CN111969098A - 高吸收热电堆及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种高吸收热电堆及其制作方法，所述热电堆包括红外吸收层；其中，所述红外吸收层包括旋涂碳材质。本发明首次将旋涂碳材质应用到热电堆作为红外吸收层材料，利用该旋涂碳材质增强红外吸收层的吸光效果，提高热电堆的红外吸收性能。
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(SiN、SiC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(SiN、SiC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。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括：
作为本发明的一个方面，提供一种热电堆，所述热电堆包括红外吸收层；
其中，所述红外吸收层包括旋涂碳材质。
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：采用旋涂方法形成包括旋涂碳材质的红外吸收层。
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)本发明首次将旋涂碳材质应用到热电堆的红外吸收层，利用该旋涂碳材质增强红外吸收层的吸光效果，提高热电堆的红外吸收性能；
(2)本发明将与CMOS兼容的材料(作为中红外吸收层)和旋涂碳(SOC，作为抗反射层和近红外吸收层)结合形成复合叠层吸光结构，来实现对于不同波段的光有补充吸收的作用；
(3)本发明通过光刻和刻蚀技术，形成SOC的纳米柱、纳米线或者纳米椎结构，通过增强SOC的比表面积增强红外吸收层的限光效应，从而提高光吸收，制作出高红外吸收的热电堆器件；
(4)本发明提出的制作高吸收复合结构热电堆的方法工艺简单，与CMOS工艺相兼容且能提高器件红外吸光性。
附图说明
图1为本发明实施例1步骤1形成结构示意图；
图2为本发明实施例1步骤2形成结构示意图；
图3为本发明实施例1步骤3形成结构示意图；
图4为本发明实施例1热电堆结构示意图；
图5为本发明实施例2步骤3形成结构示意图；
图6为本发明实施例2热电堆结构示意图。
以上附图中，附图标记含义如下：
1、衬底；11、背腔；2、支撑层；3、多晶硅热偶；4、金属电极；5、氮化硅层；6、旋涂碳层；7、纳米柱；8、纳米椎。
具体实施方式
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，热电堆包括红外吸收层；
其中，红外吸收层包括旋涂碳材质。
在本发明的实施例中，红外吸收层包括旋涂碳材质，旋涂碳具有光吸收作用，可以增强红外吸收层的吸光效果。
在本发明的实施例中，热电堆包括红外吸收层；
红外吸收层，为复合叠层；红外吸收层包括：
中红外吸收层；
近红外吸收层，形成于中红外吸收层上；其中，近红外吸收层包括旋涂碳材质。
在本发明的优选实施例中，提出一种复合叠层作为红外吸收层，中红外吸收层与旋涂碳材质的近红外吸收层结合，可以对于不同波段的光具有补充吸收的作用。
更为具体的，当中红外吸收层为氮化硅材质时，对7.6μm～11.6μm波段的光的吸收性比较强；而SOC则对1μm～5μm波段的光的吸收性比较强。二者结合，增加了可吸收性光的波段范围。
在本发明的实施例中，红外吸收层包括多个纳米凸起。
在本发明的实施例中，纳米凸起包括纳米线、纳米柱或者纳米椎。
在本发明的实施例中，纳米凸起可以增强红外吸收层的比表面积，增强其限光效应，即增强对光的捕获。纳米凸起从结构上提高光吸收性，制作出高红外吸收的热电堆。
在本发明的实施例中，中红外吸收层的材质包括氮化硅、碳化硅或者多晶硅材料。更为具体的，该中红外吸收层的材质为与CMOS兼容的材料。
在本发明的实施例中，热电堆在红外吸收层的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：采用旋涂方法形成包括旋涂碳材质的红外吸收层。
在本发明的实施例中，在形成红外吸收层之前，制作方法还包括在衬底上外延形成支撑层和热电偶的步骤；
在形成红外吸收层之后，制作方法还包括如下步骤：
步骤A：采用保护膜对红外吸收层进行保护；
步骤B：在衬底上刻蚀形成背腔；
步骤C：采用灰化工艺去除保护膜，完成制备。
更为具体的，该保护膜可以为聚酰亚胺或者光刻胶。当保护膜采用聚酰亚胺旋涂形成时，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，包括多个纳米凸起的红外吸收层的制备具体包括：对红外吸收层进行刻蚀，形成多个纳米凸起。
在本发明的实施例中，采用光刻、电子束光刻或者纳米压印方法对红外吸收层进行刻蚀形成多个纳米凸起；
刻蚀前，光刻胶需要用O2等离子体进行修剪，形成预设的纳米凸起形貌；
在刻蚀过程中，刻蚀气为O2，压力为1～20mT，上射频功率为100～500W，下射频功率为0～100W。
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
本发明实施例1中的高吸收复合结构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5作为中红外吸收层。
更为具体的，如图1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5；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。
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。
子步骤116：在具有金属电极4的氧化硅膜上形成氮化硅层5；其中，氮化硅层5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5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)。
步骤2：旋涂碳层6淀积方式采用旋涂制作；
如图2所示，在氮化硅层5上淀积旋涂碳层6作为近红外吸收层，形成复合叠层的红外吸收层。
步骤3：对红外吸收层进行刻蚀，形成阵列结构的纳米柱7。
更为具体的，采用光刻方法对红外吸收层进行刻蚀形成多个纳米柱7；
刻蚀前，光刻胶需要用O2等离子体进行修剪，形成预设的纳米柱形貌；
在刻蚀过程中，刻蚀气为O2，压力为1～20mT，上射频功率为100～500W，下射频功率为0～100W。
得到如图3所示的SOC纳米柱7。
步骤4：在衬底1背面进行大面积深硅刻蚀工艺制作镂空背腔11；
步骤411：采用保护膜对红外吸收层进行保护；
更为具体的，该保护膜为聚酰亚胺，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。
步骤412：在衬底1上刻蚀形成背腔11；采用干法工艺制作背面镂空背腔11，
步骤413：采用灰化工艺去除保护膜，完成制备，得到如图4所示热电堆结构。
实施例2
在本发明实施例2中，其制作方法与实施例1的不同之处在于，步骤3为对红外吸收层进行刻蚀，形成如图5所示的阵列结构的纳米椎8。
在本发明实施例2中，高吸收复合结构热电堆与实施例1的不同之处在于，本实施例2中的热电堆红外吸收层的纳米凸起为如图6所示的纳米椎8。
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，所述热电堆包括红外吸收层；
其中，所述红外吸收层包括旋涂碳材质。
2.如权利要求1所述的热电堆，其特征在于，包括：
红外吸收层，为复合叠层；所述红外吸收层包括：
中红外吸收层；
近红外吸收层，形成于所述中红外吸收层上；其中，所述近红外吸收层包括旋涂碳材质。
3.如权利要求1或2所述的热电堆，其特征在于，所述红外吸收层包括多个纳米凸起。
4.如权利要求3所述的热电堆，其特征在于，所述纳米凸起包括纳米线、纳米柱或者纳米椎。
5.如权利要求2所述的热电堆，其特征在于，所述中红外吸收层的材质包括氮化硅、碳化硅或者多晶硅材料。
6.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的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。
7.一种热电堆的制作方法，其特征在于，包括：采用旋涂方法形成包括旋涂碳材质的红外吸收层。
8.如权利要求7所述的制作方法，其特征在于，在形成红外吸收层之前，所述制作方法还包括在衬底上外延形成支撑层和热电偶的步骤；
在形成红外吸收层之后，所述制作方法还包括如下步骤：
步骤A：采用保护膜对红外吸收层进行保护；
步骤B：在所述衬底上刻蚀形成背腔；
步骤C：采用灰化工艺去除保护膜，完成制备。
9.如权利要求7所述的制作方法，其特征在于，包括多个纳米凸起的红外吸收层的制备具体包括：对红外吸收层进行刻蚀，形成多个纳米凸起。
10.如权利要求9所述的热电堆的制作方法，其特征在于，
采用光刻、电子束光刻或者纳米压印方法对红外吸收层进行刻蚀形成多个纳米凸起；
刻蚀前，光刻胶需要用O2等离子体进行修剪，形成预设的纳米凸起形貌；
在刻蚀过程中，刻蚀气为O2，压力为1～20mT，上射频功率为100～500W，下射频功率为0～100W。
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