CN113394333A - 双层悬浮红外热电堆的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双层悬浮红外热电堆的制备方法，通过形成位于红外吸收层下且覆盖刻蚀窗口的硅牺牲层，可在最后一道步骤中同时释放红外吸收层及热电偶复合层，形成包括第一层悬浮结构及第二层悬浮结构的双层悬浮红外热电堆，从而可有效降低工艺复杂度、提高成品率，有利于实现红外热电堆的小型化和高性能。
Description
技术领域
本发明属于硅微机械传感技术领域，特别是涉及一种双层悬浮红外热电堆的制备方法。
背景技术
红外(IR)传感阵列已被用于军事、工业和消费电子市场，包括夜视、自动驾驶、人类行为检测、非接触式测温等。对于红外热成像，需要将检测器组装到焦平面阵列(FPA)中，以捕获被检测物体的形状和运动。与微测辐射热计和热释电传感器相比，热电堆传感器的特点是功耗低、无闪烁噪声且与CMOS工艺兼容，因此成本较低，常用于低成本领域，例如空调风向控制和跌倒检测。然而，热电堆红外传感阵列的设计面临着尺寸大、响应速度慢和响应度相对较低的挑战。现有的方案主要针对器件的热导、红外吸收率等方面进行优化，以提高热电堆性能。
在热导优化方面，传统的热电堆探测器通常在介质薄膜上淀积多晶硅/金属制作热偶对，然后在介质薄膜下方制作隔热空腔，形成悬浮的支撑介质层结构，以减小固体热导。在制作隔热空腔时，若采用背面释放的方法，则会引入复杂的双面光刻等操作步骤，且需要将隔热空腔贯穿整个硅片，这将极大地增加工艺时间与成本；而采用正面释放的方式则具有仅进行正面加工且隔热空腔深度可按需制作的优势，但是在正面释放工艺中，较为常用的XeF2干法释放目前仍存在一致性较差的问题。
在红外吸收优化方面，第一种方法是利用高吸收率的多孔黑色材料，例如金黑、炭黑、超材料来增强红外吸收，但是，该方法在工艺复杂度、CMOS生产兼容性和成本方面仍具劣势，第二种方法是增大红外吸收膜的面积，但这对器件阵列化、小型化是不利的。因此，高性能的热电堆探测器常使用伞形吸收膜结构，然而，带有伞状吸收膜结构的热电堆探测器通常需要多个步骤来释放结构，这不仅增加了工艺复杂度，并且多步释放过程中经历的其他工艺步骤会破坏脆弱的膜、梁结构，降低制造成品率。
因此，提供一种双层悬浮红外热电堆的制备方法，实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双层悬浮红外热电堆的制备方法，用于解决现有技术中在制备高性能、高质量的红外热电堆时所遇到的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种双层悬浮红外热电堆的制备方法，包括以下步骤：
提供硅衬底；
于所述硅衬底上形成热电偶复合层，所述热电偶复合层包括覆盖所述硅衬底的支撑介质层，以及位于所述支撑介质层上的热偶材料层、电绝缘层及金属互联层；
图形化所述热电偶复合层，形成显露所述硅衬底的刻蚀窗口；
形成覆盖所述热电偶复合层及刻蚀窗口的硅牺牲层；
图形化所述硅牺牲层，于热电偶的热结端形成显露所述电绝缘层的沟槽；
形成覆盖所述硅牺牲层及沟槽的图形化的红外吸收层；
采用湿法腐蚀，去除所述硅牺牲层形成间隔间隙，释放所述红外吸收层，形成第二层悬浮结构，且于同一步骤中自所述刻蚀窗口去除部分所述硅衬底形成隔热空腔，释放所述热电偶复合层形成第一层悬浮结构。
可选地，所述硅衬底为(100)单晶硅衬底，所述硅牺牲层为非晶硅牺牲层或多晶硅牺牲层中的一种或组合。
可选地，于所述硅衬底上形成所述热电偶复合层的步骤包括：
于所述硅衬底上形成覆盖所述硅衬底的支撑介质层；
于所述支撑介质层上形成热偶材料层；
于所述热偶材料层上形成覆盖所述热偶材料层的电绝缘层；
图形化所述电绝缘层形成显露所述热偶材料层的接触孔；
于所述电绝缘层上形成图形化的金属互联层，且所述金属互联层通过所述接触孔与所述热偶材料层相接触。
可选地，所述热偶材料层为N型多晶硅层、P型多晶硅层或金属层中的一种，或所述热偶材料层为由N型多晶硅层、热偶间绝缘层及P型多晶硅层构成的叠层；所述金属互联层为耐四甲基氢氧化铵溶液或氢氧化钾溶液腐蚀的金属材料层，包括单金属层或金属叠层。
可选地，所述支撑介质层为氮化硅层及氧化硅层中的一种或组合，厚度范围为0.2μm～2μm；所述电绝缘层为氮化硅层及氧化硅层中的一种或组合，厚度范围为0.05μm～1μm。
可选地，形成的所述红外吸收层为氮化硅层及氧化硅层中的一种或组合，厚度范围为0.5μm～4μm。
可选地，形成的所述硅牺牲层的厚度范围为0.5μm～5μm。
可选地，形成多个所述热电偶，所述热电偶串联连接构成热电偶组，且所述红外吸收层为覆盖所述热电偶组的伞状红外吸收层。
如上所述，本发明的双层悬浮红外热电堆的制备方法，通过形成位于红外吸收层下且覆盖刻蚀窗口的硅牺牲层，可在最后一道步骤中同时释放红外吸收层及热电偶复合层，形成包括第一层悬浮结构及第二层悬浮结构的双层悬浮红外热电堆，从而可有效降低工艺复杂度、提高成品率，有利于实现红外热电堆的小型化和高性能。
附图说明
图1显示为本发明实施例中形成双层悬浮红外热电堆的工艺流程示意图。
图2显示为本发明实施例中于硅衬底上形成热电偶复合层后的结构示意图。
图3显示为本发明实施例中形成刻蚀窗口后的结构示意图。
图4显示为本发明实施例中形成硅牺牲层后的结构示意图。
图5显示为本发明实施例中形成图形化的红外吸收层后的结构示意图。
图6显示为本发明实施例中进行湿法腐蚀后形成的双层悬浮红外热电堆的结构示意图。
元件标号说明
100 硅衬底
200 热电偶复合层
201 支撑介质层
202 热偶材料层
203 电绝缘层
204 金属互联层
205 刻蚀窗口
300 硅牺牲层
400 红外吸收层
501 隔热空腔
502 间隔间隙
601 第一层悬浮结构
602 第二层悬浮结构
S1～S7 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于……之间”表示包括两端点值。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本实施例提供一种双层悬浮红外热电堆的制备方法，包括以下步骤：
S1：提供硅衬底；
S2：于所述硅衬底上形成热电偶复合层，所述热电偶复合层包括覆盖所述硅衬底的支撑介质层，以及位于所述支撑介质层上的热偶材料层、电绝缘层及金属互联层；
S3：图形化所述热电偶复合层，形成显露所述硅衬底的刻蚀窗口；
S4：形成覆盖所述热电偶复合层及刻蚀窗口的硅牺牲层；
S5：图形化所述硅牺牲层，于热电偶的热结端形成显露所述电绝缘层的沟槽；
S6：形成覆盖所述硅牺牲层及沟槽的图形化的红外吸收层；
S7：采用湿法腐蚀，去除所述硅牺牲层形成间隔间隙，释放所述红外吸收层，形成第二层悬浮结构，且于同一步骤中自所述刻蚀窗口去除部分所述硅衬底形成隔热空腔，释放所述热电偶复合层形成第一层悬浮结构。
本实施例的所述双层悬浮红外热电堆的制备方法，通过形成位于所述红外吸收层下且覆盖所述刻蚀窗口的硅牺牲层，可在最后一道步骤中同时释放所述红外吸收层及所述热电偶复合层，形成包括所述第一层悬浮结构及第二层悬浮结构的所述双层悬浮红外热电堆，从而可有效降低工艺复杂度、提高成品率，有利于实现红外热电堆的小型化和高性能。
以下结合附图2～图6对本实施例制备的所述双层悬浮红外热电堆进行介绍，具体如下：
首先，进行步骤S1，参阅图2，提供硅衬底100。
具体的，所述硅衬底100可为(100)单晶硅衬底，但并非局限于此，也可为多晶硅或非晶硅，此处不作过分限制，本实施例中，优选较为常用的(100)单晶硅衬底，且优选所述(100)单晶硅衬底为单面或者双面抛光硅片，以提供平整表面，便于后续工艺的制备。
接着，进行步骤S2，参阅图2，于所述硅衬底100上形成热电偶复合层200，所述热电偶复合层200包括覆盖所述硅衬底100的支撑介质层201，以及位于所述支撑介质层201上的热偶材料层202、电绝缘层203及金属互联层204。
作为示例，本实施例中提供了一种在垂向上堆叠设置的热电偶，即制备的所述热偶材料层202及金属互联层204处于沿垂向排布，以便提高空间利用率，在有限的空间中制备多个所述热电偶，以提供高的电压，提高灵敏度。其中，于所述硅衬底100上形成所述热电偶复合层200可包括以下步骤，但并非局限于此，具体可包括：
于所述硅衬底100上形成覆盖所述硅衬底100的支撑介质层201；
于所述支撑介质层201上形成热偶材料层202；
于所述热偶材料层202上形成覆盖所述热偶材料层202的电绝缘层203；
图形化所述电绝缘层203形成显露所述热偶材料层202的接触孔；
于所述电绝缘层203上形成图形化的金属互联层204，且所述金属互联层204通过所述接触孔与所述热偶材料层202相接触。
作为示例，所述热偶材料层202可为N型多晶硅层、P型多晶硅层或金属层中的一种，或所述热偶材料层202为由N型多晶硅层、热偶间绝缘层及P型多晶硅层构成的叠层；所述金属互联层204可为耐四甲基氢氧化铵溶液或氢氧化钾溶液腐蚀的金属材料层，包括单金属层或金属叠层。
具体的，当所述热偶材料层202采用掺杂多晶硅材质，如N型多晶硅层或P型多晶硅层，或者所述热偶材料层202为金属层时，所述金属互联层204既作为金属电连接层，还充当热电偶中的一种热偶组成材料，从而可减少工艺步骤。本实施例中，所述热偶材料层202为图形化的P型多晶硅层，厚度范围为0.2μm～2μm，如0.2μm、0.5μm、1.0μm、1.5μm、2.0μm等，所述金属互联层204为Cr-Pt-Au复合金属叠层，但所述热偶材料层202及金属互联层204的材质、结构及种类并非局限于此。
作为示例，所述支撑介质层201可为氮化硅层及氧化硅层中的一种或组合，厚度范围可为0.2μm～2μm，如0.2μm、1μm、1.5μm、2μm等；所述电绝缘层203可为氮化硅层及氧化硅层中的一种或组合，厚度可为0.05μm～1μm，如0.05μm、0.2μm、0.5μm、1μm等。
接着，进行步骤S3，参阅图3，图形化所述热电偶复合层200，形成显露所述硅衬底100的刻蚀窗口205。所述刻蚀窗口205贯穿所述电绝缘层203及支撑介质层201，从而便于后续腐蚀液对所述硅衬底100进行刻蚀。
接着，进行步骤S4，参阅图4，形成覆盖所述热电偶复合层200及刻蚀窗口205的硅牺牲层300。
具体的，所述硅牺牲层300的材质的选用需考量与所述硅衬底100在进行后续的湿法刻蚀时，具有相同或相近的刻蚀选择比，以实现可在同一刻蚀步骤中形成双层悬浮结构。本实施例中，所述硅衬底100采用(100)单晶硅衬底，从而所述硅牺牲层300采用非晶硅牺牲层或多晶硅牺牲层中的一种或组合。
作为示例，形成的所述硅牺牲层300的厚度范围可为0.5μm～5μm，如0.5μm、1.0μm、2.0μm、3.0μm、4μm、5μm等。
具体的，本实施例中由于采用硅材质的牺牲层，从而后续通过湿法刻蚀即可去除所述硅牺牲层300，以在满足器件需求的前提下，形成较小的间隙，以减小器件尺寸，且可降低成本。
接着，进行步骤S5，参阅图5，图形化所述硅牺牲层300，于所述热电偶的热结端形成显露所述电绝缘层203的沟槽。接着，进行步骤S6，形成覆盖所述硅牺牲层300及沟槽的图形化的红外吸收层400。
作为示例，形成的所述红外吸收层400可为氮化硅层及氧化硅层中的一种或组合，厚度可为0.5μm～4μm，如0.5μm、1.0μm、1.5μm、2μm、4μm等。
作为示例，形成多个所述热电偶，所述热电偶串联连接构成热电偶组，且所述红外吸收层400为覆盖所述热电偶组的伞状红外吸收层。
具体的，本实施例中，优选包括多个所述热电偶，且所述热电偶串联连接以构成热电偶组，以便提供足够数量的热电偶，提供足够高的电压，从而提高灵敏度，且所述红外吸收层400优选为覆盖所述热电偶组的伞状红外吸收层，以提高吸光量。有关所述热电偶的数量及排布，此处不作过分限制，可根据需要进行设置。
接着，进行步骤S7，参阅图6，采用湿法腐蚀，去除所述硅牺牲层300形成间隔间隙502，释放所述红外吸收层400，形成第二层悬浮结构602，且于同一步骤中自所述刻蚀窗口205去除部分所述硅衬底100形成隔热空腔501，释放所述热电偶复合层200形成第一层悬浮结构601。
作为示例，所述湿法腐蚀的腐蚀液可包括四甲基氢氧化铵溶液或氢氧化钾溶液，但并非局限于此。本实施例中，通过所述腐蚀液可在最后一道步骤中同时同时去除所述硅牺牲层300及部分所述硅衬底100，从而可降低制备双层悬浮红外热电堆的工艺复杂度，提高成品率，有利于实现红外热电堆的小型化和高性能。
综上所述，本发明的双层悬浮红外热电堆的制备方法，通过形成位于红外吸收层下且覆盖刻蚀窗口的硅牺牲层，可在最后一道步骤中同时释放红外吸收层及热电偶复合层，形成包括第一层悬浮结构及第二层悬浮结构的双层悬浮红外热电堆，从而可有效降低工艺复杂度、提高成品率，有利于实现红外热电堆的小型化和高性能。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种双层悬浮红外热电堆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供硅衬底；
于所述硅衬底上形成热电偶复合层，所述热电偶复合层包括覆盖所述硅衬底的支撑介质层，以及位于所述支撑介质层上的热偶材料层、电绝缘层及金属互联层；
图形化所述热电偶复合层，形成显露所述硅衬底的刻蚀窗口；
形成覆盖所述热电偶复合层及刻蚀窗口的硅牺牲层；
图形化所述硅牺牲层，于热电偶的热结端形成显露所述电绝缘层的沟槽；
形成覆盖所述硅牺牲层及沟槽的图形化的红外吸收层；
采用湿法腐蚀，去除所述硅牺牲层形成间隔间隙，释放所述红外吸收层，形成第二层悬浮结构，且于同一步骤中自所述刻蚀窗口去除部分所述硅衬底形成隔热空腔，释放所述热电偶复合层形成第一层悬浮结构。
2.根据权利要求1所述的双层悬浮红外热电堆的制备方法，其特征在于：所述硅衬底为(100)单晶硅衬底，所述硅牺牲层为非晶硅牺牲层或多晶硅牺牲层中的一种或组合。
3.根据权利要求1所述的双层悬浮红外热电堆的制备方法，其特征在于：于所述硅衬底上形成所述热电偶复合层的步骤包括：
于所述硅衬底上形成覆盖所述硅衬底的支撑介质层；
于所述支撑介质层上形成热偶材料层；
于所述热偶材料层上形成覆盖所述热偶材料层的电绝缘层；
图形化所述电绝缘层形成显露所述热偶材料层的接触孔；
于所述电绝缘层上形成图形化的金属互联层，且所述金属互联层通过所述接触孔与所述热偶材料层相接触。
4.根据权利要求1所述的双层悬浮红外热电堆的制备方法，其特征在于：所述热偶材料层为N型多晶硅层、P型多晶硅层或金属层中的一种，或所述热偶材料层为由N型多晶硅层、热偶间绝缘层及P型多晶硅层构成的叠层；所述金属互联层为耐四甲基氢氧化铵溶液或氢氧化钾溶液腐蚀的金属材料层，包括单金属层或金属叠层。
5.根据权利要求1所述的双层悬浮红外热电堆的制备方法，其特征在于：所述支撑介质层为氮化硅层及氧化硅层中的一种或组合，厚度范围为0.2μm～2μm；所述电绝缘层为氮化硅层及氧化硅层中的一种或组合，厚度范围为0.05μm～1μm。
6.根据权利要求1所述的双层悬浮红外热电堆的制备方法，其特征在于：形成的所述红外吸收层为氮化硅层及氧化硅层中的一种或组合，厚度范围为0.5μm～4μm。
7.根据权利要求1所述的双层悬浮红外热电堆的制备方法，其特征在于：形成的所述硅牺牲层的厚度范围为0.5μm～5μm。
8.根据权利要求1所述的双层悬浮红外热电堆的制备方法，其特征在于：形成多个所述热电偶，所述热电偶串联连接构成热电偶组，且所述红外吸收层为覆盖所述热电偶组的伞状红外吸收层。
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