CN112670397A - 一种热电堆红外探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热电堆红外探测器及其制作方法，涉及探测器技术领域，用于解决热电堆探测器随器件尺寸减小而造成探测器响应率降低的问题。本发明提供一种热电堆红外探测器。该热电堆红外探测器包括热电堆结构，以及位于热电堆结构第一侧的基底和背腔，其中，基底位于热电堆红外探测器的冷端，背腔位于热电堆红外探测器的热端。热电堆结构包括支撑层，以及形成在支撑层上的多层热电偶结构；其中，每层热电偶结构均包括热电偶层以及覆盖热电偶层和支撑层的介质层。热电堆结构还包括互连金属结构，互连金属结构用于将多层热电偶结构进行互连，并形成焊盘。
Description
技术领域
本发明涉及探测器技术领域，特别是涉及一种热电堆红外探测器及其制作方法。
背景技术
红外探测器广泛应用于军事，工业，医疗，科研等领域。热电堆红外探测器因其结构简单，且具有无源特征，被广泛应用于非接触测温，智能家居等领域。
目前，为了降低成本，提高空间分辨率，热电堆探测器向着尺寸缩小的方向发展，随着热电堆探测器尺寸缩小，其结构中的热电偶对数也相应减小，同时冷热端温差也降低，造成热电堆探测器响应率降低，极大的限制了热电堆探测器的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热电堆红外探测器及其制作方法，用于解决热电堆探测器随器件尺寸减小而造成探测器响应率降低的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种热电堆红外探测器。该热电堆红外探测器包括热电堆结构，以及位于热电堆结构第一侧的基底和背腔，其中，基底位于热电堆红外探测器的冷端，背腔位于热电堆红外探测器的热端。热电堆结构包括支撑层，以及形成在支撑层上的多层热电偶结构；其中，每层热电偶结构均包括热电偶层以及覆盖热电偶层和支撑层的介质层。热电堆结构还包括互连金属结构，互连金属结构用于将多层热电偶结构进行互连，并形成焊盘。
与现有技术相比，本发明提供的热电堆红外探测器包括：热电堆结构，以及位于热电堆结构第一侧的基底和背腔。热电堆结构包括支撑层，以及形成在支撑层上的多层热电偶结构；其中，每层热电偶结构均包括热电偶层以及覆盖热电偶层和支撑层的介质层。可见，本发明提供的多层热电偶结构中的多层热电偶堆叠设置，实现了具有叠层设置的两层或两层以上热电偶层的热电堆结构，从而较传统的平面型热电堆结构，大大提高了热电偶层的数量，从而有效提高了探测器响应率，解决了由于探测器尺寸减小而造成响应率降低的问题。
本发明还提供了一种热电堆红外探测器的制作方法，包括：提供一基底材料层。在所述基底材料层上形成自下而上层叠设置的支撑层和多层热电偶结构，其中，每层热电偶结构均包括热电偶层以及至少覆盖所述热电偶层的介质层。在所述多层热电偶结构上形成互连金属结构，所述互连金属结构用于将所述多层热电偶结构进行互连后，形成焊盘。去除位于所述基底材料层第一端的部分基底材料层，形成基底和背腔，得到热电堆红外探测器；其中，所述基底位于所述热电堆红外探测器的冷端，所述背腔位于热电堆红外探测器的热端。
与现有技术相比，本发明提供的热电堆红外探测器的制作方法的有益效果与上述技术方案提供的热电堆红外探测器的有益效果相同，此处不再赘述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种热电堆红外探测器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种热电堆红外探测器制作方法的步骤流程图；
图3-图12是本发明实施例提供的一种热电堆红外探测器制作方法的各个阶段的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在附图中示出本发明实施例的各种示意图，这些图并非按比例绘制。其中，为了清楚明白的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
此外，本发明中，“上”、“下”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义，应当能理解到，这些方向性术语是相对概念，它们用于相对的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位变化而相应地发生变化。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。
红外探测器广泛应用于军事，工业，医疗，科研等领域。热电堆红外探测器因其结构简单，制造工艺与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)兼容，且具有无源特征被广泛应用于非接触测温，智能家居等领域。热电堆红外探测器基于赛贝克(Seebeck)效应工作，赛贝克效应是指两种不同的导体或半导体一端连接并处于高温状态T2(热端)，另一端开路且处于低温状态T1(冷端)，则在冷端存在开路电压ΔV，此电压叫赛贝克电压，其大小与热冷两端的温度差ΔT成正比，即：ΔV＝(α1-α2)(T2-T1)，α1、α2为组成热电偶的两种材料的赛贝克系数，这种结构称为热电偶，一系列的热电偶串联即为热电堆。因而，热电堆探测器的响应电压为n*ΔV，其中n为热电偶对数。从响应电压表达式可看出，当热电堆探测器中热电偶材料确定后，其响应电压与探测器冷热端温差，以及热电偶对数成正比，因此为了提高探测器响应率，需尽量提高探测器冷热端温差，以及增加热电偶对数。然而，为了降低成本，提高空间分辨率，热电堆探测器向着尺寸缩小的方向发展，随着探测器尺寸缩小，其结构中的热电偶对数也相应减小，同时冷热端温差也降低，造成热电堆探测器响应急剧降低，极大的限制了热电堆探测器的应用。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种热电堆红外探测器。参照图1，该热电堆红外探测器包括热电堆结构，以及位于热电堆结构第一侧的基底101和背腔102。其中，基底101位于热电堆红外探测器的冷端，背腔102位于热电堆红外探测器的热端。热电堆结构包括支撑层201，以及形成在支撑层201上的多层热电偶结构202；其中，每层热电偶结构均包括热电偶层2021以及覆盖热电偶层2021和支撑层201的介质层2022。热电堆结构还包括互连金属结构203，互连金属结构203用于将多层热电偶结构202进行互连，并形成焊盘30。其中，焊盘30用于引出信号。
上述堆成热电堆结构可以包括两层热电偶结构，也可以包括两层以上多层热电偶结构。可以理解，随着热电偶结构的层数的增多，热电堆红外探测器所具有的热电偶对数相应的增加。在电堆红外探测器所具有的热电偶对数增加的情况下，可以有效提高热电堆红外探测器的响应率。
示例性的，多层热电偶结构中的多层热电偶层的排列方式可以为：沿热电堆结构的第一侧至第二侧的方向，各层热电偶结构中的热电偶层的中心线位于同一直线上，且各层热电偶结构中的热电偶层的宽度逐渐降低。其中，热电堆结构的第一侧为热电堆结构朝向基底和背腔的一侧，热电堆结构的第二侧为热电堆结构背离基底和背腔的一侧。
在实际中，沿热电堆结构的第一侧至第二侧的方向，各层热电偶结构中的热电偶层的中心线位于同一直线上，且各层热电偶结构中的热电偶层的宽度逐渐降低，以形成与各层热电偶层相连通的接触孔。具体的，与每层热电偶结构中的热电偶层连通的接触孔的形成方式可以为：贯穿该层热电偶结构以及该层热电偶结构以上各层热电偶结构中的介质层形成各个接触孔。值得注意的是，每个接触通只与一层热电偶层连通。
作为一种具体的示例，当热电堆结构包括的热电偶结构为三层时，沿热电堆结构的第一侧至第二侧的方向，该三层热电偶结构中的热电偶层的中心线位于同一直线上，且三层热电偶结构中的热电偶层的宽度逐渐降低。制作与各个三层热电偶结构中的热电偶层相连通的接触孔的方法可以为：沿热电堆的宽度方向，在热电堆的第一端和第二端分别形成与各层热电偶层相连通的接触孔。例如：形成与上层热电偶层相连通的接触孔可以为：贯穿上层热电偶结构中的介质层，形成与上层热电偶层相连通的接触孔。又例如：形成与下层热电偶层相连通的接触孔可以为：贯穿上层热电偶结构中的介质层，中层热电偶结构中的介质层，以及下层热电偶结构中的介质层，形成与下层热电偶层相连通的接触孔。值得注意的是，形成与下层热电偶层相连通的接触孔不贯穿上层和中层热电偶结构中的热电偶层，也不与上层和中层热电偶结构中的热电偶层相连通。
作为一种可能的实现方式，参照图1，互连金属结构包括形成在接触孔内，以及形成在多层热电偶结构中顶层热电偶结构中介质层上的互连金属线2032；每层热电偶结构中的所述热电偶层2021，均通过所述互连金属线2032与相邻热电偶结构中的热电偶层2021串联，以实现热电堆红外探测器的功能。示例性的，互连金属线的材质为铝、铜化铝、铝硅铜、金或铂。互连金属线的厚度为0.3μm-2μm。示例性的，互连金属线的厚度可以为0.35μm，也可以为1.75μm。
作为一种示例，互连金属结构还包括：覆盖互连金属线，和顶层热电堆结构中介质层的钝化层。在热电堆红外探测器的冷端，与多层热电偶结构中的底层热电堆结构中热电偶层，和顶层热电堆结构中热电偶层电连接的互连金属线位于介质层的部分裸露于钝化层，以形成所述焊盘。
其中，上述钝化层为氧化硅层、氮化硅层或氮氧化硅层中的一层或多层。在实际中，也可在钝化层中增加金黑，石墨烯，碳纳米管等新型材料，以提高钝化层的红外吸收效率。示例性的，上述钝化层可以为氧化硅层，也可以为氧化硅层和氮化硅层形成的叠层结构，对此，本发明不作具体限定。
上述支撑层为氧化硅层、氮化硅层或氮氧化硅层中的一层或多层。支撑层的厚度为0.3μm-3μm。示例性的，支撑层可以为氮化硅层，也可以为氮化硅层和氮氧化硅层形成的叠层结构，对此，本发明不作具体限定。示例性的，上述支撑层的厚度可以为0.5μm，也可以为2.7μm。
上述多层热电偶结构中的介质层均为氧化硅层、氮化硅层或氮氧化硅层中的一层或多层。介质层的厚度为0.3μm-3μm。示例性的，介质层可以为氮氧化硅层，也可以为氧化硅层和氮氧化硅层形成的叠层结构，对此，本发明不作具体限定。示例性的，上述介质层的厚度可以为0.4μm，也可以为2.3μm。
上述多层热电偶结构中热电偶层的材质为P型多晶硅材料和N型多晶硅材料或P型多晶硅材料和铝材料。多层热电偶结构中热电偶层的厚度为0.2μm-2μm。上述热电偶层的材质还可以为掺杂单晶硅，非晶硅，金，铂、铑、镍、铬、铁、铜及其合金。
基于此，本发明实施例提供的热电堆红外探测器包括热电堆结构，以及位于热电堆结构第一侧的基底和背腔。热电堆结构包括支撑层，以及形成在支撑层上的多层热电偶结构；其中，每层热电偶结构均包括热电偶层以及覆盖热电偶层和支撑层的介质层。可见，本发明提供的多层热电偶结构中的多层热电偶堆叠设置，实现了具有叠层设置的两层或两层以上热电偶层的热电堆结构，从而较传统的平面型热电堆结构，大大提高了热电偶层的数量，从而有效提高了探测器响应率，解决了由于探测器尺寸减小而造成响应率降低的问题。
本发明实施例还公开了一种热电堆红外探测器的制作方法，包括：
S101，参照图3，提供一基底材料层10。其中，该基底材料层可以为硅材料层。
S102，参照图4至图8，在基底材料层10上形成自下而上层叠设置的支撑层201和多层热电偶结构202，其中，每层热电偶结构均包括热电偶层2021以及至少覆盖热电偶层的介质层2022。
参照图4，在基底材料层10上形成支撑层201。该支撑层用于为多层热电偶结构提供支撑力。
示例性的，多层热电偶结构202的层数为四层。在支撑层上形成该四层热电偶结构202的方法可以为：
参照图5-图8，分别示出了在底层热电偶结构上形成底层热电偶结构、第二层热电偶结构、第三层热电偶结构以及顶层热电偶结构。
参照图5，制作上述底层热电偶结构的方法可以包括：在所述支撑层201上形成热电偶材料层，对所述第一热电偶材料层进行图形化处理，得到第一热电偶层20211。在第一热电偶层20211以及部分支撑层201上形成第一介质层20221。
参照图6，制作上述第二层热电偶结构的方法可以包括：在所述第一介质层20221上形成第二热电偶材料层，对所述第二热电偶材料层进行图形化处理，得到第二热电偶层20212。在第二热电偶层20212以及部分第一介质层20221上形成第二介质层20222。
参照图7，制作上述第三层热电偶结构的方法可以包括：在所述第二介质层20222上形成第三热电偶材料层，对所述第三热电偶材料层进行图形化处理，得到第三热电偶层20213。在第三热电偶层20213以及部分第二介质层20222上形成第三介质层20223。
参照图8，制作上述顶层热电偶结构的方法可以包括：在所述第三介质层20223上形成第四热电偶材料层，对所述第四热电偶材料层进行图形化处理，得到第四热电偶层20214。在第四热电偶层20214以及部分第三介质层20223上形成第四介质层20224。
其中，在形成第一热电偶材料层、第二热电偶材料层、第三热电偶材料层、第四热电偶材料层之后，在对第一热电偶材料层、第二热电偶材料层、第三热电偶材料层、第四热电偶材料层进行图形化处理之前，可以通过离子注入、退火形成所需方阻的热电偶材料层。
上述形成的第一热电偶层、第二热电偶层、第三热电偶层以及第四热电偶层之间相互绝缘。
S103，在所述多层热电偶结构上形成互连金属结构，所述互连金属结构用于将所述多层热电偶结构进行互连后，形成焊盘。
具体为：参照图9，在多层热电偶结构中形成多个接触孔204；每个接触孔均贯穿至少一个热电偶结构中的介质层，与相应热电偶结构中的热电偶层相连通。参照图10，在接触孔204内，以及形成在多层热电偶结构中顶层热电偶结构介质层上形成互连金属线2031，其中，每层热电偶结构中的热电偶层，均通过互连金属线2031与相邻热电偶结构中的热电偶层串联。实现各层热电偶层在热电堆红外探测器的热端互连，热电堆红外探测器的冷端串联，形成完整的叠层热电堆结构。参照图11，最后淀积钝化层2032并图形化形成焊盘30，以便引出信号。
S104，去除位于所述基底材料层第一端的部分基底材料层，形成基底和背腔，得到热电堆红外探测器；其中，所述基底位于所述热电堆红外探测器的冷端，所述背腔位于热电堆红外探测器的热端。
具体的，参照图12，采用干法深刻蚀或湿法腐蚀方法对基底材料层进行刻蚀，以形成基底101和背腔102，热电堆红外探测器制作完毕。
本发明实施例将现有的二维平面型热电堆探测器结构拓展到三维叠层热电堆结构，大大增加了热电偶对数，有效提高探测器响应率，为探测器在不牺牲性能的基础上，减小器件尺寸提供了新的技术解决途径。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种热电堆红外探测器，其特征在于，所述热电堆红外探测器包括热电堆结构，以及位于所述热电堆结构第一侧的基底和背腔；其中，所述基底位于所述热电堆红外探测器的冷端，所述背腔位于热电堆红外探测器的热端；
所述热电堆结构包括支撑层，以及形成在支撑层上的多层热电偶结构；其中，每层热电偶结构均包括热电偶层以及至少覆盖所述热电偶层的介质层；
所述热电堆结构还包括互连金属结构，所述互连金属结构用于将所述多层热电偶结构进行互连，并形成焊盘。
2.根据权利要求1所述的热电堆红外探测器，其特征在于，沿所述热电堆结构的第一侧至第二侧的方向，各层所述热电偶结构中的热电偶层的中心线位于同一直线上，且各层所述热电偶结构中的热电偶层的宽度逐渐降低。
3.根据权利要求2所述的热电堆红外探测器，其特征在于，所述多层热电偶结构还包括，贯穿所述多层热电偶结构中至少一层介质层的多个接触孔；
所述互连金属结构包括形成在所述多个接触孔内，以及形成在所述多层热电偶结构中顶层热电偶结构介质层上的互连金属线；
每层所述热电偶结构中的所述热电偶层，均通过所述互连金属线与相邻热电偶结构中的热电偶层相连接；
和/或，
所述互连金属线的材质为铝、铜化铝、铝硅铜、金或铂；
和/或，
所述互连金属线的厚度为0.3μm-2μm。
4.根据权利要求3所述的热电堆红外探测器，其特征在于，所述互连金属结构还包括：覆盖所述互连金属线，和顶层热电堆结构中介质层的钝化层；
在所述热电堆红外探测器的冷端，与所述多层热电偶结构中的底层热电堆结构中热电偶层，和顶层热电堆结构中热电偶层电连接的所述互连金属线位于所述介质层的部分裸露于钝化层，以形成所述焊盘；
和/或，
所述钝化层为氧化硅层、氮化硅层或氮氧化硅层中的一层或多层。
5.根据权利要求1-4任一项所述的热电堆红外探测器，其特征在于，所述支撑层为氧化硅层、氮化硅层或氮氧化硅层中的一层或多层；
和/或，
所述支撑层的厚度为0.3μm-3μm。
6.根据权利要求1-4任一项所述的热电堆红外探测器，其特征在于，所述多层热电偶结构中的介质层均为氧化硅层、氮化硅层或氮氧化硅层中的一层或多层；
和/或，
所述支撑层的厚度为0.3μm-3μm。
7.根据权利要求1-4任一项所述的热电堆红外探测器，其特征在于，所述多层热电偶结构中热电偶层的材质为P型多晶硅材料和N型多晶硅材料或P型多晶硅材料和铝材料；
和/或，
所述多层热电偶结构中热电偶层的厚度为0.2μm-2μm。
8.一种热电堆红外探测器的制作方法，其特征在于，包括：
提供一基底材料层；
在所述基底材料层上形成自下而上层叠设置的支撑层和多层热电偶结构，其中，每层热电偶结构均包括热电偶层以及至少覆盖所述热电偶层的介质层；
在所述多层热电偶结构上形成互连金属结构，所述互连金属结构用于将所述多层热电偶结构进行互连后，形成焊盘；
去除位于所述基底材料层第一端的部分基底材料层，形成基底和背腔，得到热电堆红外探测器；其中，所述基底位于所述热电堆红外探测器的冷端，所述背腔位于热电堆红外探测器的热端。
9.根据权利要求8热电堆红外探测器的制作方法，其特征在于，在所述基底材料层上形成自下而上层叠设置的支撑层和多层热电偶结构包括：
在所述基底材料层上形成支撑层；
在所述支撑层上依次形成各层热电偶结构；
其中，在所述支撑层上依次形成各层热电偶结构包括：在所述支撑层上或下层热电偶结构上形成当前热电偶结构：
在所述支撑层上或下层热电偶结构上形成当前热电偶结构包括：
在所述支撑层或在下层热电偶结构中的介质层上形成热电偶材料层；
对所述热电偶材料层进行图案化处理，得到热电偶层；
形成至少覆盖所述热电偶层的介质层，得到当前热电偶结构。
10.根据权利要求8热电堆红外探测器的制作方法，其特征在于，所述在所述多层热电偶结构上形成互连金属结构包括：
在所述多层热电偶结构中形成多个接触孔；每个所述接触孔均贯穿至少一个热电偶结构中的介质层，与相应热电偶结构中的热电偶层相连通；
在所述接触孔内，以及形成在所述多层热电偶结构中顶层热电偶结构介质层上形成互连金属线，其中，每层所述热电偶结构中的所述热电偶层，均通过所述互连金属线与相邻热电偶结构中的热电偶层相连接。
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