专利名称：一种具有高占空比的微机械热电堆红外探测器及制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有高占空比的微机械热电堆微红外探测器及制作方法，属于微电子机械系统及微细加工技术领域。
背景技术：
随着微电子机械系统(MicroElectro Mechanical systems, MEMS)技术的发展， 微机械热电堆红外探测器也得到广泛应用。和传统的红外探测器相比，微机械热电堆红外探测器具有无需致冷，功耗低，集成度高，适合批量制造等优点，微机械热电堆红外探测器现已广泛应用于国防和民用领域。图1给出了传统微机械热电堆红外传感器的结构原理图和截面示意图。整个探测器包括(硅)基体，热电堆，悬浮支撑薄膜，红外吸收区，腐蚀开口等五部分。由于红外吸收区和热电堆的热结区都位于悬浮支撑薄膜上，和硅基体实现了良好的热隔离，当红外辐射信号被红外吸收区吸收，红外吸收区和热电堆热结区的温度就会上升；而热电堆冷结区由于位于硅基体上，其温度保持为环境温度；由于热电堆的塞贝克效应，热结区和冷结区的温度差被转换成电压信号输出，通过检测输出电压就可以检测红外辐射。从图1可看出，由于需要采用较长的热电偶来获得较大的热阻以提高探测器性能，而且热电堆中的热电偶一般采用长条形结构，传统微机械热电堆红外探测器的占空比一般比较低，这就使得微机械热电堆红外探测器的面积一般都比较大。从而限制了微机械热电堆红外探测器的集成度，提高了微机械热电堆红外探测器的成本，降低了微机械热电堆红外探测器的性价比。为提高微机械热电堆红外探测器的占空比，Chen et al等人提出将热电偶两侧空白区域用作红外吸收区(S J Chen and C H Shen，A new high-filling-factor CMOS-compatible thermopile. IEEE Transactions on instrumentation and measurement, 2007. 56(4) :pp. 1231-1238.)。然而，由于红外吸收区并未处于热电堆探测器的正中间位置，其吸收的红外热量不能很好的传导到热结区，也就不能有效的提高探测器的性能。此外，为提高微机械热电堆红外探测器的占空比，Xu et al等人提出一种圆形结构热电堆。由于圆形结构热电堆是发散形分布，热电偶的分布可以覆盖整个芯片面积。然而， 圆形结构热电堆红外探测器中间吸收区的面积较小，使得探测器热电偶的对数无法得到有效提高。此外，圆形结构中扇形热电偶结构也进一步增加了探测器的热导，从而减小了探测器的红外响应电压。本申请的发明人拟从另一角度出发，提供一种具有高占空比的微机械热电堆红外探测器。
发明内容
针对已有的微机械热电堆红外探测器存在的问题，本发明提出了一种具有高占空比的微机械热电堆红外探测器及制作方法，目的在于降低微机械热电堆红外探测器的单元面积，提高器件的集成度，从而进一步提高探测器的性价比。
本发明提出的微机械热电堆红外探测器如图2所示。和传统微机械热电堆红外探测器相比，本发明中的热电偶采用了 “L”形折叠结构设计。由于“L”形折叠结构使得热电偶可以覆盖整个芯片面积，微机械热电堆结构的占空比得到大幅提高。此外，“L”形折叠结构使得热电偶的长度保持不变，从而在实现相同性能的情况下，传感器的芯片面积可以得到大幅减小。本领域的技术人员将不难理解，热电堆结构面积的减小将提高制造成品率并降低制作成本。图3给出了传统热电堆红外探测器的版图设计，将吸收区的边长标记为La，将热电偶的臂长标记为Ltp，则整个热电堆传感器的芯片面积为(La+2XLtp)2,传感器的占空比为 Z 2 +4χΧ χZ
Γ . t /。图4给出了本发明提出的热电堆红外探测器的版图设计，为实现相同的红 (La^Ltp)
外性能，热电堆红外探测器也采用传统热电堆红外探测器相同的结构设计参数，即吸收区的边长也为La，“L”形热电偶臂总长也为Ltp。由于热电堆结构采用了“L”形结构设计，摈弃了传统热电堆红外探测器笔直热电偶结构设计，热电偶臂可以进行弯曲布置，折叠热电偶
的两部分结构保持相互垂直。如果热电偶臂在￥处进行对半弯曲，则热电偶臂在版图上的
2
La2+2xL xLa
长度仅为i整个热电堆传感器芯片面积为(La+Ltp)2，传感器的占空比为rV~。
2，\Lo+Ltp)
由于热电偶结构进行了折叠处理，热电偶的分布基本覆盖了整个芯片面积，从而提高了探测器的有效占空比。对于一个吸收区边长为0. 4mm，热电偶臂长为0. 6mm的微机械热电堆红外传感器，采用传统方法设计，热电堆传感器的芯片面积将为2. 56mm2，传感器的占空比为 43%。而采用本发明提出的方法设计，并且将热电偶臂进行等长对折处理，则热电堆传感器的芯片面积将仅为1mm2，传感器的占空比可以提高为64%。此外，通过旋转热电堆结构(图 5)，通过将设计的热电堆结构旋转口角，则还可进一步提高热电堆传感器的占空比，可以将传感器的占空比提高为100 %，进一步减小探测器面积。本发明提出的微机械热电堆红外探测器是基于MEMS技术和CMOS技术加工的。具体工艺步骤包括1)热氧化硅生长。在抛光的硅片上热生长氧化硅，再用LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor D印osition，低压化学气相沉积)沉积一层多晶硅。2)形成多晶硅条。对多晶硅薄膜进行掺杂使其导电。光刻图形，腐蚀形成多晶硅条，热电偶区域的多晶硅作为热偶的一种组分，吸收区处的多晶硅则作为微型加热器的组成部分。3)光亥Ij 弓丨线孔。用 LPCVD 或 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)淀积一层氧化硅作为绝缘层，光刻引线孔图形。4)形成金属布线和热偶。蒸发仪或溅射仪沉积金属，光刻金属线条，腐蚀金属，形成热偶对结构。5)复合介质膜的形成。首先用PECVD沉积一层氮化硅，再用PECVD沉积一层氧化硅，和(1)中的氧化硅及(3)中的氧化硅形成复合介质膜。6)光刻腐蚀开口，然后将腐蚀开口处的氧化硅和氮化硅完全刻蚀，形成热电堆结构释放的通道。7)释放热电堆结构。硅腐蚀气体或液体经由(6)中形成的腐蚀开口刻蚀硅衬底形成一凹腔结构，形成悬浮的吸收层，释放热电堆微结构。也可将步骤6删除而从背面将硅衬底全部辐射而将热电堆结构进行释放后在热电堆红外吸收区沉积黑体材料(详见实施例)。综上所述，本发明提供了一种一种高占空比非致冷热电堆红外探测器的结构及制作方法，其特征在于在采用了 L形折叠型热电偶臂设计，摈弃了传统热电堆结构笔直结构设计，将热电偶臂进行了折叠处理，折叠部分的热电偶臂相互垂直。热电堆结构冷结区固定在硅基体(13)上，热电堆结构热结区端OO)固定在红外吸收区(15)上，热电堆结构下方的硅衬底(16)通过硅腐蚀技术去除，而热电堆传感器的热电偶臂(14和12)则通过折叠的方式分布在吸收区四周。本发明微机械热电堆结构可广泛应用于红外探测器、气体传感器和真空传感器等微机电传感器。
图1是传统微机械热电堆红外探测器结构示意图。图1-1 热电堆结构示意图，图 1-2:探测器截面图。图2是本发明提出的热电堆红外探测器结构示意图。图3是传统微机械热电堆热电偶设计示意图。图4是本发明提出的微机械热电堆热电偶结构设计示意图。图5是本发明提出的微机械热电堆结构旋转设计示意图。图6是实施例1中的多晶硅热电偶臂的结构示意图。图7是本发明所提出的热电堆红外探测器的工艺流程。图7-1 沉积氧化硅，开引线孔；图7-2 沉积金属薄膜，并进行光刻和腐蚀；图7-3 沉积氧化硅和氮化硅；图7-4 开释放孔；图7-5 释放热电堆结构；图8是实施例2中的热电堆红外探测器的结构示意图。图9是实施例3中的热电堆红外探测器的结构示意图。图10是实施例4中的热电堆红外探测器的结构示意图。图中各数字代表的含义为11金属布线；12热电偶层1 ； 13硅基体；14热电偶臂2 ； 15红外吸收区；16热电堆结构释放通道；17氧化硅；18氮化硅；19红外吸收黑体材料；20热电堆结构热结区端；21 冷结区；
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述，以进一步阐述本发明的实质性特点和显著的进步。实施例1
热电偶材料选用多晶硅和铝，加热器的材料选用多晶硅。(1)在抛光的硅片(1 的正面热生长氧化硅，再在氧化硅膜上用LPCVD沉积一层多晶硅(15)。(2)对多晶硅薄膜进行掺杂使其导电。光刻图形，腐蚀形成多晶硅条，热电偶区域的多晶硅(15)作为热电偶的一种组分，其多晶硅热电偶臂的结构如图6所示，热电偶臂进行了折叠处理。(3)用LPCVD或PECVD淀积一层氧化硅(18)作为绝缘层。光刻引线孔图形，将引线孔区域的氧化硅去除。见图7-1。(4)通过蒸发仪或溅射仪沉积一层金属薄膜铝。光刻金属线条，腐蚀金属，部分金属线条(11)和步骤O)中的多晶硅线条形成热电偶对结构，另外一部分金属线条(11)作为金属布线实现探测器的电学连接。见图7-2。(5)用PECVD沉积一层氮化硅(19)，然后再用PECVD沉积一层氧化硅(18)，和步骤 (1)中的氧化硅及步骤(3)中的形成复合介质膜。见图7-3。(6)光刻腐蚀开口，然后将腐蚀开口处的氧化硅和氮化硅完全刻蚀，形成热电堆结构释放的通道(16)。见图7-4。(7)释放热电堆结构。硅腐蚀气体或液体经由步骤(6)中形成的腐蚀开口(16) 刻蚀硅衬底形成一凹腔结构，形成悬浮的薄膜结构，释放热电堆微结构和微型加热器。见图 7-5。实施例2其具体实施步骤部分与实施例1相同，主要区别在于第一，将实施例1步骤(6) 中的热电堆结构释放的通道工艺去除。第二，从背面将硅衬底全部辐射从而将热电堆结构进行释放，第三，在热电堆吸收区沉积一层用于增强红外吸收的黑体材料。器件几何构型如图8所示。实施例3其具体实施步骤部分与实施例1相同，主要区别在于将热电偶结构的折叠由两次折叠改为三次等长折叠，从而进一步提高占空比。热电堆器件版图结构如图9所示。实施例4其具体实施步骤部分与实施例1相同，主要区别在于将热电偶结构的折叠由对等折叠改为在热电偶臂2/3长度处折叠。热电堆器件版图结构如图10所示。
权利要求
1.一种具有高占空比的微机械热电堆红外探测器，其特征在于在采用了 L形折叠型热电偶臂设计，将热电偶臂进行了折叠处理，热电堆结构冷结区固定在硅基体上，热电堆结构热结区端固定在红外吸收区上，热电堆结构下方的硅衬底通过硅腐蚀技术去除，而热电堆传感器的热电偶臂则通过折叠的方式分布在吸收区四周。
2.按权利要求1所述的探测器，其特征在于L形折叠型的热电偶臂相互垂直。
3.按权利要求1或2所述的探测器，其特征在于所述的L形折叠型热电偶臂为等长对折、三次等长折叠或2/3长度处折叠。
4.按权利要求1或2所述的探测器，其特征在于L形折叠结构的热电偶臂的长度保持不变。
5.按权利要求3所述的探测器，其特征在于L形折叠结构的热电偶臂的长度保持不变。
6.按权利要求3所述的探测器，其特征在于L形等长对折时，占空比提高到64%;所述的热电偶臂结构可进行旋转分布，以进一步提高传感器占空比达100%。
7.制作如权利要求1或2所述的探测器的方法，其特征在于基于MEMS技术和CMOS技术加工的，分别以以下两种方法制作方法1制作步骤是(1)在抛光的硅片的正面热生长氧化硅，再在氧化硅膜上用LPCVD沉积一层多晶硅；(2)对多晶硅薄膜进行掺杂使其导电。光刻图形，腐蚀形成多晶硅条，热电偶区域的多晶硅作为热电偶的一种组分，其多晶硅热电偶臂折叠处理；(3)用LPCVD或PECVD方法淀积一层氧化硅作为绝缘层；光刻引线孔图形，将引线孔区域的氧化硅去除；(4)通过蒸发仪或溅射仪沉积一层金属薄膜铝。光刻金属线条，腐蚀金属，部分金属线条和步骤中的多晶硅线条形成热电偶对结构，另外一部分金属线条作为金属布线实现探测器的电学连接；(5)用PECVD方法沉积一层氮化硅，然后再用PECVD沉积一层氧化硅，和步骤中的氧化硅及步骤中的形成复合介质膜；(6)光刻腐蚀开口，然后将腐蚀开口处的氧化硅和氮化硅完全刻蚀，形成热电堆结构释放的通道；(7)释放热电堆结构硅腐蚀气体或液体经由步骤中形成的腐蚀开口刻蚀硅衬底形成一凹腔结构，形成悬浮的薄膜结构，释放热电堆微结构和微型加热器；方法2制作步骤是(1)在抛光的硅片的正面热生长氧化硅，再在氧化硅膜上用LPCVD沉积一层多晶硅；(2)对多晶硅薄膜进行掺杂使其导电。光刻图形，腐蚀形成多晶硅条，热电偶区域的多晶硅作为热电偶的一种组分，其多晶硅热电偶臂折叠处理；(3)用LPCVD或PECVD方法淀积一层氧化硅作为绝缘层；光刻引线孔图形，将引线孔区域的氧化硅去除；(4)通过蒸发仪或溅射仪沉积一层金属薄膜铝。光刻金属线条，腐蚀金属，部分金属线条和步骤中的多晶硅线条形成热电偶对结构，另外一部分金属线条作为金属布线实现探测器的电学连接；(5)用PECVD方法沉积一层氮化硅，然后再用PECVD沉积一层氧化硅，和步骤中的氧化硅及步骤中的形成复合介质膜；(6)从背面将硅衬底全部辐射从而将热电堆结构进行释放；(7)在热电堆吸收区沉积一层用于增强红外吸收的黑体材料。
全文摘要
本发明涉及一种高占空比非致冷热电堆红外探测器的结构及制作方法，其特征在于在采用了L形折叠型热电偶臂设计，摒弃了传统热电堆结构笔直的结构设计，将热电偶臂进行了折叠处理，折叠部分的热电偶臂相互垂直。热电堆结构冷结区(21)固定在硅基体(13)上，热电堆结构热结区端(20)固定在红外吸收区(15)上，热电堆结构下方的硅衬底(16)通过硅腐蚀技术去除，而热电堆传感器的热电偶臂(14和12)则通过折叠的方式分布在吸收区四周。本发明微机械热电堆结构可广泛应用于红外探测器、气体传感器和真空传感器等微机电传感器。
文档编号G01J5/12GK102322961SQ20111021398
公开日2012年1月18日 申请日期2011年7月27日 优先权日2011年7月27日
发明者徐德辉, 熊斌, 王跃林, 马颖蕾 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所