CN102757011B - 微机械热电堆红外探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种微机械热电堆红外探测器及其制作方法，在衬底表面形成具有自停止腐蚀作用的封闭凹槽；淀积形成介质支撑膜；淀积多晶硅，然后通过2次离子注入加光刻腐蚀分别形成P型和N型多晶硅热偶条，两热偶条之间淀积隔离层；光刻腐蚀隔离层，将热电堆之间的区域暴露出介质支撑膜形成吸收区；溅射一层金属形成金属连接；在吸收区表面淀积一层多晶硅或非晶硅层，然后经过Cl2、HBr干法不完全刻蚀形成表面为锥状森林结构的吸收层；光刻出腐蚀孔，通入XeF2气体进行干法刻蚀释放正面结构。本发明使用多晶硅作为吸收层材料，提高了传统SiNx吸收层的吸收率，且工艺简便。使用P/N型多晶硅作为热电偶，避免金属热偶与CMOS兼容性差的问题，有效提高了热电堆的塞贝克系数。
Description
技术领域：
本发明属于红外探测器领域，尤其涉及一种基于微机电系统(Micro-Electro-MechanicaiSystem，简称MEMS)技术和塞贝克效应(Seebeckeffect)的微机械热电堆红外探测器及其制作方法。
背景技术：
红外技术的发展自1800年英国天文学家W.Herschel发现红外辐射至今已经200多年历史。在红外成像、红外制导、红外预警等军事领域是至关重要。具体工作原理是塞贝克效应(Seebeck effect)，即两种不同的材料A和B的一端相连作为热端，当这个热端受热时，冷热端会产生温差ΔT。根据两种材料的塞贝克系数的不同，冷端会有一个电压输出Uout，输出信号与温差关系表达式为：Uout＝(αA-αB)·ΔT。其中，αA、αB分别是两种材料的塞贝克系数。
热电堆红外探测器作为最早的热红外探测器，最初利用真空镀膜的方法器件尺寸较大，不易批量生产。随着MEMS技术的投入，出现了最早的微机械制造封闭膜结构的硅基热电堆红外探测器，由于它成本低廉，适合批量生产；输出信号大，灵敏度更高；尺寸小，易封装等优势迅速成为研究热点。中瑞典大学C GMattsson等【C G Mattsson，K Bertilsson，etc.Thermal simulation and designoptimization of a thermopile infrared detector with an SU-8 membrane.Journal of Micromechanics and Microengineering.2009，19：055016-1～055016-9】于2009年报道了利用SU-8材料作为支撑膜、Ni/Ti作为热电偶材料的新型热电堆红外探测器，达到的响应率为17V/W；但其缺点在于热偶材料不易制备，SU-8膜成本较高。
2003年日本Masaki Hirota等【Masaki Hirota，YasushiNakajima，Masanori Saito，Fuminori Satou and Makato Uchiyama.120x90Element Thermopile Array Fabricated with CMOS Technology.Proceedings ofSPIE.2003，4820：239～249】报道一种120×90像素的热电堆阵列，达到的响应率为3900V/W，采用金黑作为吸收层材料，对于8到13μm波长的红外光吸收率大于90％，制作的阵列结构用于红外成像并最后得到图像结果；但是该技术对于其他波段的吸收率并未做深入研究。
2001年Sung Jun Lee【Sung Jun Lee，Yun Hi Lee，Sang Hi Suh，Young JeOh，etc.Uncooled thermopile infrared detector with chromium oxideabsorption layer.Sensors and Actuators A.2001，95：24～28】提出一种以氧化鉻作为新型红外吸收材料的热电堆红外探测器，相对其他的吸收层有更好的吸收能力，并且测量其输出特性，得出测量结果响应率为9.6V/W，响应时间为70-80ms；相比来说性能指标较低，响应时间比较慢。
在国内，关于热电堆红外探测器的研究也有突破性的进展。2009年徐德辉等【Dehui Xu，Bin Xiong，Yuelin Wang，Mifeng Liu，Tie Li.Integrated micro-machined thermopile IR detectors with an XeF2 dry-etching process.Journal of Micromechanics and Microengineering.2009，19：125003-1～125003-11】提出两种CMOS兼容的XeF2各向同性干法蚀刻的热电堆红外探测器，探测器的形状分别为矩形和圆形。最后得到的响应率分别为14.14和10.26VM-1；探测率为4.15×107和4.54×107cmHz1/2W-1，时间常数23.7和14.6ms；该技术虽然制作起来工艺兼容性较好，但是响应率也不理想。
2009年中北大学王楷群【王楷群.热电堆红外探测器的设计与性能测试.硕士学位论文.太原中北大学.2010】研究的一种以多晶硅和铝作为热偶条材料，单层低应力氮化硅作介质支撑膜，背面腐蚀、正面封腊保护，吸收层采用炭黑涂层的热电堆红外探测器，达到的响应率为12.45V/W，探测率4.97×107cmHz1/2W-1，时间常数70ms；但是工艺过程中的背面保护比较复杂，成品率较低。
综合来看，目前关于热电堆红外探测器的研究重点在于吸收层材料的改进和如何与CMOS工艺更好的兼容，而传统的热电堆红外探测器的缺点首先是吸收层材料对红外的吸收率低，对不同波段的红外光吸收率相差较大。其次热电偶的材料主要采用金属，不能与CMOS兼容；另外传统的“三明治”结构采用多层介质膜，因为是多层所以容易出现各层应力不匹配的问题。
另外，传统热电堆红外探测器的主要结构包括有封闭膜结构、悬臂梁结构和悬浮结构。传统的悬臂梁结构往往在工艺释放时存在释放不完全的问题，结构不稳定，成品率也较低。
发明内容
针对传统的热电堆红外探测器存在的问题，尤其是吸收层材料对红外的吸收率低的缺点，本发明提出一种微机械热电堆红外探测器及其制作方法，通过制作“黑硅”的方法处理多晶硅和/或非晶硅得到锥状森林结构提高红外吸收率。
实现本发明目的的技术方案是：
1、一种微机械热电堆红外探测器的制作方法，包括以下步骤：
步骤10，在晶片衬底表面形成具有自停止腐蚀作用的封闭凹槽；
步骤20，淀积SiO2层形成介质支撑膜，SiO2同时填充所述封闭凹槽；
步骤30和40，在所述介质支撑膜上淀积多晶硅，接着离子注入加光刻腐蚀形成P型、或N型多晶硅热偶条；淀积隔离层；然后再淀积多晶硅，接着再离子注入加光刻腐蚀形成N型、或P型多晶硅热偶条；最后形成多组由P/N型多晶硅热偶条上下叠置构成的热电堆；
步骤50，光刻腐蚀所述隔离层，将所述热电堆之间的区域暴露出介质支撑膜以便形成吸收区；
步骤60，溅射一层金属，经光刻腐蚀后形成金属连接和所述探测器的金属焊盘；括步骤65，通过低压化学汽相淀积低温淀积一层钝化层，光刻腐蚀后只露出所述吸收区和金属焊盘；
步骤70，淀积一层多晶硅或非晶硅层，接着注入离子砷，然后经过Cl2、或HBr干法不完全刻蚀，经光刻腐蚀形成表面为锥状森林结构的吸收层；
步骤80，光刻出腐蚀孔，通入XeF2气体进行干法刻蚀释放正面结构。
2、其中步骤70中的砷离子注入剂量4E15cm-2，注入能量140Kev，Cl2、或HBr干法不完全刻蚀的刻蚀深度约为步骤80中，光刻出腐蚀孔后通入XeF2气体之前还包括：淀积一层光刻胶，在吸收层区域表面形成一层保护层，然后再光刻一次暴露出吸收层，从而在腐蚀孔的侧壁的吸收层材料表面留下一层保护层。
3、其中热电堆可以是P型多晶硅热偶条在上、也可以是N型多晶硅热偶条在上；其中：通过低压化学汽相方法淀积厚度的多晶硅层，离子注入硼，剂量1.5E16cm-2，能量50KeV，然后光刻腐蚀形成P型多晶硅热偶条，条宽为10um；通过低压化学汽相方法淀积厚度为的多晶硅层，离子注入磷，剂量1.5E16cm-2，能量50KeV，然后光刻腐蚀多晶硅形成N型热偶条，条宽10um。
4、其中晶片衬底由最底层的硅、中间的SiO2层、以及最上面的多晶硅层组成；封闭凹槽的形状包括正方形、矩形、圆形、椭圆形；封闭凹槽的宽度为1um；步骤20中的介质支撑膜是厚度为的单层SiO2、或SiO2层加SiNx层；步骤30和40中的隔离层为厚度为的一层SiO2、或一层SiO2加一层多晶硅层；步骤60中的金属为铝、或铜；步骤65中的钝化层为厚的SiO2层。
5、其中封闭凹槽的形状为正方形，吸收区为正方形，热电堆分四组对称置于吸收区四边，每组热电堆包括相互平行的三对上下叠置的热偶条；热电堆的一端固定在晶片衬底和介质支撑膜构成的冷端上，另一端连接在吸收区边缘，热电堆以悬臂梁的形式与整个吸收区悬空于晶片衬底上；腐蚀孔包括以下几个部分：①热电堆、吸收区与封闭凹槽之间围成的四个大块面积；②热电堆的每对热电偶之间的间隔部分；⑧吸收区中的任意形状的小孔，腐蚀孔还用作最后刻蚀气体的通道即释放孔。
6、其中步骤30、40、和50中的三次光刻腐蚀可合并为一次，只在最后形成热电堆后进行光刻腐蚀，将热电堆之间的区域暴露出介质支撑膜以便形成吸收区。
7、一种采用上述制作方法的微机械热电堆红外探测器，自下而上依次包括：晶片衬底，在晶片衬底表面包括具有自停止腐蚀作用的封闭凹槽；
介质支撑膜，覆盖于晶片衬底上；
多组热电堆，由多对上下叠置的P/N型多晶硅热偶条组成，位于介质支撑膜之上，每对上下叠置的P/N型多晶硅热偶条之间包括隔离层；多组热电堆之间包围的区域构成吸收区；
金属连接层，位于热电堆之上；
吸收层材料，覆盖于吸收区，吸收层材料表面包括经过Cl2、或HBr干法不完全刻蚀再光刻腐蚀形成的锥状森林结构；
多个腐蚀孔，形成于吸收区；
其中，衬底和介质支撑膜构成了微机械热电堆红外探测器的冷结区；吸收层材料与热偶条的热端接触构成微机械热电堆红外探测器的热结区，冷结区和热结区分别通过金属连接层形成电阻特性；热电堆的一端固定在冷结区，另一端连接在吸收区边缘，热电堆以悬臂梁的形式与整个吸收区悬空于衬底上。
8、其中晶片衬底由最底层的硅、中间的SiO2层、以及最上面的多晶硅层组成；金属连接层和吸收层材料之间还包括一层钝化层；腐蚀孔的侧壁的吸收层材料表面还包括一层保护层；封闭凹槽的形状包括正方形、矩形、圆形、椭圆形，封闭凹槽的宽度为1um。
9、其中封闭凹槽为正方形；吸收区为正方形，热电堆分四组对称置于吸收区四边，每组热电堆包括相互平行的三对上下叠置的热偶条；热电堆为P型多晶硅热偶条在上、或者N型多晶硅热偶条在上；其中P型多晶硅热偶条的条宽为10um，N型热偶条的条宽10um；介质支撑膜是厚度为的单层SiO2、或SiO2层加SiNx层；隔离层为厚度为的一层SiO2、或一层SiO2加一层多晶硅层；金属连接采用铝、或铜；钝化层为厚的SiO2层。
10、其中腐蚀孔包括以下几个部分：①热电堆、吸收区与封闭凹槽之间围成的四个大块面积；②热电堆的每对热电偶之间的间隔部分；⑧吸收区中的任意形状的小孔，腐蚀孔还用作最后刻蚀气体的通道即释放孔。
本发明的优点在于：
1、不采用传统的SiNx而是采用多晶硅和/或非晶硅作为吸收层材料，使用刻蚀方法处理吸收层材料，制作简单，易于实现，提高了吸收率。
2、本发明的锥状森林结构可以大大提高吸收率，测试结果显示对红外波段的吸收率接近70％，且对整个红外波段的吸收率比较一致。
3、采用腐蚀孔侧壁涂胶保护，XeF2干法刻蚀释放正面结构，避免了湿法腐蚀中正反面对准光刻的难度，降低了制作成本。
4、使用了P/N型多晶硅作为热电偶，避免金属热偶与CMOS兼容性差的问题，简化了制作工艺，成品率也提高至90％以上；同时还有效的提高了热电堆的塞贝克系数。
附图说明
图1～图9是本发明一个具体实施例的工艺流程示意图；其中：
图1是在衬底表面形成具有自停止腐蚀作用的封闭凹槽的示意图；
图2是图1所示器件的俯视图；
图3是形成介质支撑膜的示意图；
图4是形成P型多晶硅热偶条的示意图；
图5是淀积SiO2、多晶硅，离子注入后通过光刻腐蚀形成N型多晶硅热偶条的示意图；
图6是光刻腐蚀SiO2隔离层的示意图；
图7是形成金属连接的示意图；
图8是形成吸收层的示意图；
图9是制作腐蚀孔，通过干法刻蚀释放结构的示意图；
图10是高度显微镜下的吸收层表面锥状森林结构示意图；
图11是用于作最后释放结构的腐蚀孔的图形示意图；
图12是本发明一个具体实施例中的微机械红外热电堆探测器的立体示意图；
图13是本发明一个具体实施例中的微机械红外热电堆探测器的正面俯视图。
图14是本发明一个具体实施例中的微机械红外热电堆探测器的制作方法流程图。
图中标号的含义为：
1.SOI衬底，2.衬底开口，3.SiO2介质膜，4.P型多晶硅，5.隔离层，6.N型多晶硅，7.金属，8.吸收层材料，9.腐蚀孔。
具体实施方式
以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明最主要的创新之处是：不采用传统的SiNx而是采用多晶硅和/或非晶硅作为吸收层材料，并且通过氯气、或溴化氢气体对吸收层的多晶硅和/或非晶硅材料进行干法刻蚀，在吸收层表面制作出类似黑硅表面的锥状森林结构，这种方法提高了吸收层的吸收率，既增强对红外能量的吸收能力同时又可与器件IC兼容，制作简单，提高了成品率。且采用腐蚀孔侧壁涂胶保护，XeF2干法刻蚀释放正面结构，避免了湿法腐蚀中正反面对准光刻的难度，降低制作成本。另一方面，使用了P/N型多晶硅作为热电偶，避免金属热偶与CMOS兼容性差的问题，也有效的提高了热电堆的塞贝克系数。
下面结合附图详细叙述本发明微机械热电堆红外探测器的实施例：
实施例1
主要工艺步骤包括：
步骤10，在衬底表面形成具有自停止腐蚀作用的封闭凹槽
如图1所示，选择SOI(绝缘体上的硅)衬底1作为器件基底，图1所示的实施例中衬底1由最底层的硅、中间的SiO2层、以及最上面的多晶硅层组成。在衬底1上光刻出封闭凹槽，如图2的俯视图所示，开出了四条长条形开口2，从图2看出，该四条长条形开口2构成形状为正方形的封闭凹槽。该封闭凹槽将在最后的干法腐蚀释放结构时起到侧边自动停止腐蚀的作用。在一个具体实施例中，封闭凹槽的宽度为d＝1um，深度为打透SOI衬底的上层多晶硅，露出衬底1中间的SiO2层即可。在其他实施例中，封闭凹槽的形状也可以是如圆形、矩形、椭圆形等其他形状。
步骤20，形成介质支撑膜
如图3所示，采用LPCVD(低压化学汽相淀积)的方法在衬底1上生长厚度为的SiO2层作介质支撑膜3，这样的单层介质膜突破传统的“三明治”结构多层介质膜的应力不匹配的问题。同时长条形开口2的封闭凹槽内也被SiO2填入，开口2内的SiO2将在最后的干法腐蚀释放结构时起到侧边自动停止腐蚀的作用。当然在其他实施例中，介质支撑膜3并不限于采用单层SiO2，也可以采用多层复合膜，如SiO2加SiNx，等。
步骤30，形成P型多晶硅热偶条
如图4所示，采用LPCVD方法淀积厚度的多晶硅层，离子注入硼，剂量1.5E16cm-2，能量50KeV。然后光刻腐蚀形成P型多晶硅热偶条4，条宽为10um。
步骤40，淀积隔离层，然后离子注入后光刻腐蚀形成N型多晶硅热偶条
如图5所示，先采用LPCVD方法淀积厚度为的SiO2隔离层5。再通过LPCVD方法淀积厚度为的多晶硅层(图中未示)后，离子注入磷，剂量1.5E16cm-2，能量50KeV，然后光刻腐蚀多晶硅形成N型热偶条6，条宽10um。
图4和图5能够看出热偶条4/6的长度，但是看不出其宽度，热偶条4比热偶条6稍长，实则两者宽度相同，这一点可从图13看出。
步骤50，光刻腐蚀SiO2隔离层形成吸收区
然后如图6所示，再光刻腐蚀SiO2隔离层5，将多对热偶条之间的区域暴露出介质支撑膜3以便形成吸收区；最后形成了热偶条4/6上下叠置并以SiO2作为隔离的上下结构的热电堆。多组热电堆之间包围的区域构成了吸收区。
在本发明的一个优选实施例中，吸收区为正方形，而且吸收区的正方形与衬底1上的四个长条开口2组成的正方形的中心是重合的，同时热电堆的一端固定在衬底1和介质支撑膜3构成的本发明的微机械红外热电堆探测器冷端上，另一端连接在吸收区边缘，热电堆分四组对称置于吸收区四边，每组热电堆包括相互平行的3对上下叠置的热偶条4/6，这样热电堆以悬臂梁的形式与整个吸收区悬空于衬底上，形成了比较稳固的结构。
之所以先光刻腐蚀N型多晶硅而不是中间的SiO2，目的是避免腐蚀N型多晶硅时对底层的P型多晶硅造成腐蚀过度。
上述实施例中，本发明的热偶对材料为上下放置的P/N型多晶硅，即N型多晶硅制作在P型多晶硅的上面，在其他实施例中也可采用P型多晶硅制作在N型多晶硅的上面的结构，两层之间以SiO2隔开。另外在其他实施例中隔离层5也可采用其他材料，例如是一层SiO2加一层多晶硅层。
本发明选择热偶条上下叠置的方法，在工艺上制作更简单，兼容性更好，有效的节约空间，减小尺寸。
步骤60，形成金属连接
如图7所示，在形成的热电堆结构之上溅射铝层，厚度是然后光刻腐蚀形成金属连接和焊盘7，以避免P/N型多晶硅之间接触呈P-N结特性。
步骤65，形成钝化层(图中未示)
在350℃左右的温度下PECVD淀积厚度约的SiO2层，光刻腐蚀后只露出吸收区和金属焊盘7，作为对引线的保护。
步骤70，形成吸收层
如图8所示，在完成正面基本图形结构后，淀积一层多晶硅或非晶硅层8，这是本发明首创的吸收层材料，接着注入离子砷，注入剂量4E15cm-2，注入能量140Kev。再利用Cl2或HBr进行干法不完全刻蚀，刻蚀深度约为吸收层材料表面即形成“黑色”吸收层，最后形成锥状森林结构，如图10所示是电子显微镜下吸收层材料表面的图像。
然后光刻图形只留下吸收区部分的多晶硅或非晶硅层8。在另一个实施例中，该光刻步骤也可在形成锥状森林结构之前进行。
请同时参见图11～图13所示的实施例，吸收区为正方形，在其他实施例中也可以是其他形状。
步骤80，在吸收区光刻出腐蚀孔
通入XeF2气体进行干法刻蚀释放正面结构形成悬臂梁结构，刻蚀深度根据SOI衬底的上层多晶硅层的厚度决定，将多晶硅层刻透，腐蚀孔9的图案如图11的花纹部分所示。如图11所示，腐蚀孔9有以下几个部分：首先是热电堆、吸收区8与作腐蚀停止的长条形开口2(即所述封闭凹槽)之间围成的四个大块面积；其次是热电堆的每对热电偶之间的间隔部分；再有就是吸收区表面的吸收层材料8中的正方形小孔，在一个具体实施例中，该正方形小孔的边长设计大小约为10um。这些吸收区的正方形小孔和其他的释放孔一样均用作最后刻蚀气体的通道即释放孔，也可以是任意形状，任意排列，原则是数目尽量少的情况下能够保证正面区域被完全释放。在一个优选实施例中释放孔数目为5～10个。
另外，当XeF2气体通入腐蚀孔时，由于各向同性腐蚀，气体进入腐蚀孔9后的腐蚀方向如图9的箭头所示，当气体腐蚀至四周填充的SiO2—即图1和图2中的四条长条形开口2构成形状为正方形的封闭凹槽——以及衬底1中间的SiO2层时，由于XeF2对SiO2的腐蚀是非常小的，所以四周封闭凹槽内填充的SiO2与衬底1中间的SiO2层对气体的腐蚀起到了阻止的作用，刻蚀自动停止，如此就控制了器件最后刻蚀形成的形状及结构，此即封闭凹槽2的自停止腐蚀作用的原理。
最后，通入XeF2气体进行干法刻蚀SOI衬底中的上层硅，释放正面结构。
在一个优选实施例中，此处在光刻腐蚀孔9后且在通入XeF2气体释放正面结构之前还可以增加一个步骤，即在器件表面再淀积一层光刻胶(图中未示)，然后再光刻一次暴露出吸收层，这样就在腐蚀孔9的侧壁留下一层胶，可起到对侧面的吸收层材料进行保护的作用。
由于在干法腐蚀之前对腐蚀孔9进行了光刻，使得吸收区及小孔侧壁增加了涂胶保护，这样保证在干法刻蚀的过程中吸收层材料不会受刻蚀气体的影响。另外，由于SOI衬底的中间层和介质支撑膜都是SiO2，那么在进行干法刻蚀的时候，整个正面结构可被很好的保护。
通过以上工艺形成的微机械红外热电堆探测器如图12所示，请同时参考图13的正面俯视图，整个微机械红外热电堆探测器包括几个部分：衬底1、介质支撑膜3、中间带有SiO2隔离层5的P/N型多晶硅热偶条4/6组成的热电堆、钝化层(图中未示出)、Al条连接和焊盘7(图7中未示出)、吸收层材料8和腐蚀孔9。其中，衬底1和介质支撑膜3构成了本发明微机械热电堆红外探测器的冷端，作为微机械红外热电堆探测器的冷结区；吸收层与热偶条热端接触作为热结区，冷热端分别用铝作连接，形成电阻特性。采用的热偶条材料相对传统使用的金属在工艺上兼容性更好，且表面粗糙的形貌因为红外光进入后一系列的反射，会更好的被吸收。目前本发明做了一些前期工作，对以硅为材料的黑硅进行了测试，测试结果显示对红外波段的吸收率接近70％，由此可以看出，通过多晶硅或者非晶硅制作的“黑硅”结构在制作工艺简单的前提下也可保证对红外较高的吸收率。
另外，本发明采用了悬臂梁结构：热电堆的一端固定在衬底1和介质支撑膜2构成的冷端上，另一端连接在吸收区边缘，吸收区为正方形，热电堆分四组对称置于吸收区四边，每组热电堆包括3对上下叠置的热偶条4/6。热电堆以悬臂梁的形式与整个吸收区悬空于衬底上。这样的结构相对其他的结构具有更高的器件性能和相对稳定性。
实施例2
具体工艺步骤与实施例1相似，主要区别在于为了节约成本，原本的SOI衬底可以采用类似“SOI衬底”的结构，例如在硅片上氧化后淀积多晶硅，这样的三层结构也可充当衬底，这样最后需要释放的部分即为多晶硅。这样一来，可以大大的节约制作成本，对于今后投入产品大规模生产是非常必要的。
实施例3
具体工艺步骤与实施例1相似，主要区别在于制作热偶条时，P型多晶硅、SiO2隔离层、N型多晶硅利用一次光刻形成图形后，溅射铝连接。这样将原先的3次光刻改为一次光刻，节约了光刻次数，减小光刻形成的误差。此外铝还可用其他金属替换，比如铜、或者金属合金等。
尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对器件结构做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的器件结构及其制造方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。
Claims (10)
1.一种微机械热电堆红外探测器的制作方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤10，在晶片衬底表面形成具有自停止腐蚀作用的封闭凹槽；
步骤20，淀积SiO2层形成介质支撑膜，SiO2同时填充所述封闭凹槽；
步骤30和40，在所述介质支撑膜上淀积多晶硅，接着离子注入加光刻腐蚀形成P型或N型多晶硅热偶条；淀积隔离层；然后再淀积多晶硅，接着再离子注入加光刻腐蚀形成N型或P型多晶硅热偶条；最后形成多组由P/N型多晶硅热偶条上下叠置构成的热电堆；
步骤50，光刻腐蚀所述隔离层，将所述热电堆之间的区域暴露出介质支撑膜以便形成吸收区；
步骤60，溅射一层金属，经光刻腐蚀后形成金属连接和所述探测器的金属焊盘；
步骤70，淀积一层多晶硅或非晶硅层，接着注入离子砷，然后经过Cl2或HBr干法不完全刻蚀，经光刻腐蚀形成表面为锥状森林结构的吸收层；
步骤80，光刻出腐蚀孔，通入XeF2气体进行干法刻蚀释放正面结构。
2.如权利要求1所述的制作方法，其特征是：
步骤60和步骤70之间还包括步骤65，通过低压化学汽相淀积低温淀积一层钝化层，光刻腐蚀后只露出所述吸收区和金属焊盘；
步骤70中的砷离子注入剂量4E15cm-2，注入能量140Kev，Cl2或HBr干法不完全刻蚀的刻蚀深度约为
步骤80中，光刻出腐蚀孔后通入XeF2气体之前还包括：淀积一层光刻胶，在所述吸收层区域表面形成一层保护层，然后再光刻一次暴露出所述吸收层，从而在所述腐蚀孔的侧壁的吸收层材料表面留下一层保护层。
3.如权利要求1或2所述的制作方法，其特征是：所述热电堆为P型多晶硅热偶条在上或者N型多晶硅热偶条在上；其中：
通过低压化学汽相方法淀积厚度的多晶硅层，离子注入硼，剂量1.5E16cm-2，能量50KeV，然后光刻腐蚀形成所述P型多晶硅热偶条，条宽为10um；
通过低压化学汽相方法淀积厚度为的多晶硅层，离子注入磷，剂量1.5E16cm-2，能量50KeV，然后光刻腐蚀多晶硅形成所述N型热偶条，条宽10um。
4.如权利要求2所述的制作方法，其特征是：
所述晶片衬底由最底层的硅、中间的SiO2层、以及最上面的多晶硅层组成；
所述封闭凹槽的形状包括正方形、矩形、圆形、椭圆形；所述封闭凹槽的宽度为1um；
步骤20中的所述介质支撑膜是厚度为的单层SiO2或SiO2层加SiNx层；
步骤30和40中的所述隔离层为厚度为的一层SiO2或一层SiO2加一层多晶硅层；
步骤60中的所述金属为铝或铜；
步骤65中的所述钝化层为厚的SiO2层。
5.如权利要求4所述的制作方法，其特征是：所述封闭凹槽的形状为正方形，所述吸收区为正方形，所述热电堆分四组对称置于所述吸收区四边，每组热电堆包括相互平行的三对上下叠置的所述热偶条；所述热电堆的一端固定在所述晶片衬底和所述介质支撑膜构成的冷端上，另一端连接在所述吸收区边缘，所述热电堆以悬臂梁的形式与整个所述吸收区悬空于所述晶片衬底上；
所述腐蚀孔包括以下几个部分：①所述热电堆、所述吸收区与所述封闭凹槽之间围成的四个大块面积；②所述热电堆的每对热电偶之间的间隔部分；③所述吸收区中的任意形状的小孔，所述腐蚀孔还用作最后刻蚀气体的通道即释放孔。
6.如权利要求5所述的制作方法，其特征是：所述步骤30、40、和50中的三次光刻腐蚀合并为一次，只在最后形成所述热电堆后进行光刻腐蚀，将所述热电堆之间的区域暴露出介质支撑膜以便形成吸收区。
7.一种微机械热电堆红外探测器，采用如权利要求1～6之一所述的制作方法，其特征是：自下而上依次包括：
晶片衬底，在所述晶片衬底表面包括具有自停止腐蚀作用的封闭凹槽；
介质支撑膜，覆盖于所述晶片衬底上；
多组热电堆，由多对上下叠置的P/N型多晶硅热偶条组成，位于所述介质支撑膜之上，所述每对上下叠置的P/N型多晶硅热偶条之间包括隔离层；所述多组热电堆之间包围的区域构成吸收区；
金属连接层，位于所述热电堆之上；
吸收层材料，覆盖于所述吸收区，所述吸收层材料表面包括经过Cl2或HBr干法不完全刻蚀再光刻腐蚀形成的锥状森林结构；
多个腐蚀孔，形成于所述吸收区；
其中，所述衬底和所述介质支撑膜构成了所述微机械热电堆红外探测器的冷结区；所述吸收层材料与所述热偶条的热端接触构成所述微机械热电堆红外探测器的热结区，所述冷结区和所述热结区分别通过所述金属连接层形成电阻特性；所述热电堆的一端固定在冷结区，另一端连接在所述吸收区边缘，所述热电堆以悬臂梁的形式与整个所述吸收区悬空于所述衬底上。
8.如权利要求7所述的微机械热电堆红外探测器，其特征是：所述晶片衬底由最底层的硅、中间的SiO2层、以及最上面的多晶硅层组成；所述金属连接层和所述吸收层材料之间还包括一层钝化层；所述腐蚀孔的侧壁的吸收层材料表面还包括一层保护层；所述封闭凹槽的形状包括正方形、矩形、圆形、椭圆形，所述封闭凹槽的宽度为1um。
9.如权利要求8所述的微机械热电堆红外探测器，其特征是：所述封闭凹槽为正方形；所述吸收区为正方形，所述热电堆分四组对称置于所述吸收区四边，每组热电堆包括相互平行的三对上下叠置的热偶条；所述热电堆为P型多晶硅热偶条在上或者N型多晶硅热偶条在上；其中所述P型多晶硅热偶条的条宽为10um，所述N型热偶条的条宽10um；所述介质支撑膜是厚度为的单层SiO2或SiO2层加SiNx层；所述隔离层为厚度为的一层SiO2或一层SiO2加一层多晶硅层；所述金属连接采用铝或铜；所述钝化层为厚的SiO2层。
10.如权利要求9所述的微机械热电堆红外探测器，其特征是：所述腐蚀孔包括以下几个部分：①所述热电堆、所述吸收区与所述封闭凹槽之间围成的四个大块面积；②所述热电堆的每对热电偶之间的间隔部分；③所述吸收区中的任意形状的小孔，所述腐蚀孔还用作最后刻蚀气体的通道即释放孔。
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Inventor after: Xue Chenyang Inventor after: Ming Anjie Inventor after: Liu Zhanfeng Inventor after: Yuan Feng Inventor after: Zhao Lijun Inventor after: Jia Pinggang Inventor after: Tan Qiulin Inventor after: Zhang Wendong Inventor after: Liu Jun Inventor after: Xiong Jijun Inventor after: Xia Yan Inventor after: Ou Wen Inventor after: Chen Dapeng Inventor before: Xue Chenyang Inventor before: Yuan Feng Inventor before: Zhao Lijun Inventor before: Zhang Wendong Inventor before: Liu Jun Inventor before: Xiong Jijun Inventor before: Xia Yan Inventor before: Ou Wen Inventor before: Chen Dapeng Inventor before: Ming Anjie Inventor before: Liu Zhanfeng |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: XUE CHENYANG ZHANG WENDONG LIU JUN XIONG JIJUN XIA YAN OU WEN CHEN DAPENG MING ANJIE LIU ZHANFENG YUAN FENG ZHAO LIJUN TO: XUE CHENYANG JIA PINGGANG TAN QIULIN ZHANG WENDONG LIU JUN XIONG JIJUN XIA YAN OU WEN CHEN DAPENG MING ANJIE LIU ZHANFENG YUAN FENG ZHAO LIJUN |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150715 Termination date: 20160425 |