高性能MEMS熱電堆紅外探測器結構及其制備方法技術

本發明專利技術涉及一種高性能MEMS熱電堆紅外探測器結構及其制備方法，其包括襯底；襯底的上表面設置介質支撐膜，襯底內形成熱隔離腔體；熱隔離腔體的正上方設有吸收材料支撐膜，吸收材料支撐膜上設納米纖維體；吸收材料支撐膜的外側設有若干熱電堆，且吸收材料支撐膜外側的若干熱電堆串接后電連接成一體；熱電堆的探測熱端與吸收材料支撐膜相接觸，熱電堆的探測冷端通過介質支撐膜與襯底接觸；相互串接的熱電堆外側設置用于將探測電壓輸出的金屬電極，熱電堆的探測冷端位于熱隔離腔體的外側上方。本發明專利技術納米纖維體的制備過程便捷，結構簡單易于實現，便于單片集成，同時器件的響應率及探測率高，又能與CMOS工藝相兼容，適用范圍廣，安全可靠。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種紅外探測器結構及其制備方法，尤其是一種高性能MEMS熱電堆紅外探測器結構及其制備方法，具體地說是一種基于納米纖維體的高性能熱電堆紅外探測器結構及其制備方法，屬于MEMS的

技術介紹
MEMS熱電堆紅外探測器是傳感探測領域的一種典型器件，是組成溫度傳感器、均方根轉換器、氣敏傳感器、熱流量計等傳感探測器件的核心部件之一，與此同時，小尺寸熱電堆紅外探測器還可構建紅外焦平面陣列(FPA)器件實現紅外成像。熱電堆紅外探測器與基于其它工作原理的紅外探測器(如熱釋電型紅外探測器和熱敏電阻型紅外探測器等)相比具有可測恒定輻射量、無需加偏置電壓、無需斬波器、更適用于移動應用與野外應用等明顯的綜合優點。因而，MEMS ((Micro-Electro-Mechanical Systems))熱電堆紅外探測器對于實現更為寬廣的紅外探測應用具有非常重要的意義，其民用、軍用前景廣闊，商業價值和市場潛力非常巨大。可以說，關于MEMS熱電堆紅外探測器的研究開發工作已形成21世紀一個新的高技術產業增長點。可以預見，MEMS熱電堆紅外探測器將在傳感探測的眾多方面形成更加廣泛的應用。特別是，隨著微機電技術，包括器件設計、制造、封裝和測試等技術手段的日益成熟，MEMS熱電堆紅外探測器將凸顯更加重要的地位。響應率和探測率是描述紅外探測器的兩個重要性能指標，決定了紅外探測器在不同領域的應用潛力。其中，響應率是器件輸出電信號與入射紅外輻射功率的比值，表征了紅外探測器響應紅外輻射的靈敏度，同時又很大程度地影響著探測率的值。對于一定尺寸的器件結構，增大吸收區面積占總體面積的比例，同時增加熱電偶的對數，有利于提高器件的響應率與探測率。此外，對于結構、尺寸參數以及熱偶材料等均已確定的熱電堆紅外探測器，其響應率和探測率的值取決于紅外吸收區對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的材料，然而在常用紅外波長范圍內其吸收效率不高，進而，基于氮化硅紅外吸收層的紅外傳感器無法獲得很高的響應率和探測率。鑒于此，要提高探測器的性能指標，應增大紅外吸收區的吸收效率。在對紅外探測器進行研究的數十年中，科研人員已經開發出了多種具有高吸收率且可作為紅外吸收區的材料或結構。其中，金黑因其表面的納米粗糙結構而具有很好的紅外吸收效果，又因其熱容較低，在紅外探測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時，器件的響應率和探測率可相應提高。然而，金黑的制備工藝涉及到金屬蒸發和金屬納米顆粒的凝集等工序，過程較為復雜，且其與CMOS工藝的兼容性也較差，一般只能在器件結構加工完成后再將其制作在結構的表面。鑒于此，以黑金為吸收區的探測器其大批量的生產就受到了限制。1/4波長諧振結構利用介質層厚度與入射紅外光波的1/4波長相匹配時所產生的諧振效果使紅外吸收區的吸收效率達到最大。然而，受諧振條件的制約，以1/4波長諧振結構為吸收區的探測器只能敏感中心波長為某一特定值的紅外輻射。此外，制備1/4波長諧振結構時對工藝參數的要求極其嚴格苛刻，若介質層厚度與波長之間稍有不匹配，將造成紅外吸收效率的極大衰減。大面積的納米柱森林結構所形成的黑硅亦被用于紅外吸收區，但在對器件結構進行釋放時需要對黑硅進行特殊保護，以免黑硅結構被破壞，這就在一定程度上增加了器件制備方法的復雜程度。
技術實現思路
本專利技術的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種高性能MEMS熱電堆紅外探測器結構及其制備方法，其納米纖維體的制備過程便捷，MEMS熱電堆紅外探測器的結構簡單易于實現，便于單片集成，同時器件的響應率、探測率高，又能與CMOS工藝相兼容，適用范圍廣，安全可靠。按照本專利技術提供的技術方案，所述高性能MEMS熱電堆紅外探測器結構，包括襯底；所述襯底的上表面設置介質支撐膜，所述介質支撐膜與襯底內的釋放阻擋體共同形成釋放阻擋帶，襯底內的上部通過釋放阻擋帶形成熱隔離腔體；熱隔離腔體的正上方設有吸收材料支撐膜，所述吸收材料支撐膜上設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設有若干熱電堆，且所述吸收材料支撐膜外側的若干熱電堆串接后電連接成一體；熱電堆對應鄰近吸收材料支撐膜的一端形成探測熱端，熱電堆對應遠離吸收材料支撐膜的一端形成探測冷端，熱電堆的探測熱端與吸收材料支撐膜相接觸，熱電堆的探測冷端通過介質支撐膜與襯底接觸；相互串接的熱電堆外側設置用于將探測電壓輸出的金屬電極，熱電堆的探測冷端位于熱隔離腔體的外側上方。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償結構，襯底的上方通過四角補償結構形成長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性光刻膠，所述正性光刻膠包括RZJ光刻膠、SPR光刻膠，負性光刻膠包括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應配合的第二熱偶條，所述第一熱偶條及第二熱偶條對應形成探測熱端的一端通過第二金屬連接線電連接，第一熱偶條及第二熱偶條對應形成探測冷端的一端通過第一金屬連接線電連接，以將吸收材料支撐膜外側的熱電堆串聯成一體。所述形成第一熱偶條、第二熱偶條的材料包括Al-PolyS1、T1-PolySi或具有不同摻雜類型的多晶硅。一種高性能MEMS熱電堆紅外探測器結構的制備方法，所述紅外探測器結構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，以在襯底內得到隔離槽； C、去除上述隔離槽掩蔽層，并在襯底上設置介質支撐膜，且所述介質支撐膜填充在隔離槽內，以在襯底上形成所需的釋放阻擋帶； d、在上述介質支撐膜上設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置熱偶條保護膜，且選擇性地掩蔽和刻蝕熱偶條保護膜，以在熱偶條保護膜上形成所需的金屬接觸孔； f、在上述金屬接觸孔內濺射金屬層，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應的第二熱偶條串接，以形成若干串接成一體的熱電堆； g、在上述介質支撐膜上設置吸收材料支撐膜，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支撐膜刻蝕窗口，利用所述介質支撐膜刻蝕窗口刻蝕介質支撐膜，以形成貫通介質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，并在所述光刻膠內形成光刻膠內腐蝕釋放通道，所述光刻膠內腐蝕釋放通道與腐蝕釋放通道相連通； i2、對上述光刻膠進行氧等離子體轟擊，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合層。本專利技術的優點:在襯底上通過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本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高性能MEMS熱電堆紅外探測器結構，包括襯底（101）；其特征是：所述襯底（101）的上表面設置介質支撐膜（301），所述介質支撐膜（301）與襯底（101）內的釋放阻擋體共同形成釋放阻擋帶（302），襯底（101）內的上部通過釋放阻擋帶（302）形成熱隔離腔體（1101）；熱隔離腔體（1101）的正上方設有吸收材料支撐膜（701），所述吸收材料支撐膜（701）上設有用于吸收紅外輻射的納米纖維體（1001）；吸收材料支撐膜（701）的外側設有若干熱電堆，且所述吸收材料支撐膜（701）外側的若干熱電堆串接后電連接成一體；熱電堆對應鄰近吸收材料支撐膜（701）的一端形成探測熱端，熱電堆對應遠離吸收材料支撐膜（701）的一端形成探測冷端，熱電堆的探測熱端與吸收材料支撐膜（701）相接觸，熱電堆的探測冷端通過介質支撐膜（301）與襯底（101）接觸；相互串接的熱電堆外側設置用于將探測電壓輸出的金屬電極（601），熱電堆的探測冷端位于熱隔離腔體（1101）的外側上方。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：毛海央，歐文，吳文剛，歐毅，
申請(專利權)人：江蘇物聯網研究發展中心，
類型：發明
國別省市：