CN111964794A - 高吸收纳米结构热电堆及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种高吸收纳米结构热电堆及其制作方法，热电堆包括：红外吸收层；其中红外吸收层包括若干个具有内凹结构的纳米柱。本发明采用与CMOS兼容的材料作为红外吸收层，通过对红外吸收层进行结构改进，在红外吸收层刻蚀形成具有内凹结构的纳米柱，来增强红外吸收层的限光效应，提高光吸收，从而制作出高红外吸收的热电堆器件。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器技术领域，尤其涉及一种高吸收纳米结构热电堆及其制作方法。
背景技术
目前红外探测器广泛应用于民用和军用领域，而热电堆红外探测器是众多类型红外探测器中最早发展的一种。由于其具有可以常温下工作、响应波段宽、制作成本低廉等优势，因此发展极为迅速，应用非常广泛。在热电堆红外探测器的工艺制备中，将其制造工艺与集成电路工艺相兼容是使其形成大规模探测阵列，提高探测响应率，并降低工艺制作成本的主要办法。
热电堆的制作工艺中，其吸收层的设计很关键，主要体现在结构设计和材料选择两方面。一方面需要对红外辐射具有较大的吸收率，另一方面是其制作工艺需要与CMOS(complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺相兼容。目前研究较多的红外吸收层材料主要有“黑色”物质(金黑、银黑等)、硅化物(氮化硅、碳化硅等)等，它们具有以下特征：金属黑对红外辐射的吸收率很高，但是他们的制作工艺复杂且与CMOS不兼容；硅基复合膜(氮化硅、碳化硅等)在较长波长范围内对光具有一定的吸收，但是吸光效率低于金属黑。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种高吸收纳米结构热电堆及其制作方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
作为本发明的一个方面，提供一种热电堆，包括：
红外吸收层，所述红外吸收层包括若干个具有内凹结构的纳米柱。
作为本发明的另一个方面，还提供一种热电堆的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：淀积形成红外吸收膜层；
步骤2：在所述红外吸收膜层上形成图形化的掩模层；
步骤3：以图形化的掩模层为掩模，采用各向异性/各向同性循环刻蚀工艺刻蚀所述红外吸收膜层，形成若干个具有内凹结构的纳米柱。
基于上述技术方案，本发明相较于现有技术，至少具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：
(1)采用与CMOS兼容的材料作为红外吸收层，并在红外吸收层上形成具有内凹结构的纳米柱，增强红外吸收层的限光效应，提高光吸收，从而制作出高红外吸收的热电堆器件；
(2)本发明通过光刻和特殊刻蚀技术，制作方法简单。
附图说明
图1为本发明实施例热电堆结构示意图；
图2为本发明实施例步骤1形成结构示意图；
图3为本发明实施例1子步骤211形成结构示意图；
图4为本发明实施例1子步骤212形成结构示意图；
图5为本发明实施例1步骤3形成结构示意图；
图6为本发明实施例1步骤3形成的纳米柱结构SEM图；
图7为本发明实施例2子步骤222形成结构示意图；
图8为本发明实施例2子步骤223形成结构示意图；
图9为本发明实施例2子步骤224形成结构示意图；
图10为本发明实施例2子步骤226形成结构示意图；
图11为本发明实施例2步骤3形成结构示意图。
以上附图中，附图标记含义如下：
1、衬底；111、背腔；2、支撑层；3、多晶硅热偶；4、金属电极；5、红外吸收层；511、纳米柱；512、内凹部；513、垂直部；514、氮化硅层；6、氧化硅硬掩模；7、氧化硅层；8、侧墙层。
具体实施方式
本发明提出了一种工艺简单，与CMOS工艺相兼容且能提高红外吸收层吸光性的高吸收纳米结构热电堆。本发明采用与CMOS兼容的材料作为红外吸收层，通过光刻和特殊刻蚀技术，形成具有内凹结构的纳米柱，增强红外吸收层的限光效应，提高光吸收，从而制作出高红外吸收的热电堆器件。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
作为本发明的一个方面，提供一种热电堆，包括：
红外吸收层，红外吸收层包括若干个具有内凹结构的纳米柱。
本发明通过对红外吸收层进行结构改进，在红外吸收层上刻蚀形成具有内凹结构的纳米柱，来增强红外吸收层的限光效应；更为具体的，其限光效应为增强对光的捕获。
在本发明实施例中，利用内凹形貌，光入射后会多次反射和折射，增强了对光的捕获，有利于提高红外吸收层的吸光性。
在本发明的实施例中，红外吸收层包括多个呈阵列设置的具有内凹结构的纳米柱。
在本发明的实施例中，具有内凹结构的纳米柱的阵列密度越高，越有利于其发挥限光效应；但是，基于刻蚀技术的影响，因此，其间距优选为0～100nm。
在本发明的实施例中，纳米柱的深宽比为1∶1～1∶10。这是因为，纳米柱的高度越高的话，深宽比越大，当深宽比过大时，纳米柱容易倒塌，因此适宜范围为1∶1～1∶10。
在本发明的实施例中，其中纳米柱的截面形状可以为圆形，但是并不局限于此，还可以为椭圆形、矩形等。
在本发明的实施例中，纳米柱的内凹结构为在单个纳米柱的相对的两侧分别对称设置多个呈弧形的内凹部；每侧的多个内凹部沿纳米柱的轴线方向呈阵列设置。
在本发明的实施例中，单侧相邻两个内凹部的间距为1～100nm。
在本发明的实施例中，红外吸收层包括氮化物材质或者硅材质。更为具体的，红外吸收层的材质为Si3N4，SiC或者Poly Si等与CMOS工艺相兼容的材料。
在本发明的实施例中，热电堆在红外吸收层下方由上至下还依次包括热电偶、支撑层和衬底；其中：热电堆还设置背腔，背腔由衬底背面释放形成。
作为本发明的另一个方面，还提供一种热电堆的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：淀积形成红外吸收膜层；
步骤2：在红外吸收膜层上形成图形化的掩模层；
步骤3：以图形化的掩模层为掩模，采用各向异性/各向同性循环刻蚀工艺刻蚀红外吸收膜层，形成若干个具有内凹结构的纳米柱。
在本发明的实施例中，在步骤1之前，制作方法还包括在衬底上淀积形成支撑层和热点偶的步骤；
在步骤3之后，制作方法还包括如下步骤：
步骤4：采用保护膜对包括若干个具有内凹结构的纳米柱的红外吸收层进行保护；
步骤5：在衬底上刻蚀形成背腔；
步骤6：采用灰化工艺去除保护膜，完成制备。
值得一提的是，保护膜可以采用聚酰亚胺旋涂形成，具体为以转速1000～5000rp/min旋涂，然后通过120～250℃的温度烘烤固化形成。
在本发明的实施例中，步骤2中，形成图形化的掩模层的步骤具体包括：淀积掩模层，采用电子束光刻形成图形化的掩模层；或者，
采用侧墙转移方法形成图形化的掩模层。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但需要注意的是，下述的实施例仅用于说明本发明的技术方案，但本发明并不限于此。
实施例1
如图1所示，本发明实施例1提供一种高吸收纳米结构热电堆，包括：红外吸收层5，红外吸收层5包括若干个具有内凹结构的纳米柱511。其中，单个纳米柱511的单侧内凹部512包括2个。相邻两个内凹部512之间的间距为1～100nm。
本发明实施例1中的热电堆的制作方法包括：
步骤1：在衬底1上依次淀积支撑层2、热电偶；并淀积氮化硅层514作为红外吸收膜层。
更为具体的，如图2所示，在衬底1上由下到上依次形成支撑层2、多晶硅热偶3、氧化硅膜、金属电极4和氮化硅层514；该结构的形成具体包括如下子步骤：
子步骤111：在衬底1正面形成支撑层2；
其中，支撑层2由衬底1正面向上依次包括一层氧化硅、一层氮化硅和再一层氧化硅；
支撑层2的淀积形成方法包括低压化学气相沉积法(LPCVD)、快速热化学气相沉积法(RTCVD)或者等离子增强化学气相沉积法(PECVD)；
子步骤112：在支撑层2上形成多晶硅热偶3；
在本发明实施例中，多晶硅热偶3的淀积形成方法包括低压化学气相沉积法(LPCVD)；多晶硅热偶3为一对P型多晶硅热偶。
子步骤113：在支撑层2的裸露区和多晶硅热偶3上形成氧化硅膜；
氧化硅膜的淀积形成方法包括低压化学气相沉积法(LPCVD)、快速热化学气相沉积法(RTCVD)或者等离子增强化学气相沉积法(PECVD)；
子步骤114：在氧化硅膜上形成电极接触孔，电极接触孔延伸至多晶硅热偶3表面；
在本发明的实施例中，采用普通光刻的方法形成电极接触孔。
子步骤115：在具有电极接触孔的氧化硅膜上形成金属电极4；
在本发明实施例中，金属电极4的材质为铝。
子步骤116：在具有金属电极4的氧化硅膜上形成氮化硅层514；其中，氮化硅层514裸露金属电极4的引出端区域。
在本发明的实施例中，氮化硅层514的淀积形成方法包括低压化学气相沉积法(LPCVD)、快速热化学气相沉积法(RTCVD)或者等离子增强化学气相沉积法(PECVD)。
以上仅为本发明的具体实施例而已，热电偶的结构及形成方法并不局限于此，只要能够实现热电堆的热电效应的温差电元件以及制作方法均适用于本发明。
步骤2：在氮化硅层514上形成图形化的氧化硅硬掩模。
子步骤211：在氮化硅层514上淀积氧化硅硬掩模6。
值得一提的是，所示附图3，氮化硅层514下方结构省略。如图3所示，氮化硅层514上方淀积氧化硅硬掩模6，氧化硅硬掩模6生长方式可以为化学气相沉积，也可以为热氧化方式。
子步骤212：采用电子束光刻方式进行图形化，得到如图4所示结构，得到图形化的氧化硅硬掩模。
子步骤213：去除电子束胶。
步骤3：采用各向异性/各向同性循环进行刻蚀，刻蚀出1个至多个直的具有内凹结构的纳米柱511，得到红外吸收层5。
其中，步骤3具体包括：以图形化的氧化硅硬掩模为掩模，对氮化硅层514重复交替进行各向异性刻蚀、氧化和各向同性刻蚀(可以采用但不局限于博世工艺(BOSCH))，形成若干个具有内凹结构的纳米柱511，如图5和图6所示；
其中，单个周期的各向异性刻蚀、氧化和各向同性刻蚀，具体包括如下子步骤：
子步骤311：去除氮化硅层514表面的氧化层；
子步骤312：采用各向异性刻蚀在氮化硅层514上形成垂直部513；
子步骤313：氧化垂直部513的表面形成保护层；
子步骤314：去除氮化硅层514表面的保护层；
子步骤315：采用各向同性刻蚀在氮化硅层514上形成内凹部512；
子步骤316：氧化内凹部512的表面。
步骤4：采用聚酰亚胺(PI)作为保护膜对红外吸收层5正面进行保护。
步骤5：采用干法刻蚀，在衬底1上形成镂空的背腔111；
正面实现纳米柱511的制备后，在背面淀积一层氧化硅用作硅腔释放的掩模层，淀积方式包括但不限于PECVD，LPCVD或者RTCVD；淀积完成后图形化背面氧化硅层，氧化硅层采用干法方式进行刻蚀，进一步采用干法方式刻蚀出镂空背腔111，完成背面刻蚀。
步骤6：采用灰化工艺去除保护膜，完成制备。
在本发明的实施例中，采用灰化工艺去除PI，得到如图1所示热电堆器件。
实施例2
本发明实施例2提供一种高吸收纳米结构热电堆的制作方法，本发明实施例2与实施例1的不同之处在于：图形化的掩模层采用侧墙转移方法形成。
更为具体的，图形化的掩模层制备包括如下子步骤：
子步骤221：在氮化硅层514上生长氧化硅层7；
子步骤222：在氧化硅层7上旋涂光刻胶，并光刻形成图形化光刻胶；
氮化硅层514上生长氧化硅层，氧化硅层7生长方式可以为化学气相沉积(CVD)或者热氧化，若采用多晶硅(或者非晶硅)代替氧化硅层7，则生长方式为CVD方式。生长完膜后，采用常规光刻形成图形化光刻胶，如图7所示。
子步骤223：以图形化光刻胶为掩模，对氧化硅层7进行各向异性刻蚀，形成氧化硅台阶；
如图8所示，各向异性刻蚀氧化硅层成光滑陡直形貌。
子步骤224：在具有氧化硅台阶的氮化硅层514上形成多晶硅层，即为侧墙层8，如图9所示；
淀积一多晶硅层，多晶硅层厚度用来定义后续纳米柱尺寸。
子步骤225：采用自对准刻蚀，形成多晶硅侧墙；
子步骤226：采用湿法腐蚀去除氧化硅台阶，形成图形化的掩模层。
更为具体的，如图10所示，采用自对准刻蚀多晶硅层后，再采用湿法腐蚀，其腐蚀液包括氢氟酸(HF)去除氧化硅台阶，形成图形化的多晶硅硬掩模。
最终，再经过步骤3后得到如图11所示的红外吸收层5。
实施例3
本发明实施例3提供一种热电堆的制作方法，本发明实施例3与实施例2的不同之处在于：红外吸收层5的材质为多晶硅，而侧墙层8采用的氮化硅。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种热电堆，其特征在于，包括：
红外吸收层，所述红外吸收层包括若干个具有内凹结构的纳米柱。
2.如权利要求1所述的热电堆，其特征在于，
所述红外吸收层包括多个呈阵列设置的具有内凹结构的纳米柱。
3.如权利要求1所述的热电堆，其特征在于，所述纳米柱的深宽比为1∶1～1∶10。
4.如权利要求1所述的热电堆，其特征在于，所述纳米柱的内凹结构为在单个所述纳米柱的相对的两侧分别对称设置多个呈弧形的内凹部；每侧的多个内凹部沿所述纳米柱的轴线方向呈阵列设置。
5.如权利要求4所述的热电堆，其特征在于，单侧相邻两个内凹部的间距为1～100nm。
6.如权利要求1所述的热电堆，其特征在于，所述红外吸收层包括氮化物材质或者硅材质。
7.如权利要求1所述的热电堆，其特征在于，所述热电堆在红外吸收层下方由上至下还依次包括热电偶、支撑层和衬底；其中，所述热电堆还设置背腔，所述背腔由衬底背面释放形成。
8.一种热电堆的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：淀积形成红外吸收层膜层；
步骤2：在所述红外吸收膜层上形成图形化的掩模层；
步骤3：以图形化的掩模层为掩模，采用各向异性/各向同性循环刻蚀工艺刻蚀所述红外吸收膜层，形成若干个具有内凹结构的纳米柱。
9.如权利要求8所述的制作方法，其特征在于，
在步骤1之前，所述制作方法还包括在衬底上淀积形成支撑层和热点偶的步骤；
在步骤3之后，所述制作方法还包括如下步骤：
步骤4：采用保护膜对包括若干个具有内凹结构的纳米柱的红外吸收层进行保护；
步骤5：在所述衬底上刻蚀形成背腔；
步骤6：采用灰化工艺去除保护膜，完成制备。
10.如权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述步骤2中，形成图形化的掩模层的步骤具体包括：淀积掩模层，采用电子束光刻形成图形化的掩模层；或者，
采用侧墙转移方法形成图形化的掩模层。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112551479A (zh) * | 2020-12-08 | 2021-03-26 | 江苏创芯海微科技有限公司 | 高性能mems红外传感器及其制备方法 |
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