專利名稱：非致冷紅外焦平面器件用低應力復合介質膜的制備方法
技術領域：
本發明涉及非致冷紅外焦平面器件的制備工藝，具體是指非致冷紅外焦平面列陣成像器件用的低應力復合介質膜的制備方法。
背景技術：
非致冷紅外焦平面列陣成像器件是一種基于熱效應的紅外探測器件。它由探測器列陣和讀出電路集成在一個硅片上制成。為了便于熱吸收和反應，其核心部件是采用硅表面微機械加工技術制造的一種微橋結構的探測器。讀出電路是標準的互補型金屬氧化物半導體(CMOS)工藝制造的CMOS讀出電路。這種器件的特點是體積很小，響應率快、探測率高。在民用紅外成像、夜視、軍事偵察甚至航天等諸多領域有著廣泛而重要的應用。
這種器件的核心部件在制備過程中需要多次淀積介質膜，基本過程如下見圖1，a.在硅片的鋁電極上涂聚烯亞胺犧牲層；b.等離子增強型氣相化學淀積橋底復合SixNy介質膜；c.濺射VO2熱敏電阻薄膜；d.等離子氣相化學淀積熱敏電阻和電極之間的隔離復合SixNy介質膜；
e.濺射Ti/Al金屬電極；f等離子氣相化學淀積橋面保護復合SixNy介質膜；g.等離子腐蝕犧牲層形成微橋探測器。
如何控制微橋的形狀和增強其強度是探測器制造工藝中的主要技術難點之一。要想保證微橋的形狀，增強其強度就必須控制微橋橋面的平整度，使橋面盡量平坦。微橋橋面的平整度變化主要決定于介質膜機械應力的變化，如果介質膜應力很大，橋面就會翹曲甚至斷裂，見圖2a；相反，如果介質膜應力小，橋面就相對平整，見圖2b。因此為了控制橋面的平整度就需要在介質膜的淀積工藝中有效地控制介質膜的應力。為了和其它工藝相互兼容，如CMOS工藝、聚烯亞胺犧牲層工藝，介質膜的淀積一般采用淀積溫度較低的等離子增強型化學氣相淀積(PECVD)工藝。
PECVD的SixNy薄膜不僅具有高介電常數，高絕緣強度，低漏電，對Na-和水汽具有良好的阻擋能力等特點，還具有優良的機械加工性能和良好的穩定性，并且淀積溫度較低(100～500℃)，非常適合與其它工藝兼容。然而，多數PECVD的介質膜都存在一個機械應力較大的問題。
目前，消除PECVD的SixNy介質膜應力的方法通常有二種一種是采用兩套不同的功率源，高頻頻率約幾十MHz，低頻源約幾十到幾百KHz。因為低頻(＜4MHz)PECVD淀積的介質膜產生壓應力；高頻PECVD淀積的介質膜產生張應力。兩個不同的功率源交替工作，總的效果為，壓縮應力和舒展應力相互抵消，從而形成無應力的復合介質膜。但是，此方法的局限性在于它受設備配置的限制，必須有兩套功率源；另外應力的變化跟兩個功率源作用的比率的關系十分敏感，壓縮應力和舒張應力之間有一個突變，重復性不易掌握，工藝條件難以控制。
另一種方法是依次將PECVD的介質膜和LPCVD(低壓化學氣相淀積)的介質膜淀積在一起，形成一種低應力的復合介質膜。因為LPCVD介質膜通常是壓應力的，而PECVD又易于淀積出張應力的介質膜，將適當厚度的這兩種應力性質相反的介質膜淀積在一起，兩種應力互相抵消，就形成了一種低應力的復合介質膜。但是LPCVD溫度通常為800℃，不能與CMOS 藝和聚烯亞胺犧牲層工藝相兼容，所以這種方法不適合微橋探測器的制造。

發明內容
PECVD工藝淀積的SixNy介質膜的應力跟工藝條件如溫度、氣體流量、反應壓力、射頻功率源的頻率等有著密切的關系。對于同一設備，反映到介質膜本身的物理參量上就表現為介質膜的折射率跟應力有明顯關系，這是大家所公知的。
本發明的目的就是利用介質膜的折射率跟應力的關系，提出一種只需在常規的單頻率射頻源的PECVD設備上就能淀積出一種低應力的SixNy復合介質膜的制備方法。
經研究發現，當介質膜折射率N在1.48～1.59之間時，介質膜的應力表現為壓應力，應力隨折射率變化較小，見圖3中的AB段，淀積工藝穩定，重復性好；N在1.65～2.0時，介質膜表現為張應力，應力隨折射率變化較小，見圖3中的CD段所示，淀積工藝穩定，重復性好；而N在1.59～1.65之間時是一個應力突變點，應力隨折射率的變化很大，見圖3中的BC段所示，在此段淀積工藝很難控制，重復性就差。
本發明的技術方案是通過選取應力隨折射率變化較小的N在1.48～1.59之間的壓應力介質膜的淀積工藝和N在1.65～2.0之間的張應力介質膜的淀積工藝，并通過改變兩種膜的厚度比例，使應力性質相反的張應力膜和壓應力膜的應力相互抵消，從而得到應力較小的復合膜。
本發明的制備方法如下折射率N在1.48～1.59之間的壓應力介質膜，其淀積工藝條件為反應溫度280-320℃；腔體壓力400-600mτ；射頻功率20W(13.54MHz)；氣體流量SiN 65-85 SCCM；NH320-45 SCCM；N2O 15-25SCCM；淀積速度13-14nm/min(13.5nm/min)；折射率N在1.65～2.0之間的張應力介質膜，其淀積工藝條件為反應溫度280-320℃；腔體壓力750mτ；射頻功率20W(13.54MHz)；氣體流量SiN 150-190 SCCM；NH35-10SCCM；淀積速度5-11nm/min。
本發明的二種膜的生長不存在先后，壓應力介質膜與張應力介質膜的厚度比為3∶2。
本發明方法生長的這種復合介質膜的優點是介質膜應力較低；在一定范圍內應力性質和大小可以控制；介質膜性質穩定；工藝重復性好；制備設備要求相對較低。


圖1為微橋結構探測器的基本工藝流程圖；圖2為微橋橋面的平整度變化圖，圖2a為微橋橋面翹曲，圖2b為微橋橋面相對平整；圖3為應力隨折射率的變化曲線圖。
具體實施方案下面本發明人提供一個經多次實驗驗證，復合介質膜應力最小，微橋橋面相對平整的實施例使用的設備為英國OXFORD INSTRUMENTS公司的Plasmalab 80Plus PECVD系統。壓應力介質膜的折射率選取N＝1.57，張應力介質膜的折射率選取N＝2.0。具體工藝條件為壓應力介質膜(N＝1.57)反應溫度300℃；腔體壓力500mτ；射頻功率20W(13.54MHz)；氣體流量SiN 75SCCM；NH337.5SCCM；N2O 20SCCM；淀積速度13.5nm/min；張應力介質膜(N＝2.0)反應溫度300℃；腔體壓力750mτ；射頻功率20W(13.54MHz)；氣體流量SiN 170SCCM；NH35SCCM；淀積速度6.8nm/min。
根據兩種介質膜的厚度比例與應力關系，確定d(N＝1.57)/d(N＝2.0)＝3∶2時復合介質膜的應力為最小。
根據器件的設計要求需要淀積200nm的介質膜，我們就按2/3的比例，先淀積N＝1.57d＝80nm的介質膜再在其上淀積N＝2.0d＝120nm的介質膜。
結果微橋表面十分平整，見圖3b，證明介質膜的應力非常小，滿足了微橋結構的探測器的設計制造要求。
權利要求
1.一種非致冷紅外焦平而器件用低應力復合介質膜的制備方法，其特征在于折射率在1.48～1.59之間的壓應力介質膜的淀積工藝條件為反應溫度280-320℃；腔體壓力400-600mτ；射頻功率20W(13.54MHz)；氣體流量SiN 65-85 SCCM；NH320-45 SCCM；N2O 15-25SCCM；淀積速度13-14nm/min(13.5nm/min)；折射率在1.65～2.0之間的張應力介質膜的淀積工藝條件為反應溫度280-320℃；腔體壓力750mτ；射頻功率20W(13.54MHz)；氣體流量SiN 150-190 SCCM；NH35-10SCCM；淀積速度5-11nm/min。二種介質膜的生長不存在先后，二種介質膜的厚度比為3∶2。
全文摘要
本發明公開了一種非致冷紅外焦平面器件低應力復合介質膜的制備方法，該方法是在常規的單頻率射頻源的PECVD設備上通過改變工藝條件生長出折射率在1.48～1.59之間的壓應力介質膜和折射率在1.65～2.0之間的張應力介質膜，并通過改變兩種膜的厚度比例，使應力性質相反的張應力膜和壓應力膜的應力相互抵消，從而得到應力較小的復合膜。本發明方法生長的這種復合介質膜的優點是介質膜應力較低，在一定范圍內應力性質和大小可以控制，介質膜性質穩定，工藝重復性好，制備設備要求相對較低。
文檔編號G01J1/02GK1492487SQ0315086
公開日2004年4月28日 申請日期2003年9月9日 優先權日2003年9月9日
發明者陳永平, 劉強, 梁平治 申請人:中國科學院上海技術物理研究所