CN107990989A - 热电堆红外探测器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热电堆红外探测器及其制备方法，涉及热电堆红外探测器技术领域。热电堆红外探测器包括经加工硅衬底，在经加工硅衬底上设置的红外吸收层，对经加工硅衬底的中部进行图形化及腐蚀化后形成的开口向下的背腔，背腔内设置有金属反射层。通过经加工硅衬底、金属反射层、红外吸收层围合形成一腔体，腔体即为光学谐振腔。红外线通过透镜聚焦到红外吸收层，到达红外吸收层的红外线与经过金属反射层反射回来的红外线在红外吸收层刚好形成大约1/2光程差，从而形成驻波效应，使得聚焦到热端红外吸收层的红外线尽可能获得吸收。极大提高红外线吸收率，从而增大热电堆红外探测器的响应率和探测率，极大降低热电堆红外探测器的噪声等效温差。

Description

热电堆红外探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及热电堆红外探测器技术领域，具体而言，涉及一种热电堆红外探测器及其制备方法。

背景技术

非接触红外测温技术可快速方便地测量物体的表面温度，不需要机械地接触被测物体而快速测得温度读数，能可靠地测量热的、危险的或难以接触的物体，而不会污染或损坏被测物体。红外测温有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点，在产品质量控制和监测、设备在线故障诊断、安全保护以及节约能源等方面发挥了正在发挥着重要作用。

一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射特性如辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。红外位于可见光和无线电波之间，红外波长常用微米表示，波长范围为0.7微米～1000微米，实际上，0.7微米～14微米波带用于红外测温。

实现非接触红外测温的技术包括长波红外焦平面探测器、热释电红外探测器以及基于赛贝克效应的热电堆红外探测器。其中长波红外焦平面探测器因其较高的成本不适用于智能家居、智能楼宇等非常低成本应用。热释电红外探测器尽管成本低廉，但是因其需要机械斩波器，而使***的可靠性降低也限制了其应用。而热电堆红外探测器因为其低廉的价格、合适的性能非常适合智能家居、智能楼宇以及低成本非接触测温成为可能。

非接触红外测温由光学***、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学***汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照其内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。

传统的热电堆器件的热端的红外吸收率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热电堆红外探测器及其制备方法，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

本发明实施例提供了一种热电堆红外探测器，包括经加工硅衬底，在所述经加工硅衬底上设置的红外吸收层，对所述经加工硅衬底的中部进行图形化及腐蚀化后形成的开口向下的背腔，所述背腔内设置有金属反射层。通过所述经加工硅衬底、所述金属反射层、所述红外吸收层围合形成一腔体，所述腔体即为光学谐振腔。

进一步地，上述光学谐振腔的厚度不小于1μm。

进一步地，上述背腔内沿着所述金属反射层背面设置有支撑层，以支撑所述金属反射层。

进一步地，上述支撑层的材料为氧化硅和/或氮化硅。

进一步地，上述红外吸收层上设置有图形化后的两个热电偶第一种材料，所述两个热电偶第一种材料中的每相邻两个热电偶第一种材料之间的间隔距离为预设距离。

进一步地，上述两个热电偶第一种材料上和所述红外吸收层上覆盖有隔离膜。

进一步地，上述隔离膜与每个热电偶第一种材料的顶部接触面上均设置有两个接触孔，在所述两个接触孔中每相邻两个接触孔及每相邻两个接触孔之间的所述隔离膜的部分隔离膜上均设置有热电堆第二种材料，以形成金属热电堆互联图形。

进一步地，上述热电堆第二种材料表面上设置有钝化层。

进一步地，上述经加工硅衬底包括：原硅衬底、在所述原硅衬底上设置的第一复合膜的第一复合边缘部和第二复合边缘部、在所述第一复合边缘部上设置的牺牲层的第一牺牲边缘部和在所述第二复合边缘部上设置的所述牺牲层的第二牺牲边缘部。

第二方面，本发明实施例提供了一种热电堆红外探测器的制备方法，所述方法包括：在经加工硅衬底上设置红外吸收层；对经加工硅衬底的中部进行图形化及腐蚀化，形成开口向下的背腔；在所述背腔内设置金属反射层，进而通过所述经加工硅衬底、所述金属反射层、所述红外吸收层围合形成一腔体，所述腔体即为光学谐振腔。

本发明实施例的有益效果是：热电堆红外探测器包括经加工硅衬底，在所述经加工硅衬底上设置的红外吸收层，对所述经加工硅衬底的中部进行图形化及腐蚀化后形成的开口向下的背腔，所述背腔内设置有金属反射层。通过所述经加工硅衬底、所述金属反射层、所述红外吸收层围合形成一腔体，所述腔体即为光学谐振腔。红外线通过透镜聚焦到热电堆红外探测器热端的红外吸收层，一部分红外线被红外吸收层吸收，一部分可能穿过红外吸收层后入射到金属反射层上，再反射回到红外吸收层，这样到达红外吸收层的红外线与经过金属反射层反射面反射回来的红外线在红外吸收层刚好形成大约1/2光程差，从而形成驻波效应，使得聚焦到热端红外吸收层的红外线尽可能获得吸收。极大提高红外线吸收率，从而增大热电堆红外探测器的响应率和探测率，极大降低热电堆红外探测器的噪声等效温差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的传统热电堆红外探测器的第一结构图；

图2为本发明实施例提供的传统热电堆红外探测器的第二结构图；

图3为本发明实施例提供的热电堆红外探测器的制备方法中形成的第一结构图；

图4为本发明实施例提供的热电堆红外探测器的制备方法中形成的第二结构图；

图5为本发明实施例提供的热电堆红外探测器的制备方法中形成的第三结构图；

图6为本发明实施例提供的热电堆红外探测器的制备方法中形成的第四结构图；

图7为本发明实施例提供的热电堆红外探测器的制备方法中形成的第五结构图；

图8为本发明实施例提供的热电堆红外探测器的制备方法中形成的第六结构图；

图9为本发明实施例提供的热电堆红外探测器的制备方法中形成的第七结构图；

图10为本发明实施例提供的热电堆红外探测器的制备方法中形成的第八结构图；

图11为本发明实施例提供的热电堆红外探测器的制备方法中形成的第九结构图；

图12为本发明实施例提供的热电堆红外探测器的制备方法中形成的第十结构图；

图13为本发明实施例提供的热电堆红外探测器的制备方法中形成的第十一结构图；

图14为本发明实施例提供的热电堆红外探测器的制备方法中形成的第十二结构图；

图15为本发明实施例提供的热电堆红外探测器的结构图。

图中：200-热电堆红外探测器；210-原硅衬底；212-第一复合膜；2122-第一复合边缘部；2124-第二复合边缘部；214-牺牲层；2142-牺牲层中部；2144-第一牺牲边缘部；2146-第二牺牲边缘部；216-红外吸收层；218-热电偶第一种材料；220-隔离膜；2202-接触孔；222-热电堆第二种材料；224-钝化层；2242-线孔；226-背腔；228-金属反射层；230-支撑层；232-光学谐振腔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示的传统热电堆红外探测器，热电堆是一种热释红外线传感器，热电堆是由两个或多个基于热电效应——Seebeck效应来工作的热电偶串接组成，各热电偶输出的热电势互相叠加即为热电堆的输出电压。热电堆的结构由热端红外吸收面及冷端参考温度端组成，H表示热端，C表示冷端，传统热电堆红外探测器结构采用一个悬空的具有较高赛贝克系数差的不同材料(比如P型多晶硅和金属铝)接触成为热电堆的热端；而位于基底上的不同材料接触成为热电堆的冷端。这样多个冷、热端首尾相连形成热电堆器件。通常冷端代表环境温度，热端与冷端的温度差代表器件热端吸收的净辐射热(热端吸收的辐射热减去热端传导、对流及辐射出去的热量)与热端热容的比值。热端与冷端的温度差越大，热电堆输出的电压信号越大。通过合理的光学和热学设计，使得热端具有较高的8～14um长波红外吸收率及合适热容及热导，从而实现适合的热时间常数(时间常数＝热端热容/热端到冷端热导)以达到较高的器件响应率和探测率，以及较低的噪声等效温差(NETD，NoiseEquivalent Temperature Difference)。

请参阅图2，所示的传统热电堆红外探测器，包括衬底110、设置在衬底110上的热端薄膜120、设置在所述热端薄膜上的热电堆材料130、金属铝150、热电堆材料130和金属铝150之间的薄膜层140、钝化层上设置的孔160。热端薄膜120的厚度为仅有约1～2um，很难同时实现较高的红外吸收率、较低的热容、较低的热导，从而实现较高的响应率和探测率以及较低的NETD。

为了实现较高的红外吸收率，需要增加器件热端薄膜的厚度，这势必增加器件热端的热容和热导，由以上分析知道，热端热容增大以及热导增大，将使热端吸收的红外辐射热的大部分通过热传导导入冷端，热端吸收的净辐射热减少，而且因为热端热容增大，直接导致热端和冷端的温度差降低，从而降低器件的响应率、探测率，并升高器件的NETD。

如果降低热端薄膜的厚度，势必降低热端的红外辐射吸收率，也达不到提高器件性能的目的。而且，因为降低热端薄膜厚度，将大大增加工艺加工的难度。在其间背腔工艺过程中，非常容易导致热端薄膜的破裂，从而破坏器件。

为了解决现在热电堆红外探测器存在的这些缺陷，本发明实施例提供了一种热电堆红外探测器及其制备方法，通过改变热电堆器件红外探测器结构，既增大热端薄膜的吸收率，又降低热端薄膜的热容和热导，提高响应率和探测率，从而降低噪声等效温差。

本发明实施例提供了一种热电堆红外探测器的制备方法，所述方法可以包括：

在经加工硅衬底上设置红外吸收层；

对经加工硅衬底的中部进行图形化及腐蚀化，形成开口向下的背腔；

在所述背腔内设置金属反射层，进而通过所述经加工硅衬底、所述金属反射层、所述红外吸收层围合形成一腔体，所述腔体即为光学谐振腔。

进一步地，请参阅图3-图5，在经加工硅衬底上设置红外吸收层，包括：

在原硅衬底210上设置第一复合膜212；

在所述第一复合膜212上设置牺牲层214；

将所述牺牲层214刻蚀成图形，形成牺牲层中部2142、第一牺牲边缘部2144和第二牺牲边缘部2146；

在所述牺牲层中部2142、所述第一牺牲边缘部2144和所述第二牺牲边缘部2146上设置红外吸收层216。

进一步地，进一步地，请参阅图6-图12，在所述牺牲层中部2142、所述第一牺牲边缘部2144和所述第二牺牲边缘部2146上设置红外吸收层216之后，对经加工硅衬底的中部进行图形化及腐蚀化，形成开口向下的背腔之前，所述方法还可以包括：

在所述红外吸收层216上设置热电堆第一种材料并图形化，形成图形化后的两个热电偶第一种材料218，所述两个热电偶第一种材料218中的每相邻两个热电偶第一种材料218之间的间隔距离为预设距离；

在所述两个热电偶第一种材料218上和所述红外吸收层216上覆盖有隔离膜220；在所述隔离膜220与每个所述热电偶第一种材料218的顶部接触面上均设置两个接触孔2202；

在所述两个接触孔2202中每相邻两个接触孔2202及每相邻两个接触孔2202之间的所述隔离膜220的部分隔离膜上均设置热电堆第二种材料222，以形成金属热电堆互联图形；

在所述热电堆第二种材料222表面上设置钝化层224并图形化；所述图形化后的钝化层224上设置两个线孔2242。

相应地，对经加工硅衬底的中部进行图形化及腐蚀化，形成开口向下的背腔，包括：

对所述原硅衬底210的中部进行图形化及腐蚀化，形成开口向下的背腔226。

进一步地，对所述原硅衬底210的中部进行图形化及腐蚀化，形成开口向下的背腔226，包括：

对所述原硅衬底210的中部进行图形化、深硅刻蚀或者KOH湿法腐蚀单晶硅，形成开口向下的背腔226。

进一步地，请参阅图13，在对所述原硅衬底210的中部进行图形化、深硅刻蚀或者KOH湿法腐蚀单晶硅，形成开口向下的背腔226之后，在所述背腔内设置金属反射层之前，所述方法还可以包括：

对所述第一复合膜212的中部进行腐蚀，形成第一复合边缘部2122和第二复合边缘部2124。

进一步地，请参阅图14-15，所述背腔内设置金属反射层，包括：

所述背腔226内通过蒸发或者溅射设置金属反射层228；

在所述金属反射层228上通过等离子增强化学气相沉积的方式沿着所述金属反射层228背面设置支撑层230，以支撑所述金属反射层228；

通过所述线孔2242，采用DHF、XeF2或者O2等离子体与所述牺牲层中部2142进行化学反应后，形成所述光学谐振腔232。

本发明实施例提供的一种热电堆红外探测器的制备方法，在经加工硅衬底上设置红外吸收层；对经加工硅衬底的中部进行图形化及腐蚀化，形成开口向下的背腔；在所述背腔内设置金属反射层，进而通过所述经加工硅衬底、所述金属反射层、所述红外吸收层围合形成一腔体，所述腔体即为光学谐振腔。红外线通过透镜聚焦到热电堆红外探测器热端的红外吸收层，一部分红外线被红外吸收层吸收，一部分可能穿过红外吸收层后入射到金属反射层上，再反射回到红外吸收层，这样到达红外吸收层的红外线与经过金属反射层反射面反射回来的红外线在红外吸收层刚好形成大约1/2光程差，从而形成驻波效应，使得聚焦到热端红外吸收层的红外线尽可能获得吸收。极大提高红外线吸收率，从而增大热电堆红外探测器的响应率和探测率，极大降低热电堆红外探测器的噪声等效温差。

请参阅图15，本发明实施例提供了一种热电堆红外探测器200，包括经加工硅衬底，在所述经加工硅衬底上设置的红外吸收层216，对所述经加工硅衬底的中部进行图形化及腐蚀化后形成的开口向下的背腔226，所述背腔226内设置有金属反射层228。通过所述经加工硅衬底、所述金属反射层228、所述红外吸收层216围合形成一腔体，所述腔体即为光学谐振腔232。

进一步地，所述光学谐振腔232的厚度不小于1μm。在本实施例中，所述光学谐振腔232的厚度可以为8～14um长波红外线约1/4波长。例如，所述光学谐振腔232的厚度可以为2μm。红外吸收层216的厚度可以为0.5μm。以显著降低热端红外吸收层的厚度。从而既提高热电堆红外探测器热端的红外吸收率，又降低热端薄膜的热容和热导的目的。

进一步地，所述背腔226内沿着所述金属反射层228背面设置有支撑层230，以支撑所述金属反射层228。

进一步地，所述支撑层230的材料可以为氧化硅和/或氮化硅。

进一步地，所述红外吸收层216上设置有图形化后的两个热电偶第一种材料218，所述两个热电偶第一种材料218中的每相邻两个热电偶第一种材料218之间的间隔距离为预设距离。

进一步地，所述两个热电偶第一种材料218上和所述红外吸收层216上覆盖有隔离膜220。

进一步地，所述隔离膜220与每个热电偶第一种材料218的顶部接触面上均设置有两个接触孔2202，在所述两个接触孔2202中每相邻两个接触孔2202及每相邻两个接触孔2202之间的所述隔离膜220的部分隔离膜上均设置有热电堆第二种材料222，以形成金属热电堆互联图形。

进一步地，所述热电堆第二种材料222可以为铝。

进一步地，所述热电堆第二种材料222表面上设置有钝化层224。

进一步地，所述钝化层224上设置有两个线孔2242。既不影响8～14um长波红外的吸收率，还降低了桥面热容和热导，从而进一步提高了热电堆红外探测器的响应率和探测率，可以显著降低热电堆红外探测器的噪声等效温差。在保持热电堆红外探测器性能不变的前提下，可以显著减小芯片面积，相应地也可以减小热端红外吸收层的面积和背腔的尺寸，可以进一步降低背腔刻蚀时热端膜破裂的风险，显著提高了器件的可制造性。

进一步地，所述隔离膜220的材料可以为氧化硅和/或氮化硅。所述钝化层224的材料可以为氧化硅和/或氮化硅。

进一步地，所述经加工硅衬底包括：原硅衬底210、在所述原硅衬底210上设置的第一复合膜212的第一复合边缘部2122和第二复合边缘部2124、在所述第一复合边缘部2122上设置的牺牲层214的第一牺牲边缘部2144和在所述第二复合边缘部2124上设置的所述牺牲层的第二牺牲边缘部2146。

进一步地，所述第一复合膜212的材料可以为氧化硅。第一复合边缘部2122和第二复合边缘部2124的材料可以为氧化硅。所述牺牲层的材料可以为多晶硅、聚酰亚胺。即第一牺牲边缘部2144和所述第二牺牲边缘部2146的材料可以为多晶硅、聚酰亚胺。

进一步地，所述红外吸收层216的材料可以为氧化硅和/或氮化硅。

此外，可以显著减小芯片面积，从而减小背腔面积，从而增加了热电堆红外探测器的制造良率，提高了热电堆红外探测器的可制造性，大大降低了热电堆红外探测器的制造成本。

本发明实施例提供的一种热电堆红外探测器200的工作原理如下：

8～14um波长的红外线通过透镜聚焦到热电堆红外探测器热端的红外吸收层216，一部分红外线被红外吸收层216吸收，一部分可能穿过红外吸收层216后入射到金属反射层228上，再反射回到红外吸收层216，这样到达红外吸收层216的红外线与经过金属反射层228反射面反射回来的红外线在红外吸收层刚好形成大约1/2光程差，从而形成驻波效应，使得聚焦到热端红外吸收层216的红外线尽可能获得吸收。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的热电堆红外探测器的具体工作过程，可以参考前述热电堆红外探测器的制备方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本发明实施例提供的一种热电堆红外探测器，包括经加工硅衬底，在所述经加工硅衬底上设置的红外吸收层，对所述经加工硅衬底的中部进行图形化及腐蚀化后形成的开口向下的背腔，所述背腔内设置有金属反射层。通过所述经加工硅衬底、所述金属反射层、所述红外吸收层围合形成一腔体，所述腔体即为光学谐振腔。红外线通过透镜聚焦到热电堆红外探测器热端的红外吸收层，一部分红外线被红外吸收层吸收，一部分可能穿过红外吸收层后入射到金属反射层上，再反射回到红外吸收层，这样到达红外吸收层的红外线与经过金属反射层反射面反射回来的红外线在红外吸收层刚好形成大约1/2光程差，从而形成驻波效应，使得聚焦到热端红外吸收层的红外线尽可能获得吸收。极大提高红外线吸收率，从而增大热电堆红外探测器的响应率和探测率，极大降低热电堆红外探测器的噪声等效温差。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热电堆红外探测器，其特征在于，包括经加工硅衬底，在所述经加工硅衬底上设置的红外吸收层，对所述经加工硅衬底的中部进行图形化及腐蚀化后形成的开口向下的背腔，所述背腔内设置有金属反射层；通过所述经加工硅衬底、所述金属反射层、所述红外吸收层围合形成一腔体，所述腔体即为光学谐振腔。

2.根据权利要求1所述的热电堆红外探测器，其特征在于，所述光学谐振腔的厚度不小于1μm。

3.根据权利要求1所述的热电堆红外探测器，其特征在于，所述背腔内沿着所述金属反射层背面设置有支撑层，以支撑所述金属反射层。

4.根据权利要求3所述的热电堆红外探测器，其特征在于，所述支撑层的材料为氧化硅和/或氮化硅。

5.根据权利要求1-4中任一权项所述的热电堆红外探测器，其特征在于，所述红外吸收层上设置有图形化后的两个热电偶第一种材料，所述两个热电偶第一种材料中的每相邻两个热电偶第一种材料之间的间隔距离为预设距离。

6.根据权利要求5所述的热电堆红外探测器，其特征在于，所述两个热电偶第一种材料上和所述红外吸收层上覆盖有隔离膜。

7.根据权利要求6所述的热电堆红外探测器，其特征在于，所述隔离膜与每个热电偶第一种材料的顶部接触面上均设置有两个接触孔，在所述两个接触孔中每相邻两个接触孔及每相邻两个接触孔之间的所述隔离膜的部分隔离膜上均设置有热电堆第二种材料，以形成金属热电堆互联图形。

8.根据权利要求7所述的热电堆红外探测器，其特征在于，所述热电堆第二种材料表面上设置有钝化层。

9.根据权利要求8所述的热电堆红外探测器，其特征在于，所述经加工硅衬底包括：原硅衬底、在所述原硅衬底上设置的第一复合膜的第一复合边缘部和第二复合边缘部、在所述第一复合边缘部上设置的牺牲层的第一牺牲边缘部和在所述第二复合边缘部上设置的所述牺牲层的第二牺牲边缘部。

10.一种热电堆红外探测器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

在经加工硅衬底上设置红外吸收层；

对经加工硅衬底的中部进行图形化及腐蚀化，形成开口向下的背腔；

在所述背腔内设置金属反射层，进而通过所述经加工硅衬底、所述金属反射层、所述红外吸收层围合形成一腔体，所述腔体即为光学谐振腔。