专利名称：一种非制冷红外探测器隔热衬底制作方法
技术领域：
本发明提供一种非制冷红外探测器隔热衬底的制作方法，属于微机电系统领域。
背景技术：
红外传感器分为两类，一种是光子型传感器，主要利用窄禁带半导体的带间吸收所引起的光伏效应来感应红外辐射，由于室温下的热扰动已经足以激发带间跃迁，所以需要使用液氮冷却。另一类是非制冷传感器，主要利用红外辐射引起的温度的变化，通过探测温度的微小变化，来探测目标物体。如热堆以及许多热释电类的探测器。这一类传感器不需要液氮冷却，故称为非制冷传感器。
制作非制冷红外传感器的关键是使吸收体隔热，以便吸收体所吸收的红外线所引起温升足以被探测。长期以来，这种隔热处理主要是利用悬桥，例如采用氮化硅桥等来实现的，这种悬桥结构可以采用背面挖孔或表面微机械的方法制作。然而，由于是悬空结构，这种悬桥结构的传感器在受到撞击或震动的情况下容易发生断裂或产生干扰。另外，制作悬桥结构占据了很大一部分空间，使得这一类探测器的探测单元的尺寸较难减小，焦平面阵列的分辨率的提高比较困难。为此，已经有报道利用在玻璃等隔热衬底制作完全隔离的硅岛来制作红外探测器。然而，由于玻璃所能承受的温度低于600℃，这为后续工艺如扩散及退火工艺的制作带来了困难，因此只适用于部分传感器的制作。另外，采用氮化硅桥工艺也限制了每个单元传感器的尺寸，达到50×50微米2已经很难。
多孔硅由于其能够发射可见光已经被研究多年，另外，由于其良好的氧化特性和介电损耗低等特点，被认为是制作无源器件的理想衬底之一。另外，多孔结构的二氧化硅也是良好的隔热材料。有关利用多孔硅的低的热导率制作隔热装置已有一些报道。然而，直接在多孔硅上制作红外探测材料如热释电薄膜时发现，由于表面的多孔结构导致了薄膜材料的质量变差。从而抵消了多孔硅的隔热所带来的好处。
显然，若能够在多孔硅与红外材料之间插入一种中间过渡层，来改善由于多孔硅造成的表面不平将可以大幅度提高红外材料的晶体质量，从而提高器件的性能。
另外，从正面辐射到敏感单元上的红外，有很大一部分可能会以辐射的形式从背面流出。在太阳能电池中，通过在p-i-n结构的下层淀积反射膜来提高效率，因此，能否在多孔硅中通过微结构的改变使之能够阻止所要探测的波段的红外线呢？利用多孔硅的折射率随孔度变化的特点，人们已经制作出对1.5微米红外线实现全反射的光子晶体，显然，如果改变不同孔度多孔硅的的厚度，就可能设计制作出在远红外波段起全反射作用的光子晶体，这样，就有可能阻止特定波段红外线从衬底的辐射，进而提高探测效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操作简便的非制冷红外探测器隔热衬底的制作方法，解决由于多孔硅表面不平而造成热释电薄膜质量变差，从而降低器件性能的问题。
为实现本发明的目的，本发明所提供的非制冷红外探测器隔热衬底的制作方法，包括以下步骤第一步，采用阳极氧化法制作多孔硅。
利用多孔硅的生长主要依赖空穴这一特点，从硅衬底背面光照激发空穴，可以实现在这一类衬底上生长出厚多孔硅。阳极氧化法的具体实现方法在文献Porous SiliconA Review of the Technology andPotential Markets for an Emerging Material，Technical Insights 2000有详细介绍。本发明优选利用低阻硅，即电阻率为0.01Ω·cm左右n-型或p-型硅，多孔硅阳极氧化电流密度在10～80mA/cm2之间，这样制作的多孔硅孔结构更细更均匀。
如需要利用硅衬底直接制作一些晶体管，则需要选择中阻硅即电阻率在1～10Ω·cm。对于这一类硅片，采用一般的阳极氧化方法往往得到的多孔硅的厚度很浅，只有3～5微米。利用本发明所述的制作方法，利用多孔硅的生长主要依赖空穴这一特点，从硅衬底背面光照激发空穴，可以实现在这一类衬底上生长出厚多孔硅。
为了提高红外探测器的探测效率，利用不同电流密度阳极氧化形成的孔度不同，根据折射率不同，可以利用转移矩阵进行计算，将光子晶体的带隙设计在探测波段(如人体特征波段8～12微米)。工艺上一般选择p-(100)硅片，电阻率0.01～0.02Ω·cm高孔度腐蚀电流密度为60～80mA/cm2，而低孔度为10～30mA/cm2.另外，由于在氮化硅薄膜淀积之前必须进行适当的氧化，因此在光子带隙的设计时必须计及氧化后的情况，为了获得较宽的禁带宽度，使不同孔度的折射率有较大差异是必要的，一般要求高孔度层完全氧化，而低孔度的氧化速度相对比较慢，因此处于不完全氧化状态，以获得较大的平均有效折射率。适当控制氧化时间是本工艺成败的关键。为了提高隔热效果，本发明还提出需要对多孔硅进行一定的氧化处理。氧化一般选择400～900℃之间，采用干氧工艺，温度5分钟至120分钟。
第二步，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法或溶胶-凝胶法在多孔硅上淀积一层过渡层氮化硅薄膜，制作成非制冷红外探测器隔热衬底。
在多孔硅上淀积一层过渡层薄膜，作为红外或温度探测器，因氮化硅薄膜能够吸收8-14微米波段的红外线，因此可以在多孔硅上淀积氮化硅薄膜，采用等离子体增强化学气相沉积方法对本领域研究人员而言为普通工艺，采用反应气体为硅烷和氨气，另外还有稀释气体氮气，衬底温度为280℃～450℃，一般采用功率约500W的13.3MHz的等离子激发。气体的压强和流量还取决于仪器本身。一些参考参数可以在许多公开出版的半导体工艺中找到。氮化硅的厚度取决于淀积的时间，一般为1微米左右为宜。
这样，本发明所述的非制冷红外探测器隔热衬底就制作完成，尔后的器件制作就在这一层氮化硅薄膜上进行。
本发明的显著效果在于，采用多孔硅作为隔热层，工艺简单，并且已经被证明是完全有效的。这种工艺省去了传统的制作悬桥所需要的复杂工艺，节省了工艺成本，并且也省去了因制作悬桥等而被占用的大量空间，提高了集成度，有利于焦平面阵列的制作，也提高了焦平面探测器的分辨率。同时成品率和可靠性都大幅提高。
本发明的显著效果在于，在多孔硅与红外材料之间插入了一种中间过渡层，改善了由于多孔硅造成的表面不平将可以大幅度提高红外材料的晶体质量，从而提高器件的性能。这种中间层可以是本发明所建议的Si3N4，也可以是采用PECVD或溶胶-凝胶法淀积的其他材料。
本发明的显著效果还在于，可以将底层多孔硅制作成周期性多层结构(相当于制作成一维光子晶体)，能够有效抑制红外线透过衬底向外辐射，提高有效红外线的收集效率，进而提高探测效率。
具体实施例实施例1铁电红外探测器硅衬底采用p(100)，电阻率为0.01～0.02Ω·cm，在20％的HF酒精混合液中(40％HF与无水乙醇体积比1∶1)室温下进行阳极氧化，电流50mA/cm2，(范围在10～80mA/cm2)5分钟。在600℃氧化30分钟。
衬底也可以利用多孔硅的多层膜工艺，采用60-80mA/cm2和10-30mA/cm2交替阳极氧化，两种厚度分别为2微米和1.2微米(阳极氧化的速率与温度关系比较，本实施例采用了低温-22℃条件，每一层时间分别为45sec和105sec)，交替10个周期，600℃氧化120分钟。
在常规的等离子体化学气相沉积设备中，衬底温度为280℃，在NH3，SiH4气氛中，在等离子体激发下发生反应形成Si3N4.沉积厚度为1微米。
在上述制作的衬底上，首先溅射或蒸发一层Pt/Ti，典型厚度80nm/20nm，然后再采用溶胶-凝胶法，溅射法或脉冲激光沉积等方法淀积一定厚度的热释电薄膜，相关厚度以及随后的器件制作要求可以按文献报道要求进行。
实施例2红外热电偶型探测器硅衬底采用p(100)，电阻率为0.01～0.02Ω·cm，在20％的HF酒精混合液中(40％HF与无水乙醇体积比1∶1)室温下进行阳极氧化，电流50mA/cm2，在400℃氧化30分钟。
在常规的溶胶-凝胶设备中，衬底温度为280℃，在NH3，SiH4，气氛中在等离子体激发下发生反应形成Si3N4.沉积厚度为1微米。
在制作的这种特殊衬底上，制作热电偶，采用淀积两种具有不同功函数的材料办法，例如多晶硅和铝，通过设计规划出测温单元和冷阱，从而制作出冷端和热端，这样就可以制作出以红外热电偶为敏感单元的红外探测器，本制作过程与热堆型红外探测器类似。
权利要求
1.一种非制冷红外探测器隔热衬底的制作方法，其特征在于包括以下步骤第一步，采用阳极氧化法制作多孔硅第二步，采用等离子体增强化学气相沉积方法或溶胶-凝胶法在多孔硅上淀积一层过渡层氮化硅薄膜，制作成非制冷红外温度传感器隔热衬底。
2.如权利要求1所述的非制冷红外温度传感器隔热衬底的制作方法，其特征在于第一步中采用的硅衬底为n-型或p-型低阻硅。
3.如权利要求1所述的非制冷红外温度传感器隔热衬底的制作方法，其特征在于第一步采用阳极氧化法制作多孔硅多层膜，并对多孔硅进行氧化，选择p-(100)硅片，电阻率0.01～0.02Ω·cm高孔度腐蚀电流密度为60～80mA/cm2，而低孔度腐蚀电流密度为10～30mA/cm2，氧化选择400℃～900℃之间干氧，时间5分钟至120分钟，获得对特定红外波段全反射的多孔硅多层膜。
全文摘要
本发明涉及一种非制冷红外探测器隔热衬底制作方法，属于微机电系统领域。采用阳极氧化法制作多孔硅，然后在多孔硅上淀积一层过渡层氮化硅薄膜，制作成非制冷红外探测器隔热衬底，尔后的器件制作就在这一层氮化硅薄膜上进行。由于在多孔硅与红外材料之间插入了一种中间过渡层，改善了由于多孔硅造成的表面不平将可以大幅度提高红外材料的晶体质量，从而提高器件的性能。
文档编号G01J5/20GK1799987SQ20051011041
公开日2006年7月12日 申请日期2005年11月16日 优先权日2005年11月16日
发明者王连卫, 钱敏, 徐少辉, 王哲津 申请人:华东师范大学