悬臂梁结构热电堆红外探测器设计

通过以上分析，选取悬臂梁结构热电堆红外探测器进行研究，制作中吸收区和热偶区都设计开口用作释放。悬臂梁结构示意图见图3-16。为了使最后的释放更加容易控制，需要在衬底进行腐蚀停止的设计，用来避免热偶的冷结也被悬空，如图3-17所示。设计了采用硅衬底+氧化硅+较厚的多晶硅作为“仿衬底”，最后释放的是多晶硅层。在多晶硅层挖一个环形槽，生长氧化硅介质层后，氧化硅填充入槽。那么，整个释放区域就被氧化硅“包围”。具体步骤如图3-18所示。在XeF₂干法释放中，多晶硅和氧化硅的选择比高达400∶1，这样可以有效的调节释放区域的面积和尺寸。

图3-17 没有腐蚀停止最后释放过度

图3-18 “防衬底”与释放停止设计

1.热电堆红外探测器热偶条设计

首先，热偶条的材料选择需要考虑到塞贝克系数等参数和IC兼容的要求。因此，P型多晶硅和N型多晶硅是较好的选择。塞贝克系数之差达200μV/K，而且是MEMS工艺中常见的材料，制作简单。一般来说，热电堆红外探测器的热偶条都是成对的排布在介质膜表面，这样使热偶条的对数和宽度互相限制，同时也限制了吸收区的面积。针对这一问题，本书设计了一种热电堆红外探测器，热偶条的两种材料分两层分布，而不是同时分布在介质支撑膜上，如图3-19所示。两层之间添加SiO₂作隔离，避免两层多晶硅制作时工艺互相影响造成结构损坏。

如图3-19所示，氧化硅制作时应使下层多晶硅的冷端和热端暴露出一部分以作后面的金属连接。上层多晶硅制作时长度短于氧化硅边缘部分，最后作连接时，每对热偶条的热端互联，每对的上层多晶硅的冷端与另一对的下层多晶硅冷端互联，这样使所有热电偶信号形成串联，最后经过焊盘输出。

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图3-19 热偶条结构分布

2.热电堆红外探测器设计

硅因为具有吸收光线、产生电流的能力，可是大约有一半的红色光与大部分红外线会穿过硅片，不会被吸收^[97]。但是黑硅对于可见光和部分短波红外光有很强的吸收能力，而且制作工艺简单，因此，在国内外迅速成为研究热点。黑硅表面形貌如图3-20所示。

图3-20 黑硅表面形貌

本书设计制作一种以Si-SiO₂-Poly三层材料“仿衬底”；单层氧化硅作介质支撑膜；热偶条两种材料分层排布，中间以薄氧化层作隔离；黑硅为吸收层；正面打孔的XeF₂干法释放结构的IC兼容热电堆红外探测器。热电堆红外探测器的整体结构示意图如图3-21所示。

图3-21 热电堆红外探测器的整体结构示意图