CN103698020B - 复合薄膜作为红外吸收层的热电堆红外气体探测器及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于热电堆红外气体探测器的技术领域，具体涉及一种复合薄膜作为红外吸收层的热电堆红外气体探测器及其加工方法，解决了传统热电堆红外探测器热电转化率低和释放过程中悬浮结构易损坏等问题。其包括SOI衬底、热偶条、SiO₂介质层、金属连接和焊盘、SiO₂隔离层以及吸收层，N/P多晶硅热偶条的冷端支撑于SOI衬底，吸收层悬浮设置于探测器的顶部。本发明利用复合纳米薄膜对近红外波段较强的吸收率，并且将吸收层悬浮于器件上方，提高了器件单元占空比，相应地提高探测器的响应率和探测率，进而优化探测器的性能指标。

Description

复合薄膜作为红外吸收层的热电堆红外气体探测器及其加工 方法

技术领域

本发明属于热电堆红外气体探测器的技术领域，具体涉及一种复合薄膜作为红外吸收层的热电堆红外气体探测器及其加工方法。

背景技术

自1800年W.herschel发现红外辐射至今，红外探测技术被广泛地应用于夜视仪、红外制导、热像仪等军事领域，也被应用于气体检测、公共安全、红外测温等民用领域。热电堆红外探测器的工作原理是基于塞贝克效应，即两种不同材料A和B有公共连接端作为热端，另一端不相连作为冷端，当热端受热时，在A和B组成的回路中产生电势使热能转变为电能。该电势差取决于金属的电子逸出功和有效电子密度这两个因素，半导体材料的温差电势较大，可作为塞贝克材料。输出电势与温差关系表达式为：Uout=（αA-αB）*ΔT。其中αA、αB分别为两种材料的塞贝克系数。

热电堆红外探测器因其工作原理简单、数据处理简便、无需斩波器、无需偏置电压、工作波段带宽大而成为主流红外探测器。为提高热电堆红外探测器性能，大量的研究基于器件尺寸优化和研发高吸收率材料而展开，具体方法包括降低热电堆导热过程中的辐射导热和对流导热来提高热转换效率，以及增大有效导热长度等。在提高器件占空比的研究中，王跃林团队成功加工了诸多正面释放的单层悬浮结构，克服了背腔腐蚀对硅衬底晶向的要求，实现了对尺寸的进一步降低，但是单层排布的热电偶和吸收层互相限制了各自有效功能区域的增大。为了进一步提高空间利用率，Toriyama的团队成功制造了一种纵向排布的热电偶阵列，下部和衬底相连作为冷端，其热端在上部，共同支撑一张吸收层薄膜。但是制作热电偶过程中仍残余较大应力，导致热电偶弯曲，以这种弯曲热电偶来作为吸收层的支撑结构，不利于结构的稳定性，同时弯曲热电偶的两端和吸收层以及衬底的接触不佳，不利于提高器件整体的热点转换效率。因此，更多的研究把优化器件性能，同时提高器件占空比的焦点集中在将吸收层和热电偶置于不同的平面。Marc C. Foote成功加工了双层聚酰亚胺牺牲层的热电堆红外探测器，实现了热电偶与衬底、吸收层与热电偶的分离，但是热电偶热端置于器件中间，与热偶条热端接触，这就导致了热偶条共用同一热端，引起较大热串扰。与此同时，热偶条材料采用Bi-Te和Bi-Sb-Te的材料，也并不与CMOS工艺兼容，不利于高精度的批量生产。

发明内容

本发明为了解决传统热电堆红外探测器热电转化率低和释放过程中悬浮结构易损坏等问题，提供了一种复合薄膜作为红外吸收层的热电堆红外气体探测器及其加工方法。

本发明采用如下的技术方案实现：

一种复合薄膜作为红外吸收层的热电堆红外气体探测器，包括SOI衬底、热偶条、SiO₂介质层、金属连接和焊盘、SiO₂隔离层以及吸收层，其特征在于N/P多晶硅热偶条的冷端支撑于SOI衬底，吸收层悬浮设置于探测器的顶部。

SOI衬底上设置对称的双隔离槽，两个隔离槽上方分别对应设置有沿探测器的对称轴排布的悬浮设置的热偶条，热偶条的冷端设置于探测器的对称轴之上并由SOI衬底支撑，热偶条与SOI衬底之间为SiO₂介质层，热偶条上部为SiO₂隔离层，SiO₂介质层与SiO₂隔离层厚度相等，两排热偶条的热端上方分别对应刻蚀聚酰亚胺牺牲层形成的热接触槽，SiO₂隔离层之上为聚酰亚胺牺牲层释放后的空腔和热接触槽，空腔之上为整体覆盖于探测器顶部的悬浮的吸收层，吸收层仅通过热接触槽与热偶条的热端连接。

所述的SiO₂隔离层为分三次淀积的三层结构，自下而上包括下部和中部的隔离层以及上部的钝化层。

吸收层为包括自下而上分三次淀积的SiO₂、SiN_X以及SiO₂层。

复合薄膜作为红外吸收层的热电堆红外气体探测器加工方法，具体步骤如下：

（a）在SOI沉底上光刻腐蚀孔形成长方形深槽，隔离槽中填充LP TEOS；

（b）SiO₂介质层的生长,在步骤(a)中处理过的衬底上低压化学气相淀积SiO₂作为介质支撑膜；

（c） 热偶条的形成,在步骤2形成的介质膜上LPCVD生长一层多晶硅，光刻离子注入P元素后再在另一区域光刻离子注入B元素，然后光刻形成N/P型热偶条的形状；

（d）在步骤（c）完成之后，采用PECVD的方法淀一层SiO₂作为隔离层，光刻露出焊盘和吸收区的位置；

（e）在步骤（d）形成热电堆结构后淀积一层Al，光刻形成金属连接和焊盘；

（f）在步骤（e）完成之后，采用PECVD的方法淀积一层SiO₂作为隔离层，光刻露出焊盘和吸收区的位置；

（g）在完成（f）步骤后，光刻干法释放的开孔，在热电偶和吸收区之间，热电偶和焊盘之间开孔,然后进行一次光刻，对吸收区、金属连接及焊盘进行保护，同时底层介质层和顶层隔离层以及反射层对热偶条部分进行保护；

（h）在完成（g）步骤后，对聚酰亚胺进行旋涂、固化、胶联化等一系列步骤，光刻形成倒梯形热端接触槽,

（i）在完成（h）步骤后，采用PECVD分三次淀积SiO₂-SiN_X-SiO₂复合膜，然后光刻出吸收区形状，该层复合膜整体置于热电堆上方；

（j）在完成（i）步骤后，采用氧等离子体去胶的方法对聚酰亚胺进行去除,

（k）在完成（j）步骤后，采用XeF₂气体对预埋牺牲层多晶硅/非晶硅进行释放，形成悬浮的热电堆结构。

本发明针对红外探测器在气体分析方面的需求，氮化硅复合薄膜在3-5μm波段具备高于70%的吸收率，同时出于尺寸优化以及提高占空比的角度，通过聚酰亚胺作为吸收层下的牺牲层来制备悬浮吸收层，将吸收层和热偶条置于不同的平面，通过刻蚀聚酰亚胺来实现吸收层和热电堆热端的热接触。工艺步骤主要包括有二氧化硅介质膜的形成、多晶硅热偶条的形成、隔离层的形成、金属接触孔刻蚀和溅射金属做引线连接、钝化层的形成、吸收层材料的形成、XeF₂干法释放形成悬浮结构等。热电堆红外探测器包括几个部分：SOI沉底、SiO₂介质膜、p/n型多晶硅热偶条、SiO₂-SiN_X-SiO₂复合吸收层材料，PI牺牲层，金属连接以及焊盘。该发明的优点在于低应力氧化硅—氮化硅—氧化硅复合薄膜加工工艺成熟，以及悬浮吸收层薄膜与热电堆不置于同一平面，这就有效克服了热电堆和吸收区的共面排布时互相局限的问题，同时，将热电偶的热端设置在探测单元外侧，分别于吸收区进行接触，避免了热串扰，利于微信号探测的准确性，共用的冷端衬底，位于探测单元的中间，可以有效将热量导入衬底，而且其制备过程兼容于标准CMOS工艺。

本发明相对现有技术具有如下有益效果：

1、热电堆红外探测器的反射层与吸收层能够与器件兼容，同时制备形成的各层薄膜具备低应力的特点，保证在释放的过程中器件整体不被损坏，具有好的平整度。

2、在SOI衬底上形成TEOS填充的隔离槽，封闭的隔离槽可以在释放过程中阻挡XeF₂气体，有效控制气体的腐蚀范围。

3、制作的热电堆红外探测器根据优质因子计算确定热电偶材料为N/P型多晶硅，在保证高的热电转换效率的前提下，热电偶材料也可以与IC兼容。将热电偶光刻形成直线型结构，可以更加有效地提高占空比，延长有效传热途径以增大输出信号电势差。

4、制作的热电堆红外探测器吸收层可以采用低应力SiO₂-SiN_X-SiO₂复合膜材料，即可在XeF₂释放过程对SiN_X进行很好的保护，同时对3-8μm波段的红外吸收率在70%以上。

5、制作的热电堆红外探测器以长方形释放孔，对器件进行完整释放，同时具备高的成品率和平整度。

6、利用SiO₂-SiN_X-SiO₂复合薄膜为吸收层，同时借助聚酰亚胺牺牲层技术将复合薄膜吸收层制成悬浮结构，通过增加有效吸收面积来提高热通量吸收的同时降低热损耗，进而提高热电转换效率。

综上所述，本发明利用复合纳米薄膜对近红外波段较强的吸收率，并且将吸收层悬浮于器件上方，提高了器件单元占空比，相应地提高探测器的响应率和探测率，进而优化探测器的性能指标。本发明关于热电堆红外探测器的重点研究在于提高吸收区材料对红外的吸收率和减小探测单元面积从而提高热电转化率，通过聚酰亚胺牺牲层技术将复合吸收层薄膜制作成悬浮结构，提高热电偶的有效导热长度，增大了吸收层的面积，共同作用提高热电转化效率和输出信号。因此，复合膜吸收层与悬浮结构的结合使用，极大地降低了敏感探测区域的热容，提高了热传导效率和器件稳定性同时缩短了响应时间。

附图说明

图1为本发明的俯视图，

图2至图9是本发明制作热电堆红外探测器的流程图，

图2：隔离槽的形成；图3：隔离槽内氧化物的填充；图4：N/P型热偶条的形成并对包覆氧化层进行金属接触孔的刻蚀；图5：金属连接和焊盘的形成；图6聚酰亚胺成型；图7：图吸收层的形成；图8：释放聚酰亚胺形成悬浮吸收层结构；图9：释放体硅形成悬浮热电堆结构；

图中：1.SOI衬底；2.隔离槽；3.SiO₂介质层；4.热偶条；5.金属连接孔；6.SiO₂隔离层；7.金属连接和焊盘；8.聚酰亚胺；9.释放孔；10. SiO₂-SiN_X-SiO₂复合；11.PI释放后的空腔；12.释放硅后的空腔；13.热电偶热端；14.热电偶冷端。

具体实施方式

结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

复合薄膜作为红外吸收层的热电堆红外气体探测单元，如图1-1、1-2所示，主体部分包括：SOI沉底、N/P多晶硅热偶条、SiO₂介质层、Al连接和金属焊盘、SiO₂隔离层、SiO₂-SiN_X-SiO₂复合薄膜吸收层和正面释放悬浮结构。其中，衬底与热偶条冷端接触，能够有效将冷端热导传导至衬底，同时复合吸收层和热电堆有效导热层N/P多晶硅热偶条并不在同一个平面，同时提高了复合吸收层对热通量的吸收和热电堆的有效导热长度。

SOI衬底上设置对称的双隔离槽，两个隔离槽上方分别对应设置有沿探测器的对称轴（y）排布的悬浮设置的N/P多晶硅热偶条，N/P多晶硅热偶条的冷端设置于探测器的对称轴（y）之上并由SOI衬底支撑，N/P多晶硅热偶条与SOI衬底之间为SiO₂介质层，N/P多晶硅热偶条上部为SiO₂隔离层，SiO₂介质层与SiO₂隔离层厚度相等，两排N/P多晶硅热偶条的热端上方分别对应刻蚀聚酰亚胺牺牲层形成的热接触槽，SiO₂隔离层之上为聚酰亚胺牺牲层释放后的空腔和热接触槽，空腔之上为整体覆盖于探测器顶部的悬浮的吸收层，吸收层仅通过热接触槽与N/P多晶硅热偶条的热端连接。

所述的SiO₂隔离层为分三次淀积的三层结构，自下而上包括下部和中部的隔电层以及上部的隔热层。

吸收层为包括自下而上分三次淀积的SiO₂、SiN_X以及SiO₂层。复合薄膜上下氧化层工艺方法一致，厚度相同，这种结构设计可以保证在释放聚酰亚胺牺牲层后形成悬浮结构吸收层后，表面平坦无破损，同时上下氧化层也确保在XeF₂释放时，不会刻蚀掉SiN这种起主要红外吸收作用的薄膜。

本发明所述的探测单元的加工方法，制作SiO₂-SiN_X-SiO₂复合薄膜为吸收层，同时利用聚酰亚胺牺牲层技术将复合薄膜吸收层制成悬浮结构，降低热损耗的同时提高冷热端温差进而提高热电转换效率。具体的制作方法通过离子增强常压化学气相淀积（PECVD）的方法制备氮化硅薄膜（不限于这一种工艺），在完成SiO₂-SiN_X-SiO₂复合薄膜为吸收层淀积后对其进行一个光刻，实现吸收区图形化。

具体的加工工艺包括在衬底上制作TEOS填充的方形隔离槽起到停止干法释放的作用、介质膜支撑悬浮结构、SiO₂隔离槽保护热偶条、金属链接和焊盘的形成、复合层吸收区的制备、正面释放开孔的形成以及聚酰亚胺牺牲层的旋涂、固化、胶联化以及淀积复合吸收层后的去除等。所述的方法热偶条在同一平面并列交替排布，经过两次光刻分别对N/P型热偶条进行离子注入、一次光刻形成N/P型热偶条形状，吸收层材料是选择氧化硅—氮化硅—氮化硅复合薄膜，进行干法刻蚀形成吸收区，释放热偶条下侧多晶硅/非晶硅牺牲层之前，对聚酰亚胺牺牲层进行氧等离子体法干法去除工艺。具体步骤如下：

（a）、方形隔离槽起到停止干法释放的作用。在SOI衬底上光刻方形隔离槽中填充LP TEOS，根据XeF₂释放时对硅和SiO₂的高选择比，隔离槽可以起到停止释放的作用。

（b）介质膜的形成。在步骤（a）中处理过的衬底上低压化学气相淀积SiO₂作为介质支撑膜，这样制备的SiO₂具备低应力和热容小的特点。

（c）热偶条的形成。在步骤（c）形成的介质膜上LPCVD生长一层多晶硅，光刻离子注入P元素后再在另一区域光刻离子注入B元素，然后光刻形成P/N型热偶条的形状。

（d）在步骤（c）完成之后，采用PECVD的方法淀一层SiO₂作为隔离层，光刻露出焊盘和吸收区的位置。

（e）在步骤（d）形成热电堆结构后淀积一层Al，光刻形成金属连接和焊盘，避免P/N型热偶条之间产生二极管效应。

（f）在步骤（e）完成之后，采用PECVD的方法淀积一层SiO₂作为隔离层，光刻露出焊盘和吸收区的位置。

（g）在完成（f）步骤后，光刻干法释放的开孔，在热电偶和吸收区之间，热电偶和焊盘之间开孔。然后进行一次光刻，对吸收区、金属连接及焊盘进行保护，同时底层介质层和顶层隔离层以及反射层对热偶条部分进行保护。

（h）在完成（g）步骤后，对聚酰亚胺进行旋涂、固化、胶联化等一系列步骤，光刻形成倒梯形热端接触槽，采用匀胶机将聚酰亚胺胶旋涂在器件表面2-3μm厚，然后采用阶梯升温的方法固化聚酰亚胺，形成吸收层下方的牺牲层结构。

（j）在完成（h）步骤后，采用PECVD分三次淀积SiO₂-SiN_X-SiO₂复合膜，然后光刻出吸收区形状，该层复合膜整体置于热电堆上方。

（j）在完成（i）步骤后，采用氧等离子体去胶的方法对聚酰亚胺进行去除。

（k）在完成（j）步骤后，采用XeF₂气体对预埋牺牲层多晶硅/非晶硅进行释放，形成悬浮的热电堆结构。

实施例1：主要的工艺步骤包括：选择SOI衬底作为器件基地，光刻方形释放孔，与衬底形成封闭的隔离槽，控制干法释放的范围。

1.LPCVD生长5000Å的SiO₂作为介质支撑膜，LPCVD TEOS填充隔离槽。

2.LPCVD淀积3000Å的POLY，离子注入硼，剂量1.5E16cm-2，能量50KeV。

3.LPCVD淀积1000Å的SiO₂，LPCVD3000Å的POLY，离子注入磷，剂量1.5E16cm-2，能量50KeV。

4.光刻形成P/N型热偶条的形状。光刻形成Z型结构的热偶条宽度为3um，可以增加有效导热长度，提高热电转换效率。

5.光刻腐蚀SiO₂顶层隔离层2000Å，露出吸收区和焊盘以及金属连接部分。

6.聚酰亚胺牺牲层的制备：通过控制匀胶机转速将聚酰亚胺以2—3μm的厚度旋涂在顶层隔离层，采用阶梯升温法（从80℃/1 小时，120℃/1 小时，180℃/4-6 小时，视涂膜厚度而定，热固化形成聚酰亚胺层膜），为后期去掉牺牲层材料做准备，固化温度不高于180℃。

7.PECVD SiO₂ 2000A Å覆盖热电偶的热端和未制备黑硅的吸收区，作为热电偶和吸收层之间的热沉。

8.先后三次PECVD工艺步骤生长SiO₂-SiN_X-SiO₂复合薄膜，光刻吸收区形状后，采用氧等离子体对聚酰亚胺牺牲层进行释放。

9.光刻长方形型释放孔，宽度为20um的释放孔可以有效对器件进行完整释放，同时保证器件结构的平整度和成品率。

10.采用XeF₂气体干法释放热电堆红外探测器。

实施例2：具体的工艺步骤与实施例1相似，主要区别在于N/P型热偶条冷端和热端连接处不刻蚀，通过金属连接使得热偶条冷端间、热端间被短路。

实施例3：具体的工艺步骤和实施例1相似，主要区别在于释放聚酰亚胺前，在吸收层薄膜上刻蚀窗口，有助于降低释放时间，提高释放效率，更利于保证悬浮吸收层薄膜的结构和维持薄膜平整度。

实施例4：具体的工艺步骤和实施例1相似，主要区别在于牺牲层材料采用多晶硅、非晶硅或者单晶硅，通过常压气相淀积的方法进行牺牲层淀积，这种制备方法可以通过一次XeF₂释放同时形成吸收层悬浮结构和热偶条悬浮膜结构。

Claims (4)

1.一种复合薄膜作为红外吸收层的热电堆红外气体探测器，包括SOI衬底（1）、热偶条（4）、SiO₂介质层（3）、金属连接和焊盘（7）、SiO₂隔离层（6）以及吸收层，其特征在于N/P多晶硅热偶条的冷端支撑于SOI衬底（1），吸收层悬浮设置于探测器的顶部，

SOI衬底（1）上设置对称的双隔离槽（2），两个隔离槽（2）上方分别对应设置有沿探测器的对称轴（y）排布的悬浮设置的热偶条（4），热偶条（4）的冷端设置于探测器的对称轴（y）之上并由SOI衬底（1）支撑，热偶条（4）与SOI衬底（1）之间为SiO₂介质层（3），热偶条（4）上部为SiO₂隔离层（6），SiO₂介质层（3）与SiO₂隔离层（6）厚度相等，两排热偶条的热端上方分别对应刻蚀聚酰亚胺牺牲层形成的热接触槽，SiO₂隔离层（6）之上为聚酰亚胺牺牲层释放后的空腔和热接触槽，空腔之上为整体覆盖于探测器顶部的悬浮的吸收层，吸收层仅通过热接触槽与热偶条的热端连接。

2.根据权利要求1所述的复合薄膜作为红外吸收层的热电堆红外气体探测器，其特征在于所述的SiO₂隔离层为分三次淀积的三层结构，自下而上包括下部和中部的隔离层以及上部的钝化层。

3.根据权利要求1或2所述的复合薄膜作为红外吸收层的热电堆红外气体探测器，其特征在于吸收层为包括自下而上分三次淀积的SiO₂、SiN_X以及SiO₂层。

4.一种如权利要求3所述的复合薄膜作为红外吸收层的热电堆红外气体探测器加工方法，其特征在于具体步骤如下：

（a）在SOI沉底上光刻腐蚀孔形成长方形深槽，隔离槽中填充LP TEOS；

（b）SiO₂介质层的生长,在步骤(a)中处理过的衬底上低压化学气相淀积SiO₂作为介质支撑膜；

（c） 热偶条的形成,在步骤2形成的介质膜上LPCVD生长一层多晶硅，光刻离子注入P元素后再在另一区域光刻离子注入B元素，然后光刻形成N/P型热偶条的形状；

（d）在步骤（c）完成之后，采用PECVD的方法淀一层SiO₂作为隔离层，光刻露出焊盘和吸收区的位置；

（e）在步骤（d）形成热电堆结构后淀积一层Al，光刻形成金属连接和焊盘；

（f）在步骤（e）完成之后，采用PECVD的方法淀积一层SiO₂作为隔离层，光刻露出焊盘和吸收区的位置；

（g）在完成（f）步骤后，光刻干法释放的开孔，在热电偶和吸收区之间，热电偶和焊盘之间开孔,然后进行一次光刻，对吸收区、金属连接及焊盘进行保护，同时底层介质层和顶层隔离层以及反射层对热偶条部分进行保护；

（h）在完成（g）步骤后，对聚酰亚胺进行旋涂、固化、胶联化等一系列步骤，光刻形成倒梯形热端接触槽,

（i）在完成（h）步骤后，采用PECVD分三次淀积SiO₂-SiN_X-SiO₂复合膜，然后光刻出吸收区形状，该层复合膜整体置于热电堆上方；

（j）在完成（i）步骤后，采用氧等离子体去胶的方法对聚酰亚胺进行去除,

（k）在完成（j）步骤后，采用XeF₂气体对预埋牺牲层多晶硅/非晶硅进行释放，形成悬浮的热电堆结构。