CMOS工藝兼容的熱電堆紅外探測器

0 引言

熱電堆紅外探測器是最早發(fā)展的一種熱紅外探測器，其工作原理基于Seebeck 效應(yīng)。這類探測器通常不需要致冷，可以常溫工作，并對(duì)較大范圍內(nèi)的紅外光響應(yīng)均勻，由于成本較低，可以大批量生產(chǎn)，因此在安全監(jiān)視、醫(yī)學(xué)治療、生命探測等方面有廣泛應(yīng)用。

早期的熱電堆紅外探測器是利用真空鍍膜的方法器件尺寸較大，不易批量生產(chǎn)。隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)MEMS 技術(shù)的發(fā)展，1982 年美國密歇根大學(xué)的K． D． Wise等人［1］率先采用微機(jī)械手段制作了兩種封閉膜結(jié)構(gòu)的硅基熱電堆紅外探測器。此后的研究主要集中在拓展構(gòu)成熱電堆的材料和研究釋放熱電堆的工藝方面。構(gòu)成熱偶的材料除了Bi、Ｓb以及它們的合金以外，Poly/Au、Poly/Al、N-Poly/P-Poly 等［2-5］組合逐漸成為微機(jī)械熱電堆探測器的主要材料。各向異性的濕法腐蝕液EDP、KOH 和TMAH等［4-8］被用來正面腐蝕硅襯底從而釋放熱電堆結(jié)構(gòu)。以往制作的紅外熱電堆探測器存在以下問題：第一，雖然金屬熱電偶具有較大優(yōu)值，但其制作過程與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝不兼容；第二，傳統(tǒng)的背向腐蝕需要正反對(duì)準(zhǔn)，工藝復(fù)雜，并且限制了器件尺寸進(jìn)而影響了性能；第三，現(xiàn)有的正向腐蝕技術(shù)多是采用TMAH 濕法腐蝕，這就限制了腐蝕開口的形狀和取向，還需特別注意保護(hù)某些材料不被腐蝕。這些問題影響了探測器本身性能的提高，更阻礙了與信號(hào)處理電路的集成。

針對(duì)傳統(tǒng)方法存在的問題，本文實(shí)現(xiàn)了一種正面開口的熱電堆結(jié)構(gòu)，采用XeF2作為工作氣體干法刻蝕工藝釋放器件。相對(duì)于刻蝕硅，XeF2氣體對(duì)鋁等材料的刻蝕速率極小，這樣就可以采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中最常用的材料，如Poly/Al 構(gòu)成熱電偶，從而大大提高兼容性。

1 設(shè)計(jì)和制作

本文提出的熱電堆探測器包括硅基體、框架、熱電堆、支撐臂、紅外吸收層、刻蝕開口六部分，如圖1 所示，其中，基體和懸浮于框架中間的紅外吸收層分別構(gòu)成熱電堆的冷結(jié)區(qū)和熱結(jié)區(qū)，支撐臂起到連接框架和紅外吸收區(qū)以及承載熱電堆的目的。支撐臂和紅外吸收層是由在單晶硅上淀積的氧化硅和氮化硅復(fù)合膜構(gòu)成。該結(jié)構(gòu)的具體特征是制作了中間懸浮的紅外吸收層，并設(shè)計(jì)了用于干法刻蝕基體的腐蝕開口。由于干法刻蝕的各向同性，腐蝕開口的形狀可以多種多樣，不同于濕法腐蝕開口必須嚴(yán)格沿著特定晶向排布，從而大大增加了設(shè)計(jì)的靈活性。

熱電堆紅外探測器是基于MEMS 技術(shù)加工的，工藝步驟如圖2，圖2 （a）復(fù)合介質(zhì)膜的生長。在拋光的Si 片上，首先熱生長氧化硅0.5～0.6μm，再用LPCVD 沉積SiN 0.1～0.2μm，形成氧化硅-氮化硅復(fù)合介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)。（b）形成多晶硅條。在復(fù)合介質(zhì)膜上用LPCVD沉積多晶硅（0.8～1.0μm），B離子注入摻雜，退火調(diào)整其方塊電阻為30～40Ω。第一次光刻，BＯE 腐蝕或離子束刻蝕形成多晶硅條，作為熱偶的一種組分。（c）光刻引線孔。在（b）中形成的多晶硅上面，淀積一層氧化硅（0.5～0.6μm）作為絕緣層，第二次光刻，形成引線孔。（d）形成鋁條和熱電偶。濺射Al，第三次光刻，濕法腐蝕形成鋁條，進(jìn)而形成熱電偶。（e）光刻刻蝕開口。第四次光刻，形成干法刻蝕的氣體通道。（f）干法刻蝕釋放結(jié)構(gòu)。工作氣體經(jīng)由（e）中形成的刻蝕開口刻蝕硅襯底，形成懸浮的吸收層，釋放熱電堆結(jié)構(gòu)。圖3 是制作完成的熱電堆器件。

制作完成的熱電堆器件采用XeF2氣體從正面腐蝕單晶硅襯底，從而形成懸浮膜結(jié)構(gòu)的紅外吸收層進(jìn)而實(shí)現(xiàn)器件的釋放。影響XeF2氣體釋放效果的主要因素包括負(fù)載，即需要釋放的器件結(jié)構(gòu)、器件表面與氣體接觸情況、器件數(shù)目及其在XeF2刻蝕反應(yīng)腔內(nèi)的分布狀況等和控制刻蝕的各項(xiàng)參數(shù)，即刻蝕循環(huán)數(shù)目、每個(gè)循環(huán)刻蝕時(shí)間及XeF2壓力?？紤]到實(shí)驗(yàn)可行性，本文固定負(fù)載，重點(diǎn)研究控制刻蝕的各項(xiàng)參數(shù)的作用。為提高實(shí)驗(yàn)效率，采用正交實(shí)驗(yàn)方法優(yōu)化釋放條件。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于本文所提出的器件，特定負(fù)載下的優(yōu)化控制參數(shù)為：20個(gè)刻蝕循環(huán)，每個(gè)循環(huán)的刻蝕時(shí)間為60s，XeF2壓力為532 Ｐa。圖4 為成功釋放后的熱電堆探測器。

2 測試

本文所使用的測試系統(tǒng)主要包括黑體作為紅外輻射源，光闌用于減弱背景輻射，斬波器用來調(diào)制熱電堆探測器產(chǎn)生的直流信號(hào)、信號(hào)處理電路、示波器。圖4 中釋放后的熱電堆探測器通過標(biāo)有“＋ ”和“－ ”號(hào)的引腳將直流電壓信號(hào)接入處理電路的前置放大器。前置放大器的作用是對(duì)微弱的傳感器信號(hào)進(jìn)行初步放大，方便后續(xù)的濾波處理，放大倍數(shù)如果太大會(huì)在濾波處理之前引入很大的噪聲。

表征探測器性能的三個(gè)主要指標(biāo)為響應(yīng)率、探測率和時(shí)間常數(shù)。測試結(jié)果：響應(yīng)率13～15 V/W，探測率（1.85～2.15） × 107cmHz1/2/W，時(shí)間常數(shù)20～25 ms，其中，響應(yīng)率和探測率通過輸出電壓來計(jì)算，放大1 000 倍后的電壓信號(hào)如圖5 （a）所示。通過調(diào)節(jié)斬波器的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，使輸出電壓的幅值達(dá)到幅值的1 × 10 － 1倍，此時(shí)的上升時(shí)間即時(shí)間常數(shù)，如圖5 （b）所示。其他器件參數(shù)：幾何尺寸2 mm × 2 mm （釋放前），熱偶對(duì)數(shù)20，串聯(lián)電阻16～18 kΩ。通過調(diào)整離子注入劑量和能量，可以進(jìn)一步減小串聯(lián)電阻，進(jìn)而提高探測率和響應(yīng)率。

3 結(jié)語

介紹了一種采用MEMS工藝制作的熱電堆紅外探測器，并采用XeF2氣體干法刻蝕工藝成功釋放了器件。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于使用干法刻蝕降低了工藝難度，避免了濕法腐蝕的諸多問題，例如，濕法腐蝕溶液不可避免的沖擊可能會(huì)損壞器件結(jié)構(gòu)，這就限制了器件尺寸，不能制作較大的吸收層，還容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形甚至破裂或粘附等問題。另一方面使得腐蝕開口設(shè)計(jì)更加多樣化，進(jìn)而可以優(yōu)化探測器的幾何構(gòu)型。正面刻蝕降低了正反對(duì)準(zhǔn)對(duì)光刻機(jī)的要求，降低了生產(chǎn)成本。本文所介紹的探測器所有結(jié)構(gòu)都是由標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中最常見的材料構(gòu)成，便于將模擬放大器等后端信號(hào)處理電路整合到傳感器中，真正實(shí)現(xiàn)集信號(hào)產(chǎn)生和處理于一體的MEMS系統(tǒng)。

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