專利名稱：采用硅支撐梁的紅外熱電堆探測器陣列結(jié)構(gòu)及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用硅支撐梁的紅外熱電堆探測器陣列結(jié)構(gòu)及制作方法，特別適用于大批量高密度的紅外熱電堆探測陣列的制造。本發(fā)明屬于紅外探測器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、交通等各個行業(yè)和部門，紅外成像、紅外測溫、紅外測濕、紅外理療、紅外檢測、紅外報警、紅外遙感、紅外防偽、紅外加熱已經(jīng)成為各行業(yè)爭相選用的先進(jìn)技術(shù)。在軍事應(yīng)用中，紅外成像、紅外偵察、紅外跟蹤、紅外制導(dǎo)、紅外預(yù)警、紅外對抗等在現(xiàn)代戰(zhàn)爭和未來戰(zhàn)爭中都是必不可少的戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略手段。紅外探測器是紅外儀器中最基本的關(guān)鍵部件，隨著紅外技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，對紅外探測器本身也提出了更高的要求。熱電堆紅外探測器是利用兩種不同材料構(gòu)成閉合回路產(chǎn)生的塞貝克效應(yīng)制作的一類熱紅外探測器。早期的熱電堆紅外探測器是利用掩膜真空鍍膜的方法，將熱偶材料沉積到塑料或氧化鋁襯底上獲得的，器件的尺寸大，不易批量生產(chǎn)。
從80年代以來，微機(jī)械電子技術(shù)逐漸成功應(yīng)用在熱電堆紅外探測器的制作中。與早期的熱電堆紅外探測器相比，微機(jī)械熱電堆紅外探測器的優(yōu)點在于一、具有高的靈敏度，寬松的工作環(huán)境與非常寬的頻譜響應(yīng)；二、與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容，成本低廉且適合批量生產(chǎn)。
目前較流行的紅外熱堆探測器結(jié)構(gòu)，如圖一所示。其支撐結(jié)構(gòu)為采用(100)硅片，利用各向異性腐蝕方法得到的硅杯，以大約1微米厚的氮化硅-氧化硅-氮化硅(Si3N4-SiO2-Si3N4)三明治層復(fù)合膜為支撐膜，在其上用兩種不同熱電特性材料(熱偶)沉積形成熱偶對。在陣列中，如果采用這種結(jié)構(gòu)，則由于器件間存在大量硅框架，將嚴(yán)重限制器件間距，導(dǎo)致器件尺寸較大。下面我們依據(jù)圖一進(jìn)行簡單的計算。
按傳統(tǒng)腐蝕工藝所制備的微機(jī)械紅外熱堆探測器，考慮(100)與腐蝕停止面(111)晶面夾角θ(θ＝54.7°)，假設(shè)硅片厚度為h，則膜區(qū)的間距y必須符合以下要求y＞2×(h/tgθ)，即y＞1.416×h以普通4英寸(100)硅片為例，一般其厚度為450微米左右，則傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的微機(jī)械紅外熱堆探測器單元間距就必須大于638微米，這樣當(dāng)陣列器件的單元尺寸在數(shù)百微米時，上述結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的占空比將極小，完全不能滿足器件要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用硅支撐梁結(jié)構(gòu)的微機(jī)械紅外熱堆探測器陣列結(jié)構(gòu)及制作方法。
本發(fā)明之關(guān)鍵在于在陣列各單元間以支撐梁取代傳統(tǒng)的硅框架結(jié)構(gòu)，周邊保持硅框架不變膜區(qū)的間距可在20μm到700μm之間。本發(fā)明之關(guān)鍵在于利用無掩膜腐蝕方法實現(xiàn)器件單元間的支撐梁結(jié)構(gòu)。其基本原理如圖3所示按傳統(tǒng)腐蝕工藝，以氧化硅為掩膜對(100)硅片進(jìn)行腐蝕，得到的是側(cè)壁為(111)的慢腐蝕面，其與底層(100)面夾角為57.4°。在腐蝕到一定深度后，去除氧化硅掩膜，繼續(xù)腐蝕，此時由于削角效應(yīng)，將出現(xiàn)(311)快腐蝕面，對(111)和(100)面同時削蝕。當(dāng)(111)面完全消失后，(311)面與(100)直接相交，其夾角α為25.24°。繼續(xù)腐蝕時，(311)面會沿側(cè)面繼續(xù)腐蝕，由此得到了(111)面與底層(100)面的理論交點和(311)面與底層(100)面的交點的一個距離a。因此，利用無掩膜腐蝕技術(shù)就可以有效地減小膜區(qū)的尺寸，得到如圖二所示的本發(fā)明熱堆陣列結(jié)構(gòu)。本發(fā)明可采用如下工藝實施1.取(100)雙拋硅片進(jìn)行氧化后，以低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)的方法雙面沉積氮化硅層。
2.在硅片正面用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)的方法沉積多晶硅層，再用離子注入的方法或擴(kuò)散的方法進(jìn)行硼摻雜，光刻出多晶硅條。
3.對多晶硅條進(jìn)行氧化，在此氧化層上光刻引線孔圖形，用氫氟酸腐蝕氧化硅形成引線孔。在正面沉積金屬層，并光刻出金屬線條，金屬條和摻雜的多晶硅條通過引線孔實現(xiàn)歐姆接觸，形成熱偶對，成為熱堆的主要構(gòu)成。
4.在背面的氮化硅上光刻出熱堆陣列腐蝕窗口，去除窗口內(nèi)的氮化硅。在背面所暴露出的氧化硅上光刻單元腐蝕窗口，去除窗口內(nèi)的氧化硅。
5.使用各向異性腐蝕液，如四甲基氫氧化銨(TMAH)或氫氧化鉀(KOH)進(jìn)行腐蝕，腐蝕到一定深度后，去除背面的氧化硅，進(jìn)行無掩膜腐蝕，最終得到微機(jī)械紅外熱堆探測器陣列。
所述硅襯底清洗式采用半導(dǎo)體行業(yè)常的清洗方法。
所述的硅襯底清洗后熱氧化溫度1100-1180℃，生成氧化層厚度0.5-0.8微米；所述的在硅片正面沉積多晶硅層的厚度0.6-1.0微米；
所述的多晶硅條熱氧化溫度為1050-1150℃，生成氧化層厚度為0.2-0.35微米，在表面沉積金屬線為鉻-金線條。
所述的各向異性腐蝕液為四甲基氫氧化銨(TMAH)或氫氧化鉀(KOH)，濃度為40-60％，腐蝕溫度為30-50℃。
本發(fā)明克服了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中大量硅框架限制，在維持基本結(jié)構(gòu)的情況下，保持了冷端良好的散熱性，使得制造出來的微機(jī)械熱電堆紅外探測器單元間距縮小，大大提高了器件占空比，同時也提高了器件的成品率。具有工藝簡單、一致性好、重復(fù)性好、易批量生產(chǎn)等優(yōu)點。特別適用于制作大批量高密度的紅外熱電堆探測陳列。


圖1為傳統(tǒng)腐蝕工藝所制備的微機(jī)械熱電堆紅外探測器陣列示意圖。
圖2為本發(fā)明之具有硅懸梁結(jié)構(gòu)的微機(jī)械熱電堆紅外探測器陣列示意圖。
圖3為無掩膜腐蝕原理示意圖。
圖4為圖2所示微機(jī)械熱電堆紅外探測器陣列的制造方法工藝示意圖。
圖中(a)在襯底上生長氧化硅和氮化硅；(b)生長多晶硅進(jìn)行硼摻雜后，光刻出圖形；(c)氧化多晶硅條，光刻并腐蝕出引線孔。再沉積金屬層，并光刻出圖形，進(jìn)行歐姆接觸后，形成熱偶對。(d)在背面氮化硅上光刻出氮化硅腐蝕窗口。(e)在背面所暴露出的氧化硅上光刻單元腐蝕窗口，去除窗口內(nèi)的氧化硅。(f)使用各向異性腐蝕液腐蝕到一定深度后，去除背面的氧化硅；(g)進(jìn)行無掩膜腐蝕，最終得到微機(jī)械紅外熱堆探測器陣列。
圖5為實施例1的背面腐蝕過程圖。
圖6為實施例2的背面腐蝕過程圖。
圖中，各數(shù)字所代表的含義分另為1-復(fù)合膜區(qū)，2-硅基體，3-硅框架，4-硅支撐梁，5-氧化硅，6-氮化硅，7-多晶硅，8-金屬。
實施例1利用4英寸(100)硅片，厚度為h＝450微米，用于制備具有硅懸梁結(jié)構(gòu)的微機(jī)械熱電堆紅外探測器陣列，陣列結(jié)構(gòu)為封閉膜大小為800×800微米，單元間距為300微米。具體制造方法為(1)、將(100)單晶硅片2清洗后，經(jīng)1150℃氧化，形成0.6微米氧化層5。再用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)的方法雙面沉積0.12微米的氮化硅層6。(如圖4a)(2)、用LPCVD在硅片表面沉積0.8微米的多晶硅層。對多晶硅層進(jìn)行注硼摻雜。光刻多晶硅條圖形7。(如圖4b)(3)、在多晶硅條表面用熱氧化(1100℃)的方法形成一層厚度為0.2-0.35微米的氧化層5，在此氧化層上光刻引線孔。然后整個表面濺射鉻-金(厚度為0.8微米)，光刻鉻-金線條8。(如圖4c)(4)、在背面光刻陣列腐蝕窗口，干法刻蝕窗口中的氮化硅6。(如圖4d)(5)、在背面陣列腐蝕窗口上套刻單元膜區(qū)腐蝕窗口，用氫氟酸去除窗口中的氧化硅5。(如圖4e)(6)、用60℃、40％KOH溶液對硅片背面進(jìn)行腐蝕。當(dāng)腐蝕深度為h0＝200微米時，先暫停腐蝕，用氫氟酸溶液去除背面氧化硅，清洗后繼續(xù)腐蝕。繼續(xù)腐蝕深度為d0＝110微米時，(111)面完全消失。繼續(xù)腐蝕到硅片穿通，由于(311)面的側(cè)蝕，得到所需尺寸的復(fù)合膜區(qū)1。膜區(qū)的間距y為20-700μm之間完成微機(jī)械熱電堆紅外探測器陣列的制作。(如圖5)
實施例2利用3英寸(100)硅片，厚度為h＝300微米，用于制備具有硅懸梁結(jié)構(gòu)的微機(jī)械熱電堆紅外探測器陣列，陣列結(jié)構(gòu)為封閉膜大小為500×500微米，單元間距為300微米，具體制造方法為(1)、將(100)單晶硅片2清洗后，經(jīng)1150℃氧化，形成0.6微米氧化層5。再用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)的方法雙面沉積0.12微米的氮化硅層6。(如圖4a)(2)、在硅片正反面制作熱堆圖形，方法步驟同實施例1中步驟(3)-(5)。
(3)、用50℃、50％TMAH溶液對硅片背面進(jìn)行腐蝕。當(dāng)腐蝕深度為h0＝200微米時，先暫停腐蝕，用氫氟酸溶液去除背面氧化硅，清洗后繼續(xù)腐蝕。當(dāng)繼續(xù)腐蝕深度為d0＝100微米時，硅片恰好穿通，而此時的復(fù)合膜區(qū)1尺寸比期望值要小。繼續(xù)腐蝕，依靠(311)面的側(cè)向腐蝕，最終得到所需尺寸的復(fù)合膜區(qū)1。完成微機(jī)械熱電堆紅外探測器陣列的制作(如圖6)。
權(quán)利要求
1.一種采用硅支撐梁的紅外熱電堆探測器陣列結(jié)構(gòu)，其特征在于在陣列各單元間的支撐梁取代傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，周邊硅框架不變，膜區(qū)的間距在20μm到700μm之間。
2.按權(quán)利要求1所述的采用硅支撐梁的制作方法，其特征在于具體工藝步驟1)取(100)雙拋硅片清洗，進(jìn)行熱氧化形成氧化層后，以低壓化學(xué)氣相沉積的方法雙面沉積氮化硅層；2)在硅片正面用低壓化學(xué)氣相沉積的方法沉積多晶硅層，再用離子注入的方法或擴(kuò)散的方法進(jìn)行硼摻雜，光刻出多晶硅條；3)對多晶硅條進(jìn)行氧化，在此氧化層上光刻引線孔圖形，用氫氟酸腐蝕氧化硅形成引線孔。在正面沉積金屬層，并光刻出金屬線條，金屬條和摻雜的多晶硅條通過引線孔實現(xiàn)歐姆接觸，形成熱偶對，成為熱堆的主要構(gòu)成；4)在背面的氮化硅上光刻出熱堆陣列腐蝕窗口，去除窗口內(nèi)的氮化硅，在背面所暴露出的氧化硅上光刻單元腐蝕窗口，去除窗口內(nèi)的氧化硅；5)使用各向異性腐蝕液，進(jìn)行腐蝕，腐蝕到一定深度后，去除背面的氧化硅，再進(jìn)行無掩膜腐蝕，最終得到微機(jī)械紅外熱堆探測器陣列。
3.按權(quán)利要求2所述的采用硅支撐梁的制作方法，其特征在于所述的熱氧化溫度為1150℃，氧化層厚度為0.6微米。
4.按權(quán)利要求2所述的采用硅支撐梁的制作方法，其特征在于再硅片正面沉積多晶硅層厚度為0.6-1.0微米。
5.按權(quán)利要求2所述的采用硅支撐梁的制作方法，其特征在于多晶硅條熱氧化溫度1050-1150℃，生成氧化層厚度0.2-0.35微米；在表面沉積的金屬線為鉻-金線條。
6.按權(quán)利要求2所述的采用硅支撐梁的制作方法，其特征在于使用的各向異性腐蝕液為四甲基氫氧化銨或氫氧化鉀，濃度為40-60％，腐蝕溫度為30-50℃。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用硅支撐梁的紅外熱電堆探測器陣列結(jié)構(gòu)，其特征在于利用硅支撐梁結(jié)構(gòu)取代原有各個器件單元間的硅框架以實現(xiàn)高密度的紅外熱電堆探測器陣列結(jié)構(gòu)。周邊硅框架不變，膜區(qū)的間距在20－ 700μm之間。本發(fā)明可利用無掩膜腐蝕工藝實現(xiàn)，且發(fā)明在保證器件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能優(yōu)異的前提下，大大減小了單元器件的間距，從而提高了器件的占空比，有利于器件的大密度集成，同時其具有工藝簡單、一致性好、重復(fù)性好、成品率高、易批量生產(chǎn)等特點，特別適用于制作大批量高密度的紅外熱電堆探測陣列。
文檔編號G01J1/02GK1588661SQ20041005391
公開日2005年3月2日 申請日期2004年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月20日
發(fā)明者李鐵, 王翊, 王躍林 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所