CN111470469B - 一种mems热电堆红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的MEMS热电堆红外探测器及其制备方法，将具有自检测功能的热电阻集成到MEMS热电堆探测器上，实际使用前通过对热电阻施加电压，其产生的焦耳热通过红外吸收单元传导至热电偶对组件热端，获得热电偶对组件的输出电压，并将三次施压得到的输出电压的差值进行计算，并与响应率差值预设阈值对比，即可判断器件是否正常工作。因此实际使用前不必使用专门设备进行测试，有效降低了测试成本，减少了器件测试过程的耗时，使器件的使用更加便利。
Description
技术领域
本发明涉及热电堆传感器领域，具体涉及一种MEMS热电堆红外探测器及其制备方法。
背景技术
热电堆探测器的工作原理是以塞贝克效应为基础，通过探测物体发射的红外电磁波将其转换为可测电信号表征物理温度。利用热电堆环境适应性、小尺寸、方便性等优点，红外热电堆传感器广泛应用于红外搜查、非接触测温、安防、智能电器、有害气体监测等行业。随着微电子技术的发展，微电子机械系统(MEMS：Micro-Electro-Mechanical System)的概念得到广泛关注。凭借MEMS技术，半导体材料及工艺被应用到热电堆传感器中，形成了MEMS热电堆传感器。MEMS热电堆传感器够实现非接触式测温，而且具备很高的灵敏度，能够监测微小的温度变化。
然而MEMS热电堆传感器的参数值可能会因为环境的改变和制造工艺的波动而变化，其灵敏度也会受到环境影响，因此在实际应用前需要利用专门设备进行测试，增加了器件测试过程的耗时，具有较高的测试成本。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有MEMS热电堆传感器使用前需要利用专门设备进行测试的缺陷，从而提供一种MEMS热电堆红外探测器及其制备方法。
本发明提供一种MEMS热电堆红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在单晶硅片的上表面形成支撑层，所述支撑层背离所述单晶硅片的表面包括相邻的热电偶区和吸收区；
(2)在所述热电偶区形成第一热电偶条；
(3)在所述第一热电偶条的上表面形成第一绝缘结构，在所述第一热电偶条长度方向的两端形成第二绝缘结构，并在所述第一绝缘结构中形成第一通孔，所述第一通孔靠近所述第一热电偶条的热端且贯穿所述第一绝缘结构；
(4)在所述第一绝缘结构上方及第一通孔内形成第二热电偶条，在所述第二绝缘结构上形成热电阻，所述第一热电偶条、第一绝缘结构及第二热电偶条构成热电偶对组件，并在所述第二热电偶条的热端形成第二通孔，所述第二通孔贯穿第一通孔及第二热电偶条以暴露所述第一热电偶条；
(5)在所述吸收区及第二通孔内形成红外吸收层，所述热电阻埋设在红外吸收层底部。
进一步地，步骤(2)中形成的所述热电偶对组件的数量至少为两个；
在步骤(4)中，所述热电阻沿与之相邻的所述第一热电偶条的热端延伸设置，且相邻所述热电阻串联。
进一步地，若干长度不同的热电偶对组件朝向所述支撑层中心设置，且位于同侧的若干热电阻由外及里长度逐渐增加。
进一步地，在步骤(4)中，所述第二热电偶条、热电阻及第二通孔的形成包括以下步骤：
(4a)通过真空溅射在步骤(3)所形成的结构背离所述单晶硅片的一侧沉积厚度为0.15-0.25μm的金属层；
(4b)刻蚀所述金属层，以形成若干第二热电偶条及热电阻；
(4c)刻蚀所述第二热电偶条远离所述单晶硅片边缘的一端，以形成第二通孔。
进一步地，所述金属层的材质为铝；
进一步地，形成所述热电阻后还包括以下步骤：
在所述第二热电偶条的上方形成保护层；
对单晶硅片背面进行腐蚀，以释放背腔。
进一步地，在步骤(1)中，所述在所述单晶硅片的上表面形成支撑层包括以下步骤:
(1a)通过热氧工艺在所述单晶硅片的上表面生长厚度为0.4-0.5μm的氧化硅以得到第一氧化硅层；
(1b)通过低压力化学气相沉积法在所述第一氧化硅层的上表面沉积厚度为0.3-0.5μm的氮化硅以得到氮化硅层；
(1c)通过低压力化学气相沉积法在所述氮化硅层的上表面沉积厚度为0.15-0.25μm的氧化硅以得到第二氧化硅层。
进一步地，在步骤(2)中，在形成所述第一热电偶条后，还包括以所述第一热电偶条为掩模版刻蚀第二氧化硅层的步骤，并在步骤(3)中，在位于所述吸收区的氮化硅层表面形成第二绝缘结构。
进一步地，在步骤(2)中，所述在所述热电偶区形成第一热电偶条包括以下步骤：
(2a)通过低压力化学气相沉积法在所述热电偶区沉积厚度为0.2-0.4μm的多晶硅层；
(2b)对所述多晶硅层进行P型掺杂；
(2c)刻蚀所述多晶硅条以形成P型多晶硅条。
进一步地，所述P型掺杂的方法为高温扩散；
所述P型掺杂的元素为铝、硼、镓中的至少一种；
所述掺杂的条件为1E16/80Kev。
进一步地，在步骤(3)中，所述第一绝缘结构、第二绝缘结构及第一通孔的形成包括以下步骤：
(3a)通过低压力化学气相沉积法在步骤(2)制备得到的结构背离所述单晶硅片的一侧沉积厚度为0.1-0.3μm的氧化硅层，其中，位于所述第一热电偶条的上表面的氧化硅层构成第一绝缘结构，位于所述第一热电偶条两端的氧化硅层构成第二绝缘结构；
(3b)对所述第一绝缘结构靠近所述第一热电偶条的热端处进行刻蚀，以形成第一通孔。
进一步地，在步骤(5)中，所述在所述吸收区及第二通孔内形成红外吸收层包括以下步骤：
(5a)通过低压力化学气相沉积法在在步骤(4)制备得到的结构背离所述单晶硅片的一侧沉积厚度为0.2-0.4μm的氮化硅；
(5b)刻蚀所述第二热电偶上方的氮化硅，仅保留所述吸收区及第二通孔内的氮化硅。
进一步地，所述在所述第二热电偶条的上方形成保护层包括以下步骤：
通过低压力化学气相沉积法在步骤(5)制备得到的结构背离所述单晶硅片的一侧沉积厚度为0.1-0.3μm的氧化硅；
刻蚀所述红外吸收层上方的氧化硅，仅保留所述第二热电偶条的上方的氧化硅。
进一步地，所述单晶硅片为P-Si，其厚度为500±10μm，晶向为<100>，方块电阻为40Ω。
本发明还提供一种MEMS热电堆红外探测器，采用上述MEMS热电堆红外探测器的制备方法制得。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的MEMS热电堆红外探测器及其制备方法，将具有自检测功能的热电阻集成到MEMS热电堆探测器上，实际使用前通过对热电阻施加电压，其产生的焦耳热通过红外吸收单元传导至由第一热电偶条、绝缘结构和第二热电偶条组成的热电偶对组件热端，获得热电偶对组件的输出电压，并将三次施压得到的输出电压的差值进行计算，并与响应率差值预设阈值对比，即可判断器件是否正常工作。因此实际使用前不必使用专门设备进行测试，有效降低了测试成本，减少了器件测试过程的耗时，使器件的使用更加便利。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中MEMS热电堆红外探测器的结构示意图。
图2是图1的MEMS热电堆红外探测器的工艺流程；
图2a:在单晶衬底表面沉积第一氧化硅层；
图2b:沉积氮化硅层；
图2c:沉积第二氧化硅层；
图2d:沉积第一热电偶条；
图2e：第二氧化硅层图案化；
图2f：沉积绝缘结构，并形成第一通孔；
图2g：沉积第二热电偶条,并形成第二通孔；
图2h：沉积红外吸收层；
图2i：沉积保护层；
图2j：刻蚀单晶硅片形成背腔；
图3是图2g的MEMS热电堆红外探测器的俯视图；
图4是图2h的MEMS热电堆红外探测器的俯视图；
附图标记：
1-单晶硅片；2-支撑层；21-第一氧化硅层；22-氮化硅层；23-第二氧化硅层；3-热电偶对组件；31-第一热电偶条；32-第一绝缘结构；33-第二热电偶条；4-第二绝缘结构；5-第一通孔；6-热电阻；7-第二通孔；8-红外吸收层；9-保护层。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种MEMS热电堆红外探测器，其制备方法包括以下步骤：
(1)在单晶硅片1的上表面形成支撑层2，支撑层2背离衬底的表面包括热电偶区和吸收区；单晶硅片1为P型单晶硅，其厚度为500±10μm，晶向为<100>；
具体的，在单晶硅片1的上表面形成支撑层2包括以下步骤:
(1a)如图2a所示，通过热氧工艺在单晶硅片1的上表面生长厚度为0.4-0.5μm的氧化硅以得到第一氧化硅层21；
(1b)如图2b所示，通过低压力化学气相沉积法在第一氧化硅层21的上表面沉积厚度为0.3-0.5μm的氮化硅以得到氮化硅层22；
(1c)如图2c所示，通过低压力化学气相沉积法在氮化硅层22的上表面沉积厚度为0.15-0.25μm的氧化硅以得到第二氧化硅层23。
(2)如图2d所示，在热电偶区形成第一热电偶条31；
具体的，在热电偶区形成第一热电偶条31包括以下步骤：
(2a)通过低压力化学气相沉积法在热电偶区沉积厚度为0.2-0.4μm的多晶硅层；
(2b)对多晶硅层进行P型掺杂，P型掺杂的方法为高温扩散，掺杂条件为1E16/80Kev，掺杂元素为包括但不限于铝、硼、镓中的至少一种；需要理解的是，其他可用于元素掺杂的方法也适用；
(2c)刻蚀多晶硅条以形成P型多晶硅条。
(3)在第一热电偶条31的上表面形成第一绝缘结构32，在第一热电偶条长度方向的两端形成第二绝缘结构4，并在第一绝缘结构32中形成第一通孔5，第一通孔5靠近第一热电偶条31的热端且贯穿绝缘结构；
具体的，第一绝缘结构32、第二绝缘结构4及第一通孔5的形成包括以下步骤：
(3a)通过低压力化学气相沉积法在步骤(2)制备得到的结构背离单晶硅片1的一侧沉积厚度为0.1-0.3μm的氧化硅层，其中，位于第一热电偶条31的上表面的氧化硅层构成第一绝缘结构32，位于第一热电偶条31两端的氧化硅层构成第二绝缘结构4；
(3b)对第一绝缘结构32靠近第一热电偶条31的热端处进行刻蚀，以形成第一通孔5。
需要理解的是，如图2e所示，在形成第一热电偶条31后还包括以第一热电偶条31为掩模版刻蚀第二氧化硅层23的步骤，并如图2f所示，在步骤(3)中形成第二绝缘结构4时，在吸收区的氮化硅层22表面同时形成氧化硅层。
(4)如图2g所示，在第一绝缘结构32上方及第一通孔5内形成第二热电偶条33，在第二绝缘结构上形成热电阻6，第一热电偶条31、第一绝缘结构32及第二热电偶条33构成热电偶对组件3，并在第二热电偶条33的热端形成第二通孔7，第二通孔7贯穿第一通孔5及第二热电偶条33以暴露第一热电偶条31；
具体的，第二热电偶条33、热电阻6及第二通孔7的形成包括以下步骤：
(4a)通过真空溅射在步骤(3)所形成的结构背离单晶硅片1的一侧沉积厚度为0.15-0.25μm的金属层；
(4b)刻蚀金属层，以形成若干第二热电偶条33及热电阻6；
(4c)刻蚀第二热电偶条33远离单晶硅片1边缘的一端，以形成第二通孔7。
进一步地，金属层的材质为铝，其他具有良好导电和导热性的材料也属于本申请的保护范围；第一热电偶条31、第一绝缘结构32及第二热电偶条33层叠设置构成热电偶对组件3有利于器件空间的有效利用，从而提高特定面积内热偶条的长度，增大输出电压，从而提高器件的响应率、探测率。
(5)如图2h所示，在吸收区及第二通孔7内形成红外吸收层8以使红外吸收层8覆盖热电偶对组件3的热端，且热电阻6埋设在红外吸收层8底部；
具体的，在吸收区及第二通孔7内形成红外吸收层8包括以下步骤：
(5a)通过低压力化学气相沉积法在在步骤(4)制备得到的结构背离单晶硅片1的一侧沉积厚度为0.2-0.4μm的氮化硅；
(5b)刻蚀第二热电偶上方的氮化硅，仅保留吸收区及第二通孔7内的氮化硅。
(6)如图2i所示，在第二热电偶条33的上方形成保护层9；
具体的，在第二热电偶条33的上方形成保护层9包括以下步骤：
(6a)通过低压力化学气相沉积法在步骤(5)制备得到的结构背离单晶硅片1的一侧沉积厚度为0.1-0.3μm的氧化硅；
(6b)刻蚀红外吸收层8上方的氧化硅，仅保留第二热电偶条33的上方的氧化硅。
(7)如图2j所示，对单晶硅片1背面进行腐蚀，以释放背腔。相对于常规的对单晶硅片1正面进行释放的方法，本申请通过干法或湿法刻蚀的方法直接从底部开口，制造方法更为简单和结构更为简单。
需要理解的是，本申请中涉及的第一热电偶条的热端和第二热电偶条构成热电偶对组件的热端。
上述制备方法得到的MEMS热电堆红外探测器具有良好的自测试功能，且实际温度测量结果精确度高。
实施例2
本实施例提供一种MEMS热电堆红外探测器，其具体制备方法与实施例1大致相同，其区别仅在于：如图3所示，步骤(2)-步骤(4)形成的热电偶对组件3的数量至少为两个，若干长度不同的热电偶对组件3朝向支撑层2中心设置，且位于同侧的若干热电阻6由外及里长度逐渐增加，同时，热电阻6沿与之相邻的第一热电偶条31的热端延伸设置，且相邻热电阻6串联以使各热电阻6连通成一条弯曲的线条，其中图2g为图3所示虚线A-A’处的剖面图；当沉积红外吸收层8后，其俯视图如图4所示，图2h为图4所示虚线A-A’处的剖面图，热电堆热端延伸至红外吸收区中心，从而充分利用了红外吸收区面积，使热电堆热端可以获得更多的热量，从而提高特定面积内热偶条的长度，增大输出电压，从而提高器件的响应率、探测率。
具体的，上述MEMS热电堆红外探测器的工作过程如下：
1.器件自测试阶段：
(1)将热电阻的一端接地，另一端施加电压V1，其产生的焦耳热T1通过红外吸收层传导至由第一热电偶和第二热电偶构成的热电偶对组件热端，由此热电偶对组件输出电压v1；
(2)对热电阻再次施加不为零的电压V2(V2＝V1+V0，其中V0≠0)，其产生的焦耳热T2通过红外吸收层传导至热电偶对组件热端，由此热电偶对组件输出电压v2；
(3)对热电阻再次施加不为零的电压V3(V3＝V2+V0，其中V0≠0)，其产生的焦耳热T3通过红外吸收层传导至热电偶对组件热端，由此热电偶对组件输出电压v3；
(4)将步骤(1)-步骤(3)得到的热电偶对组件输出电压v1、v2、v3求差得到Δv1和Δv2(Δv1＝v2-v1，Δv2＝v3-v2)，将两差值之差的绝对值与响应率差值预设阈值范围δ进行比较，若|Δv1－Δv2|≤δ，则判定MEMS热电堆探测器芯片自测试通过，器件可以正常工作；否则，则判定MEMS热电堆探测器芯片自测试未通过，器件不可以正常工作。
2.器件正常工作阶段：
热电阻的两端不施加电压，被测物体辐射出的红外电磁波照射在红外吸收层及热电阻上，热通过红外吸收层传导至热电偶对组件热端，由此热电偶对组件输出电压v4，继而经过数据分析完成非接触红外测温。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种MEMS热电堆红外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在单晶硅片的上表面形成支撑层，所述支撑层背离所述单晶硅片的表面包括相邻的热电偶区和吸收区；
（2）在所述热电偶区形成第一热电偶条；
（3）在所述第一热电偶条的上表面形成第一绝缘结构，在所述第一热电偶条长度方向的两端形成第二绝缘结构，并在所述第一绝缘结构中形成第一通孔，所述第一通孔靠近所述第一热电偶条的热端且贯穿所述第一绝缘结构；
（4）在所述第一绝缘结构上方及第一通孔内形成第二热电偶条，在所述第二绝缘结构上形成热电阻，所述第一热电偶条、第一绝缘结构及第二热电偶条构成热电偶对组件，并在所述第二热电偶条的热端形成第二通孔，所述第二通孔贯穿第一通孔及第二热电偶条以暴露所述第一热电偶条；
（5）在所述吸收区及第二通孔内形成红外吸收层，所述热电阻埋设在红外吸收层底部；所述吸收区的红外吸收层和所述第二通孔内的红外吸收层连接成一体，且所述吸收区的红外吸收层位于所述热电偶对组件的侧部。
2.根据权利要求1所述的MEMS热电堆红外探测器的制备方法，其特征在于，
步骤（4）中形成的所述热电偶对组件的数量至少为两个；
在步骤（4）中，所述热电阻沿与之相邻的所述第一热电偶条的热端延伸设置，且相邻所述热电阻串联。
3.根据权利要求2所述的MEMS热电堆红外探测器的制备方法，其特征在于，若干长度不同的热电偶对组件朝向所述支撑层中心设置，且位于同侧的若干热电阻由外及里长度逐渐增加。
4.根据权利要求1-3任一项所述的MEMS热电堆红外探测器的制备方法，其特征在于，在步骤（4）中，所述第二热电偶条、热电阻及第二通孔的形成包括以下步骤：
（4a）通过真空溅射在步骤（3）所形成的结构背离所述单晶硅片的一侧沉积厚度为0.15-0.25µm的金属层；
（4b）刻蚀所述金属层，以形成若干第二热电偶条及热电阻；
（4c）刻蚀所述第二热电偶条远离所述单晶硅片边缘的一端，以形成第二通孔。
5.根据权利要求1所述的MEMS热电堆红外探测器的制备方法，其特征在于，形成所述热电阻后还包括以下步骤：
在所述第二热电偶条的上方形成保护层；
对单晶硅片背面进行腐蚀，以释放背腔。
6.根据权利要求1所述的MEMS热电堆红外探测器的制备方法，其特征在于，在步骤（1）中，所述在所述单晶硅片的上表面形成支撑层包括以下步骤:
（1a）通过热氧工艺在所述单晶硅片的上表面生长厚度为0.4-0.5µm的氧化硅以得到第一氧化硅层；
（1b）通过低压力化学气相沉积法在所述第一氧化硅层的上表面沉积厚度为0.3-0.5µm的氮化硅以得到氮化硅层；
（1c）通过低压力化学气相沉积法在所述氮化硅层的上表面沉积厚度为0.15-0.25µm的氧化硅以得到第二氧化硅层。
7.根据权利要求6所述的MEMS热电堆红外探测器的制备方法，其特征在于，在步骤（2）中，在形成所述第一热电偶条后，还包括以所述第一热电偶条为掩模版刻蚀第二氧化硅层的步骤，并在步骤（3）中，在位于所述吸收区的氮化硅层表面形成第二绝缘结构。
8.根据权利要求1所述的MEMS热电堆红外探测器的制备方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述在所述热电偶区形成第一热电偶条包括以下步骤：
（2a）通过低压力化学气相沉积法在所述热电偶区沉积厚度为0.2-0.4µm的多晶硅层；
（2b）对所述多晶硅层进行P型掺杂；
（2c）刻蚀所述多晶硅层以形成P型多晶硅条。
9.根据权利要求8所述的MEMS热电堆红外探测器的制备方法，其特征在于，
所述P型掺杂的方法为高温扩散；
所述P型掺杂的元素为铝、硼、镓中的至少一种。
10.一种MEMS热电堆红外探测器，其特征在于，采用权利要求1-9中任一项所述的MEMS热电堆红外探测器的制备方法制得。
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