MEMS热电堆红外探测器的结构设计及制造研究

MEMS热电堆红外探测器的结构设计及制造研究

在现代社会中，无论是军用还是民用领域，红外探测器都有越来越重要的地位。热电堆红外探测器作为非制冷型红外探测器的一种，自20世纪80年代MEMS（微机械系统）工艺技术的引进，陆续出现了IC兼容的微机械硅基红外探测器类型，相较传统方法制作的热电堆器件具有低成本、低功耗、小型化等特点，受到国内外研究人员越来越多的关注。

但是近年来的研究在设计与工艺兼容方面始终存在一些弊端，因此本文针对结构和工艺兼容进行一系列创新，通过大量的工艺制备实验，完整的得出一种制备简单、与CMOS兼容性强的新型热电堆红外探测器工艺流程。本文的主要研究重点有：（1）理论设计方面，针对成本和IC兼容性方面进行了几点创新，包括有：突破单层硅片干法刻蚀对尺寸的限制和SOI衬底价钱昂贵，不易于成批制造的缺点，采用了氧化层上的多晶硅

（Si-SiO₂-POLY）作为衬底；两层热偶条采用叠放的方式，有效节省结构空间，中间采用LPCVD制作氧化硅作为热电隔离。

通过热平衡分析设计的结构模型，从热偶条长度、宽度、厚度、对数和吸收区边长几个方面的优化对比。（2）工艺方面，针对本设计的探测器结构，分析在制备过程中的工艺步骤。

对这些工艺过程进行实验对比，实验包括有：多晶硅高深宽比凹槽（大于2μm）的刻蚀实验中侧壁形貌和尺寸控制与刻蚀条件的关系；使用氧化硅进行深槽填充时填充程度和填充后表面平整度的测试实验；关于在高深宽比结构内形成所需尺寸结构的条件研究和XeF₂干法释放的条件实验等。并对实验结果进行分析说明。

（3）另外，本文采用卤素气体对非晶硅进行刻蚀出现的针状结构（“黑硅”）作为探测

器的表面吸收层。通过不同刻蚀条件得到表面黑化程度不同的样片；并对样片的红外吸收率进行测试。

本文通过对各项工艺制备条件的对比，得到了不同实验中多组样片结果，进行了wafer表面或者掰片后侧壁的电镜测试。通过对测试结果进行分析，最终验证了设计中各项创新点在实际工艺制备中的可行性。

在克服所有工艺难题的基础上，整合本设计的工艺制备步骤，成功的得出具有腐蚀自停止、以厚多晶硅作衬底释放结构的热电堆红外探测器的制备流程。