微機械熱電堆紅外探測器的製作方法

2023-05-05 20:39:01

專利名稱：微機械熱電堆紅外探測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及紅外探測器領域，具體是一種微機械熱電堆紅外探測器。
背景技術：
目前，紅外技術廣泛應用於紅外測溫、紅外報警、紅外檢測等民用領域， 以及紅外成像、紅外製導、紅外預警等軍事領域；紅外技術的核心是紅外探測 器。其中，屬非製冷紅外探測器的熱電堆紅外探測器由於具有較多的優勢，應 用極為廣泛。隨著MEMS微機電系統的發展，自20世紀80年代起，微機械 熱電堆紅外探測器應運而生，且經過多年的研究、實踐，已成功應用於民用領 域、軍事領域。
現有微機械熱電堆紅外探測器多採用氮化矽-氧化矽複合膜結構作為支撐 熱電堆結構的介質支撐膜，目的是想減小應力，但工藝上相對比較複雜；且現 有微機械熱電堆紅外探測器一般將熱電堆的熱結區與冷結區皆做在矽襯底表 面的氮化矽薄膜上，由於氮化矽薄膜有一定的絕熱性，即使其厚度很薄，也在 一定程度上阻擋了熱電堆冷結區的熱量傳給矽襯底，但是氮化矽薄膜本身對紅 外輻射也有一定的吸收作用，因此，熱電堆的冷結區也會吸收了一定的熱量， 這樣就抑制了熱電堆的熱結區與冷結區溫度差的增大，降低了探測器的探測靈 敏度；另外，在矽襯底上製作構成熱電堆的熱電偶時，將熱電偶對做於不同平 面上，即需多次澱積氮化矽薄膜，不但工藝過程複雜，而且多次澱積氮化矽薄膜易引起的內應力，成品率低。

發明內容
本發明為了簡化微機械熱電堆紅外探測器的製作工藝，並進一步提高探測 器性能及生產成品率，提供了 一種微機械熱電堆紅外探測器。
本發明是採用如下技術方案實現的熱電堆紅外探測器，按照如下方法制 得的
① 、在940。C溫度條件下，調節反應氣源的流量大小，用LPCVD法在雙 面拋光的p型高阻矽襯底的正面和背面分別澱積出低應力的氮化矽薄膜，無需 經過高溫退火；
② 、利用光刻、刻蝕工藝去掉矽襯底正面的外圍氮化矽薄膜，保留中央區 域的氮化矽薄膜；
③ 、用LPCVD法在矽襯底正面中央區域氮化矽薄膜表面及外圍矽襯底表 面沉積多晶矽層，然後利用光刻、幹法刻蝕工藝形成若干一端位於氮化矽薄膜 上、另一端位於矽襯底上的多晶矽條；
、在矽襯底正面中央區域氮化矽薄膜表面及外圍矽襯底表面濺射一層 鋁，然後利用光刻工藝形成若干同多晶矽條處於同一平面、並分別一一對應與 各多晶矽條構成熱電偶的鋁條，以及使各熱電偶串聯形成熱電堆的鋁條和實現 熱電堆輸出的引線腳；熱電堆的熱結區位於矽襯底中央區域的氮化矽薄膜上， 冷結區位於矽襯底上(即構成熱電堆的各熱電偶的熱端位於矽襯底中央區域的 氮化矽薄膜上，冷端位於矽襯底上)；
⑤、用PECVD法在矽襯底正面上澱積覆蓋熱電堆的氧化矽薄膜；◎、利用光刻工藝在步驟⑤所述氧化矽薄膜的中央區域將光刻膠經過曝 光、顯影形成吸收層圖形，然後在高溫條件下將光刻膠碳化，形成覆蓋熱電堆 熱結區的紅外吸收層；
⑦ 、在步驟⑤所述氧化矽薄膜上紅外吸收層的外圍採用剝離工藝製作出覆 蓋熱電堆冷結區的作為金屬反射層的金層；
⑧ 、利用溼法腐蝕工藝對矽襯底背面進行腐蝕，腐蝕形成以矽襯底正面中 央區域氮化矽薄膜為槽底的正四稜台狀凹槽。
所述CVD法、光刻工藝、幹法刻蝕工藝、溼法腐蝕工藝、剝離工藝為現 有成熟的半導體集成電路工藝和微機械製造工藝。
當有紅外輻射照射到本發明所述熱電堆紅外探測器時，紅外吸收層-碳化 的光刻膠吸收熱量，使得熱電堆的熱結區溫度升高；由於1、不同於以往將 熱電堆的熱結區和冷結區全都澱積在氮化矽薄膜上的做法，將熱電堆的冷結區 直接做在矽襯底上，矽襯底是良好的散熱材料，其熱導率可比擬金屬材料，借 助矽材料良好的散熱能力，熱電堆冷結區的熱量可以很快散失掉，能解決熱電 堆冷結區受氮化矽薄膜阻擋的熱沉問題，而且根據賽貝克效應的原理，熱電堆 的輸出的溫差電動勢一般僅與其熱結區和冷結區的溫度有關，至於中間串聯其 他材料，熱電堆的賽貝克係數不受影響；2、熱電堆的冷結區上方覆蓋有金屬 反射層-金層，對紅外輻射有反射作用，進而可以在一定程度上抑制了熱電堆 冷結區熱量的吸收；3、熱電堆的熱結區上方覆蓋有採用碳化的光刻膠層實現 的紅外吸收層，與單純地以氧化矽薄膜作為紅外吸收層相比，對紅外輻射有較 強的吸收作用，在一定程度上提高熱電堆熱結區熱量的吸收，而且在實現碳化 的光刻膠層時，其範圍大小很容易控制，即容易控制紅外吸收層區域的大小；4、在矽襯底背面腐蝕形成正四稜台狀凹槽，使得矽襯底正面中央區域支撐熱 電堆熱結區的氮化矽薄膜下方的矽襯底全部被腐蝕掉，阻止了熱電堆熱結區的 熱量傳導到冷結區；共同實現了熱電堆熱結區與冷結區之間的良好"隔熱"。 因此，使得熱電堆的熱結區到冷結區的熱傳導緩慢，增強了塞貝克效應，使熱 電堆冷結區與熱結區的溫度差得到提高，因而進一步增大了熱電堆的輸出電 壓，提高了本發明所述探測器的靈敏度、響應率、以及探測率。另外，本發明 利用成熟的半導體集成電路工藝和微機械製造工藝製造出低應力的氮化矽薄 膜作為介質支撐膜，並將熱電偶對做於該低應力氮化矽薄膜上，並處同一平面， 與以往採用氧化矽薄膜和氮化矽薄膜交替生長成的複合膜作為介質支撐膜相 比，不但避免了多次澱積薄膜而引起的內應力，而且僅採用低應力氮化矽薄膜， 製作工藝簡單，易於實現，進而提高了成品率。
本發明結構設計合理，製作工藝簡單，探測器性能高，成品率高，易於實 現，具有良好的發展前景。


圖1為本發明所述熱電堆紅外探測器的加工工序示意圖；圖中以a-b-c-d-e-f-g-h為順序；
圖2為圖lb的俯視圖； 圖3為圖1C的俯視圖； 圖4為圖ld的俯視圖； 圖5為圖lh的仰視圖中l-矽襯底；2、 3-氮化矽薄膜；4-多晶矽條；5、 6-鋁條；7-引線腳；金屬反射層；ll-正四稜台狀凹槽；12-熱電 堆熱結區；13-熱電堆冷結區。
具體實施例方式
熱電堆紅外探測器，按照如下方法製得的
① 、在940。C溫度條件下，調節反應氣源的流量大小，用LPCVD法在雙 面拋光的p型高阻矽襯底1的正面和背面分別澱積出低應力的氮化矽薄膜2、3， 無需經過高溫退火；見圖la所示；
② 、利用光刻、刻蝕工藝去掉矽襯底1正面的外圍氮化矽薄膜，保留中央 區域的氮化矽薄膜2;見圖lb、 2所示；
③ 、用LPCVD法在矽襯底1正面中央區域氮化矽薄膜2表面及外圍矽襯 底表面沉積多晶矽層，然後利用光刻、幹法刻蝕工藝形成若干一端位於氮化矽 薄膜2上、另一端位於矽襯底1上的多晶矽條4;見圖lc、 3所示；
④ 、在矽襯底1正面中央區域氮化矽薄膜1表面及外圍矽襯底表面濺射一 層鋁，然後利用光刻工藝形成若干同多晶矽條4處於同一平面、並分別一一對 應與各多晶矽條4構成熱電偶的鋁條5，以及使各熱電偶串聯形成熱電堆的鋁 條6和實現熱電堆輸出的引線腳7;熱電堆的熱結區12位於矽襯底1中央區域 的氮化矽薄膜2上，冷結區13位於矽襯底1上(即構成熱電堆的各熱電偶的 熱端位於矽襯底中央區域的氮化矽薄膜上，冷端位於矽襯底上)；見圖ld、 4 所示；
⑤ 、用PECVD法在矽襯底1正面上澱積覆蓋熱電堆的氧化矽薄膜8;見 圖le所示；⑥ 、利用光刻工藝在步驟⑤所述氧化矽薄膜8的中央區域將光刻膠經過曝 光、顯影形成吸收層圖形，然後在高溫條件下將光刻膠碳化，形成覆蓋熱電堆
熱結區的紅外吸收層9;見圖lf;
⑦ 、在步驟⑤所述氧化矽薄膜8上紅外吸收層9的外圍採用剝離工藝製作 出覆蓋熱電堆冷結區13的作為金屬反射層10的金層；見圖1 g;
⑧ 、利用溼法腐蝕工藝對矽襯底1背面進行腐蝕，腐蝕形成以矽襯底1正 面中央區域氮化矽薄膜2為槽底的正四稜台狀凹槽11。見圖lh、 5所示；
具體實施時，氮化矽薄膜2、 3的厚度和氧化矽薄膜8的厚度不能太厚， 避免熱傳導引起的熱量損失和薄膜本身應力的增大，因此，氮化矽薄膜2、 3 的厚度取2500-5000埃，氧化矽薄膜8的厚度取1000- 2000埃，且氮化矽薄膜 2、 3和氧化矽薄膜8的熱應力要儘可能的小；金屬反射層10-金層的厚度取 700-1000埃，金屬反射層10的厚度在該範圍內就可以阻擋入射的紅外輻射， 沒有必要做的太厚；紅外吸收層9-碳化的光刻膠層的厚度根據常規所塗光刻膠
權利要求
1、一種微機械熱電堆紅外探測器，其特徵在於按照如下方法製得的①、在940℃溫度條件下，調節反應氣源的流量大小，用LPCVD法在雙面拋光的p型高阻矽襯底(1)的正面和背面分別澱積出低應力的氮化矽薄膜(2、3)，無需經過高溫退火；②、利用光刻、刻蝕工藝去掉矽襯底(1)正面的外圍氮化矽薄膜，保留中央區域的氮化矽薄膜(2)；③、用LPCVD法在矽襯底(1)正面中央區域氮化矽薄膜(2)表面及外圍矽襯底表面沉積多晶矽層，然後利用光刻、幹法刻蝕工藝形成若干一端位於氮化矽薄膜(2)上、另一端位於矽襯底(1)上的多晶矽條(4)；④、在矽襯底(1)正面中央區域氮化矽薄膜(1)表面及外圍矽襯底表面濺射一層鋁，然後利用光刻工藝形成若干同多晶矽條(4)處於同一平面、並分別一一對應與各多晶矽條(4)構成熱電偶的鋁條(5)，以及使各熱電偶串聯形成熱電堆的鋁條(6)和實現熱電堆輸出的引線腳(7)；熱電堆的熱結區(12)位於矽襯底(1)中央區域的氮化矽薄膜(2)上，冷結區(13)位於矽襯底(1)上；⑤、用PECVD法在矽襯底(1)正面上澱積覆蓋熱電堆的氧化矽薄膜(8)；⑥、利用光刻工藝在步驟⑤所述氧化矽薄膜(8)的中央區域將光刻膠經過曝光、顯影形成吸收層圖形，然後在高溫條件下將光刻膠碳化，形成覆蓋熱電堆熱結區(12)的紅外吸收層(9)；⑦、在步驟⑤所述氧化矽薄膜(8)上紅外吸收層(9)的外圍採用剝離工藝製作出覆蓋熱電堆冷結區(13)的作為金屬反射層(10)的金層；⑧、利用溼法腐蝕工藝對矽襯底(1)背面進行腐蝕，腐蝕形成以矽襯底(1)正面中央區域氮化矽薄膜(2)為槽底的正四稜台狀凹槽(11)。
2、根據權利要求1所述的微機械熱電堆紅外探測器，其特徵在於氮化矽薄膜(2、 3)的厚度取2500-5000埃，氧化矽薄膜(8)的厚度取1000-2000 埃，且氮化矽薄膜(2、 3)和氧化矽薄膜(8)的熱應力要儘可能的小；金屬 反射層(10)-金層的厚度取700-1000埃；紅外吸收層(9)-碳化的光刻膠層 的厚度取1微米。
全文摘要
本發明涉及紅外探測器領域，具體是一種微機械熱電堆紅外探測器。簡化了製作工藝，提高了性能、成品率，製作步驟①用LPCVD法在矽襯底雙面澱積氮化矽薄膜；②光刻、刻蝕掉矽襯底正面的外圍氮化矽薄膜；③用LPCVD法、光刻工藝製作若干兩端分別位於氮化矽薄膜和矽襯底上的多晶矽條；④用濺射、光刻工藝製作若干同多晶矽條構成熱電偶的鋁條；⑤用PECVD法在矽襯底正面上澱積氧化矽薄膜；⑥用光刻工藝製作覆蓋熱電堆熱結區的紅外吸收層-碳化的光刻膠層；⑦用剝離工藝製作覆蓋熱電堆冷結區的金屬反射層-金層；⑧將矽襯底背面腐蝕形成正四稜台狀凹槽。本發明結構設計合理，製作工藝簡單，探測器性能高，成品率高，易於實現，發展前景良好。
文檔編號B81B7/00GK101575083SQ20091007477
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月15日 優先權日2009年6月15日
發明者俊 劉, 張文棟, 庭 梁, 熊繼軍, 王楷群, 石雲波, 薛晨陽 申請人:中北大學