CN112113670B - 一种mems热电堆红外探测器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微机电系统MEMS技术领域，具体涉及一种MEMS热电堆红外探测器及制备方法。红外探测器由下至上依次包括衬底层、牺牲层、支撑层、圆形吸收区和热电堆；热电堆包括若干根热电偶，若干根热电偶依次电气串联，且中心对称均匀分布在圆形吸收区的四周，形成辐射状的热电堆，每根热电偶从下至上依次包括第二热电偶层、隔离层和第一热电偶层，热电堆通过水平的支撑层布设在牺牲层的上端，且圆形吸收区对应位于隔热空腔的上方，每根热电偶的一端和圆形吸收区连接，另一端位于隔热空腔上端口外侧对应的支撑层上。本发明通过热电偶的堆叠结构与热电堆的辐射分布，提高了传感器表面的利用率，同时也增强了冷端的热传导，因此提高了传感器的整体性能。

Description

一种MEMS热电堆红外探测器及制备方法
技术领域
本发明属于微机电系统MEMS技术领域，具体涉及一种MEMS热电堆红外探测器及制备方法。
背景技术
微机电系统 MEMS是集微机械与微电子功能于一体的微型机电器件或系统，基于MEMS技术的器件（如MEMS传感器、驱动器）体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定等优点而广泛应用，尤其是在汽车、航天航空及电子行业。目前的微机电红外探测器在民用与军事领域都应用广泛，在军事上常广泛用于物体的探测与成像，如战地的夜视眼镜，军事营地的红外预警系统都使用了红外探测技术。在民用方面包括远程测温，和消费电子领域都应用广泛。
热电堆红外探测器是基于塞贝克效应的非制冷红外探测器，当两种不同导电材料的闭环节点存在温度差时，此时电路会产生热电势差，多个热偶相互串联形成热电堆。此时热电堆输出电压是所有串联热电偶的温差电动势之和。
目前常用的热电偶材料有：金和P型多晶硅，铝和硅外延层P型扩散器，N型和P型多晶硅。红外热电堆探测器不需要制冷和斩波，可以立即使用，此外随着CMOS的IIC工艺的引入使得制作工艺相对简单而且具有更低的成本。这些优势推动着红外热电堆的发展，但随着元件的尺寸的减小，红外吸收面积也减小，传感器性能随之降低。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，解决器件表面积利用率不高，以及吸收层红外吸收效率不高的问题，本发明提供一种MEMS热电堆红外探测器及制备方法，提高了传感器的性能，同时都与IC工艺兼容，可以批量生产。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种MEMS热电堆红外探测器，由下至上依次包括衬底层 1、牺牲层2、支撑层4、圆形吸收区31和热电堆32；
所述衬底层1以方形的P型硅片为基础制成；
所述牺牲层2以多晶硅为基础制成，牺牲层2的中部贯穿开设方形的隔热空腔21；
所述热电堆32包括若干根热电偶，若干根热电偶依次电气串联，且中心对称均匀分布在圆形吸收区31的四周，形成辐射状的热电堆32；
所述圆形吸收区31包括氮化硅材料的第一层吸收层311和黑硅材料的第二层吸收层312；
所述每根热电偶为水平布设的长条形，且从下至上依次包括第二热电偶层321、隔离层322和第一热电偶层323，每根热电偶的第二热电偶层321和第一热电偶层323电气连接；第二热电偶层321由N型多晶硅材料制成，隔离层322由氧化硅材料制成，第一热电偶层323由P型多晶硅材料制成；
所述热电堆32通过水平的支撑层4布设在牺牲层2的上端，且圆形吸收区31对应位于隔热空腔21的上方，每根热电偶的一端和圆形吸收区31连接，另一端位于隔热空腔21上端口外侧对应的支撑层4上。
进一步，所述支撑层4为二氧化硅氧化膜。
进一步，所述热电堆32包括40根热电偶，且热电堆32对应圆形吸收区31的一端为热端，另一端为冷端，且冷端对应的热电偶的第二热电偶层321和相邻热电偶的第一热电偶层323均通过第一电极324连接，热端对应的每根热电偶的第二热电偶层321和第一热电偶层323通过第二电极325连接，使得40根热电偶依次电气串联，并通过电极焊盘324引出；所述第一电极325和第二电极326均由Ti-Al材料制成。
本发明还包括上述一种MEMS热电堆红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
备片：准备一块晶向<100>的P型硅片作为衬底层1，在P型硅片的上表面利用热氧化生长一层0.5um厚的二氧化硅氧化膜Ⅰ11，并使用低压化学气相沉积法，在二氧化硅氧化膜Ⅰ11上沉积多晶硅作为牺牲层2，且牺牲层2厚度为2um；
一次光刻：在牺牲层2表面利用反应离子刻蚀技术，贯穿牺牲层2光刻刻蚀出回形的窄槽22；
沉积氧化：利用等离子化学气相沉积和热氧化技术，在窄槽22内贴壁生长一层二氧化硅氧化膜Ⅱ，由二氧化硅氧化膜Ⅰ与二氧化硅氧化膜Ⅱ构成空腔释放停止结构；
同时在牺牲层2上表面使用低压化学气相沉积生长一层0.8微米厚的二氧化硅氧化膜Ⅲ23；
二次刻蚀：在二氧化硅氧化膜Ⅲ23的表面，使用低压化学气相沉积法沉积P型多晶硅层，对P型多晶硅层进行B离子注入并进行光刻刻蚀，形成热电堆32的第二热电偶层321；
三次光刻：使用低压化学气相沉积法在二次刻蚀后的器件上表面沉积氮化硅层，对氮化硅层进行光刻刻蚀，刻蚀形成圆形的第二吸收层311，第二吸收层311对应的圆形区域既作为红外吸收区又作为后续刻蚀停止区，第二吸收层311要与第二热电偶层321充分接触；
四次光刻：使用低压化学气相沉积法在三次光刻后的器件上表面依次沉积氧化硅层和N型多晶硅层，对N型多晶硅层进行光刻刻蚀形成热电堆32的第一热电偶层323，使得第一热电偶层323的长度短于对应的第二热电偶层321的长度；
五次光刻：对上述的氧化硅层进行光刻刻蚀，暴露出第二热电偶层321的两端和圆形吸收区31，形成热电堆32的隔离层322，隔离层322对第一热电偶层323与第二热电偶层321进行隔离；
六次光刻：
通过溅射方法在五次光刻后的器件上表面制备Ti-Al材料的导电层，进行湿法刻蚀形成第一电极325、第二电极326和电极焊盘324，
使得冷端对应的热电偶的第二热电偶层321和相邻热电偶的第一热电偶层323均通过第一电极325连接，且电极焊盘324为第一电极325的引出端部，
热端对应的每根热电偶的第二热电偶层321和第一热电偶层323通过第二电极326连接；
七次光刻：
利用等离子化学气相沉积法在六次光刻后的器件上表面沉积一层二氧化硅，进行光刻刻蚀释放出二次光刻的圆形吸收区和电极焊盘324，形成保护隔离的钝化层12；
八次光刻：
利用等离子化学气相沉积沉积在七次光刻后的器件上表面沉积一层多晶硅，通入溴化氢对多晶硅层干法刻蚀形成黑硅，再通过光刻刻蚀在第二吸收层311的上端形成第一吸收层312，同时第一吸收层312要与第一热电偶层323充分接触；
九次光刻：
进行光刻刻蚀，释放相邻热电偶之间的二氧化硅氧化膜Ⅲ23，同时对第二吸收层311、第一吸收层312及第二吸收层311下方对应的二氧化硅氧化膜Ⅲ23上刻蚀形成贯通且均匀分布的释放开口313；
至此二氧化硅氧化膜Ⅲ23经刻蚀形成了支撑层4；
十次光刻：九次光刻后的器件表面进行涂胶保护，通过释放开口313注入二氟化氙，对二氧化硅氧化膜Ⅰ和二氧化硅氧化膜Ⅱ包围的牺牲层2进行干法刻蚀，释放形成隔热空腔21，最后利用氧等离子除去光刻胶。
本发明的有益技术效果如下：
1、本发明通过将第二热电偶层、隔离层和第一热电偶层依次进行堆叠形成三维结构的热电堆，相比将第二热电偶层，第一热电偶层放于同一平面，三维结构极大的器件表面的50%利用率，同时热电堆为中心对称的辐射分布，避免了热电堆冷端集中在一个区域而不利于冷端的热传导，提高了冷、热端的温差从而提升了本发明的MEMS热电堆红外探测器的整体性能。
2、本发明通过由二氧化硅氧化膜Ⅰ与二氧化硅氧化膜Ⅱ构成了空腔释放停止结构，在空腔释放过程中，二氧化硅氧化膜Ⅱ有效的避免了因为侧面的各向同性刻蚀而导致器件冷端悬空与器件的损坏，冷端的悬空会导致冷端的热不能有效的传导，从而降低器件的性能。二氧化硅氧化膜Ⅰ与二氧化硅氧化膜Ⅱ的结合有效的控制了隔热空腔的尺寸，提高了制造的成品率。
3、本发明通过吸收区使用两层不同吸收材料制备，下层材料与上层材料在红外吸收波长互补提高器件的工作范围与性能，下层材料也作为对吸收区支撑层的保护，避免了对吸收区支撑层的破坏。
附图说明
图1为本发明的热电堆红外探测器的立体结构示意图。
图2为图1的爆炸图。
图3为本发明热电堆的放大示意图。
图4为本发明的热电堆红外探测器的剖面图。
图5为本发明备片的工艺剖面示意图。
图6为本发明一次光刻的工艺剖面示意图。
图7为本发明沉积氧化的工艺剖面示意图。
图8为本发明二次光刻的工艺剖面示意图。
图9为本发明三次光刻的工艺剖面示意图。
图10为本发明四次光刻的工艺剖面示意图。
图11为本发明五次光刻的工艺剖面示意图。
图12为本发明六次光刻的工艺剖面示意图。
图13为本发明七次光刻的工艺剖面示意图。
图14为本发明八次光刻的工艺剖面示意图。
图15为本发明九次、十次光刻的工艺剖面示意图。
其中标号：1衬底层 、11二氧化硅氧化膜Ⅰ、12钝化层、2牺牲层、21隔热空腔、22窄槽、23二氧化硅氧化膜Ⅲ、31圆形吸收区、32、热电堆、311第二层吸收层、312第一层吸收层、313释放开口、321第二热电偶层、322隔离层、323第一热电偶层、324电极焊盘、325第一电极、326第二电极、4支撑层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
见图1～4，一种MEMS热电堆红外探测器，由下至上依次包括衬底层 1、牺牲层2、支撑层4、圆形吸收区31和热电堆32；
所述衬底层1以方形的P型硅片为基础制成；
所述牺牲层2以多晶硅为基础制成，牺牲层2的中部贯穿开设方形的隔热空腔21；
所述热电堆32包括若干根热电偶，若干根热电偶依次电气串联，且中心对称均匀分布在圆形吸收区31的四周，形成辐射状的热电堆32；
所述圆形吸收区31包括氮化硅材料的第一层吸收层311和黑硅材料的第二层吸收层312；
所述每根热电偶为水平布设的长条形，且从下至上依次包括第二热电偶层321、隔离层322和第一热电偶层323，每根热电偶的第二热电偶层321和第一热电偶层323电气连接；第二热电偶层321由N型多晶硅材料制成，隔离层322由氧化硅材料制成，第一热电偶层323由P型多晶硅材料制成；
所述热电堆32通过水平的支撑层4布设在牺牲层2的上端，且圆形吸收区31对应位于隔热空腔21的上方，每根热电偶的一端和圆形吸收区31连接，另一端位于隔热空腔21上端口外侧对应的支撑层4上。
进一步，所述支撑层4为二氧化硅氧化膜。
进一步，所述热电堆32包括40根热电偶，且热电堆32对应圆形吸收区31的一端为热端，另一端为冷端，且冷端对应的热电偶的第二热电偶层321和相邻热电偶的第一热电偶层323均通过第一电极324连接，热端对应的每根热电偶的第二热电偶层321和第一热电偶层323通过第二电极325连接，使得40根热电偶依次电气串联，并通过电极焊盘324引出；所述第一电极325和第二电极326均由Ti-Al材料制成。
本实例一种热电堆红外探测器的工作原理如下:
本实施例的热电堆红外探测器，热电堆32的第二层吸收层311材料使用P性多晶硅，第一层吸收层312材料使用N型多晶硅。热电偶的热端与圆形吸收区31相连，冷端位于隔热空腔21上端口外侧对应的支撑层4上。当圆形吸收区31收到红外照射时，转换为热能后传导到热端，热端与圆形吸收区31悬空，下方有隔热空腔21可以减少热量的散失，而冷端的热能传导到衬底层1，冷端温度与衬底层1温度保持一致，在冷端与热端会存在温度差。第二层吸收层311材料与第一层吸收层312材料的塞贝克系数不同，根据塞贝克效应，进而冷热两端会产生一个温差电动势。将多个热电偶串联构建一个热电堆，温差电动势串联通过电极焊盘324输出。热电堆红外探测器利用光-热-电的转换来检测红外信号。
实施例2
本发明还包括一种MEMS热电堆红外探测器的制备方法，见图5～15，本发明还包括上述一种MEMS热电堆红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
备片：见图5，准备一块晶向<100>的P型硅片作为衬底层1，在P型硅片的上表面利用热氧化生长一层0.5um厚的二氧化硅氧化膜Ⅰ11，并使用低压化学气相沉积法，在二氧化硅氧化膜Ⅰ11上沉积多晶硅作为牺牲层2，且牺牲层2厚度为2um；
一次光刻：见图6，在牺牲层2表面利用反应离子刻蚀技术，贯穿牺牲层2光刻刻蚀出回形的窄槽22；
沉积氧化：见图7，利用等离子化学气相沉积和热氧化技术，在窄槽22内贴壁生长一层二氧化硅氧化膜Ⅱ，由二氧化硅氧化膜Ⅰ与二氧化硅氧化膜Ⅱ构成空腔释放停止结构；
同时在牺牲层2上表面使用低压化学气相沉积生长一层0.8微米厚的二氧化硅氧化膜Ⅲ23；
二次刻蚀：见图8，在二氧化硅氧化膜Ⅲ23的表面，使用低压化学气相沉积法沉积P型多晶硅层，对P型多晶硅层进行B离子注入并进行光刻刻蚀，形成热电堆32的第二热电偶层321；
三次光刻：见图9，使用低压化学气相沉积法在二次刻蚀后的器件上表面沉积氮化硅层，对氮化硅层进行光刻刻蚀，刻蚀形成圆形的第二吸收层311，第二吸收层311对应的圆形区域既作为红外吸收区又作为后续刻蚀停止区，第二吸收层311要与第二热电偶层321充分接触；
四次光刻：见图10，
使用低压化学气相沉积法在三次光刻后的器件上表面依次沉积氧化硅层和N型多晶硅层，对N型多晶硅层进行光刻刻蚀形成热电堆32的第一热电偶层323，使得第一热电偶层323的长度短于对应的第二热电偶层321的长度；
五次光刻：见图11，对上述的氧化硅层进行光刻刻蚀，暴露出第二热电偶层（321）的两端和圆形吸收区31，形成热电堆32的隔离层322，隔离层322对第一热电偶层323与第二热电偶层321进行隔离；方便后续工艺将多跟热电偶条进行串联；
六次光刻：见图12，
通过溅射方法在五次光刻后的器件上表面制备Ti-Al材料的导电层，进行湿法刻蚀形成第一电极325、第二电极326和电极焊盘324，
使得冷端对应的热电偶的第二热电偶层321和相邻热电偶的第一热电偶层323均通过第一电极325连接，且电极焊盘324为第一电极325的引出端部，
热端对应的每根热电偶的第二热电偶层321和第一热电偶层323通过第二电极326连接；
七次光刻：见图13，
利用等离子化学气相沉积法在六次光刻后的器件上表面沉积一层二氧化硅，进行光刻刻蚀释放出二次光刻的圆形吸收区和电极焊盘324，形成保护隔离的钝化层12；
八次光刻：见图14，
利用等离子化学气相沉积沉积在七次光刻后的器件上表面沉积一层多晶硅，通入溴化氢对多晶硅层干法刻蚀形成黑硅，再通过光刻刻蚀在第二吸收层311的上端形成第一吸收层312，同时第一吸收层312要与第一热电偶层323充分接触；
九次光刻：见图15，
进行光刻刻蚀，释放相邻热电偶之间的二氧化硅氧化膜Ⅲ23，同时对第二吸收层311、第一吸收层312及第二吸收层311下方对应的二氧化硅氧化膜Ⅲ23上刻蚀形成贯通且均匀分布的释放开口313；
至此二氧化硅氧化膜Ⅲ23经刻蚀形成了支撑层4；
十次光刻：见图15，
九次光刻后的器件表面进行涂胶保护，通过释放开口313注入二氟化氙，对二氧化硅氧化膜Ⅰ和二氧化硅氧化膜Ⅱ包围的牺牲层2进行干法刻蚀，释放形成隔热空腔21，最后利用氧等离子除去光刻胶。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种MEMS热电堆红外探测器，其特征在于：由下至上依次包括衬底层 （1）、牺牲层（2）、支撑层（4）、圆形吸收区（31）和热电堆（32）；
所述衬底层（1）以方形的P型硅片为基础制成；
所述牺牲层（2）以多晶硅为基础制成，牺牲层（2）的中部贯穿开设方形的隔热空腔（21）；
所述热电堆（32）包括若干根热电偶，若干根热电偶依次电气串联，且中心对称均匀分布在圆形吸收区（31）的四周，形成辐射状的热电堆（32）；
所述圆形吸收区（31）包括氮化硅材料的第二吸收层（311）和黑硅材料的第一吸收层（312）；
每根所述热电偶为水平布设的长条形，且从下至上依次包括第二热电偶层（321）、隔离层（322）和第一热电偶层（323），每根热电偶的第二热电偶层（321）和第一热电偶层（323）电气连接；第二热电偶层（321）由P型多晶硅材料制成，隔离层（322）由氧化硅材料制成，第一热电偶层（323）由N型多晶硅材料制成；
所述热电堆（32）通过水平的支撑层（4）布设在牺牲层（2）的上端，且圆形吸收区（31）对应位于隔热空腔（21）的上方，每根热电偶的一端和圆形吸收区（31）连接，另一端位于隔热空腔（21）上端口外侧对应的支撑层（4）上；
上述MEMS热电堆红外探测器具体包括以下制备步骤：
备片：准备一块晶向<100>的P型硅片作为衬底层（1），在P型硅片的上表面利用热氧化生长一层0.5um厚的二氧化硅氧化膜Ⅰ（11），并使用低压化学气相沉积法，在二氧化硅氧化膜Ⅰ（11）上沉积多晶硅作为牺牲层（2），且牺牲层（2）厚度为2um；
一次光刻：在牺牲层（2）表面利用反应离子刻蚀技术，贯穿牺牲层（2）光刻刻蚀出回形的窄槽（22）；
沉积氧化：利用等离子化学气相沉积和热氧化技术，在窄槽（22）内贴壁生长一层二氧化硅氧化膜Ⅱ，由二氧化硅氧化膜Ⅰ与二氧化硅氧化膜Ⅱ构成空腔释放停止结构；
同时在牺牲层（2）上表面使用低压化学气相沉积生长一层0.8微米厚的二氧化硅氧化膜Ⅲ（23）；
二次刻蚀：在二氧化硅氧化膜Ⅲ（23）的表面，使用低压化学气相沉积法沉积P型多晶硅层，对P型多晶硅层进行B离子注入并进行光刻刻蚀，形成热电堆（32）的第二热电偶层（321）；
三次光刻：使用低压化学气相沉积法在二次刻蚀后的器件上表面沉积氮化硅层，对氮化硅层进行光刻刻蚀，刻蚀形成圆形的第二吸收层（311），第二吸收层（311）对应的圆形区域既作为红外吸收区又作为后续刻蚀停止区，第二吸收层（311）要与第二热电偶层（321）充分接触；
四次光刻：使用低压化学气相沉积法在三次光刻后的器件上表面依次沉积氧化硅层和N型多晶硅层，对N型多晶硅层进行光刻刻蚀形成热电堆（32）的第一热电偶层（323），使得第一热电偶层（323）的长度短于对应的第二热电偶层（321）的长度；
五次光刻：对上述的氧化硅层进行光刻刻蚀，暴露出第二热电偶层（321）的两端和圆形吸收区（31），形成热电堆（32）的隔离层（322），隔离层（322）对第一热电偶层（323）与第二热电偶层（321）进行隔离；
六次光刻：
通过溅射方法在五次光刻后的器件上表面制备Ti-Al材料的导电层，进行湿法刻蚀形成第一电极（325）、第二电极（326）和电极焊盘（324），
使得冷端对应的热电偶的第二热电偶层（321）和相邻热电偶的第一热电偶层（323）均通过第一电极（325）连接，且电极焊盘（324）为第一电极（325）的引出端部，
热端对应的每根热电偶的第二热电偶层（321）和第一热电偶层（323）通过第二电极（326）连接；
七次光刻：
利用等离子化学气相沉积法在六次光刻后的器件上表面沉积一层二氧化硅，进行光刻刻蚀释放出二次光刻的圆形吸收区（31）和电极焊盘（324），形成保护隔离的钝化层（12）；
八次光刻：
利用等离子化学气相沉积在七次光刻后的器件上表面沉积一层多晶硅，通入溴化氢对多晶硅层干法刻蚀形成黑硅，再通过光刻刻蚀在第二吸收层（311）的上端形成第一吸收层（312），同时第一吸收层（312）要与第一热电偶层（323）充分接触；
九次光刻：
进行光刻刻蚀，释放相邻热电偶之间的二氧化硅氧化膜Ⅲ（23），同时对第二吸收层（311）、第一吸收层（312）及第二吸收层（311）下方对应的二氧化硅氧化膜Ⅲ（23）刻蚀形成贯通且均匀分布的释放开口（313）；
至此二氧化硅氧化膜Ⅲ（23）经刻蚀形成了支撑层（4）；
十次光刻：九次光刻后的器件表面进行涂胶保护，通过释放开口（313）注入二氟化氙，对二氧化硅氧化膜Ⅰ和二氧化硅氧化膜Ⅱ包围的牺牲层（2）进行干法刻蚀，释放形成隔热空腔（21），最后利用氧等离子除去光刻胶。
2.根据权利要求1所述一种MEMS热电堆红外探测器，其特征在于：所述热电堆（32）包括40根热电偶，且热电堆（32）对应圆形吸收区（31）的一端为热端，另一端为冷端，且冷端对应的热电偶的第二热电偶层（321）和相邻热电偶的第一热电偶层（323）均通过第一电极（325）连接，热端对应的每根热电偶的第二热电偶层（321）和第一热电偶层（323）通过第二电极（326）连接，使得40根热电偶依次电气串联，并通过电极焊盘（324）引出；所述第一电极（325）和第二电极（326）均由Ti-Al材料制成。
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