CN111924796A - 一种mems热电堆红外探测器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种MEMS热电堆红外探测器的制备方法，通过在支撑层的吸收区及热电偶组件的热端形成纳米纤维，并形成包裹纳米纤维的红外吸收单元，使纳米纤维不易从支撑层脱落，提高了纳米纤维的稳定性，避免了红外辐射吸收效果及探测器检测效率的降低。纳米纤维与红外吸收单元均具有吸收红外辐射的能力，将红外吸收单元包覆于纳米纤维上方，增强了红外吸收层的吸收效率，从而增强了探测器的检测效果。同时，该制备工艺简单，有利于为热电堆器件的批量化生产打下基础。
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热电堆红外探测器的制备方法。
背景技术
近年来，随着半导体、精密仪器和微加工技术的快速发展，红外传感器不仅在军事探测、雷达制导、火灾报警等国防工业领域发挥着主导作用，还渗透到医疗诊断、智能家居等民用生活领域。如何提高红外传感器的性能、实现规模化生产以满足社会需求，日益成为红外传感器的重要研究方向。
一切温度高于绝对零度的物体均会发射红外辐射。辐射能量大小及其波长分布与物体表面温度有着十分密切的关系。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辐射将其转换为可测电信号表征物理温度。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。
红外吸收区对红外辐射的吸收效率对其检测效率影响较大。然而，传统的MEMS热电堆探测器的红外吸收材料为平整的Si3N4薄膜，其平均吸收率只有50％左右；同时，由于Si3N4具有较高的热容，以Si3N4作吸收区的红外传感器的响应时间较长。
专利文件CN103207021B提供了一种高性能MEMS热电堆红外探测器结构的制备方法，其在衬底上形成隔离槽掩蔽层后选择性刻蚀，形成隔离槽；去除隔离槽掩蔽并在衬底上设置介质支撑膜和阻挡带；在介质支撑膜上形成串接的若干热电堆及吸收材料支撑膜，且吸收材料支撑膜与热电堆的热端接触；形成贯通吸收材料支撑和介质支撑膜的腐蚀释放通道；在吸收材料支撑膜上形成纳米纤维体，并形成贯穿纳米纤维体的腐蚀释放通道；利用腐蚀释放通道及纳米纤维体刻蚀衬底，利用释放阻挡带在衬底内形成热隔离腔体。工作时，通过纳米纤维体吸收红外辐射，纳米纤维体吸收的红外辐射转换为热量向吸收材料支撑膜传导，吸收材料支撑膜的热量通过热电堆的探测热端向探测冷端传导，依据赛贝克效应热电堆产生电势差，通过金属电极能够将电压输出，以达到对红外探测的目的。然而由于用于吸收红外辐射的纳米纤维体与吸收材料支撑膜的接触面积小且结合力弱，因此容易发生脱落，从而降低了红外辐射的吸收效果。同时，该制备工序繁琐，各步骤对精度要求较高，对批量化生产提出了更高的要求。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有MEMS热电堆传感器中纳米纤维体易脱落降低红外辐射的吸收效果的缺陷，从而提供一种MEMS热电堆红外探测器的制备方法。
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：
在衬底的上表面形成支撑层，所述支撑层背离所述衬底的表面包括相邻的热电偶区和吸收区；
在所述热电偶区内形成热电偶组件，所述热电偶组件靠近所述吸收区的一端构成所述热电偶组件的热端；
在所述吸收区及所述热端形成纳米纤维，并在所述纳米纤维上方形成红外吸收单元，以使所述红外吸收单元包裹所述纳米纤维；
对衬底背面进行腐蚀，以释放背腔。
进一步地，所述“在所述吸收区及所述热端形成纳米纤维”包括以下步骤：
在所述热电偶组件上方设置掩膜版以暴露所述吸收区及所述热端；
涂覆光刻胶，待光刻胶固化后形成光刻胶层，对所述光刻胶层进行等离子体轰击，得到纳米纤维。
进一步地，所述“涂覆光刻胶”的步骤为：将光刻胶以4000r/min的转速旋涂在所述吸收区及所述热端，以待固化后得到光刻胶层。
进一步地，所述“对所述光刻胶层进行等离子体轰击”的步骤中，
所述等离子体为氧等离子体，氧气流量为50sccm；
所述等离子体轰击的功率为150-250W，压强为3-5Pa；
所述光刻胶为聚酰亚胺光刻胶。
进一步地，所述“在所述纳米纤维上方形成红外吸收单元”的步骤为：通过等离子增强型化学气相淀积方法在所述纳米纤维上方沉积厚度为0.2-1.0nm的氮化硅，并移除所述掩膜版。
进一步地，所述“在所述热电偶区内形成热电偶组件”包括以下步骤：
在所述热电偶区内依次形成第一热电偶条、电绝缘薄膜及第二热电偶条，三者层叠设置；
在所述电绝缘薄膜及第二热电偶条靠近所述吸收区的一端形成通孔，并在所述通孔内填充金属，以形成热端接触结构使所述第一热电偶条与所述第二热电偶条实现热连接。
进一步地，所述第一热电偶条形成的步骤为：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，对所述多晶硅层进行N型掺杂，并刻蚀所述多晶硅层以形成所述第一热电偶条；
所述电绝缘薄膜形成的步骤为：通过等离子体增强正硅酸乙酯层沉积方法在所述第一热电偶条的上方沉积厚度为0.1-0.3μm的氧化硅层；
所述第二热电偶条形成的步骤为：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，对所述多晶硅层进行P型掺杂，并刻蚀所述多晶硅层以形成所述第二热电偶条。
进一步地，所述N型掺杂的方法为高温扩散，所述N型掺杂的元素为磷，所述掺杂浓度为0.5e16 cm3-1e16 cm3；
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，所述掺杂浓度为0.5e16 cm3-1e16 cm3。
进一步地，所述“在所述热电偶区内依次形成第一热电偶条、电绝缘薄膜及第二热电偶条”后，还包括在所述第二热电偶条上方形成保护层的步骤，且所述通孔贯穿所述电绝缘薄膜、第二热电偶条及保护层。
进一步地，所述“在衬底的上表面形成支撑层”包括以下步骤:
通过等离子增强型化学气相淀积方法在所述衬底的上表面沉积长厚度为0.6-0.9μm的氧化硅以得到第一氧化硅层；
通过等离子增强型化学气相淀积方法在所述第一氧化硅层的上表面沉积厚度为0.5-0.7μm的氮化硅以得到氮化硅层；
通过等离子增强型化学气相淀积方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。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的MEMS热电堆红外探测器的制备方法，首先在衬底的上表面形成支撑层，然后在支撑层的热电偶区内形成热电偶组件，在支撑层的吸收区及所述热电偶组件的热端形成纳米纤维，随即形成包裹所述纳米纤维的红外吸收单元，并对衬底背面进行腐蚀，以释放背腔，从而得到MEMS热电堆红外探测器。
红外吸收单元包覆于纳米纤维上方使纳米纤维不易从支撑层脱落，提高了纳米纤维的稳定性，避免了红外辐射吸收效果及探测器检测效率的降低。纳米纤维与红外吸收单元均具有吸收红外辐射的能力，将红外吸收单元包覆于纳米纤维上方，增强了红外吸收层的吸收效率，从而增强了探测器的检测效果。同时，该制备工艺简单，有利于为热电堆器件的批量化生产打下基础。
2.本发明提供的MEMS热电堆红外探测器的制备方法，在衬底正面结构制备完成后，直接对背面进行腐蚀以释放背腔。从正面释放背腔时，需在衬底正面各结构制备过程中对各结构进行打孔以腐蚀释放通道，同时打孔操作时需要各结构的通孔严格对准，因此相对于从正面释放背腔，该方式不仅减少了制备工序，还降低了对制备精度的要求；此外，腐蚀释放通道的形成减小了红外吸收层的面积，引起了红外辐射的吸收效率的降低，因此相对于从正面释放背腔，该方式未减小红外吸收层的面积，从而提高了探测器的探测效率。
3.本发明提供的MEMS热电堆红外探测器的制备方法，形成的纳米森林纤维结构具有较高的表面积，当红外辐射照射到该结构表面时，红外辐射在该结构内可进行反复的反射，每次反射时均有部分红外辐射被该结构吸收，从而使该结构具有较高的吸收效率。此外，红外吸收层的较高表面积使其具有更低的热容，减少了MEMS热电堆红外探测器的响应时间，提高了MEMS热电堆红外探测器的检测效率。
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为本发明实施例中提供的MEMS热电堆红外探测器的主视图；
图2a为在衬底上形成支撑层的结构示意图；
图2b为在支撑层上形成热电堆的结构示意图；
图2c为在热电堆形成热端接触结构的结构示意图；
图2d为设置掩膜版后的结构示意图；
图2e为形成纳米纤维的结构示意图；
图2f为形成红外吸收单元的结构示意图；
图2g为形成背腔的结构示意图；
图3为图1所示MEMS热电堆红外探测器的主视图；
图4为本发明实施例中提供的MEMS热电堆红外探测器中纳米纤维的扫描电镜图；
图5为本发明实施例中提供的MEMS热电堆红外探测器中纳米森林纤维结构的扫描电镜图；
图6为本发明对比例中提供的一种MEMS热电堆红外探测器的剖面图；
图7为本发明实施例1与对比例1提供的一种MEMS热电堆红外探测器的光吸收率曲线；
附图说明：
1－衬底；2－支撑层；21－第一氧化硅层；22－氮化硅层；23－第二氧化硅层；3－热电偶组件；31－第一热电偶条；32－第二热电偶条；33－电绝缘薄膜；4－红外吸收层；41－红外吸收单元；42－纳米纤维；5－侧壁绝缘层；6－热电堆电极；7－保护层；8－热端接触结构；9－掩膜版。
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
本实施例提供一种MEMS热电堆红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)如图2a所示，在衬底1的上表面形成支撑层2，支撑层2背离衬底1的表面包括相邻的热电偶区和吸收区；
具体地，“在衬底1的上表面形成支撑层2”包括以下步骤:
通过等离子增强型化学气相淀积方法在衬底1的上表面沉积长厚度为0.6-0.9μm的氧化硅以得到第一氧化硅层21；
通过等离子增强型化学气相淀积方法在第一氧化硅层21的上表面沉积厚度为0.5-0.7μm的氮化硅以得到氮化硅层22；
通过等离子增强型化学气相淀积方法在氮化硅层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)在热电偶区内形成热电偶组件3，热电偶组件3靠近吸收区的一端构成热电偶组件的热端；
具体地，“在热电偶区内形成热电偶组件3”包括以下步骤：
(2a)在热电偶区内依次形成第一热电偶条31、电绝缘薄膜33及第二热电偶条32，三者层叠设置；其中：
第一热电偶条31形成的步骤为：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，对多晶硅层进行N型掺杂，并刻蚀多晶硅层以形成第一热电偶条31，N型掺杂的方法为高温扩散，N型掺杂的元素为磷，掺杂浓度为0.5e16 cm3-1e16 cm3，功率80kev；
电绝缘薄膜33形成的步骤为：通过等离子体增强正硅酸乙酯层沉积方法在第一热电偶条31的上方沉积厚度为0.1-0.3μm的氧化硅层；
第二热电偶条32形成的步骤为：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，对多晶硅层进行P型掺杂，并刻蚀多晶硅层以形成第二热电偶条32，P型掺杂的方法为高温扩散，P型掺杂的元素为铝、硼、镓中的至少一种，掺杂浓度为0.5e16 cm3-1e16 cm3，功率80kev。
(2b)在电绝缘薄膜33及第二热电偶条32靠近吸收区的一端形成通孔，并在通孔内填充金属，以形成热端接触结构8使第一热电偶条31与第二热电偶条32实现热连接。填充金属包括但不限于铝或铜。
在热端接触结构8形成的同时，还形成了金属连接线以及两个热电堆电极6。通过将前一热电堆组件的第二热电偶条32的冷端与后一热电堆组件的第一热电偶条31的冷端通过金属连接线连接，实现了若干热电堆组件的串联，同时将一端的热电堆组件的第一热电偶条31的冷端与一个热电堆电极6通过金属连接线连接，将另一端的热电堆组件的第二热电偶条32的冷端与另一个热电堆电极6通过金属连接线连接。MEMS热电堆红外探测器的正面结构如图3所示。
需要理解的是，“在热电偶区内依次形成第一热电偶条31、电绝缘薄膜33及第二热电偶条32”后，还包括在第二热电偶条32上方形成保护层7的步骤，且如图2c所示，通孔贯穿电绝缘薄膜33、第二热电偶条32及保护层7，且通孔内填充金属，保护层的材质为氧化硅；MEMS热电堆红外探测器的制备方法还包括在热电偶组件热端形成侧壁绝缘层5的步骤，侧壁绝缘层5的材质为氧化硅，其包括下层绝缘层和位于其上方的上层绝缘层，在电绝缘薄膜33形成的同时在支撑层2上方形成下层绝缘层，且下层绝缘层位于热电偶组件热端，在保护层形成的同时在下层绝缘层的上方形成上层绝缘层，从而得到如图2b所示的侧壁绝缘层5；
(3)在吸收区及热端形成纳米纤维42，并在纳米纤维42上方形成红外吸收单元41，以使红外吸收单元41包裹纳米纤维42，从而得到红外吸收层4；
其中，“在吸收区及热端形成纳米纤维42”包括以下步骤：
(3a)如图2d所示，在热电偶组件3上方设置掩膜版9以暴露吸收区及第二热电偶条32上表面靠近吸收区的一端；具体的，第二热电偶条32上方形成保护层7时，掩膜版9暴露吸收区及填充金属的上表面；
(3b)涂覆光刻胶，待光刻胶固化后形成光刻胶层，对光刻胶层进行等离子体轰击，得到如图2e所示的纳米纤维42。如图4所示，纳米纤维42的长度为2.6-2.8μm，直径为250-350nm。
具体的，“涂覆光刻胶”的步骤为：将光刻胶以4000r/min的转速旋涂在吸收区及热端，以待固化后得到光刻胶层；光刻胶为聚酰亚胺光刻胶；
“对光刻胶层进行等离子体轰击”的步骤中，等离子体为氧等离子体，氧气流量为50sccm；等离子体轰击的功率为150-250W，压强为3-5Pa。
“在纳米纤维42上方形成红外吸收单元41”的步骤为：如图2f所示，通过等离子增强型化学气相淀积方法在纳米纤维42上方沉积厚度为0.2-1.0nm的氮化硅，随后移除掩膜版9。如图5所示，沉积红外吸收单元41后形成的红外吸收层4的长度为2.8-3.8μm，直径为250-350μm。
(4)如图2g所示，对衬底1背面进行腐蚀，以释放背腔，得到如图1所示的MEMS热电堆红外探测器。
对比例1
如图6所示，本对比例提供一种MEMS热电堆红外探测器，其与实施例1提供的制备方法制得的MEMS热电堆红外探测器的唯一不同之处在于：其红外吸收层为平整的氮化硅薄膜，厚度为0.05μm-20μm。
试验例1
通过FTIR傅里叶线性红外测试仪对实施例1提供的制备方法制得的MEMS热电堆红外探测器与对比文件1提供的MEMS热电堆红外探测器进行吸收能力的测试，测试结果如图7所示。并将实施例1提供的制备方法制得的MEMS热电堆红外探测器与专利文件CN103207021B提供的制备方法制得的MEMS热电堆红外探测器进行了吸收能力的对比。
结果表明，与对比例1得到的MEMS热电堆红外探测器相比，实施例1制得的MEMS热电堆红外探测器具有更高的吸收效率；
在人体红外波段范围7.6-11.6um内，实施例1制得的MEMS热电堆红外探测器的吸收率85-97％，专利文件CN103207021B得到的MEMS热电堆红外探测器在该波段范围内的吸收率是70-95％，即实施例1制得的MEMS热电堆红外探测器具有更高的红外吸收效果。
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：
在衬底(1)的上表面形成支撑层(2)，所述支撑层(2)背离所述衬底(1)的表面包括相邻的热电偶区和吸收区；
在所述热电偶区内形成热电偶组件(3)，所述热电偶组件(3)靠近所述吸收区的一端构成所述热电偶组件(3)的热端；
在所述吸收区及所述热端形成纳米纤维(42)，并在所述纳米纤维(42)上方形成红外吸收单元(41)，以使所述红外吸收单元(41)包裹所述纳米纤维(42)；
对衬底(1)背面进行腐蚀，以释放背腔。
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，所述“在所述吸收区及所述热端形成纳米纤维(42)”包括以下步骤：
在所述热电偶组件(3)上方设置掩膜版(9)以暴露所述吸收区及所述热端；
涂覆光刻胶，待光刻胶固化后形成光刻胶层，对所述光刻胶层进行等离子体轰击，得到纳米纤维(42)。
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，所述“涂覆光刻胶”的步骤为：将光刻胶以4000r/min的转速旋涂在所述吸收区及所述热端，以待固化后得到光刻胶层。
4.根据权利要求2或3所述的MEMS热电堆红外探测器的制备方法，其特征在于，所述“对所述光刻胶层进行等离子体轰击”的步骤中，
所述等离子体为氧等离子体，氧气流量为50sccm；
所述等离子体轰击的功率为150-250W，压强为3-5Pa；
所述光刻胶为聚酰亚胺光刻胶。
5.根据权利要求2-4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，所述“在所述纳米纤维(42)上方形成红外吸收单元(41)”的步骤为：通过等离子增强型化学气相淀积方法在所述纳米纤维(42)上方沉积厚度为0.2-1.0nm的氮化硅，并移除所述掩膜版(9)。
6.根据权利要求1-5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，所述“在所述热电偶区内形成热电偶组件(3)”包括以下步骤：
在所述热电偶区内依次形成第一热电偶条(31)、电绝缘薄膜(33)及第二热电偶条(32)，三者层叠设置；
在所述电绝缘薄膜(33)及第二热电偶条(32)靠近所述吸收区的一端形成通孔，并在所述通孔内填充金属，以形成热端接触结构(8)使所述第一热电偶条(31)与所述第二热电偶条(32)实现热连接。
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，所述第一热电偶条(31)形成的步骤为：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，对所述多晶硅层进行N型掺杂，并刻蚀所述多晶硅层以形成所述第一热电偶条(31)；
所述电绝缘薄膜(33)形成的步骤为：通过等离子体增强正硅酸乙酯层沉积方法在所述第一热电偶条(31)的上方沉积厚度为0.1-0.3μm的氧化硅层；
所述第二热电偶条(32)形成的步骤为：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，对所述多晶硅层进行P型掺杂，并刻蚀所述多晶硅层以形成所述第二热电偶条(32)。
8.根据权利要求7所述的MEMS热电堆红外探测器的制备方法，其特征在于，所述N型掺杂的方法为高温扩散，所述N型掺杂的元素为磷，所述掺杂浓度为0.5e16cm3-1e16cm3；
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，所述掺杂浓度为0.5e16cm3-1e16cm3。
9.根据权利要求6-8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，所述“在所述热电偶区内依次形成第一热电偶条(31)、电绝缘薄膜(33)及第二热电偶条(32)”后，还包括在所述第二热电偶条(32)上方形成保护层的步骤，且所述通孔贯穿所述电绝缘薄膜(33)、第二热电偶条(32)及保护层(7)。
10.根据权利要求1-9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，所述“在衬底(1)的上表面形成支撑层(2)”包括以下步骤:
通过等离子增强型化学气相淀积方法在所述衬底(1)的上表面沉积长厚度为0.6-0.9μm的氧化硅以得到第一氧化硅层(21)；
通过等离子增强型化学气相淀积方法在所述第一氧化硅层(21)的上表面沉积厚度为0.5-0.7μm的氮化硅以得到氮化硅层(22)；
通过等离子增强型化学气相淀积方法在所述氮化硅层(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)。
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