基于MEMS技术硅微悬臂梁制作工艺研究

　　MEMS(Micro Electromechanical System,即微电子机械系统)是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。概括起来,MEMS具有以下几个基本特点,微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产。近年来,红外探测器被广泛地应用于军事、医学、气象、农业等诸多领域,因而他受到越来越多的关注。红外探测器分为量子型和热型2种。量子型红外探测器有响应时间短、噪声等效温度差低(NETD约5~10 mK)等优点,但它需要工作在低温下(77 K液氮),因此成本和能耗高,限制了它的　　应用。传统的热型探测器(如热电、焦电)不需要制冷装置,可以使能耗和成本降低,NETD可达到约20~50 mK。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]。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。本文基于MEMS技术提出了一种单层膜结构双材料微悬臂梁阵列的设计与制作,并对设计参数进行了评估。

　　1　双材料微梁阵列的制作工艺

　　双材料微梁阵列的制作工艺由6个主要步骤组成。

　　第1步,在清洗后的硅约束基底上长2·5μm厚的PSG膜。

　　第2步,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,采用等离子干法刻蚀方法(RIE,Reactive Ion Etch)刻蚀PSG膜。

　　第3步,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。

　　第4步,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。

　　第5步,在氮化硅(SiNx)膜上溅射0.3μm厚铝膜,形成双材料梁。

　　第6步,最后把余留的光刻胶和其上的Au一起去除,最后,牺牲层的释放。

　　图1给出了微梁阵列的工艺流程示意图。

　　表1　给出了硅微悬臂梁制作加工工艺。

　　2　MEMS可变电容的制作工艺中的牺牲层释放

　　牺牲层技术是制造表面微机械结构的关键与核心技术,所谓牺牲层技术就是利用不同材料在1种腐蚀液(或腐蚀气体)中腐蚀速率的巨大差异,选择性的腐蚀去掉结构层薄膜下面的1层材料(即牺牲层材料),从结构层下面将牺牲层选择性的腐蚀掉,留下的结构层与衬底表面分开(这一步腐蚀牺牲层工艺一般称之为释放),形成了表面距离等于牺牲层厚度的悬空梁结构。牺牲层技术的关键在于牺牲层材料及腐蚀液,要使该腐蚀液对牺牲层腐蚀得很快而对牺牲层上、下方的结构膜材料腐蚀得很慢,二者的腐蚀速率之比越大,机构膜层受影响就越小,实现的机构就越精确与理想。在上述工艺中,关键步骤在于牺牲层的选择性释放以及随后自由结构的干燥。尤其是在使用铝作结构层的同时要选择性地腐蚀牺牲层磷硅玻璃。