光读出红外图像传感器像元芯片的光刻方法 【技术领域】
本发明是关于非制冷光读出红外焦平面阵列传感器的制备技术，具体涉及一种制备光读出红外焦平面阵列传感器像元芯片工艺中所采用的光刻方法。
背景技术
非制冷光读出红外焦平面阵列〔FPA〕传感器是一种红外成像的核心器件，具有体积小、功耗低、成本低等一系列优势。大多数基于MEMS工艺的光读出红外焦平面阵列传感器的像元由反光板和支撑反光板的悬臂梁构成，其中全部或部分梁结构由双层材料构成。上述像元的工作原理是利用双材料悬臂梁受红外辐射而发热弯曲，造成像元反光板偏转，使入射到反光板的取样可见光入射角发生变化，引起反射光强度在空间分布发生变化，通过CCD摄像机拾取取样可见光强的空间分布就可实现对红外的探测。
上述像元的设计需要追求单位温升的反光板旋转角度变化最大。且为保证灵敏度，像元的面积应足够大，以吸收更多的红外能量；同时，为获得更高的分辨率，像元的数量也越来越多。这些因素决定了图像传感器芯片的尺寸不可能很小。通常，由于图像传感器芯片的正反两面都有图形结构，在像元芯片的制造工艺中需要双面光刻。根据现有加工技术的能力和发展趋势，大面积和双面图形的芯片结构决定了这种芯片的加工主要依赖接近接触式双面光刻技术。
由于技术手段的特点，接触式光刻技术中各层图形间的对准偏差不可避免，主要来自三个方面：光刻版的制版误差、光刻温度变化引起光刻版和硅片膨胀量不同造成的偏差、套刻过程造成的套刻偏差。在常用的MEMS工艺中光刻版误差和热膨胀不同造成的套刻偏差通常在0.1μm量级，而采用接近接触式光刻机的套刻偏差指标通常为0.5～1.0μm。对于像元结构中1～2μm宽的双材料梁来说，这么大的套刻偏差会直接影响像元结构的灵敏度。另外套刻偏差还会造成双材料梁和反光板结构的不对称，使反光板不仅沿设计方向转动，还会沿与设计方向垂直的方向移动，影响红外辐射能量和通过图像传感器形成灰度图像的对应关系。
同时，由于常规微电子制备像元的双材料梁工艺步骤是，先光刻和刻蚀形成梁结构，再淀积金属、光刻，刻蚀金属；每次光刻时都需要与上一步光刻制备的图形对准，因此不可避免的存在套刻偏差。例如，在光读出FPA芯片制备工艺流程中，双材料梁采用先光刻和刻蚀形成SiNx梁结构，随后淀积、光刻和腐蚀金属，形成双材料梁的金属图形时必然存在与红外吸收层(SiNx)图形的套刻偏差，如图1所示。
像元结构的设计计算结果表明，在双材料梁的长度方向〔y〕，0.5～1.0μm的套刻偏差对50μm梁长来说可以忽略不计。而在梁的宽度方向〔x〕，梁宽设计为2.0μm，0.5～1.0μm的套刻偏差就意味着在双材料梁上金属只覆盖了SiNx梁宽度的50～75％，这样的套刻偏差会对双材料梁的热应变特性产生很大影响，使其在z轴方向〔离面〕的热应变弯曲减小，在X-Y方向〔面内〕出现不应有的热应变弯曲，造成FPA像元灵敏度下降、噪声增加。
下表为套刻偏差在不同温升下对像元反光板扭转角〔rad×10-3〕的影响。
表中数据显示，套刻偏差越大，人们所希望得到的反光板的热应变转角越小。附图2为上表对应的曲线。
如何解决像元芯片的光刻工艺的套刻偏差，使像元特性更接近设计指标，是需要结合加工技术中材料特性、材料制备方法和材料腐蚀的兼容性和选择性的特点进行深入细致的分析和设计。
【发明内容】
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种光读出红外传感器像元芯片的光刻工艺，完全排除了光刻对准偏差造成双材料梁地两层材料重合不佳的缺陷。
本发明的技术方案是：
一种制备光读出红外传感器像元芯片所采用的光刻方法，其步骤包括：
1)在光读出红外传感器像元基片上淀积第一层金属材料，该金属材料为双材料梁的上层结构材料；
2)第一次光刻，为反光板区金属图形，腐蚀第一层金属、淀积第二层金属，所述第二层金属为反光板表面金属材料；
3)第二次光刻，为双材料梁和反光板的金属图形，刻蚀，形成双材料梁的上层结构和反光板表面金属结构；
4)第三次光刻，为除双材料梁和反光板以外的梁结构和像元框架结构；以第三次光刻的光刻胶和第二次光刻形成的双材料梁的上层结构、反光板表面金属结构的组合为掩模，刻蚀，形成光读出红外传感器像元芯片的表面结构。
所述步骤1)淀积的第一金属层厚度大于步骤2)反光板上淀积的第二层金属层的厚度。
所述步骤2)中，光刻图形的边长尺寸比反光板结构的边长尺寸相比大2个最大套刻偏差，相差尺寸为1-2微米。
所述步骤3)中，光刻图形的尺寸比梁结构、反光板的尺寸大2个最大套刻偏差，相差尺寸为1-2微米。
所述步骤1)和步骤2)中第一金属层和第二金属层采用的材料对双材料梁的底层材料的刻蚀选择比为5-8∶1。
所述步骤4)中，作为掩膜的第二次光刻形成的双材料梁的上层结构、反光板表面金属结构对底层材料的刻蚀选择比不够时，在所述步骤3)之后，在该双材料梁的上层结构和反光板表面金属结构上制备一层刻蚀掩模材料层，待像元芯片的表面结构加工完成后，将该刻蚀掩模材料层去除。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)由于以构成双材料梁结构中的上层金属作为掩模刻蚀另一种材料，结果使双材料梁结构的两层材料完全重合，构成双材料梁结构的光刻自对准。
(2)由于光刻图形的尺寸和实际结构存在间隔〔由于将两种不同厚度金属的交界设计在像元图形的空白处〕，即反光板金属与双材料梁金属的交界设计在梁和反光板的间隔区中。即使存在0.5-1.0微米的套刻误差，也能保证两者交界不会落在双材料梁或反光板上，确保在光刻金属图形时双材料梁和反光板图形内的金属层厚度一致，不存在不同厚度金属的接缝，避免了套刻误差的影响，实现了反光板光刻自对准。
(3)由于双材料梁图形设计比有效工作区的两端分别长2个套刻间距，即使存在沿梁长度方向的套刻偏差，所获得的双材料梁工作区尺寸也不会发生变化。光刻胶构成的单层材料梁图形与双材料梁图形设计为过交叠结构，即使存在与双材料梁垂直方向的套刻偏差，双材料梁的尺寸也不会变化，只可能出现两条相邻梁的间距不同。由于像元中相邻梁的间距不影响像元的工作，因此，这种通过特殊图形设计和组合光刻保证了梁结构的完整性，避免了套刻误差影响，也可以视为一种自对准。
上述光刻自对准设计充分利用了材料制备、腐蚀的兼容关系和像元结构的空白区。第一种设计利用双材料梁的上层金属作为刻蚀下层梁结构材料的掩膜，实现了像元中梁结构的自对准。第一和第二种设计将可能产生套刻偏差的地方设计在不没有像元图形结构的空白区域，不会影响结构的性能指标，使最终工艺实现的结构更接近设计，有效避免了套刻偏差造成的像元灵敏度下降和噪声增加等问题。
【附图说明】
图1为双材料梁套刻误差示意图；
图2为套刻偏差与单位温度偏转角的关系示意图；
图3FPA像元自对准工艺示意图，其中图3(a)为1#反光板金属图形；图3(b)为2#双材料梁结构和反光板的金属图形；图3(c)为3#除双材料梁以外的梁结构和像元框架结构图形；图3(d)为2#光刻形成的金属和3#光刻的光刻胶的图形组合。
【具体实施方式】
下面结合附图和光读出红外传感器像元芯片的制备工艺对本发明作进一步详细描述：
1)光读出红外传感器像元基片制备：
在硅片上淀积低应力氮化硅〔SiNx〕，形成制备了双材料梁底层材料的光读出红外传感器像元基片。
2)淀积金属材料：
PVD Al 0.28μ。该金属材料为双材料梁的上层结构的材料，同时作为双材料梁的底层结构的刻蚀掩模。
3)反光板金属制备：
光刻1#〔予制反光板区金属图形尺寸比实际反光板结构大1μ，保证反光板区内的金属厚度一致〕、腐蚀AL、PVD〔在反光板处形成铝，其他区域为铝膜〕；
4)双层梁和反光板图形制备：
光刻2#(反光板和双层结构梁金属部分，在梁长度方向比有效梁结构长两倍套刻偏差的长度，刻蚀AL；
5)金属图形以外的像元图形：光刻3#〔光刻除双材料梁和反光板以外的梁结构和像元框架结构〕
6)像元结构制备：刻蚀SiN〔以2#光刻形成的金属图形和3#光刻的光刻胶图形构成组合掩模〕形成双材料梁的底层结构，最终制得光读出红外传感器像元芯片的表面结构。
本发明的FPA像元结构自对准加工方法实现的前提是双材料梁和反光板所使用的金属材料对底层材料有足够高的刻蚀选择比，以保证自对准刻蚀底层材料时不会损坏。如果双材料梁和反光板所采用的金属在刻蚀底层材料时的选择比不够，可以通过在上述金属材料上制备一层刻蚀掩模材料作为保护层，待像元芯片的表面结构加工完成后再将其去除。
以上通过详细实施例描述了本发明所提供的光读出红外传感器像元芯片的光刻方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。