CN120813223B - 一种红外热电堆探测器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外热电堆探测器及其制造方法，属于温度传感技术领域，该红外热电堆探测器包括衬底，所述衬底上依次设置有第一热电偶层、牺牲层和第二热电偶层，所述牺牲层中设置有真空隔热腔；该红外热电堆探测器的制造方法包括：在牺牲层内制备真空隔热腔：刻蚀牺牲层，形成多个备用槽结构和多个微孔阵列，微孔阵列为开设在每个备用槽结构顶面或底面的若干个孔，微孔阵列和备用槽结构形成连通结构；在真空环境下，向牺牲层内淀积填充层，不完全填充连通结构，形成至少一真空空腔。通过提出的带真空隔热腔的红外热电堆器件结构，有效提高热电堆器件的响应率与探测率，改善在激光功率测量应用中检测结果的分辨率和灵敏度。

Description

一种红外热电堆探测器及其制造方法

技术领域

本发明涉及温度传感技术领域，特别涉及一种红外热电堆探测器及其制造方法。

背景技术

激光技术目前已被极其广泛地应用于各个行业，激光光源/光束的特性测量与计量是影响应用与安全的关键技术。激光辐射特性计量技术属于光学计量技术的一种，主要使用激光能量辐射参数与性能参数测试设备进行测试，其中功率和能量作为常用的计测参数而被认为是激光特性评价的关键。作为激光功率检测使用的激光功率计在包括激光通信、激光医疗、工业加工以及科研等领域应用广泛。根据测量原理可将激光功率计分为三种类型：第一种类型为光电型，使用光电传感器，通过将光能转换为电信号来表征所接收的激光功率大小；第二种类型为热释电型，使用热释电传感器，由于温度变化引起接受面的晶体表面产生电荷，然后转换为电信号输出，利用电信号的强弱表征激光功率大小；第三种类型为热电堆型，使用热电堆传感器，通过将光能转化为热量，然后利用热电效应转化为电信号表征激光功率大小。

相对于其它类型的激光功率计，使用热电堆器件制造的激光功率计具有平坦的响应光谱，测量饱和点较高，对待测激光光束的入射位置和入射角不敏感等优点，但也有响应时间较长，使用普通热电堆器件制造的功率计体积较大等缺点。

当前，基于MEMS技术的红外热电堆传感器因体积小、重量轻、功耗低、价格低廉等优点，被广泛应用于医疗、工业控制、环境监测、军事等各个领域，使用MEMS热电堆传感器制造的激光功率计也受到工业界的极大关注。特别需要强调，通过使用MEMS热电堆器件可显著改善前述的使用普通热电堆器件而导致的激光功率计设备在响应时间和体积方面的缺点。

红外热电堆探测器是一种基于塞贝克（Seebeck）效应工作的非制冷红外探测器，响应率、探测率和响应时间是评价红外热电堆探测器性能的三个主要参数。

红外热电堆探测器的响应率的表达式如下：

其中，是响应率，是热响应输出总电压，是红外光源辐射功率。从响应率的表达式可知在红外光源辐射功率不变的前提下，热响应输出总电压越大，响应率越大。

热电堆红外探测器探测率的表达式如下：

其中，是响应率，是红外层吸收区的面积，是测试带宽，为噪声电压，可表述为：

其中，k为玻尔兹曼常数，；是环境温度，是测试带宽，为热电堆电阻。

如上推导，可以通过增大红外热电堆探测器的热响应输出总电压，来提高红外热电堆探测器的响应率和探测率。

红外热电堆探测器的响应时间表达式如下：

其中，是红外热电堆探测器的总热容，是红外热电堆探测器的总热导。

如前文所述，与其他技术路线的激光功率计相比，基于MEMS热电堆器件的激光功率计具有明显优点，所以设计开发一种具有高探测率、高响应率、高灵敏度和低噪声的MEMS热电堆器件是实现高性能激光功率测量的关键。

红外热电堆探测器的工作原理基于塞贝克效应，当组成热电偶的两种材料构成闭合回路时，两节点之间的温差就会在回路中产生电压，两节点之间的温度差越大，回路中产生的电压会越高，器件的灵敏度等性能越好，响应率和探测率越高。

在实际MEMS热电堆的器件设计中可通过增加热电偶数量、增大红外吸收层吸收区的面积、采用红外吸收率高的吸收材料、热导低的热电偶材料和介质层材料等手段增大热结和冷结之间的温差，选用塞贝克系数差值大的热电偶材料等方式来实现增大热响应输出电压的目的，进而提升红外热电堆器件性能。

采用单平面（共面）热电偶结构的红外热电堆探测器可通过在水平方向上加长单个热电偶的长度，增加热电偶对数量等方式来增大温差，获取更高的热电转换电压。但通过在平面上增加热电偶对数量和长度的方法，势必会让MEMS红外探测器件占用面积变大，器件性价比急剧降低。

将红外热电堆探测器的单层共面热电偶结构改为双层热电偶结构，在器件面积没有明显变化的前提下，使得热电偶的对数增加一倍，也是有效提高红外热电堆探测器性能的有效方法。

然而，在双层热电偶结构中，两层热电偶之间需要用复合介质层将两层热电偶材料隔开，复合介质层主要起到支撑，绝缘和隔热的作用。现有的技术方案中，复合介质层通常由氮化硅，氧化硅或者氮化硅和氧化硅的混合膜层构成。但由于氮化硅、氧化硅或者氮化硅和氧化硅的混合膜层的热导率较高，两层热电偶之间还是会有热量传递，导致热结和冷结之间温差减小、器件灵敏度降低进而影响器件的分辨率。

需要说明的是，公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种红外热电堆探测器及其制造方法，通过在双层热电偶之间设置真空隔热腔，以解决两层热电偶之间热量传递的问题，提高热电转换效率。进一步的，为制备真空隔热腔，引入了孔径不同的备用槽结构和微孔阵列，通过不完全填充备用槽结构或微孔阵列形成真空隔热腔，这种制造方法成本更低且兼容CMOS流程。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种红外热电堆探测器的制造方法，包括：

提供衬底，在所述衬底上依次形成第一支撑层、第一热电偶层和牺牲层；

在所述牺牲层内制备真空隔热腔：

刻蚀所述牺牲层，形成多个备用槽结构；

刻蚀所述牺牲层，形成多个微孔阵列，所述微孔阵列为开设在每个备用槽结构顶面或底面的若干个孔，所述微孔阵列和备用槽结构形成连通结构；

在真空环境下，向所述牺牲层内淀积填充层，利用所述微孔阵列和备用槽结构之间的孔径差异，不完全填充所述连通结构，形成至少一真空空腔；

形成所述真空隔热腔后，在所述牺牲层顶部淀积第二热电偶层。

优选地，所述微孔阵列为开设在每个备用槽结构底面的若干个孔，形成所述微孔阵列和备用槽结构的流程包括：

先刻蚀所述牺牲层形成所述备用槽结构；

继续刻蚀所述备用槽结构的底部，形成所述微孔阵列。

优选地，在形成所述微孔阵列后：

采用低温化学气相沉积工艺向所述备用槽结构中淀积所述填充层，封堵所述微孔阵列的顶部，并在所述微孔阵列内形成真空空洞；

采用等离子体增强化学气相沉积工艺在所述填充层上淀积第二支撑层；

进行退火处理，使所述填充层呈流动态，填充入底部的所述微孔阵列，在所述备用槽结构中形成真空空腔。

优选地，在形成所述填充层后，淀积所述第二支撑层前，还在所述填充层上淀积薄膜层，用于在所述填充层进行退火时，加速所述第二支撑层和所述填充层之间的分离。

优选地，所述微孔阵列的孔深满足以下关系：

其中，为孔深度，为备用槽结构深度，为牺牲层厚度。

优选地，所述微孔阵列的孔径满足以下关系：

其中，为孔径，为孔深度。

优选地，每个所述备用槽结构和其底面的微孔阵列之间的体积满足：

其中，代表微孔阵列的总体积，代表备用槽结构的体积。

优选地，所述微孔阵列为开设在每个备用槽结构顶面的若干个孔，形成所述微孔阵列和备用槽结构的流程包括：

先刻蚀所述牺牲层形成多个所述微孔阵列；

后湿法刻蚀所述微孔阵列的底部，直至去除相邻孔之间的牺牲层，形成所述备用槽结构。

优选地，在真空环境下，淀积所述填充层封堵所述微孔阵列，在所述备用槽结构中形成真空空腔。

优选地，采用以下方式计算所述真空隔热腔的高度：

计算器件结构总热导：

其中，为器件吸收区的红外辐射热导，为器件的气体热导，为器件的结构热导，且是与真空隔热腔高度相关的函数：

、、、分别为器件热偶区第一支撑层、第一热电偶层、第二热电偶层与真空隔热腔结构的热导；

其中：

其中为各个区域制造材料的热导率，、和分别为各区域厚度、宽度和长度；

红外热电堆探测器的响应率为与器件结构总热导相关的凸函数，将器件结构总热导代入红外热电堆探测器的响应率的表达式，求解使得响应率处于最大值时的真空隔热腔高度。

一种红外热电堆探测器，采用如上述的红外热电堆探测器的制造方法制备。

一种红外热电堆探测器，包括衬底，所述衬底上依次设置有第一支撑层、第一热电偶层、牺牲层和第二热电偶层，所述牺牲层中设置有真空隔热腔。

优选地，所述真空隔热腔包括填充层、多个备用槽结构和多个微孔阵列，所述微孔阵列为开设在每个备用槽结构顶面或底面的若干个孔，所述微孔阵列和备用槽结构形成连通结构，所述填充层不完全填充所述连通结构，形成至少一个真空空腔。

优选地，所述微孔阵列为开设在每个备用槽结构底面的若干个孔，所述备用槽结构的顶部设置有第二支撑层，用于封闭所述备用槽结构，其中，所述填充层封堵所述微孔阵列的顶部，并在所述微孔阵列内形成真空空洞，且所述填充层在退火时流入微孔阵列，在所述备用槽结构中形成真空空腔。

优选地，所述微孔阵列为开设在每个备用槽结构顶面的若干个孔，所述填充层填充在所述微孔阵列中，用于封闭所述备用槽结构，在所述备用槽结构内形成真空空腔。

本发明提供的红外热电堆探测器的制造方法中，和以往技术方案相比，添加了真空隔热腔结构，较传统结构仅采用氧化硅或者氮化硅和氧化硅的混合膜层构成复合介质层做隔热层而言，本发明提出的带真空隔热腔的红外热电堆器件结构，在两层热电偶层之间的隔热效果更加卓越，可以有效提高热电堆器件的响应率与探测率，进而改善在激光功率测量应用中检测结果的分辨率和灵敏度。进一步的，充分利用备用槽结构和微孔阵列之间的孔径差异，以及现有成熟工艺和材质特性，使得备用槽结构和微孔阵列由于不完全填充而形成真空区域进行隔热，后形成第二热电偶层等其他结构，优化了整个工艺生产流程，相较于使用多层反射膜隔热所使用的工艺而言，本方案更为精简，且对设备的工艺精度要求低，成本更低且兼容CMOS流程。

本发明提供的红外热电堆探测器与本发明提供的红外热电堆探测器的制造方法属于同一发明构思，因此，本发明提供的红外热电堆探测器至少具有本发明提供的红外热电堆探测器的制造方法的所有优点，在此不再赘述。

附图说明

本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：

图1是本发明的双层热电偶结构间带真空隔热腔的红外热电堆器件剖面图；

图2是本发明的双层热电偶结构间带真空隔热腔的红外热电堆器件俯视图；

图3是本发明的双层热电偶结构间的真空隔热腔结构的局部俯视图；

图4是本发明的双层热电偶结构间的备用槽和微孔阵列的局部俯视图；

图5是本发明一实施例的衬底及其上的牺牲层等膜层的剖面图；

图6是本发明一实施例制备真空隔热腔的备用槽结构和微孔阵列的局部剖面图；

图7是本发明一实施例制备真空隔热腔的备用槽结构和微孔阵列的局部立体图；

图8是本发明一实施例双层热电偶结构间备用槽结构、微孔阵列及其内膜层的剖面图；

图9是本发明一实施例退火后的双层热电偶结构间真空隔热腔及其内膜层剖面图；

图10是本发明一实施例形成真空隔热腔后的剖面图；

图11是本发明另一实施例制备双层热电偶结构间真空隔热腔干法刻蚀孔结构局部剖面图；

图12是本发明另一实施例制备双层热电偶结构间真空隔热腔干法刻蚀孔结构局部俯视图；

图13是本发明另一实施例双层热电偶间真空隔热腔湿法刻蚀后空腔局部剖面图；

图14是本发明另一实施例制备双层热电偶结构间真空隔热腔多晶硅淀积封孔后的空腔局部剖面图；

图15是本发明一实施例的工艺流程图。

附图中：

100、衬底；101、背部空腔；102、第一支撑层；103、第一热电偶层；104、牺牲层；105、真空隔热腔；1051、微孔阵列；1052、备用槽结构；1053、填充层；1054、薄膜层；106、第二支撑层；107、引线孔；108、第二热电偶层；109、红外吸收层。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，术语“近端”通常是靠近操作者的一端，术语“远端”通常是靠近患者的一端，“一端”与“另一端”以及“近端”与“远端”通常是指相对应的两部分，其不仅包括端点，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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或两个元件的相互作用关系。此外，如在本发明中所使用的，一元件设置于另一元件，通常仅表示两元件之间存在连接、耦合、配合或传动关系，且两元件之间可以是直接的或通过中间元件间接的连接、耦合、配合或传动，而不能理解为指示或暗示两元件之间的空间位置关系，即一元件可以在另一元件的内部、外部、上方、下方或一侧等任意方位，除非内容另外明确指出外。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

研究发现，现有双层热电偶结构技术方案需要用复合介质层将两层热电偶材料隔开，由氮化硅，氧化硅或者氮化硅和氧化硅的混合膜层构成复合介质层，因易于制造，且成本较低等优点被大量的在实际生产中应用。但由于氮化硅、氧化硅或者氮化硅和氧化硅的混合膜层的热导率较高，两层热电偶之间还是会存在大量的热量传递，导致热结和冷结之间温差减小，进而导致热电效应产生的总电压减小，器件灵敏度不够。

除了生产中常用的氮化硅，氧化硅或者氮化硅和氧化硅的混合膜层构成复合介质层，技术人员也会在两层热电偶之间交替沉积金属（如Al、Au）和介质层（如SiO₂、Si₃N₄）形成红外反射镜（Bragg反射器），通过反射红外辐射来减少热量传递，这种多层反射膜隔热的方式在高温环境下可以显著降低辐射传热。但该技术方案工艺复杂，且对镀膜设备的精度要求较高，角度依赖性大（反射效率受入射角度影响，需要优化膜层设计），批量生产成品良率较低，且成本较高。

通过低热导固体材料填充来减少热电偶材料之间的热量传递也是红外热电堆探测器生产中常用的一种方法，比如通过旋涂、喷涂或者化学气相沉积的方式将充气凝胶、二氧化硅气凝胶等低热导率复合材料填充在两层热电偶材料之间的间隙来减少热量传递。但该方式对填充材料的COMS工艺兼容性要求较高。而且充气凝胶等填充材料易老化，在长期使用后会出现收缩或者开裂现象导致隔热性能下降。除此之外，填充固体材料会使得器件的热容增大，降低传感器的响应速度。

针对现有的技术方案中双层热电偶结构之间的热量传递问题，可以通过优化红外热电堆探测器的结构来降低热导率，阻断双层热电偶结构之间的热量传递。考虑到真空环境几乎可以完全阻断热传导彻底消除气体分子对热传导和对流。所以本申请提出一种在双层热电偶材料之间生成真空绝热腔的结构来代替原有的复合介质层，通过在垂直方向上的结构优化，来抑制双层热电偶结构之间的热传导，可显著提升器件的热电转换性能。

基于此，本发明的核心思想在于，提出用于激光功率测量的红外热电堆探测器及其制造方法，主要针对传统双层热电偶热电堆结构中存在的双层热电偶材料间热耦合问题，创新性地在两层热电偶材料之间集成微机械真空隔热腔体结构，来最大程度地抑制第一热电偶层和第二热电偶层间的热量传递，提高热电转换效率，进而提高器件的灵敏度等性能。同时，本发明专利结合成熟半导体制造工艺提供了在双层热电偶结构之间集成微机械真空隔热腔体结构红外热电堆器件的制造工艺步骤，为红外探测器等应用提供了低成本、可量产的制造方案。

具体的，请参考图1-图15，其为本发明实施例的示意图。如图15所示，一种红外热电堆探测器的制造方法，包括：

首先，提供衬底100，在所述衬底100上依次形成第一支撑层102、第一热电偶层103和牺牲层104。

其次，在所述牺牲层104内制备真空隔热腔105：

刻蚀所述牺牲层104，形成多个备用槽结构1052；

刻蚀所述牺牲层104，形成多个微孔阵列1051，所述微孔阵列1051为开设在每个备用槽结构1052顶面或底面的若干个孔，所述微孔阵列1051和备用槽结构1052形成连通结构；

在真空环境下，向所述牺牲层104内淀积填充层1053，利用所述微孔阵列1051和备用槽结构1052之间的孔径差异，不完全填充所述连通结构，形成至少一真空空腔。

最后，形成所述真空隔热腔105后，在所述牺牲层104顶部淀积第二热电偶层108。

本发明提出一种可以降低两层热电偶材料之间热量传递问题的技术方案，主要通过在双层热电偶材料之间设置隔热性能优异的真空腔结构，来最大程度的降低双层热电偶材料之间的热量传递，增大热结和冷结之间温差，增大热响应输出电压，提高红外热电堆探测器的探测率和响应率。

为实现上述技术效果，除去常规的红外热电堆器件制造步骤外，本申请的技术方案在第一热电偶层103和第二热电偶层108之间构建真空隔热腔105结构。充分利用备用槽结构1052和微孔阵列1051之间的孔径差异，以及现有成熟工艺和材质特性，使得备用槽结构1052和微孔阵列1051由于不完全填充而形成真空区域进行隔热，后形成第二热电偶层108等其他结构，优化了整个工艺生产流程，相较于使用多层反射膜隔热所使用的工艺而言，本申请的方案更为精简，且对设备的工艺精度要求低，成本更低且兼容CMOS流程。

在一种实施方式中，在衬底100上先行形成第一支撑层102和第一热电偶层103，并刻蚀第一热电偶层103形成所需的图案，在刻蚀图案后的第一热电偶层103上方构建真空隔热腔105结构，首先要通过化学气相沉积（CVD）或原子层沉积（ALD）淀积一层二氧化硅作为牺牲层104，牺牲层104厚度决定最终真空隔热腔105高度，需与备用槽结构1052深度匹配。如图5所示的膜层结构。

另外，考虑到牺牲层104厚度较大，可能会存在引线孔107刻蚀时间较长或者刻蚀不开的情况，牺牲层104制备可以分步进行，在制备过程中对牺牲层104厚度进行监控，当牺牲层104淀积厚度达到1um后，在牺牲层104特定的位置通过光刻或刻蚀生成引线孔107，在引线孔107里淀积金属作为引线。淀积完金属后，接着淀积牺牲层104，厚度达到1um后再次刻蚀引线孔107，在引线孔107里淀积金属引线，如此往复，直至牺牲层104厚度达到目标厚度。

在制备相互连通的备用槽结构1052和微孔阵列1051时，两者形成次序不做具体限制，既可先刻蚀出备用槽结构1052，后在备用槽结构1052底部刻蚀出微孔阵列1051，形成备用槽结构1052在上、微孔阵列1051在下的结构，可参图6和图7的结构。反之亦可形成微孔阵列1051在上，备用槽结构1052在下的结构，可参图12和图13的结构。

可以理解的，对于微孔阵列1051在上，备用槽结构1052在下的结构，填充时可直接封堵微孔阵列1051在备用槽结构1052中形成真空空腔；而对于备用槽结构1052在上、微孔阵列1051在下的结构，可以直接填充备用槽结构1052，在微孔阵列1051中形成真空空洞，对填充层1053进行处理，使填充层1053变成流动态，流入微孔阵列1051，在备用槽结构1052中形成真空空腔。

可以理解的，备用槽结构1052制备需关注以下技术要点：其一，在保证器件微型化的前提下，第一、第二热电偶层间真空隔热腔105的垂直维度应保持合理阈值，在起到绝热效果的同时建议维持浅层结构，避免对器件整体体积产生增量效应。其二，俯视投影的几何构型设计可采用矩形、椭圆形、梯形等基础形态，具体可根据实际应用场景进行适应性调整与优化配置。保证该真空隔热腔105结构设计策略在确保热隔离性能的同时，为不同封装方案提供充足的结构设计自由度。

其中，用于真空隔热腔105的深度可利用下面的数学模型确定。在红外MEMS热电堆器件设计中，关键设计目标是得到一个电压响应率最优的MEMS热电堆器件，亦即：

上式中，N是热电堆器件的热偶对数量，是两种材料的塞贝克系数的差值，为器件红外吸收区的红外吸收率，是红外光源的辐射功率密度，是吸收区的面积，为该MEMS热电堆器件的总热导。

红外辐射功率密度可以表示为：

式中为红外辐射源发射面积，为辐射源与热电堆器件表面的距离，是斩波器的均方根转换因子，为史蒂芬－玻尔兹曼常数（其值为），为黑体的发射率；为器件的环境温度；为黑体温度。

热电堆器件的总热导由器件的结构热导、气体热导与吸收区红外辐射热导三部分组成，即：

其中为器件的结构热导，为器件吸收区的红外辐射热导，为器件的气体热导。

具体地，由下式计算：

、、、分别为器件热偶区第一支撑层102、第一热电偶层103、第二热电偶层108与真空隔热腔105结构的热导:

其中为各个区域制造材料的热导率，、和分别为各区域厚度、宽度和长度。需要注意热隔离腔结构热导的计算表达式中含有真空隔热腔105的厚度参数。

器件的气体热导为

式中为气体热导系数，为器件第一支撑层102表面到器件背腔绝热腔底部的距离，为器件热偶区表面至器件封装滤光片的距离。

器件吸收区辐射热导为

为器件吸收区的红外发射率。

另外，还需满足最小工艺允许高度的限制，即

式中为制造真空隔热腔105时由制造工艺决定的最小厚度。

当然，器件各尺寸参数也应满足基本的机械和力学强度约束，式子不再详列。

综上所述，对于指定尺寸范围的MEMS热电堆器件，包括在内的诸参数的确定可以归纳为使电压响应率最大化的一个数学优化问题（目标函数为前述的算式，在数学上可以证明该目标函数是凸函数，所以存在最优解），通过上面的式子和附加的设计与工艺约束，通过使用一定的计算机数值与规划算法，可以求得最佳参数。

在下面的实施例的描述中，真空隔热腔105的目标厚度默认已经使用本发明在此提出的优化模型求解出来，且使用表示。

为更加清楚明白的描述本申请的一种用于激光功率测量的红外热电堆探测器及制造方法，以下结合附图和实施例一和二对本申请的实现方法做进一步详细说明，另外，需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

【实施例一】

以下采用四端梁双层热电偶结构的红外热电堆探测器，对一种用于激光功率测量的红外热电堆探测器的工艺实现方式进行简单介绍，这里以所述微孔阵列1051为开设在每个备用槽结构1052底面的若干个孔为例进行说明，形成所述微孔阵列1051和备用槽结构1052的流程包括：先刻蚀所述牺牲层104形成所述备用槽结构1052，继续刻蚀所述备用槽结构1052的底部，形成所述微孔阵列1051，如图6所示。热偶材料选择N型多晶硅和P型多晶硅。

步骤一：在衬底100上沉积所需的基础膜层结构，如图5所示。本步骤具体包括：

在抛光的硅衬底100正面沉积一层氧化硅薄膜作为第一支撑层102，可采用PECVD或者LPVCD技术，氧化硅薄膜的厚度控制在200nm~500nm之间。除了氧化硅也可采用薄的氧化硅加氮化硅混合物作为第一支撑层102的材料。再在氧化硅薄膜支撑层上沉积第一热电偶层103，厚度可控制在300nm~2um之间，可选工艺包括但不限于LPCVD、APCVD、RTCVD或者PECVD等。本实施例中的第一热电偶层103材料选择N型多晶硅，但除了N型多晶硅也可以选其他塞贝克系数值和优值都较高，且与CMOS工艺兼容热电偶材料。通过离子注入的方式对多晶硅薄膜进行掺杂使其导电，接着对第一热电偶层103进行刻蚀，形成特定的形状。同时，在第一热电偶层103刻蚀出窗口作为金属引线孔107。

接着，通过化学气相沉积（CVD）或原子层沉积（ALD）在已完成第一热电偶层103刻蚀和引线孔107刻蚀的第一热电偶层103上方淀积一层二氧化硅作为牺牲层104，牺牲层104的厚度需要控制在2um~5um之间，牺牲层104的材料可以选择二氧化硅（SiO₂）、氮化硅(Si₃N₄)或者其他低热导的绝缘材料作为真空隔热腔105的牺牲层104。

接着，在牺牲层104上刻蚀连接第一热电偶层103和第二热电偶层108的金属引线孔107。牺牲层104较厚时，牺牲层104制备和刻蚀引线孔107可分步执行，防止刻蚀引线孔107的时间过长或者刻蚀不开。

步骤二，在牺牲层104内形成连通的微孔阵列1051和备用槽结构1052，剖面如图6和图7，俯视图如图4所示，本步骤具体包括：

在牺牲层104表面通过刻蚀或者光刻工艺制作备用槽结构1052，备用槽结构1052的高度控制在0.5um~1.5um之间。备用槽结构1052刻蚀可选用湿法刻蚀（用HF溶液），湿法刻蚀适用于浅槽，需控制刻蚀时间防止过刻。在备用槽结构1052制备完成后再通过光刻或者刻蚀工艺在备用槽结构1052底部集成密集排布的微孔阵列1051。光刻胶涂覆工艺采用旋涂法即可，该技术适用于低深宽比结构的光刻胶覆涂。

关键参数控制如下：微孔阵列1051特征尺寸横向孔径控制在0.3um~1um范围内，纵向孔深参考范围为1um~3um。微孔阵列1051的孔深满足以下约束关系：

其中，为孔深度，为备用槽结构深度，为牺牲层104厚度，孔深度和备用槽深度的比例最好大于2:1，如果想要退火操作后得到的空腔高度更大，可适当提高孔深度和备用槽结构1052深度的比例。

所述微孔阵列1051的横向孔径要满足以下约束关系：

其中，为孔径，为孔深度。如上述约束关系，本申请技术方案中孔深和孔径的比例设置最好不要低于3:1，应用中可根据实际需求适当调整孔深和孔径的比例。

退火操作后生成真空隔热腔105的深度，除了跟备用槽结构1052深度、微孔阵列1051孔深、备用槽结构1052深度和微孔孔深的比例、微孔孔径、微孔孔径和微孔孔深的比例有关系外，还与微孔阵列1051中孔的密度相关。以下再添加一个微孔阵列1051体积总和与备用槽结构1052的体积的约束条件来帮助技术人员设计备用槽结构1052和微孔阵列1051结构，每个所述备用槽结构1052和其底面的微孔阵列1051之间的体积满足：

这里代表微孔阵列1051的总体积，代表备用槽结构1052的体积。微孔阵列1051总体积必须要小于备用槽结构1052体积且大于二分之一的备用槽体积，这样才可以确保形成的真空隔热腔105可用，且器件纵向体积不会过大，应用中可根据实际情况适当调整备用槽结构1052的体积和微孔阵列1051总体积的比例。

同时需确保微孔底端与牺牲层104下界面间保留有效安全间距，大概在200nm左右，该工艺方案通过优化光刻胶涂覆方式与结构参数匹配，实现高精度微孔阵列1051的可靠制备。

步骤三：利用填充层1053的材质在低温下呈固态，高温下呈液态的特性，在低温下沉积填充层1053，并在填充层1053上形成覆盖的第二支撑层106，通过高温退火使得填充层1053的状态改变，从而填充进微孔阵列1051，在备用槽结构1052中形成略大且形貌稳定的真空空腔，具体的，如图8和图9所示，在形成所述微孔阵列1051后：

采用低温化学气相沉积工艺向所述备用槽结构1052中淀积所述填充层1053，封堵所述微孔阵列1051的顶部，并在所述微孔阵列1051内形成真空空洞；

采用等离子体增强化学气相沉积工艺在所述填充层1053上淀积第二支撑层106；

进行退火处理，使所述填充层1053呈流动态，填充入底部的所述微孔阵列1051，在所述备用槽结构1052中形成真空空腔。

在本步骤中，采用低温化学气相沉积（LTCVD）工艺生长备用槽结构1052的填充层1053，备用槽结构1052的填充层1053厚度控制遵循以下约束条件：

为备用槽结构1052槽深，是填充层1053厚度，填充层1053材料推荐硼磷硅玻璃（BPSG）、聚酰亚胺（PI）、苯并环丁烯（BCB）等，也可选择其他符合要求的材料，可选材料需满足：1)与CMOS工艺兼容性；2)高填孔效率（>95%）；3)低热导率（k≤1.0 W/m·K）；4)低固化温度（<500℃）等条件。

更优的，在形成所述填充层1053后，淀积所述第二支撑层106前，此时备用槽结构1052完成梯度填充，还在所述填充层1053上淀积薄膜层1054，用于在所述填充层1053进行退火时，加速所述第二支撑层106和所述填充层1053之间的分离。需要注意的是，采用低温化学沉积沉积（LTCVD）工艺生成薄膜层1054，通过材料收缩率差值实现高温剥离机制。薄膜层1054主要作用为在高温退火时进行收缩和分裂使得填充层1053可以与支撑层快速分离，填充孔的作用主要由填充层1053来实现，薄膜层1054厚度推荐即可。薄膜层1054推荐材料有聚酰亚胺（PI）、苯并环丁烯(BCB)、低k介质材料（如多孔SiCOH）、聚对二甲苯、聚硅氧烷等。也可选择其他符合要求的材料，可选材料需满足：1)与CMOS工艺兼容性；2)低热导率（k≤1.0 W/m·K）；3)低固化温度（<500℃）；4）高温处理时可收缩和分裂，收缩应力集中。薄膜层1054和填充层1053可以采用两种不同的材料，也可选择同一种材料，如聚酰亚胺既有着卓越的填孔能力又可以在高温下发生收缩和分裂，易于和后续生成的支撑膜在高温下快速分离，采用聚酰亚胺作为备用槽结构1052的填充材料时，不需要再生成额外的薄膜层1054。

接着，如图8所示，对之前生成的填充层1053和薄膜层1054采用化学机械抛光（CMP）实现对现有结构表面平坦化处理，随后通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）构建低应力介电支撑层，为与第一热电偶层103下方的支撑层做区分，这里的介电支撑层称第二支撑层106，第一热电偶材料层下的支撑层称第一支撑层102。

第二支撑层106起着支撑和隔热的双重作用，第二支撑层106的厚度需控制在200nm~300nm之间。第二支撑层106材料可以选择氮化硅或者氧化硅，或者其他绝缘性好，机械强度高，热导率低，且与后续高温工艺兼容的材料。在第二支撑层106刻蚀出窗口作为连接第一热电偶层103和第二热电偶层108的引线孔107。

接着，如图9所示，在特定气氛条件下执行高温退火工艺，当退火温度升高至填充层1053可进入流动态时，让薄膜层1054和第二支撑层106剥离，在这个过程中薄膜层1054和第二支撑层106之间会形成间隙，这个间隙在退火过程中，会逐渐增大，填充层1053通过表面张力驱动实现亚微米级孔结构的填充，最后形成本申请技术方案所述的真空隔热腔105，真空隔热腔105的分布区域如图3所示。

为了让薄膜层1054和填充层1053充分填孔，形成可用的真空隔热腔105，退火时间和退火温度都有一定的要求，一般来说，需要在特定气氛条件下（）执行高温退火工艺，当退火温度升高至1200℃±10℃时备用槽填充剂（熔融温度窗口在200℃-800℃左右）进入流动态，通过表面张力驱动实现亚微米级孔结构的填充。特殊薄膜层1054收缩与第二支撑层106分离产生0.5um~1.5um的密闭空腔结构。退火时间控制在1.5±0.5小时左右，确保N+/P+掺杂多晶硅热电偶材料保持晶格稳定性。实际操作中，退火时间和退火温度可以根据孔的深度和真空隔热腔105的深度稍作调整。

这里形成的密闭空腔结构，就是解决双层热电偶材料层间热耦合问题的关键结构，为使得红外热电堆器件的响应率等性能最优，其腔体高度应通过发明内容里数学模型进行优化设计，可以求得最佳参数。本实施例中的腔体高度应满足以下表达式：

采用其他的工艺来生成真空隔热腔105结构时，只要经过计算得到的腔体高度可以保证器件性能最优且在工艺制程范围内即可。

步骤四，接着在真空隔热腔105的第二支撑层106上方再依次淀积第二热电偶层108、金属层（未图示）、钝化层（未图示）、红外吸收层109，并通过光刻或者刻蚀工艺进行第二热电偶层108、金属层、钝化层、红外吸收层109的图形化即可。

在本步骤中，继续在前序形成的引线孔107内淀积接触孔金属，作为第一热电偶层103和第二热电偶层108之间的引线。淀积第二热电偶层108，本实施例中的第二热电偶层108选用P形多晶硅，也可以选择其他热偶材料。第二热电偶层108的淀积厚度需要控制在100nm~1um，可采用PCD或者CVD工艺。光刻第二热电偶层108，和之前刻蚀出的N型多晶硅条形成热电偶对结构。在第二热电偶层108上继续刻蚀出窗口作为连接第一热电偶层103和第二热电偶层108的引线孔107。

接着，淀积金属引线，连接第一热电偶层103和第二热电偶层108，第二热电偶层108和第一热电偶层103共同构成一个热电偶。后在全片晶圆上淀积钝化层（未图示），钝化层厚度范围可控制在400nm~1um之间。

接着，淀积红外吸收层109，红外吸收层109的材料可选用氧化硅或者氧化硅和氮化硅的复合膜，红外吸收层109的厚度需要大于1um；在钝化层上开窗，留出打线焊盘。在衬底100背面沉积掩膜层（可选材料氧化硅等），并图形化，然后对衬底100进行刻蚀，形成背部空腔101，可选择湿法或干法工艺。最终形成如图1和图2所示的红外热电堆探测器。

【实施例二】

以下提供另一种方法来制备双层热电偶结构间的真空隔热腔105结构，工艺步骤除与实施例一中的步骤二和三有差异外其他步骤均相同，在双层热电偶结构间的真空隔热腔105结构的制备中也可用以下步骤二和三来代替实施例一中的步骤二和三。

步骤二，先刻蚀所述牺牲层104形成多个所述微孔阵列1051，如图11和图12所示，后湿法刻蚀所述微孔阵列1051的底部，直至去除相邻孔之间的牺牲层104，形成所述备用槽结构1052，如图13所示。

在牺牲层104表面需要生成密闭空腔的位置通过干法刻蚀形成微孔阵列1051，需要控制孔结构刻蚀深度，孔结构的深度必须遵从以下约束条件：

这里是孔结构的深度，是牺牲层104厚度，是孔结构底部到牺牲层104下表面的安全距离。

这里在牺牲层104上表面生成的微孔阵列1051的孔结构孔径需要满足以下条件：

其中，为孔径，为孔深度。

在真空环境下，通过LPCVD工艺沉积多晶硅实现密封通孔，形成气密性空腔。最终形成空腔的高度为，空腔的高度符合以下约束条件：

这里是孔结构的深度，是牺牲层104厚度，是形成的真空空腔顶部到牺牲层104上表面的距离。

采用各向异性刻蚀剂（如稀释HF溶液）选择性腐蚀牺牲层104，通过孔底部实现横向腐蚀，直至相邻孔间牺牲层104完全去除，形成连续空腔结构。需要说明，在本实施例中图13与图14仅为示意图，没有表示出因使用不同晶向晶圆刻蚀时所会形成的非90°垂直侧壁的效果。

步骤三，所述填充层1053的材质为多晶硅，在真空环境下，淀积所述填充层1053封堵所述微孔阵列1051，在所述备用槽结构1052中形成真空空腔，如图14所示。

具体的，在真空环境下，通过LPCVD工艺沉积多晶硅实现密封通孔，形成气密性空腔。

与实施例一使用淀积填充层1053后，利用填充层1053高温可流动的特性在备用槽结构1052中形成真空空腔不同，实施例二中，改变备用槽结构1052和微孔阵列1051的位置关系，通过LPCVD工艺沉积多晶硅，对上部的微孔阵列1051进行封堵，实现密封通孔后的多晶硅和真空空腔上方的牺牲层104共同作为空腔上方的第二支撑层106，实施例二的方案无需单独淀积形成第二支撑层106进行封堵，相较现有技术的红外热电堆探测器和实施例一的方案，简化了结构和工艺步骤。

此外，基于相同的技术构思，如图1至图2，本申请还提供了一种红外热电堆探测器，采用如上述实施例的红外热电堆探测器的制造方法制备。

更优的，本申请提供的一种红外热电堆探测器包括：衬底100，所述衬底100上依次设置有第一支撑层102、第一热电偶层103、牺牲层104和第二热电偶层108，所述牺牲层104中设置有真空隔热腔105。

其中，所述真空隔热腔105包括填充层1053、多个备用槽结构1052和多个微孔阵列1051，所述微孔阵列1051为开设在每个备用槽结构1052顶面或底面的若干个孔，所述微孔阵列1051和备用槽结构1052形成连通结构，所述填充层1053不完全填充所述连通结构，形成至少一个真空空腔。

真空隔热腔105的真空部分通过填充层1053的不完全填充实现，可以理解的，形成备用槽结构1052在上、微孔阵列1051在下的结构，可参图6和图7的结构。反之亦可形成微孔阵列1051在上，备用槽结构1052在下的结构，可参图12和图13的结构。可以理解的，对于微孔阵列1051在上，备用槽结构1052在下的结构，填充时可直接封堵微孔阵列1051在备用槽结构1052中形成真空空腔；而对于备用槽结构1052在上、微孔阵列1051在下的结构，形成填充层1053并对备用槽结构1052封堵，对填充层1053进一步处理，在备用槽结构1052中形成真空空腔。

具体的，所述微孔阵列1051为开设在每个备用槽结构1052底面的若干个孔，所述备用槽结构1052的顶部设置有第二支撑层106，用于封闭所述备用槽结构1052，其中，所述填充层1053封堵所述微孔阵列1051的顶部，并在所述微孔阵列1051内形成真空空洞，且所述填充层1053在退火时流入微孔阵列1051，以在所述备用槽结构1052中形成真空空腔。

通过上述实施例一可实现微孔阵列1051在下、备用槽结构1052在上的结构，第二支撑层106封闭备用槽结构1052后，填充层1053在低温下呈固态，高温下呈流动态的特性，在退火时流入微孔阵列1051，在备用槽结构1052中形成高度较为一致的真空空腔。

衬底100和牺牲层104之间还布置第一支撑层102，进行支撑和隔热，牺牲层104中还布置引线孔107，用于淀积金属连接上下两个热电偶层，在第二支撑层106上方还设置第二热电偶层108和红外吸收层109，其它关于备用槽结构1052和微孔阵列1051的尺寸关系、实现流程参见实施例一，在此不再赘述。

具体的，所述微孔阵列1051为开设在每个备用槽结构1052顶面的若干个孔，所述填充层1053填充在所述微孔阵列1051中，用于封闭所述备用槽结构1052，在所述备用槽结构1052内形成真空空腔。

通过上述实施例二可实现微孔阵列1051在上、备用槽结构1052在下的结构，形成微孔阵列1051后，横向腐蚀微孔阵列1051的底部形成备用槽结构1052，填充层1053填充进顶部的微孔阵列1051，对备用槽结构1052进行封堵，形成高度较为一致的真空空腔。

牺牲层104顶部不需设置第二支撑层106进行封堵，牺牲层104上可直接继续设置第二热电偶层108，继而设置引线孔107、红外吸收层109等常规结构。其它关于备用槽结构1052和微孔阵列1051的尺寸关系、实现流程参见实施例二，在此不再赘述。

如图1所示，本申请的一种用于激光功率测量的红外热电堆探测器包括单晶硅衬底100、背部空腔101、第一支撑层102、第一热电偶层103、真空隔热腔105、第二支撑层106、引线孔107、第二热电偶层108和红外吸收层109。图1可视为图2沿A-A’方向的剖面结构示意图，如图2，红外吸收层109位于衬底100的中心区域，在红外吸收层109的底部和第二热电偶层108的下方分布真空隔热腔105，真空隔热腔105的分布如图3所示，红外吸收层109下方设置第二热电偶层108和引线孔107，红外吸收层109设置在第二热电偶层108的热端上方，且多个第二热电偶层108沿红外吸收层109的边缘周向布置，本申请主要针对传统双层热电偶热电堆结构中存在的双层热电偶材料层间热耦合问题，创新性地两层热电偶材料之间集成微机械真空绝热腔体结构。来最大程度的抑制第一热电偶层103和第二热电偶层108间的热量传递，降低热量损耗，提高热电转换效率，进而提高器件的灵敏度等性能。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (14)

1.一种红外热电堆探测器的制造方法，其特征在于，包括：

提供衬底，在所述衬底上依次形成第一支撑层、第一热电偶层和牺牲层；

在所述牺牲层内制备真空隔热腔：

刻蚀所述牺牲层，形成多个备用槽结构；

刻蚀所述牺牲层，形成多个微孔阵列，所述微孔阵列为开设在每个备用槽结构顶面或底面的若干个孔，所述微孔阵列和备用槽结构形成连通结构；

在真空环境下，向所述牺牲层内淀积填充层，利用所述微孔阵列和备用槽结构之间的孔径差异，不完全填充所述连通结构，形成至少一真空空腔；

形成所述真空隔热腔后，在所述牺牲层顶部淀积第二热电偶层。

2.根据权利要求1所述的红外热电堆探测器的制造方法，其特征在于，所述微孔阵列为开设在每个备用槽结构底面的若干个孔，形成所述微孔阵列和备用槽结构的流程包括：

先刻蚀所述牺牲层形成所述备用槽结构；

继续刻蚀所述备用槽结构的底部，形成所述微孔阵列。

3.根据权利要求2所述的红外热电堆探测器的制造方法，其特征在于，在形成所述微孔阵列后：

采用低温化学气相沉积工艺向所述备用槽结构中淀积所述填充层，封堵所述微孔阵列的顶部，并在所述微孔阵列内形成真空空洞；

采用等离子体增强化学气相沉积工艺在所述填充层上淀积第二支撑层；

进行退火处理，使所述填充层呈流动态，填充入底部的所述微孔阵列，在所述备用槽结构中形成真空空腔。

4.根据权利要求3所述的红外热电堆探测器的制造方法，其特征在于，在形成所述填充层后，淀积所述第二支撑层前，还在所述填充层上淀积薄膜层，用于在所述填充层进行退火时，加速所述第二支撑层和所述填充层之间的分离。

5.根据权利要求2所述的红外热电堆探测器的制造方法，其特征在于，所述微孔阵列的孔深满足以下关系：

其中，为孔深度，为备用槽结构深度，为牺牲层厚度。

6.根据权利要求2所述的红外热电堆探测器的制造方法，其特征在于，所述微孔阵列的孔径满足以下关系：

其中，为孔径，为孔深度。

7.根据权利要求2所述的红外热电堆探测器的制造方法，其特征在于，每个所述备用槽结构和其底面的微孔阵列之间的体积满足：

其中，代表微孔阵列的总体积，代表备用槽结构的体积。

8.根据权利要求1所述的红外热电堆探测器的制造方法，其特征在于，所述微孔阵列为开设在每个备用槽结构顶面的若干个孔，形成所述微孔阵列和备用槽结构的流程包括：

先刻蚀所述牺牲层形成多个所述微孔阵列；

后湿法刻蚀所述微孔阵列的底部，直至去除相邻孔之间的牺牲层，形成所述备用槽结构。

9.根据权利要求8所述的红外热电堆探测器的制造方法，其特征在于，在真空环境下，淀积所述填充层封堵所述微孔阵列，在所述备用槽结构中形成真空空腔。

10.根据权利要求1-9任一项所述的红外热电堆探测器的制造方法，其特征在于，采用以下方式计算所述真空隔热腔的高度：

计算器件结构总热导：

其中，为器件吸收区的红外辐射热导，为器件的气体热导，为器件的结构热导，且是与真空隔热腔高度相关的函数：

、、、分别为器件热偶区第一支撑层、第一热电偶层、第二热电偶层与真空隔热腔结构的热导；

其中：

其中为各个区域制造材料的热导率，、和分别为各区域厚度、宽度和长度；

红外热电堆探测器的响应率为与器件结构总热导相关的凸函数，将器件结构总热导代入红外热电堆探测器的响应率的表达式，求解使得响应率处于最大值时的真空隔热腔高度。

11.一种红外热电堆探测器，其特征在于，采用如权利要求1-10任一项所述的红外热电堆探测器的制造方法制备。

12.一种红外热电堆探测器，其特征在于，包括衬底，所述衬底上依次设置有第一支撑层、第一热电偶层、牺牲层和第二热电偶层，所述牺牲层中设置有真空隔热腔，所述真空隔热腔包括填充层、多个备用槽结构和多个微孔阵列，所述微孔阵列为开设在每个备用槽结构顶面或底面的若干个孔，所述微孔阵列和备用槽结构形成连通结构，所述填充层不完全填充所述连通结构，形成至少一个真空空腔。

13.根据权利要求12所述的红外热电堆探测器，其特征在于，所述微孔阵列为开设在每个备用槽结构底面的若干个孔，所述备用槽结构的顶部设置有第二支撑层，用于封闭所述备用槽结构，其中，所述填充层封堵所述微孔阵列的顶部，并在所述微孔阵列内形成真空空洞，且所述填充层在退火时流入微孔阵列，在所述备用槽结构中形成真空空腔。

14.根据权利要求12所述的红外热电堆探测器，其特征在于，所述微孔阵列为开设在每个备用槽结构顶面的若干个孔，所述填充层填充在所述微孔阵列中，用于封闭所述备用槽结构，在所述备用槽结构内形成真空空腔。