专利名称：高性能mems热电堆红外探测器结构及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种红外探测器结构及其制备方法，尤其是一种高性能MEMS热电堆红外探测器结构及其制备方法，具体地说是一种基于纳米纤维体的高性能热电堆红外探测器结构及其制备方法，属于MEMS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 ((Micro-Electro-Mechanical Systems))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。对于一定尺寸的器件结构，增大吸收区面积占总体面积的比例，同时增加热电偶的对数，有利于提高器件的响应率与探测率。此外，对于结构、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。氮化硅薄膜在红外传感器的研究中常用作红外吸收区的材料，然而在常用红外波长范围内其吸收效率不高，进而，基于氮化硅红外吸收层的红外传感器无法获得很高的响应率和探测率。鉴于此，要提高探测器的性能指标，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，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，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。大面积的纳米柱森林结构所形成的黑硅亦被用于红外吸收区，但在对器件结构进行释放时需要对黑硅进行特殊保护，以免黑硅结构被破坏，这就在一定程度上增加了器件制备方法的复杂程度。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种高性能MEMS热电堆红外探测器结构及其制备方法，其纳米纤维体的制备过程便捷，MEMS热电堆红外探测器的结构简单易于实现，便于单片集成，同时器件的响应率、探测率高，又能与CMOS工艺相兼容，适用范围广，安全可靠。按照本发明提供的技术方案，所述高性能MEMS热电堆红外探测器结构，包括衬底；所述衬底的上表面设置介质支撑膜，所述介质支撑膜与衬底内的释放阻挡体共同形成释放阻挡带，衬底内的上部通过释放阻挡带形成热隔离腔体；热隔离腔体的正上方设有吸收材料支撑膜，所述吸收材料支撑膜上设有用于吸收红外辐射的纳米纤维体；吸收材料支撑膜的外侧设有若干热电堆，且所述吸收材料支撑膜外侧的若干热电堆串接后电连接成一体；热电堆对应邻近吸收材料支撑膜的一端形成探测热端，热电堆对应远离吸收材料支撑膜的一端形成探测冷端，热电堆的探测热端与吸收材料支撑膜相接触，热电堆的探测冷端通过介质支撑膜与衬底接触；相互串接的热电堆外侧设置用于将探测电压输出的金属电极，热电堆的探测冷端位于热隔离腔体的外侧上方。所述吸收材料支撑膜及位于所述吸收材料支撑膜上的纳米纤维体呈四角补偿结构，衬底的上方通过四角补偿结构形成长短不同分布的热电堆。所述纳米纤维体采用氧等离子体轰击光刻胶形成。所述光刻胶为正性光刻胶或负性光刻胶，所述正性光刻胶包括RZJ光刻胶、SPR光刻胶，负性光刻胶包括SU-8光刻胶。所述热电堆包括第一热偶条及与所述第一热偶条对应配合的第二热偶条，所述第一热偶条及第二热偶条对应形成探测热端的一端通过第二金属连接线电连接，第一热偶条及第二热偶条对应形成探测冷端的一端通过第一金属连接线电连接，以将吸收材料支撑膜外侧的热电堆串联成一体。所述形成第一热偶条、第二热偶条的材料包括Al-PolyS1、T1-PolySi或具有不同掺杂类型的多晶硅。一种高性能MEMS热电堆红外探测器结构的制备方法，所述红外探测器结构的制备方法包括如下步骤:
a、提供衬底，并在所述衬底的上表面上设置隔离槽掩蔽层；
b、选择性地掩蔽和刻蚀所述隔离槽掩蔽层，以在所述隔离槽掩蔽层上形成衬底刻蚀窗口 ；利用所述衬底刻蚀窗口刻蚀衬底，以在衬底内得到隔离槽；
C、去除上述隔离槽掩蔽层，并在衬底上设置介质支撑膜，且所述介质支撑膜填充在隔离槽内，以在衬底上形成所需的释放阻挡带；
d、在上述介质支撑膜上设置形成热电堆所需的第一热偶条及第二热偶条；
e、在上述第一热偶条及第二热偶条上设置热偶条保护膜，且选择性地掩蔽和刻蚀热偶条保护膜，以在热偶条保护膜上形成所需的金属接触孔； f、在上述金属接触孔内溅射金属层，以形成所需的金属电极、第一金属连接线及第二金属连接线，第一金属连接线、第二金属连接线将上述第一热偶条及对应的第二热偶条串接，以形成若干串接成一体的热电堆；
g、在上述介质支撑膜上设置吸收材料支撑膜，所述吸收材料支撑膜位于释放阻挡带上，且吸收材料支撑膜与第一热偶条及第二热偶条在探测热端接触；
h、选择性地掩蔽和刻蚀吸收材料支撑膜，以在吸收材料支撑膜上形成介质支撑膜刻蚀窗口，利用所述介质支撑膜刻蚀窗口刻蚀介质支撑膜，以形成贯通介质支撑膜的腐蚀释放通道；
1、在上述吸收材料支撑膜上制造得到用于吸收红外辐射的纳米纤维体；
j、利用腐蚀释放通道及纳米纤维体刻蚀衬底，利用释放阻挡带在衬底内形成热隔离腔体。所述步骤i包括如下步骤:
i 1、在吸收材料支撑膜上涂覆光刻胶，并在所述光刻胶内形成光刻胶内腐蚀释放通道，所述光刻胶内腐蚀释放通道与腐蚀释放通道相连通；
i2、对上述光刻胶进行氧等离子体轰击，以形成纳米纤维体。所述步骤f中，溅射金属层的材料包括Al或Ti。所述吸收材料支撑膜采用氮化硅或氮化硅与氧化硅的复合层。本发明的优点:在衬底上通过释放阻挡带形成热隔离腔体，吸收材料支撑膜及纳米纤维体位于热隔离腔体的正上方，吸收材料支撑膜与热电堆的探测热端接触，热电堆的探测冷端通过介质支撑膜与衬底接触，利用探测热端与探测冷端之间存在温度差可以产生电势差的原理，达到红外探测的目的，纳米纤维体通过氧等离子体轰击光刻胶图形得到，纳米纤维体的制备过程便捷，MEMS热电堆红外探测器的结构简单易于实现，便于单片集成，同时器件的响应率及探测率高，又能与CMOS工艺相兼容，适用范围广，安全可靠。
图广图12为本发明具体实施工艺步骤剖视图，其中:
图1为本发明在衬底上设置隔离槽掩蔽层后的剖视图。图2为本发明在衬底内得到隔离槽后的剖视图。图3为本发明在衬底上得到释放阻挡带后的剖视图。图4为本发明在介质支撑膜上设置第一热偶条及第二热偶条后的剖视图。图5为本发明得到热偶条保护膜后的剖视图。图6为本发明得到金属电极、第一金属连接线及第二金属连接线后的剖视图。图7为本发明得到吸收材料支撑膜后的剖视图。图8为本发明得到腐蚀释放通道后的剖视图。图9为本发明涂覆光刻胶并得到光刻胶内腐蚀释放通道后的剖视图。图10为本发明得到纳米纤维体后的剖视图。图11为本发明得到热隔离腔体后的剖视图。图12为本发明热电堆红外探测器结构的俯视图。图13为本发明纳米纤维体的红外吸收率图谱。
附图标记说明:101-衬底、102-隔离槽掩蔽层、201-衬底刻蚀窗口、202-隔离槽、301-介质支撑膜、302-释放阻挡带、401-第一热偶条、402-第二热偶条、501-金属接触孔、502-热偶条热端端部、503-热偶条保护膜、601-金属电极、602-第一金属连接线、603-第二金属连接线、701-吸收材料支撑膜、702-吸收材料支撑膜边缘、801-介质支撑膜刻蚀窗口、802_腐蚀释放通道、901-光刻胶图形、902-光刻胶内腐蚀释放通道、1001-纳米纤维体及1101-热隔离腔体。
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11和图12所示:本发明热电堆红外探测器结构包括衬底101 ;所述衬底101的上表面设置介质支撑膜301，所述介质支撑膜301与衬底101内的释放阻挡体共同形成释放阻挡带302，衬底101内的上部通过释放阻挡带302形成热隔离腔体1101 ;热隔离腔体1101的正上方设有吸收材料支撑膜701，所述吸收材料支撑膜701上设有用于吸收红外辐射的纳米纤维体1001 ;吸收材料支撑膜701的外侧设有若干热电堆，且所述吸收材料支撑膜701外侧的若干热电堆串接后电连接成一体；热电堆对应邻近吸收材料支撑膜701的一端形成探测热端，热电堆对应远离吸收材料支撑膜701的一端形成探测冷端，热电堆的探测热端与吸收材料支撑膜701相接触，热电堆的探测冷端通过介质支撑膜301与衬底101接触；相互串接的热电堆外侧设置用于将探测电压输出的金属电极601，热电堆的探测冷端位于热隔离腔体1101的外侧上方。具体地，所述吸收材料支撑膜701及位于所述吸收材料支撑膜701上的纳米纤维体1001呈四角补偿结构，衬底101的上方通过四角补偿结构形成长短不同分布的热电堆，本发明具体实施时，吸收材料支撑膜701及纳米纤维体1001的四角补偿结构均呈正方形，通过所述四角补偿结构能使红外吸收区占器件总面积的比例较大，同时热电堆中热偶条对的对数也最多。
所述纳米纤维体1001采用氧等离子体轰击光刻胶901形成。所述光刻胶901为正性光刻胶或负性光刻胶，所述正性光刻胶包括RZJ光刻胶、SPR光刻胶、AZ光刻胶，负性光刻胶包括SU-8光刻胶。所述纳米纤维体1001分布于吸收材料支撑膜701表面，且纳米纤维体1001的边缘较吸收材料支撑膜701的边缘向内缩几个微米，且内部因光刻胶内部腐蚀释放通道902与腐蚀释放通道802相连通，以用于对衬底101的腐蚀得到热隔离腔体1101的释放通道，通过热隔离腔体1101用于对纳米纤维体1001吸收的红外辐射与外部隔离，以提高红外探测器结构的探测精度。纳米纤维体1001对4 18 μ m波长范围内红外辐射的吸收率达60°/Γ95%，如图13所示。所述热电堆包括第一热偶条401及与所述第一热偶条401对应配合的第二热偶条402，所述第一热偶条401及第二热偶条402对应形成探测热端的一端通过第二金属连接线603电连接，第一热偶条401及第二热偶条402对应形成探测冷端的一端通过第一金属连接线602电连接，以将吸收材料支撑膜701外侧的热电堆串联成一体。如图广图12所示:上述结构的MEMS热电堆红外探测器结构可以通过下述工艺步骤制备得到，具体地，所述制备方法包括如下步骤:
a、提供衬底101，并在所述衬底101的上表面设置隔离槽掩蔽层102 ； 如图1所示:在衬底101的表面通过干氧氧化的方式生长SiO2M料层，以形成隔离槽掩蔽层102，隔离槽掩蔽层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所述隔离槽掩蔽层102，以在所述隔离槽掩蔽层102上形成衬底刻蚀窗口 201 ;利用所述衬底刻蚀窗口 201刻蚀衬底101，以在衬底101内得到隔离槽 202 ；
如图2所示，在隔离槽掩蔽层102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，随后利用反应离子刻蚀(RIE) SiO2的方法将光刻胶上封闭开口的图形转移到隔离槽掩蔽层102上，形成位于隔离槽掩蔽层102上的封闭开口图形，即衬底刻蚀窗口 201 ；利用氧等离子体干法去胶与硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除隔离槽掩蔽层102表面的光刻胶；采用RIE技术各向异性刻蚀衬底101，将隔离槽掩蔽层102上的封闭开口图形转移到衬底101上，形成衬底101上的封闭开口图形，即隔离槽202，所形成的隔离槽202的宽度为1.6 μ m，深度达到35 μ m。其中，RIE隔离槽掩蔽层102的RF功率为300 W,腔体压力为200 mTorr，刻蚀气体为CF4、CHF3> He混合气体，对应的流量为10/50/12 sccm(standard-state cubic centimeter per minute) ;RIE 衬底 101 时米用的刻蚀气体为 Cl2和He的混合气体，其流量分别为180和400 sccm，RF功率为350 W，腔体压力为400 mTorr。C、去除上述隔离槽掩蔽层102，并在衬底101上设置介质支撑膜301，且所述介质支撑膜301填充在隔离槽202内，以在衬底101上形成所需的释放阻挡带302 ；
如图3所示，采用RIE技术完全去除隔离槽掩蔽层102 ;在已经形成隔离槽202的衬底101上，通过低压化学气相沉积(LPCVD)技术淀积生长介质支撑膜301，所述介质支撑膜301的材料为SiO2,介质支撑膜301的厚度为8000A，完全填充隔离槽202，并与完全填充了 SiO2的隔离槽202共同组成SiO2释放阻挡带302。其中，LPCVD技术生长介质支撑膜301时采用TEOS ((Tetraethyl Orthosilicate，正硅酸乙酯))源，TEOS源的温度为50°C，炉管温度为720°C，压强为300mTorr，氧气流量为200sccm。d、在上述介质支撑膜301上设置形成热电堆所需的第一热偶条401及第二热偶条402 ；
如图4所示，在得到了介质支撑膜301和释放阻挡带302的衬底101上通过LPCVD技术生长结构层，用于形成第一热偶条401和第二热偶条402 ;结构层的材料可以采用与微电子工艺相兼容的且具有赛贝克效应的材料，包括Al-PolySi (Al-多晶硅)、Ti_PolySi (T1-多晶硅)或不同掺杂类型的多晶硅。本实施例中采用具有不同掺杂类型的多晶硅，结构层的厚度为2000A ；
在结构层的表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在光刻胶上对应于第一热偶条401的位置制作光刻胶开口图形，并对其进行P型掺杂，掺杂浓度为5e22Cnr3，掺杂能量为30KeV ;利用氧等离子体干法去胶与硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除结构层表面的光刻胶；再次在结构层表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在光刻胶上对应于第二热偶条402的位置形成光刻胶的开口图形，并对其进行N型掺杂，掺杂浓度为4el9Cnr3，掺杂能量为80KeV，利用氧等离子体干法去胶与硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除结构层表面的光刻胶；
在结构层的表面第三次旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在光刻胶上对应于第一热偶条401和第二热偶条402的位置形成光刻胶图形，采用RIE技术各向异性刻蚀结构层的材料多晶硅，形成第一热偶条401和第二热偶条402。所述第一热偶条401和第二热偶条402的宽度为5 μ m，长度为隔离槽202到吸收材料支撑膜701边缘的距离与位于隔离槽202之外的长度之和。其中，LPCVD技术生长结构层多晶硅时，工作炉管为620°C，压强为200 mTorr,SiH4的流量为130 sccm ；RIE结构层多晶硅时采用的刻蚀气体为Cl2和He的混合气体，其流量分别为180和400 sccm, RF功率为350 W，腔体压力为400 mTorr。e、在上述第一热偶条401及第二热偶条402上设置热偶条保护膜503，且选择性地掩蔽和刻蚀热偶条保护膜503，以在热偶条保护膜503上形成所需的金属接触孔501 ；
如图5所示，在上述设置了第一热偶条401和第二热偶条402的基底表面上通过LPCVD技术生长热偶条保护膜503，所述热偶条保护膜503的材料为SiO2,厚度为4000A ;在所述热偶条保护膜503的表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在光刻胶上对应于热电堆位置(不包括热偶条热端端部502)形成光刻胶图形，同时在所述光刻胶图形中对应于金属接触孔501的位置形成开口，利用RIE SiO2技术将光刻胶图形转移到SiO2层上，形成热偶条保护膜503的图形，同时形成金属接触孔501 ;最后利用氧等离子体干法去胶与硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除衬底101上方的光刻胶。f、在上述金属接触孔501内派射金属层，以形成所需的金属电极601、第一金属连接线602及第二金属连接线603，第一金属连接线602、第二金属连接线603将上述第一热偶条401及对应的第二热偶条402串接，以形成若干串接成一体的热电堆；
如图6所示，在制作了金属接触孔501的基底上溅射Al金属层，并通过光刻工艺使Al金属层在金属电极601、第一金属连接线602及第二金属连接线603的位置图形化，形成金属电极601、第一金属连接线602及第二金属连接线603 ;随后采用有机清洗的方法去除衬底101上方的光刻胶。其中，Al金属的图形化采用Al腐蚀液湿法腐蚀的方法实现，Al腐蚀液中磷酸(浓度为60% 80%):醋酸(浓度为0.1%):硝酸(浓度为0.5%):水的比例为16:1:1:2。本发明具体实施时，金属层的材料也可以为Ti，形成的金属电极601用于将整个热电堆的电压输出。g、在上述介质支撑膜301上设置吸收材料支撑膜701，所述吸收材料支撑膜701位于释放阻挡带302上，且吸收材料支撑膜701与第一热偶条401及第二热偶条402在探测热端接触；
如图7所示，在制作了金属电极601、第一金属连接线602和第二金属连接线603的介质支撑膜301上设置吸收材料支撑膜701，所述吸收材料支撑膜701采用Si3N4和SiO2的复合材料膜，均通过PECVD方法生长，其中Si3N4膜的厚度为6000 A，SiO2膜的厚度为2000L通过光刻与RIE Si02/Si3N4技术实现复合材料膜的图形化，使之呈正方形四凸角补偿的形状并完全覆盖不被热偶条保护膜503覆盖的热偶条热端端部502，即吸收材料支撑膜701的吸收材料支撑膜边缘702覆盖在热偶条热端上，以使得吸收材料支撑膜701与第一热偶条401及第二热偶条402的探测热端相接触。其中，PECVD Si3N4的炉管温度为270°C，RF功率为97W，气体条件为SIH4:4.6% NO:0.2。h、选择性地掩蔽和刻蚀吸收材料支撑膜701，以在吸收材料支撑膜701上形成介质支撑膜刻蚀窗口 801，利用所述介质支撑膜刻蚀窗口 801刻蚀介质支撑膜301，以形成贯通介质支撑膜301的腐蚀释放通道802 ；
如图8所示，在已经设置了吸收材料支撑膜701的衬底101上方旋涂光刻胶，并采用光刻技术实现光刻胶的图形化，使之在吸收材料支撑膜701内部以及热电偶对之间的空隙处制作光刻胶的开口图形，利用RIE技术将光刻胶上的开口图形转移到吸收材料支撑膜701和热偶条保护膜503上，形成介质支撑膜刻蚀窗口 801，再次利用RIE SiO2的方法通过介质支撑膜刻蚀窗口 801对介质支撑膜301进行刻蚀，最终形成腐蚀释放通道802。最后，采用有机清洗的方法去除基底表面的光刻胶。1、在上述吸收材料支撑膜701上制造得到用于吸收红外辐射的纳米纤维体1001 ； 本发明实施例中，在吸收材料支撑膜701上制备纳米纤维体1001的工艺包括如下步
骤:
il、在吸收材料支撑膜701上涂覆光刻胶，并在所述光刻胶内形成光刻胶内腐蚀释放通道902，进而形成光刻胶图形901，所述光刻胶内腐蚀释放通道902与腐蚀释放通道802相连通；
如图9所示，在上述已经形成了腐蚀释放通道802的衬底101的上方旋涂光刻胶，所述光刻胶可以为正性光刻胶，包括RZJ系列光刻胶、SPR系列光刻胶、AZ系列光刻胶，也可以为负性光刻胶，包括SU-8系列光刻胶。本实施例中，采用了 SU-8 3010，在转速为3000转/分钟的条件下，获得SU-8的厚度为10微米，采用光刻技术实现光刻胶的图形化，使之在对应于吸收材料支撑膜701以里几个微米的面积内形成光刻胶的图形，同时，在光刻胶的图形内对应于腐蚀释放通道802的位置形成光刻胶内腐蚀释放通道902，进而得到光刻胶图形901 ;本发明实施例中，所述光刻胶内腐蚀释放通道902的轴线与腐蚀释放通道802的轴线位于统一直线上。i2、对上述光刻胶图形901进行氧等离子体轰击，以形成纳米纤维体1001。如图10所示，将所述在吸收材料支撑膜701上已经实现了光刻胶图形901的衬底101放置于等离子体机中，进行30分钟的氧等离子体轰击，直至所述光刻胶图形901形成纳米纤维体1001。其中，氧等离子体轰击的过程中RF功率为300 W，氧气的流量为200sccm，腔体压力为5 Pa。所述光刻胶图形901通过氧等离子体轰击后形成的具有纳米纤维状的纳米纤维体1001，所述纳米纤维体1001具有较高的红外吸收效率。j、利用腐蚀释放通道802及纳米纤维体1001刻蚀衬底101，利用释放阻挡带302在衬底101内形成热隔离腔体1101。如图11所示，由于衬底101的材料为硅，采用XeF2干法刻蚀技术各向同性腐蚀器件结构中的衬底101，通过腐蚀释放通道802及光刻胶内腐蚀释放通道902向下腐蚀衬底101，在释放阻挡带302作用下进而形成热隔离腔体1101，同时得到红外探测器的总体结构。本发明实施例中，热隔离腔体1101在衬底101内的深度小于或接近于隔离槽202在衬底101内的深度。如图f图13所示:工作时，通过纳米纤维体1001吸收红外辐射，纳米纤维体1001吸收的红外辐射转换为热量向吸收材料支撑膜701传导，吸收材料支撑膜701的热量通过热电堆的探测热端向探测冷端传导，由于热电堆的探测热端与探测冷端之间具有温度差，因此，根据热电堆的赛贝克效应，在探测器的金属电极601之间产生电势差，通过金属电极601能够将电压输出，以达到对红外探测的目的。本发明在衬底101上通过释放阻挡带302形成热隔离腔体1101，吸收材料支撑膜701及纳米纤维体1001位于热隔离腔体1101的正上方，吸收材料支撑膜701与热电堆的探测热端接触，热电堆的探测冷端通过介质支撑膜301与衬底101接触，利用探测热端与探测冷端之间存在温度差可以产生电势差的原理，达到红外探测的目的，纳米纤维体1001通过氧等离子体轰击光刻胶图形901得到，纳米纤维体1001的制备过程便捷，MEMS热电堆红外探测器的结构简单易于实现，便于单片集成，同时器件的响应率及探测率高，又能与CMOS工艺相兼容，适用范围广，安全可靠。
权利要求
1.一种高性能MEMS热电堆红外探测器结构，包括衬底(101);其特征是:所述衬底(101)的上表面设置介质支撑膜(301)，所述介质支撑膜(301)与衬底(101)内的释放阻挡体共同形成释放阻挡带(302)，衬底(101)内的上部通过释放阻挡带(302)形成热隔离腔体(1101);热隔离腔体(1101)的正上方设有吸收材料支撑膜(701)，所述吸收材料支撑膜(701)上设有用于吸收红外辐射的纳米纤维体(1001);吸收材料支撑膜(701)的外侧设有若干热电堆，且所述吸收材料支撑膜(701)外侧的若干热电堆串接后电连接成一体；热电堆对应邻近吸收材料支撑膜(701)的一端形成探测热端，热电堆对应远离吸收材料支撑膜(701)的一端形成探测冷端，热电堆的探测热端与吸收材料支撑膜(701)相接触，热电堆的探测冷端通过介质支撑膜(301)与衬底(101)接触；相互串接的热电堆外侧设置用于将探测电压输出的金属电极(601 )，热电堆的探测冷端位于热隔离腔体(1101)的外侧上方。
2.根据权利要求1所述的高性能MEMS热电堆红外探测器结构，其特征是:所述吸收材料支撑膜(701)及位于所述吸收材料支撑膜(701)上的纳米纤维体(1001)呈四角补偿结构，衬底(101)的上方通过四角补偿结构形成长短不同分布的热电堆。
3.根据权利要求1所述的高性能MEMS热电堆红外探测器结构，其特征是:所述纳米纤维体(1001)采用氧等离子体轰击光刻胶形成。
4.根据权利要求3所述的高性能MEMS热电堆红外探测器结构，其特征是:所述光刻胶为正性光刻胶或负性光刻胶，所述正性光刻胶包括RZJ光刻胶、SPR光刻胶、AZ光刻胶，负性光刻胶包括SU-8光刻胶。
5.根据权利要求1所述的高性能MEMS热电堆红外探测器结构，其特征是:所述热电堆包括第一热偶条(401)及与所述第一热偶条(401)对应配合的第二热偶条(402)，所述第一热偶条(401)及第二热偶条(402)对应形成探测热端的一端通过第二金属连接线(603)电连接，第一热偶条(401)及第二热偶条(402)对应形成探测冷端的一端通过第一金属连接线(602)电连接，以 将吸收材料支撑膜(701)外侧的热电堆串联成一体。
6.根据权利要求5所述的高性能MEMS热电堆红外探测器结构，其特征是:所述形成第一热偶条(401)、第二热偶条(402)的材料包括Al-PolyS1、T1-PolySi或具有不同掺杂类型的多晶硅。
7.一种高性能MEMS热电堆红外探测器结构的制备方法，其特征是，所述红外探测器结构的制备方法包括如下步骤: (a)、提供衬底(101)，并在所述衬底(101)的上表面设置隔离槽掩蔽层(102)； (b)、选择性地掩蔽和刻蚀所述隔离槽掩蔽层(102)，以在所述隔离槽掩蔽层(102)上形成衬底刻蚀窗口(201);利用所述衬底刻蚀窗口(201)刻蚀衬底(101 )，以在衬底(101)内得到隔离槽(202); (C)、去除上述隔离槽掩蔽层(102)，并在衬底(101)设置介质支撑膜(301)，且所述介质支撑膜(301)填充在隔离槽(202)内，以在衬底(101)上形成所需的释放阻挡带(302)； (d)、在上述介质支撑膜(301)上设置形成热电堆所需的第一热偶条(401)及第二热偶条(402)； (e)、在上述第一热偶条(401)及第二热偶条(402)上设置热偶条保护膜(503)，且选择性地掩蔽和刻蚀热偶条保护膜(503)，以在热偶条保护膜(503)上形成所需的金属接触孔(501)；(f)、在上述金属接触孔(501)内派射金属层，以形成所需的金属电极(601)、第一金属连接线(602)及第二金属连接线(603)，第一金属连接线(602)、第二金属连接线(603)将上述第一热偶条(401)及对应的第二热偶条(402)串接，以形成若干串接成一体的热电堆； (g)、在上述介质支撑膜(301)上设置吸收材料支撑膜(701)，所述吸收材料支撑膜(701)位于释放阻挡带(302)上，且吸收材料支撑膜(701)与第一热偶条(401)及第二热偶条(402)在探测热端接触； (h)、选择性地掩蔽和刻蚀吸收材料支撑膜(701)，以在吸收材料支撑膜(701)上形成介质支撑膜刻蚀窗口(801)，利用所述介质支撑膜刻蚀窗口(801)刻蚀介质支撑膜(301)，以形成贯通介质支撑膜(301)的腐蚀释放通道(802)； (i)、在上述吸收材料支撑膜(701)上制造得到用于吸收红外辐射的纳米纤维体(1001)； (j)、利用腐蚀释放通道(802)及纳米纤维体(1001)刻蚀衬底(101)，利用释放阻挡带(302)在衬底(101)内形成热隔离腔体(1101)。
8.根据权利要求7所述高性能MEMS热电堆红外探测器结构的制备方法，其特征是，所述步骤(i)包括如下步骤: (11)、在吸收材料支撑膜(701)上涂覆光刻胶，并在所述光刻胶内形成光刻胶内腐蚀释放通道(902)，进而形成光刻胶图形(901)，所述光刻胶内腐蚀释放通道(902)与腐蚀释放通道(802)相连通； (12)、对上述光刻胶图形(901)进行氧等离子体轰击，以形成纳米纤维体(1001)。
9.根据权利要求 7所述高性能MEMS热电堆红外探测器结构的制备方法，其特征是:所述步骤(f)中，溅射金属层的材料包括Al或Ti。
10.根据权利要求7所述高性能MEMS热电堆红外探测器结构的制备方法，其特征是:所述吸收材料支撑膜(701)采用氮化硅或氮化硅与氧化硅的复合层。
全文摘要
本发明涉及一种高性能MEMS热电堆红外探测器结构及其制备方法，其包括衬底；衬底的上表面设置介质支撑膜，衬底内形成热隔离腔体；热隔离腔体的正上方设有吸收材料支撑膜，吸收材料支撑膜上设纳米纤维体；吸收材料支撑膜的外侧设有若干热电堆，且吸收材料支撑膜外侧的若干热电堆串接后电连接成一体；热电堆的探测热端与吸收材料支撑膜相接触，热电堆的探测冷端通过介质支撑膜与衬底接触；相互串接的热电堆外侧设置用于将探测电压输出的金属电极，热电堆的探测冷端位于热隔离腔体的外侧上方。本发明纳米纤维体的制备过程便捷，结构简单易于实现，便于单片集成，同时器件的响应率及探测率高，又能与CMOS工艺相兼容，适用范围广，安全可靠。
文档编号G01J5/12GK103207021SQ20131006701
公开日2013年7月17日 申请日期2013年3月1日 优先权日2013年3月1日
发明者毛海央, 欧文, 吴文刚, 欧毅 申请人:江苏物联网研究发展中心