专利名称：基于黒硅的高性能mems热电堆红外探测器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种红外探测器及其制备方法，尤其是一种基于黒硅的高性能MEMS热电红外探测器及其制备方法，属于MEMS红外探测器的技术领域。
背景技术：
MEMS热电堆红外探测器是传感探测领域的一种典型器件，是组成温度传感器、均方根转换器、气敏传感器、热流量计等传感探测器件的核心部件之一，与此同时，小尺寸热电堆红外探测器还可构建红外焦平面阵列(FPA)器件实现红外成像。热电堆红外探测器与基于其它工作原理的红外探测器(如热释电型红外探测器和热敏电阻型红外探测器等)相比具有可测恒定辐射量、无需加偏置电压、无需斩波器、更适用于移动应用与野外应用等明显的综合优点。因而，MEMS热电堆红外探测器对于实现更为宽广的红外探测应用具有非常 重要的意义，其民用、军用前景广阔，商业价值和市场潜力非常巨大。可以说，关于MEMS热电堆红外探测器的研究开发工作已形成21世纪一个新的高技术产业增长点。可以预见，MEMS热电堆红外探测器将在传感探测的众多方面形成更加广泛的应用。特别是，随着微机电技术，包括器件设计、制造、封装和测试等技术手段的日益成熟，MEMS热电堆红外探测器将凸显更加重要的地位。响应率和探测率是描述红外探测器的两个重要性能指标，决定了红外探测器在不同领域的应用潜力。其中，响应率是器件输出电信号与入射红外辐射功率的比值，表征了红外探测器响应红外辐射的灵敏度，同时又很大程度地影响着探测率的值。对热电堆红外探测器而言，热偶条热端与冷端之间的温度差是反映器件响应率和探测率大小的一个重要参数。为了增大温度差以提高器件的响应率和探测率，需要尽可能保持冷端温度与基底温度相一致，同时热端能有效传递红外吸收区所吸收的热量至热偶条。为了达到这一效果，在冷端与基底材料之间以及热端与红外吸收区之间制作热导通结构就显得十分必要；考虑到热电偶之间电学串联的特点，该热导通结构还需同时具备电学隔离的作用。现有的热电堆红外探测器一般将衬底作为热沉体，使热偶条的冷端与衬底直接搭连，又使热端与吸收区直接搭连，因为衬底和吸收区材料可能具有一定的导电能力，因而采用这种直接搭连的方法将影响热电堆红外探测器的输出特性，最终影响器件的性能。对于结构(包括热导通/电隔离结构)、尺寸参数以及热偶材料等均已确定的热电堆红外探测器，其响应率和探测率的值取决于红外吸收区对红外辐射的吸收效率。氮化硅薄膜在红外探测器的研究中常用作红外吸收区的材料，然而氮化硅在1-12 μ m波长范围内所能达到的最高红外吸收效率仅为35%左右，进而，基于氮化硅红外吸收层的热电堆红外探测器无法获得很高的响应率和探测率。鉴于此，要提高探测器的响应率和探测率，应增大红外吸收区的吸收效率。在对红外探测器进行研究的数十年中，科研人员已经开发出了多种具有高吸收率且可作为红外吸收区的材料或结构。其中，金黑因其表面的纳米粗糙结构而具有很好的红外吸收效果，又因其热容较低，进而在红外探测器的研究中成为一种倍受欢迎的材料。采用金黑材料为红外吸收区时，器件的响应率和探测率可相应提高。然而，金黑的制备工艺涉及到金属蒸发和金属纳米颗粒的凝集等工序，过程较为复杂，并且其与CMOS工艺的兼容性也较差，一般只能在器件结构加工完成后再将其制作在结构的表面。鉴于此，以黑金为吸收区的探测器其大批量的生产就受到了限制。1/4波长谐振结构利用介质层厚度与入射红外光波的1/4波长相匹配时所产生的谐振效果使红外吸收区的吸收效率达到最大。然而，受谐振条件的制约，以1/4波长谐振结构为吸收区的探测器只能敏感中心波长为某一特定值的红外辐射。此外，制备1/4波长谐振结构时对工艺参数的要求极其严格苛刻，若介质层厚度与波长之间稍有不匹配，将造成红外吸收效率的极大衰减。黑硅是一种呈森林状的大面积纳米柱/针结构，曾被认为是电子产业界的一种革命性新材料。相比于传统的硅材料，黑硅对近红外波段的光具有极高的吸收效率。目前已提出的制备黑硅的方法多种多样，包括如高能量飞秒激光辅助刻蚀、金属催化电化学腐蚀以及等离子体干法刻蚀等。出于加工成本、工艺便捷程度以及工艺兼容性等多方面的综合考虑，用等离子体干法刻蚀技术制备黑硅的方法在常规半导体工艺中最常使用。已有研究人员报道将黑硅用作红外吸收层材料来提高热电堆红外探测器件性能的方法在形成热电堆红外探测器的基础结构(包括介质支撑膜、热电堆、金属连接结构等)之后，通过等离子体增 强化学气相沉积(PECVD)技术在表面淀积生长α -Si或Poly-Si层，对其进行高能量离子注入，随后进行不完全干法刻蚀，进而将其处理成黑硅并在吸收区位置图形化，最后进行器件结构的释放。该方法中，黑硅的制作利用了不完全刻蚀，因此黑硅的结构和尺寸参数的可控性较低；并且在制备黑硅之前需要对硅材料层进行高能量的离子注入以引入缺陷，因而增加了工艺的复杂程度。另外，该方法在PECVD α-Si或Poly-Si层之后，采用了“黑硅先行，释放后行”的技术思路，因此在结构释放过程中需要严格保护黑硅免受破坏。然而，黑硅仍具硅材料的物理、化学性质，因此在后续XeF2干法释放过程中易受腐蚀气体破坏；又因为黑硅中纳米结构具有一定的高度且密度较大，采用常规的方法，如薄膜淀积保护或涂胶保护，均不能实现有效的保护。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于黒硅的高性能MEMS热电堆红外探测器及其制备方法，其结构简单易于实现，便于单片集成，响应率及探测率高，与CMOS工艺兼容，适用范围广，安全可靠。按照本发明提供的技术方案，所述基于黒硅的高性能MEMS热电对红外探测器，包括衬底；所述衬底上设有释放阻挡带，所述释放阻挡带内具有热隔离腔体，所述热隔离腔体的正上方设有黒硅红外吸收区，所述黒硅红外吸收区位于释放阻挡带上；黒硅红外吸收区的外圈设有若干热电堆，黒硅红外吸收区外圈的热电堆相互串接后电连接成一体，相互串接的热电堆上设有用于将探测电压输出的金属电极；所述热电堆对应邻近黒硅红外吸收区的一端形成探测热端，热电堆对应远离黒硅红外吸收区的一端形成探测冷端；热电堆的探测冷端通过第一热导通电隔离结构及所述第一热导通电隔离结构下方的热传导体与衬底相连，热传导体位于隔离腔体的外部，并位于释放阻挡带及衬底之间，第一热导通电隔离结构嵌置于释放阻挡带内；热电堆的探测热端通过第二热导通电隔离结构与黒硅红外吸收区相接触，第二热导通电隔离结构支撑于释放阻挡带上。所述黒硅红外吸收区呈正方形，黒硅红外吸收区的外侧设有四组均匀分布的热电堆。所述黒硅红外吸收区包括将黒硅材料体利用反应离子刻蚀形成的黒硅结构及贯通所述黒硅红外吸收区的腐蚀释放通道，所述腐蚀释放通道与热隔离腔体相连通。所述热电堆包括P型热偶条及与所述P型热偶条对应配合的N型热偶条；所述P型热偶条与N型热偶条位于释放阻挡带上；在热电堆的探测冷端，P型热偶条及N型热偶条均与第一热导通电隔离结构相接触，且P型热偶条通过第二连接线与邻近热电偶内的N型热偶条电连接；在热电堆的探测热端，所述P型热偶条与N型热偶条均与第二热导通电隔离结构相接触，且通过第一连接线电连接。 所述黒硅材料体通过LPCVD或PECVD淀积方法制备在释放阻挡带上。
所述第一热导通电隔离结构及第二热导通电隔离结构的材料均包括Si3N4。一种基于黒硅的高性能MEMS热电堆红外探测器的制备方法，所述MEMS热电堆红外探测器的制备方法包括如下步骤
a、提供衬底，并在所述衬底的表面上设置衬底保护层；
b、选择性地掩蔽和刻蚀上述衬底保护层，以在衬底上方形成衬底接触窗口，所述衬底接触窗口贯通衬底保护层；
C、在上述衬底接触窗口上方淀积热传导体，并在所述热传导体上淀积热传导体掩膜层，所述热传导体覆盖于衬底保护层上并填充在衬底接触窗口内；
d、选择性地掩蔽和刻蚀上述热传导体掩膜层，以在热传导体掩膜层上形成热传导体刻蚀窗口，所述热传导体刻蚀窗口贯通热传导体掩膜层，并在衬底接触窗口的内侧；利用热传导体刻蚀窗口刻蚀热传导体直至衬底保护层，得到热传导体通孔；
e、在上述热传导体掩膜层上淀积支撑层，所述支撑层填充于热传导体通孔及热传导体刻蚀窗口内，并覆盖于热传导体掩膜层上，以在衬底上方形成释放阻挡带结构及介质支撑膜；
f、选择性地掩蔽和刻蚀支撑层，以在支撑层内形成热导通电隔离开口，所述热导通电隔离开口贯通支撑层并位于释放阻挡带结构的外侧；在上述支撑层上方淀积热导通电隔离体层，所述热导通电隔离体层填充于热导通隔离开口内，并覆盖于支撑层上；
g、选择性地掩蔽和刻蚀上述热导通电隔离体层，以在上述支撑层上形成第一热导通电隔离块及第二热导通电隔离块，所述第一热导通电隔离块位于支撑层内，第二热导通电隔离块位于支撑层上；
h、在上述第一热导通电隔离块及与所述第一热导通电隔离块邻近的第二热导通电隔离块间设置热偶条，所述热偶条包括N型热偶条及P型热偶条，热偶条的探测冷端与第一热导通电隔离块相接触，热偶条的探测热端与第二热导通电隔离块相接触；
i、在上述热偶条上方设置热偶条保护层，所述热偶条保护层覆盖的区域包括热偶条及第一热导通电隔离块；在相邻的第二热导通电隔离块之间淀积黒硅材料体，所述黒硅材料体与第二热导通电隔离块相接触；
j、选择性地掩蔽和刻蚀上述热偶条保护层，以在衬底上方形成用于连接热偶条所需的电连接通孔；
k、在上述已制作电连接通孔的衬底上溅射金属层，所述金属层填充在上述电连接通孔内，选择性地掩蔽和刻蚀上述金属层，使得在形成热电堆探测热端，热电偶内的N型热偶条与P型热偶条通过第一连接线电连接，并在形成热电堆探测冷端，P型热偶条通过第二连接线与相邻热偶条内的N型热偶条电连接，且在第一热导通电隔离结构的外侧形成第一电连接体；
I、在上述衬底表面上淀积钝化层，所述钝化层覆盖的区域包括黒硅材料体、第一连接线、第二连接线及第一电连接体；
m、选择性地掩蔽和刻蚀上述钝化层，以在黒硅材料体上的钝化层上形成黒硅刻蚀窗口，利用黒硅刻蚀窗口对黒硅材料体进行刻蚀，直至刻蚀到黒硅刻蚀窗口正下方的热传导体，以形成释放孔；
η、利用释放阻挡带结构释放黒硅材料体正下方的热传导体，以得到热隔离腔体；
0、利用钝化层作为黒硅材料体表面粗糙结构的侧墙材料层，对黒硅材料体采用一次反应离子刻蚀(RIE)，以形成基于黒硅结构的黒硅红外吸收区，同时形成第二电连接体。 所述步骤m和步骤η中，在释放孔的内壁上涂覆黒硅遮挡层。述步骤h中，所述P型热偶条与N型热偶条位于释放阻挡带结构上，在形成热电堆探测冷端，P型热偶条及N型热偶条均与第一热导通电隔离块相接触；在形成热电堆探测热端，所述P型热偶条与N型热偶条均与第二热导通电隔离结构相接触。所述步骤k中，金属层的材料包括Al。本发明的优点
1、采用黒硅红外吸收区，因黑硅的红外吸收效率高进而具有高响应率、高探测率等性能特点，从而克服了以Si3N4为吸收区材料的探测器响应率、探测率不高的问题。2、因黑硅的制备对工艺参数(如所生长Si02、Poly-Si厚度，刻蚀的时间及厚度等)没有非�？量痰囊螅虼嘶诤诠璧暮焱馓讲馄骷峁垢子谑迪郑佣朔艘�1/4波长谐振结构为吸收区的探测器对工艺参数的要求过高继而性能参数可控性差的缺陷。3、因黑硅在较大波长范围内都具有很高的红外吸收效率，因此该器件的适用波长范围大，克服了以1/4波长谐振结构为吸收区的探测器仅适用于单一波长范围的不足。4、本发明的制备过程采用“释放先行，黑硅后行”的技术思路，有效克服了“黑硅先行，释放后行”技术方法中黑硅结构易受损的问题。5、本发明得到的探测器在热电堆的冷端/热端分别进行了热导通电隔离结构的设计与制作，有利于进一步提高器件的性能。6、该器件的加工过程与CMOS工艺完全兼容，因而有利于传感器件结构和测试电路的单片集成制造。7、由本发明提供的新型高性能MEMS热电堆红外探测器具有工艺兼容性好，器件结构易于实现，便于单片集成，响应率、探测率高等特点，可在温度传感器、气敏传感器、热流量计等传感探测器件与系统中获得广泛和实际的应用。
图广图15为本发明具体实施工艺步骤剖视图，其中 图I为本发明在衬底上形成衬底保护层后的剖视图。图2为本发明形成衬底接触窗口后的剖视图。图3为本发明形成热传导体掩膜层后的剖视图。
图4为本发明在热传导体内形成热传导体通孔后的剖视图。图5为本发明形成释放阻挡带结构后的剖视图。图6为本发明形成热导通电隔离体层后的剖视图。图7为本发明形成第一热导通电隔离块与第二热导通电隔离块后的剖视图。图8为本发明形成热偶条后的剖视图。图9为本发明淀积形成黒硅材料体后的剖视图。图10为本发明形成电连接通孔后的剖视图。图11为本发明形成第一连接线、第二连接线及第一电连接体后的剖视图。
图12为本发明淀积钝化层后的剖视图。图13为本发明形成释放孔并在释放孔内壁涂覆释放遮挡层后的剖视图。图14为本发明释放热传导体形成热隔离腔体后的剖视图。图15为本发明形成基于黒硅结构的黒硅红外吸收区后的剖视图。图16为本发明黒硅的扫描电镜照片及其红外吸收光谱图。图17为本发明的结构示意图。附图标记说明1-黒硅红外吸收区、2-释放阻挡带、3-第二热导通电隔离结构、4-第一热导通电隔离结构、5-P型热偶条、6-N型热偶条、7-金属连接线、8-金属电极、9-腐蚀释放通道、101-衬底、102-衬底保护层、202-衬底接触窗口、302-热传导体填充结构、303-热传导体、304-热传导体掩膜层、403-热传导体通孔、404-热传导体刻蚀窗口、503-释放阻挡带结构、504-介质支撑膜、505-支撑层、605-热导通电隔离开口、606-热导通电隔离体层、705-第一热导通电隔离块、706-第二热导通电隔离块、807-热偶条冷端、810-热偶条热端、811-热偶条、908-热偶条保护层、909-黒硅材料体、910-趴跨区域、1008-电连接通孔、1109-第一连接线、1110-第一电连接体、1111-第二连接线、1211-钝化层、1309-释放孔、1311-黒硅刻蚀窗口、1312-释放遮挡层、1403-热隔离腔体、1412-黒硅遮挡层、1509-黒硅结构及1510-第二电连接体。
具体实施例方式下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。如图17所不本发明基于黒娃的闻性能MEMS热电对红外探测器,包括衬底101 ；所述衬底101上设有释放阻挡带2，所述释放阻挡带2内具有热隔离腔体1403，所述热隔离腔体1403的正上方设有黒硅红外吸收区1，所述黒硅红外吸收区I位于释放阻挡带2上；黒硅红外吸收区I的外侧设有若干热电堆，黒硅红外吸收区I外侧的热电堆相互串接后电连接成一体，相互串接的热电堆上设有用于将探测电压输出的金属电极8 ;所述热电堆对应邻近黒硅红外吸收区I的一端形成探测热端，热电堆对应远离黒硅红外吸收区I的一端形成探测冷端；热电堆的探测冷端通过第一热导通电隔离结构4及所述第一热导通电隔离结构4下方的热传导体303与衬底101相连，热传导体303位于热隔离腔体1403的外侧，并位于释放阻挡带2及衬底101之间，第一热导通电隔离结构4嵌置于释放阻挡带2内；热电堆的探测热端通过第二热导通电隔离结构3与黒硅红外吸收区I相接触，第二热导通电隔离结构3支撑于释放阻挡带2上。所述第一热导通电隔离结构4及第二热导通电隔离结构3的材料均包括Si3N4 ;通过第一热通道电隔离结构4及第二热导通电隔离结构3能够达到热导通的作用及电隔离的作用，以使得热电堆的探测冷端温度与衬底101的温度保持一致，热电堆的探测热端通过第二热通道电隔离结构3接收黒硅红外吸收区I吸收的热量，以提高红外探测器的响应率及灵敏度。本发明实施例中所述黒硅红外吸收区I呈正方形，黒硅红外吸收区I的外侧设有四组均匀分布的热电堆；四组热电堆两两对称分布于黒硅红外吸收区I的外侧；黒硅红外吸收区I还可以采用其他形状，如长方形、圆形、四角补偿形等所需的形状，热电堆根据黒硅红外吸收区I的形状对应分布。热电堆间通过金属连接线7电连接，形成电阻特性。黒硅红外吸收区I外侧的热电堆相互串接电连接成一体后，通过两个金属电极8将整个探测器探测的热量以电压的形式向外输出，通过电压的变化能够反映出黒硅红外吸收区I吸收的红外热量。本发明实施例中所述黒硅红外吸收区I包括将黒硅材料体909利用粗糙多晶硅(Poly-Si)表面可作为侧墙材料支撑结构的特性，并结合高选择比RIE形成的黒硅结构 1509及贯通所述黒硅红外吸收区I的腐蚀释放通道9，所述腐蚀释放通道9与热隔离腔体1403相连通。如图15所示本发明具体实施方式
中，所述热电堆包括若干P型热偶条5及与所述P型热偶条5对应配合的N型热偶条6 ；P型热偶条5及与P型热偶条5对应配合的N型热偶条6间形成热电偶；所述P型热偶条5与N型热偶条6位于释放阻挡带3上；在热电堆的探测冷端，P型热偶条5及N型热偶条6均与第一热导通电隔离结构4相接触，且P型热偶条5通过第二连接线1111与邻近热电偶内的N型热偶条6电连接；在热电堆的探测热端，所述P型热偶条5与N型热偶条6均与第二热导通电隔离结构3相接触，且通过第一连接线1109电连接。图17中的释放阻挡带2相当于图5中的释放阻挡带结构503，第一热导通电隔离结构4相当于图7中的第一热导通电隔离块705，第二热导通电隔离结构3相当于第二热导通电隔离块706。如图广图15所示上述热电堆红外探测器结构可以采用下述工艺步骤实现，下述实施例中，如无特殊说明，工艺步骤均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。具体地包括
a、提供衬底101，并在所述衬底101的表面上设置衬底保护层102 ；
如图I所示，在衬底101的表面通过干氧氧化的方式生长SiO2材料层，以形成衬底保护层102，衬底保护层102的厚度为5000A，干氧氧化时温度为950°C，氧气的含量为60% ;所述衬底101采用常规的材料，衬底101的材料包括硅。b、选择性地掩蔽和刻蚀上述衬底保护层102，以在衬底101上方形成衬底接触窗口 202，所述衬底接触窗口 202贯通衬底保护层102 ；
如图2所示在衬底保护层102的表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在对应所需形成热偶条冷端的位置形成光刻胶的多段开口图形，开口的宽度为16 μ m,每段长度为50 μ m,总长度为大约700 μ m ;随后，采用RIE (反应离子刻蚀)SiO2技术将光刻胶上的开口图形转移到衬底保护层102上，形成衬底接触窗口 202 ;最后，利用氧等离子体干法去胶以及硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除硅片表面的光刻胶。C、在上述衬底接触窗口 202上方淀积热传导体303，并在所述热传导体303上淀积热传导体掩膜层304，所述热传导体303覆盖于衬底保护层102上并填充在衬底接触窗口202 内；
如图3所示，在已经形成开口的衬底保护层102上LPCVD Poly-Si以形成热传导体303，并利用LPCVD工艺得到热传导体掩膜层304，热传导体掩膜层304的材料为Si02。其中，热传导体304的厚度为I μ m，热传导体掩膜层304的厚度为1000 A0由于热传导体304的厚度较其下衬底保护层102厚很多，因此热传导体303能完全填充衬底接触窗口 202，形成Poly-Si的热传导体填充结构302。d、选择性地掩蔽和刻蚀上述热 传导体掩膜层304，以在热传导体掩膜层304上形成热传导体刻蚀窗口 404，所述热传导体刻蚀窗口 404贯通热传导体掩膜层304，并在衬底接触窗口 202的内侧；利用热传导体刻蚀窗口 404刻蚀热传导体303直至衬底保护层102，得到热传导体通孔403 ；
如图4所示，在热传导体掩膜层304的表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在光刻胶上形成封闭开口，随后利用RIE SiO2的方法将光刻胶上封闭开口的图形转移到热传导体掩膜层304上，形成热传导体掩膜层304上的封闭开口图形即热传导体刻蚀窗口 404 ;利用氧等离子体干法去胶以及硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除硅片表面的光刻胶；RIEPoly-Si将热传导体掩膜层304上的封闭开口图形转移到热传导体303上，形成热传导体303上的封闭开口图形即热传导体通孔403，所形成热传导体通孔403的宽度为8000 Le、在上述热传导体掩膜层304上淀积支撑层505,所述支撑层505填充于热传导体通孔403及热传导体刻蚀窗口 404内，并覆盖于热传导体掩膜层304上，以在衬底101上方形成释放阻挡带结构503及介质支撑膜504 ；
如图5所示，在已经形成热传导体通孔403和热传导体刻蚀窗口 404的衬底101上，通过LPCVD技术淀积生长SiO2层，以形成支撑层505，所述支撑层505的厚度为5000 A，支撑层505能完全填充热传导体通孔403和热传导体刻蚀窗口 404，形成SiO2释放阻挡带结构503，并同时形成介质支撑膜结构504 ;此处，释放阻挡带结构503与图17中的释放阻挡带2相对应，用于形成后续的释放阻挡带2。f、选择性地掩蔽和刻蚀支撑层505，以在支撑层505内形成热导通电隔离开口605，所述热导通电隔离开口 605贯通支撑层505并位于释放阻挡带结构503的外侧；在上述支撑层505上方淀积热导通电隔离体层606，所述热导通电隔离体层606填充于热导通电隔离开口 605内，并覆盖于支撑层605上；
如图6所示，在支撑层505上旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在对应于所需热偶条冷端的位置形成光刻胶的多个开口图形，每个开口图形的宽度和长度分别为15 μ m和50 μ m ;利用RIE SiO2技术将光刻胶上的开口图形转移到支撑层505上形成支撑层505上的热通电隔离开口 605 ;利用氧等离子体干法去胶以及硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除硅片表面的光刻胶；随后，通过LPCVD技术在支撑层505上淀积生长Si3N4层，以形成热导通电隔离层606，热导通电隔离层606的厚度为5000 A0g、选择性地掩蔽和刻蚀上述热导通电隔离体层606，以在上述支撑层505上形成第一热导通电隔离块705及第二热导通电隔离块706，所述第一热导通电隔离块705位于支撑层505内，第二热导通电隔离块706位于支撑层505上；
如图7所示，在热导通电隔离层606上旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在对应于热偶条冷端和热端的位置分别形成多个光刻胶的图形；利用RIE Si3N4技术将光刻胶上的图形转移到热导通电隔离层606上，形成第一热导通电隔离块705和第二热导通电隔离块706，分别对应于图17中的第一热导通电隔离结构4和第二热导通电隔离结构3，其中，第一热导通电隔离块705的宽度为18 μ m，长度为80 μ m，第二热导通电隔离块706的宽度为18 μ m，长度为80 μ m ;最后，利用氧等离子体干法去胶以及硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除硅片表面的光刻胶。h、在上述第一热导通电隔离块705及与所述第一热导通电隔离块705邻近的第二热导通电隔离块706间设置热偶条811，所述热偶条811包括N型热偶条6及P型热偶条5，热偶条811的探测冷端与第一热导通电隔离块705相接触，热偶条811的探测热端与第二热导通电隔离块706相接触；
如图8所示，在已实现第一热导通电隔离结构4和第二热导通电隔离结构3的衬底101上通过LPCVD技术淀积生长一层厚度为2000 A的Poly-Si层，在Poly-Si层的不同位置分别实现N型和P型掺杂，其中，P型和N型Poly-Si的掺杂浓度分别为8el8 cm_3和4el9 cm_3，掺杂的能量分别为30 KeV和80 KeV0本发明实施例中，N型热偶条6、P型热偶条5的掺杂浓度低，因而热偶条的赛贝克系数高，进而有利于提高器件的性能。现有的热电堆红外探测器的热偶条采用较高的掺杂浓度，且热偶条的掺杂浓度均高于本发明实施例中的掺杂浓度。由于现有热电堆红外探测器的热偶条均采用高掺杂浓度，所以得到红外探测器的电阻比较�。欣诩跣∑骷脑肷坏歉叩牟粼优ǘ仁沟萌扰继醯娜纯讼凳跣。虼嘶嵊跋斓狡骷奶讲饬槊舳龋晃颂岣咂骷牧槊舳龋龃笕鹊缗嫉亩允庋淼慕峁质蛊骷牡缱柚翟龃螅苍龃罅嗽肷�。本发明中采用了较低的掺杂浓度，因而可以有效提高器件的探测灵敏度；为了降低得到红外探测器的噪声，本发明的结构中减少热电偶的对数。本发明实施例中，通过采用低掺杂浓度的热电偶来提高红外探测器的探测灵敏度，同时减少热电偶的对数来降低探测器的噪声；实验表明，采用本发明掺杂浓度的热偶条对整个红外探测器探测灵敏度的提高量大于减少热电偶对数对探测灵敏度的降低量，即本发明实施例中能够提升得到红外探测器的探测灵敏度。在N型和P型掺杂后的Poly-Si层上旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在热偶条对应的位置形成光刻胶的图形；利用RIE Poly-Si技术将光刻胶图形转移到Poly-Si层上，形成热偶条811,所述热偶条811包括N型热偶条6及P型热偶条5 ；N型热偶条6与对应的P型热偶条5间形成热电偶，N型热偶条6与P型热偶条5间形成平行并列的结构，热偶条811的探测冷端807与第一热导通电隔离块705相接，探测热端810趴跨半个第二热导通电隔离块706的图形；最后，利用氧等离子体干法去胶以及硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除硅片表面的光刻胶。其中，热偶条的宽度为3 μ m，长度均为125 μ m，对数为20，沿着正方形黒硅红外吸收区I的四周对称放置。本发明形成的所述P型热偶条5与N型热偶条6位于释放阻挡带结构503上；在探测冷端，P型热偶条5及N型热偶条6均与第一热导通电隔离块705相接触；在探测热端，所述P型热偶条5与N型热偶条6均与第二热导通电隔离结构3相接触。i、在上述热偶条811上方设置热偶条保护层908，所述热偶条保护层908覆盖的区域包括热偶条811及第一热导通电隔离块705 ;同时在相邻的第二热导通电隔离块706之间淀积形成黒娃材料体909,所述黒娃材料体909与第二热导通电隔离块706相接触；如图9所示，在已经实现热偶条811结构的衬底101上LPCVD 2000 A的热偶条保护层908，热偶条保护层908的材料为SiO2 ;在热偶条保护层908上旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在热偶条811所在区域形成大面积的光刻胶图形；利用RIE SiO2技术将光刻胶图形转移到热偶条保护层908上，热偶条保护层908完全覆盖于第一热导通电隔离块705，而位于热偶条热端的第二热导通电隔离块706不被热偶条保护层908完全覆盖，露出部分的尺寸宽度为9 μ m ;本发明实施例中，热偶条保护层908覆盖第二热导通电隔离块706的一半，热偶条保护层908不完全覆盖第二热通道电隔离块706，主要是保证黒硅材料体909与第二热通道电隔离块706的接触，以保证后续形成黒硅红外吸收区I吸收的热量通过第二热通道电隔离块706能传导到热电偶上，热偶条保护层908覆盖第二热导通电隔离块706的面积还可以根据需要来设置，只要能保证黒硅红外吸收区I吸收的热量通过第二热通道电隔离块706能传导到热电偶上即可；
之后，利用氧等离子体干法去胶以及硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除硅片表面的光刻胶；此后，通过PECVD技术淀积生长厚度为I μ m的黒硅材料体909，黒硅材料体909的材料为Poly-Si，并在所需形成吸收区位置形成黒硅材料体909的图形化，该图形化 的黒硅材料体909同样趴跨在位于热偶条热端的第二热导通电隔离结构3上，如图中趴跨区域910所示；利用氧等离子体干法去胶以及硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除硅片表面的光刻胶。其中，PECVD黑推材料体909时炉管温度为270 °C，功率为170 W，压力400 mTorr,娃烧流量为 300 sccm (standard-state cubic centimeter per minute)。j、选择性地掩蔽和刻蚀上述热偶条保护层908，以在衬底101上方形成用于连接热偶条811所需的电连接通孔1008 ；
如图10所示，在衬底101表面旋涂光刻胶，并在对应于所需形成电连接通孔的位置通过光刻形成光刻胶图形的开口，随后利用RIE SiO2技术将光刻胶上的开口图形转移到热偶条保护层908上，形成热偶条保护层908的开口图形，也即电连接通孔1008 ;最后，利用氧等离子体干法去胶以及硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除硅片表面的光刻胶。k、在上述已制作电连接通孔1008的衬底101上溅射金属层，所述金属层填充在上述电连接通孔1008内，选择性地掩蔽和刻蚀上述金属层，使得在形成的探测冷端，热偶条811内的N型热偶条6与P型热偶条5通过第一连接线1109电连接，并在形成的探测热端，P型热偶条5通过第二连接线1111与相邻热偶条811内的N型热偶条6电连接，且在第一热导通电隔离结构705的外侧形成第一电连接体1110 ；
如图11所示，在制作了电连接通孔1008的衬底101上溅射Al金属层，并通过光刻工艺使Al金属层在所需形成电连接的位置和金属电极的位置图形化，形成第一连接线1109、第二连接线1111和第一电连接体1110 ;随后采用有机清洗的方法去除硅片表面的光刻胶。最外侧的第二连接线1111用于实现与金属连接线7和金属电极8电连接，第一电连接体1110与金属电极8相对应,用于形成金属电极8。本发明实施例串接时,热电堆内的P型热偶条5与相邻热电堆内的N型热偶条6通过第一连接线1109电连接，后续依次连接，形成热电堆。本发明实施例中，形成的探测热端是指制备得到所需探测器中热电堆的探测热端，形成的探测冷端类同。I、在上述衬底101的表面上淀积钝化层1211，所述钝化层1211覆盖区域包括黒硅材料体909、第一连接线1109、第二连接线1111及第一电连接体1110 ;如图12所示，在实现了金属连接的衬底101上采用PECVD技术淀积生长厚度为1000 A的SiO2层，以形成钝化层1211。m、选择性地掩蔽和刻蚀上述钝化层1211，以在黒硅材料体909上的钝化层1211上形成黒硅刻蚀窗口 1311，利用黒硅刻蚀窗口 1311对黒硅材料体909进行刻蚀，直至刻蚀到黒硅刻蚀窗口 1311正下方的热传导体303，以形成释放孔1309 ；
如图13所示，在钝化层1211上旋涂光刻胶，通过光刻工艺使光刻胶在器件中对应于吸收区区域内部、热偶条与热偶条之间的区域以及封闭开口所围面积内除热偶条区域和吸收区区域外的大面积区域中形成光刻胶的开口 ；随后，分别利用RIE SiO2, RIE Poly-Si和RIE SiO2技术将光刻胶的开口图形转移到不同的材料层上，也即形成释放孔1309和黒硅刻蚀窗口 1311 ;为了保护后续形成黒硅红外吸收区I区域内的Poly-Si不被释放气体损坏，在所需形成黒硅红外吸收区I的区域内部的释放孔1309侧壁通过光刻涂覆一层释放遮挡层1312，释放遮挡层1312为光刻胶，侧壁位置释放遮挡层1312的厚度为2 μ m，进而该涂覆了释放遮挡层1312后的释放孔1309的尺寸缩小。本发明实施例中，黒硅刻蚀窗口 1311及释放孔1309 —起形成了腐蚀释放通道9。 η、利用释放阻挡带结构503释放黒硅材料体909正下方的热传导体303，以得到热隔离腔体1403 ；
如图14所示由于热传导体303的材料为Poly-Si，因此采用XeF2干法刻蚀技术各向同性刻蚀器件结构中的热传导体303，通过腐蚀释放通道9将热传导体303的Poly-Si材料腐蚀掉，进而形成热隔离腔体1403。图14中的黒硅遮挡层1412与图13中的释放遮挡层1312对应一致。O、利用钝化层1211作为黒硅材料体909表面粗糙结构的侧墙材料层，对黒硅材料体909采用一次RIE，以形成基于黒硅结构1509的黒硅红外吸收区1，同时形成第二电连接体 1510。如图15所示，利用粗糙的黒硅材料体909及覆盖黒硅材料体909表面的钝化层1211可作为黒硅材料体909表面粗糙结构的侧墙材料层的特点，采用一次RIE Poly-Si技术加工黑硅结构1509，黒硅结构1509为针状或柱状结构；在各向异性刻蚀过程中，第一电连接体1110上的钝化层1211被完全刻蚀，进而露出第二电连接体1510，最终得到以黑硅为吸收区材料的新型MEMS热电堆红外探测器，总体结构示意图如图17所示。本发明中黑硅红外吸收区I的制备利用了粗糙的Poly-Si表面可作为侧墙支撑结构的特性，并结合高选择比的各向异性刻蚀技术实现，本发明中制备黑硅红外吸收区I的黑硅材料体909(黑硅材料体909的材料为Poly-Si)层可以采用PECVD或LPCVD技术淀积生长得到。其中黑硅结构1509的扫描电镜照片及其红外吸收光谱如图16所示。本发明实施例中，第二电连接体1510与第一电连接体1110相对应一致，并与图17中的金属电极8相对应一致，用于将整个热电堆红外探测结构探测的结果向外输出。由上述方法得到的红外探测器，其主要性能参数的理论计算结果为响应率为577V/W ;探测率为3. 48Ε8 CmHz172W-1 ;热响应时间为82. 9 ms ;噪声密度为91 nV/Hz1/2。如图f 17所示工作时，通过黒硅红外吸收区I吸收红外线的热量，黒硅红外吸收区I吸收的热量通过第二热导通电隔离结构3传导到黒硅红外吸收区I两侧的热电堆上，热电堆的探测冷端通过第一热导通电隔离结构4及热传导体303与衬底101相连，以使得冷端温度与衬底101的温度保持一致，并达到电隔离的作用。热电堆内的N型热偶条6与P型热偶条5形成热电偶结构，热电堆的探测热端吸收热量后与探测冷端的温度差会在冷端产生一定的电势差，热电堆内的多个热电偶串接后通过金属电极8向外输出电压，通过输出电压判断达到所需的检测过程。本发明米用黒娃红外吸收区I，因黑娃的红外吸收效率闻进而具有闻响应率、闻探测率等性能特点，从而克服了以Si3N4为吸收区材料的探测器响应率、探测率不高的问题。因黑硅的制备对工艺参数(如所生长Si02、Poly-Si厚度，刻蚀的时间及厚度等)没有非�？量痰囊螅虼嘶诤诠璧暮焱馓讲馄骷峁垢子谑迪郑佣朔艘�1/4波长谐振结构为吸收区的探测器对工艺参数的要求过高继而性能参数可控性差的缺陷。因黑硅在较大波长范围内都具有很高的红外吸收效率，因此该器件的适用波长范围大，克服了以1/4波长谐振结构为吸收区的探测器仅适用于单一波长范围的不足。本发明的制备过程采用“释放先行，黑硅后行”的技术思路，有效克服了 “黑硅先行，释放后行”技术方法中黑硅结构易受损的问题。本发明探测器在热电堆的探测冷端、探测热端分别进行了热导通电隔离结构 的设计与制作，有利于进一步提高器件的性能。该器件的加工过程与CMOS工艺完全兼容，因而有利于传感器件结构和测试电路的单片集成制造。由本发明提供的新型高性能MEMS热电堆红外探测器具有工艺兼容性好，器件结构易于实现，便于单片集成，响应率、探测率高等特点，可在温度传感器、气敏传感器、热流量计等传感探测器件与系统中获得广泛和实际的应用。
权利要求
1.一种基于黒硅的高性能MEMS热电对红外探测器，包括衬底(101);其特征是所述衬底(101)上设有释放阻挡带(2)，所述释放阻挡带(2)内具有热隔离腔体(1403)，所述热隔离腔体(1403)的正上方设有黒硅红外吸收区(I )，所述黒硅红外吸收区(I)位于释放阻挡带(2)上；黒硅红外吸收区(I)的外侧设有若干热电堆，黒硅红外吸收区(I)外侧的热电堆相互串接后电连接成一体，相互串接的热电堆上设有用于将探测电压输出的金属电极(8);所述热电堆对应邻近黒硅红外吸收区(I)的一端形成探测热端，热电堆对应远离黒硅红外吸收区(I)的一端形成探测冷端；热电堆的探测冷端通过第一热导通电隔离结构(4)及所述第一热导通电隔离结构(4)下方的热传导体(303)与衬底(101)相连，热传导体(303)位于热隔离腔体(1403)的外侧，并位于释放阻挡带(2)及衬底(101)之间，第一热导通电隔离结构(4)嵌置于释放阻挡带(2)内；热电堆的探测热端通过第二热导通电隔离结构(3)与黒硅红外吸收区(I)相接触，第二热导通电隔离结构(3)支撑于释放阻挡带(2)上。
2.根据权利要求I所述的基于黒硅的高性能MEMS热电对红外探测器，其特征是所述黒硅红外吸收区(I)呈正方形，黒硅红外吸收区(I)的外侧设有四组均匀分布的热电堆。
3.根据权利要求I所述的基于黒硅的高性能MEMS热电对红外探测器，其特征是所述黒硅红外吸收区(I)包括将黒硅材料体(909)利用反应离子刻蚀形成的黒硅结构(1509)及贯通所述黒硅红外吸收区(I)的腐蚀释放通道(9)，所述腐蚀释放通道(9)与热隔离腔体(1403)相连通。
4.根据权利要求I所述的基于黒硅的高性能MEMS热电对红外探测器，其特征是所述热电堆包括P型热偶条(5)及与所述P型热偶条(5)对应配合的N型热偶条(6);所述P型热偶条(5)与N型热偶条(6)位于释放阻挡带(3)上；在热电堆的探测冷端，P型热偶条(5)及N型热偶条(6)均与第一热导通电隔离结构(4)相接触，且P型热偶条(5)通过第二连接线(1111)与邻近热电偶内的N型热偶条(6)电连接；在热电堆的探测热端，所述P型热偶条(5)与N型热偶条(6)均与第二热导通电隔离结构(3)相接触，且通过第一连接线(1109)电连接。
5.根据权利要求3所述的基于黒硅的高性能MEMS热电对红外探测器，其特征是所述黒硅材料体(909)通过LPCVD或PECVD淀积方法制备在释放阻挡带(2)上。
6.根据权利要求I所述的基于黒硅的高性能MEMS热电对红外探测器，其特征是所述第一热导通电隔离结构(4)及第二热导通电隔离结构(3)的材料均包括Si3N4。
7.一种基于黒硅的高性能MEMS热电堆红外探测器的制备方法，其特征是，所述MEMS热电堆红外探测器的制备方法包括如下步骤 (a)、提供衬底(101)，并在所述衬底(101)的表面上设置衬底保护层(102)； (b)、选择性地掩蔽和刻蚀上述衬底保护层(102)，以在衬底(101)上方形成衬底接触窗口(202)，所述衬底接触窗口(202)贯通衬底保护层(102)； (C)、在上述衬底接触窗口(202)上方淀积热传导体(303)，并在所述热传导体(303)上淀积热传导体掩膜层(304)，所述热传导体(303)覆盖于衬底保护层(102)上并填充在衬底接触窗口(202)内； (d)、选择性地掩蔽和刻蚀上述热传导体掩膜层(304)，以在热传导体掩膜层(304)上形成热传导体刻蚀窗口(404)，所述热传导体刻蚀窗口(404)贯通热传导体掩膜层(304)，并在衬底接触窗口(202)的内侧；利用热传导体刻蚀窗口(404)刻蚀热传导体(303)直至衬底保护层(102)，得到热传导体通孔(403)； (e )、在上述热传导体掩膜层(304 )上淀积支撑层(505 )，所述支撑层(505 )填充于热传导体通孔(403)及热传导体刻蚀窗口(404)内，并覆盖于热传导体掩膜层(304)上，以在衬底(101)上方形成释放阻挡带结构(503)及介质支撑膜(504)； (f)、选择性地掩蔽和刻蚀支撑层(505)，以在支撑层(505)内形成热导通电隔离开口(605)，所述热导通电隔离开口(605)贯通支撑层(505)并位于释放阻挡带结构(503)的外侧；在上述支撑层(505)上方淀积热导通电隔离体层(606)，所述热导通电隔离体层(606)填充于热导通隔离开口(605)内，并覆盖于支撑层(505)上； (g)、选择性地掩蔽和刻蚀上述热导通电隔离体层(606)，以在上述支撑层(505)上形成第一热导通电隔离块(705)及第二热导通电隔离块(706)，所述第一热导通电隔离块(705)位于支撑层(505)内，第二热导通电隔离块(706)位于支撑层(505)上； (h)、在上述第一热导通电隔离块(705)及与所述第一热导通电隔离块(705)邻近的第二热导通电隔离块(706)间设置热偶条(811)，所述热偶条(811)包括N型热偶条(6)及P型热偶条(5)，热偶条(811)的探测冷端与第一热导通电隔离块(705)相接触，热偶条(811)的探测热端与第二热导通电隔离块(706)相接触； (i )、在上述热偶条(811)上方设置热偶条保护层(908 )，所述热偶条保护层(908 )覆盖的区域包括热偶条(811)及第一热导通电隔离块(705);并同时在相邻的第二热导通电隔离块(706 )之间淀积黒硅材料体(909 )，所述黒硅材料体(909 )与第二热导通电隔离块(706 )相接触； (j)、选择性地掩蔽和刻蚀上述热偶条保护层(908)，以在衬底(101)上方形成用于连接热偶条(811)所需的电连接通孔(1008)； (k)、在上述已制作电连接通孔(1008)的衬底(101)上溅射金属层，所述金属层填充在上述电连接通孔(1008)内，选择性地掩蔽和刻蚀上述金属层，使得在形成热电堆的探测热端，热电偶内的N型热偶条(6)与P型热偶条(5)通过第一连接线(1109)电连接；在形成热电堆的探测冷端，P型热偶条(5)通过第二连接线(1111)与相邻热电偶内的N型热偶条(6)电连接，且在第一热导通电隔离结构(705)的外侧形成第一电连接体(1110)； (I)、在上述衬底(101)的表面上淀积钝化层(1211)，所述钝化层(1211)覆盖的区域包括黒硅材料体(909 )、第一连接线(1109 )、第二连接线(1111)及第一电连接体(1110); (m)、选择性地掩蔽和刻蚀上述钝化层(1211)，以在黒硅材料体(909)上的钝化层(1211)上形成黒硅刻蚀窗口( 1311)，利用黒硅刻蚀窗口( 1311)对黒硅材料体(909 )进行刻蚀，直至刻蚀到黒硅刻蚀窗口(1311)正下方的热传导体(303)，以形成释放孔(1309)； U)、利用释放阻挡带结构(503)释放黒硅材料体(909)正下方的热传导体(303)，以得到热隔离腔体(1403); (O)、利用钝化层(1211)作为黒硅材料体(909)表面粗糙结构的侧墙材料层，对黒硅材料体(909)采用一次RIE，以形成基于黒硅结构(1509)的黒硅红外吸收区(I )，同时形成第二电连接体(1510)。
8.根据权利要求7所述的基于黒硅的高性能MEMS热电堆红外探测器的制备方法，其特征是所述步骤(m)和步骤(η)中，在释放孔(1309)的内壁上涂覆黒硅遮挡层(1412)。
9.根据权利要求7所述的基于黒硅的高性能MEMS热电堆红外探测器的制备方法，其特征是所述步骤(h)中，所述P型热偶条(5)与N型热偶条(6)位于释放阻挡带结构(503)上；在形成热电堆的探测冷端，P型热偶条(5)及N型热偶条(6)均与第一热导通电隔离块(705)相接触；在形成热电堆的探测热端，所述P型热偶条(5)与N型热偶条(6)均与第二热导通电隔离结构(3)相接触。
10.根据权利要求7所述的基于黒硅的高性能MEMS热电堆红外探测器的制备方法，其特征是所述步骤(k)中，金属层的材料包括Al。
全文摘要
本发明涉及一种基于黒硅的高性能MEMS热电红外探测器及其制备方法，其包括衬底；衬底上设有释放阻挡带，释放阻挡带内具有热隔离腔体，热隔离腔体的正上方设有黒硅红外吸收区，黒硅红外吸收区的外侧设有热电堆，黒硅红外吸收区外侧的热电堆相互串接后电连接成一体，相互串接的热电堆上设有用于将探测结果输出的金属电极；热电堆的探测冷端通过第一热导通电隔离结构与衬底相连，热传导体位于热隔离腔体的外侧；热电堆的探测热端通过第二热导通电隔离结构与黒硅红外吸收区相接触。本发明结构简单易于实现，便于单片集成，响应率及探测率高，与CMOS工艺兼容，适用范围广，安全可靠。
文档编号G01J5/12GK102829880SQ20121030374
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月23日 优先权日2012年8月23日
发明者毛海央, 陈媛婧, 欧文, 明安杰 申请人:江苏物联网研究发展中心
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