热电堆及其制作方法与流程

本发明涉及一种红外探测器技术领域，尤其涉及一种热电堆及其制作方法。

背景技术：

目前红外探测器广泛应用于民用和军用领域，而热电堆红外探测器是众多类型红外探测器中最早发展的一种。由于其具有可以常温下工作、响应波段宽、制作成本低廉等优势，因此发展极为迅速，应用非常广泛。在热电堆红外探测器的工艺制备中，将其制造工艺与集成电路工艺相兼容是使其形成大规模探测阵列，提高探测响应率，并降低工艺制作成本的主要办法。

在与集成电路相兼容的工艺中，背腔的大面积硅释放是至关重要的一部分，该技术通过湿法或者干法的方式将衬底硅完全释放形成空腔，并保持剩余支撑介质膜层的完整性。通过大面积硅释放工艺，硅衬底空腔部分对应的膜层结构形成了热电偶的热结区，剩余的支撑结构构成了热电偶的冷结区。对于体硅的释放工艺，相较而言湿法方式比干法方式成本更加低廉，适宜大规模批量生产，然而用于释放的湿法腐蚀剂四甲基氢氧化铵(tmah)或者氢氧化钾(koh)液都对正面结构中的电极材料(比如金属a1)具有很强的腐蚀性，因此如何在背腔释放时保护正面结构从而提高成品率是一个关键的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种热电堆及其制作方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

作为本发明的一个方面，提供一种热电堆的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底正面形成热电堆结构；

步骤2：在热电堆结构上形成正面保护膜；

步骤3：在衬底背面形成掩膜层；

步骤4：采用干法刻蚀，在掩膜层上形成定位刻蚀窗口；

步骤5：采用湿法腐蚀，对定位刻蚀窗口区域的衬底进行刻蚀释放，形成完全释放的背腔；

步骤6：采用气态氢氟酸去除所述正面保护膜，得到保持完整的热电堆结构，完成热电堆的制备。

作为本发明的另一个方面，还提供一种采用如上述的制作方法制备得到的热电堆，包括：

衬底，所述衬底包括正面和背面；

热电堆结构，形成于衬底正面；

背腔，由衬底背面完全释放形成；

其中，所述热电堆结构保持完整。

基于上述技术方案，本发明相比于现有技术至少具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：

本发明采用湿法腐蚀技术对衬底进行刻蚀释放，形成完全释放的背腔；在刻蚀释放之前在红外吸收层上生长一层正面保护膜保护热电堆结构；背腔形成后再采用气态氢氟酸技术去除正面保护膜；本发明通过先生长正面保护膜，制备完成背腔后再去除的方式，在具有高选择性释放刻蚀的基础上，保证了热电堆结构的完整性；

采用本发明的制作方法，成本低廉，适宜大规模批量生产。

附图说明

图1是本发明实施例热电堆的制作方法的流程示意图；

图2是本发明实施例热电堆的俯视示意图；

图3是图2的x-x’的截面示意图；

图4是本发明实施例子步骤11的示意图；

图5是本发明实施例子步骤12的示意图；

图6是本发明实施例子步骤14的示意图；

图7是本发明实施例子步骤15的示意图；

图8是本发明实施例子步骤16的示意图；

图9是本发明实施例步骤2的示意图；

图10是本发明实施例步骤4的示意图；

图11是本发明实施例步骤5的示意图；

图12是本发明实施例步骤6的示意图。

以上附图中，附图标记含义如下：

1、衬底；2、支撑层；21、第一氧化硅层；22、氮化硅层；23、第二氧化硅层；3、多晶硅热偶；31、冷端；32、热端；4、氧化硅膜；41、电极接触孔；51、电极输出端；52、连接线；53、电极连接端；6、红外吸收层；7、背腔；8、正面保护膜；9、掩膜层；91、定位刻蚀窗口。

具体实施方式

本发明提出了一种工艺简单，与cmos(complementarymetaloxidesemiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺相兼容且适宜批量生产的保护热电堆结构的技术。本发明采用常规衬底，通过淀积正面保护膜工艺来保护正面的热电堆结构，进一步在完成背腔湿法腐蚀工艺后采用气态氢氟酸(vhf)技术去除正面保护膜，制作出热电堆。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

作为本发明的一个方面，提供一种热电堆的制作方法，如图1、图4至图12所示，包括如下步骤：

步骤1：在衬底1正面形成热电堆结构；

步骤2：在热电堆结构上形成正面保护膜8；

步骤3：在衬底1背面形成掩膜层9；

步骤4：采用干法刻蚀，在掩膜层9上形成定位刻蚀窗口91；

步骤5：采用湿法腐蚀，对定位刻蚀窗口91区域的衬底1进行刻蚀释放，形成完全释放的背腔7；

步骤6：采用气态氢氟酸去除正面保护膜8，得到保持完整的热电堆结构，完成热电堆的制备。

在本发明的实施例中，热电堆结构由下到上依次包括支撑层2、多晶硅热偶3、氧化硅膜4、电极和红外吸收层6；其中，热电堆结构的形成包括如下子步骤：

子步骤11：在衬底1正面形成支撑层2；

在本发明的实施例中，子步骤11中，如图4所示，支撑层2由衬底1正面向上依次包括第一氧化硅层21、氮化硅层22和第二氧化硅层23；

支撑层2的淀积形成方法包括低压化学气相沉积法(lpcvd)、快速热化学气相沉积法(rtcvd)或者等离子增强化学气相沉积法(pecvd)；

在本发明的实施例中，支撑层2主要起到支撑作用以及作为刻蚀时的停止层；

第一氧化硅层21的厚度可以但并不局限于为只要第一氧化硅层21的厚度大于背腔7刻蚀释放的损失厚度即可。

第二氧化硅层23的厚度可以但并不局限于为其中，第二氧化硅层23作用是下述多晶硅热偶3刻蚀制备的停止层。

子步骤12：如图5所示，在支撑层2上形成多晶硅热偶3；

在本发明的实施例中，子步骤12中，多晶硅热偶3的制备包括如下子步骤：

如图4所示，子步骤121：在支撑层2上淀积多晶硅层；

其中，子步骤121中，多晶硅层的淀积形成方法包括低压化学气相沉积法、快速热化学气相沉积法或者等离子增强化学气相沉积法。

子步骤122：利用光刻工艺形成图形化的光刻胶；

子步骤123：以图形化的光刻胶为掩膜，对多晶硅层进行刻蚀；

子步骤124：去除光刻胶，形成多晶硅热偶3；

其中，多晶硅热偶3包括一个或者多个；

在本发明实施例中，如图2和图5所示，多晶硅热偶3包括两个，每个多晶硅热偶为p型，但并不局限于此，还可以为n型或者p/n型对；

其中，如图2所示，多晶硅热偶3为矩形，但并不局限于此，还可以为圆形。

子步骤13：在支撑层2的裸露区和多晶硅热偶3上形成氧化硅膜4；

在本发明的实施例中，子步骤13中，氧化硅膜4的形成方法包括低压化学气相沉积法、快速热化学气相沉积法或者等离子增强化学气相沉积法。

其中，氧化硅膜4起绝缘作用。

子步骤14：如图6所示，在氧化硅膜4上形成电极接触孔41，电极接触孔41延伸至多晶硅热偶3表面；

在本发明的实施例中，如图6所示，子步骤14中，电极接触孔41的制备包括如下子步骤：

子步骤141：利用光刻工艺形成图形化的光刻胶；

子步骤142：以图形化的光刻胶为掩膜，对氧化硅膜4进行刻蚀，使多晶硅热偶3表面裸露；

子步骤143：去除光刻胶，在氧化硅膜4上形成电极接触孔41。

如图7所示，子步骤15：在具有电极接触孔41的氧化硅膜4上形成金属电极；

在本发明的实施例中，子步骤15中，电极的制备包括如下子步骤：

子步骤151：在电极接触孔41和氧化硅膜4上淀积形成金属铝层；

子步骤152：利用光刻工艺，在金属铝层上形成图形化的光刻胶；

子步骤153：以图形化的光刻胶为掩膜，对金属铝层进行刻蚀；

子步骤154：去除光刻胶，形成电极。

如图8所示，子步骤16：在具有电极的氧化硅膜4上形成红外吸收层6；其中，红外吸收层6裸露电极的引出端区域。

子步骤16中，红外吸收层6的淀积形成方法包括低压化学气相沉积法、快速热化学气相沉积法或者等离子增强化学气相沉积法；

其中，红外吸收层6的材质包括氮化硅；

其中，将电极的引出端区域裸露的具体步骤包括：利用光刻工艺形成图形化的光刻胶，以图形化的光刻胶为掩膜，对红外吸收层6进行刻蚀，使电极的引出端区域裸露，去除光刻胶。

如图9所示，步骤2中，正面保护膜8的淀积形成方法包括低压化学气相沉积法、快速热化学气相沉积法或者等离子增强化学气相沉积法；

其中，正面保护膜8的材质包括氧化硅；

其中，正面保护膜8的厚度包括

在本发明的实施例中，正面保护膜8的厚度越厚，其在湿法腐蚀释放背腔7时，保护效果越好；但是，采用气态氢氟酸去除时，难度越高。基于此，适宜厚度为

在本发明的实施例中，步骤3中，掩膜层9的淀积形成方法包括低压化学气相沉积法、快速热化学气相沉积法或者等离子增强化学气相沉积法。

其中，在本发明实施例中，掩膜层9为氧化硅。

如图10所示，在本发明的实施例中，步骤4中，定位刻蚀窗口91的制备包括如下子步骤：

子步骤41：利用光刻工艺，在掩膜层9上形成图形化的光刻胶；

子步骤42：以图形化的光刻胶为掩膜，干法刻蚀掩膜层9至衬底1的背面；

子步骤43：去除光刻胶，形成定位刻蚀窗口91。

在本发明的实施例中，步骤5中，湿法腐蚀的腐蚀液包括四甲基氢氧化铵或者氢氧化钾；

其中，在本发明实施例中，衬底1为单晶硅，但是并不局限于此，还可以为锗硅(sige)或者锗(ge)片。

如图12所示，在本发明的实施例中，步骤6中，针对气态氢氟酸刻蚀，正面保护膜8与红外吸收层6的选择比以及正面保护膜8与电极的选择比均大于100。

在本发明实施例中，因为本发明采用气态氢氟酸刻蚀，其对正面保护膜4的选择性远远大于红外吸收层6和电极的选择性，因此去除过程中，不会损坏热电堆结构中的多晶硅热偶3、电极和红外吸收层6，而且反应是气态化学反应，也不会对结构和膜层造成任何破坏。

作为本发明的另一个方面，如图2和图3所示，提供一种采用如上述的制作方法制备得到的热电堆，包括：

衬底1，衬底1包括正面和背面；

热电堆结构，形成于衬底1正面；

背腔7，由衬底1背面完全释放形成；

其中，热电堆结构保持完整。

其中，如图2和图3所示，在多晶硅热偶3上分别定义热端32和冷端31，且热端32对应背腔7位置。冷端31位于非释放的衬底1区域，部分热量很快被释放，而正对背腔7位置的则相对较热，作为热端32。

更为具体的，如图2和图3所示，电极包括两个电极输出端51(即上述的电极的引出端)、连接线52和电极连接端53，其中电极连接端53形成于电极接触孔41位置；通过电极连接端53和连接线52使多个多晶硅热偶3形成串联，最后由电极输出端51得到温差电动势。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。