專利名稱：高性能mems熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)及其制備方法，尤其是一種高性能MEMS熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)及其制備方法，具體地說(shuō)是一種基于納米纖維體的高性能熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于MEMS的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
MEMS熱電堆紅外探測(cè)器是傳感探測(cè)領(lǐng)域的一種典型器件，是組成溫度傳感器、均方根轉(zhuǎn)換器、氣敏傳感器、熱流量計(jì)等傳感探測(cè)器件的核心部件之一，與此同時(shí)，小尺寸熱電堆紅外探測(cè)器還可構(gòu)建紅外焦平面陣列(FPA)器件實(shí)現(xiàn)紅外成像。熱電堆紅外探測(cè)器與基于其它工作原理的紅外探測(cè)器(如熱釋電型紅外探測(cè)器和熱敏電阻型紅外探測(cè)器等)相比具有可測(cè)恒定輻射量、無(wú)需加偏置電壓、無(wú)需斬波器、更適用于移動(dòng)應(yīng)用與野外應(yīng)用等明顯的綜合優(yōu)點(diǎn)。因而，MEMS ((Micro-Electro-Mechanical Systems))熱電堆紅外探測(cè)器對(duì)于實(shí)現(xiàn)更為寬廣的紅外探測(cè)應(yīng)用具有非常重要的意義，其民用、軍用前景廣闊，商業(yè)價(jià)值和市場(chǎng)潛力非常巨大?？梢哉f(shuō)，關(guān)于MEMS熱電堆紅外探測(cè)器的研究開(kāi)發(fā)工作已形成21世紀(jì)一個(gè)新的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)點(diǎn)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，MEMS熱電堆紅外探測(cè)器將在傳感探測(cè)的眾多方面形成更加廣泛的應(yīng)用。特別是，隨著微機(jī)電技術(shù)，包括器件設(shè)計(jì)、制造、封裝和測(cè)試等技術(shù)手段的日益成熟，MEMS熱電堆紅外探測(cè)器將凸顯更加重要的地位。響應(yīng)率和探測(cè)率是描述紅外探測(cè)器的兩個(gè)重要性能指標(biāo)，決定了紅外探測(cè)器在不同領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。其中，響應(yīng)率是器件輸出電信號(hào)與入射紅外輻射功率的比值，表征了紅外探測(cè)器響應(yīng)紅外輻射的靈敏度，同時(shí)又很大程度地影響著探測(cè)率的值。對(duì)于一定尺寸的器件結(jié)構(gòu)，增大吸收區(qū)面積占總體面積的比例，同時(shí)增加熱電偶的對(duì)數(shù)，有利于提高器件的響應(yīng)率與探測(cè)率。此外，對(duì)于結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)以及熱偶材料等均已確定的熱電堆紅外探測(cè)器，其響應(yīng)率和探測(cè)率的值取決于紅外吸收區(qū)對(duì)紅外輻射的吸收效率。氮化硅薄膜在紅外傳感器的研究中常用作紅外吸收區(qū)的材料，然而在常用紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)其吸收效率不高，進(jìn)而，基于氮化硅紅外吸收層的紅外傳感器無(wú)法獲得很高的響應(yīng)率和探測(cè)率。鑒于此，要提高探測(cè)器的性能指標(biāo)，應(yīng)增大紅外吸收區(qū)的吸收效率。在對(duì)紅外探測(cè)器進(jìn)行研究的數(shù)十年中，科研人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種具有高吸收率且可作為紅外吸收區(qū)的材料或結(jié)構(gòu)。其中，金黑因其表面的納米粗糙結(jié)構(gòu)而具有很好的紅外吸收效果，又因其熱容較低，在紅外探測(cè)器的研究中成為一種倍受歡迎的材料。采用金黑材料為紅外吸收區(qū)時(shí)，器件的響應(yīng)率和探測(cè)率可相應(yīng)提高。然而，金黑的制備工藝涉及到金屬蒸發(fā)和金屬納米顆粒的凝集等工序，過(guò)程較為復(fù)雜，且其與CMOS工藝的兼容性也較差，一般只能在器件結(jié)構(gòu)加工完成后再將其制作在結(jié)構(gòu)的表面。鑒于此，以黑金為吸收區(qū)的探測(cè)器其大批量的生產(chǎn)就受到了限制。1/4波長(zhǎng)諧振結(jié)構(gòu)利用介質(zhì)層厚度與入射紅外光波的1/4波長(zhǎng)相匹配時(shí)所產(chǎn)生的諧振效果使紅外吸收區(qū)的吸收效率達(dá)到最大。然而，受諧振條件的制約，以1/4波長(zhǎng)諧振結(jié)構(gòu)為吸收區(qū)的探測(cè)器只能敏感中心波長(zhǎng)為某一特定值的紅外輻射。此外，制備1/4波長(zhǎng)諧振結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)工藝參數(shù)的要求極其嚴(yán)格苛刻，若介質(zhì)層厚度與波長(zhǎng)之間稍有不匹配，將造成紅外吸收效率的極大衰減。大面積的納米柱森林結(jié)構(gòu)所形成的黑硅亦被用于紅外吸收區(qū)，但在對(duì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行釋放時(shí)需要對(duì)黑硅進(jìn)行特殊保護(hù)，以免黑硅結(jié)構(gòu)被破壞，這就在一定程度上增加了器件制備方法的復(fù)雜程度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種高性能MEMS熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)及其制備方法，其納米纖維體的制備過(guò)程便捷，MEMS熱電堆紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，便于單片集成，同時(shí)器件的響應(yīng)率、探測(cè)率高，又能與CMOS工藝相兼容，適用范圍廣，安全可靠。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述高性能MEMS熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)，包括襯底；所述襯底的上表面設(shè)置介質(zhì)支撐膜，所述介質(zhì)支撐膜與襯底內(nèi)的釋放阻擋體共同形成釋放阻擋帶，襯底內(nèi)的上部通過(guò)釋放阻擋帶形成熱隔離腔體；熱隔離腔體的正上方設(shè)有吸收材料支撐膜，所述吸收材料支撐膜上設(shè)有用于吸收紅外輻射的納米纖維體；吸收材料支撐膜的外側(cè)設(shè)有若干熱電堆，且所述吸收材料支撐膜外側(cè)的若干熱電堆串接后電連接成一體；熱電堆對(duì)應(yīng)鄰近吸收材料支撐膜的一端形成探測(cè)熱端，熱電堆對(duì)應(yīng)遠(yuǎn)離吸收材料支撐膜的一端形成探測(cè)冷端，熱電堆的探測(cè)熱端與吸收材料支撐膜相接觸，熱電堆的探測(cè)冷端通過(guò)介質(zhì)支撐膜與襯底接觸；相互串接的熱電堆外側(cè)設(shè)置用于將探測(cè)電壓輸出的金屬電極，熱電堆的探測(cè)冷端位于熱隔離腔體的外側(cè)上方。所述吸收材料支撐膜及位于所述吸收材料支撐膜上的納米纖維體呈四角補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，襯底的上方通過(guò)四角補(bǔ)償結(jié)構(gòu)形成長(zhǎng)短不同分布的熱電堆。所述納米纖維體采用氧等離子體轟擊光刻膠形成。所述光刻膠為正性光刻膠或負(fù)性光刻膠，所述正性光刻膠包括RZJ光刻膠、SPR光刻膠，負(fù)性光刻膠包括SU-8光刻膠。所述熱電堆包括第一熱偶條及與所述第一熱偶條對(duì)應(yīng)配合的第二熱偶條，所述第一熱偶條及第二熱偶條對(duì)應(yīng)形成探測(cè)熱端的一端通過(guò)第二金屬連接線電連接，第一熱偶條及第二熱偶條對(duì)應(yīng)形成探測(cè)冷端的一端通過(guò)第一金屬連接線電連接，以將吸收材料支撐膜外側(cè)的熱電堆串聯(lián)成一體。所述形成第一熱偶條、第二熱偶條的材料包括Al-PolyS1、T1-PolySi或具有不同摻雜類(lèi)型的多晶硅。一種高性能MEMS熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)的制備方法，所述紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)的制備方法包括如下步驟:
a、提供襯底，并在所述襯底的上表面上設(shè)置隔離槽掩蔽層；
b、選擇性地掩蔽和刻蝕所述隔離槽掩蔽層，以在所述隔離槽掩蔽層上形成襯底刻蝕窗口 ；利用所述襯底刻蝕窗口刻蝕襯底，以在襯底內(nèi)得到隔離槽；
C、去除上述隔離槽掩蔽層，并在襯底上設(shè)置介質(zhì)支撐膜，且所述介質(zhì)支撐膜填充在隔離槽內(nèi)，以在襯底上形成所需的釋放阻擋帶；
d、在上述介質(zhì)支撐膜上設(shè)置形成熱電堆所需的第一熱偶條及第二熱偶條；
e、在上述第一熱偶條及第二熱偶條上設(shè)置熱偶條保護(hù)膜，且選擇性地掩蔽和刻蝕熱偶條保護(hù)膜，以在熱偶條保護(hù)膜上形成所需的金屬接觸孔； f、在上述金屬接觸孔內(nèi)濺射金屬層，以形成所需的金屬電極、第一金屬連接線及第二金屬連接線，第一金屬連接線、第二金屬連接線將上述第一熱偶條及對(duì)應(yīng)的第二熱偶條串接，以形成若干串接成一體的熱電堆；
g、在上述介質(zhì)支撐膜上設(shè)置吸收材料支撐膜，所述吸收材料支撐膜位于釋放阻擋帶上，且吸收材料支撐膜與第一熱偶條及第二熱偶條在探測(cè)熱端接觸；
h、選擇性地掩蔽和刻蝕吸收材料支撐膜，以在吸收材料支撐膜上形成介質(zhì)支撐膜刻蝕窗口，利用所述介質(zhì)支撐膜刻蝕窗口刻蝕介質(zhì)支撐膜，以形成貫通介質(zhì)支撐膜的腐蝕釋放通道；
1、在上述吸收材料支撐膜上制造得到用于吸收紅外輻射的納米纖維體；
j、利用腐蝕釋放通道及納米纖維體刻蝕襯底，利用釋放阻擋帶在襯底內(nèi)形成熱隔離腔體。所述步驟i包括如下步驟:
i 1、在吸收材料支撐膜上涂覆光刻膠，并在所述光刻膠內(nèi)形成光刻膠內(nèi)腐蝕釋放通道，所述光刻膠內(nèi)腐蝕釋放通道與腐蝕釋放通道相連通；
i2、對(duì)上述光刻膠進(jìn)行氧等離子體轟擊，以形成納米纖維體。所述步驟f中，濺射金屬層的材料包括Al或Ti。所述吸收材料支撐膜采用氮化硅或氮化硅與氧化硅的復(fù)合層。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):在襯底上通過(guò)釋放阻擋帶形成熱隔離腔體，吸收材料支撐膜及納米纖維體位于熱隔離腔體的正上方，吸收材料支撐膜與熱電堆的探測(cè)熱端接觸，熱電堆的探測(cè)冷端通過(guò)介質(zhì)支撐膜與襯底接觸，利用探測(cè)熱端與探測(cè)冷端之間存在溫度差可以產(chǎn)生電勢(shì)差的原理，達(dá)到紅外探測(cè)的目的，納米纖維體通過(guò)氧等離子體轟擊光刻膠圖形得到，納米纖維體的制備過(guò)程便捷，MEMS熱電堆紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，便于單片集成，同時(shí)器件的響應(yīng)率及探測(cè)率高，又能與CMOS工藝相兼容，適用范圍廣，安全可靠。


圖廣圖12為本發(fā)明具體實(shí)施工藝步驟剖視圖，其中:
圖1為本發(fā)明在襯底上設(shè)置隔離槽掩蔽層后的剖視圖。圖2為本發(fā)明在襯底內(nèi)得到隔離槽后的剖視圖。圖3為本發(fā)明在襯底上得到釋放阻擋帶后的剖視圖。圖4為本發(fā)明在介質(zhì)支撐膜上設(shè)置第一熱偶條及第二熱偶條后的剖視圖。圖5為本發(fā)明得到熱偶條保護(hù)膜后的剖視圖。圖6為本發(fā)明得到金屬電極、第一金屬連接線及第二金屬連接線后的剖視圖。圖7為本發(fā)明得到吸收材料支撐膜后的剖視圖。圖8為本發(fā)明得到腐蝕釋放通道后的剖視圖。圖9為本發(fā)明涂覆光刻膠并得到光刻膠內(nèi)腐蝕釋放通道后的剖視圖。圖10為本發(fā)明得到納米纖維體后的剖視圖。圖11為本發(fā)明得到熱隔離腔體后的剖視圖。圖12為本發(fā)明熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖13為本發(fā)明納米纖維體的紅外吸收率圖譜。
附圖標(biāo)記說(shuō)明:101-襯底、102-隔離槽掩蔽層、201-襯底刻蝕窗口、202-隔離槽、301-介質(zhì)支撐膜、302-釋放阻擋帶、401-第一熱偶條、402-第二熱偶條、501-金屬接觸孔、502-熱偶條熱端端部、503-熱偶條保護(hù)膜、601-金屬電極、602-第一金屬連接線、603-第二金屬連接線、701-吸收材料支撐膜、702-吸收材料支撐膜邊緣、801-介質(zhì)支撐膜刻蝕窗口、802_腐蝕釋放通道、901-光刻膠圖形、902-光刻膠內(nèi)腐蝕釋放通道、1001-納米纖維體及1101-熱隔離腔體。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖11和圖12所示:本發(fā)明熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)包括襯底101 ;所述襯底101的上表面設(shè)置介質(zhì)支撐膜301，所述介質(zhì)支撐膜301與襯底101內(nèi)的釋放阻擋體共同形成釋放阻擋帶302，襯底101內(nèi)的上部通過(guò)釋放阻擋帶302形成熱隔離腔體1101 ;熱隔離腔體1101的正上方設(shè)有吸收材料支撐膜701，所述吸收材料支撐膜701上設(shè)有用于吸收紅外輻射的納米纖維體1001 ;吸收材料支撐膜701的外側(cè)設(shè)有若干熱電堆，且所述吸收材料支撐膜701外側(cè)的若干熱電堆串接后電連接成一體；熱電堆對(duì)應(yīng)鄰近吸收材料支撐膜701的一端形成探測(cè)熱端，熱電堆對(duì)應(yīng)遠(yuǎn)離吸收材料支撐膜701的一端形成探測(cè)冷端，熱電堆的探測(cè)熱端與吸收材料支撐膜701相接觸，熱電堆的探測(cè)冷端通過(guò)介質(zhì)支撐膜301與襯底101接觸；相互串接的熱電堆外側(cè)設(shè)置用于將探測(cè)電壓輸出的金屬電極601，熱電堆的探測(cè)冷端位于熱隔離腔體1101的外側(cè)上方。具體地，所述吸收材料支撐膜701及位于所述吸收材料支撐膜701上的納米纖維體1001呈四角補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，襯底101的上方通過(guò)四角補(bǔ)償結(jié)構(gòu)形成長(zhǎng)短不同分布的熱電堆，本發(fā)明具體實(shí)施時(shí)，吸收材料支撐膜701及納米纖維體1001的四角補(bǔ)償結(jié)構(gòu)均呈正方形，通過(guò)所述四角補(bǔ)償結(jié)構(gòu)能使紅外吸收區(qū)占器件總面積的比例較大，同時(shí)熱電堆中熱偶條對(duì)的對(duì)數(shù)也最多。

所述納米纖維體1001采用氧等離子體轟擊光刻膠901形成。所述光刻膠901為正性光刻膠或負(fù)性光刻膠，所述正性光刻膠包括RZJ光刻膠、SPR光刻膠、AZ光刻膠，負(fù)性光刻膠包括SU-8光刻膠。所述納米纖維體1001分布于吸收材料支撐膜701表面，且納米纖維體1001的邊緣較吸收材料支撐膜701的邊緣向內(nèi)縮幾個(gè)微米，且內(nèi)部因光刻膠內(nèi)部腐蝕釋放通道902與腐蝕釋放通道802相連通，以用于對(duì)襯底101的腐蝕得到熱隔離腔體1101的釋放通道，通過(guò)熱隔離腔體1101用于對(duì)納米纖維體1001吸收的紅外輻射與外部隔離，以提高紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)的探測(cè)精度。納米纖維體1001對(duì)4 18 μ m波長(zhǎng)范圍內(nèi)紅外輻射的吸收率達(dá)60°/Γ95%，如圖13所示。所述熱電堆包括第一熱偶條401及與所述第一熱偶條401對(duì)應(yīng)配合的第二熱偶條402，所述第一熱偶條401及第二熱偶條402對(duì)應(yīng)形成探測(cè)熱端的一端通過(guò)第二金屬連接線603電連接，第一熱偶條401及第二熱偶條402對(duì)應(yīng)形成探測(cè)冷端的一端通過(guò)第一金屬連接線602電連接，以將吸收材料支撐膜701外側(cè)的熱電堆串聯(lián)成一體。如圖廣圖12所示:上述結(jié)構(gòu)的MEMS熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)可以通過(guò)下述工藝步驟制備得到，具體地，所述制備方法包括如下步驟:
a、提供襯底101，并在所述襯底101的上表面設(shè)置隔離槽掩蔽層102 ； 如圖1所示:在襯底101的表面通過(guò)干氧氧化的方式生長(zhǎng)SiO2M料層，以形成隔離槽掩蔽層102，隔離槽掩蔽層102的厚度為5000A，干氧氧化時(shí)溫度為950°C，氧氣的含量為60% ；所述襯底101采用常規(guī)的材料，襯底101的材料包括硅。b、選擇性地掩蔽和刻蝕所述隔離槽掩蔽層102，以在所述隔離槽掩蔽層102上形成襯底刻蝕窗口 201 ;利用所述襯底刻蝕窗口 201刻蝕襯底101，以在襯底101內(nèi)得到隔離槽 202 ；
如圖2所示，在隔離槽掩蔽層102的表面旋涂光刻膠，并通過(guò)光刻工藝在光刻膠上形成封閉開(kāi)口，隨后利用反應(yīng)離子刻蝕(RIE) SiO2的方法將光刻膠上封閉開(kāi)口的圖形轉(zhuǎn)移到隔離槽掩蔽層102上，形成位于隔離槽掩蔽層102上的封閉開(kāi)口圖形，即襯底刻蝕窗口 201 ；利用氧等離子體干法去膠與硫酸/雙氧水濕法去膠相結(jié)合的方法去除隔離槽掩蔽層102表面的光刻膠；采用RIE技術(shù)各向異性刻蝕襯底101，將隔離槽掩蔽層102上的封閉開(kāi)口圖形轉(zhuǎn)移到襯底101上，形成襯底101上的封閉開(kāi)口圖形，即隔離槽202，所形成的隔離槽202的寬度為1.6 μ m，深度達(dá)到35 μ m。其中，RIE隔離槽掩蔽層102的RF功率為300 W,腔體壓力為200 mTorr，刻蝕氣體為CF4、CHF3> He混合氣體，對(duì)應(yīng)的流量為10/50/12 sccm(standard-state cubic centimeter per minute) ;RIE 襯底 101 時(shí)米用的刻蝕氣體為 Cl2和He的混合氣體，其流量分別為180和400 sccm，RF功率為350 W，腔體壓力為400 mTorr。C、去除上述隔離槽掩蔽層102，并在襯底101上設(shè)置介質(zhì)支撐膜301，且所述介質(zhì)支撐膜301填充在隔離槽202內(nèi)，以在襯底101上形成所需的釋放阻擋帶302 ；
如圖3所示，采用RIE技術(shù)完全去除隔離槽掩蔽層102 ;在已經(jīng)形成隔離槽202的襯底101上，通過(guò)低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)技術(shù)淀積生長(zhǎng)介質(zhì)支撐膜301，所述介質(zhì)支撐膜301的材料為SiO2,介質(zhì)支撐膜301的厚度為8000A，完全填充隔離槽202，并與完全填充了 SiO2的隔離槽202共同組成SiO2釋放阻擋帶302。其中，LPCVD技術(shù)生長(zhǎng)介質(zhì)支撐膜301時(shí)采用TEOS ((Tetraethyl Orthosilicate，正硅酸乙酯))源，TEOS源的溫度為50°C，爐管溫度為720°C，壓強(qiáng)為300mTorr，氧氣流量為200sccm。d、在上述介質(zhì)支撐膜301上設(shè)置形成熱電堆所需的第一熱偶條401及第二熱偶條402 ；
如圖4所示，在得到了介質(zhì)支撐膜301和釋放阻擋帶302的襯底101上通過(guò)LPCVD技術(shù)生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)層，用于形成第一熱偶條401和第二熱偶條402 ;結(jié)構(gòu)層的材料可以采用與微電子工藝相兼容的且具有賽貝克效應(yīng)的材料，包括Al-PolySi (Al-多晶硅)、Ti_PolySi (T1-多晶硅)或不同摻雜類(lèi)型的多晶硅。本實(shí)施例中采用具有不同摻雜類(lèi)型的多晶硅，結(jié)構(gòu)層的厚度為2000A ；
在結(jié)構(gòu)層的表面旋涂光刻膠，并通過(guò)光刻工藝在光刻膠上對(duì)應(yīng)于第一熱偶條401的位置制作光刻膠開(kāi)口圖形，并對(duì)其進(jìn)行P型摻雜，摻雜濃度為5e22Cnr3，摻雜能量為30KeV ;利用氧等離子體干法去膠與硫酸/雙氧水濕法去膠相結(jié)合的方法去除結(jié)構(gòu)層表面的光刻膠；再次在結(jié)構(gòu)層表面旋涂光刻膠，并通過(guò)光刻工藝在光刻膠上對(duì)應(yīng)于第二熱偶條402的位置形成光刻膠的開(kāi)口圖形，并對(duì)其進(jìn)行N型摻雜，摻雜濃度為4el9Cnr3，摻雜能量為80KeV，利用氧等離子體干法去膠與硫酸/雙氧水濕法去膠相結(jié)合的方法去除結(jié)構(gòu)層表面的光刻膠；
在結(jié)構(gòu)層的表面第三次旋涂光刻膠，并通過(guò)光刻工藝在光刻膠上對(duì)應(yīng)于第一熱偶條401和第二熱偶條402的位置形成光刻膠圖形，采用RIE技術(shù)各向異性刻蝕結(jié)構(gòu)層的材料多晶硅，形成第一熱偶條401和第二熱偶條402。所述第一熱偶條401和第二熱偶條402的寬度為5 μ m，長(zhǎng)度為隔離槽202到吸收材料支撐膜701邊緣的距離與位于隔離槽202之外的長(zhǎng)度之和。其中，LPCVD技術(shù)生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)層多晶硅時(shí)，工作爐管為620°C，壓強(qiáng)為200 mTorr,SiH4的流量為130 sccm ；RIE結(jié)構(gòu)層多晶硅時(shí)采用的刻蝕氣體為Cl2和He的混合氣體，其流量分別為180和400 sccm, RF功率為350 W，腔體壓力為400 mTorr。e、在上述第一熱偶條401及第二熱偶條402上設(shè)置熱偶條保護(hù)膜503，且選擇性地掩蔽和刻蝕熱偶條保護(hù)膜503，以在熱偶條保護(hù)膜503上形成所需的金屬接觸孔501 ；
如圖5所示，在上述設(shè)置了第一熱偶條401和第二熱偶條402的基底表面上通過(guò)LPCVD技術(shù)生長(zhǎng)熱偶條保護(hù)膜503，所述熱偶條保護(hù)膜503的材料為SiO2,厚度為4000A ;在所述熱偶條保護(hù)膜503的表面旋涂光刻膠，并通過(guò)光刻工藝在光刻膠上對(duì)應(yīng)于熱電堆位置(不包括熱偶條熱端端部502)形成光刻膠圖形，同時(shí)在所述光刻膠圖形中對(duì)應(yīng)于金屬接觸孔501的位置形成開(kāi)口，利用RIE SiO2技術(shù)將光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到SiO2層上，形成熱偶條保護(hù)膜503的圖形，同時(shí)形成金屬接觸孔501 ;最后利用氧等離子體干法去膠與硫酸/雙氧水濕法去膠相結(jié)合的方法去除襯底101上方的光刻膠。f、在上述金屬接觸孔501內(nèi)派射金屬層，以形成所需的金屬電極601、第一金屬連接線602及第二金屬連接線603，第一金屬連接線602、第二金屬連接線603將上述第一熱偶條401及對(duì)應(yīng)的第二熱偶條402串接，以形成若干串接成一體的熱電堆；
如圖6所示，在制作了金屬接觸孔501的基底上濺射Al金屬層，并通過(guò)光刻工藝使Al金屬層在金屬電極601、第一金屬連接線602及第二金屬連接線603的位置圖形化，形成金屬電極601、第一金屬連接線602及第二金屬連接線603 ;隨后采用有機(jī)清洗的方法去除襯底101上方的光刻膠。其中，Al金屬的圖形化采用Al腐蝕液濕法腐蝕的方法實(shí)現(xiàn)，Al腐蝕液中磷酸(濃度為60% 80%):醋酸(濃度為0.1%):硝酸(濃度為0.5%):水的比例為16:1:1:2。本發(fā)明具體實(shí)施時(shí)，金屬層的材料也可以為T(mén)i，形成的金屬電極601用于將整個(gè)熱電堆的電壓輸出。g、在上述介質(zhì)支撐膜301上設(shè)置吸收材料支撐膜701，所述吸收材料支撐膜701位于釋放阻擋帶302上，且吸收材料支撐膜701與第一熱偶條401及第二熱偶條402在探測(cè)熱端接觸；
如圖7所示，在制作了金屬電極601、第一金屬連接線602和第二金屬連接線603的介質(zhì)支撐膜301上設(shè)置吸收材料支撐膜701，所述吸收材料支撐膜701采用Si3N4和SiO2的復(fù)合材料膜，均通過(guò)PECVD方法生長(zhǎng)，其中Si3N4膜的厚度為6000 A，SiO2膜的厚度為2000L通過(guò)光刻與RIE Si02/Si3N4技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料膜的圖形化，使之呈正方形四凸角補(bǔ)償?shù)男螤畈⑼耆采w不被熱偶條保護(hù)膜503覆蓋的熱偶條熱端端部502，即吸收材料支撐膜701的吸收材料支撐膜邊緣702覆蓋在熱偶條熱端上，以使得吸收材料支撐膜701與第一熱偶條401及第二熱偶條402的探測(cè)熱端相接觸。其中，PECVD Si3N4的爐管溫度為270°C，RF功率為97W，氣體條件為SIH4:4.6% NO:0.2。h、選擇性地掩蔽和刻蝕吸收材料支撐膜701，以在吸收材料支撐膜701上形成介質(zhì)支撐膜刻蝕窗口 801，利用所述介質(zhì)支撐膜刻蝕窗口 801刻蝕介質(zhì)支撐膜301，以形成貫通介質(zhì)支撐膜301的腐蝕釋放通道802 ；
如圖8所示，在已經(jīng)設(shè)置了吸收材料支撐膜701的襯底101上方旋涂光刻膠，并采用光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)光刻膠的圖形化，使之在吸收材料支撐膜701內(nèi)部以及熱電偶對(duì)之間的空隙處制作光刻膠的開(kāi)口圖形，利用RIE技術(shù)將光刻膠上的開(kāi)口圖形轉(zhuǎn)移到吸收材料支撐膜701和熱偶條保護(hù)膜503上，形成介質(zhì)支撐膜刻蝕窗口 801，再次利用RIE SiO2的方法通過(guò)介質(zhì)支撐膜刻蝕窗口 801對(duì)介質(zhì)支撐膜301進(jìn)行刻蝕，最終形成腐蝕釋放通道802。最后，采用有機(jī)清洗的方法去除基底表面的光刻膠。1、在上述吸收材料支撐膜701上制造得到用于吸收紅外輻射的納米纖維體1001 ； 本發(fā)明實(shí)施例中，在吸收材料支撐膜701上制備納米纖維體1001的工藝包括如下步
驟:
il、在吸收材料支撐膜701上涂覆光刻膠，并在所述光刻膠內(nèi)形成光刻膠內(nèi)腐蝕釋放通道902，進(jìn)而形成光刻膠圖形901，所述光刻膠內(nèi)腐蝕釋放通道902與腐蝕釋放通道802相連通；
如圖9所示，在上述已經(jīng)形成了腐蝕釋放通道802的襯底101的上方旋涂光刻膠，所述光刻膠可以為正性光刻膠，包括RZJ系列光刻膠、SPR系列光刻膠、AZ系列光刻膠，也可以為負(fù)性光刻膠，包括SU-8系列光刻膠。本實(shí)施例中，采用了 SU-8 3010，在轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘的條件下，獲得SU-8的厚度為10微米，采用光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)光刻膠的圖形化，使之在對(duì)應(yīng)于吸收材料支撐膜701以里幾個(gè)微米的面積內(nèi)形成光刻膠的圖形，同時(shí)，在光刻膠的圖形內(nèi)對(duì)應(yīng)于腐蝕釋放通道802的位置形成光刻膠內(nèi)腐蝕釋放通道902，進(jìn)而得到光刻膠圖形901 ;本發(fā)明實(shí)施例中，所述光刻膠內(nèi)腐蝕釋放通道902的軸線與腐蝕釋放通道802的軸線位于統(tǒng)一直線上。i2、對(duì)上述光刻膠圖形901進(jìn)行氧等離子體轟擊，以形成納米纖維體1001。如圖10所示，將所述在吸收材料支撐膜701上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光刻膠圖形901的襯底101放置于等離子體機(jī)中，進(jìn)行30分鐘的氧等離子體轟擊，直至所述光刻膠圖形901形成納米纖維體1001。其中，氧等離子體轟擊的過(guò)程中RF功率為300 W，氧氣的流量為200sccm，腔體壓力為5 Pa。所述光刻膠圖形901通過(guò)氧等離子體轟擊后形成的具有納米纖維狀的納米纖維體1001，所述納米纖維體1001具有較高的紅外吸收效率。j、利用腐蝕釋放通道802及納米纖維體1001刻蝕襯底101，利用釋放阻擋帶302在襯底101內(nèi)形成熱隔離腔體1101。如圖11所示，由于襯底101的材料為硅，采用XeF2干法刻蝕技術(shù)各向同性腐蝕器件結(jié)構(gòu)中的襯底101，通過(guò)腐蝕釋放通道802及光刻膠內(nèi)腐蝕釋放通道902向下腐蝕襯底101，在釋放阻擋帶302作用下進(jìn)而形成熱隔離腔體1101，同時(shí)得到紅外探測(cè)器的總體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明實(shí)施例中，熱隔離腔體1101在襯底101內(nèi)的深度小于或接近于隔離槽202在襯底101內(nèi)的深度。如圖f圖13所示:工作時(shí)，通過(guò)納米纖維體1001吸收紅外輻射，納米纖維體1001吸收的紅外輻射轉(zhuǎn)換為熱量向吸收材料支撐膜701傳導(dǎo)，吸收材料支撐膜701的熱量通過(guò)熱電堆的探測(cè)熱端向探測(cè)冷端傳導(dǎo)，由于熱電堆的探測(cè)熱端與探測(cè)冷端之間具有溫度差，因此，根據(jù)熱電堆的賽貝克效應(yīng)，在探測(cè)器的金屬電極601之間產(chǎn)生電勢(shì)差，通過(guò)金屬電極601能夠?qū)㈦妷狠敵?，以達(dá)到對(duì)紅外探測(cè)的目的。本發(fā)明在襯底101上通過(guò)釋放阻擋帶302形成熱隔離腔體1101，吸收材料支撐膜701及納米纖維體1001位于熱隔離腔體1101的正上方，吸收材料支撐膜701與熱電堆的探測(cè)熱端接觸，熱電堆的探測(cè)冷端通過(guò)介質(zhì)支撐膜301與襯底101接觸，利用探測(cè)熱端與探測(cè)冷端之間存在溫度差可以產(chǎn)生電勢(shì)差的原理，達(dá)到紅外探測(cè)的目的，納米纖維體1001通過(guò)氧等離子體轟擊光刻膠圖形901得到，納米纖維體1001的制備過(guò)程便捷，MEMS熱電堆紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，便于單片集成，同時(shí)器件的響應(yīng)率及探測(cè)率高，又能與CMOS工藝相兼容，適用范圍廣，安全可靠。
權(quán)利要求
1.一種高性能MEMS熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)，包括襯底(101);其特征是:所述襯底(101)的上表面設(shè)置介質(zhì)支撐膜(301)，所述介質(zhì)支撐膜(301)與襯底(101)內(nèi)的釋放阻擋體共同形成釋放阻擋帶(302)，襯底(101)內(nèi)的上部通過(guò)釋放阻擋帶(302)形成熱隔離腔體(1101);熱隔離腔體(1101)的正上方設(shè)有吸收材料支撐膜(701)，所述吸收材料支撐膜(701)上設(shè)有用于吸收紅外輻射的納米纖維體(1001);吸收材料支撐膜(701)的外側(cè)設(shè)有若干熱電堆，且所述吸收材料支撐膜(701)外側(cè)的若干熱電堆串接后電連接成一體；熱電堆對(duì)應(yīng)鄰近吸收材料支撐膜(701)的一端形成探測(cè)熱端，熱電堆對(duì)應(yīng)遠(yuǎn)離吸收材料支撐膜(701)的一端形成探測(cè)冷端，熱電堆的探測(cè)熱端與吸收材料支撐膜(701)相接觸，熱電堆的探測(cè)冷端通過(guò)介質(zhì)支撐膜(301)與襯底(101)接觸；相互串接的熱電堆外側(cè)設(shè)置用于將探測(cè)電壓輸出的金屬電極(601 )，熱電堆的探測(cè)冷端位于熱隔離腔體(1101)的外側(cè)上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能MEMS熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其特征是:所述吸收材料支撐膜(701)及位于所述吸收材料支撐膜(701)上的納米纖維體(1001)呈四角補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，襯底(101)的上方通過(guò)四角補(bǔ)償結(jié)構(gòu)形成長(zhǎng)短不同分布的熱電堆。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能MEMS熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其特征是:所述納米纖維體(1001)采用氧等離子體轟擊光刻膠形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高性能MEMS熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其特征是:所述光刻膠為正性光刻膠或負(fù)性光刻膠，所述正性光刻膠包括RZJ光刻膠、SPR光刻膠、AZ光刻膠，負(fù)性光刻膠包括SU-8光刻膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能MEMS熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其特征是:所述熱電堆包括第一熱偶條(401)及與所述第一熱偶條(401)對(duì)應(yīng)配合的第二熱偶條(402)，所述第一熱偶條(401)及第二熱偶條(402)對(duì)應(yīng)形成探測(cè)熱端的一端通過(guò)第二金屬連接線(603)電連接，第一熱偶條(401)及第二熱偶條(402)對(duì)應(yīng)形成探測(cè)冷端的一端通過(guò)第一金屬連接線(602)電連接，以 將吸收材料支撐膜(701)外側(cè)的熱電堆串聯(lián)成一體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高性能MEMS熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其特征是:所述形成第一熱偶條(401)、第二熱偶條(402)的材料包括Al-PolyS1、T1-PolySi或具有不同摻雜類(lèi)型的多晶硅。
7.一種高性能MEMS熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是，所述紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)的制備方法包括如下步驟: (a)、提供襯底(101)，并在所述襯底(101)的上表面設(shè)置隔離槽掩蔽層(102)； (b)、選擇性地掩蔽和刻蝕所述隔離槽掩蔽層(102)，以在所述隔離槽掩蔽層(102)上形成襯底刻蝕窗口(201);利用所述襯底刻蝕窗口(201)刻蝕襯底(101 )，以在襯底(101)內(nèi)得到隔離槽(202); (C)、去除上述隔離槽掩蔽層(102)，并在襯底(101)設(shè)置介質(zhì)支撐膜(301)，且所述介質(zhì)支撐膜(301)填充在隔離槽(202)內(nèi)，以在襯底(101)上形成所需的釋放阻擋帶(302)； (d)、在上述介質(zhì)支撐膜(301)上設(shè)置形成熱電堆所需的第一熱偶條(401)及第二熱偶條(402)； (e)、在上述第一熱偶條(401)及第二熱偶條(402)上設(shè)置熱偶條保護(hù)膜(503)，且選擇性地掩蔽和刻蝕熱偶條保護(hù)膜(503)，以在熱偶條保護(hù)膜(503)上形成所需的金屬接觸孔(501)；(f)、在上述金屬接觸孔(501)內(nèi)派射金屬層，以形成所需的金屬電極(601)、第一金屬連接線(602)及第二金屬連接線(603)，第一金屬連接線(602)、第二金屬連接線(603)將上述第一熱偶條(401)及對(duì)應(yīng)的第二熱偶條(402)串接，以形成若干串接成一體的熱電堆； (g)、在上述介質(zhì)支撐膜(301)上設(shè)置吸收材料支撐膜(701)，所述吸收材料支撐膜(701)位于釋放阻擋帶(302)上，且吸收材料支撐膜(701)與第一熱偶條(401)及第二熱偶條(402)在探測(cè)熱端接觸； (h)、選擇性地掩蔽和刻蝕吸收材料支撐膜(701)，以在吸收材料支撐膜(701)上形成介質(zhì)支撐膜刻蝕窗口(801)，利用所述介質(zhì)支撐膜刻蝕窗口(801)刻蝕介質(zhì)支撐膜(301)，以形成貫通介質(zhì)支撐膜(301)的腐蝕釋放通道(802)； (i)、在上述吸收材料支撐膜(701)上制造得到用于吸收紅外輻射的納米纖維體(1001)； (j)、利用腐蝕釋放通道(802)及納米纖維體(1001)刻蝕襯底(101)，利用釋放阻擋帶(302)在襯底(101)內(nèi)形成熱隔離腔體(1101)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述高性能MEMS熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是，所述步驟(i)包括如下步驟: (11)、在吸收材料支撐膜(701)上涂覆光刻膠，并在所述光刻膠內(nèi)形成光刻膠內(nèi)腐蝕釋放通道(902)，進(jìn)而形成光刻膠圖形(901)，所述光刻膠內(nèi)腐蝕釋放通道(902)與腐蝕釋放通道(802)相連通； (12)、對(duì)上述光刻膠圖形(901)進(jìn)行氧等離子體轟擊，以形成納米纖維體(1001)。
9.根據(jù)權(quán)利要求 7所述高性能MEMS熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是:所述步驟(f)中，濺射金屬層的材料包括Al或Ti。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述高性能MEMS熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是:所述吸收材料支撐膜(701)采用氮化硅或氮化硅與氧化硅的復(fù)合層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高性能MEMS熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)及其制備方法，其包括襯底；襯底的上表面設(shè)置介質(zhì)支撐膜，襯底內(nèi)形成熱隔離腔體；熱隔離腔體的正上方設(shè)有吸收材料支撐膜，吸收材料支撐膜上設(shè)納米纖維體；吸收材料支撐膜的外側(cè)設(shè)有若干熱電堆，且吸收材料支撐膜外側(cè)的若干熱電堆串接后電連接成一體；熱電堆的探測(cè)熱端與吸收材料支撐膜相接觸，熱電堆的探測(cè)冷端通過(guò)介質(zhì)支撐膜與襯底接觸；相互串接的熱電堆外側(cè)設(shè)置用于將探測(cè)電壓輸出的金屬電極，熱電堆的探測(cè)冷端位于熱隔離腔體的外側(cè)上方。本發(fā)明納米纖維體的制備過(guò)程便捷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，便于單片集成，同時(shí)器件的響應(yīng)率及探測(cè)率高，又能與CMOS工藝相兼容，適用范圍廣，安全可靠。
文檔編號(hào)G01J5/12GK103207021SQ20131006701
公開(kāi)日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月1日
發(fā)明者毛海央, 歐文, 吳文剛, 歐毅 申請(qǐng)人:江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心