[发明专利]空腔形成方法、热电堆红外探测器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种红外探测器，特别涉及一种空腔形成方法、热电堆红外探测器及其制作方法。

背景技术

热电堆红外探测器是最早研究并实用化的红外成像器件之一，作为一种非致冷型的红外探测器，因具有尺寸小、重量轻、无需致冷、灵敏度高等优点，在安全监视、医学治疗、生命探测和消费产品等方面有广泛应用，并且其发展也更为迅速。

热电堆探测器的工作原理基于塞贝克效应：如果两种不同的材料或材料相同逸出功不同的物体A和B，在热结端相连接，热结与冷区间存在温度差△T，那么在冷区的两个梁间就会产生开路电势差△V，亦称温差电效应，其探测红外信号的过程也就是一个"光-热-电”两级传感转换的过程。通常将热电堆设计成悬空的薄膜结构(悬浮膜结构)，并进行真空封装，以减少热损失，提高探测器的输出性能。

目前，热电堆中悬浮膜结构的释放大多采用湿法腐蚀或干法刻蚀出空腔的方法来实现。譬如，采用5微米厚的外延层作为热电堆的支撑层，釆用背面湿法腐蚀的方法来去除外延层下面的硅衬底，形成悬浮膜结构，这一传统的背向腐蚀工艺需要正反双面对准，对光刻机提出了很高的要求，且增加了生产成本。现有的正面腐蚀技术大多采用KOH或TMAH溶液进行湿法腐蚀，其腐蚀时间约6小时左右，极易造成铝等金属的腐蚀和薄膜的破裂，且腐蚀开口的形状和取向也有限制。另有，采用XeF₂气体进行正面干法刻蚀的技术，不存在对铝等金属的腐蚀问题，但干法刻蚀时等离子体的轰击也易造成悬浮膜结构的破裂，破坏管芯。此外，还有在多孔硅上制作热电堆结构层，多孔硅作为支撑结构虽具有更加优良的结构稳定性，但对于热隔离性能还有进一步优化的空间，故又有采用KOH或TMAH溶液将该层多孔硅腐蚀掉，以形成空腔和悬浮膜结构。虽然上述这些技术都展示了制备空腔和形成悬浮膜结构的方法，然而制作工艺的成本和兼容性能的提升还需进一步的探索更有效的技术方案。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种空腔形成方法、热电堆红外探测器及其制作方法。

根据本发明的一方面，提供一种空腔形成方法，包括如下步骤：

提供一P型掺杂的硅衬底；

在所述硅衬底中形成N阱，所述N阱为环状结构；

在所述N阱包围的硅衬底中形成N型掺杂的网格结构，所述网格结构的边缘与所述N阱相连接；

对所述N阱包围的硅衬底进行电化学腐蚀以形成多孔硅层；

进行外延工艺以使所述多孔硅层发生迁移和重构形成所述空腔，且所述网格结构包含的空洞闭合形成封闭所述空腔的外延层。

可选的，在所述的空腔形成方法中，所述硅衬底包括上层结构以及位于所述上层结构之下的下层结构，所述N阱位于所述上层结构中，所述上层结构的电阻率小于10Ω.cm，所述下层结构的电阻率小于0.02Ω.cm。

可选的，在所述的空腔形成方法中，所述网格结构的掺杂浓度小于所述N阱的掺杂浓度。

可选的，在所述的空腔形成方法中，所述网格结构的空洞的横截面形状是正方形、长方形、六边形或圆形。

可选的，在所述的空腔形成方法中，所述N阱的深度大于或等于所述空腔的深度。

可选的，在所述的空腔形成方法中，所述N阱的形成步骤包括：

在所述硅衬底上形成第一图形化的掩膜层；

通过离子注入工艺在所述硅衬底中形成N阱；

去除所述第一图形化的掩膜层。

可选的，在所述的空腔形成方法中，所述网格结构的形成步骤包括：

在所述硅衬底上形成第二图形化的掩膜层；

在所述第二图形化的掩膜层暴露的硅衬底上形成第三图形化的掩膜层；

通过离子注入工艺在所述硅衬底中形成所述网格结构；

去除所述第三图形化的掩膜层。

可选的，在所述的空腔形成方法中，所述电化学腐蚀优选采用氢氟酸与乙醇的混合溶液，所述氢氟酸与乙醇体积比的配比范围为1:10～2:1。

可选的，在所述的空腔形成方法中，所述外延工艺使用的气源为含硅的气体，外延温度大于900℃。

可选的，在所述的空腔形成方法中，所述外延工艺使用的气源优选为SiH₂Cl₂。

根据本发明的另一方面，还提供一种热电堆红外探测器的制作方法，包括：

提供一P型掺杂的硅衬底；

在所述硅衬底中形成N阱，所述N阱为环状结构；