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。這類探測器通常不需要致冷，可以常溫工作，并對較大范圍內(nèi)的紅外光響應均勻，由于成本較低，可以大批量生產(chǎn)，因此在安全監(jiān)視、醫(yī)學治療、生命探測等方面有廣泛應用。

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)。隨著微電子機械系統(tǒng)MEMS 技術的發(fā)展，1982 年美國密歇根大學的K． D． Wise等人［1］率先采用微機械手段制作了兩種封閉膜結構的硅基熱電堆紅外探測器。此后的研究主要集中在拓展構成熱電堆的材料和研究釋放熱電堆的工藝方面。構成熱偶的材料除了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構。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，但其制作過程與標準CMOS工藝不兼容；第二，傳統(tǒng)的背向腐蝕需要正反對準，工藝復雜，并且限制了器件尺寸進而影響了性能；第三，現(xiàn)有的正向腐蝕技術多是采用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，更阻礙了與信號處理電路的集成。

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

1 設計和制作

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成熱電堆的冷結區(qū)和熱結區(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合膜構成。該結構的具體特征是制作了中間懸浮的紅外吸收層，并設計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格沿著特定晶向排布，從而大大增加了設計的靈活性。

熱電堆紅外探測器是基于MEMS 技術加工的，工藝步驟如圖2，圖2 （a）復合介質膜的生長。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-氮化硅復合介質膜結構。（b）形成多晶硅條。在復合介質膜上用LPCVD沉積多晶硅（0.8～1.0μm），B離子注入摻雜，退火調整其方塊電阻為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）干法刻蝕釋放結構。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，釋放熱電堆結構。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，從而形成懸浮膜結構的紅外吸收層進而實現(xiàn)器件的釋放。影響XeF2氣體釋放效果的主要因素包括負載，即需要釋放的器件結構、器件表面與氣體接觸情況、器件數(shù)目及其在XeF2刻蝕反應腔內(nèi)的分布狀況等和控制刻蝕的各項參數(shù)，即刻蝕循環(huán)數(shù)目、每個循環(huán)刻蝕時間及XeF2壓力?？紤]到實驗可行性，本文固定負載，重點研究控制刻蝕的各項參數(shù)的作用。為提高實驗效率，采用正交實驗方法優(yōu)化釋放條件。實驗表明，對于本文所提出的器件，特定負載下的優(yōu)化控制參數(shù)為：20個刻蝕循環(huán)，每個循環(huán)的刻蝕時間為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，斬波器用來調制熱電堆探測器產(chǎn)生的直流信號、信號處理電路、示波器。圖4 中釋放后的熱電堆探測器通過標有“＋ ”和“－ ”號的引腳將直流電壓信號接入處理電路的前置放大器。前置放大器的作用是對微弱的傳感器信號進行初步放大，方便后續(xù)的濾波處理，放大倍數(shù)如果太大會在濾波處理之前引入很大的噪聲。

表征探測器性能的三個主要指標為響應率、探測率和時間常數(shù)。測試結果：響應率13～15 V/W，探測率（1.85～2.15） × 107cmHz1/2/W，時間常數(shù)20～25 ms，其中，響應率和探測率通過輸出電壓來計算，放大1 000 倍后的電壓信號如圖5 （a）所示。通過調節(jié)斬波器的轉動頻率，使輸出電壓的幅值達到幅值的1 × 10 － 1倍，此時的上升時間即時間常數(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），熱偶對數(shù)20，串聯(lián)電阻16～18 kΩ。通過調整離子注入劑量和能量，可以進一步減小串聯(lián)電阻，進而提高探測率和響應率。

3 結語

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損壞器件結構，這就限制了器件尺寸，不能制作較大的吸收層，還容易導致結構變形甚至破裂或粘附等問題。另一方面使得腐蝕開口設計更加多樣化，進而可以優(yōu)化探測器的幾何構型。正面刻蝕降低了正反對準對光刻機的要求，降低了生產(chǎn)成本。本文所介紹的探測器所有結構都是由標準CMOS工藝中最常見的材料構成，便于將模擬放大器等后端信號處理電路整合到傳感器中，真正實現(xiàn)集信號產(chǎn)生和處理于一體的MEMS系統(tǒng)。

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