２０１２正 仪表技术与传感器 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ ２０１２ ＮＯ．３ 第３期 基于黑硅为吸收层的热电堆红外探测器 夏燕 ，薛晨阳 ，欧 文。袁，锋 ，赵利俊 １０００２９） ２．中国科学院微电子研究所，北京（１．中北大学电子测试国家重点实验室，山西太原 ０３００５１；摘要：基于黑硅对部分波长红外光的高吸收效率，结合红外探测器对吸收层材料的要求，针对以黑硅为红外吸收层的 设计与测试进行了研究；设计采用工艺中刻蚀出现的“黑色”物质为吸收层材料，研究对不同波长红外光的吸收效率。根 据红外基本理论，结合ＭＥＭＳ工艺可行性和兼客性设计一种微机械热电堆红外探测器，热偶对的排布位置进行上下设计； 突破原有的硅衬底的释放困难和ＳＯ１衬底的成本过高的问题，提出一种氧化层上的多晶硅作衬底，最后器件以正面干法 释放器件的方法，在提高探测器性能的同时节约成本。 关键词：黑硅；兼容性；热电堆；红外；ＭＥＭＳ 中图分类号：ＴＰ２１６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—１８４１（２０１２）０３—００１１—０４ Ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｂｌａｃｋ Ｓｉｌｉｃｏｎ ａｓ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ＸＩＡ Ｙａｎ ，ＸＵＥ Ｃｈｅｎ－ｙａｎｇ ，ＯＵ Ｗｅｎ ，ＹＵＡＮ Ｆｅｎｇ ，ＺＨＡＯ Ｌｉ－ｊｕｎ （１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ（Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ）， Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｉｎｓｉｔｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒ’Ｓ ｄｅｍａｎｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｔｅｘｔ ｏｆ ｂｌａｃｋ ｓｉｌｉｃｏｎ ｉｓ ｐｒｅｓ— ｅｎｔ ａｓ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｌａｙｅｒ ｆｏｒ ｉｔｓ ｈｉ ｇｈ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｒｔ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｌｉｇｈｔ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｏｎ ｂｌａｃｋ ｓｉｌｉｃｏｎ’Ｓ ａｂｓｏｒｐ－ ｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓ ｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｌｉｇｈｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ＩＲ ｂａｓｉｃ ｔｈｅｏｒｙ，ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ｉｑｎ ＭＥＭＳ ｐｒｏｃｅｓｓ，ａ ｔｙｐｅ ｏｆ ＭＥＭＳ ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｗｏ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｐｌａｃｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｌａｙｅｒ ｏｆ ＳｉＣ２ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｔｏｏｋ ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ＳｉＣ２ ａｓ ｔｈｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｔｏ ｒｅｌｅａｓｅ ｄｅｖｉｓｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＸｅＦ２ ｆｒｏｎｔ ｄｒｙ ｅｔｃｈｉｎｇ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｄｉｆｉｃｕｌｔｙ ｗｈｅｎ ｒｅｌｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｓｉ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｃｏｓｔ ｏｆ ＳＯ１．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｉｍ— ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｌａｃｋ ｓｉｌｉｃｏｎ；ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ；ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ；ｉｎｆｒａｒｅｄ；ＭＥＭＳ ０引言 Ｖｏ ＝（ ＾一 Ｂ）・ＡＴ 自１８００年英国天文学家Ｗ．Ｈｅｒｓｃｈｅｌ发现红外辐射，对红 外技术的研究已经２００多年。任何温度高于绝对零度的物体 式中：ＯＬ 、 是两种材料的塞贝克系数。 通过探测输出电压大小，就可以得到探测器的一些响应 都发出红外辐射，红外探测器就是将光转换成电信号 。热电 堆红外探测器的优点是无需偏置电压；信号受影响小；读出电 率、探测率等性能参数值 。 关于热电堆红外探测器的吸收层材料的研究，目前集中在 金黑和炭黑的制备。但是由于金、银对于ＣＭＯＳ工艺来说并不 兼容，而炭黑得出的结果也并不理想 。常规的黑硅主要采 路简单。随着ＭＥＭＳ的投入，出现的成本低、易批量生产、信号 灵敏、易封装的微机械薄膜热电堆红外探测器迅速成为研究热 点 。它的应用很广泛，光谱仪、热像仪以及红外成像、红外 热电堆红外探测器的工作原理是塞贝克效应。即两种材 料Ａ和Ｂ的一端相连作热端，当受热时，冷热端会产生温差 △ ，那么冷端会有一个电压输出 ，如图１所示。 制导、红外预警等军事领域都很重要 ｊ。 用硅为材料，非秒激光器高能量轰击或者金、银等辅助电化学 方法制得，成本较高，与探测器兼容困难 ” 。文中利用卤素 气体（Ｓ１ｒ 或ｃｌ 等）刻蚀多晶硅和非晶硅凹槽，凹槽两侧台阶 下会形成针状森林结构，作为探测器的吸收层材料分析它的性 能和对不同波长红外光的吸收谱。 另外，热电堆红外探测器的结构设计存在着一些问题。首 光源 先，研究大都采用热偶条成对排列在介质膜上，在设计上经常 会遇到热偶条对数受到宽度的限制，整体尺寸大；其次，释放结 构时采用背腔腐蚀，工艺上正反面对准曝光误差大，或者采用 图１塞贝克效应示意图 正面打孔ＸｅＦ 干法腐蚀，但是也只限于单位尺寸较小的情况。 针对这些限制，提出一种新型热电堆红外探测器，对具体工艺 制备过程中的兼容性问题做出分析。 输出信号与温差关系为 基金项目：国家８６３重大项目（２００６ＡＡ０４０１０１） 收稿日期：２０１１一ｏ５—３Ｏ收修改稿日期：２０１１—１２—１Ｏ １黑硅为吸收层的红外吸收谱分析 在ＭＥＭＳ的工艺过程中的干法刻蚀，利用卤素气体对离子 ｌ２ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｍａｌ－．２０１２ 注入的多晶或者非晶材料进行腐蚀和释放，形成需要的结构。 ｍ～・Ｋ一；Ｔ１为黑体温度；Ｔ２为环境温度；Ａ。为黑体炉腔口面 在这期间会出现“黑色”物质，这对黑硅的制备方法的研究是一 个新的方向。 积；ｆ为光阑到探测器的垂直距离。 Ｑ ＝Ｃ・ｄＡＴ （２） 目前很多研究表明，黑硅在近红外波长范围内的吸收率都 式中：Ｃ为探测器的热容，等于质量与比热的乘积；△ 为单位时 间内探测器的温差。 Ｑ。。ｎｄ＝ＧＡＴ・ｄｔ （３） 高于８５％，对红外探测器来说很高的。甚至现有的金黑吸收率 也不过在８０％一９０％之间。因此，针对黑硅做以下实验。采用 干净的硅片进行离子注入（砷），氯气和溴化氢作为工作气体进 行干法刻蚀，设计刻蚀深度为５ ０００ Ａ，最后得到了黑硅的样品。 对样品进行ＳＥＭ和原子力显微镜测试，见图２。从图片中看出 式中：Ｇ是导热系数；Ａ是热导率；Ｓ为横截面积；６为有效导热 长度。 从式（１）～式（３）得到探测器的热平衡方程： 针状森林结构的最陡处达到７８．６５ ｎｍ． 一一 （ａ）黑硅ＳＥＭ图片 （ｂ）黑硅原子力扫描电镜图片 图２黑硅样品相关图片 图３显示黑硅对两个不同波段的透射谱。由透射谱曲线 可以看出，黑硅样品对整个２．５—１０ ｍ波长的红外光的透射 率都在３０％左右。也就是说，当忽略反射率的影响时，吸收率 可以达到７０％，尚未达到前面所提到的８５％以上，所以将进行 进一步的研究。 黝 ４ ６ ８ ｌＯ １２ ｌ４ 波长／Ｉｔｍ 图３黑硅红外吸收谱 ２热电堆红外探测器的理论分析 探测器热平衡如图４所示，实际吸收的能量等于储存的能 量、热传导消耗的能量以及热对流损失的能量之和。 图４热电堆红外探测器热平衡状态 黑体辐射源照到探测器被吸收的能量为 Ｑ＿ｎｐ ｔ＝０ 。 式中： 为吸收率； 。为探测器接收的红外辐射功率，如式（１）。 探测器储存的能量见式（２）。热传导消耗的能量考虑热偶 条的部分，见式（３）。器件采用真空封装，忽略热对流对能量的 消耗。 ｃ （１） 式中：ｃ 为黑体辐射经调制后的均方根转换系数；ｓ为黑体的 发射率； 为斯蒂芬一波尔兹曼常数，数值为５．６７×１０～Ｗ・ Ｃ・ｄＡＴ＋ＧＡＴ・ｄｔ：ｃａｐｓ（￡）・ｄｔ （４） Ｉ： ｃｒ 生 ／、 （５） ∞ Ｃ 相对Ｇ２来说很小，因此式（５）可简化为 Ｉ＿ 巫生 ／Ｇ （６） 可以得出响应率 、探测率Ｄ 、响应时间ｔ和噪声等效功 率ⅣＥＰ与相关尺寸及吸收率的关系： Ｒ ＝Ｎ（ Ａ— Ｂ）ｃｔ／Ｇ （７） （８） （９） （１Ｏ） 式中：Ｋ为波尔兹曼常数，１．３８×１０ Ｊ．Ｋ～；Ｒ为探测器的电 阻。 要实现器件高速化和提高灵敏度，必须在Ｒ 不变的情况 下减小Ｃ ．Ｒ 由热电偶以及膜片的剖面面积比决定的。 通过公式中性能参数与尺寸、材料的关系，模拟它们的变 化关系，见表１。首先，提高吸收效率有利于响应率的提高。从 表１可知，增加热偶条长度，减小横截面积可以提高响应率和 探测率，但是会使响应时间变长；热偶对数增加有利于响应时 间的缩短，但是会减小探测率，限制热偶条的横截面积。需要 通过尺寸仿真来选择适合的尺寸进行设计。 表１探测器的性能一尺寸变化关系 ￡ 为吸收层边长；Ｌ 、Ｌ，分别为热偶条热端长度和冷端长 度；伽 、ｄ 分别为热偶条宽度和厚度；Ⅳ为热偶条对数。 ３热电堆红外探测器 ３．１热电堆红外探测器的结构设计 ３．１．１氧化层上的多晶硅衬底 如图５所示，在硅上制备氧化层和多晶硅层。氧化层采用 热氧制作，这样致密性更好，释放结构时做阻挡作用是有利的。 第３期 夏燕等：基于黑硅为吸收层的热电堆红外探测器 ３ ２．９５ ２．９ １３ ｌＰＯＬＹｓｉ ＳｉＯｚ ２．８５ ２ ８ ２．７５ ２．７ ２，６５ ２．６ 图５热电堆红外探测器衬底结构 ２．５５ ３．１．２热偶条的竖直位置设计 一热偶条冷端长度 ｌｏ ｍ 般的热电堆红外探测器的热偶条设计如图６（ａ）所示为 （ｂ）探测率参数随热偶条冷端长度的变化 富『ｌ卜０平面成对放置，设计中采用两种材料叠加放置图６（ｂ）所示，这 样有效节约空间，在增加热偶条宽度的情况下不会限制热偶对 数，使尺寸的设计更加灵活。 （ａ）常用热电堆红外探测器结构 均昌 （ｂ）设计的热电堆热偶条竖直结构 图６热偶条设计图 ３．２热电堆红外探测器的仿真 根据理论分析，结合黑硅吸收率和设计的优化结构作Ｍａｔ— ｌａｂ分析。热容部分考虑热偶条，硅衬底、支撑膜以及吸收层材 料。这里，若用到黑硅材料，应测出比热容的值，根据热容Ｃ＝ ，ｒｒｔ为质量，即可得到黑硅的热容；每＿ｌ卜【】＿【／ｄ Ｚ 热传导考虑热偶条和薄膜 部分。对相关尺寸进行仿真，如图７所示。 １１０ 饕 ８０ 热偶条热端长度Ｌ１／１Ｏ ｍ 热偶条热端长度Ｌ ／１０—４ｍ （ａ）探测率参数随热偶条热端长度的变化 热偶条冷端长度 １０ ｎｌ ：热偶条宽度ｗ ｌ０ ｍ 热偶条宽度ｗｌｎ／ｌｏ一 ｍ （ｃ）探测率随热偶条宽度的变化 亭。 Ｉ】＿【，ｄ Ｚ ｆ 热偶条对数Ⅳ ５０ ５２ ５４ ５６ ５８ ６０ ６２ ６４ ６６６８ ７０ 热偶条对数Ｎ 热偶条对数Ⅳ （ｄ）探测率随热偶条尺寸的变化趋势 图７性能与相关尺寸仿真 仿真选择合适的尺寸，最后选择热电堆红外探测器的尺寸 为吸收区边长２００ Ｉ－ｔｎｉ；热偶条热端长度２５０ ｍ；热偶条冷端长 度４０ ｍ；宽度１０ ｍ；厚度０．３ ｍ；热偶条对数６Ｏ。得到的性 能参数值：冷热端温差１．４６ Ｋ；输出电压为１７．５ ｍＶ；响应率 ９０．５９ ｖ／ｗ；电阻３４．９ ｋ１２；探测率１．０９×１０ ｃｍＨＺ‘ Ｗ～；响