微机械热电堆红外探测器的制造方法技术

一种微机械热电堆红外探测器的制造方法，最为关键的工艺是采用正面光刻技术，制造出周围用空气层减小热耗散的悬臂结构，且应用绝缘体上单晶硅材料，不仅简化了微机械热电堆红外探测器的制造工艺，提高了热电转换效率，而且也使制造出来的探测器具有较高的灵敏度。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及热电堆红外探测器，特别是器件尺寸在亚毫米量级的微机械热电堆红外探测器的制造。目前，在工业、农业、医学、交通等各个行业和部门，红外测温、红外测湿、红外理疗、红外检测、红外报警、红外遥感、红外防伪是各行业争相选用的先进技术。红外探测器是红外仪器中最基本的关键部件，是红外装置的心脏。热电堆红外探测器则是众多红外探测器的一种，属热红外探测器。美国专利说明书US-5059543就公开了这样一种目前较流行的热堆红外探测器的制造方法，它是在硅衬底上用硅各向异性腐蚀剂从硅衬底的背面腐蚀，腐蚀掉中心部位的硅，在顶部仅留下大约1微米厚的氧化硅-氮化硅(SiO2-Si3N4)三明治层(封闭膜)，两种不同热电特性材料(热偶)沉积并形成热偶对。包含冷结区的冷端由环绕膜的与硅衬底一样厚的边框构成，边框不仅是散热块也是腐蚀出结构的支撑体。热区是热堆热结半径以内的膜区域。由于热堆是用整层的复合膜来支撑热偶对的，热端和冷端之间没有绝热环境，无形中使得热可以由热偶对通过膜面向各处传播，因此热电转换效率不高。在采用的热偶材料中，有Bi-Sb，多晶硅-Au，Te-InSb，Te-Ag等等，目前的趋势是采用多晶硅与金或铝的体系。这主要是因为硅材料与CMOS标准集成电路工艺有优良的兼容性。然而，在同样的掺杂浓度下，多晶硅的温差电动势率(塞贝克系数)与单晶硅相比，相对较低，且阻抗大，由此带来了信噪比低的问题。而这些器件的制造工艺要求在硅片两面对准光刻，这增加了器件的面积和器件成本。此外，在制造热堆红外探测器中，器件的结构存在非常大的低效率，这也增加了器件的面积和成本。本专利技术的目的是提供一种，其不用正反两面对准光刻，不仅简化了制造工艺，提高了热电转换效率，而且也使制造出来的探测器表现出较高的灵敏度。本专利技术的目的是通过以下方法实现的，它包括以下步骤(1)在一块硅材料上，用离子注入的方法对单晶硅层进行硼掺杂；(2)在950℃下保持30分钟，对离子注入进行退火处理，然后在掺杂后的硅层上光刻出用于形成热偶的硅条形状，用干法刻蚀出所需的硅条；(3)在1000～1150℃下对硅条进行氧化处理，形成一层氧化硅，再用低压化学气相沉积法在上面沉积一层氮化硅；(4)在氮化硅层上光刻出引线孔，然后用干法刻蚀氮化硅，用湿法腐蚀掉氧化硅，暴露出硅条，接下去在整个表面上沉积金属层；(5)在金属层上光刻出所需的用于形成热偶的金属条形状，用湿法腐蚀得到金属条，与硅条形成热偶对；(6)在表面光刻出吸收区形状，然后在上面沉积黑体，接着通过剥离技术得到吸收区；(7)在正面光刻出腐蚀结构孔的图形，用干法刻蚀掉氮化硅，用湿法腐蚀掉氧化硅，再用四甲基氢氧化铵或氢氧化钾溶液腐蚀掉硅，形成悬臂热堆结构以及支撑框体。其中步骤(1)所述工艺也可为在硅衬底上先沉积一层氮化硅，再用低温沉积法形成一层氧化硅，然后在其上化学沉积一层多晶硅，再进行硼掺杂。所述的硅材料为绝缘体上单晶硅。所述的硼的浓度约为1018-1019厘米-3数量级，氧化硅层厚度约为0．4微米，氮化硅层厚度约为0．1微米。采用本专利技术提供的方法所制造的热电堆红外探测器与其他热电堆红外探测器相比较的优点是在热堆结构中，支撑热偶对的是悬臂结构，热端与冷端之间只有部分的连接，周围其他的是空气，因此可以减小热耗散，提高了热电转换效率；采用正面光刻，即腐蚀结构与热偶对在同一面的方法，可以制造出周围用空气层减小热耗散的悬臂结构，且简化了热堆的制作；用绝缘体上单晶硅(Silicon On Insulator，简称SOI)材料，则使其中的硅单晶与多晶硅相比具有高的塞贝克系数，电阻小，有电流通过时损耗就小。下面结合附图对本专利技术作进一步说明。附图说明图1是绝缘体上单晶硅经过硼掺杂后的材料剖视图。图2是硅条经氧化及低压化学气相沉积后的材料示意图。图3是硅条上沉积有金属层的示意图。图4是热偶对形成示意图。图5是吸收区形成示意图。图6是热堆红外探测器的结构示意图。图7是步骤1的另一种选择。本专利技术的微机械热电堆红外探测器的制作工艺过程举例如下1．在一块绝缘体上单晶硅(SOI)材料上，用离子注入的方法对单晶硅层进行硼掺杂，使硼的浓度大约为1018-1019厘米-3数量级，如图1所示；2．在950℃下保持30分钟，对离子注入进行退火处理，然后在掺杂后的硅层上光刻出用于形成热偶的硅条形状，用干法刻蚀方法得到所需的硅条24，如图1所示；3．在1150℃下对硅条24进行氧化处理，形成一层厚度为0．4微米的氧化硅(SiO2)29，如图2所示，再用低压化学气相沉积(Low PressureChemical Vaporization Deposition，简称LPCVD)方法在上面沉积一层厚度为0．1微米的氮化硅(Si3N4)27，这种复合膜结构可消除其中的应力；4．在氮化硅(Si3N4)层27上光刻出引线孔26，然后用干法刻蚀氮化硅(Si3N4)27，用湿法腐蚀掉氧化硅(SiO2)29，暴露出硅条24，接下去在整个表面上沉积金属层，其中金属可选用铬、金、银等，如图3所示；5．在金属层上光刻出所需的用于形成热偶的金属条形状，用湿法腐蚀得到金属条25，与硅条24形成热偶对，其中金属条25与硅条24通过引线孔26实现电连接，如图4所示；6．如图5所示，在表面光刻出吸收区形状，然后在上面沉积黑体，通常为碳黑与各种金属黑，接着通过剥离技术得到吸收区22；7．如图6所示，在正面光刻出腐蚀结构孔18的图形，用干法刻蚀掉氮化硅(Si3N4)27，用湿法腐蚀掉氧化硅(SiO2)层29，再用硅的各向异性腐蚀剂四甲基氢氧化铵(TMAH)或氢氧化钾(KOH)溶液腐蚀掉硅，形成悬臂热堆结构以及支撑框体17，硅衬底28除了框体外可以全部去除，这样便完成了微机械热电堆红外探测器的制作。请参照图7所示，其中，上述的步骤1也可用以下步骤代替，即在硅衬底28上，先沉积一层氮化硅(Si3N4)27，再用低温沉积方法形成氧化硅(SiO2)层31，然后在其上化学沉积一层多晶硅30，再进行硼掺杂，使硼的浓度大约为1018-1019厘米-3数量级。本文档来自技高网...

【技术保护点】
微机械热电堆红外探测器的制造方法，其特征在于它包括以下步骤：（１）在一块硅材料上，用离子注入的方法对单晶硅层进行硼掺杂；（２）在９５０℃下保持３０分钟，对离子注入进行退火处理，然后在掺杂后的硅层上光刻出用于形成热偶的硅条形状，用干法 刻蚀出所需的硅条；（３）在１０００～１１５０℃下对硅条进行氧化处理，形成一氧化硅层，再用低压化学气相沉积法在上面沉积一氮化硅层；（４）在氮化硅层上光刻出引线孔，然后用干法刻蚀氮化硅，用湿法腐蚀掉氧化硅，暴露出硅条，接下去在整个表面上 沉积金属层；（５）在金属层上光刻出所需的用于形成热偶的金属条形状，用湿法腐蚀得到金属条，与硅条形成热偶对；（６）在表面光刻出吸收区形状，然后在上面沉积黑体，接着通过剥离技术得到吸收区；（７）在正面光刻出腐蚀结构孔的图形，用干法刻 蚀掉氮化硅，用湿法腐蚀掉氧化硅，再用四甲基氢氧化铵或氢氧化钾溶液腐蚀掉硅，形成悬臂热堆结构以及支撑框体。

【技术特征摘要】
1．微机械热电堆红外探测器的制造方法，其特征在于它包括以下步骤(1)在一块硅材料上，用离子注入的方法对单晶硅层进行硼掺杂；(2)在950℃下保持30分钟，对离子注入进行退火处理，然后在掺杂后的硅层上光刻出用于形成热偶的硅条形状，用干法刻蚀出所需的硅条；(3)在1000～1150℃下对硅条进行氧化处理，形成一氧化硅层，再用低压化学气相沉积法在上面沉积一氮化硅层；(4)在氮化硅层上光刻出引线孔，然后用干法刻蚀氮化硅，用湿法腐蚀掉氧化硅，暴露出硅条，接下去在整个表面上沉积金属层；(5)在金属层上光刻出所需的用于形成热偶的金属条形状，用湿法腐蚀得到金属条，与硅条形成热偶对；(6)在表面光刻出吸收区形状，然后在上面沉积黑体，接着通过剥离技...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊斌，徐峥谊，王跃林，王渭源，戈肖鸿，
申请(专利权)人：中国科学院上海冶金研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]