CN103700722A - 架空式热电堆红外探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热电堆红外探测器，具体是一种架空式热电堆红外探测器。进一步改进了热电堆红外探测器。所述探测器的加工步骤包括：1、在SOI衬底正面加工两隔离槽，划分出了两个热电偶加工区；2、加工SiO2介质支撑膜；3、加工构成热电偶的P/N型多晶硅条；4、加工下层SiO2隔离层及后续加工用金属连接加工孔；5、完成金属连接；6、加工上层SiO2隔离层及后续加工用释放孔；7、加工聚酰亚胺牺牲层及露出热电堆热结区的倒梯形凹槽；8、加工用作热辐射吸收层的三层薄膜结构；9、去除聚酰亚胺牺牲层；10、将SiO2介质支撑膜下的热电偶加工区空腔化；11、实现架空式热辐射吸收层。本发明结构设计合理，制作工艺易于实现，成品性能提高明显，具有良好的发展前景。

Description

架空式热电堆红外探测器
技术领域
本发明涉及热电堆红外探测器，具体是一种架空式热电堆红外探测器。
背景技术
热电堆红外探测器作为一种热电转化器件，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、工作波段带宽大等优点而成为主流红外探测器。尤其随着近些年来，IC工艺的发展和工艺水平的提高，更是给热电堆红外探测器提供了低成本和高可靠性的多种制作方法。热电堆红外探测器以塞贝克效应为基本的工作原理，通过将被测红外辐射量转化为载荷子和空穴迁徙的形式进行定量分析，而热对流、热辐射以及热传导是构成热平衡状态的三个主要因素，也是影响热电堆红外探测器性能的主要因素，因此，如何设计或改进探测器结构是本领域技术人员的重点研究课题。
发明内容
本发明为了进一步改进现有热电堆红外探测器，提高热电堆红外探测器性能，提供了一种架空式热电堆红外探测器。
本发明是采用如下技术方案实现的：架空式热电堆红外探测器，按照如下步骤加工获得：
a、采用LPCVD技术在SOI衬底正面（即SOI衬底顶层硅的表面）沉积SiO2，形成SiO2薄膜，用作后续深硅刻蚀的硬掩模；
b、采用深硅刻蚀工艺在SOI衬底正面加工两个矩形环路状的隔离槽，所述隔离槽以SOI衬底的隐埋氧化层（SOI衬底的SiO2层）为底，两隔离槽横向并排设置，在SOI衬底正面划分出了两个热电偶加工区，且两隔离槽间留有后续加工用空间；
c、采用LPCVD技术在SOI衬底正面沉积SiO2，填充隔离槽，同时形成SiO2介质支撑膜；以LPCVD技术制备的SiO2介质支撑膜具备低应力和热容小的特点；根据XeF2气体对硅和SiO2的高选择比，填充SiO2后的隔离槽，将在后续加工过程中有效控制XeF2气体的腐蚀范围； 
d、采用LPCVD技术、离子注入工艺、光刻工艺、刻蚀工艺在SiO2介质支撑膜上与热电偶加工区对应的区域加工用于构成热电偶的N型多晶硅条和P型多晶硅条，各区域内的N型多晶硅条与P型多晶硅条成对设置，按纵向、平行、交替排列；且各区域内除排列于首位或末尾的多晶硅条外，其余多晶硅条与另一区域内的异型多晶硅条一一对应，且同行设置（即除排列于两区域中首位或末尾的N型/P型多晶硅条外，任一区域内的P型/N型多晶硅条有另一区域内的N型/P型多晶硅条与之同行设置，端部正对）；
e、采用LPCVD技术在SiO2介质支撑膜上沉积SiO2，形成覆盖N型多晶硅条和P型多晶硅条的下层SiO2隔离层（用于隔热和保护多晶硅条）；然后采用光刻工艺和刻蚀工艺在下层SiO2隔离层上形成：用于后续实现P型多晶硅条与对应N型多晶硅条连接构成热电偶的金属连接加工孔、用于后续实现两区域内热电偶串联构成热电堆的金属连接加工孔、用于后续实现热电堆输出焊盘的焊盘加工孔、用于后续实现热电堆与输出焊盘间连接的金属连接加工孔；
f、采用金属溅射工艺在下层SiO2隔离层上溅射金属铝，然后采用光刻工艺和刻蚀工艺在上述各加工孔对应位置处形成将P型多晶硅条与对应N型多晶硅条连接构成热电偶的铝条、将两区域内热电偶串联构成热电堆的铝条、热电堆的输出焊盘、连接输出焊盘与热电堆的铝条，实现热电堆结构；所述热电堆结构有两个热结区和一个冷结区，两个热结区分别位于两热电偶加工区（即两隔离槽划分出的两个区域）内，冷结区处于两热结区之间，位于两隔离槽间预留的区域内（b步骤中有述）；按照上述e、f步骤进行加工，能避免热电偶的N型多晶硅条和P型多晶硅条之间产生二极管效应；
g、采用PECVD技术在下层SiO2隔离层上沉积SiO2，形成覆盖热电堆结构的上层SiO2隔离层（用于隔热和保护热电堆结构），然后采用光刻工艺和刻蚀工艺露出热电堆的输出焊盘，并在与热电偶加工区对应的区域内、避开热电偶形成贯通至SOI衬底顶层硅的用于后续加工的释放孔；
h、采用聚酰亚胺固化技术在上层SiO2隔离层表面沉积聚酰亚胺，填充释放孔，并形成聚酰亚胺牺牲层；然后采用干法刻蚀工艺在聚酰亚胺牺牲层上与热电堆两个热结区对应的区域分别加工形成以上层SiO2隔离层为槽底的倒梯形凹槽，露出热电堆的两个热结区；
i、采用PECVD工艺在聚酰亚胺牺牲层表面及倒梯形凹槽内表面沉积三层薄膜结构，用作后续加工热辐射吸收层，其中，底层为SiO2支撑膜，中间层为多晶硅薄膜或者单晶硅薄膜或者非晶硅薄膜，顶层为SiO2保护膜；实现时，采用PECVD工艺在聚酰亚胺牺牲层表面及倒梯形凹槽内表面先沉积一层SiO2，形成SiO2支撑膜，然后在SiO2支撑膜表面沉积多晶硅、或者单晶硅或者非晶硅，形成作为中间层的多晶硅薄膜、或者单晶硅薄膜或者非晶硅薄膜，最后在中间层薄膜表面再次淀积SiO2，形成SiO2保护膜；所述SiO2保护膜能在后续加工中保护中间层薄膜，避免被腐蚀掉；
j、采用氧等离子体干法去胶技术去除聚酰亚胺牺牲层；
k、采用XeF2气体经释放孔正面腐蚀SOI衬底的顶层硅，将SiO2介质支撑膜下的热电偶加工区空腔化，形成悬浮结构的热电堆；
l、最后采用干法刻蚀工艺将三层薄膜结构的顶层和中间层进行刻蚀，形成纳米森林结构（利于提高吸收层对红外热辐射的吸收率），实现架空式热辐射吸收层，得到探测器成品。
与现有技术相比，本发明对探测器结构进行多重改进：1、巧妙地将探测器的热电堆设计成双热结区结构，冷结区置于两热结区之间，将冷结区中间化，并采用已有干法刻蚀释放技术将热电堆的热结区下方、热结区与冷结区之间区域的下方空腔化，形成悬浮结构的热电堆，利于提高热电堆热结区与冷结区之间的温差，进而提高输出电势差；2、巧妙地将热辐射吸收层架空设置在热电堆的上方，并覆盖热电堆，形成架空式热辐射吸收层，仅与热电堆的热结区热接触，和热电堆热结区以外的部分有效分隔，有效延长了热电堆导热长度同时也增大了吸收区的面积，这样，能有效降低器件的热损耗、体积和频率响应时间，提高热电偶冷热端的热电转化率，进而提高输出电势差；3、架空式热辐射吸收层采用纳米森林结构的黑硅薄膜，可以提高器件对红外辐射的吸收效率，进而提高热电转换效率；以多重改进，协同增强热电堆热结区与冷结区间的塞贝克效应，提高热电堆热结区与冷结区之间的温差，提高热电堆的输出电势差、热电转换效率，进而优化探测器的性能指标。其中，本发明所用加工工艺及技术皆是现有公知技术。
本发明结构设计合理，制作工艺易于实现，成品性能提高明显，具有良好的发展前景。
附图说明
图1为本发明所述热电堆红外探测器的第一部分制作流程图；
图2为本发明所述热电堆红外探测器的第二部分制作流程图；
图3为本发明所述热电堆红外探测器的第三部分制作流程图；
图4为图1b的俯视图；
图5为图1d的俯视图；
图6为图2e的俯视图；
图7为图2f的俯视图； 
图8为图2g的俯视图； 
图9为图3i中A处的放大图； 
图中：1-SiO2薄膜；2-隔离槽；3-SOI衬底的隐埋氧化层；4-热电偶加工区；5-SiO2介质支撑膜；6-N型多晶硅条；7-P型多晶硅条；8-下层SiO2隔离层；9、10、11-金属连接加工孔；12-焊盘加工孔；13、14、15-铝条；16-热电堆的输出焊盘；17-热结区；18-冷结区；19-上层SiO2隔离层；20-SOI衬底顶层硅；21-释放孔；22-聚酰亚胺牺牲层；23-倒梯形凹槽；24-SiO2支撑膜；25-架空式热辐射吸收层；26-中间层；27-SiO2保护膜。
具体实施方式
如图1-3所示，架空式热电堆红外探测器，按照如下步骤加工获得：
a、采用LPCVD技术在SOI衬底正面沉积SiO2，形成SiO2薄膜1，用作后续深硅刻蚀的硬掩模；
b、采用深硅刻蚀工艺在SOI衬底正面加工两个矩形环路状的隔离槽2，所述隔离槽2以SOI衬底的隐埋氧化层3为底，两隔离槽2横向并排设置，在SOI衬底正面划分出了两个热电偶加工区4，且两隔离槽2间留有后续加工用空间；如图4所示；
c、采用LPCVD技术在SOI衬底正面沉积SiO2，填充隔离槽，同时形成SiO2介质支撑膜5； 
d、采用LPCVD技术、离子注入工艺、光刻工艺、刻蚀工艺在SiO2介质支撑膜5上与热电偶加工区4对应的区域加工用于构成热电偶的N型多晶硅条6和P型多晶硅条7，各区域内的N型多晶硅条6与P型多晶硅条7成对设置，按纵向、平行、交替排列；且各区域内除排列于首位或末尾的多晶硅条外，其余多晶硅条与另一区域内的异型多晶硅条一一对应，且同行设置；如图5所示；
e、采用LPCVD技术在SiO2介质支撑膜5上沉积SiO2，形成覆盖N型多晶硅条6和P型多晶硅条7的下层SiO2隔离层8；然后采用光刻工艺和刻蚀工艺在下层SiO2隔离层8上形成：用于后续实现P型多晶硅条7与对应N型多晶硅条6连接构成热电偶的金属连接加工孔9、用于后续实现两区域内热电偶串联构成热电堆的金属连接加工孔10、用于后续实现热电堆输出焊盘的焊盘加工孔12、用于后续实现热电堆与输出焊盘间连接的金属连接加工孔11；如图6所示；
f、采用金属溅射工艺在下层SiO2隔离层上溅射金属铝，然后采用光刻工艺和刻蚀工艺在上述各加工孔对应位置处形成将P型多晶硅条7与对应N型多晶硅条6连接构成热电偶的铝条13、将两区域内热电偶串联构成热电堆的铝条14、热电堆的输出焊盘16、连接输出焊盘与热电堆的铝条15，实现热电堆结构；所述热电堆结构有两个热结区17和一个冷结区18，两个热结区17分别位于两热电偶加工区4内，冷结区18处于两热结区17之间，位于两隔离槽2间预留的区域内；如图7所示；
g、采用PECVD技术在下层SiO2隔离层上沉积SiO2，形成覆盖热电堆结构的上层SiO2隔离层19，然后采用光刻工艺和刻蚀工艺露出热电堆的输出焊盘16，并在与热电偶加工区4对应的区域内、避开热电偶形成贯通至SOI衬底顶层硅20的用于后续加工的释放孔21；如图8所示；
h、采用聚酰亚胺固化技术在上层SiO2隔离层19表面沉积聚酰亚胺，填充释放孔21，并形成聚酰亚胺牺牲层22；然后采用干法刻蚀工艺在聚酰亚胺牺牲层22上与热电堆两个热结区17对应的区域分别加工形成以上层SiO2隔离层19为槽底的倒梯形凹槽23，露出热电堆的两个热结区17；
i、采用PECVD工艺在聚酰亚胺牺牲层表面及倒梯形凹槽内表面沉积三层薄膜结构，用作后续加工热辐射吸收层，其中，底层为SiO2支撑膜24，中间层26为多晶硅薄膜或者单晶硅薄膜或者非晶硅薄膜，顶层为SiO2保护膜27；如图9所示；
j、采用氧等离子体干法去胶技术去除聚酰亚胺牺牲层22；
k、采用XeF2气体经释放孔21正面腐蚀SOI衬底的顶层硅20，将SiO2介质支撑膜5下的热电偶加工区空腔化，形成悬浮结构的热电堆；
l、最后采用干法刻蚀工艺将三层薄膜结构的顶层和中间层26进行刻蚀，形成纳米森林结构，实现架空式热辐射吸收层25，得到探测器成品。

Claims (1)

1.一种架空式热电堆红外探测器，其特征在于按照如下步骤加工获得：
a、采用LPCVD技术在SOI衬底正面沉积SiO2，形成SiO2薄膜（1），用作后续深硅刻蚀的硬掩模；
b、采用深硅刻蚀工艺在SOI衬底正面加工两个矩形环路状的隔离槽（2），所述隔离槽（2）以SOI衬底的隐埋氧化层（3）为底，两隔离槽（2）横向并排设置，在SOI衬底正面划分出了两个热电偶加工区（4），且两隔离槽（2）间留有后续加工用空间；
c、采用LPCVD技术在SOI衬底正面沉积SiO2，填充隔离槽，同时形成SiO2介质支撑膜（5）； 
d、采用LPCVD技术、离子注入工艺、光刻工艺、刻蚀工艺在SiO2介质支撑膜（5）上与热电偶加工区（4）对应的区域加工用于构成热电偶的N型多晶硅条（6）和P型多晶硅条（7），各区域内的N型多晶硅条（6）与P型多晶硅条（7）成对设置，按纵向、平行、交替排列；且各区域内除排列于首位或末尾的多晶硅条外，其余多晶硅条与另一区域内的异型多晶硅条一一对应，且同行设置；
e、采用LPCVD技术在SiO2介质支撑膜（5）上沉积SiO2，形成覆盖N型多晶硅条（6）和P型多晶硅条（7）的下层SiO2隔离层（8）；然后采用光刻工艺和刻蚀工艺在下层SiO2隔离层（8）上形成：用于后续实现P型多晶硅条（7）与对应N型多晶硅条（6）连接构成热电偶的金属连接加工孔（9）、用于后续实现两区域内热电偶串联构成热电堆的金属连接加工孔（10）、用于后续实现热电堆输出焊盘的焊盘加工孔（12）、用于后续实现热电堆与输出焊盘间连接的金属连接加工孔（11）；
f、采用金属溅射工艺在下层SiO2隔离层上溅射金属铝，然后采用光刻工艺和刻蚀工艺在上述各加工孔对应位置处形成将P型多晶硅条（7）与对应N型多晶硅条（6）连接构成热电偶的铝条（13）、将两区域内热电偶串联构成热电堆的铝条（14）、热电堆的输出焊盘（16）、连接输出焊盘与热电堆的铝条（15），实现热电堆结构；所述热电堆结构有两个热结区（17）和一个冷结区（18），两个热结区（17）分别位于两热电偶加工区（4）内，冷结区（18）处于两热结区（17）之间，位于两隔离槽（2）间预留的区域内；
g、采用PECVD技术在下层SiO2隔离层上沉积SiO2，形成覆盖热电堆结构的上层SiO2隔离层（19），然后采用光刻工艺和刻蚀工艺露出热电堆的输出焊盘（16），并在与热电偶加工区（4）对应的区域内、避开热电偶形成贯通至SOI衬底顶层硅（20）的用于后续加工的释放孔（21）；
h、采用聚酰亚胺固化技术在上层SiO2隔离层（19）表面沉积聚酰亚胺，填充释放孔（21），并形成聚酰亚胺牺牲层（22）；然后采用干法刻蚀工艺在聚酰亚胺牺牲层（22）上与热电堆两个热结区（17）对应的区域分别加工形成以上层SiO2隔离层（19）为槽底的倒梯形凹槽（23），露出热电堆的两个热结区（17）；
i、采用PECVD工艺在聚酰亚胺牺牲层表面及倒梯形凹槽内表面沉积三层薄膜结构，用作后续加工热辐射吸收层，其中，底层为SiO2支撑膜（24），中间层（26）为多晶硅薄膜或者单晶硅薄膜或者非晶硅薄膜，顶层为SiO2保护膜（27）；
j、采用氧等离子体干法去胶技术去除聚酰亚胺牺牲层（22）；
k、采用XeF2气体经释放孔（21）正面腐蚀SOI衬底的顶层硅（20），将SiO2介质支撑膜（5）下的热电偶加工区空腔化，形成悬浮结构的热电堆；
l、最后采用干法刻蚀工艺将三层薄膜结构的顶层和中间层（26）进行刻蚀，形成纳米森林结构，实现架空式热辐射吸收层（25），得到探测器成品。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Wang Hongliang

Inventor after: Ou Wen

Inventor after: Chen Dapeng

Inventor after: Tan Qiulin

Inventor after: Chen Yuanjing

Inventor after: Xiong Jijun

Inventor after: Xue Chenyang

Inventor after: Zhang Wendong

Inventor after: Liu Jun

Inventor after: Mao Haiyang

Inventor after: Ming Anjie

Inventor before: Tan Qiulin

Inventor before: Chen Dapeng

Inventor before: Chen Yuanjing

Inventor before: Xiong Jijun

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GR01 Patent grant
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