CN109682482A - 一种用于mems热电堆的红外探测器的制作方法及红外探测器 - Google Patents
一种用于mems热电堆的红外探测器的制作方法及红外探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于MEMS热电堆的红外探测器的制作方法，包括如下步骤，一次生长步骤、二次生长步骤、热电堆形成步骤、红外吸收溶液配制步骤、三次生长步骤、去除步骤和蚀刻步骤。本发明还提供一种红外探测器。本发明的该制作方法有效地解决了传统工艺复杂的难题，使红外探测器不易于图形化，而且工艺简单、降低了制作成本。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器领域，尤其涉及一种用于MEMS热电堆的红外探测器的制作方法及红外探测器。
背景技术
随着社会的进步，人们生活质量的提升，红外探测器的应用前景越来越广泛，对机器的性能要求也越来越高。在热红外探测器中MEMS热电堆红外探测器由于高的灵敏度，低的制造成本，占了市场的主导地位。其工作原理是温差电效应，当组成热电偶的两种不同材料构成闭合回路时，两节点之间如果存在温差，就会在环路中产生电动势。
MEMS热电堆红外探测器主要由硅衬底、热偶对、介质膜层、热结区与冷结区和红外吸收层组成。为了提高探测器的性能，需要有良好的隔热，一般采用氧化硅加氮化硅结构，还起到支撑热偶对的作用，这种结构有一定的红外吸收率但非常低，所以人们一般都会增加一层广泛吸收红外波段的红外吸收层，增加热结区的温度，使热电堆性能显著增加。红外吸收层要得到良好的吸收效果需要有高的吸收效率和薄的薄膜厚度，众多的吸收层制备方法中大致可分为两类，以金属为主体的无机吸收层和以碳黑为主体的有机化合物吸收层，而对于MEMS热电堆红外探测器来说除了生长红外吸收层，还需要有一定的形状，一般有机吸收层采用丝网印刷的方法但厚度较厚很难符合要求，另外无机金属一般采用光刻的方法，但工艺复杂制作成本较高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种用于MEMS热电堆的红外探测器的制作方法，该制作方法有效地解决了传统工艺复杂的难题，使红外探测器不易于图形化，而且工艺简单、降低了制作成本。
本发明的目的之二在于提供一种红外探测器，该红外探测器的红外吸收层比较薄利于热传递，实现了红外吸收层易于图形化的目的，又降低了其制造难度和生产成本。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种用于MEMS热电堆的红外探测器的制作方法，包括如下步骤，
一次生长步骤：将单晶硅放入氧化炉，通入氧气，使单晶硅的上、下表面氧化，分别形成上氧化硅层和下氧化硅层，然后用LPCVD工艺在上氧化硅层表面生长上氮化硅层、下氧化硅层表面生长下氧化硅层；
二次生长步骤：再用LPCVD工艺在上氮化硅层表面生长多晶硅，再利用光刻技术将多晶硅图形化；
热电堆形成步骤：在多晶硅上用磁控溅射沉积铝，经过图案化和合金处理，铝与多晶硅电极串联成热偶条层；
红外吸收溶液配制步骤：在遮光环境下，将光刻胶与四氢呋喃混合得到第一溶液，将石墨烯与四氢呋喃混合得到第二溶液，将第一溶液和第二溶液混合得到混合溶液，利用纳米分散仪将混合溶液分散均匀，再搅拌、挥发，得到红外吸收溶液；
三次生长步骤：用均胶机在热偶条的表面涂覆红外吸收溶液，溶液干后形成红外吸收层；设计掩膜板使热偶条层中的热结区能曝光，热偶条层中没有曝光部分被显影液去掉，只留下热偶条层中的热结区作为热电堆层；
去除步骤：利用双面曝光技术设计底面图案，依次将靠近底部中心的下氮化硅层、下氧化硅层去除，剩余下氮化硅层的周缘和下氧化硅层的周缘，暴露出单晶硅的下表面；
蚀刻步骤：制作刻蚀夹具保护热电堆层，再用KOH溶液刻蚀单晶硅形成凹槽，凹槽贯穿下氮化硅层、下氧化硅层和单晶硅，将上氧化硅层暴露出，即得到红外探测器。
进一步地，一次生长步骤中，通入氧气的温度为1100℃。
进一步地，二次生长步骤中，生长多晶硅的温度为700℃，并利用离子注入机扩散硼使多晶硅达到55-60Ω/□。
进一步地，红外吸收溶液配制步骤中，第一溶液中，光刻胶与四氢呋喃的质量比为6:4，光刻胶的粘度为25cps。
进一步地，红外吸收溶液配制步骤中，第二溶液中，石墨烯与四氢呋喃的质量比为1:200，采用纳米分散仪将石墨烯与四氢呋喃分散均匀，分散压力为800psi，分散流量为750mL/min。
进一步地，红外吸收溶液配制步骤中，第一溶液和第二溶液混合的体积比为3:5。
进一步地，红外吸收溶液配制步骤中，混合溶液的分散压力为800psi，分散流量为750mL/min。
进一步地，混合溶液搅拌加热至40℃，挥发至粘度为10cps，得到红外吸收溶液。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种红外探测器，其是由上述的用于MEMS热电堆的红外探测器的制作方法制作得到；红外探测器包括单晶硅、上氧化硅层、下氧化硅层、上氮化硅层、下氮化硅层、热电堆层和红外吸收层；所述上氧化硅层生长在单晶硅层的上表面，所述上氮化硅层生长在上氧化硅层的上表面，所述热电堆层生长在上氮化硅层的上表面，所述红外吸收层生长在热电堆层的上表面，红外吸收层的厚度为1μm，所述下氧化硅层生长在单晶硅的下表面，所述下氮化硅层生长在下氧化硅层的下表面；所述红外探测器的底部设有凹槽，所述凹槽贯穿下氮化硅层、下氧化硅层和单晶硅，将上氧化硅层暴露出。
进一步地，所述单晶硅的厚度为350μm，晶向<100>，电阻率为1-15Ω·cm；所述上氧化硅层和下氧化硅层的参数均如下：厚度为600nm，密度为2.31g/cm3，折射率为1.46；所述上氮化硅层和下氮化硅层的参数均如下：厚底为400nm，密度为2.94g/cm3，折射率为2.0；所述热电堆层由多晶硅上沉积铝经过处理而形成，多晶硅的厚度为2μm，线宽为22μm，铝厚度为100nm，线宽6.5μm，相邻的多晶硅与铝之间的距离为2μm。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明的用于MEMS热电堆的红外探测器的制作方法，该制作方法用石墨烯和光刻胶混合均匀作为主体制作红外吸收层，石墨烯对红外光吸收能力强，吸收范围广，而且利用均胶机能够保证红外吸收层的厚度，再利用光刻技术可以实现非常精确的图形化处理，有效的解决了传统工艺复杂的难题，使红外探测器不易于图形化，而且工艺简单、降低了制作成本；
(2)本发明的红外探测器，该红外探测器的红外吸收层比较薄利于热传递，实现了红外吸收层易于图形化的目的，又降低了其制造难度和生产成本。
附图说明
图1为本发明的用于MEMS热电堆的红外探测器的制作方法的流程图；
图2为本发明的多晶硅的结构示意图；
图3为本发明的热电偶层的结构示意图；
图4为本发明的红外探测器的底部示意图；
图5为本发明的红外吸收层的实物图；
图6为本发明的红外吸收层的红外透过率结果图。
图中：1、单晶硅；21、上氧化硅层；22、下氧化硅层；31、上氮化硅层；32、下氮化硅层；4、多晶硅；5、铝；6、热电堆层；7、红外吸收层。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
参照图1，一种用于MEMS热电堆的红外探测器的制作方法，包括如下步骤，
一次生长步骤：将单晶硅1放入氧化炉，1100℃温度下通入氧气，参照图1a，使单晶硅1的上、下表面氧化，分别形成上氧化硅层21和下氧化硅层22，然后用LPCVD工艺在上氧化硅层21表面生长上氮化硅层31、下氧化硅层22表面生长下氧化硅层22，目的使两层介质膜之间应力相消，参照图1b；
二次生长步骤：再用LPCVD工艺在700℃温度下在上氮化硅层31表面生长多晶硅4，参照图1c，并利用离子注入机扩散硼使多晶硅4达到55-60Ω/□，再利用光刻技术将多晶硅4图形化，参照图1d、图2；
热电堆形成步骤：在多晶硅4上用磁控溅射沉积铝5，经过图案化和合金处理，铝5与多晶硅4电极串联成热偶条层，参照图1e、图3；
红外吸收溶液配制步骤：在遮光环境下，将粘度为25cps的光刻胶与四氢呋喃以质量比为6:4混合得到第一溶液；将石墨烯与四氢呋喃以质量比为1:200混合得到第二溶液，采用纳米分散仪将石墨烯与四氢呋喃分散均匀，分散压力为800psi，分散流量为750mL/min；将第一溶液和第二溶液以体积比为3:5混合得到混合溶液，利用纳米分散仪将混合溶液分散均匀，分散压力为800psi，分散流量为750mL/min，混合溶液搅拌加热至40℃，挥发至粘度为10cps，得到红外吸收溶液；
三次生长步骤：用均胶机在热偶条的表面涂覆红外吸收溶液，溶液干后形成红外吸收层7；设计掩膜板使热偶条层中的热结区能曝光，热偶条层中没有曝光部分被显影液去掉，只留下热偶条层中的热结区作为热电堆层6,参照图1f；
去除步骤：利用双面曝光技术设计底面图案，依次将靠近底部中心的下氮化硅层32、下氧化硅层22去除，剩余下氮化硅层32的周缘和下氧化硅层22的周缘，暴露出单晶硅1的下表面,参照图1g；
蚀刻步骤：制作刻蚀夹具保护热电堆层6，再用KOH溶液刻蚀单晶硅1形成凹槽，凹槽贯穿下氮化硅层32、下氧化硅层22和单晶硅1，将上氧化硅层21暴露出，参照图1h和图4，即得到红外探测器。
一种红外探测器，其是由上述的用于MEMS热电堆的红外探测器的制作方法制作得到；红外探测器包括单晶硅1、上氧化硅层21、下氧化硅层22、上氮化硅层31、下氮化硅层32、热电堆层6和红外吸收层7；上氧化硅层21生长在单晶硅1层的上表面，上氮化硅层31生长在上氧化硅层21的上表面，热电堆层6生长在上氮化硅层31的上表面，红外吸收层7生长在热电堆层6的上表面，红外吸收层7的厚度为1μm，下氧化硅层22生长在单晶硅1的下表面，下氮化硅层32生长在下氧化硅层22的下表面；红外探测器的底部设有凹槽，凹槽贯穿下氮化硅层32、下氧化硅层22和单晶硅1，将上氧化硅层21暴露出。
其中，单晶硅1的厚度为350μm，晶向<100>，电阻率为1-15Ω·cm；上氧化硅层21和下氧化硅层22的参数均如下：厚度为600nm，密度为2.31g/cm3，折射率为1.46；上氮化硅层31和下氮化硅层32的参数均如下：厚底为400nm，密度为2.94g/cm3，折射率为2.0；热电堆层6由多晶硅4上沉积铝5经过处理而形成，多晶硅4的厚度为2μm，线宽为22μm，铝5厚度为100nm，线宽6.5μm，相邻的多晶硅4与铝5之间的距离为2μm。
效果评价及性能检测
参照图5，通过将石墨烯和光刻胶合成作为红外吸收层7的方法，最终产品如图5所示，从显微镜下看出红外吸收层7分散地较为均匀，从透明度可以看到吸收层比较薄利用热传递，实现了吸收层易于图形化的目的，又降低了其制造难度和生产成本。
利用红外光谱仪测试吸收层的红外吸收性能，先用经过抛光的单晶硅1测背景，取出后在单晶硅1上均上红外吸收层7，再测红外吸收层7的红外透过率，实验结果如图6所示，吸收层在近红外和中红外区域里面的透过率在28％-40％之间，覆盖了大部分的气体吸收峰，极大的增加了热结区和冷结区的温差既有效提高了热电堆探测器的性能，这说明本发明的制作方法设计简单、易于实现、有益效果明显，有效地解决了传统工艺复杂的缺陷，而且不易于图形化。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种用于MEMS热电堆的红外探测器的制作方法，其特征在于包括如下步骤，
一次生长步骤：将单晶硅放入氧化炉，通入氧气，使单晶硅的上、下表面氧化，分别形成上氧化硅层和下氧化硅层，然后用LPCVD工艺在上氧化硅层表面生长上氮化硅层、下氧化硅层表面生长下氧化硅层；
二次生长步骤：再用LPCVD工艺在上氮化硅层表面生长多晶硅，再利用光刻技术将多晶硅图形化；
热电堆形成步骤：在多晶硅上用磁控溅射沉积铝，经过图案化和合金处理，铝与多晶硅电极串联成热偶条层；
红外吸收溶液配制步骤：在遮光环境下，将光刻胶与四氢呋喃混合得到第一溶液，将石墨烯与四氢呋喃混合得到第二溶液，将第一溶液和第二溶液混合得到混合溶液，利用纳米分散仪将混合溶液分散均匀，再搅拌、挥发，得到红外吸收溶液；
三次生长步骤：用均胶机在热偶条的表面涂覆红外吸收溶液，溶液干后形成红外吸收层；设计掩膜板使热偶条层中的热结区能曝光，热偶条层中没有曝光部分被显影液去掉，只留下热偶条层中的热结区作为热电堆层；
去除步骤：利用双面曝光技术设计底面图案，依次将靠近底部中心的下氮化硅层、下氧化硅层去除，剩余下氮化硅层的周缘和下氧化硅层的周缘，暴露出单晶硅的下表面；
蚀刻步骤：制作刻蚀夹具保护热电堆层，再用KOH溶液刻蚀单晶硅形成凹槽，凹槽贯穿下氮化硅层、下氧化硅层和单晶硅，将上氧化硅层暴露出，即得到红外探测器。
2.如权利要求1所述的用于MEMS热电堆的红外探测器的制作方法，其特征在于，一次生长步骤中，通入氧气的温度为1100℃。
3.如权利要求1所述的用于MEMS热电堆的红外探测器的制作方法，其特征在于，二次生长步骤中，生长多晶硅的温度为700℃，并利用离子注入机扩散硼使多晶硅达到55-60Ω/□。
4.如权利要求1所述的用于MEMS热电堆的红外探测器的制作方法，其特征在于，红外吸收溶液配制步骤中，第一溶液中，光刻胶与四氢呋喃的质量比为6:4，光刻胶的粘度为25cps。
5.如权利要求1所述的用于MEMS热电堆的红外探测器的制作方法，其特征在于，红外吸收溶液配制步骤中，第二溶液中，石墨烯与四氢呋喃的质量比为1:200，采用纳米分散仪将石墨烯与四氢呋喃分散均匀，分散压力为800psi，分散流量为750mL/min。
6.如权利要求1所述的用于MEMS热电堆的红外探测器的制作方法，其特征在于，红外吸收溶液配制步骤中，第一溶液和第二溶液混合的体积比为3:5。
7.如权利要求1所述的用于MEMS热电堆的红外探测器的制作方法，其特征在于，红外吸收溶液配制步骤中，混合溶液的分散压力为800psi，分散流量为750mL/min。
8.如权利要求1所述的用于MEMS热电堆的红外探测器的制作方法，其特征在于，混合溶液搅拌加热至40℃，挥发至粘度为10cps，得到红外吸收溶液。
9.一种红外探测器，其特征在于，其是由如权利要求1-8任一项所述的用于MEMS热电堆的红外探测器的制作方法制作得到；红外探测器包括单晶硅、上氧化硅层、下氧化硅层、上氮化硅层、下氮化硅层、热电堆层和红外吸收层；所述上氧化硅层生长在单晶硅层的上表面，所述上氮化硅层生长在上氧化硅层的上表面，所述热电堆层生长在上氮化硅层的上表面，所述红外吸收层生长在热电堆层的上表面，红外吸收层的厚度为1μm，所述下氧化硅层生长在单晶硅的下表面，所述下氮化硅层生长在下氧化硅层的下表面；所述红外探测器的底部设有凹槽，所述凹槽贯穿下氮化硅层、下氧化硅层和单晶硅，将上氧化硅层暴露出。
10.如权利要求9所述的红外探测器，其特征在于，所述单晶硅的厚度为350μm，晶向<100>，电阻率为1-15Ω·cm；所述上氧化硅层和下氧化硅层的参数均如下：厚度为600nm，密度为2.31g/cm3，折射率为1.46；所述上氮化硅层和下氮化硅层的参数均如下：厚底为400nm，密度为2.94g/cm3，折射率为2.0；所述热电堆层由多晶硅上沉积铝经过处理而形成，多晶硅的厚度为2μm，线宽为22μm，铝厚度为100nm，线宽6.5μm，相邻的多晶硅与铝之间的距离为2μm。
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