微悬臂梁制作中的牺牲层释放工艺研究

　　引言

　　基于光学读出的双材料微悬臂梁阵列受热变形红外成像技术是本世纪初出现的一种新的热型非制冷红外成像技术[1]。该技术采用MEMS制造工艺[2]及非接触光学测量,其中由微悬臂梁阵列结构组成的红外焦平面成像阵列FPA(FocalPlateArray)的制作是该系统的核心技术。如图1所示,将做在硅基上的一个双材料的悬臂梁作为红外传感器,其悬臂梁有这样几个部分:一个氮化硅的吸收垫;一个起到隔热和支撑作用的腿;一个由氮化硅和铝组成的双材料的悬臂梁;一个反射可见光的镜面。

　　由于传统机械加工方法不能实现微型悬臂梁阵列加工的需要,故微悬臂梁阵列的制作需要采用MEMS技术。下面给出双材料微梁阵列的制作工艺主要步骤[3]: (1)在清洗后的硅约束基底上长2. 5μm厚的PSG膜; (2)利用光刻得到制作覆盖在PSG表面的用于刻蚀PSG膜的掩模1(mask),采用等离子干法刻蚀方法(RIE,Reactive Ion Etch)刻蚀PSG膜,用于接下来腐蚀形成将来悬臂梁连接部分的掩膜(掩膜1);(3)利用光刻得到制作覆盖在PSG表面的用于沉积氮化硅(SiNx)和铝(Al)膜的掩模2(mask); (4)利用掩模2,在硅约束基底和PSG膜上长0. 5μm厚的氮化硅(SiNx)膜; (5)溅射0. 3μm厚铝膜,形成双材料梁; (6)最后把余留的光刻胶和其上的铝一起去除,最后,牺牲层的释放,如图2所示。

　　1　牺牲层释放工艺研究

　　牺牲层的释放是上述制作工艺中的最后环节,也是该工艺的关键环节。它通常是指在需要的地方通过物理和化学的方法对原有材料的去除,从而用于形成微器件的几何形状。本文研究的微悬臂梁制作工艺中的释放是依靠在基底上逐层添加材料来构造微结构,再利用不同材料在同一种腐蚀液(或腐蚀气)中腐蚀速率的差异,选择性的将结构图形与衬底之间的材料(即牺牲层材料)刻蚀去掉进行结构的释放,形成空腔上的膜或其它悬空结构的一种微加工技术。

　　对牺牲层材料的腐蚀一般分为湿法腐蚀和干法腐蚀。湿法腐蚀是指用稀释的化学溶液来腐蚀基底。如,稀释的HF溶液用来溶解SiO2、Si3N4和多晶体硅,而KOH用来腐蚀硅基底。腐蚀的速率取决于被腐蚀的材料和溶液中化学反应物的浓度,以及溶液的温度[4]。干法腐蚀是利用气体腐蚀剂,而不是利用化学剂和清洗法来去除基底材料。干法腐蚀对片上的其他器件影响较小,但横向腐蚀尺寸有限,比较难加工大尺寸的微机械结构。湿法腐蚀对牺牲层有很高的选择性,横向腐蚀的尺寸基本没有限制,可在很大范围内获得不同尺寸的微机械结构[5]。本微悬臂梁制作工艺中牺牲层利用湿法腐蚀得到微悬臂梁结构。