CN215160994U - 一种微机电光电探测芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微机电光电探测芯片。该微机电光电探测芯片包括：衬底；空气腔体，空气腔体位于衬底的第一表面，其中，空气腔体包括网状结构薄膜和腔体，网状结构薄膜覆盖腔体，且网状结构薄膜设置有至少一个释放孔，腔体用于连通不同的释放孔，其中释放孔在垂直于衬底所在平面的截面尺寸大于或等于10微米，且小于或等于30微米；悬浮结构，悬浮结构位于衬底的第一表面，悬浮结构覆盖空气腔体，其中，在远离空气腔体的方向上，悬浮结构依次包括支撑层和光电转换器件。本实用新型实施例提供的技术方案，降低了微机电光电探测芯片的工艺难度。

Description

一种微机电光电探测芯片

技术领域

本实用新型实施例涉及半导体技术领域，尤其涉及一种微机电光电探测芯片。

背景技术

微机电(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)光电探测芯片用于吸收预设波长的光信号，并将预设波长光信号转换为对应的电信号，在光电探测领域有广泛的应用。

MEMS热电堆红外传感器多采用硅片背面腐蚀技术形成封闭膜结构，方案是利用双面曝光技术设计底面图案，继而从背面刻蚀硅基底进一步得到封闭膜结构的热电堆红外芯片，该方法工艺复杂，需要面对准曝光，且对器件的大小和性能有局限性。所以，优选与CMOS工艺兼容的正面释放技术，采用正面开口释放支撑膜结构。但值得注意的是，在正面释放技术之前，热电堆图案已经完成，通过开口自衬底正面腐蚀形成空腔的过程中，需要额外的保护措施，以保护器件的完整结构，但仍然会对热电堆图案造成破坏，不仅增加了制造难度，还加大了成本。此外，由于悬浮膜压应力的不均匀性，正面释放通常存在腐蚀不完全的问题，既会影响器件性能，也容易导致膜破的风险，从而大大提高了正面释放工艺的难度。

因此，要想获取质量符合标准的微机电光电探测芯片，工艺难度很大。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种微机电光电探测芯片，以解决现有技术在释放空腔过程中导致的膜破及结构被破坏的问题，同时降低微机电光电探测芯片的工艺难度。

本实用新型实施例提供了一种微机电光电探测芯片，包括：

衬底；

空气腔体，所述空气腔体位于所述衬底的第一表面，其中，所述空气腔体包括网状结构薄膜和腔体，所述网状结构薄膜覆盖所述腔体，且所述网状结构薄膜设置有至少一个释放孔，所述腔体用于连通不同的所述释放孔，其中所述释放孔在垂直于所述衬底所在平面的截面尺寸大于或等于10微米，且小于或等于30微米；悬浮结构，所述悬浮结构位于所述衬底的第一表面，所述悬浮结构覆盖所述空气腔体，其中，在远离所述空气腔体的方向上，所述悬浮结构依次包括支撑层和光电转换器件。

本实施例中的技术方案，空气腔体包括网状结构薄膜和腔体，网状结构薄膜覆盖腔体，且网状结构薄膜设置有至少一个释放孔，腔体用于连通不同的释放孔，基于上述结构设置，刻蚀反应物可以从空气腔体中网状结构薄膜上设置的释放孔进入衬底内部，从而形成衬底内部的腔体。因此上述技术方案，可以先完成空气腔体的制备，再完成悬浮结构的制备，与现有技术相比，避免了在悬浮结构形成后，刻蚀反应物从悬浮结构中的释放孔进入衬底内部，从而形成空气腔体，导致在形成空气腔体的过程中，悬浮结构中的光电转换器件容易被刻蚀反应物损坏的技术问题，进而提高了悬浮结构中的光电转换器件的良率，降低了工艺难度。此外，第一方面，基于上述结构设置，本技术方案无需在悬浮结构中形成释放孔，避免了形成释放孔时对于悬浮结构的损坏。第二方面，基于上述结构设置，刻蚀反应物直接从空气腔体中网状结构薄膜上设置的释放孔进入衬底内部可以充分对衬底进行刻蚀，避免现有技术中刻蚀反应物从悬浮结构中的释放孔进入衬底内部，刻蚀路径比较复杂，存在欠刻或者过刻的技术问题。第三方面，基于上述结构设置，可以在空气腔体形成后再制备悬浮结构，避免现有技术中刻蚀反应物从悬浮结构中的释放孔进入衬底内部，支撑层受到损坏，机械强度下降，不足以支撑光电转换器件的问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型实施例提供的一种微机电光电探测芯片的结构示意图；

图2为图1中网状结构薄膜的俯视图；

图3为本实用新型实施例提供的另一种微机电光电探测芯片的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的又一种微机电光电探测芯片的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的又一种微机电光电探测芯片的结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的又一种微机电光电探测芯片的结构示意图；

图7为本实用新型实施例提供的一种微机电光电探测芯片的制备方法的流程示意图；

图8为图7中步骤120对应的流程示意图；

图9为图7中步骤130对应的流程示意图；

图10为本实用新型实施例提供的另一种微机电光电探测芯片的制备方法的流程示意图；

图11为图10中步骤140对应的流程示意图；

图12-图15为本实用新型实施例提供的一种微机电光电探测芯片的制备方法的各步骤对应的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

正如上述背景技术中所述，基于现有制备方法和现有的微机电光电探测芯片的结构设置，通过正面释放技术要想获取质量符合标准的微机电光电探测芯片，工艺难度很大。究其原因，现有的微机电光电探测芯片中通常是在悬浮结构上设置释放孔，便于在悬浮结构形成后，刻蚀反应物从悬浮结构上的释放孔进入衬底内部，从而形成空气腔体，导致在形成空气腔体的过程中，悬浮结构中的光电转换器件容易被刻蚀反应物损坏。

针对上述技术问题，本实用新型实施例提供如下技术方案：

图1为本实用新型实施例提供的一种微机电光电探测芯片的结构示意图。参见图1，该微机电光电探测芯片包括：衬底10；空气腔体11，空气腔体11位于衬底10的第一表面10A，其中，空气腔体11包括网状结构薄膜110和腔体111，网状结构薄膜110覆盖腔体111，且网状结构薄膜110设置有至少一个释放孔110A，腔体111用于连通不同的释放孔110A，其中释放孔110A在垂直于衬底10所在平面的截面尺寸H大于或等于10微米，且小于或等于 30微米；悬浮结构20，悬浮结构20位于衬底10的第一表面10A，悬浮结构20覆盖空气腔体11，其中，在远离空气腔体11的方向上，悬浮结构20依次包括支撑层21和光电转换器件22。

由于释放孔110A在垂直于衬底10所在平面的截面尺寸H大于或等于10微米，且小于或等于30微米指，可以保证刻蚀反应物从释放孔110A进入衬底10内部形成腔体111，避免在外延生长时，气体反应物进入空气腔体11内部，因此在空气腔体11内部不会形成支撑层21中包含的材料。

在本实施例中，衬底10可以为硅基底。支撑层21可以为氧化硅、氮化硅以及氧化硅和氮化硅的叠层中任意一种。

相比现有技术局限于悬浮结构中设置释放孔的结构设置，本实施例中的技术方案，空气腔体11包括网状结构薄膜110和腔体111，网状结构薄膜110覆盖腔体111，且网状结构薄膜110设置有至少一个释放孔110A，腔体111用于连通不同的释放孔110A，基于上述结构设置，刻蚀反应物可以从空气腔体11中网状结构薄膜110上设置的释放孔110A进入衬底10 内部，从而形成衬底10内部的腔体111。因此上述技术方案，可以先完成空气腔体11的制备，再完成悬浮结构20的制备，避免了在悬浮结构20形成后，刻蚀反应物从悬浮结构20 中的释放孔进入衬底10内部，从而形成空气腔体，导致在形成空气腔体11的过程中，悬浮结构20中的光电转换器件22容易被刻蚀反应物损坏的技术问题，进而提高了悬浮结构20 中的光电转换器件22的良率，降低了工艺难度。此外，第一方面，基于上述结构设置，本技术方案无需在悬浮结构20中形成释放孔110A，避免了形成释放孔110A时对于悬浮结构 20的损坏。第二方面，基于上述结构设置，刻蚀反应物直接从空气腔体11中网状结构薄膜 110上设置的释放孔110A进入衬底10内部可以充分对衬底10进行刻蚀，避免现有技术中刻蚀反应物从悬浮结构20中的释放孔进入衬底10内部，刻蚀路径比较复杂，存在欠刻或者过刻的技术问题。第三方面，基于上述结构设置，可以在空气腔体11形成后再制备悬浮结构 20，避免现有技术中刻蚀反应物从悬浮结构20中的释放孔进入衬底10内部，支撑层21受到损坏，机械强度下降，不足以支撑光电转换器件22的问题。

可选的，在上述技术方案的基础上，参见图1，网状结构薄膜110临近腔体111的表面设置有倒三角结构10B，衬底10临近腔体111的表面设置有正三角结构10C。

具体的，采用刻蚀工艺对衬底10进行各向异性刻蚀，衬底10内部不同晶面被刻蚀的速度不同，以形成包括倒三角结构10B的网状结构薄膜110、包括正三角结构10C的衬底10以及位于包括倒三角结构10B的网状结构薄膜110和包括正三角结构10C的衬底10之间的腔体111。其中，倒三角结构10B的两个倾斜面是不同的晶面。正三角结构10C两个倾斜面是不同的晶面。包括倒三角结构10B的网状结构薄膜110相对平面结构具有更高的机械强度，可以提高网状结构薄膜110用于支撑悬浮结构20的稳定性、可靠性和耐用性。示例性的，各向异性湿法腐蚀工艺的反应物可以是氢氧化钾(KOH)或四甲基氢氧化铵(TMAH)等碱性溶液，其对倒三角结构10B的两个倾斜面的刻蚀速率不同，同时，对正三角结构10C的两个倾斜面的刻蚀速率不同。

可选的，在上述技术方案的基础上，释放孔110A的深度大于或等于衬底10厚度的1/2，且小于或等于衬底10厚度的2/3。

具体的，释放孔110A的深度太小，以至于小于衬底10厚度的1/2，导致刻蚀反应物可以从网状结构薄膜110上设置的释放孔110A进入衬底10内部，形成的腔体111的深度太小，当悬浮结构20包括热电堆220时，对热电堆220的热端保温效果较差。释放孔110A的深度增加可以减少热损失，实现热电堆结构220更好的热隔离效果。释放孔110A的深度太大，以至于大于衬底10厚度的2/3时，衬底10的机械性能较差，不足以支撑悬浮结构20。

图2为图1中网状结构薄膜的俯视图。其中，图2示出了6种网状结构薄膜110的俯视图。

可选的，在上述技术方案的基础上，参见图2，释放孔110A在网状结构薄膜110所在平面的截面形状为圆形或者多边形。

具体的，刻蚀反应物可以从网状结构薄膜110上设置的释放孔110A进入衬底10内部，以形成腔体111。在网状结构薄膜110所在平面的截面形状为圆形或者多边形的释放孔110A，形状规则，便于采用刻蚀工艺形成。

可选的，在上述技术方案的基础上，参见图2c和图2d，释放孔110A在网状结构薄膜110所在平面的截面形状为圆形，释放孔110A在网状结构薄膜围成多个同心圆环，便于刻蚀反应物从网状结构薄膜110上设置的释放孔110A进入衬底10内部，形成柱状腔体111。具体的，可以通过控制刻蚀反应物的流速、同心圆环之间的间距以及释放孔110A的面积来形成柱状腔体111的速度。

可选的，在上述技术方案的基础上，参见图2c，释放孔110A的面积相同，具体的，释放孔110A的面积相同，降低了刻蚀不同释放孔110A的工艺难度。

或者，在上述技术方案的基础上，参见图2d，远离网状结构薄膜110中心的释放孔110A 的面积小于靠近网状结构薄膜110中心的释放孔110A的面积。具体的，远离网状结构薄膜 110中心的释放孔110A的面积小于靠近网状结构薄膜110中心的释放孔110A的面积，即远离网状结构薄膜110中心的释放孔110A对应的刻蚀反应物的刻蚀速率小于靠近网状结构薄膜110中心的释放孔110A对应的刻蚀反应物的刻蚀速率，便于刻蚀反应物可以从网状结构薄膜110上设置的释放孔110A进入衬底10内部，形成边缘形状可控的腔体111。

可选的，在上述技术方案的基础上，参见图2b，释放孔110A在网状结构薄膜110所在平面的截面形状为正方形，释放孔110A在网状结构薄膜110围成块状区域。正方形的释放孔110A，形状比较规则，便于刻蚀反应物可以从网状结构薄膜110上设置的释放孔110A进入衬底10内部，形成方形腔体111。具体的，可以通过控制刻蚀反应物的流速以及释放孔110A之间的间距来控制形成方形腔体111的速度。释放孔110A的形状相同，降低了刻蚀不同释放孔110A的工艺难度。

或者，在上述技术方案的基础上，参见图2a、图2e和图2f，释放孔110A在网状结构薄膜110所在平面的截面形状为长方形，相邻的释放孔110A平行设置或者以预设间距垂直设置。具体的，图2a和图2f示出的网状结构薄膜110的俯视图中，相邻的释放孔110A平行设置。长方形的释放孔110A，形状比较规则，便于刻蚀反应物可以从网状结构薄膜110上设置的释放孔110A进入衬底10内部，形成方形腔体111。具体的，可以通过控制刻蚀反应物的流速以及释放孔110A之间的间距来控制形成方形腔体111的速度。图2e示出的网状结构薄膜110的俯视图中，相邻的释放孔110A以预设间距垂直设置，达到减少释放孔110A的数量的效果，进而提高了刻蚀释放孔110A的效率。

以上释放孔110A在网状结构薄膜110所在平面的取向对应于底部硅衬底10的晶体学取向，通过网状结构薄膜110上相邻释放孔110A之间不同的排列与组合，便于刻蚀反应物可以从网状结构薄膜110上设置的释放孔110A进入衬底10内部，刻蚀反应物对相邻的腔有效地进行交叉蚀刻，形成腔体111，由最小面积的表面开口实现最大的刻蚀腔体效果，并且在刻蚀过程及刻蚀工艺结束后，能够保证网状结构薄膜110具有的良好释放性及机械完整性。

下面进一步细化微机电光电探测芯片中悬浮结构20的具体结构。图3为本实用新型实施例提供的另一种微机电光电探测芯片的结构示意图。参见图3，悬浮结构20包括：支撑层 21，支撑层21位于衬底10的第一表面10A侧，且支撑层21覆盖空气腔体11；热电堆220，热电堆220位于支撑层21远离空气腔体11一侧的表面；钝化层221，钝化层221位于热电堆220远离衬底10一侧的表面；红外吸收层222，红外吸收层222位于钝化层221远离热电堆220一侧的表面，其中，热电堆220在衬底10的投影包围红外吸收层222在衬底10的投影，热电堆220靠近红外吸收层222的一端作为热端，热电堆220远离红外吸收层222的一端作为冷端，热电堆220的冷端作为电极通过导电通孔将红外光信号对应的电信号引至衬底 10与第一表面10A相对的第二表面10B，红外吸收层222、钝化层221和热电堆220构成光电转换器件22。

在本实施例中，钝化层221用于保护热电堆220并且可以为形成红外吸收层222时提供平整的平面。具体的，本实施例中的微机电光电探测芯片红外吸收层222吸收红外光信号，热电堆220将红外光信号转换为对应的电信号。其中热电堆220将红外光信号转换为对应的电信号的原理如下：

基于塞贝尔克效应，红外吸收层222吸收红外光信号，热电堆220的热端和冷端出现温度差，热电堆220的热端靠近红外吸收层222，其温度高于热电堆220的冷端，热电堆220的热端和冷端会产生温差电动势，以实现热电堆220将红外光信号转换为对应的电信号的功能。红外吸收层222可为金属薄膜、多孔黑金属或者由氧化硅、氮化硅等堆叠而成的薄膜。

可选的，参见图3，热电堆220包括由不同导电材料制成的第一导电层220A和第二导电层220B，以及设置在第一导电层220A和第二导电层220B之间的绝缘层223，第一导电层220A位于支撑层21远离衬底10一侧的表面，第二导电层220B位于绝缘层223远离第一导电层220A一侧的表面。第一导电层220A靠近红外吸收层222的一端和第二导电层220B 靠近红外吸收层222的一端电连接，作为导电堆220的热端。第一导电层220A远离红外吸收层222的一端作为热电堆220的冷端，同时复用为热电堆220的第一电极220C，第二导电层220B远离红外吸收层222的一端作为热电堆220的冷端，同时复用为热电堆220的第二电极220D。第一电极220C通过第一导电通孔10C将第一电极220C的电信号引至衬底10 的第二表面10B。第二电极220D通过第二导电通孔10D将第二电极220D的电信号引至衬底10的第二表面10B。可选的，该微机电光电探测芯片还包括第一焊接部12和第二焊接部 13，第一焊接部12与第一导电通孔10C电连接，第二焊接部13与第二导电通孔10D电连接。第一导电通孔10C和第二导电通孔10D内填充有导电材料14，导电材料14和衬底10之间设置有绝缘材料223。可选的，在衬底10的第二表面10B设置有阻焊层15，阻焊层15设置有露出第一导电通孔10C和第二导电通孔10D的开口结构。第一焊接部12和第二焊接部13 的设置，一方面可以将热电堆220的温差电动势引至衬底10的第二表面10B，另一方面便于微机电光电探测芯片可以通过自动化表面贴装工艺与外接器件实现电连接。第一导电层220A 的材料及第二导电层220B的材料为两种不同的电导体或者半导体，如多晶硅，金属铝等。

为了进一步提高近红外吸收层222吸收红外光的光吸收效率，本实用新型实施例还提供了如下技术方案：

在上述技术方案的基础上，参见图3，该微机电光电探测芯片还包括：预设波长光信号滤窗30，预设波长光信号滤窗30位于悬浮结构20远离空气腔体11一侧的表面，用于透射预设波长光信号，并保护悬浮结构20和衬底10。

具体的，预设波长光信号滤窗30具有透光性可以透射预设波长光信号，并阻挡透射非预设波长光信号，从而增加了预设波长光信号的透射率，进而提高了微机电光电探测芯片的光电转换效率。此外，预设波长光信号滤窗30还可以用于保护悬浮结构20和衬底10不受外力破坏。

可选的，可以通过粘结层40将预设波长光信号滤窗30和钝化层221粘结在一起，悬浮结构20和预设波长光信号滤窗30构成一个真空腔室，可以降低周围环境波动对悬浮结构20 中光电转换器件22的光电探测性能的影响，还可以通过调节粘结层40的高度来调节预设波长光信号滤窗30和悬浮结构20之间的间距。

下面具体细化预设波长光信号滤窗30的具体结构。在上述技术方案的基础上，参见图3，预设波长光信号滤窗30包括依次叠层设置的光学增透膜层31、滤光保护层32和金属反射层 33，光学增透膜层31用于透射预设波长光信号，并阻挡非预设波长光信号的透射；滤光保护层32，用于透射预设波长光信号，滤光保护层32包括透光区32A和包围透光区的非透光区32B，金属反射层33位于滤光保护层32远离光学增透膜层31一侧的表面，且金属反射层33位于非透光区32B；光学增透膜层31紧邻悬浮结构20。

具体的，光学增透膜层31用于透射预设波长光信号，并阻挡透射非预设波长光信号，从而增加了预设波长光信号的透射率，进而提高了微机电光电探测芯片的光电转换效率。滤光保护层32用于透射预设波长光信号，并保护内悬浮结构20和衬底10。金属反射层33位于非透光区32B可以限定微机电光电探测芯片的视场角，具体的，金属反射层33可以将外界入射到非透光区32B的红外辐射反射回周围环境中，将入射光路径限定在透光区32A范围内，之后被转换为对应的电信号，以提高微机电光电探测芯片的光电转换效率。示例性的，金属反射层33的材料可以选择反射性能良好的金属铝。

在上述技术方案的基础上，参见图3，滤光保护层32邻近光学增透膜层31的一侧的表面设置有凹槽30A。

具体的，凹槽30A的设置使得滤光保护层32邻近光学增透膜层31的一侧的表面形成了一个凹腔结构，减少了滤光保护层32的透光区32A的厚度，减少了光信号在滤光保护层32 的传输距离，进一步减少了光信号的损耗，增加了红外光信号的透射率。

可选的，参见图3，凹槽30A的纵截面形状为倒梯形。具体的，凹槽30A的纵截面形状为倒梯形，凹槽30A的侧面和底面具有一定夹角，可以将反射到凹槽30A侧面的光信号反射回透光区32A范围内，以提高微机电光电探测芯片的光电转换效率。

图4为本实用新型实施例提供的又一种微机电光电探测芯片的结构示意图。其中图4b 是图4a中示出的预设波长光信号滤窗30的结构示意图。图5为本实用新型实施例提供的又一种微机电光电探测芯片的结构示意图。其中图5b是图5a中示出的预设波长光信号滤窗30 的结构示意图。图6为本实用新型实施例提供的又一种微机电光电探测芯片的结构示意图。其中图6b是图6a中示出的预设波长光信号滤窗30的结构示意图。

在上述技术方案的基础上，参见图4、图5和图6，滤光保护层32远离悬浮结构20一侧的表面设置有菲涅尔衍射结构32C，菲涅尔衍射结构32C用于将预设波长光信号聚焦到悬浮结构20的光信号接收表面即红外吸收层222。

示例性的，参见图4、图5和图6，菲涅尔衍射结构32C在衬底10上的投影覆盖红外吸收层222。菲涅尔衍射结构32C用于将预设波长光信号聚焦到红外吸收层222，增加了红外吸收层222吸收红外光信号的强度，提高了微机电光电探测芯片的光电转换效率。

可选的，参见图4、图5和图6，菲涅尔衍射结构32C包括中心区域，以及包围中心区域的至少一个环形狭缝。

需要说明的是，参见图4b，菲涅尔衍射结构32C包括中心区域a，以及包围中心区域的至少一个环形狭缝，环形狭缝分别是环形狭缝b、环形狭缝d以及环形狭缝f。参见图5b，菲涅尔衍射结构32C包括中心区域a，以及包围中心区域的至少一个环形狭缝，环形狭缝分别是环形狭缝b、环形狭缝d、环形狭缝f以及环形狭缝h。参见图6b，菲涅尔衍射结构32C 包括中心区域a，以及包围中心区域的至少一个环形狭缝，环形狭缝分别是环形狭缝b、环形狭缝d、环形狭缝f以及环形狭缝h。其中环形狭缝距离中心区域a的径向距离和预设波长光信号的波长、中心区域a底面距离红外吸收层222的距离(焦距)有关。

可选的，参见图4、图5和图6，环形狭缝的中心与中心区域a的中心重合。

可选的，环形狭缝包括圆形环形狭缝或者多边形环形狭缝。即环形狭缝的横截面形状为圆形的狭缝为圆形环形狭缝。环形狭缝的横截面形状为多边形的狭缝为多边形环形狭缝。

可选的，菲涅尔衍射结构还包括狭缝间隔区域，狭缝间隔区域位于相邻的两个环形狭缝之间。

参见图4，菲涅尔衍射结构32C还包括狭缝间隔区域，狭缝间隔区域位于相邻的两个环形狭缝之间。其中狭缝间隔区域c位于相邻的两个环形狭缝b和d之间，狭缝间隔区域e位于相邻的两个环形狭缝d和f之间。需要说明的是，狭缝间隔区域g用来隔离环形狭缝f。

参见图5，菲涅尔衍射结构32C还包括狭缝间隔区域，狭缝间隔区域位于相邻的两个环形狭缝之间。其中狭缝间隔区域c位于相邻的两个环形狭缝b和d之间，狭缝间隔区域e位于相邻的两个环形狭缝d和f之间，狭缝间隔区域g位于相邻的两个环形狭缝f和h之间。

需要说明的是，图4和图6示出的菲涅尔衍射结构32C是通过刻蚀滤光保护层32形成环形狭缝。图5示出的菲涅尔衍射结构32C通过在滤光保护层30远离光学增透膜层31一侧的表面形成的金属膜层之后，对金属膜层进行图案化刻蚀得到的菲涅尔衍射结构32C。

本实用新型实施例还提供了一种微机电光电探测芯片的制备方法。图7为本实用新型实施例提供的一种微机电光电探测芯片的制备方法的流程示意图。图12-图15为本实用新型实施例提供的一种微机电光电探测芯片的制备方法的各步骤对应的剖面图。参见图7，该微机电光电探测芯片的制备方法包括以下步骤：

步骤110、提供衬底。

参见图12a，提供衬底10。在本实施例中，衬底10示例性的可以为单晶硅材料。

步骤120、在衬底的第一表面形成空气腔体，其中，空气腔体包括网状结构薄膜和腔体，网状结构薄膜覆盖腔体，且网状结构薄膜设置有至少一个释放孔，腔体用于连通不同的释放孔。

参见图12b，在衬底10的第一表面10A形成空气腔体11，其中，空气腔体11包括网状结构薄膜110和腔体111，网状结构薄膜110覆盖腔体111，且网状结构薄膜110设置有至少一个释放孔110A，腔体111用于连通不同的释放孔110A。

步骤130、在衬底的第一表面形成悬浮结构，悬浮结构覆盖空气腔体，其中，在远离空气腔体的方向上，悬浮结构依次包括支撑层和光电转换器件。

参见图12c，在衬底10的第一表面10A形成悬浮结构20，悬浮结构20覆盖空气腔体11，其中，在远离空气腔体11的方向上，悬浮结构20依次包括支撑层21和光电转换器件22。

相比现有技术形成微机电光电探测芯片顺序是首先提供衬底，然后在衬底第一表面形成悬浮结构，其中悬浮结构上设置释放孔，最后将刻蚀反应物从悬浮结构上的释放孔进入衬底内部，从而形成空气腔体，导致在形成空气腔体的过程中，悬浮结构中的光电转换器件容易被刻蚀反应物损坏。

本实施例中的技术方案，改变了空气腔体11和悬浮结构20的形成顺序，在形成悬浮结构20之前，在衬底10的第一表面10A形成空气腔体11，其中，空气腔体11包括网状结构薄膜110和腔体111，网状结构薄膜110覆盖腔体111，且网状结构薄膜110设置有至少一个释放孔110A，腔体111用于连通不同的释放孔110A。因此上述技术方案，可以先完成空气腔体11的制备，再完成悬浮结构20的制备，避免了现有技术中在悬浮结构20形成后，刻蚀反应物从悬浮结构20中的释放孔进入衬底10内部，从而形成空气腔体，导致在形成空气腔体11的过程中，悬浮结构20中的光电转换器件22容易被刻蚀反应物损坏的技术问题，进而提高了悬浮结构20中的光电转换器件22的良率，降低了工艺难度。此外，第一方面，基于上述制备方法，本技术方案无需在悬浮结构20中形成释放孔110A，避免了形成释放孔 110A时对于悬浮结构20的损坏。第二方面，基于上述制备方法，刻蚀反应物直接从空气腔体11中网状结构薄膜110上设置的释放孔110A进入衬底10内部可以充分对衬底10进行刻蚀，避免现有技术中刻蚀反应物从悬浮结构20中的释放孔进入衬底10内部，刻蚀路径比较复杂，存在欠刻或者过刻的技术问题。第三方面，基于上述制备方法，可以在空气腔体11 形成后再制备悬浮结构20，避免现有技术中刻蚀反应物从悬浮结构20中的释放孔进入衬底 10内部，支撑层21受到损坏，机械强度下降，不足以支撑光电转换器件22的问题。

图8为图7中步骤120对应的流程示意图。在上述技术方案的基础上，参见图8，步骤120在衬底的第一表面形成空气腔体包括：

步骤1201、在衬底的第一表面形成介质层。

参见图13a，示例性的，衬底10可以为单晶硅，可以通过淀积工艺在衬底10的第一表面10A形成介质层16，介质层可为氧化硅或氮化硅层。淀积工艺包括低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体化学气相沉积(PECVD)或者热氧化工艺。

步骤1202、对介质层进行图案化刻蚀，形成至少一个凹槽。

参见图13b，可以通过光刻、干法刻蚀或者湿法腐蚀工艺对介质层16进行图案化刻蚀，形成网状结构薄膜110的掩膜图形，包含至少一个凹槽16A。

步骤1203、在衬底的第一表面形成至少一个释放孔，其中，释放孔和凹槽连通。

参见图13c，可以采用深反应离子硅刻蚀工艺(DRIE)在衬底10的第一表面10A进行刻蚀，由于刻蚀工艺对介质层16和衬底10的刻蚀选择特性，形成至少一个释放孔110A，其中，释放孔110A和凹槽16A连通。其中，释放孔110A的大小、形状可以根据工艺及设计需要确定。

步骤1204、采用刻蚀工艺在衬底的第一表面形成空气腔体，其中，刻蚀工艺包括各向异性深反应离子刻蚀工艺和/或各向异性湿法腐蚀工艺，各向异性深反应离子刻蚀工艺和/或各向异性湿法腐蚀工艺的反应物沿释放孔进入衬底内部，形成所述网状结构薄膜和所述腔体，所述网状结构薄膜覆盖所述腔体，且所述网状结构薄膜设置有至少一个释放孔，所述腔体用于连通不同的所述释放孔。

参见图13d，采用刻蚀工艺在衬底10的第一表面10A形成空气腔体11，其中，刻蚀工艺包括各向异性深反应离子刻蚀工艺和/或各向异性湿法腐蚀工艺，各向异性深反应离子刻蚀工艺和/或各向异性湿法腐蚀工艺的反应物沿释放孔110A进入衬底10内部，介质层16下面的部分单晶硅衬底10被刻蚀和/或腐蚀掉以形成网状结构薄膜110和腔体111，网状结构薄膜110覆盖腔体111，且网状结构薄膜110设置有至少一个释放孔110A，腔体111用于连通不同的释放孔110A。示例性的，各向异性湿法腐蚀工艺的反应物可以是氢氧化钾(KOH)或四甲基氢氧化铵(TMAH)等碱性溶液。单独各向异性湿法腐蚀工艺时，由于腐蚀液的各向异性，网状结构薄膜110形成面向腔体111的收缩端，本实施例中，所述收缩端沿平行于竖直面的剖面为倒三角形，所述剖面也可为矩形等其他形状。单独使用各向异性深反应离子刻蚀(DRIE)工艺时，将反应离子通过释放孔110A射入硅基底10中进行刻蚀，通过合适的工艺参数也可得到网状结构薄膜110和腔体111。

步骤1205、去除介质层。

参见图13e，可以通过干法刻蚀或湿法腐蚀工艺去除介质层16，使得网状结构薄膜110 暴露出来。其中，湿法腐蚀的腐蚀液可以是缓冲氢氟酸(BOE)。

可选的，在上述技术方案的基础上，步骤1204采用刻蚀工艺在衬底的第一表面形成空气腔体包括：

参见图13d，采用刻蚀工艺对衬底10的第一表面10A进行各向异性刻蚀，以形成包括倒三角结构10B的网状结构薄膜110、包括正三角结构10C的衬底10以及位于包括倒三角结构10B的网状结构薄膜110和包括正三角结构10C的衬底10之间的腔体111，其中，网状结构薄膜110临近腔体111的表面设置有倒三角结构10B，衬底10临近腔体的表面设置有正三角结构。

具体的，包括倒三角结构10B的网状结构薄膜110相对平面结构具有更高的机械强度，可以提高网状结构薄膜110用于支撑悬浮结构20的稳定性、可靠性和耐用性。示例性的，各向异性湿法腐蚀工艺的反应物可以是氢氧化钾(KOH)或四甲基氢氧化铵(TMAH)等碱性溶液。

下面进一步细化微机电光电探测芯片中悬浮结构20的制备方法。图9为图7中步骤130 对应的流程示意图。在上述技术方案的基础上，参见图9，步骤130在衬底的第一表面形成悬浮结构包括：

步骤1301、在衬底的第一表面侧形成支撑层，支撑层覆盖空气腔体；

参见图14a，在衬底10的第一表面10A侧形成支撑层21，支撑层21覆盖空气腔体11。当衬底10为单晶硅时，可以将网状结构薄膜110作为子晶，利用外延单晶硅工艺，形成单晶硅薄膜层。由于释放孔110A在垂直于衬底10所在平面的截面尺寸大于或等于10微米，且小于或等于30微米，在外延生长时，气体反应物难以进入空气腔体11内部，因此在空气腔体11内部不会形成单晶硅薄膜层，并且由于淀积工艺的各向同性，总会得到完整的单晶硅薄膜层。之后通过热氧化工艺在单晶硅薄膜层进行氧化，得到支撑层21。且可以根据工艺参数，控制支撑层21的厚度，保证支撑层21在预设厚度范围内，足以支撑悬浮结构220。

步骤1302、在支撑层远离空气腔体一侧的表面形成热电堆。

参见图14b和图14c，在支撑层21远离空气腔体11一侧的表面形成热电堆220中的第一导电层220A，之后依次形成覆盖第一导电层220A的绝缘层223和热电堆220中的第二导电层220B。

步骤1303、在热电堆远离衬底一侧的表面形成钝化层。

参见图14c，在热电堆远离衬底一侧的表面形成钝化层221。在本实施例中，钝化层221 用于保护热电堆220并且可以为形成红外吸收层222时提供平整的平面。

步骤1304、在钝化层远离热电堆一侧的表面形成红外吸收层，其中，热电堆在衬底的投影包围红外吸收层在衬底的投影，热电堆靠近红外吸收层的一端作为热端，热电堆远离红外吸收层的一端作为冷端，热电堆的冷端作为电极通过导电通孔将红外光信号对应的电信号引至衬底与第一表面相对的第二表面，红外吸收层、钝化层和热电堆构成光电转换器件。

参见图14d，在钝化层221远离热电堆220一侧的表面形成红外吸收层222。其中，热电堆220在衬底10的投影包围红外吸收层222在衬底10的投影，热电堆220靠近红外吸收层222的一端作为热端，热电堆220远离红外吸收层222的一端作为冷端，热电堆220的冷端作为电极通过导电通孔将红外光信号对应的电信号引至衬底10与第一表面10A相对的第二表面10B，红外吸收层222、钝化层221和热电堆220构成光电转换器件22。

可选的，参见图14e，在步骤1304之后还包括第一焊接部12、第二焊接部13、第一导电通孔10C、第二导电通孔10D、导电材料14以及阻焊层15的制备。其中，第一导电层220A 靠近红外吸收层222的一端和第二导电层220B靠近红外吸收层222的一端电连接，作为导电堆220的热端。第一导电层220A远离红外吸收层222的一端作为热电堆220的冷端，同时复用为热电堆220的第一电极220C，第二导电层220B远离红外吸收层222的一端作为热电堆220的冷端，同时复用为热电堆220的第二电极220D。第一电极220C通过第一导电通孔10C将第一电极220C的电信号引至衬底10的第二表面10B。第二电极220D通过第二导电通孔10D将第二电极220D的电信号引至衬底10的第二表面10B。可选的，该微机电光电探测芯片还包括第一焊接部12和第二焊接部13，第一焊接部12与第一导电通孔10C电连接，第二焊接部13B与第二导电通孔10D电连接。第一导电通孔10C和第二导电通孔10D内填充有导电材料14，导电材料14和衬底10之间设置有绝缘材料。可选的，在衬底10的第二表面10B设置有阻焊层15，阻焊层15设置有露出第一导电通孔10C和第二导电通孔10D的开口结构。第一焊接部12和第二焊接部13的设置，一方面可以将热电堆220的温差电动势引至衬底10的第二表面10B，另一方面便于微机电光电探测芯片可以通过自动化表面贴装工艺与外接器件实现电连接。

图10为本实用新型实施例提供的另一种微机电光电探测芯片的制备方法的流程示意图。在上述技术方案的基础上，参见图10，步骤130在衬底的第一表面形成悬浮结构之后还包括：

步骤140、在悬浮结构远离空气腔体一侧的表面形成预设波长光信号滤窗。

以图1和图3为例进行说明，在悬浮结构20远离空气腔体11一侧的表面形成预设波长光信号滤窗30。

具体的，预设波长光信号滤窗30具有透光性可以透射预设波长光信号，并阻挡透射非预设波长光信号，从而增加了预设波长光信号的透射率，进而提高了微机电光电探测芯片的光电转换效率。此外，预设波长光信号滤窗30还可以用于保护悬浮结构20和衬底10不受外力破坏。

图11为图10中步骤140对应的流程示意图。在上述技术方案的基础上，参见图11，步骤140在悬浮结构远离空气腔体一侧的表面形成预设波长光信号滤窗包括：

步骤1401、形成预设波长光信号滤窗，其中，预设波长光信号滤窗包括依次叠层设置的光学增透膜层、滤光保护层和金属反射层，光学增透膜层用于透射预设波长光信号，并阻挡非预设波长光信号的透射；滤光保护层，用于透射预设波长光信号，滤光保护层包括透光区和包围透光区的非透光区，金属反射层位于滤光保护层远离光学增透膜层一侧的表面，且金属反射层位于非透光区。

参见图15a，形成预设波长光信号滤窗，其中，预设波长光信号滤窗30包括依次叠层设置的光学增透膜层31、滤光保护层32和金属反射层33，光学增透膜31层用于透射预设波长光信号，并阻挡非预设波长光信号的透射；滤光保护层32，用于透射预设波长光信号，滤光保护层32包括透光区32A和包围透光区的非透光区32B，金属反射层33位于滤光保护层32远离光学增透膜层31一侧的表面，且金属反射层33位于非透光区32B。

具体的，光学增透膜层31用于透射预设波长光信号，并阻挡透射非预设波长光信号，从而增加了预设波长光信号的透射率，进而提高了微机电光电探测芯片的光电转换效率。滤光保护层32用于透射预设波长光信号，并保护内悬浮结构20和衬底10。金属反射层33位于非透光区32B可以限定微机电光电探测芯片的视场角，具体的，金属反射层33可以将外界入射到非透光区32B的红外辐射反射回周围环境中，将入射光路径限定在透光区32A范围内，之后被转换为对应的电信号，以提高微机电光电探测芯片的光电转换效率。示例性的，金属反射层33的材料可以选择反射性能良好的金属铝。

可选的，还可以在滤光保护层32邻近光学增透膜层31的一侧的表面形成凹槽30A。具体的，凹槽30A的设置使得滤光保护层32邻近光学增透膜层31的一侧的表面形成了一个凹腔结构，减少了滤光保护层32的透光区32A的厚度，减少了光信号在滤光保护层32的传输距离，进一步减少了光信号的损耗，增加了红外光信号的透射率。可选的，凹槽30A的纵截面形状为倒梯形。具体的，凹槽30A的纵截面形状为倒梯形，凹槽30A的侧面和底面具有一定夹角，可以将反射到凹槽30A侧面的光信号反射回透光区32A范围内，以提高微机电光电探测芯片的光电转换效率。

可选的，以图4、图5和图6为例，还可以在滤光保护层32远离悬浮结构20一侧的表面形成菲涅尔衍射结构32C，菲涅尔衍射结构32C用于将预设波长光信号聚焦到红外吸收层222，以提高微机电光电探测芯片的光电转换效率。

步骤1402、在悬浮结构远离支撑层的一侧，通过晶圆级低温真空键合工艺形成预设波长光信号滤窗，其中，光学增透膜层紧邻悬浮结构。

参见图15b，在悬浮结构20远离支撑层21的一侧，通过晶圆级低温真空键合工艺形成预设波长光信号滤窗30，其中，光学增透膜层31紧邻悬浮结构20。

可选的，可以通过粘结层40将预设波长光信号滤窗30和钝化层221粘结在一起，悬浮结构20和预设波长光信号滤窗30构成一个真空腔室，可以降低周围环境波动对悬浮结构20 中光电转换器件22的光电探测性能的影响，提高光电转换器件22的稳定性，还可以通过调节粘结层40的高度来调节预设波长光信号滤窗30和悬浮结构20之间的间距。

本实用新型实施例提供的技术方案是从正面释放形成空腔结构，一方面可以克服从硅片背面进行腐蚀难以控制腐蚀窗口范围及支撑膜厚度的问题；另一方面，和现有的首先形成热电堆结构，再通过支撑膜结构上的释放孔，利用各向异性的湿法腐蚀(KOH/TMAH等)工艺或各向同性的干法刻蚀工艺腐蚀硅衬底形成空腔的方案相比，本专利先在硅衬底上进行刻蚀形成空腔结构，再形成支撑部及热电堆结构，继而有效避免了后刻蚀过程对已有热电堆结构的破坏，且克服了欠刻及过刻的缺陷，大大缩短了刻蚀时间，降低了工艺难度，简单实用。此外，现有正面释放空腔过程，支撑膜因为张应力不匹配及腐蚀液的问题，容易破裂。依照本专利方法制备的支撑膜在后续的刻蚀或腐蚀工艺中不会受到影响，一致性与均匀性容易控制，从而较易获得完整均匀的支撑膜结构与器件，有效规避了后刻蚀过程中可能存在的膜破问题。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种微机电光电探测芯片，其特征在于，包括：

衬底；

空气腔体，所述空气腔体位于所述衬底的第一表面，其中，所述空气腔体包括网状结构薄膜和腔体，所述网状结构薄膜覆盖所述腔体，且所述网状结构薄膜设置有至少一个释放孔，所述腔体用于连通不同的所述释放孔，其中所述释放孔在垂直于所述衬底所在平面的截面尺寸大于或等于10微米，且小于或等于30微米；

悬浮结构，所述悬浮结构位于所述衬底的第一表面，所述悬浮结构覆盖所述空气腔体，其中，在远离所述空气腔体的方向上，所述悬浮结构依次包括支撑层和光电转换器件。

2.根据权利要求1所述的微机电光电探测芯片，其特征在于，所述网状结构薄膜临近所述腔体的表面设置有倒三角结构，所述衬底临近所述腔体的表面设置有正三角结构。

3.根据权利要求1所述的微机电光电探测芯片，其特征在于，所述释放孔的深度大于或等于所述衬底厚度的1/2，且小于或等于所述衬底厚度的2/3。

4.根据权利要求1所述的微机电光电探测芯片，其特征在于，所述释放孔在所述网状结构薄膜所在平面的截面形状为圆形或者多边形。

5.根据权利要求4所述的微机电光电探测芯片，其特征在于，所述释放孔在所述网状结构薄膜所在平面的截面形状为圆形，所述释放孔在所述网状结构薄膜围成多个同心圆环。

6.根据权利要求5所述的微机电光电探测芯片，其特征在于，所述释放孔的面积相同；

或者，远离所述网状结构薄膜中心的释放孔的面积小于靠近所述网状结构薄膜中心的释放孔的面积。

7.根据权利要求4所述的微机电光电探测芯片，其特征在于，所述释放孔在所述网状结构薄膜所在平面的截面形状为正方形，所述释放孔在所述网状结构薄膜围成块状区域；

或者，所述释放孔在所述网状结构薄膜所在平面的截面形状为长方形，相邻的所述释放孔平行设置或者以预设间距垂直设置。

8.根据权利要求1所述的微机电光电探测芯片，其特征在于，所述悬浮结构包括：

支撑层，所述支撑层位于所述衬底的第一表面侧，且所述支撑层覆盖所述空气腔体；

热电堆，所述热电堆位于所述支撑层远离所述空气腔体一侧的表面；

钝化层，所述钝化层位于所述热电堆远离所述衬底一侧的表面；

红外吸收层，所述红外吸收层位于所述钝化层远离所述热电堆一侧的表面，其中，所述热电堆在所述衬底的投影包围所述红外吸收层在所述衬底的投影，所述热电堆靠近所述红外吸收层的一端作为热端，所述热电堆远离所述红外吸收层的一端作为冷端，所述热电堆的冷端作为电极通过导电通孔将红外光信号对应的电信号引至所述衬底与所述第一表面相对的第二表面，所述红外吸收层、所述钝化层和所述热电堆构成所述光电转换器件。

9.根据权利要求1所述的微机电光电探测芯片，其特征在于，还包括预设波长光信号滤窗，所述预设波长光信号滤窗位于所述悬浮结构远离所述空气腔体一侧的表面，所述预设波长光信号滤窗用于透射预设波长光信号，并保护所述悬浮结构和所述衬底。

10.根据权利要求9所述的微机电光电探测芯片，其特征在于，所述预设波长光信号滤窗远离所述悬浮结构一侧的表面设置有菲涅尔衍射结构，所述菲涅尔衍射结构用于将预设波长光信号聚焦到所述悬浮结构的光信号接收表面。

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