CN100562725C - 微机械热电堆红外探测器及其制造方法 - Google Patents

微机械热电堆红外探测器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微机械热电堆红外探测器及其制造方法。其特征在于封闭膜结构是在硅基体上由各向异性腐蚀剂腐蚀后，留下侧壁为(111)慢腐蚀面的腔体，在腔的顶部留下一层复合介质膜，在该膜上有热堆的热结区，位于红外吸收区附近，冷结区在硅基体上；悬梁支撑膜腔基本结构与此相同，仅悬梁一端固支，与硅基体相连；另外一端仅有两点与基体相连。制造工艺关键是通过采用键合技术与与硅腐蚀减薄技术相结合制作Si/SiO2/Si3N4/Si结构，形成膜/腔结构。本发明摒弃了以往正反两面对准光刻技术，简化了工艺而且使制造出器件间距可适当减少，提高器件占空比和成品率。

Description

微机械热电堆红外探测器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种结合硅键合技术和硅腐蚀减薄技术制造的微机械热电堆红外探测器，特别适用于亚毫米量级尺寸的热电堆红外探测器的制造。本发明属于红外探测器领域。
背景技术
目前，在工业、农业、医学、交通等各个行业和部门，红外成像、红外测温、红外测湿、红外理疗、红外检测、红外报警、红外遥感、红外防伪、红外加热是各行业争相选用的先进技术。在军事应用中，红外成像、红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等在现代战争和未来战争中都是必不可少的战术和战略手段。
红外探测器是红外仪器最关键的元件之一，是红外装置的心脏。热电堆红外探测器基于塞贝克效应(温差电效应)，是众多红外探测器的一种，属于热红外探测器的范畴。热电堆红外探测器一般由多组热电偶对构成。每组热电偶由两种不同材料或材料相同而逸出功不同的物体组成。当它们构成闭合回路时，如果两个节点之间存在温度差，环路中就产生了电动势，对此电动势进行检测，就可以对红外信号进行监控。传统的热电堆红外探测器是使用掩膜真空镀膜的方法将热偶材料沉积到塑料或陶瓷衬底上制造而成。其器件尺寸大，不能批量生产。
随着大规模集成电路的发展，对于探测器小型化的要求日益迫切，同时希望能将探测器芯片与后处理电路集成在一起。在此客观需要的推动下，微机械热电堆红外探测器应运而生。与一般红外探测器相比，它的优点在于：一、具有高的灵敏度，宽松的工作环境与非常宽的频谱响应；二、与标准集成电路工艺兼容，成本低廉且适合批量生产。
目前，微机械热电堆红外探测器普遍采用薄膜结构，以起到良好的隔热效果。现在普遍应用的薄膜结构主要有两类，即封闭膜(close membrane)结构和悬梁(cantilever)结构，其中封闭膜是指热堆的支撑膜为整层的复合介质膜，一般为氮化硅与氧化硅的复合膜。这种膜结构的优点在于结构稳定。由于膜与基体处处相连，受应力影响小，制造过程中膜本身不易破裂。悬梁则是指周围为气氛介质所包围，一端固支，一端悬空的膜结构，膜上为热堆与红外吸收区，其中膜亦为复合介质膜。这种膜结构的优点在于隔热效果好。其缺点在于膜与基体间只有通过固支一端相连，另一端悬空，因此受应力的影响显著，制造过程中膜容易发生翘曲或破裂，故成品率较低。两种膜结构分别如图1，图2所示。
图1为具有封闭膜结构的微机械热电堆红外探测器。经由各向异性腐蚀剂，如四甲基氢氧化氨(TMAH)或氢氧化钾(KOH)腐蚀后，在硅基体1的顶部留下一层很薄的复合介质膜6，侧壁为(111)。这层膜一般为氮化硅与氧化硅复合膜，膜与基体相连，中间没有孔隙。膜上面有热堆结构4，以及红外吸收区5，其中热堆的热结区3位于红外吸收区5附近，冷结区2在硅基体上。
图2为具有悬梁结构的微机械热电堆红外探测器。悬梁的形成也经过了各向异性腐蚀，侧壁为(111)，悬梁薄膜结构也是氮化硅与氧化硅复合介质膜。悬梁一端与硅基体1相连，另一端悬空，悬梁与基体间有孔隙相隔。悬梁上有热堆结构4以及红外吸收区5。与封闭膜结构类似，热结区3靠近红外吸收区5，冷结区2在硅基体1上。
目前较流行的热堆红外探测器的制造方法，是在硅衬底正面先生长大约1微米厚的氮化硅-氧化硅-氮化硅(Si3N4-SiO2-Si3N4)三明治层复合膜，然后用两种不同热电特性材料(热偶)沉积形成热偶对，最后用硅各向异性腐蚀剂从硅衬底的背面腐蚀，掏空硅片，仅在顶部留下复合膜及热偶对。此外，也有采用在背面腐蚀后，从正面进行刻蚀形成悬梁结构的做法。由于这些工艺都要求对硅片进行双面对准光刻，工艺难度较高，大大增加了器件的成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结合硅/氧化硅/氮化硅/硅键合技术和腐蚀硅减薄技术，以形成支撑膜腔结构制造微机械热电堆红外探测器及其制造方法。此发明摒弃了以往微机械热电堆红外探测器正反两面对准光刻技术，不仅可简化制造工艺，而且使制造出来的微机械热电堆红外探测器减小了表面积，提高了器件占空比，同时也可以提高器件的成品率。
图3为本发明之具有封闭膜腔结构微机械热电堆红外探测器的示意图。在硅基体1上，由各向异性腐蚀剂腐蚀后，留下侧壁为(111)慢腐蚀面的腔体7。经过键合和腐蚀顶硅后，在腔的顶部留下一层很薄的复合介质膜6。同样，膜上面有热堆结构4，以及红外吸收区5，其中热堆的热结区3位于红外吸收区5附近，冷结区2在硅基体上。
图4为本发明之悬梁支撑膜腔结构微机械热电堆红外探测器的示意图。在硅基体1上，由各向异性腐蚀剂腐蚀后，留下侧壁为(111)慢腐蚀面的腔体7。经过键合和腐蚀顶硅后，在腔的顶部留下一层很薄的复合介质膜，再通过光刻干法刻蚀形成悬梁，悬梁一端固支，与硅基体1相连，另外一端仅有两点与基体1相连。红外吸收区5与热堆结构4在此悬梁上。热结区3靠近红外吸收区5，冷结区2在硅基体上面。与图3结构相比，它进一步提高了红外热堆探测器的热绝缘性，器件灵敏度可以得到有效提高。
它们的实施步骤如下：
(a)先对双面抛光(100)单晶硅片氧化，光刻出形成微机械红外热堆探测器空腔区域图形。采用各向异性腐蚀剂，如氢氧化钾(KOH)溶液或四甲基氢氧化氨(TMAH)溶液，进行湿法腐蚀或进行深反应离子刻蚀硅片得到所需空腔。腐蚀/刻蚀具体深度依设计要求而定。
(b)然后对双面抛光(100)另一单晶硅片氧化，然后用低压化学气相沉积(LPCVD)沉积氮化硅。其后，在氮化硅薄膜上，制作硼硅玻璃。
(c)将(a)中硅片的腐蚀面与上述(b)中另一块硅片的具有硼硅玻璃/氮化硅的面进行高温键合。
(d)用各向异性腐蚀剂腐蚀(b)中的硅片，直至硅被完全腐蚀，形成封闭膜腔结构。
(e)用低压化学气相沉积方法沉积多晶硅层，扩散或离子注入掺杂，使之具有一定的电阻率。光刻多晶硅条图形，用等离子刻蚀方法形成多晶硅条。蒸发一层金属薄膜，光刻金属线条图形腐蚀得到所需的金属条，构成具有封闭膜腔结构的红外热堆探测器。
(f)制作黑体红外吸收层。完成即为图3所示探测器。
(g)在工艺步骤(f)之后，进行光刻，干法刻蚀支撑介质膜，可以形成悬臂梁或其它形状支撑膜结构。即成为图4结构传感器。
本发明摒弃了以往微机械热电堆红外探测器正反两面对准光刻技术，不仅简化了制造工艺，而且使制造出的微机械热电堆红外探测器间距可以适当减小，显著提高器件的占空比和成品率，可大大降低器件成本、提高器件性能。
附图说明：
图1为具有封闭膜结构的微机械热电堆红外探测器示意图。
图2为具有悬梁结构的微机械热电堆红外探测器的示意图。
图3为本发明之具有封闭膜腔结构微机械热电堆红外探测器的示意图。
图4为本发明之悬梁支撑膜腔结构微机械热电堆红外探测器的示意图。
图5为图3所示红外探测器的制造方法工艺示意图。
图中，各数字所代表的含义分别为：
1-(硅)基体，2-冷结区，3-热结区，4-热堆，5-红外吸收区，6-复合介质膜，7-腔体，8-硅片，9-氧化硅，10-硅片，11-氮化硅，12-硼硅玻璃，13-多晶硅，14-铝。
实施例1：具有封闭膜腔结构微机械热电堆红外探测器，其制造方法为：
(1)在双面抛光(100)硅片8清洗后，经1150℃氧化，形成0.6微米氧化层，光刻腐蚀窗口。背面用光刻胶保护后，放入80℃，25％四甲基氢氧化铵溶液中进行腐蚀，腐蚀深度50～250微米，形成腔体7，然后去除氧化硅，如图5(a)所示。
(2)双面抛光(100)另一硅片10清洗后，经1150℃氧化，形成0.6微米氧化层9，再在850℃下用低压化学气相沉积(LPCVD)方法进行氮化硅沉积，形成厚度为0.8～1.2微米氮化硅层11。然后沉积制作硼硅玻璃层12，如图5(b)所示。
(3)将硅片8和10进行键合，推入1100℃再分布炉中，通氧60分钟，完成键合，如图5(c)所示。
(4)用HF溶液去除硅片10一面的氧化硅，放入80℃，25％四甲基氢氧化铵溶液中腐蚀减薄硅片，直至复合膜完全裸露，如图5(d)所示。
(5)用LPCVD沉积多晶硅，厚度0.3～0.6微米，光刻多晶硅条13。沉积金属铝薄膜，厚度0.5～1微米，光刻铝条14，形成热电堆结构4，如图5(e)所示。
(6)在表面光刻出吸收区形状，然后在上面沉积黑体，通常为碳黑与各种金属黑，接着通过剥离技术得到吸收区5，完成红外热堆器件的制作，如图5(f)所示。
实施例2：具有悬梁支撑膜腔结构微机械热电堆红外探测器其步骤(1)～(5)与实施例1中(1)～(5)相同，仅在(6)之前以加下述一个步骤。即在复合膜表面光刻悬臂梁图形，采用干法刻蚀得到悬臂梁结构。悬梁一端固支，与硅基体(1)相连，另外一端仅有两点与基体(1)相连。

Claims (4)

1、一种微机械热电堆红外探测器，包括复合介质膜和硅基体以及热堆的热结区和冷结区，复合介质膜和硅基体的结构为封闭膜结构或悬梁支撑膜结构；其特征在于在复合介质膜上有一层硼硅玻璃薄膜。
2、制作如权利要求1所述的微机械热电堆红外探测器的方法，包括复合介质膜形成、键合、热偶条形成、金属条形成步骤，其特征在于在所述的封闭膜结构中，在氧化硅-氮化硅复合介质膜上制作硼硅玻璃层，然后与具有空腔的硅片的面贴合进行高温键合，形成封闭膜结构。
3、制作如权利要求1所述的微机械热电堆红外探测器的方法，包括复合介质膜形成、键合、热偶条形成、金属条形成步骤，其特征在于在所述的悬梁支撑膜结构中，在氧化硅-氮化硅复合介质膜上制作硼硅玻璃层，然后与具有空腔的硅片面贴合进行高温键合后，对得到的硅片复合介质膜进行光刻及干法刻蚀，使所述复合介质膜形成悬梁支撑膜结构。
4、按权利要求2或3所述的微机械热电堆红外探测器的制作方法，其特征在于复合介质膜上硼硅玻璃层与具有空腔的硅片高温键合的温度为1100℃，通氧时间为60分钟。
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