，作为红外透过层和硫化锌腐蚀的硬掩模版，得到如图4(b)所示的结构。经模拟，当非晶硅层5的厚度小于2.0μm，其红外透过率与无吸收硅相当，此层非晶硅作为硬掩模版，不宜太厚，因此，本发明优选非晶硅层5的厚度为100～150nm。
30.s4，对所述非晶硅层5进行光刻、干法刻蚀和去胶，得到释放孔前驱体6，如图4(c)；所述释放孔前驱体6的直径为0.8～1.0μm。
31.s5，用上述实施例得到的腐蚀液对步骤s4得到的结构进行单片式湿法腐蚀，从而得到需要的小孔7。其中，单片式湿法腐蚀工艺为现有技术，其具体操作过程此处不再赘述；在腐蚀过程中，腐蚀液温度采用30
±
2℃。
32.具体的，在腐蚀过程中晶圆高速旋转，切割道的硫化锌因为有全新酸液的不断冲刷而较快腐蚀干净；释放孔前驱体6里的腐蚀液则因为毛细现象的存在，腐蚀液交换缓慢，释放孔前驱体6处硫化锌腐蚀较慢，因此，通过优化腐蚀液配方，结合单片式湿法腐蚀工艺，既可以保证切割道腐蚀干净，又可以得到良好的小孔形貌。
33.如图5所示，采用本实施例的腐蚀液配方结合单片式湿法腐蚀工艺得到的产品形貌结构图，其中，腐蚀液配方为盐酸、水、醋酸的体积比为5:5:1，氯化锌的浓度为25.0mol/
l，所述盐酸的质量浓度为37%，醋酸的质量浓度为99.8%；同时，在单片式湿法腐蚀工艺过程中，硫化锌层厚度为1.02μm，腐蚀完成后经检测，释放孔前驱体6（即图5中）的直径为0.98μm，腐蚀后小孔直径为2.38μm，由此计算得到，硫化锌侧向钻蚀量为0.7μm，小孔的腐蚀因子可达1.45（腐蚀因子是腐蚀深度与侧向钻蚀深度的比值，一般其值大于1.0即可用于生产），有效解决了现有小孔腐蚀过程中硫化锌侧向钻蚀严重的问题，获得了具有较大腐蚀因子的小孔形貌。
34.综上所述，本发明提供的这种用于红外探测器小孔腐蚀的腐蚀液以盐酸作为腐蚀剂，并在盐酸中引入水、醋酸和氯化锌分别作为稀释剂、缓冲剂和保护剂，有效改善了硫化锌腐蚀过快、侧向钻蚀严重的问题。
35.以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。