專利名稱：一種非制冷紅外探測焦平面器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非制冷紅外探測技術(shù)領(lǐng)域，涉及非制冷紅外探測焦平面微橋結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
紅外探測技術(shù)在紅外技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展迅速，在民用和軍用方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。紅外探測器是構(gòu)成紅外系統(tǒng)和熱成像系統(tǒng)的核心組成部分。目前市場制冷型紅外探測器性能較高，但是需要在低溫下工作，因此需要龐大的制冷設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)龐大。得益于大規(guī)模硅集成電路技術(shù)的發(fā)展，非制冷紅外焦平面技術(shù)已成為現(xiàn)代紅外探測技術(shù)的主流發(fā)展方向。與制冷型紅外焦平面相比，非制冷紅外探測焦平面體積小、成本低、穩(wěn)定性高且與硅半導(dǎo)體工藝兼容性好，使得其在夜視成像、制導(dǎo)、消防及工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。非制冷紅外探測焦平面器件的基本工作原理是被探測物體紅外輻射能量被非制冷紅外探測焦平面器件的紅外吸收層薄膜所吸收，紅外吸收層薄膜吸收輻射能量將能量傳遞給熱敏感層薄膜，從而引起熱敏感層薄膜溫度升高；由于熱敏感層薄膜具有電阻溫度特性，即熱敏感層薄膜在受熱之后電阻值將發(fā)生相應(yīng)的變化，通過器件的電學(xué)通道讀出這種變化，最終實現(xiàn)對紅外輻射的探測?，F(xiàn)有的非制冷紅外探測焦平面器件通常如圖1所示，包括襯底結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)和橋面結(jié)構(gòu)。所述橋面結(jié)構(gòu)為至少包括紅外吸收層薄膜7和熱敏感層薄膜4的薄膜材料，所述支撐結(jié)構(gòu)包括兩個橋腿5和兩個橋墩1，所述襯底結(jié)構(gòu)包括襯底2背面的電路結(jié)構(gòu)和襯底正面的反射層3。橋面結(jié)構(gòu)通過橋腿和橋墩支撐于襯底上，紅外吸收層薄膜7與反射層3 之間形成紅外諧振腔6。熱敏感層薄膜兩側(cè)且在熱敏感薄膜和紅外吸收層薄膜之間具有條狀電極，其中一個條狀電極通過一個橋腿、橋墩中的電學(xué)通道與襯底背面電路結(jié)構(gòu)中的一個端口相連，另一個條狀電極通過另一個橋腿、橋墩中的電學(xué)通道與襯底背面電路結(jié)構(gòu)中的另一個端口相連。現(xiàn)有的非制冷紅外探測焦平面器件的橋面結(jié)構(gòu)中，紅外吸收層薄膜均位于熱敏層薄膜之，同時熱敏感層薄膜位于紅外諧振腔內(nèi)部。通常認(rèn)為這樣的結(jié)構(gòu)有利于紅外輻射能量的吸收。被探測物體紅外輻射能量首先被紅外吸收層薄膜部分吸收，剩余能量透過熱敏層薄膜之后在紅外吸收層和反射層之間的諧振腔內(nèi)來回反射并被紅外吸收層薄膜部分吸收。紅外吸收層薄膜吸收能量后將能量傳遞給熱敏感層薄膜，最終導(dǎo)致熱敏感層薄膜電阻溫度效應(yīng)的產(chǎn)生。通常，紅外吸收層對紅外光線有較強的反射，因此需要在紅外吸收層薄膜表面增加一層增透膜；另外，由于熱敏感層薄膜對光線具有較強的散射作用，使得在諧振腔內(nèi)來回反射的紅外光每次經(jīng)過熱敏感層薄膜都有一定的損失。上述兩方面的原因致使現(xiàn)有的非制冷紅外探測焦平面器件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且無法進(jìn)一步提高其紅外吸收率(存在理論吸收極限)。為了進(jìn)一步提高非制冷紅外探測焦平面器件的紅外吸收效率，在非制冷探測焦平面微橋結(jié)構(gòu)中采取了一系列的措施來增強紅外輻射的吸收金屬反射層的沉積、諧振腔的
3利用以及增強紅外吸收層的設(shè)計等。隨著像元尺寸越來越小，非制冷紅外探測焦平面單元中微橋結(jié)構(gòu)對于器件整體性能有更大的影響，不同的微橋結(jié)構(gòu)特別是光敏面多層材料體系的優(yōu)化設(shè)計等，對器件的最終紅外吸收效率及紅外探測效率，均有較大的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種非制冷紅外探測焦平面器件，該器件突破現(xiàn)有器件結(jié)構(gòu)的慣有思維，將橋面結(jié)構(gòu)中的紅外吸收層薄膜和熱敏感層薄膜的位置關(guān)系倒置從而將熱敏感層薄膜置于紅外諧振腔之外，實驗證明這樣的改變使得非制冷焦平面器件的紅外吸收率得到明顯的提升，從而提升非制冷焦平面器件的探測效率；同時，該器件的橋面結(jié)構(gòu)不再需要增透膜，相應(yīng)簡化了器件結(jié)構(gòu)并能夠適當(dāng)降低器件的制作成本。本發(fā)明技術(shù)方案如下一種非制冷紅外探測焦平面器件，如圖2所示，包括襯底結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)和橋面結(jié)構(gòu)。所述橋面結(jié)構(gòu)包括熱敏感層薄膜4和紅外吸收層薄膜7，所述支撐結(jié)構(gòu)包括兩個橋腿5 和兩個橋墩1，所述襯底結(jié)構(gòu)包括襯底2背面的電路結(jié)構(gòu)和襯底2正面的反射層3。橋面結(jié)構(gòu)通過橋腿5和橋墩1支撐于襯底2上，紅外吸收層薄膜7與反射層3之間形成紅外諧振腔6。熱敏感層薄膜4兩側(cè)且在熱敏感薄膜4和紅外吸收層薄膜7之間具有條狀電極，其中一個條狀電極通過一個橋腿、橋墩中的電學(xué)通道與襯底背面電路結(jié)構(gòu)中的一個端口相連， 另一個條狀電極通過另一個橋腿、橋墩中的電學(xué)通道與襯底背面電路結(jié)構(gòu)中的另一個端口相連。熱敏感薄膜4位于紅外諧振腔6之外的紅外吸收層薄膜7的表面。所述熱敏感薄膜材料為非晶硅、非晶硅鍺合金或氧化釩。所述紅外吸收層薄膜材料為氮化鈦(TiN)、氮化硅(Si3N4)、含氫的非晶硅 (a-C:H)、碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)或多孔硅。本發(fā)明提供的非制冷紅外探測焦平面器件突破了現(xiàn)有器件結(jié)構(gòu)的慣有思維，將橋面結(jié)構(gòu)中的紅外吸收層薄膜和熱敏感層薄膜的位置關(guān)系倒置從而將熱敏感層薄膜置于紅外諧振腔之外的紅外吸收層表面(橋面頂部)，使得器件的紅外吸收率得到明顯的提升。被探測物體的紅外輻射能量首先入射到熱敏感層薄膜，由于熱敏感層材料(尤其是非晶硅或非晶硅鍺合金)對光線的反射率很小，而透射率超過90%，所以90%以上的能量透過熱敏感層薄膜后入射到外吸收層薄膜；入射到外吸收層薄膜的能量除一部分被外吸收層薄膜直接吸收之外，其余部分在紅外吸收層和反射層之間的諧振腔內(nèi)來回反射并被紅外吸收層薄膜部分吸收。本發(fā)明提供的非制冷紅外探測焦平面器，由于紅外諧振腔只由紅外吸收層薄膜和反射層構(gòu)成，內(nèi)部沒有熱敏感層薄膜，因此在諧振腔內(nèi)部來回反射的紅外輻射能量沒有散射損失，大部分最終都被紅外吸收層薄膜所吸收，所以器件的紅外吸收率得到進(jìn)一步的提高(從而提升非制冷焦平面器件的探測效率)；同樣由于熱敏感層材料(尤其是非晶硅或非晶硅鍺合金)對光線的反射率很小，而透射率超過90%，所以無需在熱敏感層薄膜表面增加增透膜，從而在一定程度上簡化了器件結(jié)構(gòu)并適當(dāng)降低了器件成本。綜上，本發(fā)明提供的非制冷紅外探測焦平面器件采用了熱敏感層和紅外吸收層倒置的橋面結(jié)構(gòu)，增強了紅外探測焦平面器件的紅外吸收率(通過仿真證明該器件對8 14 μ m的中遠(yuǎn)紅外波段的紅外輻射能量的吸收率能夠提高20%左右，對2 μ m 5 μ m的近紅外波段的紅外輻射能量的吸收率能夠提高40% 60% )，從而使得非制冷焦平面器件的探測效率得到進(jìn)一步提升；同時，該器件無需增透膜，從而在一定程度上簡化了器件結(jié)構(gòu)并適當(dāng)降低了器件成本。此外，該器件與現(xiàn)有的非制冷紅外探測焦平面器件的制備工藝完全兼容。


圖1為現(xiàn)有非制冷紅外探測焦平面器件剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明提供的非制冷紅外探測焦平面器件剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明提供的非制冷紅外探測焦平面器件微橋結(jié)構(gòu)俯視圖。圖1至圖3中，1表示橋墩，2表示襯底，3表示反射層，4表示熱敏感層薄膜，5表示橋腿，6表示紅外諧振腔，7表示紅外吸收層薄膜。
具體實施例方式一種非制冷紅外探測焦平面器件，如圖2所示，包括襯底結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)和橋面結(jié)構(gòu)。所述橋面結(jié)構(gòu)包括熱敏感層薄膜4和紅外吸收層薄膜7，所述支撐結(jié)構(gòu)包括兩個橋腿5 和兩個橋墩1，所述襯底結(jié)構(gòu)包括襯底2背面的電路結(jié)構(gòu)和襯底2正面的反射層3。橋面結(jié)構(gòu)通過橋腿5和橋墩1支撐于襯底2上，紅外吸收層薄膜7與反射層3之間形成紅外諧振腔6。熱敏感層薄膜4兩側(cè)且在熱敏感薄膜4和紅外吸收層薄膜7之間具有條狀電極，其中一個條狀電極通過一個橋腿、橋墩中的電學(xué)通道與襯底背面電路結(jié)構(gòu)中的一個端口相連， 另一個條狀電極通過另一個橋腿、橋墩中的電學(xué)通道與襯底背面電路結(jié)構(gòu)中的另一個端口相連。熱敏感薄膜4位于紅外諧振腔6之外的紅外吸收層薄膜7的表面。所述熱敏感薄膜材料為非晶硅、非晶硅鍺合金或氧化釩。所述紅外吸收層薄膜材料為氮化鈦(TiN)、氮化硅(Si3N4)、含氫的非晶硅 (a-C:H)、碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)或多孔硅。上述非制冷紅外探測焦平面器件的制備過程包括以下步驟步驟1 利用磁控濺射或電子束蒸發(fā)等薄膜工藝在包含焦平面讀出電路且經(jīng)鈍化處理的襯底2上沉積一層金屬，得到金屬反射層3并按版圖要求進(jìn)行刻蝕；步驟2，沉積犧牲層并固化，刻蝕橋墩孔并沉積橋墩金屬，刻蝕金屬層形成橋墩1， 橋墩高度高于犧牲層厚度；步驟3，利用等離子增強化學(xué)汽相沉積(PECVD)和磁控濺射等裝置依次在犧牲層表面制備單層或者多層紅外吸收層7 ；步驟4，繼續(xù)利用PECVD裝置在紅外吸收層7表面上制備非晶硅敏感膜層4，均勻涂覆光刻膠后，經(jīng)曝光顯影得到需要刻蝕的圖案；步驟5，利用磁控濺射或電子束蒸發(fā)等在非晶硅敏感膜4表面沉積橋腿電極金屬， 圖形化刻蝕形成橋腿5，清洗并烘干；步驟6，犧牲層釋放。步驟2中犧牲層材料可采用聚酰亞胺或Si02 ；步驟3中紅外吸收層材料可以采用TiN、Si3N4、a_C:H、SiC、Si02以及多孔硅等；步驟4中熱敏感膜層材料還可以選擇非晶硅鍺合金、氧化釩等。本發(fā)明提供的非制冷紅外探測焦平面器件，對于非晶硅、非晶硅鍺合金或氧化釩的熱敏感層薄膜，以及氮化鈦、氮化硅、含氫的非晶硅、碳化硅、二氧化硅或多孔硅的紅外吸收層，經(jīng)仿真測試，其紅外吸收率具有較大幅度的提升對于8 14 μ m中遠(yuǎn)紅外波段的紅外輻射能量，其吸收率有著從15%到22%不等的提高；在保持中遠(yuǎn)紅外波段(8 14μπι) 高于90%的紅外吸收情況下，對2 μ m 5 μ m波段的輻射吸收率有著40%到60%的提高。
權(quán)利要求
1.一種非制冷紅外探測焦平面器件，包括襯底結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)和橋面結(jié)構(gòu)；所述橋面結(jié)構(gòu)包括熱敏感層薄膜(4)和紅外吸收層薄膜(7)，所述支撐結(jié)構(gòu)包括兩個橋腿(5)和兩個橋墩(1)，所述襯底結(jié)構(gòu)包括襯底(2)背面的電路結(jié)構(gòu)和襯底(2)正面的反射層(3)；橋面結(jié)構(gòu)通過橋腿(5)和橋墩(1)支撐于襯底(2)上，紅外吸收層薄膜(7)與反射層(3)之間形成紅外諧振腔(6)；熱敏感層薄膜(4)兩側(cè)且在熱敏感薄膜(4)和紅外吸收層薄膜(7) 之間具有條狀電極，其中一個條狀電極通過一個橋腿、橋墩中的電學(xué)通道與襯底背面電路結(jié)構(gòu)中的一個端口相連，另一個條狀電極通過另一個橋腿、橋墩中的電學(xué)通道與襯底背面電路結(jié)構(gòu)中的另一個端口相連；其特征在于，熱敏感薄膜(4)位于紅外諧振腔(6)之外的紅外吸收層薄膜(7)的表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非制冷紅外探測焦平面器件，其特征在于，所述熱敏感薄膜 (4)材料為非晶硅、非晶硅鍺合金或氧化釩。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非制冷紅外探測焦平面器件，其特征在于，所述紅外吸收層薄膜(7)材料為氮化鈦、氮化硅、含氫的非晶硅、碳化硅、二氧化硅或多孔硅。
全文摘要
一種非制冷紅外探測焦平面器件，屬于非制冷紅外探測技術(shù)領(lǐng)域。器件包括襯底結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)和橋面結(jié)構(gòu)；橋面結(jié)構(gòu)通過橋腿和橋墩支撐于襯底上，紅外吸收層薄膜與反射層之間形成紅外諧振腔；熱敏感薄膜位于紅外諧振腔之外的紅外吸收層薄膜的表面。本發(fā)明突破現(xiàn)有器件結(jié)構(gòu)的慣有思維，將橋面結(jié)構(gòu)中的紅外吸收層薄膜和熱敏感層薄膜的位置關(guān)系倒置從而將熱敏感層薄膜置于紅外諧振腔之外的紅外吸收層薄膜表面，增強了紅外探測焦平面器件的紅外吸收率，從而使得非制冷焦平面器件的探測效率得到進(jìn)一步提升；同時，該器件無需增透膜，從而在一定程度上簡化了器件結(jié)構(gòu)并適當(dāng)降低了器件成本。
文檔編號G01J5/10GK102226721SQ20111008529
公開日2011年10月26日 申請日期2011年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月6日
發(fā)明者何敏, 徐睿, 李偉, 李雨勵, 蔣亞東 申請人:電子科技大學(xué)