CN101776483A - 一种非致冷热电堆红外探测器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非致冷热电堆红外探测器及制作方法，其特征在于在非致冷热电堆红外探测器中的红外吸收区上制作了一个微型加热器。由于微型加热器的制作工艺与热电堆的制作工艺完全兼容，两者实现了同一芯片集成。利用微型加热器对封装后红外探测器的热传导进行测量，实现了对封装后器件的真空度的测量；利用微型加热器模拟热电堆红外探测器的工作状态，实现了探测器红外性能圆片级自检测功能。本发明可用于批量生产，不仅可以对圆片级键合真空封装这一关键工艺步骤进行监测，还以在圆片级对探测器的红外性能进行测量，提高器件测试的效率，降低测试成本，可实现一种低成本、高性能的非致冷热电堆红外探测器。

Description

一种非致冷热电堆红外探测器及制作方法

技术领域

本发明涉及一种非致冷热电堆红外探测器及制作方法，属于非致冷红外探测及微细加工技术领域。

背景技术

随着红外探测技术在军事和民用领域的地位日益提高，红外探测器的应用范围也在不断增加。按工作机理分，红外探测器可分为热型探测器与光子型探测器两大类(C G Mattsson，K.B.，G

H-E Nilsson and H Martin，Thermal simulation and design optimization of a thermopile infrared detector withan SU-8 membrane.Journal of Micromechanics and Microengineering，2009.19(5)：p.055016.)。其中热探测器主要分为热电偶/热电堆(Thermocouple/Thermopile)、热敏电阻(Bolometers)以及热释电探测器(Pyroelectric)三种；光子探测器主要分为本征型(Intrinsic)、非本征型(Extrinsic)、自由载流子型(Freecarriers)以及量子阱型(Quantum wells)等几种。热探测器和光子探测器的主要区别在于：

a)热探测器成本低，操作简单。光子探测器必须工作在低温条件下才具有优良的性能，因为需要附带致冷设备，制作成本较高，操作复杂；而热探测器一般在室温下工作，不需要致冷，故而降低了成本和操作难度。

b)由于半导体禁带宽度的影响，光子探测器只对短于或等于截止波长的红外辐射才有响应；而热探测器对各种波长的红外辐射均有响应；

在几类热探测器中(热电堆探测器、热释电探测器与热敏电阻)，热电堆探测器与其他两种探测器的差别在于：

a)热释电探测器检测辐射量的变化，而热电堆探测器与热敏电阻检测恒定的辐射量。故前者需要斩波器(Chopper)，而后两种则不需要，它们无需移动物体或探测器的位置就可响应红外辐射，输出信号；

b)与另外两种探测器相比，热电堆探测器勿需加偏置电压；

c)热电堆探测器是被动红外器件，温差电动势是自激励的，因此输出信号受外界影响很小，而热释电探测器与热敏电阻一般需要作额外的补偿处理。

d)热电堆探测器的读出电路简单，只需要一个伏特计，如果前置放大器的阻抗足够大，因没有电流通过，热电堆探测器的1/f相关噪声可忽略。

由于热电堆红外探测器的上述优点，热电堆红外探测器被广泛应用于各种红外系统。目前，非致冷热电堆红外探测器的主流技术方案是采用微细加工技术在硅衬底上制作热电堆结构；再利用圆片级真空键合对热电堆红外探测器进行封装，以减小器件的热对流提高探测器的响应(R.Gooch，T.Schimert，W.McCardel，B.Ritchey，D.Gilmour and W.Koziarz，“Wafer-level vacuumpackaging for MEMS，”J.Vac.Sci.Technol.A.vol.17，pp.2295-2299，1999.)；然后通过划片将探测器分离；最后通过红外测试平台对单个探测器分别进行红外性能测试。

传统的热电堆红外探测器的不足之处在于：热电堆探红外测器圆片级真空封装后无法测定探测器封装的真空度，也就无法对圆片级真空键合封装这一关键工艺步骤进行监测；需要在封装完成后利用红外辐射源等光学设备搭建红外测试平台对探测器的红外性能进行逐一测试，以筛选出合格的器件，器件测试效率低，器件的成本也无法降低。

发明内容

针对已有的热电堆红外探测器存在的问题，本发明提出了一种非致冷热电堆红外探测器及制作方法，目的在于降低器件测试成本，提高生产效率。本发明提出的热电堆红外探测器的结构如图1-1所示，探测器的截面图如图1-2所示，整个探测器包括(硅)基体，热电堆，悬浮支撑薄膜，红外吸收区，腐蚀开口、微型加热器，滤光片，焊料等部分。滤光片用来选择红外探测器的工作波长，通过滤光片的盖板实现热电堆红外传感器进行的真空键合封装。由于红外吸收区和热电堆的热结区都位于悬浮支撑薄膜上，从而与硅基体实现了良好的热隔离，当红外辐射信号被红外吸收区吸收，红外吸收区和热电堆热结区的温度就会上升；而热电堆冷结区由于位于硅基体上，其温度保持为环境温度；由于热电堆的塞贝克效应，热结区和冷结区的温度差被转换成电压信号输出，通过输出电压的检测就可以检测红外辐射。由于热电堆传感器最终是通过热电转换实现红外信号的探测，因此可利用一个微型加热器进行加热以模拟外界红外辐射信号的加热，就可以实现热电堆红外传感器性能的测量。将微型加热器放置在吸收区上，并且通过吸收区的红外吸收薄膜和热电堆进行物理连接，通过微型加热器的加热就可以对外界红外辐射信号的加热进行模拟，微型加热器的材料可选为半导体材料或导体材料。由于利用微型加热器加热可以模拟热电堆红外探测器受红外辐射的工作状态，可以直接利用电学设备对探测器进行圆片级测试，不需要在划片后对探测器进行逐一测试，大大提高器件成品测试的效率；同时探测器测试不需要红外辐射源等光学设备，器件的测试成本也就被进一步被降低。并且由于微型加热器和热电堆的制作工艺可以完全兼容，两者可以同时制作，因此微型加热器的增加并不需要额外的工艺步骤，也不会导致成本的增加。由于微型加热器是模拟红外探测器的工作状态，因此微型加热器的形状比较自由，可以为方形，圆形，折叠形，对角线型。

所述的微型加热器和热电堆的热结区通过吸收区的红外吸收材料进行物理连接，两者距离范围为1μm到500μm。

所述的红外吸收区是由一层以上的薄膜构成的红外吸收结构，红外吸收区具有良好的红外吸收特性。

此外，由于气体的热传导与封装结构中的气压成正比，气压越小，气体的热传导越小，所以放置在吸收区的微型加热器还可以用来测量封装后器件的热传导，从而测定出真空封装后器件的真空度。微机械热电堆气体热导与气压之间的计算公式为：

$K=(A_S+N\×w\×l)\×g_{\mathrm{air}}(\frac{1}{d_1+2\×\frac{2-a}{a}\frac{l_0{p}_0}{p}}+\frac{1}{d_2+2\×\frac{2-a}{a}\frac{l_0{p}_0}{p}})---1$

式中，K为气体热导，A_S为热电堆吸收区面积，N为热电偶对数，w为热电偶的长度，l为热电偶的宽度，g_air为空气的热导系数，d₁为悬浮薄膜与硅基体的间距，d₂为悬浮薄膜与滤光片的间距，a为修正系数，l₀p₀/p为空气的平均自由程，其中l₀p₀＝6×10^-8bar·m，p为压强。图2给出了根据公式(1)得出的气体热传导与封装结构中的气压的关系曲线。由于器件的结构尺寸及空气的材料参数都已知，因此测得器件封装后的气体热导，就可计算出真空封装结构中的压强，从而对圆片级真空键合这一关键工艺步骤进行监测，所以本发明可以大大降低热电堆红外探测器的测试和制造成本。

本发明提出的红外探测器是基于MEMS技术和CMOS技术加工的。具体工艺步骤包括：

1)热氧化硅生长。在抛光的硅片上热生长氧化硅，再用LPCVD(LowPressure Chemical Vapor Deposition，低压化学气相沉积)沉积一层多晶硅。

2)形成多晶硅条。对多晶硅薄膜进行掺杂使其导电。光刻图形，腐蚀形成多晶硅条，热电偶区域的多晶硅作为热偶的一种组分，吸收区处的多晶硅则作为微型加热器的组成部分。

3)光刻引线孔。用LPCVD或PECVD(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，等离子体增强化学气相沉积)淀积一层氧化硅作为绝缘层，光刻引线孔图形。

4)形成金属布线和热偶。蒸发仪或溅射仪沉积金属，光刻金属线条，腐蚀金属，形成热偶对结构。

5)复合介质膜的形成。首先用PECVD沉积一层氮化硅，再用PECVD沉积一层氧化硅，和(1)中的氧化硅及(3)中的氧化硅形成复合介质膜。

6)光刻腐蚀开口，然后将腐蚀开口处的氧化硅和氮化硅完全刻蚀，形成热电堆结构释放的通道。

7)释放热电堆结构。硅腐蚀气体或液体经由(6)中形成的腐蚀开口刻蚀硅衬底形成一凹腔结构，形成悬浮的吸收层，释放热电堆微结构和微型加热器。

8)将热电堆红外探测器进行圆片级真空键合封装。

9)在将探测器焊盘露出后，通过对测量探测器的热传导对圆片级键合工艺进行监测，并对探测器的红外性能进行圆片级测试。

10)将圆片上的红外探测器单元进行分离。

本发明由于采用了新的器件结构将热电堆探测器和微型加热器集成在同一个芯片上，实现了热电堆红外探测器的热传导测量和器件红外性能圆片级自检测功能，与传统的非致冷红外探测器相比具有以下优点：

1)实现了热电堆红外探测器真空封装后器件真空度的自检测功能，可以对圆片级真空键合封装这一关键工艺步骤进行有效的监测。

2)热电堆红外探测器可以直接通过电学设备进行测试，不需要复杂昂贵的红外测试设备与光学设备。

3)由于测试时不需要复杂的光路调试，热电堆红外探测器的测试步骤被简化。

4)实现了热电堆红外探测器圆片级测试，提高了测试效率，降低了器件的测试成本。

5)该方法中热电堆红外探测器与微型加热器可以同时完成制作。

6)该方法中先将探测器圆片上探测器的焊盘露出，在对探测器进行圆片级测量后再将圆片上的探测器进行分离。探测器圆片上的焊盘可通过划片的方法露出。

综上所述，本发明特征在于在非致冷热电堆红外探测器中的红外吸收区上制作了一个微型加热器。由于微型加热器的制作工艺与热电堆的制作工艺完全兼容，两者实现了同一芯片集成。利用微型加热器对封装后红外探测器的热传导进行测量，实现了对封装后器件的真空度的测量；利用微型加热器模拟热电堆红外探测器的工作状态，实现了探测器红外性能圆片级自检测功能。本发明可用于批量生产，不仅可以对圆片级键合真空封装这一关键工艺步骤进行监测，还以在圆片级对探测器的红外性能进行测量，提高器件测试的效率，降低测试成本，可实现一种低成本、高性能的非致冷热电堆红外探测器。

附图说明

图1是本发明提出的热电堆红外探测器结构示意图。图1-1：热电堆结构示意图，图1-2：探测器截面图。

图2是典型的封装结构中气体热传导与封装气压的关系曲线。

图3是本发明所提出的热电堆红外探测器的工艺流程。

图3-1：硅片准备，初始氧化，LPCVD沉积多晶硅；

图3-2：多晶硅离子注入及图形化刻蚀；

图3-3：沉积氧化硅，开引线孔；

图3-4：沉积金属薄膜，并进行光刻和腐蚀；

图3-5：沉积氧化硅和氮化硅；

图3-6：开释放孔；

图3-7：释放热电堆结构；

图3-8：热电堆红外探测器进行圆片级真空封装；

图3-9：划片分离后的热电堆红外探测器。

图4是热电堆红外探测器圆片焊盘区域通过划片的方法露出后的俯视图。

图5是实施例3中的热电堆红外探测器的结构示意图。

图中各数字代表的含义为：

11金属布线；12金属线条；13硅基体；14微型加热器；15多晶硅线条；16红外吸收区；17硅衬底腐蚀通孔；18氧化硅；19氮化硅；20红外滤光片；21焊料层；22红外吸收材料；23热结区；24冷结区；25探测器焊盘区域；26探测器圆片；

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述。

实施例1

热电偶材料选用多晶硅和铝，微型加热器的材料选用多晶硅。

(1)在抛光的硅片13的正面热生长氧化硅18，再在氧化硅膜上用LPCVD沉积一层多晶硅15。见图3-1。

(2)对多晶硅薄膜进行掺杂使其导电。光刻图形，腐蚀形成多晶硅条，热电偶区域的多晶硅15作为热电偶的一种组分，吸收区处的多晶硅则作为微型加热器的组成部分14。见图3-2。

(3)用LPCVD或PECVD淀积一层氧化硅18作为绝缘层。光刻引线孔图形，将引线孔区域的氧化硅去除。见图3-3。

(4)通过蒸发仪或溅射仪沉积一层金属薄膜铝。光刻金属线条，腐蚀金属，部分金属线条12和步骤2中的多晶硅线条形成热电偶对结构，另外一部分金属线条11作为金属布线实现探测器的电学连接。见图3-4。

(5)用PECVD沉积一层氮化硅19，然后再用PECVD沉积一层氧化硅18，和步骤1中的氧化硅及步骤3中氧化硅的形成复合介质膜。见图3-5。

(6)光刻腐蚀开口，然后将腐蚀开口处的氧化硅和氮化硅完全刻蚀，形成热电堆结构释放的通道17。见图3-6。

(7)释放热电堆结构。硅腐蚀气体或液体经由步骤6中形成的腐蚀开口17刻蚀硅衬底形成一凹腔结构，形成悬浮的薄膜结构，释放热电堆微结构和微型加热器。见图3-7。

(8)将热电堆红外探测器进行圆片级真空键合封装。见图3-8。

(9)通过划片的方法将探测器焊盘25露出，然后通过对测量探测器的热传导对圆片级键合工艺进行监测，并对探测器的红外性能进行圆片级测试，完成探测器的成品测试。焊盘露出后，探测器圆片的俯视图见图4。

(10)将圆片上的红外探测器单元进行分离。见图3-9。

实施例2

热电偶材料选用多晶硅和铝，加热器的材料选用金属薄膜。

(1)在抛光的硅片13的正面热生长氧化硅18，再在氧化硅膜上用LPCVD沉积一层多晶硅15。

(2)对多晶硅薄膜进行掺杂使其导电。光刻图形，腐蚀形成多晶硅条，热电偶区域的多晶硅15作为热电偶的一种组分。

(3)用LPCVD或PECVD淀积一层氧化硅18作为绝缘层。光刻引线孔图形，将引线孔区域的氧化硅去除。

(4)通过蒸发仪或溅射仪沉积一层金属薄膜。光刻金属线条，腐蚀金属，部分金属线条12和步骤2中的多晶硅线条形成热电偶对结构，一部分金属线条11作为金属布线实现探测器的电学连接，吸收区处的金属薄膜则作为微型加热器的组成部分14。

(5)用PECVD沉积一层氮化硅19，然后再用PECVD沉积一层氧化硅18，和步骤1中的氧化硅及步骤3中的形成复合介质膜。

(6)光刻腐蚀开口，然后将腐蚀开口处的氧化硅和氮化硅完全刻蚀，形成热电堆结构释放的通道17。

(7)释放热电堆结构。硅腐蚀气体或液体经由步骤6中形成的腐蚀开口17刻蚀硅衬底形成一凹腔结构，形成悬浮的薄膜结构，释放热电堆微结构和微型加热器。

(8)将热电堆红外探测器进行圆片级真空键合封装。

(9)将探测器焊盘25露出，然后通过对测量探测器的热传导对圆片级键合工艺进行监测，并对探测器的红外性能进行圆片级测试，完成探测器的成品测试。

(10)将圆片上的红外探测器单元进行分离。

实施例3

其具体实施步骤部分与实施例1相同，主要区别在于：第一，将实施例1步骤2中的热电偶处多晶硅条由平行于吸收区各边修改为沿吸收区径向等间隔排列。第二，将实施例1步骤2中的吸收区处的多晶硅加热器改为圆形排布，余部分不变。器件几何构型如图5所示。

Claims (10)

1.一种非致冷热电堆红外探测器，其特征在于所述的非致冷热电堆红外探测器包括硅基体、热电堆、悬浮支撑薄膜、红外吸收区、微型加热器、滤光片，其中红外吸收区和热电堆的热结区位于悬浮支撑薄膜上，与基体实现热隔离；微型加热器分布在热电堆的红外吸收区域；滤光片用于选择红外探测器的工作波长，通过滤光片的盖板实现对热电堆红外探测器的真空键合封装；热电堆的冷结区位于硅基体上。

2.按权利要求1所述的非致冷热电堆红外探测器，其特征在于微型加热器和热电堆的热结区通过吸收区的红外吸收薄膜进行物理连接。

3.按权利要求2所述的非致冷热电堆红外探测器，其特征在于微型加热器和热电堆的热结区之间的距离为1-500μm。

4.按权利要求1所述的非致冷热电堆红外探测器，其特征在于红外吸收区是由一层以上的薄膜构成。

5.按权利要求1、2或3所述的非致冷热电堆红外探测器，其特征在于所述的微型加热器的形状为方型、圆形、折叠形式对角线型；微型加热器的材料为导体材料或半导体材料。

6.按权利要求1所述的非致冷热电堆红外探测器，其特征在于所述的真空键合封装后的非致冷热电堆红外探测器具有自检测功能。

7.按权利要求6所述的非致冷热电堆红外探测器，其特征在于所述的自检测功能依下式计算出微机械热电堆中气体热导，进而计算出真空封装结构中的压强，从而对圆片级真空键合工艺进行检测；

$K=(A_S+N\×w\×l)\×g_{\mathrm{air}}(\frac{1}{d_1+2\frac{2-a}{a}\frac{l_0{p}_0}{p}}+\frac{1}{d_2+2\×\frac{2-a}{a}\frac{l_0{p}_0}{p}})$ (式1)

式中，K为气体热导，A_S为热电堆吸收区面积，N为热电偶对数，w为热电偶的长度，l为热电偶的宽度，g_air为空气的热导系数，d₁为悬浮薄膜与硅基体的间距，d₂为悬浮薄膜与滤光片的间距，a为修正系数，l₀p₀/p为空气的平均自由程，其中l₀p₀＝6×10^-8bar·m，p为压强。

8.如权利要求1-4中任一项所述的非致冷热电堆红外探测器的制作方法，其特征在于所述的制作方法是基于MEMS技术和CMOS技术，具体步骤是：

1)热氧化硅生长：在抛光的硅片上热生长氧化硅，再用LPCVD方法沉积一层多晶硅薄膜；

2)形成多晶硅条：对步骤1生成的多晶硅薄膜进行掺杂使其导电。光刻图形，腐蚀形成多晶硅条，热电偶区域的多晶硅作为热偶的一种组分，吸收区处的多晶硅则作为微型加热器的组成部分；

3)光刻引线孔：用LPCVD或PECVD在步骤2生成的多晶硅上淀积一层氧化硅作为绝缘层，光刻引线孔图形，并去除引线孔区域的氧化硅；

4)形成金属布线和热偶：蒸发仪或溅射仪沉积金属，光刻金属线条，腐蚀金属，形成热偶对结构；

5)复合介质膜的形成：首先用PECVD沉积一层氮化硅，再用PECVD沉积一层氧化硅，与步骤1中的氧化硅及步骤3中的氧化硅形成复合介质膜；

6)光刻腐蚀开口：然后将腐蚀开口处的氧化硅和氮化硅完全刻蚀，形成热电堆结构释放的通道；

7)释放热电堆结构：硅腐蚀气体或液体经由步骤6中形成的腐蚀开口刻蚀硅衬底形成一凹腔结构，形成悬浮的吸收层，释放热电堆微结构和微型加热器；

8)将热电堆红外探测器进行圆片级真空键合封装；

9)在将探测器焊盘露出后，通过对测量探测器的热传导对圆片级键合工艺进行监测，并对探测器的红外性能进行圆片级测试；

10)将圆片上的红外探测器单元进行分离。

9.如权利要求8所述的制作方法，其特征在于：

①热电堆红外探测器与微型加热器同时完成制作，集成在同一芯片上；

②步骤9中将红外探测器上的焊盘露出，在对红外探测器进行圆片级测量后在将圆片上的探测器进行分离；

③热电偶区域的多晶硅条为平行于吸收区各边或为沿吸收区径向等间隔排列。

10.按权利要求9所述的制作方法，其特征在于所述的红外探测器圆片上的焊盘通过划片的方法露出。

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