CN103043602B - 微纳尺度材料赛贝克系数测量机构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微纳尺度材料赛贝克系数测量机构的制备方法，包括以下步骤：在衬底上设置隔离槽掩蔽层；制作隔离槽；设置介质支撑膜和释放阻挡带；在上述介质支撑膜上设置第一热偶条和加热电阻条；在上述第一热偶条和加热电阻条上方设置释放保护膜；设置电绝缘热导通结构；形成金属电极及金属连接线，形成第二热偶条；在上述已形成金属电极及金属连接线和第二热偶条的基底上设置腐蚀释放通道；利用腐蚀释放通道腐蚀衬底，得到用释放阻挡带封闭起来的热隔离腔体。本发明用于微纳尺度材料赛贝克系数测量。

Description

微纳尺度材料赛贝克系数测量机构的制备方法

技术领域

本发明涉及一种微纳尺度材料性能测量机构的制备方法，尤其是一种微纳尺度材料赛贝克系数测量机构的制备方法。

背景技术

基于温差电效应（赛贝克效应）的MEMS红外探测器----MEMS热电堆红外探测器是传感探测领域的一种典型器件，可用于组成温度传感器、气敏传感器、人体感测系统、防盗报警装置等。热电堆红外探测器与基于其它工作原理的红外探测器（如热释电型红外探测器和热敏电阻型红外探测器等）相比具有可测恒定辐射量、无需加偏置电压、无需斩波器、更适用于移动应用与野外应用等明显的综合优点。因而，MEMS热电堆红外探测器对于实现更为宽广的红外探测应用具有非常重要的意义，其民用、军用前景广阔，商业价值和市场潜力非常巨大。

热电转换材料是热电堆探测器的敏感元件，也是该探测器最为关键的构件；赛贝克系数是表征热电转换材料热电性能的参数，直接决定着热电堆探测器的性能，因此也是该探测器最为核心的一项参数。从这个角度讲，如何准确测量材料的赛贝克系数具有重要的现实意义。

赛贝克系数是指在一定温度梯度条件下材料两端所产生的开路电压与材料两端的温度差之比。仅从理论上讲，赛贝克系数是一个很容易测量的参量。然而，实际的测量过程中不可避免地会出现测量误差，有时候误差会大到严重干扰测量结果准确性的程度。对于MEMS热电堆红外探测器而言，其热电敏感单元的结构尺寸一般为微米量级甚至达到纳米量级，这种情况下，基于这些微纳米结构的赛贝克系数的测量就更为困难。

发明内容

本发明的目的是补充现有技术中存在的不足，提供一种微纳尺度材料赛贝克系数测量机构的制备方法，该方法制备的微纳尺度材料赛贝克系数测量机构，结构简单便于实现，能够实现微纳尺度材料赛贝克系数的测量，同时易于与MEMS热电堆红外探测器集成制备，因而其测量结果可为MEMS热电堆红外探测器提供直接的数值参考，将为基于赛贝克效应的器件性能的标定提供便利条件。本发明采用的技术方案是：

一种微纳尺度材料赛贝克系数测量机构的制备方法，包括以下步骤：

(a)步骤，提供衬底，并在所述衬底上设置隔离槽掩蔽层；

(b)步骤，在上述设置了隔离槽掩蔽层的衬底上制作隔离槽；

(c)步骤，在上述制作了隔离槽的衬底上设置介质支撑膜和释放阻挡带；

(d)步骤，在上述介质支撑膜上设置第一热偶条和加热电阻条；其中加热电阻条包括第一加热电阻条和第二加热电阻条，第一加热电阻条和第二加热电阻条掺杂浓度和/或尺寸参数不同，使得第一加热电阻条的电阻值小于第二加热电阻条的电阻值；

(e)步骤，在上述第一热偶条和加热电阻条上方设置释放保护膜；所述释放保护膜同时作为金属和第一热偶条之间的电绝缘材料，以及金属和加热电阻条之间的电绝缘材料，其覆盖的区域包括除金属电极与加热电阻条交叠位置、金属与第一热偶条连接位置以及金属与加热电阻条连接位置外的基底上表面所有区域；

(f)步骤，在上述金属电极与加热电阻条交叠位置处设置电绝缘热导通结构；

(g)步骤，在上述已制作电绝缘热导通结构的基底上溅射金属层，形成金属电极及金属连接线，形成第二热偶条；金属电极及金属连接线包括各金属电极和金属电极上的突出部，其中，金属电极包括第一金属电极、第二金属电极、第三金属电极、第四金属电极、第五金属电极、第六金属电极和第七金属电极；

(h)步骤，在上述已形成金属电极及金属连接线和第二热偶条的基底上设置腐蚀释放通道；

(i)步骤，利用腐蚀释放通道腐蚀衬底，得到用释放阻挡带封闭起来的热隔离腔体。

进一步地，所述(d)步骤中，第一加热电阻条采用多晶硅进行P型掺杂获得，掺杂浓度为5e22cm^-3，掺杂能量为30KeV，所得的第一加热电阻条的长度为300μm，宽度为50μm；第二加热电阻条采用多晶硅进行N型掺杂获得，掺杂浓度为4e19cm^-3，掺杂能量为80KeV，所得的第二加热电阻条的长度为2000μm，宽度为2μm。

进一步地，所述(d)步骤中，第一热偶条采用多晶硅进行N型掺杂获得，掺杂浓度为4e19cm^-3，掺杂能量为80KeV，所得的第一热偶条长度为180μm，宽度为3μm。

进一步地，所述(g)步骤中，金属电极及金属连接线的材料为Al，第二热偶条材料为Al，所得的第二热偶条的长度为180μm，宽度为10μm。

进一步地，所述（b）步骤中，隔离槽的深度能够为2~40微米，宽度能够为0.8~3微米。

进一步地，所述(i)步骤中，所述腐蚀衬底的方法为XeF₂各向同性干法刻蚀。

进一步地，所述(g)步骤中，金属电极及金属连接线与第二热偶条采用同一种金属材料实现，即采用一次光刻、腐蚀方法同时成型。

本发明的优点：使用本方法制备的微纳尺度材料赛贝克系数测量机构，1、结构简单，仅由热电偶、加热电阻条、金属电极及金属连接线构成；2、该机构可用于多种热电偶材料赛贝克系数的测量，材料适用面广；3、该机构可用于不同尺度、不同形貌热电偶结构的赛贝克系数的测量，结构适用范围广；4、该测量机构的制备工艺简单，易于实现，其工艺流程与常规微电子工艺相兼容，进而可与热电转换传感器件集成制备；5、该测量机构总体尺寸小，可作为并行器件与传感器件同时制作，在排除工艺差异因素的前提下，可以提高其作为测量及标定机构的可行性。

附图说明

图1至图9为本发明实施例工艺步骤剖视图，其中：

图1为本发明实施例在衬底上形成隔离槽掩蔽层后的剖视图。

图2为本发明实施例形成隔离槽后的剖视图。

图3为本发明实施例形成释放阻挡带和介质支撑膜后的剖视图。

图4为本发明实施例设置第一热偶条和加热电阻条后的剖视图。

图5为本发明实施例设置释放保护膜后的剖视图。

图6为本发明实施例设置电绝缘热导通结构后的剖视图。

图7为本发明实施例形成金属电极及金属连接线、第二热偶条后的剖视图。

图8为本发明实施例形成腐蚀释放通道后的剖视图。

图9为本发明实施例腐蚀衬底形成热隔离腔体后的剖视图。

图10为本发明实施例测量机构的总体结构顶视图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图9、图10所示：本发明提出的微纳尺度材料赛贝克系数测量机构，包括衬底101；所述衬底101上设有释放阻挡带302，所述释放阻挡带302内封闭有热隔离腔体901，释放阻挡带302能够在腐蚀衬底101形成热隔离腔体901的过程中起到阻挡腐蚀的作用。所述热隔离腔体901的正上方设有一对热电偶：第一热偶条8和第二热偶条9；第一热偶条8和第二热偶条9的材料特性不同；所述第一热偶条8和第二热偶条9的一端通过金属连接线与第一金属电极1连接；所述第一金属电极1位于第一加热电阻条10之上，且通过释放保护膜501和电绝缘热导通结构601实现与第一加热电阻条10的电学隔离和热学导通；所述第一加热电阻条10的两端通过金属连接线分别连接第二金属电极2和第三金属电极3；所述第一热偶条8和第二热偶条9另一端分别连接第六金属电极6和第七金属电极7，所述第六金属电极6和第七金属电极7位于第二加热电阻条11之上，且通过释放保护膜501和电绝缘热导通结构601实现与第二加热电阻条11的电学隔离和热学导通；所述第二加热电阻条11的两端分别连接第四金属电极4和第五金属电极5。第一加热电阻条10的电阻值小于第二加热电阻条11的电阻值。

所述热电偶对中第一热偶条8采用N型掺杂的多晶硅，第二热偶条9采用Al(铝)。

所述第一加热电阻条10的电阻值和第二加热电阻条11的电阻值通过改变加热电阻条401的掺杂浓度和/或调整加热电阻条401的尺寸参数得到所需的电阻值。

在使用微纳尺度材料赛贝克系数测量机构的测量过程中，在第二金属电极2和第三金属电极3之间加电压U1，同时通过红外测温仪测量第一金属电极1上靠近热电偶位置处的温度T1；在第四金属电极4和第五金属电极5之间加载电压U2，同时通过红外测温仪分别测量第六金属电极6和第七金属电极7上靠近热电偶位置处的温度T2；所述电压U1的值大于电压U2的值。由于相同时间内第一加热电阻条10（低电阻发热电阻条）产生的热量比第二加热电阻条11（高电阻发热电阻条）产生的热量高，所以温度T1高于温度T2，进而引起热电偶两端产生温度差：与第一金属电极1相连的一端为高温端——热端，分别与第六金属电极6、第七金属电极7相连的一端为低温端——冷端；此时，测量第六金属电极6、第七金属电极7之间的电压ΔU，那么，微纳尺度材料的赛贝克系数可以根据ΔU/（T1-T2）计算得到。

如图1至图9所示：上述微纳尺度材料赛贝克系数的测量机构可以采用下述工艺步骤实现。下述实施例中，如无特殊说明，工艺步骤均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。具体地包括：

(a)步骤，提供衬底101，并在所述衬底101上设置隔离槽掩蔽层102；

如图1所示，在衬底101的表面通过干氧氧化的方式生长SiO₂材料层，以形成隔离槽掩蔽层102，隔离槽掩蔽层102的厚度为5000Å，干氧氧化时温度为950℃，氧气的含量为60%。所述衬底101采用常规的材料，衬底101的材料包括硅。

(b)步骤，在上述设置了隔离槽掩蔽层102的衬底101上制作隔离槽202；

如图2所示，在隔离槽掩蔽层102的表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在光刻胶上形成封闭开口，随后利用反应离子刻蚀（RIE）SiO₂的方法将光刻胶上封闭开口的图形转移到隔离槽掩蔽层102上，形成位于隔离槽掩蔽层102上的封闭开口图形，即衬底刻蚀窗口201；利用氧等离子体干法去胶与硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除衬底表面的光刻胶；采用RIE技术各向异性刻蚀衬底101，将隔离槽掩蔽层102上的封闭开口图形转移到衬底101上，形成衬底101上的封闭开口图形，即隔离槽202，隔离槽202的深度可以为2~40微米，宽度可以为0.8~3微米，本实施例所形成的隔离槽202的宽度为1.6μm，深度达到35μm。其中，RIE隔离槽掩蔽层102的RF功率为300W，腔体压力为200mTorr，刻蚀气体为CF₄、CHF₃、He混合气体，对应的流量为10/50/12sccm；RIE衬底101时采用的刻蚀气体为Cl₂和He的混合气体，其流量分别为180和400 sccm，RF功率为350 W，腔体压力为400 mTorr。

(c)步骤，在上述制作了隔离槽202的衬底101上设置介质支撑膜301和释放阻挡带302；

如图3所示，采用RIE技术完全去除隔离槽掩蔽层102；在已经形成隔离槽202的衬底101上，通过低压化学气相沉积（LPCVD）技术淀积生长介质支撑膜301，所述介质支撑膜301的材料为SiO₂，介质支撑膜301的厚度为8000Å，完全填充隔离槽202，并与完全填充了SiO₂的隔离槽202共同组成SiO₂释放阻挡带302。其中，LPCVD技术生长介质支撑膜301时采用TEOS（（Tetraethyl Orthosilicate，正硅酸乙酯））源，源的温度为50℃，炉管温度为720℃，压强为300mTorr，氧气流量为200sccm。

(d)步骤，在上述介质支撑膜301上设置第一热偶条8和加热电阻条401；其中加热电阻条401包括第一加热电阻条10和第二加热电阻条11，第一加热电阻条10和第二加热电阻条11掺杂浓度和/或尺寸参数不同，使得第一加热电阻条10的电阻值小于第二加热电阻条11的电阻值；

在(d)步骤中，第一加热电阻条10采用多晶硅进行P型掺杂获得，掺杂浓度为5e22cm^-3，掺杂能量为30KeV，所得的第一加热电阻条10的长度为300μm，宽度为50μm；第二加热电阻条11采用多晶硅进行N型掺杂获得，掺杂浓度为4e19cm^-3，掺杂能量为80KeV，所得的第二加热电阻条11的长度为2000μm，宽度为2μm。第一热偶条8采用多晶硅进行N型掺杂获得，掺杂浓度为4e19cm^-3，掺杂能量为80KeV，所得的第一热偶条(8)长度为180μm，宽度为3μm。详细描述如下：

如图4所示，在设置了介质支撑膜301和释放阻挡带302的基底上通过LPCVD技术生长结构层，用于形成第一热偶条8和加热电阻条401，结构层的材料为多晶硅，厚度为2000Å；在结构层的表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在光刻胶上对应于第一加热电阻条10的位置制作光刻胶开口图形，并对其进行P型掺杂，掺杂浓度为5e22cm^-3，掺杂能量为30KeV；利用氧等离子体干法去胶与硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除结构层表面的光刻胶；再次在结构层表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在光刻胶上对应于第二加热电阻条11和第一热偶条8的位置形成光刻胶的开口图形，并对其进行N型掺杂，掺杂浓度为4e19cm^-3，掺杂能量为80KeV，利用氧等离子体干法去胶与硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除结构层表面的光刻胶；在结构层的表面第三次旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在光刻胶上对应于加热电阻条401和第一热偶条8的位置形成光刻胶图形，采用RIE技术各向异性刻蚀结构层的材料多晶硅，形成加热电阻条401和第一热偶条8。所述第一热偶条8的长度为180μm，宽度为3μm；所述第一加热电阻条10的长度为300μm，宽度为50μm，第二加热电阻条11的长度为2000μm，宽度为2μm。其中，LPCVD技术生长结构层多晶硅时，工作炉管为620℃，压强为200mTorr（毫托），SiH₄的流量为130sccm（standard-state cubic centimeter per minute）；RIE结构层多晶硅时采用的刻蚀气体为Cl₂和He的混合气体，其流量分别为180和400 sccm，RF功率为350 W，腔体压力为400 mTorr。

(e)步骤，在上述第一热偶条8和加热电阻条401上方设置释放保护膜501；所述释放保护膜501同时作为金属和第一热偶条8之间的电绝缘材料，以及金属和加热电阻条401之间的电绝缘材料，其覆盖的区域包括除金属电极与加热电阻条交叠位置503、金属与第一热偶条连接位置502以及金属与加热电阻条连接位置504（参见附图10中的标记504位置）外的基底上表面所有区域；

如图5所示，在上述设置了第一热偶条8和加热电阻条401的基底表面上通过LPCVD技术生长释放保护膜501，所述释放保护膜501的材料为SiO₂，厚度为4000Å；所述释放保护膜501同时作为金属和第一热偶条8之间的电绝缘材料，以及金属和加热电阻条401之间的电绝缘材料，其覆盖的区域包括除金属电极与加热电阻条交叠位置503、金属与第一热偶条连接位置502以及金属与加热电阻条连接位置504（参见附图10中的标记504位置）外的基底上表面所有区域；在所述SiO₂层的表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在光刻胶上对应于金属与加热电阻条连接位置504、金属与第一热偶条连接位置502、金属电极与加热电阻条交叠位置503处形成光刻胶的开口图形，利用RIE SiO₂形成释放保护膜501的图形化；最后利用氧等离子体干法去胶与硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除基底表面的光刻胶。

(f)步骤，在上述金属电极与加热电阻条交叠位置503处设置电绝缘热导通结构601；用于实现加热电阻条401与第一热偶条8、第二热偶条9之间的热导通与电隔离。

如图6所示，在设置了释放保护膜501的基底上通过LPCVD技术生长电绝缘热导通材料，所述电绝缘热导通材料采用Si₃N₄，厚度为4000Å；在所述电绝缘热导通材料Si₃N₄的表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在光刻胶上对应于金属电极与加热电阻条交叠位置503处形成完全覆盖金属电极与加热电阻条交叠位置503的光刻胶图形，利用RIE Si₃N₄技术形成电绝缘热导通材料的图形化，即形成电绝缘热导通结构601；最后利用氧等离子体干法去胶与硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除基底表面的光刻胶；所述电绝缘热导通结构601用于实现加热电阻条401与第一热偶条8、第二热偶条9之间的热导通与电隔离。其中，RIE Si₃N₄的RF功率为150W，腔体压力为400mTorr，刻蚀气体为CHF₃、He、SF₆混合气体，对应的流量为7/100/30sccm。

(g)步骤，在上述已制作电绝缘热导通结构601的基底上溅射金属层，形成金属电极及金属连接线701，形成第二热偶条9；金属电极及金属连接线701包括各金属电极和金属电极上的突出部（金属连接线），其中，金属电极包括第一金属电极1、第二金属电极2、第三金属电极3、第四金属电极4、第五金属电极5、第六金属电极6和第七金属电极7；每个金属电极上的突出部为金属连接线，用于和加热电阻条401、第一热偶条8或第二热偶条9连接。所述(g)步骤中，金属电极及金属连接线701与第二热偶条9采用同一种金属材料实现，即采用一次光刻、腐蚀方法同时成型；

如图7所示，在所述设置了电绝缘热导通结构601的基底上溅射金属层，所述金属层采用的材料为Al，厚度为10000 Å；选择性地掩蔽和刻蚀上述Al金属层，使之形成金属电极及金属连接线701；同时，在第二热偶条9对应的位置形成第二热偶条9；随后采用有机清洗的方法去除基底表面的光刻胶。其中，Al金属的图形化采用Al腐蚀液湿法腐蚀的方法实现，Al腐蚀液中磷酸（浓度为60%~80%）：醋酸（浓度为0.1%）：硝酸（浓度为0.5%）：水的比例为16：1：1：2；所述金属电极包括第一金属电极1、第二金属电极2、第三金属电极3、第四金属电极4、第五金属电极5、第六金属电极6和第七金属电极7。所得的第二热偶条9的长度为180μm，宽度为10μm。

(h)步骤，在上述已形成金属电极及金属连接线701和第二热偶条9的基底上设置腐蚀释放通道802；

如图8所示，在实现了金属电极和金属连接线701以及第二热偶条9的基底上旋涂光刻胶，通过光刻工艺使光刻胶在对应于腐蚀释放通道802的位置形成光刻胶的开口图形；随后，利用RIE SiO₂技术将光刻胶的开口图形转移到释放保护膜501上，形成介质支撑膜刻蚀窗口801；继续进行RIE SiO₂，直至穿通介质支撑膜301，达到介质支撑膜301正下方的衬底101，最终形成腐蚀释放通道802。

(i)步骤，利用腐蚀释放通道802腐蚀衬底101，得到用释放阻挡带302封闭起来的热隔离腔体901，同时获得测量机构的总体结构。

如图9所示，由于衬底的材料为硅，采用XeF₂干法刻蚀技术各向同性腐蚀器件结构中的衬底101，通过腐蚀释放通道802向下腐蚀衬底101，进而形成热隔离腔体901，同时得到测量机构的总体结构。

Claims (7)

1.一种微纳尺度材料赛贝克系数测量机构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)步骤，提供衬底(101)，并在所述衬底(101)上设置隔离槽掩蔽层(102)；

(b)步骤，在上述设置了隔离槽掩蔽层(102)的衬底(101)上制作隔离槽(202)；

(c)步骤，在上述制作了隔离槽(202)的衬底（101）上设置介质支撑膜(301)和释放阻挡带(302)；

(d)步骤，在上述介质支撑膜(301)上设置第一热偶条(8)和加热电阻条(401)；其中加热电阻条(401)包括第一加热电阻条(10)和第二加热电阻条(11)，第一加热电阻条(10)和第二加热电阻条(11)掺杂浓度和/或尺寸参数不同，使得第一加热电阻条(10)的电阻值小于第二加热电阻条(11)的电阻值；

(e)步骤，在上述第一热偶条(8)和加热电阻条(401)上方设置释放保护膜(501)；所述释放保护膜(501)同时作为金属电极和第一热偶条(8)之间的电绝缘材料，以及金属电极和加热电阻条(401)之间的电绝缘材料，其覆盖的区域包括除金属电极与加热电阻条交叠位置(503)、金属电极与第一热偶条连接位置(502)以及金属电极与加热电阻条连接位置(504)外的基底上表面所有区域；

(f)步骤，在上述金属电极与加热电阻条交叠位置(503)处设置电绝缘热导通结构(601)；

(g)步骤，在上述已制作电绝缘热导通结构(601)的衬底（101）上溅射金属层，形成金属电极及金属连接线(701)，形成第二热偶条(9)；金属电极及金属连接线(701)包括各金属电极和金属电极上的突出部，其中，金属电极包括第一金属电极(1)、第二金属电极(2)、第三金属电极(3)、第四金属电极(4)、第五金属电极(5)、第六金属电极(6)和第七金属电极(7)；

(h)步骤，在上述已形成金属电极及金属连接线(701)和第二热偶条(9)的衬底（101）上设置腐蚀释放通道(802)；

(i)步骤，利用腐蚀释放通道(802)腐蚀衬底(101)，得到用释放阻挡带(302)封闭起来的热隔离腔体(901)。

2.如权利要求1所述的微纳尺度材料赛贝克系数测量机构的制备方法，其特征在于：所述(d)步骤中，第一加热电阻条(10)采用多晶硅进行P型掺杂获得，掺杂浓度为5e22cm^-3，掺杂能量为30KeV，所得的第一加热电阻条(10)的长度为300μm，宽度为50μm；第二加热电阻条(11)采用多晶硅进行N型掺杂获得，掺杂浓度为4e19cm^-3，掺杂能量为80KeV，所得的第二加热电阻条(11)的长度为2000μm，宽度为2μm。

3.如权利要求1或2所述的微纳尺度材料赛贝克系数测量机构的制备方法，其特征在于：所述(d)步骤中，第一热偶条(8)采用多晶硅进行N型掺杂获得，掺杂浓度为4e19cm^-3，掺杂能量为80KeV，所得的第一热偶条(8)长度为180μm，宽度为3μm。

4.如权利要求1或2所述的微纳尺度材料赛贝克系数测量机构的制备方法，其特征在于：所述(g)步骤中，金属电极及金属连接线(701)的材料为Al，第二热偶条(9)材料为Al，所得的第二热偶条(9)的长度为180μm，宽度为10μm。

5.如权利要求1或2所述的微纳尺度材料赛贝克系数测量机构的制备方法，其特征在于：所述（b）步骤中，隔离槽（202）的深度范围为2~40微米，宽度范围为0.8~3微米。

6.如权利要求1或2所述的微纳尺度材料赛贝克系数测量机构的制备方法，其特征在于：所述(i)步骤中，所述腐蚀衬底(101)的方法为XeF₂各向同性干法刻蚀。

7.如权利要求1或2所述的微纳尺度材料赛贝克系数测量机构的制备方法，其特征在于：所述(g)步骤中，金属电极及金属连接线(701)与第二热偶条(9)采用同一种金属材料实现，即采用一次光刻、腐蚀方法同时成型。