CN114152345A - 一种红外吸收层及应用其的红外热电堆探测器、制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外吸收层及应用其的红外热电堆探测器、制作方法，包括钨层、第一氮化硅层、第一二氧化硅层和第二氮化硅层，所述钨层、第一氮化硅层、第一二氧化硅层和第二氮化硅层依次设置。本发明使用钨、氮化硅、二氧化硅材料构红外吸收层，引入CMOS常用材料钨，作为红外吸收层的组成部分，有效提高了硅复合膜结构的红外吸收效率，同时降低了同等吸收效率下红外吸收层的厚度与质量，钨通常作为CMOS工艺中通孔连接材料，可在CMOS工艺中完成集成电路的制备时，同时完成红外吸收层的制作，简化了红外探测器的制备流程，由于提高了红外吸收效率，红外探测器可在同等性能下缩小尺寸，进而降低成本。
Description
技术领域
本发明属于红外吸收技术领域，具体涉及一种红外吸收层及应用其的红外热电堆探测器、制作方法。
背景技术
非制冷红外探测器体积小、成本低、稳定性高，在家电、安防、工业等领域得到了广泛应用逐步与CMOS工艺兼容，器件面积进一步的缩小，为提高器件的性能，选择合适的红外吸收层十分重要。
现有技术用于热电堆吸收层通常使用的材料或结构有“黑色”物质(黑硅、黑金、炭黑等)、硅化物(氮化硅、碳化硅等)，它们对红外辐射的吸收率高，但工艺复杂，部分不兼容CMOS工艺；硅基复合膜(如二氧化硅-氮化硅-二氧化硅结构等)，为达到高吸收率则材料质量(或体积)大，材料质量(或体积)小时则吸收率低；特殊孔阵列结构，通过使用设计孔阵列图案提高红外吸收效率，但阵列结构设计复杂。
为提高红外吸收层的吸收能力，红外热电堆通常在器件上制作“黑色”物质(例如黑硅、黑金、炭黑等)、硅基复合膜、特殊几何结构薄膜。
“黑色”物质：以黑硅为例，在MEMS工艺过程中，使用干法刻蚀，对材料进行刻蚀时，会出现“黑色”物质。此“黑色”物质为表面针状的森林结构，通过此种特殊结构提高对红外线的吸收。
硅基复合膜则是通过对不同折射率的材料进行顺序和厚度上的排列，提高整体结构对红外线的吸收。但硅基复合膜在达到高吸收率时，需要数层材料的重复堆叠，提高红外吸收效率的同时，也增加了整体质量(或体积)，提高的工艺复杂程度。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种红外吸收层及应用其的红外热电堆探测器、制作方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例一提供一种红外吸收层，包括钨层、第一氮化硅层、第一二氧化硅层和第二氮化硅层，所述钨层、第一氮化硅层、第一二氧化硅层和第二氮化硅层依次通过等离子增强化学气相沉积、低压化学气相沉积或磁控溅射等薄膜工艺制备。
本发明优选地，所述钨层的厚度至少为1nm。
本发明优选地，所述第一氮化硅层的厚度为0-5000nm。
本发明优选地，所述第一二氧化硅层的厚度为500nm-1500nm。
本发明优选地，所述第二氮化硅层的厚度为为200nm-5000nm。
本发明实施例二提供一种红外热电堆探测器，包括上述的红外吸收层、硅衬底层、氧化硅层、第一多晶硅层、第二二氧化硅层、第二多晶硅层、第三二氧化硅层和第四二氧化硅层；
所述硅衬底层抛光后在其表面热生长氧化硅层；
所述氧化硅层的表面上通过LPCVD沉积第一多晶硅层；
所述第一多晶硅层的表面上通过LPCVD沉积第二二氧化硅层；
所述第二二氧化硅层的表面上通过LPCVD沉积第二多晶硅层；
所述第一多晶硅层和所述第二多晶硅层通过离子注入形成n型或p型多晶硅，第一多晶硅层和第二多晶硅层通过离子注入形成的多晶硅类型不同，具备相反的塞贝克系数；
所述第二多晶硅层的表面上通过LPCVD沉积第三二氧化硅层；
所述第三二氧化硅层的表面上通过LPCVD沉积第四二氧化硅层；
所述第四二氧化硅层的表面上设置有红外吸收层。
本发明优选地，所述第二二氧化硅层和第三二氧化硅层上光刻腐蚀有引线孔，所述引线孔内填充有钨，所述三二氧化硅层和第四二氧化硅层之间磁控溅射沉积铝，用于连接第一多晶硅层和第二多晶硅层。
本发明实施例三提供一种上述的红外吸收层的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
S1、在已经覆盖绝缘材料的红外探测器上使用电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射等薄膜工艺沉积一层钨，得到钨层；
S2、使用等离子增强化学气相沉积、低压化学气相沉积或磁控溅射等薄膜工艺在钨层的表面沉积一层氮化硅；
S3、使用等离子增强化学气相沉积、低压化学气相沉积或磁控溅射等薄膜工艺在第一氮化硅层的表面沉积一层二氧化硅；
S4、使用等离子增强化学气相沉积、低压化学气相沉积或磁控溅射等薄膜工艺在第一二氧化硅层的表面沉积一层氮化硅；
S5、对步骤S2～S4得到氮化硅和氧化硅进行刻蚀，得到第一氮化硅层、第一二氧化硅层和第二氮化硅层。
与现有技术相比，本发明使用钨、氮化硅、二氧化硅材料构红外吸收层，引入CMOS常用材料钨，作为红外吸收层的组成部分，有效提高了硅复合膜结构的红外吸收效率，同时降低了同等吸收效率下红外吸收层的厚度与质量，钨通常作为CMOS工艺中通孔连接材料，可在CMOS工艺中完成集成电路的制备时，同时完成红外吸收层的制作，简化了红外探测器(MEMS)-ASIC(CMOS)的制备流程，由于提高了红外吸收效率，红外探测器可在同等性能下缩小尺寸，进而降低成本。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的一种红外吸收层的结构示意图；
图2是本发明实施例1提供的红外吸收层对5μm～20μm波段红外线吸收效率的折线图一；
图3是本发明实施例1提供的红外吸收层对5μm～20μm波段红外线吸收效率的折线图二；
图4是本发明实施例2提供的红外热电堆探测器的结构制备图一；
图5是本发明实施例2提供的红外热电堆探测器的结构制备图二；
图6是本发明实施例2提供的红外热电堆探测器的结构制备图三。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要明确的是，术语“垂直”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“水平”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本发明，而不是意味着所指的装置或元件必须具有特有的方位或位置，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一：
如图1所示，本发明实施例一提供一种红外吸收层，包括钨层11、第一氮化硅层12、第一二氧化硅层13和第二氮化硅层14，所述钨层11、第一氮化硅层12、第一二氧化硅层13和第二氮化硅层14通过等离子增强化学气相沉积、低压化学气相沉积或磁控溅射等薄膜工艺制备。
如图2所示，所述钨层11的厚度至少为1nm。
如图2所示，所述第一氮化硅层12的厚度为0-5000nm。
如图2所示，所述第一二氧化硅层13的厚度为500nm-1500nm。
如图2所示，所述第二氮化硅层14的厚度为200nm-5000nm。
在上述实施例一中，所述第一氮化硅层12可在红外吸收层中可省略，相对的，省略第一氮化硅层12时比使用第一氮化硅层12时，红外吸收效率略有降低。
当设置钨层11为50nm，第一氮化硅层12为100nm，第一二氧化硅层13为800nm，第二氮化硅层14为500nm，对波段为5000nm～20000nm的红外线的吸收效率如图2所示。
当不使用第一氮化硅层12时，钨层11为50nm，第一二氧化硅层13为800nm，第二氮化硅层14为500nm时，对波段为5000nm～20000nm的红外线的吸收效率如图3所示。
实施例二：
本发明实施例二提供一种红外热电堆探测器，包括上述的红外吸收层、硅衬底层61、氧化硅层62、第一多晶硅层63、第二二氧化硅层64、第二多晶硅层65、第三二氧化硅层66和第四二氧化硅层69；
所述硅衬底层61抛光后在其表面热生长氧化硅层62，作为支撑膜；
所述氧化硅层62支撑膜的表面上通过LPCVD沉积第一多晶硅层63；
所述第一多晶硅层63的表面上通过LPCVD沉积第二二氧化硅层64，离子注入硼，光刻腐蚀多晶硅，形成下部热偶条；
所述第二二氧化硅层64的表面上通过LPCVD沉积第二多晶硅层65，作为第一多晶硅层63之间的介电层；
所述第二多晶硅层65的表面上通过LPCVD沉积第三二氧化硅层66，离子注入磷，光刻腐蚀多晶硅，形成上部热偶条；
所述第一多晶硅层63和所述第二多晶硅层65通过离子注入的方式形成n型和p型多晶硅，第一多晶硅层和第二多晶硅层通过离子注入形成的多晶硅类型不同，具备相反的塞贝克系数；
所述第三二氧化硅层66的表面上通过LPCVD沉积第四二氧化硅层69，所述第二二氧化层64和第三二氧化硅层66上光刻腐蚀有引线孔，所述引线孔内填充有钨67，所述三二氧化硅层66与第四二氧化层69的中间磁控溅射沉积铝68，用于连接第一多晶硅层63和第二多晶硅层65；
所述第四二氧化硅层69的表面上设置有红外吸收层，其作为引线与红外吸收层之间的介电层。
所述第四二氧化硅层69的表面上使用电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射等薄膜工艺沉积一层钨，得到钨层610。
通过PECVD依次沉积第一氮化硅层611、第一二氧化硅层612和第二氮化硅层613并光刻腐蚀，保留所需吸收红外光线位置，与钨层610构成红外吸收结构，可选择保留支撑梁位置和其他位置处的第一氮化硅层611、第一二氧化硅层612和第二氮化硅层613作为钝化层。
光刻腔体刻蚀开口，刻蚀上述中形成的二氧化硅，最后使用TMAH对硅衬底进行腔体刻蚀，在硅衬底61上形成空腔614。
上述中还可使用LPCVD、磁控溅射等工艺沉积氮化硅、二氧化硅、氮化硅。
上述中还可以取消第二二氧化硅层64、第二多晶硅层65，采用单一多晶硅和铝组成热电堆器件。
实施例三：
本发明实施例三提供一种上述的红外吸收层的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
S1、在已经覆盖绝缘材料的红外探测器上使用电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射等薄膜工艺沉积一层钨，得到钨层11；
S2、使用等离子增强化学气相沉积、低压化学气相沉积或磁控溅射等薄膜工艺在钨层的表面沉积一层氮化硅；
S3、使用等离子增强化学气相沉积、低压化学气相沉积或磁控溅射等薄膜工艺在第一氮化硅层12的表面沉积一层二氧化硅；
S4、使用等离子增强化学气相沉积、低压化学气相沉积或磁控溅射等薄膜工艺在第一二氧化硅层13的表面沉积一层氮化硅；
S5、对步骤S2～S4得到氮化硅和氧化硅进行刻蚀，得到第一氮化硅层12、第一二氧化硅层13和第二氮化硅层14。
本发明使用钨、氮化硅、二氧化硅材料构成红外吸收层，引入CMOS常用材料钨，作为红外吸收层的组成部分，有效提高了硅复合膜结构的红外吸收效率，同时降低了同等吸收效率下红外吸收层的厚度与质量，钨通常作为CMOS工艺中通孔连接材料，可在CMOS工艺中完成集成电路的制备时，同时完成红外吸收层的制作，简化了红外探测器(MEMS)-ASIC(CMOS)的制备流程，由于提高了红外吸收效率，红外探测器可在同等性能下缩小尺寸，进而降低成本。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种红外吸收层，其特征在于，包括钨层、第一氮化硅层、第一二氧化硅层和第二氮化硅层，所述钨层、第一氮化硅层、第一二氧化硅层和第二氮化硅层通过等离子增强化学气相沉积、低压化学气相沉积或磁控溅射等薄膜工艺制备。
2.根据权利要求1所述的一种红外吸收层，其特征在于，所述钨层的厚度至少为1nm。
3.根据权利要求2所述的一种红外吸收层，其特征在于，所述第一氮化硅层的厚度为0-5000nm。
4.根据权利要求3所述的一种红外吸收层，其特征在于，所述第一二氧化硅层的厚度为500nm-1500nm。
5.根据权利要求4所述的一种红外吸收层，其特征在于，所述第二氮化硅层的厚度为为200nm-5000nm。
6.一种红外热电堆探测器，其特征在于，包括权利要求1-5所述的红外吸收层、硅衬底层、氧化硅层、第一多晶硅层、第二二氧化硅层、第二多晶硅层、第三二氧化硅层和第四二氧化硅层；
所述硅衬底层抛光后在其表面热生长氧化硅层；
所述氧化硅层的表面上通过LPCVD沉积第一多晶硅层；
所述第一多晶硅层的表面上通过LPCVD沉积第二二氧化硅层；
所述第二二氧化硅层的表面上通过LPCVD沉积第二多晶硅层；
所述第二多晶硅层的表面上通过LPCVD沉积第三二氧化硅层；
所述第三二氧化硅层的表面上通过LPCVD沉积第四二氧化硅层；
所述第四二氧化硅层的表面上设置有红外吸收层。
所述第一多晶硅层和第二多晶硅层通过离子注入的方式形成n型或p型多晶硅，第一多晶硅层和第二多晶硅层通过离子注入形成的多晶硅类型不同，具备相反的塞贝克系数。
7.根据权利要求6所述的一种红外热电堆探测器，其特征在于，所述第二二氧化硅层和第三二氧化硅层上光刻腐蚀有引线孔，所述引线孔内填充有钨，所述第三二氧化硅层和第四二氧化硅层之间磁控溅射沉积铝，用于连接第一多晶硅层和第二多晶硅层。
8.一种如权利要求1-5任意一项所述的红外吸收层的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
S1、在已经覆盖绝缘材料的红外探测器上使用电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射等薄膜工艺沉积一层钨，得到钨层；
S2、使用等离子增强化学气相沉积、低压化学气相沉积或磁控溅射等薄膜工艺在钨层的表面沉积一层氮化硅；
S3、使用等离子增强化学气相沉积、低压化学气相沉积或磁控溅射等薄膜工艺在第一氮化硅层的表面沉积一层二氧化硅；
S4、使用等离子增强化学气相沉积、低压化学气相沉积或磁控溅射等薄膜工艺在第一二氧化硅层的表面沉积一层氮化硅；
S5、对步骤S2～S4得到氮化硅和氧化硅进行刻蚀，得到第一氮化硅层、第一二氧化硅层和第二氮化硅层。
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