專利名稱：光學(xué)讀出熱-機械型紅外探測器結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)讀出熱-機械型紅外探測器結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
紅外技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)等各行業(yè)，紅外成像、紅外測溫、紅外理療、紅外檢測、紅外報警、紅外遙感、紅外加熱等是各行業(yè)爭相選用的先進技術(shù)。軍事中，紅外成像，紅外偵察，紅外跟蹤，紅外制導(dǎo)，紅外預(yù)警，紅外對抗等在現(xiàn)代戰(zhàn)爭和未來戰(zhàn)爭中是必不可少的戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略手段。紅外探測器是用于將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)化為可見的圖像。按照探測原理的不同，可以將傳統(tǒng)探測器分為兩大類:光電型紅外探測器和熱型紅外探測器。光電型紅外探測器具有響應(yīng)時間快、NETD低等特點，在軍事上得到廣泛應(yīng)用。但由于其工作時需要將光電子和熱電子分離，因此需要制冷(工作在液氮(77K)環(huán)境中)設(shè)備，造成此種紅外探測器體積大，功耗高，價格昂貴，限制了其向民用方向發(fā)展。近年利用紅外輻射具有顯著熱效應(yīng)這一特點而發(fā)展起來的非制冷紅外探測器逐漸商業(yè)化，典型的有熱電阻型、熱電堆型和熱釋電型紅外探測器。此類探測器制作靈活，無需制冷，功耗小，成本低，已逐漸應(yīng)用于各領(lǐng)域。但此類探測器均采用電讀出的方式，由于探測信號較小，因此對讀出電路的設(shè)計提出很高要求，同時也增加了整個芯片的制作工藝難度。此外讀出電路功耗所產(chǎn)生的熱量也影響了探測器敏感元件的響應(yīng)。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，光-機械型非制冷紅外探測器近年成為研究熱點。該類探測器設(shè)計靈活，制作工藝簡單，信號讀出方式采用非接觸式的光讀出方式，大大降低功耗，同時理論預(yù)測該類探測器的NETD可達到5mK，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。考慮到絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計，該類探測器通?？煞譃橐誀奚鼘俞尫偶夹g(shù)為基礎(chǔ)的、帶襯底結(jié)構(gòu)的紅外FPA(focal plane array),和無襯底全鏤空的FPA結(jié)構(gòu)。帶襯底的FPA可及時將熱量傳遞到襯底，使熱成像速率提高，但由于襯底的存在，有大約40%紅外輻射被襯底吸收和反射，降低了紅外吸收效率，此外，犧牲層釋放工藝復(fù)雜，常會造成結(jié)構(gòu)層與沉底的粘連，導(dǎo)致像元失效。而無襯底全鏤空紅外FPA，雖提高了紅外吸收效率，但由于其全鏤空的特點，像元的能量不能及時傳遞出去散失掉，造成各像元之間熱量互相傳遞，各像元不能獨立工作，熱串?dāng)_現(xiàn)象嚴(yán)重，熱成像響應(yīng)時間長，同時器件尺寸的縮小對其性能影響巨大，限制了像元尺寸縮小。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述缺陷，本發(fā)明提供了一種光學(xué)讀出熱-機械型紅外探測器結(jié)構(gòu)及其制造方法，該紅外探測器結(jié)構(gòu)不僅繼承了上述帶襯底FPA和全鏤空FPA的優(yōu)點，同時也克服了他們存在的缺點。該結(jié)構(gòu)較帶襯底結(jié)構(gòu)的FPA提高了紅外吸收效率，較全鏤空FPA提高了薄膜區(qū)域的溫度均勻性，使得各像元之間可以獨立工作，提升了熱響應(yīng)速率，同時各像元制作在支撐層上，無需額外的支撐框架，使占空比得到提高；此外其上下疊加式變形懸臂梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計不僅提高溫度響應(yīng)靈敏度，而且提高了光學(xué)填充因子，更有利于像元向更小尺寸方向發(fā)展。本發(fā)明為了解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種光學(xué)讀出熱-機械型紅外探測器結(jié)構(gòu)，包括若干個呈陣列分布的像元單元，所述每個像元單元包括:襯底、支撐層、紅外吸收層、反光板和雙材料懸臂梁，所述支撐層位于所述襯底的上側(cè)面上，所述襯底的下側(cè)面中心呈半鏤空狀；所述紅外吸收層間隔位于所述支撐層的上側(cè)面上方，所述反光板位于所述紅外吸收層上側(cè)面上；所述雙材料懸臂梁為兩個，且平行間隔對稱設(shè)于所述支撐層上側(cè)面上；所述每個雙材料懸臂梁包括上下平行間隔設(shè)置的上橫梁和下橫梁，所述下橫梁由第一非金屬層和第一金屬層組成，所述第一金屬層位于第一非金屬層上側(cè)面上，且該下橫梁的第一非金屬層的下側(cè)面一端向下延伸與所述支撐層連接形成一體；所述上橫梁由第二非金屬層和第二金屬層組成，所述第二非金屬層位于所述第二金屬層上側(cè)面上，且該上橫梁的第二非金屬層的另一端沿其軸向和第二金屬層的另一端面向下分別延伸與所述第一非金屬層的另一端面連接形成一體；所述兩個雙材料懸臂梁的上橫梁的第二非金屬上的一端分別沿與支撐面平行的平面相向延伸與所述紅外吸收層連接形成一體。作為本發(fā)明的進一步改進，所述支撐層、第一非金屬層、第二非金屬層和紅外吸收層分別為氧化娃層和氮化娃層之一。作為本發(fā)明的進一步改進，所述第一金屬層、第二金屬層和反光層分別為鋁層和
金層之一 O作為本發(fā)明的進一步改進，所述襯底的下側(cè)面半鏤空方向與所述雙材料懸臂梁的橫梁所在方向為垂直或平行。本發(fā)明還提供一種上述的光學(xué)讀出熱-機械型紅外探測器結(jié)構(gòu)的制造方法，包括以下步驟:①準(zhǔn)備硅襯底，并在該襯底的上下兩側(cè)面上生長一層薄膜，該襯底上側(cè)面上的薄膜形成所述支撐層；②在上述支撐層上生長第一層犧牲層，并蝕刻出所需圖形，同時在第一層犧牲層的一端處蝕刻出第一連接孔，然后在該第一層犧牲層上和第一連接孔內(nèi)生長第一層非金屬材料層，并進行蝕刻，去掉不需要部分，形成所述雙材料懸臂梁的第一非金屬層，并且該第一非金屬層的一端與所述支撐層連接形成一體；③在上述第一非金屬層上生長第一層金屬材料層，并進行蝕刻或剝離工藝去掉多余部分金屬，形成所述雙材料懸臂梁的第一金屬層，該第一金屬層和第一非金屬層形成所述雙材料懸臂梁的下橫梁；④在上述第一金屬層上生長第二層犧牲層；⑤在上述第二層犧牲層上生長第二層金屬材料層，并蝕刻形成所述雙材料懸臂梁的第二金屬層，然后再次光刻、蝕刻，形成所需的與第一非金屬層相通的第二連接孔；⑥在上述第二金屬層上和第二連接孔內(nèi)生產(chǎn)第二層非金屬材料層，并蝕刻形成所述雙材料懸臂梁的第二非金屬層和所述紅外吸收層；⑦在上述紅外吸收層上生長第三層金屬材料層，并經(jīng)光刻或剝離工藝，形成位于所述紅外吸收層上側(cè)面上的反光板；⑧在上述襯底的下側(cè)面上進行背面光刻、刻蝕出腐蝕窗口，進行體硅腐蝕，形成所述襯底的半鏤空狀；
⑨對上述第一犧牲層和第二犧牲層進行刻蝕，將其完全釋放，至此形成所述光學(xué)讀出熱-機械型紅外探測器結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有益效果是:與現(xiàn)有的熱-機械式IR-FPA結(jié)構(gòu)相比，本FPA結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點:1.與帶襯底結(jié)構(gòu)的FPA相比，該結(jié)構(gòu)減小了襯底對紅外輻射的吸收，有效提高了紅外吸收效率，進而響應(yīng)率得到提聞；2.與全鏤空FPA需要有支撐結(jié)構(gòu)相比，此結(jié)構(gòu)有效提高光學(xué)填充因子，更有利于像元尺寸的縮小；3.半鏤空的結(jié)構(gòu)消除了熱成像時可能出現(xiàn)的熱串?dāng)_現(xiàn)象，響應(yīng)時間減小，熱成像速率加快；4.變形懸臂梁采用了多回折梁變形疊加技術(shù)，提高了溫度響應(yīng)靈敏度，進而響應(yīng)率得到提聞;5.變形梁采用上下疊加技術(shù)，有效提高像元的光學(xué)填充因子；6.有利于像元向更小尺寸的方向發(fā)展。


圖1為本發(fā)明所述像元單元陣列結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明所述單個像元單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2的剖 面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明所述雙材料懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為發(fā)明所述紅外探測器結(jié)構(gòu)的制造方法的步驟之一結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為發(fā)明所述紅外探測器結(jié)構(gòu)的制造方法的步驟之二結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為發(fā)明所述紅外探測器結(jié)構(gòu)的制造方法的步驟之三結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為發(fā)明所述紅外探測器結(jié)構(gòu)的制造方法的步驟之四結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為發(fā)明所述紅外探測器結(jié)構(gòu)的制造方法的步驟之五結(jié)構(gòu)示意圖之一；圖10為發(fā)明所述紅外探測器結(jié)構(gòu)的制造方法的步驟之五結(jié)構(gòu)示意圖之二 ；圖11為發(fā)明所述紅外探測器結(jié)構(gòu)的制造方法的步驟之六結(jié)構(gòu)示意圖；圖12為發(fā)明所述紅外探測器結(jié)構(gòu)的制造方法的步驟之七結(jié)構(gòu)示意圖；圖13為發(fā)明所述紅外探測器結(jié)構(gòu)的制造方法的步驟之八結(jié)構(gòu)示意圖；圖14為發(fā)明所述紅外探測器結(jié)構(gòu)的制造方法的步驟之九結(jié)構(gòu)示意圖。結(jié)合附圖，作以下說明:I——襯底2——支撐層3——紅外吸收層4——反光板5——雙材料懸臂梁6——上橫梁7——下橫梁8——第一非金屬層9——第一金屬層10——第二金屬層11—第二非金屬層12—第一層犧牲層13—第二層犧牲層14—第二連接孔100——像元單元
具體實施例方式一種光學(xué)讀出熱-機械型紅外探測器結(jié)構(gòu)，包括若干個呈陣列分布的像元單元100，每個像元單元包括:襯底1、支撐層2、紅外吸收層3、反光板4和雙材料懸臂梁5，支撐層位于襯底的上側(cè)面上，襯底的下側(cè)面中心呈半鏤空狀；紅外吸收層間隔位于支撐層的上側(cè)面上方，反光板位于紅外吸收層上側(cè)面上；雙材料懸臂梁為兩個，且平行間隔對稱設(shè)于支撐層上側(cè)面上；每個雙材料懸臂梁包括上下平行間隔設(shè)置的上橫梁6和下橫梁7，下橫梁由第一非金屬層8和第一金屬層9組成,第一金屬層位于第一非金屬層上側(cè)面上，且該下橫梁的第一非金屬層的下側(cè)面一端向下延伸與支撐層連接形成一體；上橫梁由第二非金屬層11和第二金屬層10組成，第二非金屬層位于第二金屬層上側(cè)面上，且該上橫梁的第二非金屬層的另一端沿其軸向和第二金屬層的另一端面向下分別延伸與第一非金屬層的另一端面連接形成一體；兩個雙材料懸臂梁的上橫梁的第二非金屬上的一端分別沿與支撐面平行的平面相向延伸與紅外吸收層連接形成一體。優(yōu)選的，上述支撐層、第一非金屬層、第二非金屬層和紅外吸收層分別為氧化硅層或氮化硅層。優(yōu)選的，上述第一金屬層、第二金屬層和反光層分別為鋁層或金層。優(yōu)選的，上述襯底的下側(cè)面半鏤空方向與所述雙材料懸臂梁的橫梁所在方向為垂直或平行。一種上述的光學(xué)讀出熱-機械型紅外探測器結(jié)構(gòu)的制造方法，包括以下步驟:①準(zhǔn)備硅襯底1，并在該襯底的上下兩側(cè)面上生長一層薄膜，該襯底上側(cè)面上的薄膜形成所述支撐層2 (如圖5所示)；②在上述支撐層上生長第一層犧牲層12，并蝕刻出所需圖形，同時在第一層犧牲層的一端處蝕刻出第一連接孔，然后在該第一層犧牲層上和第一連接孔內(nèi)生長第一層非金屬材料層，并進行蝕刻，去掉不需要部分，形成所述雙材料懸臂梁的第一非金屬層8，并且該第一非金屬層的一端與所述支撐層連接形成一體(如圖6所示)；③在上述第一非金屬層上生長第一層金屬材料層，并進行蝕刻或剝離工藝去掉多余部分金屬，形成所述雙材料懸臂梁的第一金屬層9，該第一金屬層和第一非金屬層形成所述雙材料懸臂梁的下橫梁(如圖7所示)；④在上述第一金屬層上生長第二層犧牲層13(如圖8所示)；⑤在上述第二層犧牲層上生長第二層金屬材料層，并蝕刻形成所述雙材料懸臂梁的第二金屬層10(如圖9所示)，然后再次光刻、蝕刻，形成所需的與第一非金屬層相通的第二連接孔14(如圖10所示)；⑥在上述第二金屬層上和第二連接孔內(nèi)生產(chǎn)第二層非金屬材料層，并蝕刻形成所述雙材料懸臂梁的第二非金屬層11和所述紅外吸收層3 (如圖11所示)；⑦在上述紅外吸收層上生長第三層金屬材料層，并經(jīng)光刻或剝離工藝，形成位于所述紅外吸收層上側(cè)面上的反光板4(如圖12所示)；⑧在上述襯底的下側(cè)面上進行背面光刻、刻蝕出腐蝕窗口，進行體硅腐蝕，形成所述襯底的半鏤空狀如圖13所示；⑨對上述第一犧牲層和第二犧牲層進行刻蝕，將其完全釋放，至此形成所述光學(xué) 讀出熱-機械型紅外探測器結(jié)構(gòu)如圖14所示。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)讀出熱-機械型紅外探測器結(jié)構(gòu)，包括若干個呈陣列分布的像元單元(100)，其特征在于:所述每個像元單元包括:襯底(I)、支撐層(2)、紅外吸收層(3)、反光板(4)和雙材料懸臂梁(5)，所述支撐層位于所述襯底的上側(cè)面上，所述襯底的下側(cè)面中心呈半鏤空狀；所述紅外吸收層間隔位于所述支撐層的上側(cè)面上方，所述反光板位于所述紅外吸收層上側(cè)面上；所述雙材料懸臂梁為兩個，且平行間隔對稱設(shè)于所述支撐層上側(cè)面上；所述每個雙材料懸臂梁包括上下平行間隔設(shè)置的上橫梁(6)和下橫梁(7)，所述下橫梁由第一非金屬層(8)和第一金屬層(9)組成,所述第一金屬層位于第一非金屬層上側(cè)面上,且該下橫梁的第一非金屬層的下側(cè)面一端向下延伸與所述支撐層連接形成一體；所述上橫梁由第二非金屬層(11)和第二金屬層(10)組成，所述第二非金屬層位于所述第二金屬層上側(cè)面上，且該上橫梁的第二非金屬層的另一端沿其軸向和第二金屬層的另一端面向下分別延伸與所述第一非金屬層的另一端面連接形成一體；所述兩個雙材料懸臂梁的上橫梁的第二非金屬上的一端分別沿與支撐面平行的平面相向延伸與所述紅外吸收層連接形成一體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)讀出熱-機械型紅外探測器結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述支撐層、第一非金屬層、第二非金屬層和紅外吸收層分別為氧化娃層和氮化娃層之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)讀出熱-機械型紅外探測器結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述第一金屬層、第二金屬層和反光層分別為招層和金層之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)讀出熱-機械型紅外探測器結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述襯底的下側(cè)面半 鏤空方向與所述雙材料懸臂梁的橫梁所在方向為垂直和平行之一。
5.一種如根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的光學(xué)讀出熱-機械型紅外探測器結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于包括以下步驟: ①準(zhǔn)備硅襯底(I)，并在該襯底的上下兩側(cè)面上生長一層薄膜，該襯底上側(cè)面上的薄膜形成所述支撐層(2); ②在上述支撐層上生長第一層犧牲層(12)，并蝕刻出所需圖形，同時在第一層犧牲層的一端處蝕刻出第一連接孔，然后在該第一層犧牲層上和第一連接孔內(nèi)生長第一層非金屬材料層，并進行蝕刻，去掉不需要部分，形成所述雙材料懸臂梁的第一非金屬層(8)，并且該第一非金屬層的一端與所述支撐層連接形成一體； ③在上述第一非金屬層上生長第一層金屬材料層，并進行蝕刻或剝離工藝去掉多余部分金屬，形成所述雙材料懸臂梁的第一金屬層(9)，該第一金屬層和第一非金屬層形成所述雙材料懸臂梁的下橫梁； ④在上述第一金屬層上生長第二層犧牲層(13)； ⑤在上述第二層犧牲層上生長第二層金屬材料層，并蝕刻形成所述雙材料懸臂梁的第二金屬層(10)，然后再次光刻、蝕刻，形成所需的與第一非金屬層相通的第二連接孔(14)； ⑥在上述第二金屬層上和第二連接孔內(nèi)生產(chǎn)第二層非金屬材料層，并蝕刻形成所述雙材料懸臂梁的第二非金屬層(11)和所述紅外吸收層(3)； ⑦在上述紅外吸收層上生長第三層金屬材料層，并經(jīng)光刻或剝離工藝，形成位于所述紅外吸收層上側(cè)面上的反光板(4)； ⑧在上述襯底的下側(cè)面上進行背面光刻、刻蝕出腐蝕窗口，進行體硅腐蝕,形成所述襯底的半鏤空狀； ⑨對上述第一犧牲層和第二犧牲層進行刻蝕，將其完全釋放，至此形成所述光學(xué)讀出熱-機械型紅 外探測器結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了光學(xué)讀出熱-機械型紅外探測器結(jié)構(gòu)及其制造方法，該光學(xué)讀出熱-機械型紅外探測器結(jié)構(gòu)包括若干個呈陣列分布的像元單元，每個像元單元包括襯底、支撐層、紅外吸收層、反光板和雙材料懸臂梁。該紅外探測器結(jié)構(gòu)不僅繼承了上述帶襯底FPA和全鏤空FPA的優(yōu)點，同時也克服了他們存在的缺點。該結(jié)構(gòu)較帶襯底結(jié)構(gòu)的FPA提高了紅外吸收效率，較全鏤空FPA提高了薄膜區(qū)域的溫度均勻性，使得各像元之間可以獨立工作，提升了熱響應(yīng)速率，同時各像元制作在支撐層上，無需額外的支撐框架，使占空比得到提高；此外其上下疊加式變形懸臂梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計不僅提高溫度響應(yīng)靈敏度，而且提高了光學(xué)填充因子，更有利于像元向更小尺寸方向發(fā)展。
文檔編號G01J5/00GK103199144SQ201210002470
公開日2013年7月10日 申請日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者劉瑞文, 焦斌斌, 孔延梅, 尚海平, 李志剛, 盧狄克, 高超群, 陳大鵬 申請人:昆山光微電子有限公司