專利名稱：光學(xué)讀出熱型紅外圖像傳感器中加強型紅外吸收板及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)讀出熱型紅外圖像傳感器中的紅外吸收板及其制備方法，更具體地說是 基于微梁陣列的、單層膜結(jié)構(gòu)的光學(xué)讀出熱型紅外圖像傳感器中的紅外吸收板及其制備方法。
背景技術(shù)：
室溫物體紅外輻射的峰值波段為8-14微米，針對于這一波段的紅外成像主要有量子型和 熱型成像裝置。量子型紅外成像需要對探測器靶面進(jìn)行制冷，附加的制冷設(shè)備使得整個裝置體積笨重且 價格昂貴，不利于民用化和大量普及。熱型成像裝置不需要制冷裝置，降低了體積，減少了成本，保持了高精度，有著廣泛的 應(yīng)用前景。目前市場上使用的熱型紅外成像裝置通過電學(xué)方式讀出探測器陣列感熱像素上的 熱電信號，獲得紅外圖像。但是，由于所探測的熱電信號很微弱，集成電路要有相當(dāng)高的信 噪比和很強的增益。由于感熱像素與基底之間所使用的金屬導(dǎo)線連接降低了感熱像素的熱阻， 從而降低了探測時的溫升，并且讀出電流會在探測器上產(chǎn)生附加熱量，結(jié)果降低了熱成像的 溫度探測靈敏度。同時高難度的讀出電路的設(shè)計和制作會使整個探測裝置的成本很高。而通過光學(xué)讀出方法檢測因吸收紅外輻射產(chǎn)生的雙材料微懸臂梁陣列變形不會在探測器 上產(chǎn)生附加的熱量，無需金屬導(dǎo)線連接，更易于在探測單元與基底之間實現(xiàn)良好的熱隔離。 針對這種新穎的讀出方法，國內(nèi)外分別展開了大量的研究美國加州大學(xué)伯克利分校、美國橡樹嶺國家實驗室和日本Nikon公司分別設(shè)計和制作了相 類似的紅外焦平面陣列(FPA)，它們的共同特征為基于光-機械式的雙材料微懸臂梁，通過 站立的錨腳懸空立于硅基底上嵌套而成陣列。FPA的微懸臂梁單元(或簡稱微粱單元)為紅外 輻射探測器的敏感單元，由熱脹系數(shù)不同的兩種材料組成雙面結(jié)構(gòu)，雙材料梁在吸收入射紅 外輻射后溫度升高，產(chǎn)生熱致離面位移。再通過光學(xué)讀出系統(tǒng)，檢測出微梁單元中紅外吸收 板的離面位移，就可以得到被測物體的熱輻射信息。由于這些結(jié)構(gòu)中保留了硅基底，而可見 光不能透過硅基底，因而只能從微梁單元的上面引入讀出光，讓紅外線透過硅基底。但是， 當(dāng)紅外線經(jīng)過硅基底前后兩個表面的時候，會發(fā)生反射現(xiàn)象，大約40%的紅外線無法到達(dá)探 測器件上，這使得紅外線的吸收率嚴(yán)重下降，降低了探測器件的靈敏性。本發(fā)明人在公開號為CN1556648的發(fā)明專利說明書中，公開了一種"光-機械式微梁陣列 熱型紅外圖像傳感器"，如圖l、圖2所示，該技術(shù)方案中消除了硅基底，采用由支撐框架3 側(cè)向懸臂式支撐的無硅基底單層膜平面結(jié)構(gòu)。微梁單元中包含熱隔離梁l、熱變形梁2和紅外吸收板4，紅外吸收板4是由金屬鍍層和紅外吸收膜構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)，由熱隔離梁l和熱變形梁 2構(gòu)成折轉(zhuǎn)式分布的熱變形機構(gòu)，所有構(gòu)件位于同一層面上。熱致變形量為被測微梁單元前端 的紅外吸收板4的轉(zhuǎn)角變形。這種結(jié)構(gòu)形式由于無硅基底，避免了紅外線經(jīng)過硅基底前后兩個 表面的情況發(fā)生，紅外線可直接到達(dá)紅外吸收板的表面，克服了紅外線損失，顯著提高了探 測器件的靈敏性。但是，由于制作過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，紅外吸收板4會產(chǎn)生彎曲，致使紅 外吸收板4的表面平整度受到影響，結(jié)果導(dǎo)致影響光學(xué)檢測靈敏度。進(jìn)一步的分析表明，紅外 吸收板4的彎曲主要是紅外吸收膜和金屬鍍層的殘余應(yīng)力引起的。為此，在實際制作中，對熱 變形梁2采用厚的金屬表層，而對于紅外吸收板4采用薄的金屬鍍層。為了進(jìn)一步提高FPA性能要求，需要進(jìn)一步減小紅外吸收板的厚度。紅外吸收板越薄，探 測靈敏度越高、熱響應(yīng)時間越短。然而，針對公開號為CN1556648的無基底結(jié)構(gòu)形式，在進(jìn)一 步減小紅外吸收板厚度同時， 一個重大的問題是，紅外吸收板的變形將隨之增大，嚴(yán)重影響 了FPA性能的提高。顯然，在這一技術(shù)方案中紅外吸收板的厚度與平整度之間存在著矛盾。此前，本發(fā)明人在公開號為CN1970430的發(fā)明專利說明書中，進(jìn)一步提出了利用雙層 共振腔來解決紅外吸收板的變形所帶來的影響FPA性能的問題，但是這一雙層共振腔的結(jié)構(gòu) 形式過于復(fù)雜，制作時必須使用犧牲層及其釋放工藝，而犧牲層釋放工藝難度大，成品率極 低，因此制作成本昂貴。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種光學(xué)讀出熱型紅外圖像傳感 器中加強型紅外吸收板，以期通過較為簡單的結(jié)構(gòu)形式解決紅外吸收板在厚度與平整度之間 所存在著矛盾，從而更進(jìn)一步提高FPA性能。本發(fā)明同時提供光學(xué)讀出熱型紅外圖像傳感器中加強型紅外吸收板的制備工藝，以期通 過較為簡單的工藝進(jìn)行加強型紅外吸收板的實施。本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案。本發(fā)明光學(xué)讀出熱型紅外圖像傳感器中加強型紅外吸收板，其結(jié)構(gòu)形式是以非金屬紅外 吸收膜為下層、以金屬鍍層為上層，形成單層膜結(jié)構(gòu)；其結(jié)構(gòu)特點是在紅外吸收膜的底部， 設(shè)置抗彎曲加強筋，抗彎曲加強筋與非金屬紅外吸收膜為同種材質(zhì)或不同種材質(zhì)。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特點也在于抗彎曲加強筋的選用材質(zhì)為SiNx或Si02?？箯澢訌娊畹暮穸葹榧t外吸收膜的厚度的1-3倍。本發(fā)明光學(xué)讀出熱型紅外圖像傳感器中加強型紅外吸收板的制備方法是按如下步驟操作a、 按所設(shè)定的紅外吸收膜上抗彎曲加強筋的結(jié)構(gòu)，在基片上刻蝕出加強筋生長槽；b、 在基片的加強筋生長槽中，生長成加強筋；c、 在生長有加強筋的基片的表面生長成紅外吸收膜層；d、 在紅外吸收膜層上，按微梁單元的結(jié)構(gòu)形式位于中央形成紅外吸收膜、位于兩旁分別 形成基本梁；e、 在紅外吸收膜的表面形成金屬鍍層；f、 在一一間隔的基本梁上形成金屬表層；g、 去除基片，得到帶有加強筋的紅外吸收板，以及位于紅外吸收板兩側(cè)的折轉(zhuǎn)式分布的 熱隔離梁和熱變形梁。與己有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在1、 為了提高探測靈敏度，需要使紅外吸收板更為平整，對于單層膜結(jié)構(gòu)的FPA而言，單 純依靠改善工藝很難使紅外吸收板更為平整。本發(fā)明加強筋結(jié)構(gòu)通過提高整個板的抗彎剛度， 實現(xiàn)了在相同的工藝條件下進(jìn)一步減小紅外吸收板的曲率，因此提高了探測靈敏度。2、 對于單層膜結(jié)構(gòu)的FPA而言，為了進(jìn)一步提高FPA性能，需要進(jìn)一步減小紅外吸收材料 薄膜的厚度，而紅外吸收材料薄膜越薄，紅外吸收板的彎曲程度就越大。本發(fā)明加強筋結(jié)構(gòu) 的設(shè)置使大部分彎矩由加強筋承擔(dān)，因此在減少紅外吸收材料薄膜的厚度時，紅外吸收板的 彎曲程度不會因此而顯著增加，從而有效的提高FPA的探測靈敏度。3、 本發(fā)明保留了公開號為CN1556648的發(fā)明專利中傳感器所擁有的結(jié)構(gòu)簡單、紅外能量 可以直接到達(dá)探測單元、熱隔離梁及熱變形梁的折轉(zhuǎn)式設(shè)計有利于紅外吸收板形成窄長的矩 形結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，使紅外吸收板處在由于變形角度疊加所致的角度偏轉(zhuǎn)最大方向上，并且各微 梁單元可采用順序平鋪的方式構(gòu)成探測陣列，不會出現(xiàn)大面積的空閑和浪費，從而避免了采用多層單元相嵌的結(jié)構(gòu)。4、 本發(fā)明相對于公開號為CN1970430的發(fā)明專利來說，結(jié)構(gòu)形式大為簡化。5、 本發(fā)明制備工藝簡單、制作難度并無明顯加大。


圖l為已有技術(shù)中公開號為CN1556648、名稱為無基底光-機械式微梁陣列熱型紅外圖 像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1所示結(jié)構(gòu)的微梁單元陣列平鋪示意圖。 圖3 (a)為本發(fā)明實施方式一結(jié)構(gòu)示意圖。圖3 (b)為圖3 (a)所示結(jié)構(gòu)加強筋分布示意圖。
圖4 (a)為本發(fā)明實施方式二結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4 (b)為圖4 (a)所示結(jié)構(gòu)加強筋分布示意圖。
圖5 (a)為本發(fā)明實施方式三結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5 (b)為圖5 (a)所示結(jié)構(gòu)加強筋分布示意圖。
圖6 (1) —圖6 (8)為本發(fā)明制備工藝流程圖。
圖中標(biāo)號l熱隔離梁、2熱變形梁、3支撐框架、4紅外吸收板、5條狀筋、6矩形框狀筋、 7紅外吸收膜、8金屬鍍層、9基片、IO加強筋生長槽、ll加強筋、12紅外吸收膜層、13基本梁、 14金屬表層、15基本加強筋層。
以下通過具體實施方式
，結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
具體實施例方式
參見圖l、圖3 (a)、圖4 (a)和圖5 (a)，與公開號為CN1556648的發(fā)明專利中傳感 器相同的是，采用由支撐框架3側(cè)向懸臂式支撐的無硅基底單層膜平面結(jié)構(gòu)。微梁單元中包 含熱隔離梁1、熱變形梁2和紅外吸收板4，由熱隔離梁1和熱變形梁2構(gòu)成折轉(zhuǎn)式分布的熱 變形機構(gòu)，所有構(gòu)件位于同一層面上。熱致變形量為被測微梁單元前端的紅外吸收板4的轉(zhuǎn)角變形。
圖3 (b)所示，與公開號為CN1556648的發(fā)明專利中傳感器相同的結(jié)構(gòu)也包括以非金屬 紅外吸收膜7為下層、以金屬鍍層8為上層，形成單層膜結(jié)構(gòu)。本實施例中，對于公開號為CN1556648的發(fā)明專利中傳感器所作出的改進(jìn)結(jié)構(gòu)是在紅外 吸收膜7的底部，設(shè)置抗彎曲加強筋。針對本實施例中側(cè)向懸臂式支撐的結(jié)構(gòu)形式，紅外吸 收板4的彎曲方向是沿著其懸臂方向，因此，抗彎曲加強筋也是沿著懸臂方向設(shè)置，即與熱 隔離梁平行的方向。
抗彎曲加強筋與非金屬紅外吸收膜7為同種材質(zhì)或不同種材質(zhì)，具體應(yīng)采用比熱容小、楊 氏模量大、與非金屬紅外吸收膜相一致的SiNx、 Si02等材質(zhì)，抗彎曲加強筋的厚度為紅外吸 收膜厚度的l-3倍。
抗彎曲加強筋可以為條狀筋5，具體包括圖3 (a)和圖3 (b)所示的至少兩道相互平行的 條狀筋，各道條狀筋在非金屬紅外吸收膜7的底部均勻分布；也包括圖5 (a)和圖5 (b)所示 的位于非金屬紅外吸收膜7底部中央的一道條狀筋5。
抗彎曲加強筋還可以是矩形框狀筋6，如圖4 (a)和圖4 (b)所示，矩形框狀筋6沿非金 屬紅外吸收膜7的底部邊框設(shè)置。參見圖6，具體制備按如下步驟完成-1、 圖6 (1)所示，按所設(shè)定的紅外吸收板上加強筋的結(jié)構(gòu)，包括其斷面形狀及其分布狀 況，在基片9 (比如Si基片、玻璃基片等)上，用干法刻蝕技術(shù)(如感應(yīng)耦合等離子ICP,反應(yīng) 等離子刻蝕RIE)刻蝕出加強筋生長槽10;2、 圖6 (2)所示，LPCVD (低壓化學(xué)氣相沉積)SiNx或Si02等薄膜材料于有生長槽10的 基片9的表面，并完全覆蓋生長槽IO，構(gòu)成基本加強筋層15;3、 圖6 (3)所示，用化學(xué)機械研磨方法拋光基片9的表面的基本加強筋層15，直至基本 加強筋層15除凹槽里面的膜材料外其他的膜材料剛好被去除，從而構(gòu)成加強筋U。4、 圖6(4)所示，在生長有加強筋11的基片9的表面，LPCVD(低壓化學(xué)氣相沉積)SiNx， Si02 等薄膜材料形成紅外吸收膜層12;5、 圖6 (5)所示，按微梁單元的結(jié)構(gòu)形式，在紅外吸收膜層12上進(jìn)行干法刻蝕(如感應(yīng) 耦合等離子ICP,反應(yīng)等離子刻蝕RIE)，分別形成微梁單元中的基本梁13和紅外吸收膜7;6、 圖6 (6)所示，通過微細(xì)金屬圖形制作中的剝離技術(shù)lift-off工藝，在紅外吸收膜7 的表面形成金屬鍍層8;7、 圖6 (7)所示，通過微細(xì)金屬圖形制作中的剝離技術(shù)lift-off工藝，在基本梁13上間 隔形成金屬表層14;8、 圖6 (8)所示，濕法去除基片9，紅外吸收膜7及其表面金屬鍍層8即構(gòu)成紅外吸收板4， 具有金屬表層14的基本梁13即構(gòu)成熱變形梁2，沒有金屬表層的基本梁13即構(gòu)成熱隔離梁1， 完成制備，獲得帶有加強筋11的紅外吸收板4，以及位于紅外吸收板4兩側(cè)的折轉(zhuǎn)式分布的熱 隔離梁1和熱變形梁2。上述制備過程中的，步驟4-8與公開號為CN1556648的發(fā)明專利中傳感器制備方法相同。
權(quán)利要求
1、光學(xué)讀出熱型紅外圖像傳感器中加強型紅外吸收板，其結(jié)構(gòu)形式是以非金屬紅外吸收膜(7)為下層、以金屬鍍層(8)為上層，形成單層膜結(jié)構(gòu)；其結(jié)構(gòu)特征是在所述紅外吸收膜(7)的底部，設(shè)置抗彎曲加強筋，所述抗彎曲加強筋與所述非金屬紅外吸收膜(7)為同種材質(zhì)或不同種材質(zhì)。
全文摘要
光學(xué)讀出熱型紅外圖像傳感器中加強型紅外吸收板及其制備方法，其結(jié)構(gòu)形式是以非金屬紅外吸收膜為下層、以金屬鍍層為上層，形成單層膜結(jié)構(gòu)；其結(jié)構(gòu)特征是在所述紅外吸收膜的底部，設(shè)置抗彎曲加強筋，所述抗彎曲加強筋與所述非金屬紅外吸收膜為同種材質(zhì)或不同種材質(zhì)。本發(fā)明以較為簡單的結(jié)構(gòu)形式解決了紅外吸收板在厚度與平整度之間所存在著矛盾，從而更進(jìn)一步提高了FPA性能。本發(fā)明制備工藝簡單、易于實施。
文檔編號G01J5/02GK101226081SQ20081002055
公開日2008年7月23日 申請日期2008年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月1日
發(fā)明者伍小平, 史海濤, 張青川, 焦斌斌, 陳大鵬 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)