专利名称：非致冷红外焦平面器件用低应力复合介质膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及非致冷红外焦平面器件的制备工艺，具体是指非致冷红外焦平面列阵成像器件用的低应力复合介质膜的制备方法。
背景技术：
非致冷红外焦平面列阵成像器件是一种基于热效应的红外探测器件。它由探测器列阵和读出电路集成在一个硅片上制成。为了便于热吸收和反应，其核心部件是采用硅表面微机械加工技术制造的一种微桥结构的探测器。读出电路是标准的互补型金属氧化物半导体(CMOS)工艺制造的CMOS读出电路。这种器件的特点是体积很小，响应率快、探测率高。在民用红外成像、夜视、军事侦察甚至航天等诸多领域有着广泛而重要的应用。
这种器件的核心部件在制备过程中需要多次淀积介质膜，基本过程如下见图1，a.在硅片的铝电极上涂聚烯亚胺牺牲层；b.等离子增强型气相化学淀积桥底复合SixNy介质膜；c.溅射VO2热敏电阻薄膜；d.等离子气相化学淀积热敏电阻和电极之间的隔离复合SixNy介质膜；
e.溅射Ti/Al金属电极；f等离子气相化学淀积桥面保护复合SixNy介质膜；g.等离子腐蚀牺牲层形成微桥探测器。
如何控制微桥的形状和增强其强度是探测器制造工艺中的主要技术难点之一。要想保证微桥的形状，增强其强度就必须控制微桥桥面的平整度，使桥面尽量平坦。微桥桥面的平整度变化主要决定于介质膜机械应力的变化，如果介质膜应力很大，桥面就会翘曲甚至断裂，见图2a；相反，如果介质膜应力小，桥面就相对平整，见图2b。因此为了控制桥面的平整度就需要在介质膜的淀积工艺中有效地控制介质膜的应力。为了和其它工艺相互兼容，如CMOS工艺、聚烯亚胺牺牲层工艺，介质膜的淀积一般采用淀积温度较低的等离子增强型化学气相淀积(PECVD)工艺。
PECVD的SixNy薄膜不仅具有高介电常数，高绝缘强度，低漏电，对Na-和水汽具有良好的阻挡能力等特点，还具有优良的机械加工性能和良好的稳定性，并且淀积温度较低(100～500℃)，非常适合与其它工艺兼容。然而，多数PECVD的介质膜都存在一个机械应力较大的问题。
目前，消除PECVD的SixNy介质膜应力的方法通常有二种一种是采用两套不同的功率源，高频频率约几十MHz，低频源约几十到几百KHz。因为低频(＜4MHz)PECVD淀积的介质膜产生压应力；高频PECVD淀积的介质膜产生张应力。两个不同的功率源交替工作，总的效果为，压缩应力和舒展应力相互抵消，从而形成无应力的复合介质膜。但是，此方法的局限性在于它受设备配置的限制，必须有两套功率源；另外应力的变化跟两个功率源作用的比率的关系十分敏感，压缩应力和舒张应力之间有一个突变，重复性不易掌握，工艺条件难以控制。
另一种方法是依次将PECVD的介质膜和LPCVD(低压化学气相淀积)的介质膜淀积在一起，形成一种低应力的复合介质膜。因为LPCVD介质膜通常是压应力的，而PECVD又易于淀积出张应力的介质膜，将适当厚度的这两种应力性质相反的介质膜淀积在一起，两种应力互相抵消，就形成了一种低应力的复合介质膜。但是LPCVD温度通常为800℃，不能与CMOS 艺和聚烯亚胺牺牲层工艺相兼容，所以这种方法不适合微桥探测器的制造。

发明内容
PECVD工艺淀积的SixNy介质膜的应力跟工艺条件如温度、气体流量、反应压力、射频功率源的频率等有着密切的关系。对于同一设备，反映到介质膜本身的物理参量上就表现为介质膜的折射率跟应力有明显关系，这是大家所公知的。
本发明的目的就是利用介质膜的折射率跟应力的关系，提出一种只需在常规的单频率射频源的PECVD设备上就能淀积出一种低应力的SixNy复合介质膜的制备方法。
经研究发现，当介质膜折射率N在1.48～1.59之间时，介质膜的应力表现为压应力，应力随折射率变化较小，见图3中的AB段，淀积工艺稳定，重复性好；N在1.65～2.0时，介质膜表现为张应力，应力随折射率变化较小，见图3中的CD段所示，淀积工艺稳定，重复性好；而N在1.59～1.65之间时是一个应力突变点，应力随折射率的变化很大，见图3中的BC段所示，在此段淀积工艺很难控制，重复性就差。
本发明的技术方案是通过选取应力随折射率变化较小的N在1.48～1.59之间的压应力介质膜的淀积工艺和N在1.65～2.0之间的张应力介质膜的淀积工艺，并通过改变两种膜的厚度比例，使应力性质相反的张应力膜和压应力膜的应力相互抵消，从而得到应力较小的复合膜。
本发明的制备方法如下折射率N在1.48～1.59之间的压应力介质膜，其淀积工艺条件为反应温度280-320℃；腔体压力400-600mτ；射频功率20W(13.54MHz)；气体流量SiN 65-85 SCCM；NH320-45 SCCM；N2O 15-25SCCM；淀积速度13-14nm/min(13.5nm/min)；折射率N在1.65～2.0之间的张应力介质膜，其淀积工艺条件为反应温度280-320℃；腔体压力750mτ；射频功率20W(13.54MHz)；气体流量SiN 150-190 SCCM；NH35-10SCCM；淀积速度5-11nm/min。
本发明的二种膜的生长不存在先后，压应力介质膜与张应力介质膜的厚度比为3∶2。
本发明方法生长的这种复合介质膜的优点是介质膜应力较低；在一定范围内应力性质和大小可以控制；介质膜性质稳定；工艺重复性好；制备设备要求相对较低。


图1为微桥结构探测器的基本工艺流程图；图2为微桥桥面的平整度变化图，图2a为微桥桥面翘曲，图2b为微桥桥面相对平整；图3为应力随折射率的变化曲线图。
具体实施方案下面本发明人提供一个经多次实验验证，复合介质膜应力最小，微桥桥面相对平整的实施例使用的设备为英国OXFORD INSTRUMENTS公司的Plasmalab 80Plus PECVD系统。压应力介质膜的折射率选取N＝1.57，张应力介质膜的折射率选取N＝2.0。具体工艺条件为压应力介质膜(N＝1.57)反应温度300℃；腔体压力500mτ；射频功率20W(13.54MHz)；气体流量SiN 75SCCM；NH337.5SCCM；N2O 20SCCM；淀积速度13.5nm/min；张应力介质膜(N＝2.0)反应温度300℃；腔体压力750mτ；射频功率20W(13.54MHz)；气体流量SiN 170SCCM；NH35SCCM；淀积速度6.8nm/min。
根据两种介质膜的厚度比例与应力关系，确定d(N＝1.57)/d(N＝2.0)＝3∶2时复合介质膜的应力为最小。
根据器件的设计要求需要淀积200nm的介质膜，我们就按2/3的比例，先淀积N＝1.57d＝80nm的介质膜再在其上淀积N＝2.0d＝120nm的介质膜。
结果微桥表面十分平整，见图3b，证明介质膜的应力非常小，满足了微桥结构的探测器的设计制造要求。
权利要求
1.一种非致冷红外焦平而器件用低应力复合介质膜的制备方法，其特征在于折射率在1.48～1.59之间的压应力介质膜的淀积工艺条件为反应温度280-320℃；腔体压力400-600mτ；射频功率20W(13.54MHz)；气体流量SiN 65-85 SCCM；NH320-45 SCCM；N2O 15-25SCCM；淀积速度13-14nm/min(13.5nm/min)；折射率在1.65～2.0之间的张应力介质膜的淀积工艺条件为反应温度280-320℃；腔体压力750mτ；射频功率20W(13.54MHz)；气体流量SiN 150-190 SCCM；NH35-10SCCM；淀积速度5-11nm/min。二种介质膜的生长不存在先后，二种介质膜的厚度比为3∶2。
全文摘要
本发明公开了一种非致冷红外焦平面器件低应力复合介质膜的制备方法，该方法是在常规的单频率射频源的PECVD设备上通过改变工艺条件生长出折射率在1.48～1.59之间的压应力介质膜和折射率在1.65～2.0之间的张应力介质膜，并通过改变两种膜的厚度比例，使应力性质相反的张应力膜和压应力膜的应力相互抵消，从而得到应力较小的复合膜。本发明方法生长的这种复合介质膜的优点是介质膜应力较低，在一定范围内应力性质和大小可以控制，介质膜性质稳定，工艺重复性好，制备设备要求相对较低。
文档编号G01J1/02GK1492487SQ0315086
公开日2004年4月28日 申请日期2003年9月9日 优先权日2003年9月9日
发明者陈永平, 刘强, 梁平治 申请人:中国科学院上海技术物理研究所