CN118076205A - 一种热电堆红外探测器及其制备方法 - 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备方法，热电堆红外探测器包括：衬底、支撑层、红外吸收层、若干热偶条与金属电极结构；支撑层设置在衬底上；红外吸收层设置在支撑层上并位于支撑层的中间位置；热偶条设置在支撑层上，并与红外吸收层连接，沿红外吸收层的边缘分布；其中，热偶条为碲化铋材料制成，热偶条包括P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条；金属电极结构设置在支撑层上，P型碲化铋热偶条通过金属电极结构串联，N型碲化铋热偶条通过金属电极结构串联。本发明采用碲化铋材料制作热电堆红外传感器的热偶条，可以大大提升热电堆红外传感器的灵敏度，使得热电堆红外传感器的响应率与探测率得到提高，可以满足高探测需求。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及的是一种热电堆红外探测器及其制备方法。
背景技术
目前在红外探测器是红外系统中最关键的元器件之一。热电堆红外探测器是较早发展起来的一种非制冷型红外探测器，是将众多基于塞贝克效应的热偶条进行串联以放大响应电压，最终达到测量的目的。其中的关键热敏器件热电偶是利用导体或者半导体材料的热电效应将温度差转变为电势差的元件，它是将两种不同的导体或半导体材料的两端连接形成闭合回路，其中一端(热端)吸收辐射能量使得温度上升，另一端(冷端)处于室温环境，两端处于不同的温度场而产生温差，使导体材料或半导体材料中的载流子发生移动，聚集在温度低的一端，从而引起电势差。由于热电堆红外探测器具有体积小、可以在室温下工作、宽谱红外辐射响应、能够检测恒定辐射量、制备成本低等优势，因此在安全监视、医学治疗、生命探测等方面有广泛应用。
热电堆红外探测器的性能一般由响应率和探测率来表示，响应率和探测率越高，说明性能越好。目前，传统的热电堆红外探测器都在对于器件结构的问题如增加热偶条的对数的方式来提高电势差，进而提高灵敏度。但是实践表明，此种方式对于提高器件的灵敏度的方法效果并不明显。由于材料性能的限制，热电堆红外探测器的输出电势与两种热电材料的赛贝克系数有关。赛贝克系数越大，输出电压越高，通过增大敏感元材料的赛贝克系数，也可以提高电压输出和响应率。同时，热导率影响材料的导热能力，导热性越好，温差越小。因此，材料的热导率越低，温度差越大，越有利于提高响应率。材料的电阻率越低，器件的电阻值越低，能够有效地提高器件的检测率。将ZT值(热电优值)定义为温度×塞贝克系数/(热导率×电阻率)，ZT值越高，材料性能越好，器件的响应率和探测率也就越高。
现有的热电堆红外探测器的热电材料一般使用多晶硅材料，这种结构器件占空比低，并且材料性能较差，赛贝克系数偏低，且热导率较高，使得Z值较低，导致热电堆红外传感器的灵敏度提升受到了较大的限制，探测率与响应率无法满足探测器的高探测需求。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种热电堆红外探测器及其制备方法，以解决现有热电堆红外传感器的探测率与响应率无法满足高探测需求的问题。
本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种热电堆红外探测器，其包括：衬底、支撑层、红外吸收层、若干热偶条与金属电极结构；
所述支撑层设置在所述衬底上；
所述红外吸收层设置在所述支撑层上并位于所述支撑层的中间位置；
所述热偶条设置在所述支撑层上，并与所述红外吸收层连接，沿所述红外吸收层的边缘分布；其中，所述热偶条为碲化铋材料制成，所述热偶条包括P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条；
所述金属电极结构设置在所述支撑层上，所述P型碲化铋热偶条通过所述金属电极结构串联，所述N型碲化铋热偶条通过所述金属电极结构串联。
本发明的进一步设置，所述P型碲化铋热偶条的成分为Bi2-xSbxTe3，其中，0.5≤x≤2，所述P型碲化铋热偶条的厚度为0.1－10微米；所述N型碲化铋热偶条的成分为Bi2Te3－ ySey，其中，0≤y≤2，所述N型碲化铋热偶条的厚度为0.1－10微米。
本发明的进一步设置，所述热偶条与所述红外吸收层连接的一端被所述红外吸收层覆盖。
本发明的进一步设置，所述衬底的底部设置有空腔。
本发明的进一步设置，所述红外吸收层为方形结构或圆形结构。
本发明的进一步设置，所述衬底为硅衬底；所述支撑层为氮化硅层、氧化硅层、氮氧化硅层、PI膜中的一种。
本发明的进一步设置，所述红外吸收层为多孔氮化硅层或者氧化物吸收层。
本发明的进一步设置，所述金属电极结构包括金属电极与金属电极片；
所述金属电极连接在所述P型碲化铋热偶条之间，以及连接在所述N型碲化铋热偶条之间；
所述金属电极片分别连接在所述P型碲化铋热偶条与所述N型碲化铋热偶条形成的串联结构的首端和末端；
所述金属电极包括叠加设置的阻挡层与电极层；所述阻挡层为Cr、Mo、Ti、Pt、Au中的一种材料制成；所述电极层为Al、Cu、Mo中的一种材料制成。
第二方面，本发明还提供了一种如上述所述的热电堆红外探测器的制备方法，包括：
在衬底上形成支撑层；
在所述支撑层上形成P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条；
对P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条进行退火处理；
在所述P型碲化铋热偶条与所述N型碲化铋热偶条之间形成金属电极结构；
在所述金属电极结构上形成红外吸收层；
在衬底中的背衬底中形成空腔。
本发明的进一步设置，所述在所述支撑层上形成P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条的步骤包括：
在支撑层上利用掩模版并采用光刻工艺在P型碲化铋层表面与N型碲化铋层表面经过涂HMDS、匀胶、前烘、显影、扫底膜形成P型碲化铋热偶条图形与N型碲化铋热偶条图形；
进行碲化铋材料沉积后，采用刻蚀机刻蚀掉多余的P型碲化铋层与N型碲化铋层，并采用有机清洗去除光刻胶，以在所述支撑层上形成P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条；
所述在所述P型碲化铋热偶条与所述N型碲化铋热偶条之间形成金属电极结构的步骤包括：
在所述P型碲化铋热偶条同一平面沉积金属层；
利用掩模版并采用光刻工艺在金属层表面经过涂HMDS、匀胶、前烘、曝光、显影、扫底膜形成金属连线、金属电极图形和金属电极片图形；
通过刻蚀机刻蚀掉金属层，并采用有机清洗去除光刻胶，形成金属连线、金属电极和金属电极片，以得到金属电极结构；
所述在所述金属电极结构上形成红外吸收层的步骤包括：
采用掩膜法或者光刻工艺形成红外吸收层版图；
采用物理溅射或者化学气相沉积工艺形成红外吸收层。
本发明所提供的一种热电堆红外探测器及其制备方法，热电堆红外探测器包括：衬底、支撑层、红外吸收层、若干热偶条与金属电极结构；所述支撑层设置在所述衬底上；所述红外吸收层设置在所述支撑层上并位于所述支撑层的中间位置；所述热偶条设置在所述支撑层上，并与所述红外吸收层连接，沿所述红外吸收层的边缘分布；其中，所述热偶条为碲化铋材料制成，所述热偶条包括P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条；所述金属电极结构设置在所述支撑层上，所述P型碲化铋热偶条通过所述金属电极结构串联，所述N型碲化铋热偶条通过所述金属电极结构串联。本发明采用碲化铋材料制作热电堆红外传感器的热偶条，因碲化铋材料的赛贝克系数与电导率较高，且热导率较低，因而ZT值较高，可以大大提升热电堆红外传感器的灵敏度，使得热电堆红外传感器的响应率与探测率得到提高，可以满足高探测需求。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明中方形结构的热电堆红外探测器的整体结构示意图。
图2是本发明中方形结构的热电堆红外探测器的俯视图。
图3是本发明中方形结构的热电堆红外探测器的截面图。
图4是常见热电材料在室温下的ZT值。
图5是本发明中圆形结构的热电堆红外探测器的整体结构示意图。
图6是本发明中圆形结构的热电堆红外探测器的俯视图。
图7是本发明中圆形结构的热电堆红外探测器的截面图。
图8是本发明中热电堆红外探测器的制备方法的流程示意图。
图9是本发明中热电堆红外探测器的制备方法的原理图。
附图中各标记：1、衬底；11、空腔；2、支撑层；3、P型碲化铋热偶条；4、N型碲化铋热偶条；5、金属电极结构；51、金属电极；52、金属电极片；6、红外吸收层；301、热端；302、冷端。
具体实施方式
本发明提供一种热电堆红外探测器及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。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。
在实施方式和申请专利范围中，除非文中对于冠词有特别限定，否则“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
早期的热电堆红外温度传感器是将热电偶材料沉积在塑料或者氧化铝衬底之上获得的，这种方法获得的器件尺寸大，也不易批量生产。随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术的发展和应用，热电堆红外温度传感器得到了进一步发展，实践表明，采用MEMS工艺制作的微机械热电堆红外热电堆，由于能够有效降低其热传导、提高集成度，因此其性能较传统热电堆器件有较大幅度的提升。此外热电堆红外探测器还具有重量轻、功耗低、耐用性好、价格低、性能稳定等优点，因此在汽车、航天航空及电子行业等多个领域都得到广泛的应用。
热电堆红外探测器的性能一般由响应率和探测率表示，其中，响应率是响应电压与红外辐射密度的比值，响应率表示了热电堆探测器把红外辐射能量转换成电能的能力。探测率可以表示为/>反映了探测器对于红外辐射的探测能力，是表示该传感器能检测到多大程度的信号的指标。
在实际中，构成热电堆红外探测器的热电偶材料的赛贝克系数越大，热导率越低，在吸收同等红外辐射热量下可以产生的温差越大，热电堆红外探测器的输出电压也就越大，进而热电堆器件的灵敏度越高。在与集成电路相兼容的工艺中，一般采用与CMOS工艺兼容的N型和P型多晶硅制备热电偶结构，但多晶硅的赛贝克系数偏低，N/P型材料的赛贝克系数绝对值均在100μV/K以下，且热导率较高，大于25W/mK，ZT值仅在0.01(N型)和0.02(P型)，导致硅基热电堆的灵敏度提升受到了较大的限制，同时难于微型化。
针对上述技术问题，本发明提供了一种热电堆红外探测器及其制备方法，采用碲化铋材料制作热电堆红外传感器的热偶条，因碲化铋材料的赛贝克系数与电导率较高，且热导率较低，因而ZT值较高，可以大大提升热电堆红外传感器的灵敏度，使得热电堆红外传感器的响应率与探测率得到提高，可以满足高探测需求。并且，由于碲化铋材料极低的热导率，使得热偶条可以在小尺寸下得到较大的温差，因而有利于热电堆红外探测器的小型化设计。
请同时参阅图1至图7，本发明提供了一种热电堆红外探测器的较佳实施例。
如图1至图3所示，本发明提供的一种热电堆红外探测器，其包括：衬底1、支撑层2、红外吸收层6、若干热偶条与金属电极结构5。其中，所述支撑层2设置在所述衬底1上；所述红外吸收层6设置在所述支撑层2上并位于所述支撑层2的中间位置；所述热偶条设置在所述支撑层2上，并与所述红外吸收层6连接，沿所述红外吸收层6的边缘分布；其中，所述热偶条为碲化铋材料制成，所述热偶条包括P型碲化铋热偶条3与N型碲化铋热偶条4；所述金属电极结构5设置在所述支撑层2上，所述P型碲化铋热偶条3通过所述金属电极结构5串联，所述N型碲化铋热偶条4通过所述金属电极结构5串联。
具体地，所述衬底1、所述支撑层2与所述红外吸收层6从下至上依次设置，且所述红外吸收层6位于所述支撑层2的中心位置。所述热偶条设置有多个，每个热偶条包括P型碲化铋热偶条3与N型碲化铋热偶条4，所述P型碲化铋热偶条3与所述N型碲化铋热偶条4间隔设置，并分布在所述红外吸收层6的四周，其中所述P型碲化铋热偶条3与所述N型碲化铋热偶条4的一端与所述红外吸收层6连接，所述P型碲化铋热偶条3与所述N型碲化铋热偶条4靠近所述红外吸收层6的一端为热端301，所述P型碲化铋热偶条3与所述N型碲化铋热偶条4远离所述红外吸收层6的一端为冷端302。所述金属电极结构5将各个所述P型碲化铋热偶条3进行串联，以及将各个所述N型碲化铋热偶条4进行串联，以形成热偶条串联结构，从而可以放大响应电压。
热电偶材料是决定热电堆红外探测器性能的根本因素。如图4所示，图4展示了热电堆红外探测器常见的几种热电材料的ZT值，Bi/Sb(铋/锑)热电偶是传统热电偶中最经典的材料组合，在所有的金属材料里，Bi/Sb有着较高的塞贝克系数和很低的导热系数。多晶硅材料具有良好的热电性能，制造过程简单且兼容性好，是目前绝大多数热电堆红外探测器的热电偶材料。PolySiGe的电阻率较低，然而其塞贝克系数不高。
从图4可以看到，碲化铋材料是室温附近热电性能最优的热电材料，比目前常用的热电材料ZT值都要高，其塞贝克系数可以达到200μV/K，电导率在1E5S/m以上，热导率约为1W/mK，ZT优值为传统硅基材料的一个数量级以上。
本发明采用碲化铋材料制作热电堆红外传感器的热偶条，即采用碲化铋材料作为热电堆红外传感器件的敏感元材料，因碲化铋材料的赛贝克系数与电导率较高，且热导率较低，因而ZT值较高，可以大大提升热电堆红外传感器的灵敏度，使得热电堆红外传感器的响应率与探测率得到提高，可以满足高探测需求。且由于碲化铋极低的热导率，可以在小尺寸下得到较大的温差，可以与CMOS进行片上集成，因此有利于实现热电堆器件的小型化设计。另外，碲化铋制造容易、稳定性高，相对于传统的多晶硅热电性能更加优异。因此，本发明提供热电堆红外探测器，可以最大程度实现器件小型化且高性能，可以适用于四端梁结构或二端梁结构的热电堆红外探测器。
在一些实施例中，所述P型碲化铋热偶条的成分为Bi2-xSbxTe3，其中，0.5≤x≤2，所述P型碲化铋热偶条的厚度为0.1－10微米；所述N型碲化铋热偶条的成分为Bi2Te3－ySey，其中，0≤y≤2，所述N型碲化铋热偶条的厚度为0.1－10微米。
具体地，所述P型碲化铋热偶条的化学式为Bi2-xSbxTe3，其中，0.5≤x≤2，例如x可以是0.5，1，2，当x为1时，所述P型碲化铋热偶条的化学式为Bi1Sb1Te3。所述N型碲化铋热偶条的化学式为Bi2Te3－ySey，其中，0≤y≤2，例如y可以是0，1，2，当y为1时，N型碲化铋热偶条的化学式为Bi2Te2Se1。在本实施例中，所述P型碲化铋热偶条与所述N型碲化铋热偶条的厚度范围均为0.1－10微米，例如所述P型碲化铋热偶条的厚度可以是0.1微米，5微米，10微米，所述N型碲化铋热偶条的厚度可以是0.1微米，6微米，10微米，而所述P型碲化铋热偶条与所述N型碲化铋热偶条的厚度可以不同，例如，当所述P型碲化铋热偶条的厚度为4微米时，所述N型碲化铋热偶条的厚度可以是7微米。
在一些实施例中，如图3所示，所述热偶条与所述红外吸收层6连接的一端被所述红外吸收层6覆盖。
具体地，所述热偶条与所述红外吸收层6连接的一端为热端301，所述热偶条的热端301边缘位置被所述红外吸收层6覆盖，有利于所述热偶条吸收辐射能量，使得温度上升较高，从而使得热偶条的冷端302与热端301的温差更高，最终产生的电势差更大。
在一些实施例中，如图1与图5至图7所示，所述红外吸收层6为方形结构或圆形结构。
具体地，热电堆红外探测器可以是正方形结构与圆形结构。当热偶条的分布形状为正方形时，所述红外吸收层6、所述衬底1与所述支撑层2的横截面均为正方形，即热电堆红外探测器为正方形结构。当热偶条的分布形状为圆形时，所述红外吸收层6、所述衬底1与所述支撑层2的横截面均为圆形，即热电堆红外探测器为圆形结构。
在一些实施例中，如图1至图3所示，所述金属电极结构5包括金属电极51与金属电极片52；所述金属电极51连接在所述P型碲化铋热偶条3之间，以及连接在所述N型碲化铋热偶条4之间；所述金属电极片52分别连接在所述P型碲化铋热偶条3与所述N型碲化铋热偶条4形成的串联结构的首端和末端；所述金属电极51包括叠加设置的阻挡层与电极层；所述阻挡层为Cr、Mo、Ti、Pt、Au中的一种材料制成；所述电极层为Al、Cu、Mo中的一种材料制成。
具体地，所述金属电极51为长方形结构，所述金属电极51连接在所述P型碲化铋热偶条3之间，以及连接在所述N型碲化铋热偶条4之间，使得所述P型碲化铋热偶条3的收尾串联，所述N型碲化铋热偶条4首尾串联。其中，位于热端301一侧的金属电极51为热端电极，位于冷端302一侧的金属电极51为冷端电极。所述金属电极片52位于热偶条的首尾两端，能够将响应电压输出至检测设备中。
在本实施例中，所述金属电极51包括阻挡层与电极层，所述金属电极51为阻挡层与电极层的双层或多层金属层构成。在一些实施例中，所述阻挡层可以是但不限于是Cr、Mo、Ti、Pt、Au中的一种材料制成，所述电极层可以是但不限于是Al、Cu、Mo中的一种材料制成。在一些实施例中，所述金属电极51的厚度为0.1－10微米，例如，所述金属电极51的厚度可以是0.1微米，5微米，10微米。需要说明的是，所述金属电极片52与所述金属电极51的材料相同，仅仅在于形状有差异。
在一些实施例中，如图3所示，所述衬底1的底部设置有空腔11。
具体地，由于所述衬底1有着良好的导热性，会造成热电堆敏感元件(即热偶条)的传热短路，无法形成较大温差。本发明通过在所述衬底1的背衬底1中设置背腔，即所述空腔11，可以使热量尽可能多的朝着热偶条方向传递，以增大冷热短端温差，增强热电压信号。
在一些实施例中，所述衬底1为硅衬底；所述支撑层2为氮化硅层、氧化硅层、氮氧化硅层、PI膜中的一种；所述红外吸收层6为多孔氮化硅层或者氧化物吸收层。
具体地，所述衬底1为硅基衬底，所述衬底1的厚度为50－1000微米，例如，所述衬底1的厚度可以是50微米，500微米，1000微米。所述支撑层2可以是氮化硅层、氧化硅层、但氧化硅层中的一种。另外，所述支撑层2还可以是绝缘材料层，例如，PI膜(聚酰亚胺膜)，所述支撑层2的厚度为0.2－10微米，例如，所述支撑层2的厚度可以是0.02微米，5微米，10微米。所述红外吸收层6可以是但不限于是多孔氮化硅层或者氧化物吸收层，所述红外吸收层6的厚度为0.1－10微米，例如，所述红外吸收层6的厚度可以是0.1微米，5微米，10微米。
在一些实施例中，如图8与图9所示，本发明还提供了一种如上述所述的热电堆红外探测器的制备方法，该方法包括步骤：
S100、在衬底上形成支撑层；
具体地，所述衬底采用硅材料衬底，其主要作用为散热和支撑，如果厚度太薄，则在后续接收红外辐射时，冷端温度不能保持温室，进而造成冷端和热端温差过小，进一步导致热电堆红外探测器的性能降低。如果所述衬底的厚度太厚，则会使得热电堆红外探测器的体积过大，进而可能会影响器件的微小型化。因此，所述衬底的厚度范围需要在50－1000微米之间，例如，可以是50微米，500微米，1000微米。
在所述衬底还未被加工时，在所述衬底上制备所述支撑层。所述支撑层的材料的选择对于热电堆红外探测器的设计是非常关键的，所述支撑层的材料应具有较低的热导与良好的机械强度。因所述支撑层与所述衬底一样，也起到热传导作用，若所述支撑层的热导率过高，当红外福射作用在热电堆红外探测器上时，红外吸收区将吸收的红外福射转换成的热量将会通过所述支撑层散失掉很多，进而降低探测器的性能。在热电堆红外探测器实际的应用中，所述支撑层是处于悬浮的状态，因此就要求所述支撑层应具有一定的机械强度才能对其上的红外吸收层、热偶条、金属电极结构等起到好的支撑作用。在一些实施例中，所述支撑层可以是氮化硅层、氧化硅层、但氧化硅层中的一种。另外，所述支撑层还可以是绝缘材料层，例如，PI膜(聚酰亚胺膜)。
S200、在所述支撑层上形成P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条；
具体地，所述P型碲化铋热偶条与所述N型碲化铋热偶条先后在所述支撑层上制备。在制备所述P型碲化铋热偶条时，首先在支撑层上利用掩模版并采用光刻工艺在P型碲化铋层表面经过涂HMDS(六甲基二硅胺)、匀胶、前烘、显影、扫底膜形成P型碲化铋热偶条图形，其后进行P型碲化铋材料沉积后，采用刻蚀机刻蚀掉多余的P型碲化铋层，并采用有机清洗去除光刻胶，以在所述支撑层上形成P型碲化铋热偶条，其中，沉积P型碲化铋材料的可以采用磁控溅射、热蒸发、金属有机化合物化学气相沉积(Metal－organicChemical VaporDePosition，MOCVD)、化学沉积中的一种工艺实现。
在完成所述P型碲化铋热偶条的制备后，再制备所述N型碲化铋热偶条，其中，所述N型碲化铋热偶条的制备工艺与所述P型碲化铋热偶条的制备工艺一致，区别在于所述N型碲化铋热偶条采用N型碲化铋材料制备。需要说明的是，在制备P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条时，还可以采用利用硬掩模或者光刻－liftoff工艺形成版图，并通过磁控、热蒸发、MOCVD或者电化学沉积形成P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条，这样便可以省去刻蚀步骤。
S300、对P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条进行退火处理；
具体地，在完成所述P型碲化铋热偶条与所述N型碲化铋热偶条的制备后，在真空或惰性气体环境下以250－400℃对所述P型碲化铋热偶条与所述N型碲化铋热偶条进行退火处理0.5－4h，这样可以防止杂质污染所述P型碲化铋热偶条与所述N型碲化铋热偶条，同时可以减少碲元素的挥发。在一些实施例中，退火温度可以是250℃，300℃，400℃，退火处理时间可以是0.5h，2.5h，4h。需要理解的是，退火处理的退火温度太低或者退火时间太短，则不能很好的激活杂质离子，如果退火温度太高或者退火时间太长，则引入的热预算会增多，有可能影响应力，同时工艺时间加长也会影响产能。
现有的P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条的制备方式中，在完成P型碲化铋热偶条的制备之前，需要对P型碲化铋热偶条材料层进行一次退火处理，在完成N型碲化铋热偶条的制备之前，需要对N型碲化铋热偶条材料层进行一次退火处理。相对于现有的热偶条制备方式，本发明是在得道所述P型碲化铋热偶条与所述N型碲化铋热偶条之后再对所述P型碲化铋热偶条与所述N型碲化铋热偶条进行退火处理，因而可以减少热电堆红外探测器的制备步骤，进而节省制作成本。在一些实施例中，退火处理的方式可以采用快速热退火处理或者炉管退火处理的方式。
S400、在所述P型碲化铋热偶条与所述N型碲化铋热偶条之间形成金属电极结构；
具体地，首先在与所述P型碲化铋热偶条的同一平面沉积金属层，其后利用掩模版并采用光刻工艺在金属层表面经过涂HMDS、匀胶、前烘、曝光、显影、扫底膜形成金属连线、金属电极图形和金属电极片图形，再进一步通过IBE刻蚀机刻蚀掉金属层，并采用有机清洗去除光刻胶，形成金属连线、金属电极和金属电极片，以得到金属电极结构。其中，金属层的沉积包括阻挡层与电极层的沉积，沉积方式可以采用磁控溅射或者化学气相沉积工艺。需要说明的是，所述金属电极与所述金属电极片的宽度根据实际需求进行确定，本实施例对此不作具体的限定。
其中，所述金属电极片位于热偶条的首尾两端，能够将响应电压输出至检测设备中。所述金属连线为所述P型碲化铋热偶条之间或所述N型碲化铋热偶条之间通过所述金属电极相连接的导通引线，同时所述P型碲化铋热偶条、所述N型碲化铋热偶条与所述金属电极片之间也通过金属连线导通。
S500、在所述金属电极结构上形成红外吸收层；
具体地，所述红外吸收层用于接收红外辐射，因而需要较高的红外吸收率与较低的热容。在制备所述红外吸收层时，可以采用掩膜法或者光刻工艺形成红外吸收层版图，其后可以采用物理溅射或者化学气相沉积工艺形成红外吸收层。其中，所述红外吸收层需要覆盖于所述热偶条的热端，以便于较好的进行传递热量。
S600、在衬底中的背衬底中形成空腔。
具体地，首先利用掩模版通过光刻工艺在所述衬底的背面一层形成图形，其后再通过深硅刻蚀机刻蚀至所述支撑层以形成空腔。
以下以具体的实施例对本发明进行说明。
实施例1
如图1与图9所示，图1为方形结构热电堆红外探测器，其制作过程为：采用热氧化的方式在硅衬底上形成SiO2支撑层，具体为准备硅片，利用标准RCA清洗硅片，通过热氧化生长一层氧化硅；采用磁控溅射的方法进行依次制备P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条，并采用曝光显影+liftoff工艺分别形成P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条版图；在完成P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条的制备后，采用Ti作为阻挡层材料，并采用铜电极完成金属电极结构的制备，实现P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条的串联；其后制备红外吸收层，采用掩模版在红外吸收层表面经过涂HMDS、匀胶、前烘、曝光、显影、扫底膜并通过刻蚀机刻蚀出吸收区图案，利用化学气相沉积工艺覆盖氮化硅形成红外吸收层；最后通过深硅刻蚀机将衬底背面刻蚀至支撑层形成空腔，即可得到方形热电堆红外探测器。
实施例2
如图5所示，图5为圆形结构热电堆红外探测器，其制作过程为：采用甩胶方式在硅衬底上形成PI膜支撑层。采用电化学沉积的方法进行依次制备P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条，并采用曝光显影+liftoff工艺分别形成P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条版图；在完成P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条的制备后，采用Mo作为阻挡层材料，并采用铝电极完成金属电极结构的制备，实现P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条的串联；采用掩模版在红外吸收层表面经过涂HMDS、匀胶、前烘、曝光、显影、扫底膜并通过刻蚀机刻蚀出吸收区图案，利用化学气相沉积工艺覆盖氧化镍形成红外吸收层；最后通过深硅刻蚀机将衬底背面刻蚀至支撑层形成空腔，即可得到圆形结构热电堆红外探测器。
综上所述，本发明所提供的一种热电堆红外探测器及其制备方法，具有以下有益效果：
采用碲化铋材料制作热电堆红外传感器的热偶条，因碲化铋材料的赛贝克系数与电导率较高，且热导率较低，因而ZT值较高，可以大大提升热电堆红外传感器的灵敏度，使得热电堆红外传感器的响应率与探测率得到提高，可以满足高探测需求探测率可以达到10E9以上，比现有商用硅基热电堆器件提高1个数量级以上；
碲化铋极低的热导率，可以在小尺寸下得到较大的温差，可以与CMOS进行片上集成，因此有利于实现热电堆器件的小型化设计。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种热电堆红外探测器，其特征在于，包括：衬底、支撑层、红外吸收层、若干热偶条与金属电极结构；
所述支撑层设置在所述衬底上；
所述红外吸收层设置在所述支撑层上并位于所述支撑层的中间位置；
所述热偶条设置在所述支撑层上，并与所述红外吸收层连接，沿所述红外吸收层的边缘分布；其中，所述热偶条为碲化铋材料制成，所述热偶条包括P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条；
所述金属电极结构设置在所述支撑层上，所述P型碲化铋热偶条通过所述金属电极结构串联，所述N型碲化铋热偶条通过所述金属电极结构串联。
2.根据权利要求1所述的热电堆红外探测器，其特征在于，所述P型碲化铋热偶条的成分为Bi2-xSbxTe3，其中，0.5≤x≤2，所述P型碲化铋热偶条的厚度为0.1－10微米；所述N型碲化铋热偶条的成分为Bi2Te3－ySey，其中，0≤y≤2，所述N型碲化铋热偶条的厚度为0.1－10微米。
3.根据权利要求1所述的热电堆红外探测器，其特征在于，所述热偶条与所述红外吸收层连接的一端被所述红外吸收层覆盖。
4.根据权利要求1所述的热电堆红外探测器，其特征在于，所述衬底的底部设置有空腔。
5.根据权利要求1所述的热电堆红外探测器，其特征在于，所述红外吸收层为方形结构或圆形结构。
6.根据权利要求1所述的热电堆红外探测器，其特征在于，所述衬底为硅衬底；所述支撑层为氮化硅层、氧化硅层、氮氧化硅层、PI膜中的一种。
7.根据权利要求1所述的热电堆红外探测器，其特征在于，所述红外吸收层为多孔氮化硅层或者氧化物吸收层。
8.根据权利要求1所述的热电堆红外探测器，其特征在于，所述金属电极结构包括金属电极与金属电极片；
所述金属电极连接在所述P型碲化铋热偶条之间，以及连接在所述N型碲化铋热偶条之间；
所述金属电极片分别连接在所述P型碲化铋热偶条与所述N型碲化铋热偶条形成的串联结构的首端和末端；
所述金属电极包括叠加设置的阻挡层与电极层；所述阻挡层为Cr、Mo、Ti、Pt、Au中的一种材料制成；所述电极层为Al、Cu、Mo中的一种材料制成。
9.一种如权利要求1－8任一项所述的热电堆红外探测器的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上形成支撑层；
在所述支撑层上形成P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条；
对P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条进行退火处理；
在所述P型碲化铋热偶条与所述N型碲化铋热偶条之间形成金属电极结构；
在所述金属电极结构上形成红外吸收层；
在衬底中的背衬底中形成空腔。
10.根据权利要求9所述的热电堆红外探测器制备方法，其特征在于，所述在所述支撑层上形成P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条的步骤包括：
在支撑层上利用掩模版并采用光刻工艺在P型碲化铋层表面与N型碲化铋层表面经过涂HMDS、匀胶、前烘、显影、扫底膜形成P型碲化铋热偶条图形与N型碲化铋热偶条图形；
进行碲化铋材料沉积后，采用刻蚀机刻蚀掉多余的P型碲化铋层与N型碲化铋层，并采用有机清洗去除光刻胶，以在所述支撑层上形成P型碲化铋热偶条与N型碲化铋热偶条；
所述在所述P型碲化铋热偶条与所述N型碲化铋热偶条之间形成金属电极结构的步骤包括：
在所述P型碲化铋热偶条同一平面沉积金属层；
利用掩模版并采用光刻工艺在金属层表面经过涂HMDS、匀胶、前烘、曝光、显影、扫底膜形成金属连线图形、金属电极图形和金属电极片图形；
通过刻蚀机刻蚀掉金属层，并采用有机清洗去除光刻胶，形成金属连线、金属电极和金属电极片，以得到金属电极结构；
所述在所述金属电极结构上形成红外吸收层的步骤包括：
采用掩膜法或者光刻工艺形成红外吸收层版图；
采用物理溅射或者化学气相沉积工艺形成红外吸收层。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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