结构自对准制作微机械热堆红外探测器的红外吸收层方法
专利汇可以提供结构自对准制作微机械热堆红外探测器的红外吸收层方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种结构自对准制作微机械热堆红外探测器的红外吸收层方法，属于微机械领域，其特点是从单晶 硅 片 的 正面 和 反面 同时进行 腐蚀 ，在热堆背面得到一个与红外吸收区大小相仿的窗口，通过此窗口的对准作用，在氮气氛下 蒸发 黑体 ，使黑体沉积在热堆的背后。所以本 发明 的最为关键的工艺是利用硅 各向异性 腐蚀生成的结构，自对准沉积黑体制作红外吸收层。这样既可一次成型，省去了 光刻 等相关工艺，降低了生产成本；又可精确 定位 生成红外吸收层，提高器件的成品率。，下面是结构自对准制作微机械热堆红外探测器的红外吸收层方法专利的具体信息内容。
1.一种结构自对准制作微机械热堆红外探测器的红外吸收层方法，其特征在于从单晶硅片的正面和反面同时进行腐蚀，在热堆背面得到一个与红外吸收区大小相仿的窗口，通过此窗口的自对准作用，在氮气氛下蒸发位于介质支撑膜背部的黑体，使黑体直接沉积在热堆的背后。
2.按权利要求1所述的结构自对准制作微机械热堆红外探测器的红外吸收层方法，其特征在于具体制作步骤是：(1)在(100)的单晶硅片上，先用低压化学气相沉积法(LPCVD)沉积一层氮化硅，再用LPCVD沉积一层多晶硅，并将其全部氧化，形成一层氧化硅，再在氧化硅上用LPCVD沉积一层氮化硅，至此形成了氮化硅-氧化硅-氮化硅三明治结构的复合介质膜；或在(100)的单晶片上先热氧化得到氧化层，接着用LPCVD方法，沉积一层氮化硅，形成氧化硅-氮化硅的复合介质膜；在此二种复合膜上继续用LPCVD法沉积一层多晶硅，表面扩硼掺杂后，将其表层氧化，利用氧化层做掩膜，光刻多晶硅条图形，用干法刻蚀得到多晶硅条；(2)将整块硅片氧化，使得多晶硅条表面覆盖一层氧化硅，然后光刻使金属与多晶硅形成欧姆接触的引线孔图形，用氢氟酸腐蚀氧化硅后，得到引线孔图形；(3)在硅片表面沉积一层金属，接着光刻金属线条，经过腐蚀成形，就形成了多晶硅与金属的热偶对结构；(4)在硅片正面光刻腐蚀窗口，利用干法刻蚀，以及湿法腐蚀的方法，去掉窗口周围的氮化硅-氧化硅-氮化硅层，形成正面腐蚀窗口；然后进行背面套刻腐蚀窗口，用氢氟酸腐蚀去掉氧化硅，暴露出衬底的硅；使用各向异性腐蚀剂腐蚀，在50℃-90℃温度范围下，对硅的正反面同时进行腐蚀，得到热堆结构；最后在氮气氛下以腐蚀窗口为掩膜，从硅片背面自对准蒸发金属黑体，该黑体位于介质支撑膜的背部，至此便得到一个完整的微机械热电堆红外探测器的红外吸收层。
3.按权利要求2所述的结构自对准制作微机械热堆红外探测器的红外吸收层方法，其特征在于所述的氮化硅-氧化硅-氮化硅三明治结构的复合介质膜中氮化硅膜沉积温度为750℃-850℃，厚度为0.1-0.2微米；氧化硅膜是直接低温沉积得到的LTO膜或是先沉积一层多晶硅，由多晶硅热氧化成氧化硅，多晶硅的沉积温度为600℃-700℃，厚度为0.2-0.4微米。
4.按权利要求2所述的结构自对准制作微机械热堆红外探测器的红外吸收层方法，其特征在于所述的复合介质膜为氧化硅-氮化硅的复合层，氧化硅层的厚度0.5-0.6微米，氮化硅层的沉积温度800℃，厚度为0.1-0.2微米。
5.按权利要求2所述的结构自对准制作微机械热堆红外探测器的红外吸收层方法，其特征在于所用的各向异性腐蚀剂为四甲基氢氧化铵或KOH。
6.按权利要求2所述的结构自对准制作微机械热堆红外探测器的红外吸收层方法，其特征在于硅片表面沉积的金属为铝、金或铂中一种。
结构自对准制作微机械热堆红外探测器的红外吸收层方法
技术领域
背景技术
微机械热电堆红外探测器主要由热堆结构以及红外吸收层组成。热堆结构由热偶对、热结区与冷结区组成，为了提高探测器的性能，需要有良好的隔热结构，使热结区到冷结区的热传导缓慢，塞贝克效应显著。在硅基微机械热电堆红外探测器中，一般以硅衬底为冷结区，而热结区选择在支撑热堆的膜结构上，即红外吸收层区域。典型的结构如图1所示。支撑膜一般为氧化硅与氮化硅的复合膜，本身对红外辐射有一定吸收，但吸收率较小；在冷结区固定的情况下，提高热结区的温度，即增加对红外辐射的吸收对于性能的提高是非常显著的。为此，在支撑膜上生长红外吸收层，利用其对红外辐射的高吸收率以及广谱吸收的特性，用以提高热红外探测器的性能。要取得理想的吸收效果，对红外吸收层的要求是：高吸收率以及较小的薄膜厚度。通常有三种方法实现红外吸收层的生长，分别是金属薄膜法、电镀法沉积铂黑以及氮气氛下蒸发金属的方法。对于微机械热电堆红外探测器来说，不光要生长红外吸收层，还希望其具有一定的形状，也就是在支撑膜上形成一个红外敏感的区域，作为热堆的热结区，与硅基冷结区区别，使热沿着热偶从热结区向冷结区传导。在以往有关热电堆红外探测器的报道中，关于如何制作具有一定形状的红外吸收区的内容基本没有什么提及。一般认为可以采用类似丝网印刷的方法，这要求另外制作相应的掩膜板，该方法的制作成本较高，同时制作过程中还存在定位不准的问题。
发明内容
本发明的特征是从单晶硅片的正面和背面同时进行腐蚀，从而在热堆背面得到一个与红外吸收区大小相仿的窗口，通过此窗口自对准作用，在氮气氛下蒸发黑体，使得黑体直接沉积在热堆的背面，而无需制备专门的掩膜，也无需套准，从而大大简化了工艺过程。其具体工艺流程将在图3中进行介绍。
图3-1～4为形成此腐蚀结构的具体工艺步骤。
(1)在(100)的单晶硅片7上，先用低压化学气相沉积法(LPCVD)沉积一层氮化硅9，沉积温度为750℃-850℃，厚度为0.1-0.2微米；再沉积一层低温氧化硅膜LTO，或用LPCVD先沉积一层多晶硅，沉积温度为600℃-700℃，厚度为0.2-0.4微米，再将其全部氧化，形成一层氧化硅8，接着在氧化硅上用LPCVD沉积一层氮化硅9，至此形成了“氮化硅-氧化硅-氮化硅”三明治结构的复合介质膜。或在(100)单晶硅片上先热氧化得到一层厚度0.5-0.6微米的氧化层，接着用LPCVD方法沉积一层氮化硅，沉积温度为800℃，厚度为0.1-0.2微米，形成“氧化硅-氮化硅”的复合介质膜。在此二种复合膜上继续用LPCVD法沉积一层多晶硅，在其表面扩硼掺杂，使硼离子浓度达到1015厘米-3数量级后，将其表层氧化，利用氧化层做掩膜，光刻多晶硅条图形，用干法刻蚀得到多晶硅条10(如图3-1所示)。
(2)将整块硅片氧化，使得多晶硅条表面覆盖一层氧化硅8。然后光刻引线孔图形，引线孔用以使金属与多晶硅形成欧姆接触。用氢氟酸腐蚀氧化硅后，得到引线孔图形13(如图3-2)。
(3)在硅片表面沉积一层金属，一般可用铝、金、铂等。接着光刻金属线条11，经过腐蚀成形，就形成了多晶硅与金属的热偶对结构(如图3-3)。
(4)在硅片正面光刻腐蚀窗口，利用干法刻蚀，以及湿法腐蚀的方法，去掉窗口周围的“氮化硅-氧化硅-氮化硅”层或“氧化硅-氮化硅”层，形成正面腐蚀窗口14。然后进行背面套刻腐蚀窗口15，用氢氟酸腐蚀去掉氧化硅，暴露出衬底的硅。使用各向异性腐蚀剂四甲基氢氧化铵或氢氧化钾，在50℃-90℃温度范围下对硅的正反面同时进行腐蚀，得到热堆结构。最后在氮气氛下以腐蚀窗口15为掩膜，从硅片背面自对准蒸发金属黑体12，该黑体位于介质支撑膜的背部，至此便得到一个完整的红外热电堆探测器的红外吸收层，连同上述得到的热堆结构形成探测器(图3-4)。
为了进一步阐述本发明的显著进步和实质性特点，再与典型的微机械热电堆红外探测器作深入比较。
图1为典型微机械热电堆红外探测器结构示意图。由图1-1可以看到，使用各向异性腐蚀剂，如四甲基氢氧化氨(TMAH)或氢氧化钾(KOH)腐蚀后，在硅基体1的顶部留下一层很薄的复合介质膜2，侧壁为(111)。这层膜一般为氮化硅-氧化硅复合膜，或是氮化硅-氧化硅-氮化硅复合膜，膜与基体一一相连，中间没有孔隙。膜上面有热堆结构3，以及红外吸收区4，其中热堆的热结区5位于红外吸收区4附近，冷结区6在硅基体1上。
图1-2给出的是此器件的剖面图。其制造工艺为在一片(100)单晶硅7上，用低压化学气相沉积法(LPCVD)沉积氮化硅9和多晶硅膜，将后者全部热氧化生成氧化硅8，再用LPCVD法沉积一层氮化硅，这三者构成一层三明治状的复合支持膜。然后沉积多晶硅膜，扩硼掺杂，经光刻、刻蚀形成多晶硅条10，作为热偶的一部分。再沉积金属，通过光刻、腐蚀方法形成金属线条11，至此就形成了多晶硅和金属的热电堆结构。然后对硅片进行背面套刻腐蚀窗口，用各向异性腐蚀剂腐蚀，在硅片顶部留下了一层氮化硅-氧化硅-氮化硅的复合介质膜，侧壁为(111)。最后在表面沉积一层黑体12，作为红外吸收层，便得到了一个完整的微机械红外热电堆探测器。其中制作吸收层的工艺过程中需要定位掩膜，工艺较为复杂。
图4是利用腐蚀结构自对准制作的红外热电堆结构示意图。本例采用的是斜拉悬梁支撑膜结构，经过正反面同时腐蚀，得到黑体沉积窗口17，黑体材料从结构背面，通过此沉积窗口蒸发至复合支撑膜上，形成一六边形形状的黑体，作为热电堆的红外吸收区。
由此可见，本发明用结构自对准制作微机械热电堆红外探测器的红外吸收层，由于各向异性腐蚀生成的结构可以通过调整腐蚀温度与腐蚀时间等精确控制，因此红外吸收层的定位可以非常精确；同时，由于是自对准沉积，故无须另外制作定位掩膜板，这样可降低制作成本；除了支撑膜外，冷结区的硅衬底背面以及腐蚀孔侧壁(111)上也会有红外吸收材料沉积上去，但由于这些部位导热非常迅速，对于冷结区温度没有什么影响，故亦不用考虑消除的问题。综上所述，采用本发明的制作方法，对于微机械热电堆红外探测器的性能提高与成本的降低是很有裨益的。
附图说明
图1为典型的微机械热电堆红外探测器结构示意图图2为本发明提出的利用腐蚀结构自对准方法沉积红外吸收层的示意图图3为图2所示方法的具体工艺步骤图图4为利用腐蚀结构自对准制作的红外热电堆结构示意图图中，各数字所代表的含义分别为：1-(硅)基体；2-复合介质膜；3-热堆；4-红外吸收区；5-热结区；6-冷结区；7-单晶硅；8-氧化硅；9-氮化硅；10-多晶硅；11-金属线；12-黑体；13-引线孔；14-正面腐蚀窗口；15-背面腐蚀窗口；16-边框；17-黑体沉积窗口。
具体实施方式
接着用LPCVD沉积一层多晶硅，厚度为0.6微米，进行扩硼掺杂，使其具有一定的面电阻；再将其表面热氧化，光刻热偶硅条形状，以氧化硅为掩膜，用干法刻蚀形成热偶硅条10，条宽为十到几十微米，长为条宽的几倍到几十倍。
将多晶硅表层再次热氧化，光刻引线孔图形，用氢氟酸腐蚀得到引线孔13。
再在整个表面沉积金属层，本实例中可选用金(Au)为金属层。然后光刻出用于形成热偶的金属条11形状，金属条和掺杂的多晶硅条通过引线孔实现欧姆接触，形成热偶对，成为热堆3的主要构成。
正面光刻腐蚀窗口14，用干法刻蚀去掉氮化硅，用氢氟酸腐蚀除去氧化硅，将复合介质膜下的单晶硅7暴露出来。再进行背面套刻腐蚀窗口15，用氢氟酸去掉氧化硅，裸露出衬底的硅。然后利用氧化硅和复合介质膜作为掩膜，用各向异性腐蚀剂-四甲基氢氧化铵(TMAH)在80℃温度下对硅的正反面同时进行腐蚀，最终在硅片中心部位腐蚀穿通，得到如图2所示结构。此腐蚀孔正对热堆悬梁中心，我们将其作为黑体沉积窗口17，以此沉积窗口为掩膜，将其在氮气氛下沉积黑体，在悬梁背面得到一六边形黑体12，作为热电堆的红外吸收区(图4)。
实施例2在(100)单晶硅片上先热氧化，得到一层氧化硅，厚度为0.5微米，接着用LPCVD沉积一层氮化硅，沉积温度为800℃，厚度为0.15微米，得到一层“氧化硅-氮化硅”的复合介质膜。再用LPCVD沉积一层多晶硅，厚度为0.6微米，扩硼掺杂后，光刻多晶硅条，表面沉积金属铝，与多晶硅组成热偶对。待最后腐蚀结构时，改用KOH进行腐蚀，得到热堆结构。其余工艺同实施例1。
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