CN1168149C - 斜拉悬梁支撑膜结构的微机械热电堆红外探测器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有斜拉悬梁支撑膜结构的微机械热电堆红外探测器阵列及制造方法。结构特征是支撑膜与框体呈45度角，周围被气氛介质包围，一端固支，另一端与基体两点相连。它又可分为分立型和单腐蚀孔型二种，前者是独立的腐蚀孔结构，腐蚀孔之间由硅衬底相隔；后者为共用一个腐蚀孔结构，悬梁间由腐蚀孔隔开。制造特征是先沉积Si₃N₄层，再沉积SiO₂层，再沉积多晶硅层，离子掺杂注入，光刻，腐蚀，等离子刻蚀并利用硅各相腐蚀剂腐蚀，去掉体硅，形成侧壁为(111)面，悬梁与基体成45度角，中间有孔隙相隔，从而支撑斜拉悬梁支撑膜结构。显然本发明提出的斜拉悬梁支撑膜结构可进一步改善热堆结构，提高探测器热电转换效率，获得高灵敏度。

Description

斜拉悬梁支撑膜结构的微机械热电堆红外探测器阵列

技术领域

本发明涉及一种具有斜拉悬梁支撑膜结构的新的微机械热电堆红外探测器阵列及制造方法。属于红外探测器领域。

背景技术

红外探测器的应用十分广泛，用于军事用途，有红外成像、红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警和红外对抗等；在民用中，有红外测温、红外测湿、红外理疗、红外检测、红外遥感、红外报警等。按探测器工作机理区分，红外探测器可分为热探测器与光子探测器两大类。与光子探测器相比，热探测器具有广谱响应、低成本、易操作以及对环境温度不敏感等优点，但响应时间较慢。因此在气体分析，入侵报警，非接触测温等应用中普遍采用。热电堆红外探测器是热探测器中的一类，另外一大类为热释电探测器。热电堆红外探测器是由众多热电偶组成的，其工作原理是塞贝克效应，也就是温差电效应。当组成热电偶的两种不同材料构成闭合回路时，两个节点之间如果存在温度差，就会在环路中产生电动势。

早先的热电堆红外探测器是利用掩膜真空镀膜的方法，将热偶材料沉积到塑料或氧化铝衬底上获得的，器件的尺寸较大，且不易批量生产。在20世纪80年代初，随着微电子技术的蓬勃发展，提出了微机械热电堆红外探测器的概念，K.D.Wise等最先利用微机械制造技术制造出了热电堆红外探测器。近年来，为了提高灵敏度和分辨率，更发展了探测器阵列，用于红外成像等各个领域。与以往的热电堆红外探测器相比，微机械热电堆红外探测器的优点在于：

1.具有高的灵敏度，宽松的工作环境与非常宽的频谱响应；

2.与标准集成电路工艺兼容，成本低廉且适合批量生产。

在微机械热电堆红外探测器中，影响器件性能的主要因素有：热偶材料，热堆结构以及红外吸收层。为了获得高性能的探测器，热偶材料要具有高的塞贝克系数，热堆结构要具有低的热传导性(即高热阻)，同时红外吸收层对红外波段要具有高的响应率。早先采用的热偶材料为铋(Bi)和锑(Sb)，但由于这些材料与标准集成电路工艺不兼容，因此以后逐渐被硅、多晶硅与金属代替。在红外吸收材料中，现在广泛采用的是聚合物(Polymer)黑体。上述两项相对变动较小，因此在影响探测器性能的因素中，热堆结构就起了主导作用。

为了降低热传导，提高探测器性能，微机械热电堆红外探测器普遍采用薄膜结构，用以起到良好的隔热效果。现在应用的薄膜结构有两类，即封闭膜(close membrane)结构和悬梁(cantilever)结构，其中封闭膜是指热堆的支撑膜为整层的复合介质膜，一般为氮化硅和氧化硅复合膜。这种膜结构的优点在于结构稳定，由于膜与基体处处相连，因此受应力影响小，制造过程中膜本身不易破裂；缺点在于隔热效果不好，红外吸收区吸收红外辐射后，热可以沿着介质支撑膜传播，而并不完全沿着热偶对传播，故热耗散大，热电转换效率低，灵敏度小。悬梁则是指周围为气氛介质所包围，一端固支，一端悬空的膜结构，膜上为热堆与红外吸收区，其中膜亦为复合介质膜。这种膜结构的优点在于，由于周围是导热性能很差的气氛介质(如空气)，因此热耗散小，热阻高，隔热效果好，同时吸收的热可以沿着膜的方向，也就是热偶对的方向有效传导，故热电转换效率较好，灵敏度高。其缺点在于膜与机体间只有通过固支一端相连，另一端悬空，因此受应力的影响显著，制造过程中膜容易发生翘曲或破裂，故成品率较低。两种膜结构如图1、图2所示。这些膜结构都是利用硅的各相异性腐蚀而得到的，腐蚀孔呈金字塔型，侧壁为慢腐蚀面(111)。

发明内容

本发明目的在于提出一种新的具有斜拉悬梁支撑膜结构的微机械热电堆红外探测器阵列及制造方法，以进一步改善热堆结构，提高探测器的性能。

本发明提出的新的热电堆红外探测器阵列，其支撑膜与框体呈45度角，故称之为斜拉悬梁，周围被气氛介质包围，一端固支，另一端与基体两点相连(如图3所示)。悬梁介质薄膜上有热堆结构、红外吸收区以及热堆区。依单元探测器腐蚀孔的结构可将其分为分立型和单腐蚀孔型二种。前者是独立的腐蚀孔结构，腐蚀孔之间由硅衬底相隔；后者为共用一个腐蚀孔结构；悬梁间由腐蚀孔隔开。无论哪一种斜拉型悬梁支撑膜结构微机械热电堆红外探测器阵列均可用m×n表示，m、n理论上为任何自然数，如m＝1、n＝4，则为线列，m、n均大于1则为面阵。探测器的阵列的输出可以根据实际需要采用多种方式，如并联输出，单元探测器一端输出通过一公共引脚引出，而另一输出端由分立引脚输出。

本发明提出的斜拉悬梁支撑膜结构的微机械热电堆红外探测阵列的制造过程是(请参阅图4)。

(1)首先，用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法在(100)晶向单晶硅片7上沉积一层氮化硅层8，厚度为100纳米到150纳米，然后沉积低温氧化硅(LTO)层9，厚度为200纳米到300纳米，再用低压化学气相方法沉积多晶硅层10，厚度为500纳米到800纳米，然后用离子注入的方法进行硼掺杂；

(2)在掺杂后的硅层上光刻出用于形成热偶硅条的形状，其中热偶硅条与切边成45度角，用等离子刻蚀方法得到所需的多晶硅条10，条宽为十到几十微米，长为条宽的几倍到几十倍；

(3)将多晶硅条10进行氧化，与低温氧化硅层构成混合氧化硅层9，然后再用低压化学沉积方法沉积一层氮化硅层8。光刻引线孔图形，以光刻胶为掩膜，用等离子刻蚀方法去除氮化硅8，用氢氟酸腐蚀掉氧化硅9，在引线孔13处暴露出用于形成热偶对的多晶硅条10；

(4)在整个表面沉积金属层11；光刻出用于形成热偶的金属条形状，金属条11和掺杂的多晶硅条10通过引线孔13实现欧姆接触，形成热偶对，成为热堆4的主要构成；光刻用于形成斜拉悬梁支撑膜结构的图形，利用氮化硅与氧化硅复合介质膜作为掩膜，直接用各向异性腐蚀剂，如四甲基氢氧化氨(TMAH)和氢氧化钾(KOH)腐蚀体硅，利用硅各晶向腐蚀速率的不同，从硅正面向下腐蚀，得到斜拉悬梁支撑膜结构；再形成红外辐射吸收区，面积从100微米×100微米到1000微米×1000微米，通过沉积黑体提高吸收效率；由此得到新的斜拉悬梁支撑膜结构的微机械热堆探测器阵列。

由此可见，本发明提出的支撑膜的优点在于综合了封闭膜与悬梁结构的优点。由于非固支端与基体亦有两点相连，因此具有封闭膜结构稳定，制作过程中膜结构不易被破坏，成品率高的优点；而这仅有的两点相连，对于导热的影响很小，因而秉承了悬梁结构的优点，热耗散小，隔热效果好，热阻高，热可以沿着热偶对做有效传导，因此可以提高探测器的热电转换效率，获得高的灵敏度。综上所述，采用这种新的斜拉悬梁支撑膜结构，可以使微机械热电堆红外探测器的整体性能得到较大提高。

附图说明

图1为具有封闭膜结构的微机械热电堆红外探测器示意图。经由各相异性腐蚀剂，如四甲基氢氧化氨(TMAH)后氢氧化钾(KOH)腐蚀后，在硅基体1的顶部留下一层很薄的复合介质膜6，侧壁为(111)。这层膜一般为氮化硅与氧化硅复合膜，膜与基体间一一相连，中间没有孔隙。膜上面有热堆结构4，以及红外吸收区5，其中热堆的热结区3位于红外吸收区5附近，冷结区2在硅基体上。

图2为具有悬梁结构的微机械热电堆红外探测器的示意图。悬梁的形成也经过了各项异性腐蚀，侧壁为(111)，悬梁薄膜结构也是氮化硅与氧化硅复合介质膜。悬梁一端与硅基体1相连，另一端悬空，悬梁与基体间有孔隙相隔。悬梁上有热堆结构4以及红外吸收区5。与封闭膜结构类似，热结区3靠近红外吸收区5，冷结区2在硅基体1上。

图3为斜拉悬梁支撑膜结构微机械热电堆红外探测器的示意图。由各相异性腐蚀剂腐蚀后，留下侧壁为(111)慢腐蚀面的斜拉悬梁结构。其中悬梁与硅基体1成45度角。故命名斜拉。悬梁一端固支，与硅基体1相连，另外一端仅有两点与基体1相连。红外吸收区5与热堆结构4在此悬梁上。红外吸收区5吸收红外辐射后，温度升高，构成热堆的热结区3，硅的导热性好，称为热堆的冷结区2，保持与周围环境相同的温度。

图4为斜拉悬梁支撑膜结构制造工艺示意图。在一片单晶硅7上，先低压化学气相沉积氮化硅层8，再上面沉积低温氧化硅9后，再用低压化学气相沉积方法沉积多晶硅层10，离子注入掺杂，使之具有一定的电阻率。光刻多晶硅条图形，用等离子刻蚀方法形成多晶硅条。将多晶硅条进行氧化后，再沉积一层氮化硅8，至此形成了氮化硅与氧化硅的复合介质膜。光刻引线孔图形，用等离子刻蚀方法去掉氮化硅，用氢氟酸腐蚀去掉氧化硅，得到引线孔13，暴露处掺杂的多晶硅条。蒸发一层金属11，光刻金属线条图形，腐蚀得到所需的金属条，通过引线孔13与多晶硅条事先欧姆接触，构成热堆结构4。此后，光刻腐蚀结构图形，用氮化硅、氧化硅以及金属条作掩膜，利用硅各相性腐蚀剂腐蚀去掉体硅，形成侧壁为(111)面，悬梁与基体成45度脚，中间有孔隙14相隔，一端固支，另外一端由两点与基体相连的斜拉悬梁支撑膜结构，而基体1由单晶硅7与氮化硅层8与氧化硅层9的复合膜构成，称为热堆的冷结区。之后沉积黑体12，形成红外吸收区，并构成热堆的热结区。这样就得到了新的斜拉悬梁支撑膜结构微机械热电堆红外探测器。

图5为1×4分立型斜拉悬梁支撑膜结构微机械热电堆红外探测器线性阵列的示意图。

图6为4×4分立型斜拉悬梁支撑膜结构微机械热电堆红外探测器面阵的示意图。

图7为1×4单腐蚀孔型斜拉悬梁支撑膜结构微机械热电堆红外探测器线性阵列示意图。

图8为4×4单腐蚀孔型斜拉悬梁支撑膜结构微机械热电堆红外探测器面阵的示意图。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明绝非仅限于实施例。

实施例1  1×4分立型斜拉悬梁支撑膜结构微机械热电堆红外探测器线列(图5)

该线列由4个单元斜拉悬梁支撑膜结构微机械热电堆红外探测器按线性排列组成。斜拉悬梁与腐蚀孔14成45度角，悬梁介质薄膜上有热堆结构4，红外吸收区5以及热结区3；单元探测器具有独立的腐蚀孔结构，腐蚀孔之间由硅衬底1相隔，成为热堆的冷结区2；单元探测器的热结区3位于红外吸收区5附近，冷结区2位于硅衬底1，相邻两单元共用一硅衬底边框作为公共冷结区；在此，将这种单元探测器具有独立的腐蚀孔结构的阵列称为分立型阵列。探测器阵列的输出可以根据实际需要采取多种方式，图5中示意的是并联输出的方式，即单元探测器间通过一公共引线15连接一输出端，引出公共引脚16，单元另外一输出端由分立引脚17引出。依此结构，连接任一分立引脚17与公共引脚16作为输出，就是连接该分立引脚17的单元探测器的输出。

实施例2  4×4分立型斜拉悬梁支撑膜结构微机械热电堆红外探测器面阵(图6)

该面阵是在1×4分立型斜拉悬梁支撑膜结构微机械热电堆红外探测器线列的基础上形成的，由16个单元组成。与该线列相似，单元探测器具有独立的腐蚀孔结构，斜拉悬梁与腐蚀孔14成45度角，悬梁上有热堆结构4，红外吸收区5以及热结区3；热结区3位于红外吸收区5附近，冷结区2位于硅衬底1，同一行相邻两单元探测器共用一硅衬底边框作为公共冷结区，相邻行之间则以以硅衬底1相隔。该面阵的输出方式采用的亦是并联方式，如图6示意，由公共引线15连接同一行中单元探测器的一个输出端，引出公共引脚16，单元探测器的另一输出由分立引脚17引出；各行间采用并联方式输出，各有一相对该行的公共输出端16，而单元探测器的另一输出端由分立引脚17引出。

实施例3  1×4单腐蚀孔型斜拉悬梁支撑膜结构微机械热电堆红外探测器线列(图7)

与实施例1不同，该线列的最大特点就是单元探测器共用一个腐蚀孔，由图7所示，故将其命名为单腐蚀孔型面阵。其中悬梁仍与硅衬底1成45度角，热堆结构4，红外吸收区5以及热结区3都在悬梁介质薄膜上，冷结区2则为公共的硅衬底。悬梁间由腐蚀孔14隔开，中间介以气氛介质，用以隔热。单元探测器间由公共引线15连接一输出端，由公共引脚16引出，另一输出则由分立引脚17引出；这里采用的也是并联输出的方式。

实施例4  4×4单腐蚀孔型斜拉悬梁支撑膜结构微机械热电堆红外探测器面阵(图8)

该面阵以实施例3为基础构建，其中每一行中单元探测器共用一个腐蚀孔，但相邻行之间以硅衬底相隔。同样，同一行中悬梁仍硅衬底1成45度角，热堆结构4，红外吸收区5以及热结区3都在悬梁介质薄膜上，冷结区2则为公共的硅衬底。悬梁间也以腐蚀孔14相隔，通过气氛介质起到隔热效果。每一行的输出方式与实施例3相同，单元探测器间由公共引线15连接一输出端，由公共引脚16引出，另一输出则由分立引脚17引出；不同行引出对应它的公共引脚16，与单元探测器的分立引脚17形成该单元的输出端。

Claims (4)

1.一种斜拉悬梁支撑膜结构的微机械热电堆红外探测器阵列，包括悬梁支撑膜，其特征在于斜拉悬梁支撑膜与框架呈45度角，周围被气氛介质包围；一端固定，另一端与基体两点相连；悬梁支撑膜上有热堆结构、红外吸收区以及热结区。

2.按权利要求1所述的斜拉悬梁支撑膜结构的微机械热电堆红外探测器阵列，其特征在于斜拉悬梁支撑膜的结构或为分立型或为单腐蚀孔型。

3.按权利要求2所述的斜拉悬梁支撑膜结构的微机械热电堆红外探测器阵列，其特征在于分立型斜拉悬梁支撑膜结构是独立的腐蚀孔结构，腐蚀孔之间由硅衬底相隔；单腐蚀孔型斜拉型悬梁支撑结构是共用一个腐蚀孔结构，悬梁之间由腐蚀孔隔开。

4.按权利要求1所述的斜拉悬梁支撑膜结构的微机械热电堆红外探测器阵列，其特征在于探测器阵列的并联输出中一端输出通过公共引脚引出，另一输出端由分立引脚输出。

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