CN112577612A - 黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片及其制作方法 - Google Patents
黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片及其制作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112577612A CN112577612A CN202011425411.7A CN202011425411A CN112577612A CN 112577612 A CN112577612 A CN 112577612A CN 202011425411 A CN202011425411 A CN 202011425411A CN 112577612 A CN112577612 A CN 112577612A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- thermocouple
- black silicon
- silicon
- plasmon
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 229910021418 black silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 75
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 title claims abstract description 53
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 50
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 44
- 238000002161 passivation Methods 0.000 claims abstract description 40
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 33
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 33
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 33
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 29
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 26
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 26
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims abstract description 25
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims abstract description 24
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 23
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 39
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 35
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 23
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 21
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 15
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 12
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 claims description 12
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 10
- 238000000059 patterning Methods 0.000 claims description 9
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 8
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims description 7
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 6
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 claims description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 claims description 4
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 3
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 claims description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 78
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 9
- 238000004518 low pressure chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003738 black carbon Substances 0.000 description 2
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 2
- 210000001061 forehead Anatomy 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- -1 Ag + Chemical class 0.000 description 1
- 230000005678 Seebeck effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000009396 hybridization Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/12—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
- B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
- B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
- B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
- B81C1/00023—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems without movable or flexible elements
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/01—Manufacture or treatment
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
- H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/80—Constructional details
- H10N10/85—Thermoelectric active materials
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
- B81B2201/02—Sensors
- B81B2201/0207—Bolometers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/12—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
- G01J2005/126—Thermoelectric black plate and thermocouple
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
本发明公开了一种黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片，包括硅衬底，所述硅衬底上设有支撑层，所述硅衬底的中部设有空气腔，所述支撑层上设有热电偶，所述热电偶的两端各设有一个电极压焊点；所述热端区域覆盖有吸收层；所述吸收层包括黑硅微纳结构和金属纳米颗粒，所述金属纳米颗粒生长在黑硅微纳结构上形成黑硅等离激元，所述黑硅等离激元的表面设有保护钝化层。本发明中，采用黑硅微纳结构和金属等离激元作为热电堆吸收层，吸收率高、吸收光谱范围宽、响应速度快、通用性好；金属等离激元为不连续金属纳米颗粒，提高了光热转化效率，热电堆灵敏度高；材料易于获取，对工艺平台要求低。
Description
技术领域
本发明涉及热电堆芯片领域，特别涉及一种黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片及其制作方法。
背景技术
热电堆是一种基于塞贝克效应的非制冷红外探测器，已广泛应用于耳温枪/额温枪、工业非接触测温、气体成分分析、真空传感、智能家电等领域。热电堆通过热端吸收层吸收红外辐射，将其转化为热能，然后通过热电偶再将其转化为电势差信号输出。热电堆吸收层直接决定了光热转换效率，从而决定了探测器整体的灵敏度。
传统的热电堆吸收层主要采用金属、黑炭或SiO2/Si3N4/SiO2三明治结构。采用金属作为吸收层，响应光谱范围宽，但红外辐射反射强、金属热导大，器件灵敏度较低。采用黑炭作为吸收层，具有响应光谱范围宽，反射率低的优点，但同时由于碳吸收系数较小，吸收层厚度厚、热容大、响应时间慢，同时炭黑工艺容易产生碳粉颗粒，对工艺线造成沾污。采用SiO2/Si3N4/SiO2三明治结构，由于SiO2和Si3N4材料本身吸收系数限制，只能应用于8μm～14μm长波红外波段，限制了热电堆的测温范围(仅对50℃以下物体具有较高灵敏度)。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了一种响应速度快、灵敏度高的黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片及其制作方法。
本发明的技术方案如下：
一种黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片，包括硅衬底，所述硅衬底上设有支撑层，所述硅衬底的中部设有露出支撑层底面的空气腔，所述硅衬底上对应空气腔正上方的区域定义为热端区域，所述硅衬底上热端区域之外的区域定义为冷端区域；所述支撑层上设有热电偶，所述热电偶的两端各设有一个电极压焊点；所述热端区域覆盖有吸收层；所述吸收层包括黑硅微纳结构和金属纳米颗粒，所述金属纳米颗粒生长在黑硅微纳结构上形成黑硅等离激元，所述黑硅等离激元的表面设有保护钝化层。
进一步的,所述金属纳米颗粒为Al、Ti、Au、Ag、V、Ni中的任意一种金属或多种金属，所述保护钝化层为Al2O3、SiO2或Si3N4。
进一步的,所述热电偶包括多个第一热电偶段和多个第二热电偶段，所述第一热电偶段之间通过第二热电偶段串联连接，位于两端的第一热电偶段通过连接段与电极压焊点连接；所述第一热电偶段设置在支撑层上，所述第一热电偶段的表面设有热电偶隔离层，各个所述第一热电偶段之间相互隔离，且每一所述第一热电偶段的第一端均位于热端区域，第一热电偶段的第二端均位于冷端区域。
进一步的,所述第二热电偶段和连接段的表面设有顶部钝化层，所述顶部钝化层上对应两个电极压焊点的位置处分别设有一个压焊点接触孔，所述电极压焊点通过压焊点接触孔与连接段电连接。
进一步的,所述第一热电偶段为N型多晶硅或P型多晶硅，所述第二热电偶段为金属Al、P型多晶硅或N型多晶硅，所述连接段的材料与第一热电偶段或第二热电偶段相同。
一种黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片制作方法，包括以下步骤：
步骤S1、在硅衬底上形成支撑层，在支撑层上定义两个电极区；
步骤S2、在支撑层表面制作热电偶，且热电偶的两端分别延伸至两个电极区；
步骤S3、采用PECVD工艺，在支撑层和热电偶的上端面淀积多晶硅材料；
步骤S4、采用添加有重金属离子的溶液对多晶硅材料进行湿法腐蚀处理，形成黑硅微纳结构；
步骤S5、采用磁控溅射工艺，在黑硅微纳结构上生长金属纳米颗粒，形成黑硅等离激元；
步骤S6、采用光刻刻蚀工艺将黑硅等离激元图形化；
步骤S7、采用原子层淀积工艺，在黑硅等离激元表面生长保护钝化层；
步骤S8、在两个电极区分别制作一个与热电偶电连接的电极压焊点；
步骤S9、采用双面对准光刻与深硅刻蚀工艺，在所述硅衬底的下端面从下向上刻蚀至支撑层的底部形成空气腔。
进一步的,所述金属纳米颗粒为Al、Ti、Au、Ag、V、Ni中的任意一种金属或多种金属，所述保护钝化层为Al2O3、SiO2或Si3N4。
进一步的,所述步骤S2包括以下子步骤：
子步骤S201、在支撑层表面淀积第一热电偶段材料，并采用光刻与刻蚀工艺将其图形化，形成多个相互隔离的第一热电偶段；
子步骤S202、在各第一热电偶段的表面生长二氧化硅钝化层，作为热电偶隔离层；在热电偶隔离层上分别对应各第一热电偶段的两端开设热电偶接触孔；
子步骤S203、生长第二热电偶段材料，采用光刻与刻蚀工艺将第二热电偶段材料图形化，形成多个第二热电偶段；且第二热电偶段将各第一热电偶段串联连接形成热电偶,所述热电偶的两端分别延伸至两个电极区，形成连接段；
子步骤S204、采用热氧化工艺，在第二热电偶段和连接段的表面生长二氧化硅钝化层，作为顶部钝化层。
进一步的,所述第一热电偶段材料采用N型多晶硅或P型多晶硅，所述第二热电偶段材料采用金属Al、P型多晶硅或N型多晶硅，所述连接段的材料采用第一热电偶段材料或第二热电偶段材料。
进一步的,在所述步骤S8中，制作电极压焊点包括以下子步骤:
子步骤S801、采用光刻刻蚀工艺在顶部钝化层对应两个电极区的位置处分别刻蚀出一个压焊点接触孔；
子步骤S802、分别对应每一压焊点接触孔的位置处，采用磁控溅射工艺在顶部钝化层上生长金属Al或Al合金；
子步骤S803、采用光刻刻蚀工艺对金属Al或Al合金进行刻蚀，形成两个电极压焊点。
本发明具有以下有益效果：
1、采用黑硅微纳结构和金属等离激元作为热电堆吸收层，吸收率高；
2、响应速度快，借助黑硅等离激元超高的吸收效率，可适度增大热电堆热电偶的热导，提高器件响应速度；
3、通用性好，黑硅等离激元从可见光到长波红外吸收率都大于90％，各种应用场景(不同测温要求)热电堆器件皆可采用该吸收层结构；
4、吸收光谱范围宽，可覆盖可见光到长波红外波段，甚至到THz波段，可实现极宽的测温范围(-40℃～3000℃皆可使用)；
5、金属等离激元为不连续的金属纳米颗粒，黑硅微纳结构作为金属等离激元成型辅助基底，使其特征尺寸易于控制在5nm～50nm，提高了光热转化效率，热电堆灵敏度高；
6、材料易于获取，标准硅工艺线即包含该结构所需材料，对制造工艺平台要求低。
附图说明
图1为本发明黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片的一个优选实施例的俯视图；
图2为图1的A-A向剖面图；
图3a和图3b为黑硅等离激元的结构示意图；
图4为本发明黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片制作方法的一个优选实施例的流程图；
图5为热端区域和冷端区域的划分示意图；
图6为在硅衬底上生长支撑层后定义两个电极区的示意图；
图7为在支撑层上形成第一热电偶段后的俯视图；
图8为形成热电偶隔离层后的俯视图；
图9为开设热端热电偶接触孔和冷端热电偶接触孔后的俯视图；
图10为形成第二热电偶段后的俯视图；
图11为生长顶部钝化层后的俯视图；
图12为制作黑硅等离激元后的俯视图；
图13为刻蚀出压焊点接触孔后的俯视图；
图14为刻蚀出空气腔后的仰视图。
图中：1.硅衬底，2.支撑层，3.第一热电偶段，4.热电偶隔离层，5.第二热电偶段，6.顶部钝化层，7.电极压焊点，8.黑硅等离激元，9.空气腔，10、热端区域，11.冷端区域，12.电极区，31.热电偶接触孔，51.连接段，71.压焊点接触孔，81.黑硅微纳结构，82.金属纳米颗粒，83.保护钝化层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。
如图1和图2所示，本发明黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片的一个优选实施例包括硅衬底1，所述硅衬底1上设有支撑层2，所述硅衬底1的中部设有露出支撑层2底面的空气腔9，所述硅衬底1上对应空气腔9正上方的区域定义为热端区域10，所述硅衬底1上热端区域10之外的区域定义为冷端区域11，所述冷端区域11定义有两个电极区12；所述支撑层2可采用SiO2、Si3N4等单层介质材料，也可采用SiO2/Si3N4/SiO2三明治结构，优选为采用SiO2/Si3N4/SiO2三明治结构。
所述支撑层2上设有热电偶，所述热电偶包括多个第一热电偶段3和多个第二热电偶段5，所述第一热电偶段3可采用N型多晶硅或P型多晶硅，优选为采用N型多晶硅；所述第二热电偶段5可采用金属Al、P型多晶硅或N型多晶硅，优选为采用P型多晶硅。
所述第一热电偶段3设置在支撑层2上，且各个所述第一热电偶段3之间相互隔离，第一热电偶段3的数量一般为60～120个，当然，也可少于60个或多于120个；本实施例以六十个第一热电偶段3为例进行说明；所述第一热电偶段3采用金属Al、P型多晶硅或N型多晶硅，优选为采用P型多晶硅材料。六十个所述第一热电偶段3的第一端均位于热端区域10，第二端均位于冷端区域11；六十个所述第一热电偶段3的表面均设有热电偶隔离层4，所述热电偶隔离层4为二氧化硅钝化层。
六十个所述第一热电偶段3通过五十九个第二热电偶段5串联连接在两个电极区12之间。具体的，将六十个第一热电偶段3按连接顺序划分为六十级，第一级至第五十九级的第一热电偶段3的第二端分别通过一个第二热电偶段5与下一级的第一热电偶段3的第一端电连接，第一级的第一热电偶段3的第一端和第六十级的第一热电偶段3的第二端分别向外延伸，形成两个连接段51，所述连接段51的材料可采用与第一热电偶段3相同的材料，也可采用与第二热电偶段5相同的材料，优选为采用与第二热电偶段5相同的材料。第一热电偶段3和第二热电偶段5的连接方式优选为在热电偶隔离层4上对应每一第一热电偶段3的两端分别开设热电偶接触孔31，所述第二热电偶段5通过热电偶接触孔31与第一热电偶段3电连接。
所述第二热电偶段5和连接段51的表面设有顶部钝化层6，所述顶部钝化层6为二氧化硅钝化层。所述顶部钝化层6上对应两个连接段51的位置处分别设有一个压焊点接触孔71，所述顶部钝化层6上对应两个压焊点接触孔71的位置处分别设有一个电极压焊点7，所述电极压焊点7为金属Al或Al合金。所述电极压焊点7通过压焊点接触孔71与连接段51电连接。
所述热电堆芯片上端的热端区域10内设有吸收层8，如图3a和图3b所示，所述吸收层8包括黑硅微纳结构81和金属纳米颗粒82；所述黑硅微纳结构81的特征尺寸为100nm～3000nm；所述金属纳米颗粒82生长在黑硅微纳结构81上，形成黑硅等离激元；所述金属纳米颗粒82采用Al、Ti、Au、Ag、V、Ni中的任意一种金属或多种金属，所述金属纳米颗粒82的特征尺寸为5nm～50nm。所述黑硅等离激元的表面设有保护钝化层83，所述保护钝化层83的材料为Al2O3、SiO2或Si3N4。
本实施例的吸收层8设置黑硅微纳结构81和金属等离激元，形成黑硅等离激元，吸收率高；借助黑硅等离激元超高的吸收效率，可适度增大热电堆热电偶的热导，提高器件响应速度；黑硅等离激元从可见光到长波红外吸收率都大于90％，各种应用场景(不同测温要求)热电堆器件皆可采用该吸收层结构；并且可覆盖可见光到长波红外波段，甚至到THz波段，可实现极宽的测温范围(-40℃～3000℃皆可使用)。金属等离激元为不连续的金属纳米颗粒82，黑硅微纳结构81作为金属等离激元成型辅助基底，使其特征尺寸易于控制在5nm～50nm，提高了光热转化效率，热电堆灵敏度高。另外，本实施例所采用的材料易于获取，标准硅工艺线即包含该结构所需材料，对制造工艺平台要求低。本发明适用于耳温枪/额温枪(人体温度测量)、工业非接触测温(高温测量)、气体成分分析(中短波红外测量)、真空传感(高灵敏度测温)、智能家电(人体温度测量)等领域应用。
如图4所示，为本发明黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片制作方法的一个优选实施例的流程图。
如图5所示，在制作前，先将硅衬底1中部上方的区域定义为热端区域10(图5中虚线框中的部分)，将硅衬底1上方热端区域10之外的区域定义为冷端区域11；之后，按照以下步骤进行制作：
步骤S1、如图6所示，采用LPCVD工艺在硅衬底1上形成支撑层2，在支撑层2的冷端区域11定义出两个电极区12；所述支撑层2可采用SiO2、Si3N4等单层介质材料，也可采用SiO2/Si3N4/SiO2三明治结构，优选为采用SiO2/Si3N4/SiO2三明治结构，通过调节支撑层2的膜层厚度比例，能够调节应力。
步骤S2、在支撑层2表面制作热电偶，且热电偶的两端分别延伸至两个电极区12。如图7所示，该步骤包括以下子步骤：
子步骤S201、采用LPCVD工艺支撑层2表面淀积第一热电偶段材料，所述第一热电偶段材料可采用N型多晶硅或P型多晶硅，优选为采用N型多晶硅。采用光刻与刻蚀工艺将第一热电偶段材料图形化，形成六十个相互隔离的第一热电偶段3，当然，第一热电偶段3的数量也可以多于六十个或少于六十个，下面以六十个第一热电偶段3为例进行说明；六十个第一热电偶段3的第一端均位于热端区域10中,第二端均位于冷端区域11中。
子步骤S202、如图8所示，采用热氧化工艺在各第一热电偶段3的表面生长二氧化硅钝化层，作为热电偶隔离层4；如图9所示，采用光刻与刻蚀工艺在热电偶隔离层4上对应各第一热电偶段3两端的位置处分别开设热电偶接触孔31。
子步骤S203、如图10所示，采用LPCVD工艺生长第二热电偶段材料，使第二热电偶段材料伸入各热电偶接触孔31中并与第一热电偶段3电连接，所述第二热电偶段材料可采用金属Al、P型多晶硅或N型多晶硅，优选为采用P型多晶硅材料。采用光刻与刻蚀工艺将第二热电偶段材料图形化，形成五十九个第二热电偶段5和两个连接段51；五十九个所述第二热电偶段5将各第一热电偶段3串联连接形成热电偶,热电偶两端的两端分别通过连接段51延伸至两个电极区12。具体的，将热电偶中的六十个第一热电偶段3按连接顺序划分为六十级，第一级的第一热电偶段3的第一端通过一个连接段51连接至一个电极区12，第一级至第五十九级的第一热电偶段3的第二端分别通过一个第二热电偶段5与下一级的第一热电偶段3的第一端电连接，第六十级的第一热电偶段3的第二端通过另一连接段51连接至另一个电极区12。当然，也可在将第一热电偶段材料图形化时形成六十个第一热电偶段3和两个连接段51，此时，将第二热电偶段材料图形化时只形成五十九个第二热电偶段5，不形成连接段51。
子步骤S204、如图11所示，采用热氧化工艺，在第二热电偶段5和连接段51的表面生长二氧化硅钝化层，作为顶部钝化层5。
步骤S3、如图12所示，采用PECVD工艺，在支撑层2和热电偶的上端面淀积多晶硅材料。
步骤S4、如图3所示，采用湿法腐蚀工艺对多晶硅材料进行处理，形成黑硅微纳结构81；在湿法腐蚀采用的溶液中可添加Ag+、Au+、Pt+、Mn+、Ni+或Cu+等重金属离子辅助进行腐蚀；所述黑硅微纳结构81的特征尺寸为100nm～3000nm。
步骤S5、采用磁控溅射工艺，在黑硅微纳结构81上生长不连续的金属纳米颗粒82，形成黑硅等离激元；所述金属纳米颗粒82为Al、Ti、Au、Ag、V、Ni中的任意一种金属或多种金属，优选为采用金属Au；所述金属纳米颗粒82的特征尺寸为5nm～50nm。
步骤S6、采用光刻刻蚀工艺将黑硅等离激元图形化，使黑硅等离激元均位于热端区域中。
步骤S7、采用原子层淀积(ALD)工艺，在黑硅等离激元表面生长保护钝化层83，对黑硅等离激元进行保护；所述保护钝化层83为Al2O3、SiO2或Si3N4，优选为采用Al2O3。
步骤S8、在顶部钝化层6上对应两个电极区12的位置处分别制作一个与连接段51电连接的电极压焊点7；制作电极压焊点7包括以下子步骤:
子步骤S801、如图13所示，采用光刻刻蚀工艺在顶部钝化层5对应两个电极区12的位置处分别刻蚀出一个压焊点接触孔71。
子步骤S802、分别对应每一压焊点接触孔10的位置处，采用磁控溅射工艺在顶部钝化层7上生长金属Al或Al合金。
子步骤S803、如图1所示，采用光刻刻蚀工艺对金属Al或Al合金进行刻蚀，形成两个电极压焊点7。
步骤S9、如图14所示，采用双面对准光刻与深硅刻蚀工艺，在硅衬底1的下端对应热端区域10的范围向上刻蚀，直到刻蚀至支撑层2的底部，形成空气腔12，从而得到MEMS结构，完成黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片制作。
本实施例中，吸收层采用黑硅等离激元，黑硅等离激元由具有超表面的黑硅微纳结构81及不连续设置在黑硅微纳结构81表面的金属纳米颗粒82组成，是由电磁场(光子)和表面电荷振荡(电子)在金属表面杂化形成的模式，可以使光场完全被局域在硅表面附近，从而提高红外光与探测器的相互作用时间，进而提高对入射光的吸收率；对于热电堆，可以通过黑硅等离激元的宽光谱吸收特性，提高光能利用率，进而提高器件的响应率。
本发明未描述部分与现有技术一致，在此不做赘述。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片，其特征在于,包括硅衬底，所述硅衬底上设有支撑层，所述硅衬底的中部设有露出支撑层底面的空气腔，所述硅衬底上对应空气腔正上方的区域定义为热端区域，所述硅衬底上热端区域之外的区域定义为冷端区域；所述支撑层上设有热电偶，所述热电偶的两端各设有一个电极压焊点；所述热端区域覆盖有吸收层；所述吸收层包括黑硅微纳结构和金属纳米颗粒，所述金属纳米颗粒生长在黑硅微纳结构上形成黑硅等离激元，所述黑硅等离激元的表面设有保护钝化层。
2.根据权利要求1所述的黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片，其特征在于,所述金属纳米颗粒为Al、Ti、Au、Ag、V、Ni中的任意一种金属或多种金属，所述保护钝化层为Al2O3、SiO2或Si3N4。
3.根据权利要求1所述的黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片，其特征在于,所述热电偶包括多个第一热电偶段和多个第二热电偶段，所述第一热电偶段之间通过第二热电偶段串联连接，位于两端的第一热电偶段通过连接段与电极压焊点连接；所述第一热电偶段设置在支撑层上，所述第一热电偶段的表面设有热电偶隔离层，各个所述第一热电偶段之间相互隔离，且每一所述第一热电偶段的第一端均位于热端区域，第一热电偶段的第二端均位于冷端区域。
4.根据权利要求3所述的黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片，其特征在于,所述第二热电偶段和连接段的表面设有顶部钝化层，所述顶部钝化层上对应两个电极压焊点的位置处分别设有一个压焊点接触孔，所述电极压焊点通过压焊点接触孔与连接段电连接。
5.根据权利要求3所述的黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片，其特征在于,所述第一热电偶段为N型多晶硅或P型多晶硅，所述第二热电偶段为金属Al、P型多晶硅或N型多晶硅，所述连接段的材料与第一热电偶段或第二热电偶段相同。
6.一种黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片制作方法，其特征在于,包括以下步骤：
步骤S1、在硅衬底上形成支撑层，在支撑层上定义两个电极区；
步骤S2、在支撑层表面制作热电偶，且热电偶的两端分别延伸至两个电极区；
步骤S3、采用PECVD工艺，在支撑层和热电偶的上端面淀积多晶硅材料；
步骤S4、采用添加有重金属离子的溶液对多晶硅材料进行湿法腐蚀处理，形成黑硅微纳结构；
步骤S5、采用磁控溅射工艺，在黑硅微纳结构上生长金属纳米颗粒，形成黑硅等离激元；
步骤S6、采用光刻刻蚀工艺将黑硅等离激元图形化；
步骤S7、采用原子层淀积工艺，在黑硅等离激元表面生长保护钝化层；
步骤S8、在两个电极区分别制作一个与热电偶电连接的电极压焊点；
步骤S9、采用双面对准光刻与深硅刻蚀工艺，在所述硅衬底的下端面从下向上刻蚀至支撑层的底部形成空气腔。
7.根据权利要求6所述的黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片制作方法，其特征在于,所述金属纳米颗粒为Al、Ti、Au、Ag、V、Ni中的任意一种金属或多种金属，所述保护钝化层为Al 2O3、SiO2或Si3N4。
8.根据权利要求6所述的黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片制作方法，其特征在于,所述步骤S2包括以下子步骤：
子步骤S201、在支撑层表面淀积第一热电偶段材料，并采用光刻与刻蚀工艺将其图形化，形成多个相互隔离的第一热电偶段；
子步骤S202、在各第一热电偶段的表面生长二氧化硅钝化层，作为热电偶隔离层；在热电偶隔离层上分别对应各第一热电偶段的两端开设热电偶接触孔；
子步骤S203、生长第二热电偶段材料，采用光刻与刻蚀工艺将第二热电偶段材料图形化，形成多个第二热电偶段；且第二热电偶段将各第一热电偶段串联连接形成热电偶,所述热电偶的两端分别延伸至两个电极区，形成连接段；
子步骤S204、采用热氧化工艺，在第二热电偶段和连接段的表面生长二氧化硅钝化层，作为顶部钝化层。
9.根据权利要求8所述的黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片制作方法，其特征在于,所述第一热电偶段材料采用N型多晶硅或P型多晶硅，所述第二热电偶段材料采用金属Al、P型多晶硅或N型多晶硅，所述连接段的材料采用第一热电偶段材料或第二热电偶段材料。
10.根据权利要求8所述的黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片制作方法，其特征在于,在所述步骤S8中，制作电极压焊点包括以下子步骤:
子步骤S801、采用光刻刻蚀工艺在顶部钝化层对应两个电极区的位置处分别刻蚀出一个压焊点接触孔；
子步骤S802、分别对应每一压焊点接触孔的位置处，采用磁控溅射工艺在顶部钝化层上生长金属Al或Al合金；
子步骤S803、采用光刻刻蚀工艺对金属Al或Al合金进行刻蚀，形成两个电极压焊点。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011425411.7A CN112577612B (zh) | 2020-12-09 | 2020-12-09 | 黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片及其制作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011425411.7A CN112577612B (zh) | 2020-12-09 | 2020-12-09 | 黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片及其制作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112577612A true CN112577612A (zh) | 2021-03-30 |
| CN112577612B CN112577612B (zh) | 2022-04-08 |
Family
ID=75127793
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011425411.7A Active CN112577612B (zh) | 2020-12-09 | 2020-12-09 | 黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片及其制作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112577612B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113588159A (zh) * | 2021-08-23 | 2021-11-02 | 青岛芯笙微纳电子科技有限公司 | 一种宽量程的mems真空计及其制作方法 |
| CN118714909A (zh) * | 2024-08-29 | 2024-09-27 | 中北大学 | 一种免制冷、宽光谱的硅基集成光热电探测器件及其制备方法 |
| WO2025007348A1 (zh) * | 2023-07-06 | 2025-01-09 | 微集电科技(苏州)有限公司 | 金属纳米粒子负载类蜂窝状多孔硅薄膜及其热电堆芯片 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2598596A1 (fr) * | 2006-09-18 | 2008-03-18 | Ulis | Dispositif electronique de detection et detecteur comprenant un tel dispositif |
| CN101231193A (zh) * | 2008-02-01 | 2008-07-30 | 中国电子科技集团公司第四十四研究所 | 单片式可见光/红外光双光谱焦平面探测器 |
| CN101774530A (zh) * | 2010-02-03 | 2010-07-14 | 电子科技大学 | 一种微测辐射热计及其制备方法 |
| CN102051618A (zh) * | 2010-11-05 | 2011-05-11 | 云南师范大学 | 一种基于液相化学反应的黑硅制备方法 |
| CN102494782A (zh) * | 2011-11-28 | 2012-06-13 | 中国科学院半导体研究所 | 一种非制冷热电偶红外探测器及其制备方法 |
| US20150137304A1 (en) * | 2012-08-23 | 2015-05-21 | Jiangsu R&D Center For Internet Of Things | Structure and fabrication method of a high performance mems thermopile ir detector |
| US20150168221A1 (en) * | 2012-08-23 | 2015-06-18 | Jiangsu R&D Center For Internet Of Things | Black silicon-based high-performance mems thermopile ir detector and fabrication method |
| CN107209057A (zh) * | 2015-02-09 | 2017-09-26 | 三菱电机株式会社 | 电磁波检测器以及气体分析装置 |
| CN107991768A (zh) * | 2017-11-28 | 2018-05-04 | 中国科学院微电子研究所 | Mems光学器件、光吸收纳米结构及其制备方法 |
| CN110323286A (zh) * | 2019-05-30 | 2019-10-11 | 电子科技大学 | 一种表面等离激元黑硅宽光谱吸收材料的制备方法 |
| CN210926061U (zh) * | 2019-12-11 | 2020-07-03 | 杭州福照光电有限公司 | 一种热电堆红外探测器 |
-
2020
- 2020-12-09 CN CN202011425411.7A patent/CN112577612B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2598596A1 (fr) * | 2006-09-18 | 2008-03-18 | Ulis | Dispositif electronique de detection et detecteur comprenant un tel dispositif |
| CN101231193A (zh) * | 2008-02-01 | 2008-07-30 | 中国电子科技集团公司第四十四研究所 | 单片式可见光/红外光双光谱焦平面探测器 |
| CN101774530A (zh) * | 2010-02-03 | 2010-07-14 | 电子科技大学 | 一种微测辐射热计及其制备方法 |
| CN102051618A (zh) * | 2010-11-05 | 2011-05-11 | 云南师范大学 | 一种基于液相化学反应的黑硅制备方法 |
| CN102494782A (zh) * | 2011-11-28 | 2012-06-13 | 中国科学院半导体研究所 | 一种非制冷热电偶红外探测器及其制备方法 |
| US20150137304A1 (en) * | 2012-08-23 | 2015-05-21 | Jiangsu R&D Center For Internet Of Things | Structure and fabrication method of a high performance mems thermopile ir detector |
| US20150168221A1 (en) * | 2012-08-23 | 2015-06-18 | Jiangsu R&D Center For Internet Of Things | Black silicon-based high-performance mems thermopile ir detector and fabrication method |
| CN107209057A (zh) * | 2015-02-09 | 2017-09-26 | 三菱电机株式会社 | 电磁波检测器以及气体分析装置 |
| CN107991768A (zh) * | 2017-11-28 | 2018-05-04 | 中国科学院微电子研究所 | Mems光学器件、光吸收纳米结构及其制备方法 |
| CN110323286A (zh) * | 2019-05-30 | 2019-10-11 | 电子科技大学 | 一种表面等离激元黑硅宽光谱吸收材料的制备方法 |
| CN210926061U (zh) * | 2019-12-11 | 2020-07-03 | 杭州福照光电有限公司 | 一种热电堆红外探测器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| TONI PASANEN 等: "Surface passivation of black silicon phosphorus emitters with atomic layer deposited SiO2/Al2O3 stacks", 《ENERGY PROCEDIA》 * |
| 李维 等: "黑硅红外探测器研究进展", 《激光与光电子学进展》 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113588159A (zh) * | 2021-08-23 | 2021-11-02 | 青岛芯笙微纳电子科技有限公司 | 一种宽量程的mems真空计及其制作方法 |
| WO2025007348A1 (zh) * | 2023-07-06 | 2025-01-09 | 微集电科技(苏州)有限公司 | 金属纳米粒子负载类蜂窝状多孔硅薄膜及其热电堆芯片 |
| CN118714909A (zh) * | 2024-08-29 | 2024-09-27 | 中北大学 | 一种免制冷、宽光谱的硅基集成光热电探测器件及其制备方法 |
| CN118714909B (zh) * | 2024-08-29 | 2024-10-29 | 中北大学 | 一种免制冷、宽光谱的硅基集成光热电探测器件及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112577612B (zh) | 2022-04-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112577612B (zh) | 黑硅等离激元辅助吸收的热电堆芯片及其制作方法 | |
| US9222837B2 (en) | Black silicon-based high-performance MEMS thermopile IR detector and fabrication method | |
| JP3112680B2 (ja) | 半導体膜ボロメータ熱性赤外検出器 | |
| US9117949B2 (en) | Structure and fabrication method of a high performance MEMS thermopile IR detector | |
| US8618481B2 (en) | Use of noble metal nanoparticles as light absorbers and heat generators in thermal photodetectors, sensors and microelectromechanical devices | |
| US6793389B2 (en) | Monolithically-integrated infrared sensor | |
| US8053729B2 (en) | Electromagnetic radiation detector with nanowire connection and method for producing same | |
| CN210926061U (zh) | 一种热电堆红外探测器 | |
| CN102393252B (zh) | 一种双层微测辐射热计及其制作方法 | |
| CN102494782B (zh) | 一种非制冷热电偶红外探测器及其制备方法 | |
| JPH10274561A (ja) | 熱型赤外線検出素子 | |
| CN110943138B (zh) | 基于干涉增强结构的胶体量子点红外焦平面阵列及制备方法 | |
| US10483416B2 (en) | Medium wave infrared (MWIR) and long wavelength infrared (LWIR) operating microbolometer with raised strut design | |
| CN114364954A (zh) | 热探测器 | |
| CN110672211B (zh) | 一种纳米金修饰的非制冷红外探测器及制作方法 | |
| CN111795750A (zh) | 一种红外热电堆传感装置 | |
| US20200191659A1 (en) | High speed graphene oxide bolometers and methods for manufacturing the same | |
| Wada et al. | Fabrication process for 256x256 bolometer-type uncooled infrared detector | |
| CN215439669U (zh) | Mems热电堆红外传感器 | |
| CN103698021A (zh) | 基于TiN反射层的热电堆红外探测器 | |
| CN106449853A (zh) | 一种具有“亮”补偿元的自支撑热敏薄膜型红外探测器 | |
| CN206282868U (zh) | 具有“亮”补偿元的自支撑热敏薄膜型红外探测器 | |
| CN114152345A (zh) | 一种红外吸收层及应用其的红外热电堆探测器、制作方法 | |
| CN113324697A (zh) | 微型皮拉尼真空传感器及其制作方法 | |
| CN111969098A (zh) | 高吸收热电堆及其制作方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |