專利名稱：微機械熱電堆紅外探測器的制造方法
技術領域：
本發明涉及熱電堆紅外探測器，特別是器件尺寸在亞毫米量級的微機械熱電堆紅外探測器的制造。
目前，在工業、農業、醫學、交通等各個行業和部門，紅外測溫、紅外測濕、紅外理療、紅外檢測、紅外報警、紅外遙感、紅外防偽是各行業爭相選用的先進技術。紅外探測器是紅外儀器中最基本的關鍵部件，是紅外裝置的心臟。熱電堆紅外探測器則是眾多紅外探測器的一種，屬熱紅外探測器。美國專利說明書US-5059543就公開了這樣一種目前較流行的熱堆紅外探測器的制造方法，它是在硅襯底上用硅各向異性腐蝕劑從硅襯底的背面腐蝕，腐蝕掉中心部位的硅，在頂部僅留下大約1微米厚的氧化硅-氮化硅(SiO2-Si3N4)三明治層(封閉膜)，兩種不同熱電特性材料(熱偶)沉積并形成熱偶對。包含冷結區的冷端由環繞膜的與硅襯底一樣厚的邊框構成，邊框不僅是散熱塊也是腐蝕出結構的支撐體。熱區是熱堆熱結半徑以內的膜區域。由于熱堆是用整層的復合膜來支撐熱偶對的，熱端和冷端之間沒有絕熱環境，無形中使得熱可以由熱偶對通過膜面向各處傳播，因此熱電轉換效率不高。在采用的熱偶材料中，有Bi-Sb，多晶硅-Au，Te-InSb，Te-Ag等等，目前的趨勢是采用多晶硅與金或鋁的體系。這主要是因為硅材料與CMOS標準集成電路工藝有優良的兼容性。然而，在同樣的摻雜濃度下，多晶硅的溫差電動勢率(塞貝克系數)與單晶硅相比，相對較低，且阻抗大，由此帶來了信噪比低的問題。而這些器件的制造工藝要求在硅片兩面對準光刻，這增加了器件的面積和器件成本。此外，在制造熱堆紅外探測器中，器件的結構存在非常大的低效率，這也增加了器件的面積和成本。
本發明的目的是提供一種微機械熱電堆紅外探測器的制造方法，其不用正反兩面對準光刻，不僅簡化了制造工藝，提高了熱電轉換效率，而且也使制造出來的探測器表現出較高的靈敏度。
本發明的目的是通過以下方法實現的，它包括以下步驟(1)在一塊硅材料上，用離子注入的方法對單晶硅層進行硼摻雜；(2)在950℃下保持30分鐘，對離子注入進行退火處理，然后在摻雜后的硅層上光刻出用于形成熱偶的硅條形狀，用干法刻蝕出所需的硅條；(3)在1000～1150℃下對硅條進行氧化處理，形成一層氧化硅，再用低壓化學氣相沉積法在上面沉積一層氮化硅；(4)在氮化硅層上光刻出引線孔，然后用干法刻蝕氮化硅，用濕法腐蝕掉氧化硅，暴露出硅條，接下去在整個表面上沉積金屬層；(5)在金屬層上光刻出所需的用于形成熱偶的金屬條形狀，用濕法腐蝕得到金屬條，與硅條形成熱偶對；(6)在表面光刻出吸收區形狀，然后在上面沉積黑體，接著通過剝離技術得到吸收區；(7)在正面光刻出腐蝕結構孔的圖形，用干法刻蝕掉氮化硅，用濕法腐蝕掉氧化硅，再用四甲基氫氧化銨或氫氧化鉀溶液腐蝕掉硅，形成懸臂熱堆結構以及支撐框體。其中步驟(1)所述工藝也可為在硅襯底上先沉積一層氮化硅，再用低溫沉積法形成一層氧化硅，然后在其上化學沉積一層多晶硅，再進行硼摻雜。所述的硅材料為絕緣體上單晶硅。所述的硼的濃度約為1018-1019厘米-3數量級，氧化硅層厚度約為0．4微米，氮化硅層厚度約為0．1微米。
采用本發明提供的方法所制造的熱電堆紅外探測器與其他熱電堆紅外探測器相比較的優點是在熱堆結構中，支撐熱偶對的是懸臂結構，熱端與冷端之間只有部分的連接，周圍其他的是空氣，因此可以減小熱耗散，提高了熱電轉換效率；采用正面光刻，即腐蝕結構與熱偶對在同一面的方法，可以制造出周圍用空氣層減小熱耗散的懸臂結構，且簡化了熱堆的制作；用絕緣體上單晶硅(Silicon On Insulator，簡稱SOI)材料，則使其中的硅單晶與多晶硅相比具有高的塞貝克系數，電阻小，有電流通過時損耗就小。
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
圖1是絕緣體上單晶硅經過硼摻雜后的材料剖視圖。
圖2是硅條經氧化及低壓化學氣相沉積后的材料示意圖。
圖3是硅條上沉積有金屬層的示意圖。
圖4是熱偶對形成示意圖。
圖5是吸收區形成示意圖。
圖6是熱堆紅外探測器的結構示意圖。
圖7是步驟1的另一種選擇。
本發明的微機械熱電堆紅外探測器的制作工藝過程舉例如下1．在一塊絕緣體上單晶硅(SOI)材料上，用離子注入的方法對單晶硅層進行硼摻雜，使硼的濃度大約為1018-1019厘米-3數量級，如圖1所示；2．在950℃下保持30分鐘，對離子注入進行退火處理，然后在摻雜后的硅層上光刻出用于形成熱偶的硅條形狀，用干法刻蝕方法得到所需的硅條24，如圖1所示；3．在1150℃下對硅條24進行氧化處理，形成一層厚度為0．4微米的氧化硅(SiO2)29，如圖2所示，再用低壓化學氣相沉積(Low PressureChemical Vaporization Deposition，簡稱LPCVD)方法在上面沉積一層厚度為0．1微米的氮化硅(Si3N4)27，這種復合膜結構可消除其中的應力；4．在氮化硅(Si3N4)層27上光刻出引線孔26，然后用干法刻蝕氮化硅(Si3N4)27，用濕法腐蝕掉氧化硅(SiO2)29，暴露出硅條24，接下去在整個表面上沉積金屬層，其中金屬可選用鉻、金、銀等，如圖3所示；5．在金屬層上光刻出所需的用于形成熱偶的金屬條形狀，用濕法腐蝕得到金屬條25，與硅條24形成熱偶對，其中金屬條25與硅條24通過引線孔26實現電連接，如圖4所示；6．如圖5所示，在表面光刻出吸收區形狀，然后在上面沉積黑體，通常為碳黑與各種金屬黑，接著通過剝離技術得到吸收區22；7．如圖6所示，在正面光刻出腐蝕結構孔18的圖形，用干法刻蝕掉氮化硅(Si3N4)27，用濕法腐蝕掉氧化硅(SiO2)層29，再用硅的各向異性腐蝕劑四甲基氫氧化銨(TMAH)或氫氧化鉀(KOH)溶液腐蝕掉硅，形成懸臂熱堆結構以及支撐框體17，硅襯底28除了框體外可以全部去除，這樣便完成了微機械熱電堆紅外探測器的制作。
請參照圖7所示，其中，上述的步驟1也可用以下步驟代替，即在硅襯底28上，先沉積一層氮化硅(Si3N4)27，再用低溫沉積方法形成氧化硅(SiO2)層31，然后在其上化學沉積一層多晶硅30，再進行硼摻雜，使硼的濃度大約為1018-1019厘米-3數量級。
權利要求
1．微機械熱電堆紅外探測器的制造方法，其特征在于它包括以下步驟(1)在一塊硅材料上，用離子注入的方法對單晶硅層進行硼摻雜；(2)在950℃下保持30分鐘，對離子注入進行退火處理，然后在摻雜后的硅層上光刻出用于形成熱偶的硅條形狀，用干法刻蝕出所需的硅條；(3)在1000～1150℃下對硅條進行氧化處理，形成一氧化硅層，再用低壓化學氣相沉積法在上面沉積一氮化硅層；(4)在氮化硅層上光刻出引線孔，然后用干法刻蝕氮化硅，用濕法腐蝕掉氧化硅，暴露出硅條，接下去在整個表面上沉積金屬層；(5)在金屬層上光刻出所需的用于形成熱偶的金屬條形狀，用濕法腐蝕得到金屬條，與硅條形成熱偶對；(6)在表面光刻出吸收區形狀，然后在上面沉積黑體，接著通過剝離技術得到吸收區；(7)在正面光刻出腐蝕結構孔的圖形，用干法刻蝕掉氮化硅，用濕法腐蝕掉氧化硅，再用四甲基氫氧化銨或氫氧化鉀溶液腐蝕掉硅，形成懸臂熱堆結構以及支撐框體。
2．根據權利要求1所述的微機械熱電堆紅外探測器的制造方法，其特征在于其中步驟(1)所述工藝也可為在硅襯底上先沉積一層氮化硅，再用低溫沉積法形成一層氧化硅，然后在其上化學沉積一層多晶硅，再進行硼摻雜。
3．根據權利要求1所述的微機械熱電堆紅外探測器的制造方法，其特征在于所述的硅材料為絕緣體上單晶硅。
4．根據權利要求1或2所述的微機械熱電堆紅外探測器的制造方法，其特征在于所述的硼的濃度約為1018-1019厘米-3數量級，氧化硅層厚度約為0．4微米，氮化硅層厚度約為0．1微米。
全文摘要
一種微機械熱電堆紅外探測器的制造方法,最為關鍵的工藝是采用正面光刻技術,制造出周圍用空氣層減小熱耗散的懸臂結構,且應用絕緣體上單晶硅材料,不僅簡化了微機械熱電堆紅外探測器的制造工藝,提高了熱電轉換效率,而且也使制造出來的探測器具有較高的靈敏度。
文檔編號H01L35/00GK1281262SQ00116388
公開日2001年1月24日 申請日期2000年6月7日 優先權日2000年6月7日
發明者熊斌, 徐崢誼, 王躍林, 王渭源, 戈肖鴻 申請人:中國科學院上海冶金研究所