專利名稱：一種非制冷紅外探測器隔熱襯底制作方法
技術領域：
本發明提供一種非制冷紅外探測器隔熱襯底的制作方法，屬于微機電系統領域。
背景技術：
紅外傳感器分為兩類，一種是光子型傳感器，主要利用窄禁帶半導體的帶間吸收所引起的光伏效應來感應紅外輻射，由于室溫下的熱擾動已經足以激發帶間躍遷，所以需要使用液氮冷卻。另一類是非制冷傳感器，主要利用紅外輻射引起的溫度的變化，通過探測溫度的微小變化，來探測目標物體。如熱堆以及許多熱釋電類的探測器。這一類傳感器不需要液氮冷卻，故稱為非制冷傳感器。
制作非制冷紅外傳感器的關鍵是使吸收體隔熱，以便吸收體所吸收的紅外線所引起溫升足以被探測。長期以來，這種隔熱處理主要是利用懸橋，例如采用氮化硅橋等來實現的，這種懸橋結構可以采用背面挖孔或表面微機械的方法制作。然而，由于是懸空結構，這種懸橋結構的傳感器在受到撞擊或震動的情況下容易發生斷裂或產生干擾。另外，制作懸橋結構占據了很大一部分空間，使得這一類探測器的探測單元的尺寸較難減小，焦平面陣列的分辨率的提高比較困難。為此，已經有報道利用在玻璃等隔熱襯底制作完全隔離的硅島來制作紅外探測器。然而，由于玻璃所能承受的溫度低于600℃，這為后續工藝如擴散及退火工藝的制作帶來了困難，因此只適用于部分傳感器的制作。另外，采用氮化硅橋工藝也限制了每個單元傳感器的尺寸，達到50×50微米2已經很難。
多孔硅由于其能夠發射可見光已經被研究多年，另外，由于其良好的氧化特性和介電損耗低等特點，被認為是制作無源器件的理想襯底之一。另外，多孔結構的二氧化硅也是良好的隔熱材料。有關利用多孔硅的低的熱導率制作隔熱裝置已有一些報道。然而，直接在多孔硅上制作紅外探測材料如熱釋電薄膜時發現，由于表面的多孔結構導致了薄膜材料的質量變差。從而抵消了多孔硅的隔熱所帶來的好處。
顯然，若能夠在多孔硅與紅外材料之間插入一種中間過渡層，來改善由于多孔硅造成的表面不平將可以大幅度提高紅外材料的晶體質量，從而提高器件的性能。
另外，從正面輻射到敏感單元上的紅外，有很大一部分可能會以輻射的形式從背面流出。在太陽能電池中，通過在p-i-n結構的下層淀積反射膜來提高效率，因此，能否在多孔硅中通過微結構的改變使之能夠阻止所要探測的波段的紅外線呢？利用多孔硅的折射率隨孔度變化的特點，人們已經制作出對1.5微米紅外線實現全反射的光子晶體，顯然，如果改變不同孔度多孔硅的的厚度，就可能設計制作出在遠紅外波段起全反射作用的光子晶體，這樣，就有可能阻止特定波段紅外線從襯底的輻射，進而提高探測效率。
發明內容
本發明的目的在于提供一種操作簡便的非制冷紅外探測器隔熱襯底的制作方法，解決由于多孔硅表面不平而造成熱釋電薄膜質量變差，從而降低器件性能的問題。
為實現本發明的目的，本發明所提供的非制冷紅外探測器隔熱襯底的制作方法，包括以下步驟第一步，采用陽極氧化法制作多孔硅。
利用多孔硅的生長主要依賴空穴這一特點，從硅襯底背面光照激發空穴，可以實現在這一類襯底上生長出厚多孔硅。陽極氧化法的具體實現方法在文獻Porous SiliconA Review of the Technology andPotential Markets for an Emerging Material，Technical Insights 2000有詳細介紹。本發明優選利用低阻硅，即電阻率為0.01Ω·cm左右n-型或p-型硅，多孔硅陽極氧化電流密度在10～80mA/cm2之間，這樣制作的多孔硅孔結構更細更均勻。
如需要利用硅襯底直接制作一些晶體管，則需要選擇中阻硅即電阻率在1～10Ω·cm。對于這一類硅片，采用一般的陽極氧化方法往往得到的多孔硅的厚度很淺，只有3～5微米。利用本發明所述的制作方法，利用多孔硅的生長主要依賴空穴這一特點，從硅襯底背面光照激發空穴，可以實現在這一類襯底上生長出厚多孔硅。
為了提高紅外探測器的探測效率，利用不同電流密度陽極氧化形成的孔度不同，根據折射率不同，可以利用轉移矩陣進行計算，將光子晶體的帶隙設計在探測波段(如人體特征波段8～12微米)。工藝上一般選擇p-(100)硅片，電阻率0.01～0.02Ω·cm高孔度腐蝕電流密度為60～80mA/cm2，而低孔度為10～30mA/cm2.另外，由于在氮化硅薄膜淀積之前必須進行適當的氧化，因此在光子帶隙的設計時必須計及氧化后的情況，為了獲得較寬的禁帶寬度，使不同孔度的折射率有較大差異是必要的，一般要求高孔度層完全氧化，而低孔度的氧化速度相對比較慢，因此處于不完全氧化狀態，以獲得較大的平均有效折射率。適當控制氧化時間是本工藝成敗的關鍵。為了提高隔熱效果，本發明還提出需要對多孔硅進行一定的氧化處理。氧化一般選擇400～900℃之間，采用干氧工藝，溫度5分鐘至120分鐘。
第二步，采用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)法或溶膠-凝膠法在多孔硅上淀積一層過渡層氮化硅薄膜，制作成非制冷紅外探測器隔熱襯底。
在多孔硅上淀積一層過渡層薄膜，作為紅外或溫度探測器，因氮化硅薄膜能夠吸收8-14微米波段的紅外線，因此可以在多孔硅上淀積氮化硅薄膜，采用等離子體增強化學氣相沉積方法對本領域研究人員而言為普通工藝，采用反應氣體為硅烷和氨氣，另外還有稀釋氣體氮氣，襯底溫度為280℃～450℃，一般采用功率約500W的13.3MHz的等離子激發。氣體的壓強和流量還取決于儀器本身。一些參考參數可以在許多公開出版的半導體工藝中找到。氮化硅的厚度取決于淀積的時間，一般為1微米左右為宜。
這樣，本發明所述的非制冷紅外探測器隔熱襯底就制作完成，爾后的器件制作就在這一層氮化硅薄膜上進行。
本發明的顯著效果在于，采用多孔硅作為隔熱層，工藝簡單，并且已經被證明是完全有效的。這種工藝省去了傳統的制作懸橋所需要的復雜工藝，節省了工藝成本，并且也省去了因制作懸橋等而被占用的大量空間，提高了集成度，有利于焦平面陣列的制作，也提高了焦平面探測器的分辨率。同時成品率和可靠性都大幅提高。
本發明的顯著效果在于，在多孔硅與紅外材料之間插入了一種中間過渡層，改善了由于多孔硅造成的表面不平將可以大幅度提高紅外材料的晶體質量，從而提高器件的性能。這種中間層可以是本發明所建議的Si3N4，也可以是采用PECVD或溶膠-凝膠法淀積的其他材料。
本發明的顯著效果還在于，可以將底層多孔硅制作成周期性多層結構(相當于制作成一維光子晶體)，能夠有效抑制紅外線透過襯底向外輻射，提高有效紅外線的收集效率，進而提高探測效率。
具體實施例實施例1鐵電紅外探測器硅襯底采用p(100)，電阻率為0.01～0.02Ω·cm，在20％的HF酒精混合液中(40％HF與無水乙醇體積比1∶1)室溫下進行陽極氧化，電流50mA/cm2，(范圍在10～80mA/cm2)5分鐘。在600℃氧化30分鐘。
襯底也可以利用多孔硅的多層膜工藝，采用60-80mA/cm2和10-30mA/cm2交替陽極氧化，兩種厚度分別為2微米和1.2微米(陽極氧化的速率與溫度關系比較，本實施例采用了低溫-22℃條件，每一層時間分別為45sec和105sec)，交替10個周期，600℃氧化120分鐘。
在常規的等離子體化學氣相沉積設備中，襯底溫度為280℃，在NH3，SiH4氣氛中，在等離子體激發下發生反應形成Si3N4.沉積厚度為1微米。
在上述制作的襯底上，首先濺射或蒸發一層Pt/Ti，典型厚度80nm/20nm，然后再采用溶膠-凝膠法，濺射法或脈沖激光沉積等方法淀積一定厚度的熱釋電薄膜，相關厚度以及隨后的器件制作要求可以按文獻報道要求進行。
實施例2紅外熱電偶型探測器硅襯底采用p(100)，電阻率為0.01～0.02Ω·cm，在20％的HF酒精混合液中(40％HF與無水乙醇體積比1∶1)室溫下進行陽極氧化，電流50mA/cm2，在400℃氧化30分鐘。
在常規的溶膠-凝膠設備中，襯底溫度為280℃，在NH3，SiH4，氣氛中在等離子體激發下發生反應形成Si3N4.沉積厚度為1微米。
在制作的這種特殊襯底上，制作熱電偶，采用淀積兩種具有不同功函數的材料辦法，例如多晶硅和鋁，通過設計規劃出測溫單元和冷阱，從而制作出冷端和熱端，這樣就可以制作出以紅外熱電偶為敏感單元的紅外探測器，本制作過程與熱堆型紅外探測器類似。
權利要求
1.一種非制冷紅外探測器隔熱襯底的制作方法，其特征在于包括以下步驟第一步，采用陽極氧化法制作多孔硅第二步，采用等離子體增強化學氣相沉積方法或溶膠-凝膠法在多孔硅上淀積一層過渡層氮化硅薄膜，制作成非制冷紅外溫度傳感器隔熱襯底。
2.如權利要求1所述的非制冷紅外溫度傳感器隔熱襯底的制作方法，其特征在于第一步中采用的硅襯底為n-型或p-型低阻硅。
3.如權利要求1所述的非制冷紅外溫度傳感器隔熱襯底的制作方法，其特征在于第一步采用陽極氧化法制作多孔硅多層膜，并對多孔硅進行氧化，選擇p-(100)硅片，電阻率0.01～0.02Ω·cm高孔度腐蝕電流密度為60～80mA/cm2，而低孔度腐蝕電流密度為10～30mA/cm2，氧化選擇400℃～900℃之間干氧，時間5分鐘至120分鐘，獲得對特定紅外波段全反射的多孔硅多層膜。
全文摘要
本發明涉及一種非制冷紅外探測器隔熱襯底制作方法，屬于微機電系統領域。采用陽極氧化法制作多孔硅，然后在多孔硅上淀積一層過渡層氮化硅薄膜，制作成非制冷紅外探測器隔熱襯底，爾后的器件制作就在這一層氮化硅薄膜上進行。由于在多孔硅與紅外材料之間插入了一種中間過渡層，改善了由于多孔硅造成的表面不平將可以大幅度提高紅外材料的晶體質量，從而提高器件的性能。
文檔編號G01J5/20GK1799987SQ20051011041
公開日2006年7月12日 申請日期2005年11月16日 優先權日2005年11月16日
發明者王連衛, 錢敏, 徐少輝, 王哲津 申請人:華東師范大學