一种包含梁膜结构的单晶硅红外热堆结构及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种包含梁膜结构的单晶硅红外热堆结构及其制作方法，所述热堆结构主要包括红外吸收膜、多根单晶硅梁、以及形成于所述单晶硅梁上方的热电材料层等，单晶硅梁和热电材料层形成热偶对。其中，红外吸收膜悬浮于结构中央，热偶对环绕在红外吸收膜四周，热偶对一端与红外吸收膜相连、另一端与支撑膜相连，并通过支撑膜连接到衬底。本发明专利技术热堆结构采用单晶硅作为热偶材料，单晶硅具有塞贝克系数高、电阻率低的优点，可实现较高的灵敏度；另外，本发明专利技术利用单晶硅梁支撑悬浮的红外吸收膜，既满足了热堆的绝热性要求，同时也具有较高的结构强度；再者，本发明专利技术的热堆结构采用单硅片单面加工的方法制作而成，尺寸小，成本低，适合大批量生产。

【技术实现步骤摘要】
一种包含梁膜结构的单晶硅红外热堆结构及其制作方法
本专利技术属于硅微机械传感器
，特别是涉及一种包含梁膜结构的单晶硅红外热堆结构及其制作方法。
技术介绍
随着MEMS技术的迅猛发展，基于MEMS微机械加工技术制作的红外探测器以其尺寸小、价格低等优势被广泛应用于非接触测温、红外预警等领域。热堆红外探测器相比于其他类型的红外探测器具有明显的优势，例如可在室温下工作，无需制冷设备；具有自激励产生信号的特点，无需施加额外的偏置电压/电流，避免自加热效应的同时保证了低功耗；可以在不加斩波器的情况在实现对趋于静态的红外信号的直接测量。近年来热堆探测器阵列的发展进一步拓宽了热堆红外探测器的应用范围，同时也促使热堆红外探测器沿着更小型化、更低成本、更高性能方向发展。传统的热堆探测器通常在介质薄膜上淀积多晶硅/金属制作热偶对，然后通过背面硅各向异性湿法腐蚀的方法在介质薄膜下方形成空腔以增加热阻。该方案虽然制作工艺简单，但存在尺寸较大、需要双面加工的问题，同时多晶硅较低的赛贝克系数和较高的电阻率也限制了热堆探测器性能的提升。相比于多晶硅，单晶硅具有更大的赛贝克系数和更低的电阻率，因此采用单晶硅作为热电材料将有助于热堆探测器性能的提升。1988年P.M.SARRO等首先在p型硅片上通过外延的方法生长n型单晶硅薄膜，然后在外延层上通过掺杂形成p型硅作为热电材料(铝作为另一种热电材料)，然后在硅背面各项异性湿法腐蚀工艺中通过电化学的方法实现腐蚀自停止，由此在外延单晶硅薄膜下形成空腔，然后在硅片正面通过等离子刻蚀形成由外延单晶硅材料构成的悬臂梁，该悬臂梁的一端涂覆黑漆作为红外吸收层，另一端包含p型硅/铝热偶对。[SarroPM,YashiroH,VanherwaardenAW,MiddelhoekS.ANINTEGRATEDTHERMALINFRAREDSENSINGARRAY.SensorsandActuators1988,14(2):191-201]。该方法虽然成功的将单晶硅用作热电材料，但仍存在以下问题：(1)通过外延的方法制作单晶硅薄膜不仅成本较高而且其外延层的质量总是不如原始的单晶硅，因此会对成品率带来不利影响；(2)作为热电材料的p-单晶硅制作在10um厚的悬臂梁(n型外延硅层)上，热量很快地通过该悬臂梁散失，导致器件的灵敏度较低；(3)红外吸收材料采用黑漆，与标准IC工艺不兼容；(4)采用硅背面各项异性湿法腐蚀工艺，器件尺寸较大。为了实现与标准IC工艺兼容的基于单晶硅的高灵敏度热电堆探测器，1994年M.Muller等利用SOI硅片加工制作了以p+-单晶硅和n-多晶硅作热电材料的热电堆探测器，这种方法制作的热电堆探测器虽然具有突出的性能和良好的IC兼容，但是仍存在以下不足：(1)需要使用SOI硅片，成本较高；(2)从背面采用各向异性湿法腐蚀的方法形成介质薄膜下方空腔，器件尺寸较大并且需要进行双面套刻。2014年R.Hopper利用SOI硅片加工制作了以p+-单晶硅和n+-单晶硅作热电材料的热堆探测器，从硅片背面利用DRIE(深反应离子刻蚀)的方法形成介质薄膜下方空腔，该方法可以有效减小器件尺寸，但仍存在以下问题：(1)使用SOI硅片，硅片成本较高；(2)需要用DRIE(深反应离子刻蚀)刻穿整个硅片，工艺成本很高；(3)需要双面套刻。为了兼顾小型化、低成本和高性能，本专利技术提出了一种新型的在(111)硅片上制作的采用单晶硅作为热偶材料的热堆结构及其制作方法。采用单晶硅作为热偶材料的热堆主要包括一块低应力氮化硅红外吸收膜和多对采用单晶硅作为热偶材料的热偶对。其中，低应力氮化硅红外吸收膜悬浮于结构中央，多对采用单晶硅作为热偶材料的热偶对环绕在吸收膜四周。单晶硅/铝热偶对由一根单晶硅梁和制作在其上方的另一种热偶材料组成，其一端与吸收膜相连，另一端与一块低应力氮化硅支撑膜相连，并通过支撑膜连接到衬底。所述热堆结构采用单晶硅作为热偶材料，相较目前常用的多晶硅具有更高的塞贝克系数和更低的电阻率，可实现更高的灵敏度。同时利用单晶硅梁支撑悬浮的红外吸收膜，既满足了热堆的绝热性要求，同时也具有较高的结构强度。本专利技术的热堆结构采用单硅片单面加工的加工方法，尺寸小，成本低，适合大批量生产。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种包含梁膜结构的单晶硅红外热堆结构及其制作方法，用于解决现有技术中采用单晶硅作为热偶材料的热堆尺寸大、加工困难、成本高等问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种梁膜结构，所述梁膜结构至少包括：单晶硅衬底、多根单晶硅梁、红外吸收膜以及支撑膜；所述多根单晶硅梁悬空于所述单晶硅衬底表面；所述红外吸收膜制作于所述多根单晶硅梁表面一端；所述支撑膜制作于所述多根单晶硅梁另一端表面，并通过所述支撑膜将所述多根单晶硅梁连接至所述单晶硅衬底。作为本专利技术梁膜结构的一种优化的方案，所述多根单晶硅梁环绕设置在所述红外吸收膜周围。作为本专利技术梁膜结构的一种优化的方案，所述单晶硅衬底为(111)单晶硅衬底。作为本专利技术梁膜结构的一种优化的方案，所述红外吸收膜制作在所述梁膜结构的中心位置，所述支撑膜制作在所述梁膜结构的边缘位置，所述红外吸收膜和支撑膜均为低应力氮化硅。作为本专利技术梁膜结构的一种优化的方案，所述红外吸收膜的厚度范围为0.5～2μm。作为本专利技术梁膜结构的一种优化的方案，所述单晶硅梁的厚度范围为1～10μm。作为本专利技术梁膜结构的一种优化的方案，所述多根单晶硅梁的悬空高度范围为10～100μm。本专利技术还提供一种所述梁膜结构的制作方法，所述制作方法至少包括：1)提供一单晶硅片，刻蚀所述单晶硅片一表面形成多个隔离槽；2)在所述隔离槽中填充第一绝缘材料层；3)在所述单晶硅片表面淀积一薄膜层，刻蚀所述薄膜层形成红外吸收膜和支撑膜；4)在所述单晶硅片表面形成第二绝缘材料层，刻蚀在所述单晶硅片中形成释放槽；5)通过所述释放槽，利用腐蚀液横向选择性自停止腐蚀释放所述红外吸收膜，同时未被腐蚀的所述单晶硅片顶部形成单晶硅梁，剩余的所述单晶硅片形成单晶硅衬底；6)去除所述第一绝缘材料层和第二绝缘材料层，形成梁膜结构。作为本专利技术梁膜结构的制作方法一种优化的方案，所述隔离槽与所述单晶硅梁等高。作为本专利技术梁膜结构的制作方法的一种优化的方案，所述步骤5)中利用TMAH或KOH腐蚀液进行横向选择性自停止腐蚀。作为本专利技术梁膜结构的制作方法的一种优化的方案，所述第一绝缘材料层和第二绝缘材料层为氧化硅。本专利技术还提供一种单晶硅红外热堆结构，所述单晶硅红外热堆结构至少包括：上述梁膜结构、接触孔、第三绝缘材料层以及热电材料层；所述接触孔制作于所述红外吸收膜和支撑膜中；第三绝缘材料层形成于所述单晶硅梁表面以实现电绝缘；所述热电材料层形成于所述第三绝缘材料层表面，并且所述热电材料层通过所述接触孔与所述单晶硅梁两端接触；所述单晶硅梁和热电材料层形成热偶对。作为本专利技术单晶硅红外热堆结构的一种优化的方案，所述热电材料层为Al、Au或者多晶硅。本专利技术再提供一种单晶硅红外热堆结构的制作方法，所述制作方法至少包括：1)提供一单晶硅片，刻蚀所述单晶硅片一表面形成多个隔离槽；2)在所述隔离槽中填充第一绝缘材料层；3)在所述单晶硅片表面淀积一薄膜层，刻蚀所述薄本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种梁膜结构，其特征在于，所述梁膜结构至少包括：单晶硅衬底、多根单晶硅梁、红外吸收膜以及支撑膜；所述多根单晶硅梁悬空于所述单晶硅衬底表面；所述红外吸收膜制作于所述多根单晶硅梁表面一端；所述支撑膜制作于所述多根单晶硅梁另一端表面，并通过所述支撑膜将所述多根单晶硅梁连接至所述单晶硅衬底。

【技术特征摘要】
1.一种梁膜结构，其特征在于，所述梁膜结构至少包括：单晶硅衬底、多根单晶硅梁、红外吸收膜以及支撑膜；所述多根单晶硅梁悬空于所述单晶硅衬底表面；所述红外吸收膜制作于所述多根单晶硅梁表面一端；所述支撑膜制作于所述多根单晶硅梁另一端表面，并通过所述支撑膜将所述多根单晶硅梁连接至所述单晶硅衬底。2.根据权利要求1所述的梁膜结构，其特征在于：所述多根单晶硅梁环绕设置在所述红外吸收膜周围。3.根据权利要求1所述的梁膜结构，其特征在于：所述单晶硅衬底为(111)单晶硅衬底。4.根据权利要求1所述的梁膜结构，其特征在于：所述红外吸收膜制作在所述梁膜结构的中心位置，所述支撑膜制作在所述梁膜结构的边缘位置，所述红外吸收膜和支撑膜均为低应力氮化硅。5.根据权利要求1所述的梁膜结构，其特征在于：所述红外吸收膜的厚度范围为0.5～2μm。6.根据权利要求1所述的梁膜结构，其特征在于：所述单晶硅梁的厚度范围为1～10μm。7.根据权利要求1所述的梁膜结构，其特征在于：所述多根单晶硅梁的悬空高度范围为10～100μm。8.一种如权利要求1～7任一项所述的梁膜结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括：1)提供一单晶硅片，刻蚀所述单晶硅片一表面形成多个隔离槽；2)在所述隔离槽中填充第一绝缘材料层；3)在所述单晶硅片表面淀积一薄膜层，刻蚀所述薄膜层形成红外吸收膜和支撑膜；4)在所述单晶硅片表面形成第二绝缘材料层，刻蚀在所述单晶硅片中形成释放槽；5)通过所述释放槽，利用腐蚀液横向选择性自停止腐蚀释放所述红外吸收膜，同时未被腐蚀的所述单晶硅片顶部形成悬空的单晶硅梁，剩余的所述单晶硅片形成单晶硅衬底；6)去除所述第一绝缘材料层和第二绝缘材料层，形成梁膜结构。9.根据权利要求8所述的梁膜结构的制作方法，其特征在于：所述隔...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪藻，李昕欣，李伟，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31