CN106698331B - 一种包含梁膜结构的单晶硅红外热堆结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种包含梁膜结构的单晶硅红外热堆结构及其制作方法，所述热堆结构主要包括红外吸收膜、多根单晶硅梁、以及形成于所述单晶硅梁上方的热电材料层等，单晶硅梁和热电材料层形成热偶对。其中，红外吸收膜悬浮于结构中央，热偶对环绕在红外吸收膜四周，热偶对一端与红外吸收膜相连、另一端与支撑膜相连，并通过支撑膜连接到衬底。本发明热堆结构采用单晶硅作为热偶材料，单晶硅具有塞贝克系数高、电阻率低的优点，可实现较高的灵敏度；另外，本发明利用单晶硅梁支撑悬浮的红外吸收膜，既满足了热堆的绝热性要求，同时也具有较高的结构强度；再者，本发明的热堆结构采用单硅片单面加工的方法制作而成，尺寸小，成本低，适合大批量生产。
Description
技术领域
本发明属于硅微机械传感器技术领域，特别是涉及一种包含梁膜结构的单晶硅红外热堆结构及其制作方法。
背景技术
随着MEMS技术的迅猛发展，基于MEMS微机械加工技术制作的红外探测器以其尺寸小、价格低等优势被广泛应用于非接触测温、红外预警等领域。热堆红外探测器相比于其他类型的红外探测器具有明显的优势，例如可在室温下工作，无需制冷设备；具有自激励产生信号的特点，无需施加额外的偏置电压/电流，避免自加热效应的同时保证了低功耗；可以在不加斩波器的情况在实现对趋于静态的红外信号的直接测量。近年来热堆探测器阵列的发展进一步拓宽了热堆红外探测器的应用范围，同时也促使热堆红外探测器沿着更小型化、更低成本、更高性能方向发展。
传统的热堆探测器通常在介质薄膜上淀积多晶硅/金属制作热偶对，然后通过背面硅各向异性湿法腐蚀的方法在介质薄膜下方形成空腔以增加热阻。该方案虽然制作工艺简单，但存在尺寸较大、需要双面加工的问题，同时多晶硅较低的赛贝克系数和较高的电阻率也限制了热堆探测器性能的提升。相比于多晶硅，单晶硅具有更大的赛贝克系数和更低的电阻率，因此采用单晶硅作为热电材料将有助于热堆探测器性能的提升。1988年P.M.SARRO等首先在p型硅片上通过外延的方法生长n型单晶硅薄膜，然后在外延层上通过掺杂形成p型硅作为热电材料(铝作为另一种热电材料)，然后在硅背面各项异性湿法腐蚀工艺中通过电化学的方法实现腐蚀自停止，由此在外延单晶硅薄膜下形成空腔，然后在硅片正面通过等离子刻蚀形成由外延单晶硅材料构成的悬臂梁，该悬臂梁的一端涂覆黑漆作为红外吸收层，另一端包含p型硅/铝热偶对。[Sarro PM,Yashiro H,Vanherwaarden AW,Middelhoek S.AN INTEGRATED THERMAL INFRARED SENSING ARRAY.Sensors andActuators 1988,14(2):191-201]。该方法虽然成功的将单晶硅用作热电材料，但仍存在以下问题：(1)通过外延的方法制作单晶硅薄膜不仅成本较高而且其外延层的质量总是不如原始的单晶硅，因此会对成品率带来不利影响；(2)作为热电材料的p-单晶硅制作在10um厚的悬臂梁(n型外延硅层)上，热量很快地通过该悬臂梁散失，导致器件的灵敏度较低；(3)红外吸收材料采用黑漆，与标准IC工艺不兼容；(4)采用硅背面各项异性湿法腐蚀工艺，器件尺寸较大。为了实现与标准IC工艺兼容的基于单晶硅的高灵敏度热电堆探测器，1994年M.Muller等利用SOI硅片加工制作了以p+-单晶硅和n-多晶硅作热电材料的热电堆探测器，这种方法制作的热电堆探测器虽然具有突出的性能和良好的IC兼容，但是仍存在以下不足：(1)需要使用SOI硅片，成本较高；(2)从背面采用各向异性湿法腐蚀的方法形成介质薄膜下方空腔，器件尺寸较大并且需要进行双面套刻。2014年R.Hopper利用SOI硅片加工制作了以p+-单晶硅和n+-单晶硅作热电材料的热堆探测器，从硅片背面利用DRIE(深反应离子刻蚀)的方法形成介质薄膜下方空腔，该方法可以有效减小器件尺寸，但仍存在以下问题：(1)使用SOI硅片，硅片成本较高；(2)需要用DRIE(深反应离子刻蚀)刻穿整个硅片，工艺成本很高；(3)需要双面套刻。
为了兼顾小型化、低成本和高性能，本发明提出了一种新型的在(111)硅片上制作的采用单晶硅作为热偶材料的热堆结构及其制作方法。采用单晶硅作为热偶材料的热堆主要包括一块低应力氮化硅红外吸收膜和多对采用单晶硅作为热偶材料的热偶对。其中，低应力氮化硅红外吸收膜悬浮于结构中央，多对采用单晶硅作为热偶材料的热偶对环绕在吸收膜四周。单晶硅/铝热偶对由一根单晶硅梁和制作在其上方的另一种热偶材料组成，其一端与吸收膜相连，另一端与一块低应力氮化硅支撑膜相连，并通过支撑膜连接到衬底。所述热堆结构采用单晶硅作为热偶材料，相较目前常用的多晶硅具有更高的塞贝克系数和更低的电阻率，可实现更高的灵敏度。同时利用单晶硅梁支撑悬浮的红外吸收膜，既满足了热堆的绝热性要求，同时也具有较高的结构强度。本发明的热堆结构采用单硅片单面加工的加工方法，尺寸小，成本低，适合大批量生产。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种包含梁膜结构的单晶硅红外热堆结构及其制作方法，用于解决现有技术中采用单晶硅作为热偶材料的热堆尺寸大、加工困难、成本高等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种梁膜结构，所述梁膜结构至少包括：单晶硅衬底、多根单晶硅梁、红外吸收膜以及支撑膜；
所述多根单晶硅梁悬空于所述单晶硅衬底表面；所述红外吸收膜制作于所述多根单晶硅梁表面一端；所述支撑膜制作于所述多根单晶硅梁另一端表面，并通过所述支撑膜将所述多根单晶硅梁连接至所述单晶硅衬底。
作为本发明梁膜结构的一种优化的方案，所述多根单晶硅梁环绕设置在所述红外吸收膜周围。
作为本发明梁膜结构的一种优化的方案，所述单晶硅衬底为(111)单晶硅衬底。
作为本发明梁膜结构的一种优化的方案，所述红外吸收膜制作在所述梁膜结构的中心位置，所述支撑膜制作在所述梁膜结构的边缘位置，所述红外吸收膜和支撑膜均为低应力氮化硅。
作为本发明梁膜结构的一种优化的方案，所述红外吸收膜的厚度范围为0.5～2μm。
作为本发明梁膜结构的一种优化的方案，所述单晶硅梁的厚度范围为1～10μm。
作为本发明梁膜结构的一种优化的方案，所述多根单晶硅梁的悬空高度范围为10～100μm。
本发明还提供一种所述梁膜结构的制作方法，所述制作方法至少包括：
1)提供一单晶硅片，刻蚀所述单晶硅片一表面形成多个隔离槽；
2)在所述隔离槽中填充第一绝缘材料层；
3)在所述单晶硅片表面淀积一薄膜层，刻蚀所述薄膜层形成红外吸收膜和支撑膜；
4)在所述单晶硅片表面形成第二绝缘材料层，刻蚀在所述单晶硅片中形成释放槽；
5)通过所述释放槽，利用腐蚀液横向选择性自停止腐蚀释放所述红外吸收膜，同时未被腐蚀的所述单晶硅片顶部形成单晶硅梁，剩余的所述单晶硅片形成单晶硅衬底；
6)去除所述第一绝缘材料层和第二绝缘材料层，形成梁膜结构。
作为本发明梁膜结构的制作方法一种优化的方案，所述隔离槽与所述单晶硅梁等高。
作为本发明梁膜结构的制作方法的一种优化的方案，所述步骤5)中利用TMAH或KOH腐蚀液进行横向选择性自停止腐蚀。
作为本发明梁膜结构的制作方法的一种优化的方案，所述第一绝缘材料层和第二绝缘材料层为氧化硅。
本发明还提供一种单晶硅红外热堆结构，所述单晶硅红外热堆结构至少包括：
上述梁膜结构、接触孔、第三绝缘材料层以及热电材料层；
所述接触孔制作于所述红外吸收膜和支撑膜中；第三绝缘材料层形成于所述单晶硅梁表面以实现电绝缘；所述热电材料层形成于所述第三绝缘材料层表面，并且所述热电材料层通过所述接触孔与所述单晶硅梁两端接触；所述单晶硅梁和热电材料层形成热偶对。
作为本发明单晶硅红外热堆结构的一种优化的方案，所述热电材料层为Al、Au或者多晶硅。
本发明再提供一种单晶硅红外热堆结构的制作方法，所述制作方法至少包括：
1)提供一单晶硅片，刻蚀所述单晶硅片一表面形成多个隔离槽；
2)在所述隔离槽中填充第一绝缘材料层；
3)在所述单晶硅片表面淀积一薄膜层，刻蚀所述薄膜层形成红外吸收膜和支撑膜，并在所述红外吸收膜和支撑膜中形成接触孔；
4)在所述单晶硅片表面形成第二绝缘材料层，刻蚀在所述单晶硅片中形成释放槽；
5)通过所述释放槽，利用腐蚀液横向选择性自停止腐蚀释放所述红外吸收膜，同时未被腐蚀的所述单晶硅片顶部形成单晶硅梁，剩余的所述单晶硅片形成单晶硅衬底；
6)去除所述第一绝缘材料层和第二绝缘材料层；
7)在所述单晶硅梁表面形成第三绝缘材料层以实现电绝缘；
8)刻蚀去除所述接触孔中的第三绝缘材料层，在剩余的所述第三绝缘材料层、红外吸收膜、支撑膜表面及接触孔中形成热电材料层，所述单晶硅梁和热电材料层形成热偶对。
如上所述，本发明的一种包含梁膜结构的单晶硅红外热堆结构及其制作方法，具有以下有益效果：
本发明创新性地通过在(111)硅片上实现的单晶硅的横向选择性自停止腐蚀来释放热堆的悬浮结构(包括红外吸收膜与热偶对)，无需使用SOI硅片或电化学腐蚀自终止即可实现单硅片单面加工的制造工艺，解决了传统的单晶硅红外热堆制造工艺需要使用SOI硅片或电化学腐蚀自终止的工艺难题，实现了单硅片单面加工的单晶硅红外热堆制造，具有尺寸小、灵敏度高、工艺简单、适合大批量生产的优点，可广泛应用于红外成像、非接触测温等领域。
附图说明
图1a～图1f为本发明梁膜结构的制作方法的结构半剖视流程图。
图2a～图2h为本发明单晶硅红外热堆结构的制作方法的结构半剖视流程图。
图3为本发明梁膜结构俯视图。
图4为图3沿虚线部分的剖视图。
图5为本发明梁膜结构的立体剖面图。
图6为本发明单晶硅红外热堆结构俯视图。
图7为图6沿虚线部分的剖视图。
图8为本发明单晶硅红外热堆结构的立体剖面图。
元件标号说明
1 单晶硅片
2 隔离槽
3 第一绝缘材料层
4 红外吸收膜
5 支撑膜
6 接触孔
7 第二绝缘材料层
8 释放槽
9 单晶硅梁
10 单晶硅衬底
11 第三绝缘材料层
12 热电材料层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图1a～图1f所示，本实施例提供一种单晶硅红外热堆结构的制作方法，所述制作方法至少包括以下步骤：
首先执行步骤1)，如图1a所示，提供一单晶硅片1，刻蚀所述单晶硅片1一表面形成多个隔离槽2。
作为示例，所述单晶硅片1为N型或P型(111)单面(或双面)的抛光硅片。本实施例采用P型单晶硅片1，厚度为450μm，轴偏切0±0.1°。
作为示例，采用深反应离子刻蚀(Deep-RIE)工艺在所述单晶硅片的正面刻蚀出隔离槽2。所述隔离槽2用于隔离后续制作形成的两根相邻的单晶硅梁9。所述隔离槽2的走向定义出单晶硅梁9的形状，所述隔离槽2的宽度定义相邻两根单晶硅梁9、或者单晶硅梁9与释放槽8间的距离，所述隔离槽2的深度定义单晶硅梁9的厚度，即所述隔离槽2与所述单晶硅梁9等高。
作为示例，所述隔离槽2的宽度范围为0.5～5μm，所述隔离槽2的深度范围为1～10μm。本实施例中，刻蚀出的所述隔离槽2的宽度和深度为2μm，隔离槽2之间的间距为3μm。
需要说明的是，附图1a～图1f是从结构中心到边缘的半剖视图，并且附图右侧为结构中心，左侧为结构左边缘。
其次执行步骤2)，如图1b所示，在所述隔离槽2中填充第一绝缘材料层3。
作为示例，在所述隔离槽2中填充氧化硅作为第一绝缘材料层3，并采用反应离子刻蚀(RIE)工艺去除所述隔离槽以外区域单晶硅片1上方的氧化硅。
然后执行步骤3)，如图1c所示，在所述单晶硅片1表面淀积一薄膜层，刻蚀所述薄膜层形成红外吸收膜4和支撑膜5。
作为示例，采用RIE刻蚀工艺刻蚀所述薄膜层形成红外吸收膜4和支撑膜5。
作为示例，所述红外吸收膜和支撑膜的厚度范围为0.5～2μm。本实施例中，所述红外吸收膜和支撑膜的厚度为1.2μm。
作为示例，所述红外吸收膜4和支撑膜5均为低应力氮化硅薄膜。
作为示例，如图3所示，所述红外吸收膜4制作在所述梁膜结构的中心位置，并且所述红外吸收膜4形状呈正六边形(边长为24μm)。所述支撑膜5制作在所述梁膜结构的边缘位置，用于连接单晶硅梁9和单晶硅衬底10。
接着执行步骤4)，如图1d所示，在所述单晶硅片1表面形成第二绝缘材料层7，刻蚀在所述单晶硅片1中形成释放槽8。
如图4所示，先在所述单晶硅片1表面进行热氧化形成一层氧化硅作为第二绝缘材料层7。本实施例中，该氧化硅层为100nm。再利用深反应离子刻蚀(Deep-RIE)工艺刻蚀出释放槽。优选地，刻蚀出的释放槽8，其中一个在红外吸收膜4下方的单晶硅片1中，另一个在隔离槽2间的单晶硅片1中。
作为示例，所述释放槽8的深度范围为10～100μm。本实施例中，所述释放槽8的深度为50μm。所述释放槽8的深度定义了红外吸收膜4与单晶硅梁9的悬浮高度。所述释放槽8沿<110>晶向排布。
接着执行步骤5)，如图1e所示，通过所述释放槽8，利用腐蚀液横向选择性自停止腐蚀释放所述红外吸收膜4，同时未被腐蚀的所述单晶硅片1顶部形成悬空的单晶硅梁9，剩余的所述单晶硅片1形成单晶硅衬底10。
作为示例，所述腐蚀液采用TMAH(四甲基氢氧化铵)溶液，利用TMAH溶液中(111)硅片的横向选择性自停止腐蚀释放低应力氮化硅红外吸收膜4以及单晶硅梁9。本实施例中，利用溶度为25％的TMAH腐蚀溶液，在80℃温度条件下腐蚀释放应力氮化硅红外吸收膜4及单晶硅梁9，腐蚀时间2小时。
需要说明的是，所述单晶硅梁9是作为热偶对中的其中一种热偶材料，所述单晶硅梁9沿<110>晶向围绕所述红外吸收膜4。如图3所示，本实施例中，设置六根多晶硅梁9围绕所述红外吸收膜4，单晶硅梁9的宽度为3μm、厚度为2μm、长度为130μm。
本实施例利用(111)单晶硅的各向异性湿法腐蚀特性，通过红外吸收膜以及单晶硅梁下方的单晶硅的横向选择性自停止腐蚀来释放，从而实现悬浮效果。
接着执行步骤6)，如图1f所示，去除所述第一绝缘材料层3和第二绝缘材料层7。
作为示例，采用BOE溶液(49％HF溶液与40％NH4F溶液按1:6体积比混合)腐蚀去除所述第一绝缘材料层3和第二绝缘材料层7，从而实现相邻两根单晶硅梁9间的热隔离。
如附图1f、图3～图5所示，本实施例还提供一种梁膜结构，所述梁膜结构由上述制作方法所制作形成，至少包括以下结构：单晶硅衬底10、多根单晶硅梁9、红外吸收膜4以及支撑膜5。所述多根单晶硅梁9悬空于所述单晶硅衬底10表面；所述红外吸收膜4制作于所述多根单晶硅梁9表面一端；所述支撑膜5制作于所述多根单晶硅梁9另一端表面，并通过所述支撑膜5将所述多根单晶硅梁9连接至所述单晶硅衬底10。
作为示例，所述单晶硅衬底10为(111)单晶硅衬底；所述多根单晶硅梁9环绕设置在所述红外吸收膜4周围。所述单晶硅梁9的根数根据具体设计来定。本实施例中，所述红外吸收膜4呈六边形，位于结构中心位置，设置六根单晶硅梁9沿<110>晶向围绕所述红外吸收膜4。所述支撑膜5制作在结构的边缘位置，所述红外吸收膜4和支撑膜5均采用低应力氮化硅。
作为示例，所述红外吸收膜4的厚度范围为0.5～5μm；所述单晶硅梁9的厚度范围为1～10μm；所述多根单晶硅梁9的悬空高度范围为10～100μm。
实施例二
如图2a～图2h所示，本实施例提供一种单晶硅红外热堆结构的制作方法，所述制作方法至少包括以下步骤：
首先执行步骤1)，如图2a所示，提供一单晶硅片1，刻蚀所述单晶硅片1一表面形成多个隔离槽2。
作为示例，所述单晶硅片1为N型或P型(111)单面(或双面)的抛光硅片。本实施例采用P型单晶硅片1，厚度为450μm，轴偏切0±0.1°。
作为示例，采用深反应离子刻蚀(Deep-RIE)工艺在所述单晶硅片的正面刻蚀出隔离槽2。所述隔离槽2用于隔离后续制作形成的两根相邻的单晶硅梁9。所述隔离槽2的走向定义出单晶硅梁9的形状，所述隔离槽2的宽度定义相邻两根单晶硅梁9、或者单晶硅梁9与释放槽8间的距离，所述隔离槽2的深度定义单晶硅梁9的厚度，即所述隔离槽与所述单晶硅梁等高。
作为示例，所述隔离槽2的宽度范围为0.5～5μm，所述隔离槽2的深度范围为1～10μm。本实施例中，刻蚀出的所述隔离槽2的宽度和深度为2μm，隔离槽2之间的间距为3μm。
需要说明的是，附图2a～图2h是从结构中心到边缘的半剖视图，并且附图右侧为结构中心，左侧为结构左边缘。
其次执行步骤2)，如图2b所示，在所述隔离槽2中填充第一绝缘材料层3。
作为示例，在所述隔离槽2中填充氧化硅作为第一绝缘材料层3，并采用反应离子刻蚀(RIE)工艺去除所述隔离槽以外区域单晶硅片1上方的氧化硅。
然后执行步骤3)，如图2c所示，在所述单晶硅片1表面淀积一薄膜层，刻蚀所述薄膜层形成红外吸收膜4和支撑膜5，并在所述红外吸收膜4和支撑膜5中形成接触孔6。
作为示例，采用RIE刻蚀工艺刻蚀所述薄膜层形成红外吸收膜4和支撑膜5。
作为示例，所述红外吸收膜和支撑膜的厚度范围为0.5～2μm。本实施例中，所述红外吸收膜和支撑膜的厚度为1.2μm。
作为示例，所述红外吸收膜4和支撑膜5均为低应力氮化硅薄膜。
所述红外吸收膜4制作在热堆的中心位置，并且所述红外吸收膜4形状呈正六边形(边长为24μm)。所述支撑膜5制作在热堆的边缘位置，用于连接热偶对的一端与单晶硅衬底10。
在所述红外吸收膜4和支撑膜5中形成的接触孔6的形状与尺寸不限，后续形成的热电材料层12(如Al线)可以通过所述接触孔6与单晶硅梁9接触。
接着执行步骤4)，如图2d所示，在所述单晶硅片1表面形成第二绝缘材料层7，刻蚀在单晶硅片1中形成释放槽8。
如图4所示，先在所述单晶硅片1表面进行热氧化形成一层氧化硅作为第二绝缘材料层7。本实施例中，该氧化硅层为100nm。再利用深反应离子刻蚀(Deep-RIE)工艺刻蚀出释放槽。优选地，刻蚀出的释放槽8，其中一个在红外吸收膜4下方的单晶硅片1中，另一个在隔离槽2间的单晶硅片1中。
作为示例，所述释放槽8的深度范围为10～100μm。本实施例中，所述释放槽8的深度为50μm。所述释放槽8的深度定义了红外吸收膜4与单晶硅梁9的悬浮高度。所述释放槽8沿<110>晶向排布。
接着执行步骤5)，如图2e所示，通过所述释放槽8，利用腐蚀液横向选择性自停止腐蚀释放所述红外吸收膜4，同时未被腐蚀的所述单晶硅片1顶部形成单晶硅梁9，剩余的所述单晶硅片1形成单晶硅衬底10。
作为示例，所述腐蚀液采用TMAH(四甲基氢氧化铵)或KOH溶液。本实施例中，利用TMAH溶液中(111)硅片的横向选择性自停止腐蚀释放低应力氮化硅红外吸收膜4以及单晶硅梁9。本实施例中，利用溶度为25％的TMAH腐蚀溶液，在80℃温度条件下腐蚀释放应力氮化硅红外吸收膜4及单晶硅梁9，腐蚀时间2小时。
需要说明的是，所述单晶硅梁9是作为热偶对中的其中一种热偶材料，所述单晶硅梁9沿<110>晶向围绕所述红外吸收膜4。如图6所示，本实施例中，设置六根多晶硅梁9围绕所述红外吸收膜4，单晶硅梁9的宽度为3μm、厚度为2μm、长度为130μm。
利用(111)单晶硅的各向异性湿法腐蚀特性，通过红外吸收膜以及单晶硅梁下方的单晶硅的横向选择性自停止腐蚀来释放，从而实现悬浮效果，避免了传统制作单晶硅热堆所采用的SOI硅片或者电化学腐蚀自终止工艺所带来的种种问题。
接着执行步骤6)，如图2f所示，去除所述第一绝缘材料层3和第二绝缘材料层7。
作为示例，采用BOE溶液(49％HF溶液与40％NH4F溶液按1:6体积比混合)腐蚀去除所述第一绝缘材料层3和第二绝缘材料层7，从而实现相邻两根单晶硅梁9间的热隔离。
再执行步骤7)，如图2g所示，在所述单晶硅梁9表面形成第三绝缘材料层11以实现电绝缘。
作为示例，通过热氧化工艺，在所述单晶硅梁9表面形成一层薄氧化硅(100nm)作为第三绝缘材料层11以实现电绝缘。
最后执行步骤8)，如图2h所示，刻蚀去除所述接触孔中的第三绝缘材料层11，在剩余的所述第三绝缘材料层11、红外吸收膜4、支撑膜5表面及接触孔6中形成热电材料层12，所述单晶硅梁9和热电材料层12形成热偶对。
作为示例，利用RIE刻蚀工艺刻蚀去除所述接触孔6中的第三绝缘材料层11。
形成的所述热偶对，其一端与红外吸收膜4相连，另一端与所述支撑膜5相连，并通过所述支撑膜5连接至单晶硅衬底10。
作为示例，所述热电材料层12为包括但不限于Al、Au或者多晶硅等材料。本实施例中，所述热电材料层12为Al线，用作热偶材料及引线。
如附图2h、图6～图8所示，本实施例还提供一种单晶硅红外热堆结构，所述单晶硅红外热堆结构由上述制作方法所制作形成，至少包括以下结构：实施例一中提供的梁膜结构、接触孔6、第三绝缘材料层11以及热电材料层12。
其中，所述梁膜结构包括单晶硅衬底10、多根单晶硅梁9、红外吸收膜4以及支撑膜5；所述多根单晶硅梁9悬空于所述单晶硅衬底10表面；所述红外吸收膜4制作于所述多根单晶硅梁9表面一端；所述支撑膜5制作于所述多根单晶硅梁9另一端表面，并通过所述支撑膜5将所述多根单晶硅梁9连接至所述单晶硅衬底10。
所述接触孔6制作于所述红外吸收膜4和支撑膜5中；第三绝缘材料层11形成于所述单晶硅梁9表面以实现电绝缘；所述热电材料层12形成于所述第三绝缘材料11层表面，并且所述热电材料层12通过所述接触孔6与所述单晶硅梁9两端接触；所述单晶硅梁9和热电材料层12形成热偶对。
作为示例，所述单晶硅衬底10为(111)单晶硅衬底；所述多根单晶硅梁9环绕设置在所述红外吸收膜4周围。所述单晶硅梁9的根数根据热堆结构的具体设计来定。本实施例中，如图6所示，所述红外吸收膜4呈六边形，位于热堆的中心位置，设置六根单晶硅梁9(作为其中一种热偶材料)沿<110>晶向围绕所述红外吸收膜4。所述支撑膜5制作在热堆的边缘位置，所述红外吸收膜4和支撑膜5均采用低应力氮化硅。
作为示例，所述红外吸收膜4的厚度范围为0.5～2μm；所述单晶硅梁9的厚度范围为1～10μm；所述多根单晶硅梁9的悬空高度范围为10～100μm。
作为示例，所述第三绝缘材料层11为氧化硅，所述热电材料层12包括但不限于Al、Au或者多晶硅等材料。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (13)
1.一种梁膜结构，其特征在于，所述梁膜结构至少包括：单晶硅衬底、多根单晶硅梁、红外吸收膜以及支撑膜；
所述多根单晶硅梁悬空于所述单晶硅衬底表面；所述红外吸收膜制作于所述多根单晶硅梁表面一端；所述支撑膜制作于所述多根单晶硅梁另一端表面，并通过所述支撑膜将所述多根单晶硅梁连接至所述单晶硅衬底，所述单晶硅衬底为(111)单晶硅衬底，所述单晶硅衬底内形成有基于腐蚀液横向选择性自停止腐蚀形成的空腔，以使得所述多根单晶硅梁悬空于所述单晶硅衬底表面。
2.根据权利要求1所述的梁膜结构，其特征在于：所述多根单晶硅梁环绕设置在所述红外吸收膜周围。
3.根据权利要求1所述的梁膜结构，其特征在于：所述红外吸收膜制作在所述梁膜结构的中心位置，所述支撑膜制作在所述梁膜结构的边缘位置，所述红外吸收膜和支撑膜均为低应力氮化硅。
4.根据权利要求1所述的梁膜结构，其特征在于：所述红外吸收膜的厚度范围为0.5～2μm。
5.根据权利要求1所述的梁膜结构，其特征在于：所述单晶硅梁的厚度范围为1～10μm。
6.根据权利要求1所述的梁膜结构，其特征在于：所述多根单晶硅梁的悬空高度范围为10～100μm。
7.一种如权利要求1～6任一项所述的梁膜结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括：
1)提供一单晶硅片，刻蚀所述单晶硅片一表面形成多个隔离槽；
2)在所述隔离槽中填充第一绝缘材料层；
3)在所述单晶硅片表面淀积一薄膜层，刻蚀所述薄膜层形成红外吸收膜和支撑膜；
4)在所述单晶硅片表面形成第二绝缘材料层，刻蚀在所述单晶硅片中形成释放槽；
5)通过所述释放槽，利用腐蚀液横向选择性自停止腐蚀释放所述红外吸收膜，同时未被腐蚀的所述单晶硅片顶部形成悬空的单晶硅梁，剩余的所述单晶硅片形成单晶硅衬底；
6)去除所述第一绝缘材料层和第二绝缘材料层，形成梁膜结构。
8.根据权利要求7所述的梁膜结构的制作方法，其特征在于：所述隔离槽与所述单晶硅梁等高。
9.根据权利要求7所述的梁膜结构的制作方法，其特征在于：所述步骤5)中利用TMAH或KOH腐蚀液进行横向选择性自停止腐蚀。
10.根据权利要求7所述的梁膜结构的制作方法，其特征在于：所述第一绝缘材料层和第二绝缘材料层为氧化硅。
11.一种单晶硅红外热堆结构，其特征在于，所述单晶硅红外热堆结构至少包括：
如权利要求1～6任一项所述的梁膜结构、接触孔、第三绝缘材料层以及热电材料层；所述接触孔制作于所述红外吸收膜和支撑膜中；第三绝缘材料层形成于所述单晶硅梁表面以实现电绝缘；所述热电材料层形成于所述第三绝缘材料层表面，并且所述热电材料层通过所述接触孔与所述单晶硅梁两端接触；所述单晶硅梁和热电材料层形成热偶对。
12.根据权利要求11所述的单晶硅红外热堆结构，其特征在于：所述热电材料层为Al、Au或者多晶硅。
13.一种如权利要求11所述的单晶硅红外热堆结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括：
1)提供一单晶硅片，刻蚀所述单晶硅片一表面形成多个隔离槽；
2)在所述隔离槽中填充第一绝缘材料层；
3)在所述单晶硅片表面淀积一薄膜层，刻蚀所述薄膜层形成红外吸收膜和支撑膜，并在所述红外吸收膜和支撑膜中形成接触孔；
4)在所述单晶硅片表面形成第二绝缘材料层，刻蚀在所述单晶硅片中形成释放槽；
5)通过所述释放槽，利用腐蚀液横向选择性自停止腐蚀释放所述红外吸收膜，同时未被腐蚀的所述单晶硅片顶部形成悬空的单晶硅梁，剩余的所述单晶硅片形成单晶硅衬底；
6)去除所述第一绝缘材料层和第二绝缘材料层；
7)在所述单晶硅梁表面形成第三绝缘材料层以实现电绝缘；
8)刻蚀去除所述接触孔中的第三绝缘材料层，在剩余的所述第三绝缘材料层、红外吸收膜、支撑膜表面及接触孔中形成热电材料层，所述单晶硅梁和热电材料层形成热偶对。
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