架空式熱電堆紅外探測器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及熱電堆紅外探測器，具體是一種架空式熱電堆紅外探測器。進一步改進了熱電堆紅外探測器。所述探測器的加工步驟包括：1、在SOI襯底正面加工兩隔離槽，劃分出了兩個熱電偶加工區(qū)；2、加工SiO2介質(zhì)支撐膜；3、加工構(gòu)成熱電偶的P/N型多晶硅條；4、加工下層SiO2隔離層及后續(xù)加工用金屬連接加工孔；5、完成金屬連接；6、加工上層SiO2隔離層及后續(xù)加工用釋放孔；7、加工聚酰亞胺犧牲層及露出熱電堆熱結(jié)區(qū)的倒梯形凹槽；8、加工用作熱輻射吸收層的三層薄膜結(jié)構(gòu)；9、去除聚酰亞胺犧牲層；10、將SiO2介質(zhì)支撐膜下的熱電偶加工區(qū)空腔化；11、實現(xiàn)架空式熱輻射吸收層。本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，制作工藝易于實現(xiàn)，成品性能提高明顯，具有良好的發(fā)展前景。
【專利說明】架空式熱電堆紅外探測器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱電堆紅外探測器，具體是一種架空式熱電堆紅外探測器。
【背景技術(shù)】
[0002]熱電堆紅外探測器作為一種熱電轉(zhuǎn)化器件，因其工作原理簡單、數(shù)據(jù)處理簡便、無需斬波器、無需偏置電壓、工作波段帶寬大等優(yōu)點而成為主流紅外探測器。尤其隨著近些年來，IC工藝的發(fā)展和工藝水平的提高，更是給熱電堆紅外探測器提供了低成本和高可靠性的多種制作方法。熱電堆紅外探測器以塞貝克效應(yīng)為基本的工作原理，通過將被測紅外輻射量轉(zhuǎn)化為載荷子和空穴遷徙的形式進行定量分析，而熱對流、熱輻射以及熱傳導(dǎo)是構(gòu)成熱平衡狀態(tài)的三個主要因素，也是影響熱電堆紅外探測器性能的主要因素，因此，如何設(shè)計或改進探測器結(jié)構(gòu)是本領(lǐng)域技術(shù)人員的重點研究課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為了進一步改進現(xiàn)有熱電堆紅外探測器，提高熱電堆紅外探測器性能，提供了 一種架空式熱電堆紅外探測器。
[0004]本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:架空式熱電堆紅外探測器，按照如下步驟加
工獲得:
a、采用LPCVD技術(shù)在SOI襯底正面(即SOI襯底頂層硅的表面)沉積Si02，形成Si02薄膜，用作后續(xù)深硅刻蝕的硬掩模；
b、采用深硅刻蝕工藝在SOI襯底正面加工兩個矩形環(huán)路狀的隔離槽，所述隔離槽以SOI襯底的隱埋氧化層(SOI襯底的Si02層)為底，兩隔離槽橫向并排設(shè)置，在SOI襯底正面劃分出了兩個熱電偶加工區(qū)，且兩隔離槽間留有后續(xù)加工用空間；
C、采用LPCVD技術(shù)在SOI襯底正面沉積Si02，填充隔離槽，同時形成Si02介質(zhì)支撐膜；以LPCVD技術(shù)制備的Si02介質(zhì)支撐膜具備低應(yīng)力和熱容小的特點；根據(jù)XeF2氣體對硅和Si02的高選擇比，填充Si02后的隔離槽，將在后續(xù)加工過程中有效控制XeF2氣體的腐蝕范圍；
d、采用LPCVD技術(shù)、離子注入工藝、光刻工藝、刻蝕工藝在Si02介質(zhì)支撐膜上與熱電偶加工區(qū)對應(yīng)的區(qū)域加工用于構(gòu)成熱電偶的N型多晶硅條和P型多晶硅條，各區(qū)域內(nèi)的N型多晶硅條與P型多晶硅條成對設(shè)置，按縱向、平行、交替排列；且各區(qū)域內(nèi)除排列于首位或末尾的多晶硅條外，其余多晶硅條與另一區(qū)域內(nèi)的異型多晶硅條一一對應(yīng)，且同行設(shè)置(即除排列于兩區(qū)域中首位或末尾的N型/P型多晶硅條外，任一區(qū)域內(nèi)的P型/N型多晶硅條有另一區(qū)域內(nèi)的N型/P型多晶硅條與之同行設(shè)置，端部正對)；
e、采用LPCVD技術(shù)在Si02介質(zhì)支撐膜上沉積Si02，形成覆蓋N型多晶硅條和P型多晶硅條的下層Si02隔離層(用于隔熱和保護多晶硅條);然后采用光刻工藝和刻蝕工藝在下層Si02隔離層上形成:用于后續(xù)實現(xiàn)P型多晶硅條與對應(yīng)N型多晶硅條連接構(gòu)成熱電偶的金屬連接加工孔、用于后續(xù)實現(xiàn)兩區(qū)域內(nèi)熱電偶串聯(lián)構(gòu)成熱電堆的金屬連接加工孔、用于后續(xù)實現(xiàn)熱電堆輸出焊盤的焊盤加工孔、用于后續(xù)實現(xiàn)熱電堆與輸出焊盤間連接的金屬連接加工孔；
f、采用金屬濺射工藝在下層Si02隔離層上濺射金屬鋁，然后采用光刻工藝和刻蝕工藝在上述各加工孔對應(yīng)位置處形成將P型多晶硅條與對應(yīng)N型多晶硅條連接構(gòu)成熱電偶的鋁條、將兩區(qū)域內(nèi)熱電偶串聯(lián)構(gòu)成熱電堆的鋁條、熱電堆的輸出焊盤、連接輸出焊盤與熱電堆的鋁條，實現(xiàn)熱電堆結(jié)構(gòu)；所述熱電堆結(jié)構(gòu)有兩個熱結(jié)區(qū)和一個冷結(jié)區(qū)，兩個熱結(jié)區(qū)分別位于兩熱電偶加工區(qū)(即兩隔離槽劃分出的兩個區(qū)域)內(nèi)，冷結(jié)區(qū)處于兩熱結(jié)區(qū)之間，位于兩隔離槽間預(yù)留的區(qū)域內(nèi)(b步驟中有述)；按照上述e、f步驟進行加工，能避免熱電偶的N型多晶硅條和P型多晶硅條之間產(chǎn)生二極管效應(yīng)；
g、采用PECVD技術(shù)在下層Si02隔離層上沉積Si02，形成覆蓋熱電堆結(jié)構(gòu)的上層Si02隔離層(用于隔熱和保護熱電堆結(jié)構(gòu))，然后采用光刻工藝和刻蝕工藝露出熱電堆的輸出焊盤，并在與熱電偶加工區(qū)對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)、避開熱電偶形成貫通至SOI襯底頂層硅的用于后續(xù)加工的釋放孔；
h、采用聚酰亞胺固化技術(shù)在上層Si02隔離層表面沉積聚酰亞胺，填充釋放孔，并形成聚酰亞胺犧牲層；然后采用干法刻蝕工藝在聚酰亞胺犧牲層上與熱電堆兩個熱結(jié)區(qū)對應(yīng)的區(qū)域分別加工形成以上層Si02隔離層為槽底的倒梯形凹槽，露出熱電堆的兩個熱結(jié)區(qū)；
1、采用PECVD工藝在聚酰亞胺犧牲層表面及倒梯形凹槽內(nèi)表面沉積三層薄膜結(jié)構(gòu)，用作后續(xù)加工熱輻射吸收層，其中，底層為Si02支撐膜，中間層為多晶硅薄膜或者單晶硅薄膜或者非晶硅薄膜，頂層為Si02保護膜；實現(xiàn)時，采用PECVD工藝在聚酰亞胺犧牲層表面及倒梯形凹槽內(nèi)表面先沉積一層Si02，形成Si02支撐膜，然后在Si02支撐膜表面沉積多晶硅、或者單晶硅或者非晶硅，形成作為中間層的多晶硅薄膜、或者單晶硅薄膜或者非晶硅薄膜，最后在中間層薄膜表面再次淀積Si02，形成Si02保護膜；所述Si02保護膜能在后續(xù)加工中保護中間層薄膜，避免被腐蝕掉；
j、采用氧等離子體干法去膠技術(shù)去除聚酰亞胺犧牲層；
k、采用XeF2氣體經(jīng)釋放孔正面腐蝕SOI襯底的頂層硅，將Si02介質(zhì)支撐膜下的熱電偶加工區(qū)空腔化，形成懸浮結(jié)構(gòu)的熱電堆；
1、最后采用干法刻蝕工藝將三層薄膜結(jié)構(gòu)的頂層和中間層進行刻蝕，形成納米森林結(jié)構(gòu)(利于提高吸收層對紅外熱輻射的吸收率)，實現(xiàn)架空式熱輻射吸收層，得到探測器成品。
[0005]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明對探測器結(jié)構(gòu)進行多重改進:1、巧妙地將探測器的熱電堆設(shè)計成雙熱結(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)，冷結(jié)區(qū)置于兩熱結(jié)區(qū)之間，將冷結(jié)區(qū)中間化，并采用已有干法刻蝕釋放技術(shù)將熱電堆的熱結(jié)區(qū)下方、熱結(jié)區(qū)與冷結(jié)區(qū)之間區(qū)域的下方空腔化，形成懸浮結(jié)構(gòu)的熱電堆，利于提高熱電堆熱結(jié)區(qū)與冷結(jié)區(qū)之間的溫差，進而提高輸出電勢差；2、巧妙地將熱輻射吸收層架空設(shè)置在熱電堆的上方，并覆蓋熱電堆，形成架空式熱輻射吸收層，僅與熱電堆的熱結(jié)區(qū)熱接觸，和熱電堆熱結(jié)區(qū)以外的部分有效分隔，有效延長了熱電堆導(dǎo)熱長度同時也增大了吸收區(qū)的面積，這樣，能有效降低器件的熱損耗、體積和頻率響應(yīng)時間，提高熱電偶冷熱端的熱電轉(zhuǎn)化率，進而提高輸出電勢差；3、架空式熱輻射吸收層采用納米森林結(jié)構(gòu)的黑硅薄膜，可以提高器件對紅外輻射的吸收效率，進而提高熱電轉(zhuǎn)換效率；以多重改進，協(xié)同增強熱電堆熱結(jié)區(qū)與冷結(jié)區(qū)間的塞貝克效應(yīng)，提高熱電堆熱結(jié)區(qū)與冷結(jié)區(qū)之間的溫差，提高熱電堆的輸出電勢差、熱電轉(zhuǎn)換效率，進而優(yōu)化探測器的性能指標(biāo)。其中，本發(fā)明所用加工工藝及技術(shù)皆是現(xiàn)有公知技術(shù)。
[0006]本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，制作工藝易于實現(xiàn)，成品性能提高明顯，具有良好的發(fā)展前
旦
-5^ O
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1為本發(fā)明所述熱電堆紅外探測器的第一部分制作流程圖；
圖2為本發(fā)明所述熱電堆紅外探測器的第二部分制作流程圖；
圖3為本發(fā)明所述熱電堆紅外探測器的第三部分制作流程圖；
圖4為圖1b的俯視圖；
圖5為圖1d的俯視圖；
圖6為圖2e的俯視圖；
圖7為圖2f的俯視圖；
圖8為圖2g的俯視圖；
圖9為圖3i中A處的放大圖；
圖中:1-Si02薄膜；2_隔離槽；3-S0I襯底的隱埋氧化層；4_熱電偶加工區(qū)；5_Si02介質(zhì)支撐膜；6-N型多晶硅條；7-P型多晶硅條；8-下層Si02隔離層；9、10、11-金屬連接加工孔；12_焊盤加工孔；13、14、15_鋁條；16_熱電堆的輸出焊盤；17_熱結(jié)區(qū)；18_冷結(jié)區(qū)；19-上層Si02隔離層；20-S0I襯底頂層硅；21_釋放孔；22_聚酰亞胺犧牲層；23_倒梯形凹槽；24-Si02支撐膜；25_架空式熱輻射吸收層；26_中間層；27_Si02保護膜。
【具體實施方式】
[0008]如圖1-3所示，架空式熱電堆紅外探測器，按照如下步驟加工獲得:
a、采用LPCVD技術(shù)在SOI襯底正面沉積Si02，形成Si02薄膜1，用作后續(xù)深硅刻蝕的硬掩模；
b、采用深硅刻蝕工藝在SOI襯底正面加工兩個矩形環(huán)路狀的隔離槽2，所述隔離槽2以SOI襯底的隱埋氧化層3為底，兩隔離槽2橫向并排設(shè)置，在SOI襯底正面劃分出了兩個熱電偶加工區(qū)4,且兩隔尚槽2間留有后續(xù)加工用空間；如圖4所不；
C、采用LPCVD技術(shù)在SOI襯底正面沉積Si02，填充隔離槽，同時形成Si02介質(zhì)支撐膜
5 ；
d、采用LPCVD技術(shù)、離子注入工藝、光刻工藝、刻蝕工藝在Si02介質(zhì)支撐膜5上與熱電偶加工區(qū)4對應(yīng)的區(qū)域加工用于構(gòu)成熱電偶的N型多晶硅條6和P型多晶硅條7，各區(qū)域內(nèi)的N型多晶硅條6與P型多晶硅條7成對設(shè)置，按縱向、平行、交替排列；且各區(qū)域內(nèi)除排列于首位或末尾的多晶硅條外，其余多晶硅條與另一區(qū)域內(nèi)的異型多晶硅條一一對應(yīng)，且同行設(shè)置；如圖5所示；
e、采用LPCVD技術(shù)在Si02介質(zhì)支撐膜5上沉積Si02，形成覆蓋N型多晶硅條6和P型多晶硅條7的下層Si02隔離層8 ;然后采用光刻工藝和刻蝕工藝在下層Si02隔離層8上形成:用于后續(xù)實現(xiàn)P型多晶硅條7與對應(yīng)N型多晶硅條6連接構(gòu)成熱電偶的金屬連接加工孔9、用于后續(xù)實現(xiàn)兩區(qū)域內(nèi)熱電偶串聯(lián)構(gòu)成熱電堆的金屬連接加工孔10、用于后續(xù)實現(xiàn)熱電堆輸出焊盤的焊盤加工孔12、用于后續(xù)實現(xiàn)熱電堆與輸出焊盤間連接的金屬連接加工孔11 ;如圖6所示；
f、采用金屬濺射工藝在下層Si02隔離層上濺射金屬鋁，然后采用光刻工藝和刻蝕工藝在上述各加工孔對應(yīng)位置處形成將P型多晶硅條7與對應(yīng)N型多晶硅條6連接構(gòu)成熱電偶的鋁條13、將兩區(qū)域內(nèi)熱電偶串聯(lián)構(gòu)成熱電堆的鋁條14、熱電堆的輸出焊盤16、連接輸出焊盤與熱電堆的鋁條15，實現(xiàn)熱電堆結(jié)構(gòu)；所述熱電堆結(jié)構(gòu)有兩個熱結(jié)區(qū)17和一個冷結(jié)區(qū)18，兩個熱結(jié)區(qū)17分別位于兩熱電偶加工區(qū)4內(nèi)，冷結(jié)區(qū)18處于兩熱結(jié)區(qū)17之間，位于兩隔離槽2間預(yù)留的區(qū)域內(nèi)；如圖7所示；
g、采用PECVD技術(shù)在下層Si02隔離層上沉積Si02，形成覆蓋熱電堆結(jié)構(gòu)的上層Si02隔離層19，然后采用光刻工藝和刻蝕工藝露出熱電堆的輸出焊盤16，并在與熱電偶加工區(qū)4對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)、避開熱電偶形成貫通至SOI襯底頂層硅20的用于后續(xù)加工的釋放孔21 ；如圖8所示；
h、采用聚酰亞胺固化技術(shù)在上層Si02隔離層19表面沉積聚酰亞胺，填充釋放孔21，并形成聚酰亞胺犧牲層22 ;然后采用干法刻蝕工藝在聚酰亞胺犧牲層22上與熱電堆兩個熱結(jié)區(qū)17對應(yīng)的區(qū)域分別加工形成以上層Si02隔離層19為槽底的倒梯形凹槽23，露出熱電堆的兩個熱結(jié)區(qū)17 ；
1、采用PECVD工藝在聚酰亞胺犧牲層表面及倒梯形凹槽內(nèi)表面沉積三層薄膜結(jié)構(gòu)，用作后續(xù)加工熱輻射吸收層，其中，底層為Si02支撐膜24，中間層26為多晶硅薄膜或者單晶硅薄膜或者非晶硅薄膜，頂層為Si02保護膜27 ;如圖9所示；
j、采用氧等離子體干法去膠技術(shù)去除聚酰亞胺犧牲層22 ；
k、采用XeF2氣體經(jīng)釋放孔21正面腐蝕SOI襯底的頂層硅20，將Si02介質(zhì)支撐膜5下的熱電偶加工區(qū)空腔化，形成懸浮結(jié)構(gòu)的熱電堆；
1、最后采用干法刻蝕工藝將三層薄膜結(jié)構(gòu)的頂層和中間層26進行刻蝕，形成納米森林結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)架空式熱輻射吸收層25，得到探測器成品。
【權(quán)利要求】
1.一種架空式熱電堆紅外探測器，其特征在于按照如下步驟加工獲得: a、采用LPCVD技術(shù)在SOI襯底正面沉積Si02，形成Si02薄膜(I)，用作后續(xù)深硅刻蝕的硬掩模； b、采用深硅刻蝕工藝在SOI襯底正面加工兩個矩形環(huán)路狀的隔離槽(2)，所述隔離槽(2)以SOI襯底的隱埋氧化層(3)為底，兩隔離槽(2)橫向并排設(shè)置，在SOI襯底正面劃分出了兩個熱電偶加工區(qū)(4)，且兩隔離槽(2)間留有后續(xù)加工用空間； C、采用LPCVD技術(shù)在SOI襯底正面沉積Si02，填充隔離槽，同時形成Si02介質(zhì)支撐膜(5)； d、采用LPCVD技術(shù)、離子注入工藝、光刻工藝、刻蝕工藝在Si02介質(zhì)支撐膜(5)上與熱電偶加工區(qū)(4)對應(yīng)的區(qū)域加工用于構(gòu)成熱電偶的N型多晶硅條(6 )和P型多晶硅條(7 )，各區(qū)域內(nèi)的N型多晶硅條(6)與P型多晶硅條(7)成對設(shè)置，按縱向、平行、交替排列；且各區(qū)域內(nèi)除排列于首位或末尾的多晶硅條外，其余多晶硅條與另一區(qū)域內(nèi)的異型多晶硅條 對應(yīng)，且同行設(shè)置； e、采用LPCVD技術(shù)在Si02介質(zhì)支撐膜(5)上沉積Si02，形成覆蓋N型多晶硅條(6)和P型多晶硅條(7)的下層Si02隔離層(8);然后采用光刻工藝和刻蝕工藝在下層Si02隔離層(8)上形成:用于后續(xù)實現(xiàn)P型多晶硅條(7)與對應(yīng)N型多晶硅條(6)連接構(gòu)成熱電偶的金屬連接加工孔(9)、用于后續(xù)實現(xiàn)兩區(qū)域內(nèi)熱電偶串聯(lián)構(gòu)成熱電堆的金屬連接加工孔(10)、用于后續(xù)實現(xiàn) 熱電堆輸出焊盤的焊盤加工孔(12)、用于后續(xù)實現(xiàn)熱電堆與輸出焊盤間連接的金屬連接加工孔(11); f、采用金屬濺射工藝在下層Si02隔離層上濺射金屬鋁，然后采用光刻工藝和刻蝕工藝在上述各加工孔對應(yīng)位置處形成將P型多晶硅條(7)與對應(yīng)N型多晶硅條(6)連接構(gòu)成熱電偶的鋁條(13)、將兩區(qū)域內(nèi)熱電偶串聯(lián)構(gòu)成熱電堆的鋁條(14)、熱電堆的輸出焊盤(16)、連接輸出焊盤與熱電堆的鋁條(15)，實現(xiàn)熱電堆結(jié)構(gòu)；所述熱電堆結(jié)構(gòu)有兩個熱結(jié)區(qū)(17)和一個冷結(jié)區(qū)(18)，兩個熱結(jié)區(qū)(17)分別位于兩熱電偶加工區(qū)(4)內(nèi)，冷結(jié)區(qū)(18)處于兩熱結(jié)區(qū)(17)之間，位于兩隔離槽(2)間預(yù)留的區(qū)域內(nèi)； g、采用PECVD技術(shù)在下層Si02隔離層上沉積Si02，形成覆蓋熱電堆結(jié)構(gòu)的上層Si02隔離層(19)，然后采用光刻工藝和刻蝕工藝露出熱電堆的輸出焊盤(16)，并在與熱電偶加工區(qū)(4)對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)、避開熱電偶形成貫通至SOI襯底頂層硅(20)的用于后續(xù)加工的釋放孔(21)； h、采用聚酰亞胺固化技術(shù)在上層Si02隔離層(19)表面沉積聚酰亞胺，填充釋放孔(21)，并形成聚酰亞胺犧牲層(22);然后采用干法刻蝕工藝在聚酰亞胺犧牲層(22)上與熱電堆兩個熱結(jié)區(qū)(17)對應(yīng)的區(qū)域分別加工形成以上層Si02隔離層(19)為槽底的倒梯形凹槽(23)，露出熱電堆的兩個熱結(jié)區(qū)(17)； 1、采用PECVD工藝在聚酰亞胺犧牲層表面及倒梯形凹槽內(nèi)表面沉積三層薄膜結(jié)構(gòu)，用作后續(xù)加工熱輻射吸收層，其中，底層為Si02支撐膜(24)，中間層(26)為多晶硅薄膜或者單晶硅薄膜或者非晶硅薄膜，頂層為Si02保護膜(27)； j、采用氧等離子體干法去膠技術(shù)去除聚酰亞胺犧牲層(22); k、采用XeF2氣體經(jīng)釋放孔(21)正面腐蝕SOI襯底的頂層硅(20)，將Si02介質(zhì)支撐膜(5)下的熱電偶加工區(qū)空腔化，形成懸浮結(jié)構(gòu)的熱電堆；. 1、最后采用干法刻蝕工藝將三層薄膜結(jié)構(gòu)的頂層和中間層(26)進行刻蝕，形成納米森林結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)架空式熱輻 射吸收層(25)，得到探測器成品。
【文檔編號】H01L31/18GK103700722SQ201310630796
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月2日
【發(fā)明者】譚秋林, 陳媛婧, 熊繼軍, 薛晨陽, 張文棟, 劉俊, 毛海央, 明安杰, 歐文, 陳大鵬 申請人:中北大學(xué)