架空式熱電堆紅外探測器的制造方法
【專利摘要】本發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；2、加工SiO2介質支撐膜；3、加工構成熱電偶的P/N型多晶硅條；4、加工下層SiO2隔離層及后續加工用金屬連接加工孔；5、完成金屬連接；6、加工上層SiO2隔離層及后續加工用釋放孔；7、加工聚酰亞胺犧牲層及露出熱電堆熱結區的倒梯形凹槽；8、加工用作熱輻射吸收層的三層薄膜結構；9、去除聚酰亞胺犧牲層；10、將SiO2介質支撐膜下的熱電偶加工區空腔化；11、實現架空式熱輻射吸收層。本發明結構設計合理，制作工藝易于實現，成品性能提高明顯，具有良好的發展前景。
【專利說明】架空式熱電堆紅外探測器
【技術領域】
[0001]本發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】
[0002]熱電堆紅外探測器作為一種熱電轉化器件，因其工作原理簡單、數據處理簡便、無需斬波器、無需偏置電壓、工作波段帶寬大等優點而成為主流紅外探測器。尤其隨著近些年來，IC工藝的發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為基本的工作原理，通過將被測紅外輻射量轉化為載荷子和空穴遷徙的形式進行定量分析，而熱對流、熱輻射以及熱傳導是構成熱平衡狀態的三個主要因素，也是影響熱電堆紅外探測器性能的主要因素，因此，如何設計或改進探測器結構是本領域技術人員的重點研究課題。
【發明內容】
[0003]本發明為了進一步改進現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]本發明是采用如下技術方案實現的: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置，在SOI襯底正面劃分出了兩個熱電偶加工區，且兩隔離槽間留有后續加工用空間；
C、采用LPCVD技術在SOI襯底正面沉積Si02，填充隔離槽，同時形成Si02介質支撐膜；以LPCVD技術制備的Si02介質支撐膜具備低應力和熱容小的特點；根據XeF2氣體對硅和Si02的高選擇比，填充Si02后的隔離槽，將在后續加工過程中有效控制XeF2氣體的腐蝕范圍；
d、采用LPCVD技術、離子注入工藝、光刻工藝、刻蝕工藝在Si02介質支撐膜上與熱電偶加工區對應的區域加工用于構成熱電偶的N型多晶硅條和P型多晶硅條，各區域內的N型多晶硅條與P型多晶硅條成對設置，按縱向、平行、交替排列；且各區域內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域內的異型多晶硅條一一對應，且同行設置(即除排列于兩區域中首位或末尾的N型/P型多晶硅條外，任一區域內的P型/N型多晶硅條有另一區域內的N型/P型多晶硅條與之同行設置，端部正對)；
e、采用LPCVD技術在Si02介質支撐膜上沉積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:用于后續實現P型多晶硅條與對應N型多晶硅條連接構成熱電偶的金屬連接加工孔、用于后續實現兩區域內熱電偶串聯構成熱電堆的金屬連接加工孔、用于后續實現熱電堆輸出焊盤的焊盤加工孔、用于后續實現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位置處形成將P型多晶硅條與對應N型多晶硅條連接構成熱電偶的鋁條、將兩區域內熱電偶串聯構成熱電堆的鋁條、熱電堆的輸出焊盤、連接輸出焊盤與熱電堆的鋁條，實現熱電堆結構；所述熱電堆結構有兩個熱結區和一個冷結區，兩個熱結區分別位于兩熱電偶加工區(即兩隔離槽劃分出的兩個區域)內，冷結區處于兩熱結區之間，位于兩隔離槽間預留的區域內(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型多晶硅條之間產生二極管效應；
g、采用PECVD技術在下層Si02隔離層上沉積Si02，形成覆蓋熱電堆結構的上層Si02隔離層(用于隔熱和保護熱電堆結構)，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對應的區域內、避開熱電偶形成貫通至SOI襯底頂層硅的用于后續加工的釋放孔；
h、采用聚酰亞胺固化技術在上層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區對應的區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區；
1、采用PECVD工藝在聚酰亞胺犧牲層表面及倒梯形凹槽內表面沉積三層薄膜結構，用作后續加工熱輻射吸收層，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；實現時，采用PECVD工藝在聚酰亞胺犧牲層表面及倒梯形凹槽內表面先沉積一層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去除聚酰亞胺犧牲層；
k、采用XeF2氣體經釋放孔正面腐蝕SOI襯底的頂層硅，將Si02介質支撐膜下的熱電偶加工區空腔化，形成懸浮結構的熱電堆；
1、最后采用干法刻蝕工藝將三層薄膜結構的頂層和中間層進行刻蝕，形成納米森林結構(利于提高吸收層對紅外熱輻射的吸收率)，實現架空式熱輻射吸收層，得到探測器成品。
[0005]與現有技術相比，本發明對探測器結構進行多重改進:1、巧妙地將探測器的熱電堆設計成雙熱結區結構，冷結區置于兩熱結區之間，將冷結區中間化，并采用已有干法刻蝕釋放技術將熱電堆的熱結區下方、熱結區與冷結區之間區域的下方空腔化，形成懸浮結構的熱電堆，利于提高熱電堆熱結區與冷結區之間的溫差，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，僅與熱電堆的熱結區熱接觸，和熱電堆熱結區以外的部分有效分隔，有效延長了熱電堆導熱長度同時也增大了吸收區的面積，這樣，能有效降低器件的熱損耗、體積和頻率響應時間，提高熱電偶冷熱端的熱電轉化率，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構的黑硅薄膜，可以提高器件對紅外輻射的吸收效率，進而提高熱電轉換效率；以多重改進，協同增強熱電堆熱結區與冷結區間的塞貝克效應，提高熱電堆熱結區與冷結區之間的溫差，提高熱電堆的輸出電勢差、熱電轉換效率，進而優化探測器的性能指標。其中，本發明所用加工工藝及技術皆是現有公知技術。
[0006]本發明結構設計合理，制作工藝易于實現，成品性能提高明顯，具有良好的發展前
旦
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【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1為本發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；5_Si02介質支撐膜；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_熱結區；18_冷結區；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技術在SOI襯底正面沉積Si02，形成Si02薄膜1，用作后續深硅刻蝕的硬掩模；
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橫向并排設置，在SOI襯底正面劃分出了兩個熱電偶加工區4,且兩隔尚槽2間留有后續加工用空間；如圖4所不；
C、采用LPCVD技術在SOI襯底正面沉積Si02，填充隔離槽，同時形成Si02介質支撐膜
5 ；
d、采用LPCVD技術、離子注入工藝、光刻工藝、刻蝕工藝在Si02介質支撐膜5上與熱電偶加工區4對應的區域加工用于構成熱電偶的N型多晶硅條6和P型多晶硅條7，各區域內的N型多晶硅條6與P型多晶硅條7成對設置，按縱向、平行、交替排列；且各區域內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域內的異型多晶硅條一一對應，且同行設置；如圖5所示；
e、采用LPCVD技術在Si02介質支撐膜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:用于后續實現P型多晶硅條7與對應N型多晶硅條6連接構成熱電偶的金屬連接加工孔9、用于后續實現兩區域內熱電偶串聯構成熱電堆的金屬連接加工孔10、用于后續實現熱電堆輸出焊盤的焊盤加工孔12、用于后續實現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位置處形成將P型多晶硅條7與對應N型多晶硅條6連接構成熱電偶的鋁條13、將兩區域內熱電偶串聯構成熱電堆的鋁條14、熱電堆的輸出焊盤16、連接輸出焊盤與熱電堆的鋁條15，實現熱電堆結構；所述熱電堆結構有兩個熱結區17和一個冷結區18，兩個熱結區17分別位于兩熱電偶加工區4內，冷結區18處于兩熱結區17之間，位于兩隔離槽2間預留的區域內；如圖7所示；
g、采用PECVD技術在下層Si02隔離層上沉積Si02，形成覆蓋熱電堆結構的上層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4對應的區域內、避開熱電偶形成貫通至SOI襯底頂層硅20的用于后續加工的釋放孔21 ；如圖8所示；
h、采用聚酰亞胺固化技術在上層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區17對應的區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區17 ；
1、采用PECVD工藝在聚酰亞胺犧牲層表面及倒梯形凹槽內表面沉積三層薄膜結構，用作后續加工熱輻射吸收層，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去除聚酰亞胺犧牲層22 ；
k、采用XeF2氣體經釋放孔21正面腐蝕SOI襯底的頂層硅20，將Si02介質支撐膜5下的熱電偶加工區空腔化，形成懸浮結構的熱電堆；
1、最后采用干法刻蝕工藝將三層薄膜結構的頂層和中間層26進行刻蝕，形成納米森林結構，實現架空式熱輻射吸收層25，得到探測器成品。
【權利要求】
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技術在SOI襯底正面沉積Si02，形成Si02薄膜(I)，用作后續深硅刻蝕的硬掩模； 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)橫向并排設置，在SOI襯底正面劃分出了兩個熱電偶加工區(4)，且兩隔離槽(2)間留有后續加工用空間； C、采用LPCVD技術在SOI襯底正面沉積Si02，填充隔離槽，同時形成Si02介質支撐膜(5)； d、采用LPCVD技術、離子注入工藝、光刻工藝、刻蝕工藝在Si02介質支撐膜(5)上與熱電偶加工區(4)對應的區域加工用于構成熱電偶的N型多晶硅條(6 )和P型多晶硅條(7 )，各區域內的N型多晶硅條(6)與P型多晶硅條(7)成對設置，按縱向、平行、交替排列；且各區域內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域內的異型多晶硅條 對應，且同行設置； e、采用LPCVD技術在Si02介質支撐膜(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:用于后續實現P型多晶硅條(7)與對應N型多晶硅條(6)連接構成熱電偶的金屬連接加工孔(9)、用于后續實現兩區域內熱電偶串聯構成熱電堆的金屬連接加工孔(10)、用于后續實現 熱電堆輸出焊盤的焊盤加工孔(12)、用于后續實現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位置處形成將P型多晶硅條(7)與對應N型多晶硅條(6)連接構成熱電偶的鋁條(13)、將兩區域內熱電偶串聯構成熱電堆的鋁條(14)、熱電堆的輸出焊盤(16)、連接輸出焊盤與熱電堆的鋁條(15)，實現熱電堆結構；所述熱電堆結構有兩個熱結區(17)和一個冷結區(18)，兩個熱結區(17)分別位于兩熱電偶加工區(4)內，冷結區(18)處于兩熱結區(17)之間，位于兩隔離槽(2)間預留的區域內； g、采用PECVD技術在下層Si02隔離層上沉積Si02，形成覆蓋熱電堆結構的上層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(4)對應的區域內、避開熱電偶形成貫通至SOI襯底頂層硅(20)的用于后續加工的釋放孔(21)； h、采用聚酰亞胺固化技術在上層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區(17)對應的區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區(17)； 1、采用PECVD工藝在聚酰亞胺犧牲層表面及倒梯形凹槽內表面沉積三層薄膜結構，用作后續加工熱輻射吸收層，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去除聚酰亞胺犧牲層(22); k、采用XeF2氣體經釋放孔(21)正面腐蝕SOI襯底的頂層硅(20)，將Si02介質支撐膜(5)下的熱電偶加工區空腔化，形成懸浮結構的熱電堆；. 1、最后采用干法刻蝕工藝將三層薄膜結構的頂層和中間層(26)進行刻蝕，形成納米森林結構，實現架空式熱輻 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 優先權日:2013年12月2日
【發明者】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