CN114242878A - 热电堆红外探测器芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热电堆红外探测器芯片及其制造方法，在SOI衬底上逆向成长各层结构，利用硅硅键合将各层结构转移至湿法深腔Si衬底表面，最后在转移芯片顶部生长吸收层材料。由此，利用硅硅键合将SOI衬底生长的结构层转移到湿法深硅刻蚀完成的硅片上，能使用湿法工艺提高生产效率并降低成本。能避免背面刻蚀过程中正面结构被腐蚀而受到损坏，提高优良率。整体制备方式较为简单，能够优化热电堆响应率、探测率和响应时间制备效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种测器芯片及其制造方法，尤其涉及一种热电堆红外探测器芯片及其制造方法。
背景技术
随着红外探测技术在红外制导、夜视仪等军事和红外测温、气体检测等民用领域地位的提高，基于MEMS工艺的热电堆快速发展，具有微型化、功耗低、成本低以及便于集成等优势。热电堆传感器基本原理简单，基于塞贝克效应，利用多对两种不同材料组成的热电偶连接成“堆”将外界吸收的红外辐射信号转化为电信号，实现温度的测定。两端中，吸收红外的一段称为热区，衬底一端称为冷区。
热电堆红外探测器芯片多数采用封闭薄膜结构，主要包括衬底，支撑层，热电偶层和吸收层。衬底一般采用(100)硅片，支撑层通常选择SiO2和SiNx，热电偶层为P-N型多晶硅或Al-P型多晶硅，吸收层通常采用金黑，银黑等黑材料。为优化热电堆响应率、探测率和响应时间，中国科学院上海微系统所王跃林团队系统研究了热偶宽度、长度和对数以及吸收层区的影响。
同时，为防止热区吸收的热量从硅衬底散失以提高探测率，需要利用深硅刻蚀在Si衬底背面刻出空腔隔热。传统的深硅刻蚀使用KOH或TMAH湿法刻蚀深硅，一方面由于各向异性湿法刻蚀存在(111)面斜坡，另一方面腐蚀液对结构层多晶硅和Al都有腐蚀性，因此工业中通常不使用湿法工艺。干法工艺具有分别率高、腐蚀选择比大、均匀性和重复性好，便于工艺监控以及易于实现连续自动操作等优点，被广泛应用于微纳制造生产工艺中。
热电堆芯片深硅刻蚀采用深反应离子腐蚀工艺，基于氟基气体的高深宽比硅刻蚀技术。刻蚀高深宽比超高400微米，然而刻蚀速率较低，约10-20μm/min，其工艺步骤为钝化----刻蚀---钝化----刻蚀循环工艺，耗时长，且只能单片刻蚀不能批量生产。同时，无论湿法还是干法工艺，传统背部刻蚀工艺正反对准和保护正面结构等问题，严重影响工业集成及批量生产。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种热电堆红外探测器芯片及其制造方法，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种热电堆红外探测器芯片及其制造方法。
本发明的热电堆红外探测器芯片，包括有SiNx支撑层，其中：所述SiNx支撑层的上端分布有SiNx钝化层，所述SiNx钝化层的上端分布有若干加厚焊盘，所述SiNx钝化层的下端分布有深腔Si衬底，所述SiNx钝化层的左右两端均分布有Si键合层，所述深腔Si衬底与Si键合层相连，所述SiNx支撑层内设置有若干接线构造，所述SiNx钝化层上分布有吸收层，所述吸收层为印刷金黑层，或是为印刷铂黑层，或是为印刷银黑层，或是为印刷黑漆层。
进一步地，上述的热电堆红外探测器芯片，其中，所述接线构造包括有与SiNx钝化层相接触的衔接焊盘，所述衔接焊盘上设置有连接线组件，所述连接线组件为热结连接线、冷结连接线中的一种或是混合。
更进一步地，上述的热电堆红外探测器芯片，其中，所述SiNx支撑层与深腔Si衬底之间分布有P/N多晶Si热电条。
热电堆红外探测器芯片制作方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，在SOI衬底上生成SiO2剥离层；
步骤二，生长SiNx钝化层；
步骤三，生长单晶Si键合层，形成Si键合层边框；
步骤四，SiNx钝化层上生成冷区和热区热电结；
步骤五，光刻形成P/N型多晶Si热电偶条形状；
步骤六，采用PE CVD生长SiNx支撑层，通过光刻暴露出Si键合层边框；
步骤七，刻蚀Si衬底，形成倒锥形深腔，Si衬底与Si键合层边框进行硅硅键合；
步骤八，除SOI衬底和SiO2剥离层；
步骤九，在热结区上方印刷或喷涂黑材料，形成吸收层，得到热电堆芯片结构。
进一步地，上述的热电堆红外探测器芯片制作方法，其中，所述步骤一中，在SOI衬底上利用热氧方式或是PE CVD方式生长SiO2剥离层；所述步骤二中，采用LP CVD方式生长SiNx钝化层。
更进一步地，上述的热电堆红外探测器芯片制作方法，其中，所述步骤三中，采用PE CVD生长单晶Si键合层，按照深腔尺寸光刻形成Si键合层边框。
更进一步地，上述的热电堆红外探测器芯片制作方法，其中，所述步骤四中，通过热电结形成，在SiNx钝化层上生成至少一层金属层，所述金属层为Pt层，或是为Cr层，或是为Ti层，按尺寸通过光刻形成冷区和热区热电结。
更进一步地，上述的热电堆红外探测器芯片制作方法，其中，所述步骤五中，通过热电条形成，在LPCVD生长一层多晶Si层，在一个区域光刻离子注入P元素，另一个区域光刻离子注入B元素，通过光刻形成P/N型多晶Si热电偶条形状。
更进一步地，上述的热电堆红外探测器芯片制作方法，其中，所述步骤七中，通过KOH工艺或是TMAH工艺刻蚀Si衬底，形成倒锥形深腔。
再进一步地，上述的热电堆红外探测器芯片制作方法，其中，所述步骤八中，通过减薄工艺和BOE湿法刻蚀工艺，去除SOI衬底和SiO2剥离层。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1、利用硅硅键合将SOI衬底生长的结构层转移到湿法深硅刻蚀完成的硅片上，能使用湿法工艺提高生产效率并降低成本。
2、能避免背面刻蚀过程中正面结构被腐蚀而受到损坏，提高优良率。
3、整体制备方式较为简单，能够优化热电堆响应率、探测率和响应时间制备效率高。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是热电堆红外探测器芯片的结构示意图。
图中各附图标记的含义如下。
1SiNx支撑层 2SiNx钝化层
3加厚焊盘 4深腔Si衬底
5Si键合层 6衔接焊盘
7连接线组件 8P/N多晶Si热电条
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1的热电堆红外探测器芯片，包括有SiNx支撑层1，其与众不同之处在于：SiNx支撑层1的上端分布有SiNx钝化层2，SiNx钝化层2的上端分布有若干加厚焊盘3，SiNx钝化层2的下端分布有深腔Si衬底4。同时，SiNx钝化层2的左右两端均分布有Si键合层5，深腔Si衬底4与Si键合层5相连，SiNx支撑层1内设置有若干接线构造。并且，SiNx钝化层2上分布有吸收层，吸收层为印刷金黑层，或是为印刷铂黑层，或是为印刷银黑层，或是为印刷黑漆层。实际制造时，也可以采用喷涂方式依附，只要能应用的黑色材料，都可以被本发明所采纳，在此不再赘述。
结合本发明一较佳的实施方式来看，接线构造包括有与SiNx钝化层2相接触的衔接焊盘6，在衔接焊盘6上设置有连接线组件7。具体来说，连接线组件7为热结连接线、冷结连接线中的一种或是混合。同时，SiNx支撑层1与深腔Si衬底4之间分布有P/N多晶Si热电条8。
为了更好的实施本发明，现提供一种热电堆红外探测器芯片制作方法，其包括以下步骤：
步骤一，在SOI衬底上利用热氧方式或是PE CVD方式生长SiO2剥离层；
步骤二，采用LP CVD方式生长SiNx钝化层2。由此，可以保护热电偶层构成的热电条。
步骤三，采用PE CVD生长单晶Si键合层5，按照深腔尺寸光刻形成Si键合层5边框。
步骤四，通过热电结形成，在SiNx钝化层2上生成至少一层金属层，金属层为Pt层，或是为Cr层，或是为Ti层。并且，按尺寸通过光刻形成冷区和热区热电结。
步骤五，通过热电条形成，在LPCVD生长一层多晶Si层，在一个区域光刻离子注入P元素，另一个区域光刻离子注入B元素，通过光刻形成P/N型多晶Si热电偶条形状。
步骤六，采用PE CVD生长SiNx支撑层1，通过光刻暴露出Si键合层5边框。
步骤七，通过KOH工艺或是TMAH工艺刻蚀Si衬底，形成倒锥形深腔，Si衬底与Si键合层5边框进行硅硅键合。
步骤八，通过减薄工艺和BOE湿法刻蚀工艺，去除SOI衬底和SiO2剥离层。
步骤九，在热结区上方印刷或喷涂黑材料，形成吸收层，得到热电堆芯片结构。
实施例1
热电堆红外探测器芯片制作方法，其过程如下：
首先，选择400μm单面抛光SOI衬底，热氧生长500nm的SiO2作为剥离层。之后，通过PE CVD生长500nm的SiNx钝化层，实现光刻暴露焊盘及金属连接线。利用PE CVD生长单晶800nm的单晶Si键合层，光刻形成150μm键合层边框。
随后，通过磁控溅射成长一层20nm的金属Pt或Ti或Cr，光刻形成热电结。接着，通过，LPCVD沉积500nm的多晶Si，在一个区域光刻，离子注入P元素，剂量为1E16cm-2，在另一个区域光刻离子注入B元素，剂量为1E16cm-2。
然后，通过光刻形成P/N型多晶硅热电偶条形状，线宽为5μm，对数为80。利用PECVD生长300nm的SiNx支撑层，光刻暴露出Si键合层边框。利用KOH或TMAH湿法工艺刻蚀单晶Si衬底，形成倒锥形深腔，掩膜平行于对应的面。
同时，将SOI衬底上部Si键合层与深腔Si衬底进行硅硅键合，将图形结构转移至Si衬底。之后，减薄SOI衬底至200nm，BOE湿法刻蚀SiO2剥离层。
接着，通过电子束蒸发300nm的Au层，光刻将PAD焊盘部分加厚。最终，在热结区上方印刷或喷涂黑材料，形成吸收层，得到完整的芯片结构。
实施期间，吸收层生长在SiNx钝化层上，采用丝网印刷或或喷印设备生长黑材料等超材料，提高红外吸收率。
实施例2
首先，选择400μm单面抛光SOI衬底，热氧生长500nm的SiO2作为剥离层。之后，通过PE CVD生长500nm的SiNx钝化层，实现光刻暴露焊盘及金属连接线。利用PE CVD生长单晶800nm的单晶Si键合层，光刻形成150μm键合层边框。
随后，在P/N型多晶硅热电条冷结和热结处直接通过P型热电条连接，线宽为5μm，对数为80。利用PE CVD生长300nm的SiNx支撑层，光刻暴露出Si键合层边框。利用KOH或TMAH湿法工艺刻蚀单晶Si衬底，形成倒锥形深腔，掩膜平行于对应的面。
同时，将SOI衬底上部Si键合层与深腔Si衬底进行硅硅键合，将图形结构转移至Si衬底。之后，减薄SOI衬底至200nm，BOE湿法刻蚀SiO2剥离层。
接着，通过电子束蒸发300nm的Au层，光刻将PAD焊盘部分加厚。最终，在热结区上方印刷或喷涂黑材料，形成吸收层，得到完整的芯片结构。
实施例3
首先，选择400μm单面抛光SOI衬底，热氧生长500nm的SiO2作为剥离层。之后，通过PE CVD生长500nm的SiNx钝化层，实现光刻暴露焊盘及金属连接线。利用PE CVD生长单晶800nm的单晶Si键合层，光刻形成150μm键合层边框。
随后，通过Al-P型多晶硅结构进行结合，无需另外生长Pt层，让Al作为连接线和焊盘。利用PE CVD生长300nm的SiNx支撑层，光刻暴露出Si键合层边框。利用KOH或TMAH湿法工艺刻蚀单晶Si衬底，形成倒锥形深腔，掩膜平行于对应的面。
同时，将SOI衬底上部Si键合层与深腔Si衬底进行硅硅键合，将图形结构转移至Si衬底。之后，减薄SOI衬底至200nm，BOE湿法刻蚀SiO2剥离层。
接着，通过电子束蒸发300nm的Au层，光刻将PAD焊盘部分加厚。最终，在热结区上方印刷或喷涂黑材料，形成吸收层，得到完整的芯片结构。
通过上述的文字表述并结合附图可以看出，采用本发明后，拥有如下优点：
1、利用硅硅键合将SOI衬底生长的结构层转移到湿法深硅刻蚀完成的硅片上，能使用湿法工艺提高生产效率并降低成本。
2、能避免背面刻蚀过程中正面结构被腐蚀而受到损坏，提高优良率。
3、整体制备方式较为简单，能够优化热电堆响应率、探测率和响应时间制备效率高。
此外，本发明所描述的指示方位或位置关系，均为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或构造必须具有特定的方位，或是以特定的方位构造来进行操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个组件内部的连通或两个组件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。并且它可以直接在另一个组件上或者间接在该另一个组件上。当一个组件被称为是“连接于”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或间接连接至该另一个组件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.热电堆红外探测器芯片，包括有SiNx支撑层，其特征在于：所述SiNx支撑层的上端分布有SiNx钝化层，所述SiNx钝化层的上端分布有若干加厚焊盘，所述SiNx钝化层的下端分布有深腔Si衬底，所述SiNx钝化层的左右两端均分布有Si键合层，所述深腔Si衬底与Si键合层相连，所述SiNx支撑层内设置有若干接线构造，所述SiNx钝化层上分布有吸收层，所述吸收层为印刷金黑层，或是为印刷铂黑层，或是为印刷银黑层，或是为印刷黑漆层。
2.根据权利要求1所述的热电堆红外探测器芯片，其特征在于：所述接线构造包括有与SiNx钝化层相接触的衔接焊盘，所述衔接焊盘上设置有连接线组件，所述连接线组件为热结连接线、冷结连接线中的一种或是混合。
3.根据权利要求1所述的热电堆红外探测器芯片，其特征在于：所述SiNx支撑层与深腔Si衬底之间分布有P/N多晶Si热电条。
4.热电堆红外探测器芯片制作方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，在SOI衬底上生成SiO2剥离层；
步骤二，生长SiNx钝化层；
步骤三，生长单晶Si键合层，形成Si键合层边框；
步骤四，SiNx钝化层上生成冷区和热区热电结；
步骤五，光刻形成P/N型多晶Si热电偶条形状；
步骤六，采用PE CVD生长SiNx支撑层，通过光刻暴露出Si键合层边框；
步骤七，刻蚀Si衬底，形成倒锥形深腔，Si衬底与Si键合层边框进行硅硅键合；
步骤八，除SOI衬底和SiO2剥离层；
步骤九，在热结区上方印刷或喷涂黑材料，形成吸收层，得到热电堆芯片结构。
5.根据权利要求4所述的热电堆红外探测器芯片制作方法，其特征在于：所述步骤一中，在SOI衬底上利用热氧方式或是PE CVD方式生长SiO2剥离层；所述步骤二中，采用LPCVD方式生长SiNx钝化层。
6.根据权利要求4所述的热电堆红外探测器芯片制作方法，其特征在于：所述步骤三中，采用PE CVD生长单晶Si键合层，按照深腔尺寸光刻形成Si键合层边框。
7.根据权利要求4所述的热电堆红外探测器芯片制作方法，其特征在于：所述步骤四中，通过热电结形成，在SiNx钝化层上生成至少一层金属层，所述金属层为Pt层，或是为Cr层，或是为Ti层，按尺寸通过光刻形成冷区和热区热电结。
8.根据权利要求4所述的热电堆红外探测器芯片制作方法，其特征在于：所述步骤五中，通过热电条形成，在LPCVD生长一层多晶Si层，在一个区域光刻离子注入P元素，另一个区域光刻离子注入B元素，通过光刻形成P/N型多晶Si热电偶条形状。
9.根据权利要求4所述的热电堆红外探测器芯片制作方法，其特征在于：所述步骤七中，通过KOH工艺或是TMAH工艺刻蚀Si衬底，形成倒锥形深腔。
10.根据权利要求4所述的热电堆红外探测器芯片制作方法，其特征在于：所述步骤八中，通过减薄工艺和BOE湿法刻蚀工艺，去除SOI衬底和SiO2剥离层。
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