專利名稱：一種非制冷紅外探測系統(tǒng)像素陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱成像技術(shù)領(lǐng)域，特別指一種非制冷紅外探測系統(tǒng)的像素陣列制作方法。
背景技術(shù)：
紅外偵察和檢測(特別針對纊15微米大氣透過率高的波段)是一種有著廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。與價格昂貴的低溫工作的紅外探測系統(tǒng)相比，非制冷紅外探測系統(tǒng)由于其較低的成本、較小的體積，應(yīng)用前景非常廣泛。目前，基于非晶硅、氧化釩等材料熱阻特性的紅外探測芯片已經(jīng)商業(yè)化。同時，采用光學(xué)讀出方式的微機械紅外成像陣列則是其有力的競爭者。由于光學(xué)讀出非制冷紅外成像系統(tǒng)為全光系統(tǒng)，可以在室溫下工作，與量子型紅外探測器相比，無需笨重的制冷設(shè)備；與傳統(tǒng)的熱釋電或多晶硅非制冷紅外成像儀相比，無需復(fù)雜的讀取電路。采用Fabry-Perot (F-P)腔陣列作為核心結(jié)構(gòu)，利用多光束干涉原理讀取紅外信號，不僅可使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊簡潔、探測靈敏度較高，而且易于大規(guī)模集成。該類系統(tǒng)的一個典型結(jié)構(gòu)為“紅外攝像機系統(tǒng)”的專利文件(申請?zhí)?00480027494. 7)，其包含熱可調(diào)諧濾波器像素陣列、近紅外光源和近紅外檢測器陣列。其中像素陣列的制造是其中的核心，制作過程需要引入犧牲層，這樣使得制作工序較為繁瑣且成本較高，不利于該技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種紅外探測系統(tǒng)像素點的制造方法，通過引入鍵合工藝，在實現(xiàn)像素點之間熱隔離的同時，避開使用犧牲層，制造工藝簡單可靠，更有利于技術(shù)的推廣普及。這種非制冷紅外探測系統(tǒng)像素陣列的制作方法，包括以下步驟
步驟一在SOI的頂層表面通過光刻結(jié)合刻蝕工藝將頂層材料刻穿至到達(dá)SOI的埋層材料，在所述SOI的埋層表面形成若干個獨立的熱隔離柱； 步驟二 將所述步驟一中形成的熱隔離柱與襯底鍵合； 步驟三去除SOI的底層材料，露出SOI的埋層底面；
步驟四采用光刻結(jié)合刻蝕工藝，對所述步驟三中非熱隔離柱區(qū)域?qū)?yīng)的SOI的埋層進(jìn)行刻蝕至刻穿，形成若干個獨立的像素點；
步驟五采用電子束蒸鍍方法，在所述步驟四的像素點表面制備可調(diào)諧熱光帶通濾波器，獲得目標(biāo)產(chǎn)品。其中，SOI為一種稱為“絕緣體上的硅”的商品化材料，其由三層材料構(gòu)成頂層、 埋層、底層。所述SOI頂層材料為晶體硅、埋層材料為二氧化硅、底層材料為晶體硅。為了保證制作的像素陣列的質(zhì)量，需要設(shè)置一些特定的參數(shù)所述的SOI的埋層材料厚度大于1 μ m ；所述熱隔離柱的橫截面積不超過所述像素點橫截面積的十分之一。所述步驟二中的鍵合方式采用但不限于陽極鍵合、AuSn鍵合、AuAu鍵合和CuSn鍵合中的一種?？梢罁?jù)所選擇的襯底材料以及工藝成本、強度要求等選擇合適的鍵合方式。
所述步驟三中去除方法為等離子體干法刻蝕或化學(xué)濕法刻蝕法。由于埋層材料與頂、底層材料的刻蝕速率不同，埋層材料可作為選擇停止刻蝕層。所述可調(diào)諧熱光帶通濾波器為Fabry-Perot腔結(jié)構(gòu)，包括兩反射鏡以及夾在兩反射鏡中的腔體。其中，所述反射鏡由厚度為1/4光學(xué)波長的硅、二氧化硅交替生長構(gòu)成，所述腔體為厚度是1/2光學(xué)波長的非晶硅。非晶硅具有高熱光系數(shù)，可實現(xiàn)高效熱光調(diào)諧。襯底材料一般選取對系統(tǒng)中采用的近紅外檢測光透明的材料，本發(fā)明中所述襯底為玻璃。本發(fā)明的有益效果在于，與現(xiàn)有的紅外探測系統(tǒng)的像素陣列制作方法相比，本發(fā)明制造工藝不需要引入犧牲層，而是在SOI材料的基礎(chǔ)上通過引入鍵合工藝，實現(xiàn)像素之間熱隔離，制造工藝更為簡單可靠，有利于該技術(shù)的普通推廣。


圖Ia為本發(fā)明實施例SOI結(jié)構(gòu)示意圖。圖Ib為本發(fā)明實施例熱隔離柱形成示意圖。圖Ic為本發(fā)明實施例熱隔離住與襯底鍵合示意圖。圖Id為本發(fā)明實施例去除SOI底層材料后的結(jié)構(gòu)示意圖。圖Ie為本發(fā)明實施例像素點結(jié)構(gòu)示意圖。圖If為本發(fā)明實施例像素點陣列示意圖。圖Ig為本發(fā)明實施例可調(diào)諧熱光帶通濾波結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明單個像素點的工作原理圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進(jìn)一步說明。本實施的這種非制冷紅外探測系統(tǒng)像素陣列的制作方法，包括以下步驟
首先，選取SOI材料和襯底5材料，備用。其中選用的SOI材料稱為“絕緣體上的硅”， 目前在集成電路領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其結(jié)構(gòu)是由頂層和底層之間引入了一層氧化層埋層，參見圖Ia所示。本實施例中SOI三層結(jié)構(gòu)從上至下組成為頂層Si 1、埋層^ 2和底層Si 3， 其中頂層Si 1的厚度為15 μ m，埋層SW2 2的厚度1.5 μ m，底層Si 3厚度不作限制，能滿足實際工藝需要即可。另外，襯底5材料一般選取對系統(tǒng)中近紅外光檢測光(850nm)透明的材料，本實施中選取Pyrex 7740堿性玻璃為襯底5材料。如圖Ib所示，在SOI的頂層Si 1表面進(jìn)行光刻和等離子干法刻蝕，將頂層Si 1 從表面刻蝕至到達(dá)SOI的埋層SiA 2表面，未被刻蝕的頂層Si 1便形成突出的柱狀體，即熱隔離柱4。為保證像素陣列的透光性，非熱隔離柱4區(qū)域的頂層Si 1需要完全刻蝕去除， 露出埋層SiA 2。這樣，在埋層SiA 2表面就形成若干個獨立的熱隔離柱4。熱隔離柱4 的高度與頂層Si 1的厚度一致，每根熱隔離柱4的橫截面積大小與設(shè)計的像素點6 (結(jié)合圖Ie所示)橫截面積有關(guān)，一般不超過像素點6橫截面積的1/10，本實施例中的熱隔離柱 4橫截面積為設(shè)計像素點6橫截面積的1/10。然后，在上述步驟中形成的熱隔離柱4與襯底5鍵合，如圖Ic所示。鍵合的方式可選擇陽極鍵合、AuSn鍵合、AuAu鍵合和CuSn鍵合中的一種，可依據(jù)所選擇的襯底5材料以及工藝成本、強度要求等選擇合適的鍵合方式。本實施例中鍵合方式為陽極鍵合，將熱隔離柱4與襯底5結(jié)合在一起，反應(yīng)條件為電壓1200V，溫度350°C，壓力2000N。陽極鍵合工藝要求較低，鍵合力強，具有很高的工藝可靠性。如圖Id所示，去除SOI的底層Si 3材料，露出SOI的埋層SW2 2底面。在本發(fā)明中，SOI中的底層Si 3僅起到支撐作用，需要配合后續(xù)工藝而去除。去除方式可以選擇等離子體干法刻蝕或化學(xué)濕法刻蝕。由于在等離子干法刻蝕工藝中，Si與SiO2的刻蝕速率有很大差異，因此SW2層可作為有效的刻蝕停止層，該步工藝可靠性很高。下一步，采用光刻結(jié)合等離子干法刻蝕工藝，在非熱隔離柱4區(qū)域?qū)?yīng)的SOI的埋層SiA 2表面，向下進(jìn)行刻蝕至穿透埋層SiA 2，形成若干個獨立的像素點6，如圖Ie所示。本實施例刻蝕出的每個像素點6平面形狀為六角形，可結(jié)合圖If所示，像素點6之間間隔2 μ m，厚度與埋層S^2 2厚度一致。這樣，每個像素點6由一根熱隔離柱4支撐，熱隔離柱4站立于襯底5上，像素點6與熱隔離柱4和襯底5配合形成的剖視圖可見為“工”字形。如圖If所示，從像素點6上方俯視可見，多個像素點6組成的像素點6陣列為六角蜂窩結(jié)構(gòu)。接著，如圖Ig所示，采用電子束蒸鍍方法，在各像素點6表面直接制作 Fabry-Perot (F-P)腔結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧熱光帶通濾波器70，中心波長為850nm。每個F-P腔可調(diào)諧熱光帶通濾波器70包括上反射鏡71、下反射鏡72及夾在上下反射鏡71/72之間的非晶硅腔體73。下反射鏡72直接制作在像素點6表面，由2對Si/SiA介質(zhì)膜交替生長構(gòu)成，Si^SiO2介質(zhì)膜厚度為1/4光學(xué)波長；然后生長非晶硅腔體73，腔體73厚度為1/2光學(xué)波長；以及最后生長2對Si/SiA介質(zhì)膜構(gòu)成的上反射鏡71，Si、SiO2的厚度為1/4光學(xué)波長。其中，光學(xué)波長即為本實施的中心波長850nm。這種非制冷式紅外探測系統(tǒng)像素陣列的工作原理，主要是利用F-P濾波器70透射頻率對溫度敏感的原理來間接實現(xiàn)紅外探測。如圖2所示，每個像素點6會吸收照射到該像素點6處的紅外輻射并轉(zhuǎn)換為熱量，引起該像素點6溫度的變化，從而引起F-P濾波器70 透射峰位的變化，這樣當(dāng)850nm探測光入射到該像素點6后，其透射的光強會發(fā)生變化，這一變化馬上會被后面的CMOS或者CCD傳感器捕獲，從而間接探測到了該處的紅外輻射。綜上所述，本發(fā)明一種用于非制冷紅外探測系統(tǒng)的像素陣列的制造方法，通過實施例的具體描述，其制造工藝已被詳細(xì)地公示。然而，以上描述的實施例僅為深入理解本發(fā)明創(chuàng)新實質(zhì)而提供，并非以此限制本發(fā)明具體實施方式
的多樣性，但凡基于上述實施例所作的等效替換或簡單修改，均應(yīng)該被包含于本發(fā)明專利請求的專利保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種非制冷紅外探測系統(tǒng)像素陣列的制作方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一在SOI的頂層(1)表面通過光刻結(jié)合刻蝕工藝將頂層(1)材料刻穿至到達(dá)SOI的埋層(2)材料，在所述SOI的埋層(2)表面形成若干個獨立的熱隔離柱(4)；步驟二 將所述步驟一中形成的熱隔離柱(4)與襯底(5)鍵合；步驟三去除SOI的底層(3)材料，露出SOI的埋層(2)底面；步驟四采用光刻結(jié)合刻蝕工藝，對所述步驟三中非熱隔離柱(4)區(qū)域?qū)?yīng)的SOI的埋層(2)進(jìn)行刻蝕至刻穿，形成若干個獨立的像素點(6)；步驟五采用電子束蒸鍍方法，在所述步驟四的像素點(6)表面制備可調(diào)諧熱光帶通濾波器(70)，獲得目標(biāo)產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外探測系統(tǒng)像素陣列的制作方法，其特征在于，所述SOI頂層(1)材料為晶體硅、埋層(2 )材料為二氧化硅、底層(3 )材料為晶體硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紅外探測系統(tǒng)像素陣列的制作方法，其特征在于，所述的SOI 的埋層(2)材料厚度大于1 μ m ；所述熱隔離柱(4)的橫截面積不超過所述像素點(6)橫截面積的十分之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的紅外探測系統(tǒng)像素陣列的制作方法，其特征在于，所述步驟二中的鍵合方式采用但不限于陽極鍵合、AuSn鍵合、AuAu鍵合和CuSn鍵合中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的紅外探測系統(tǒng)像素陣列的制作方法，其特征在于，所述步驟三中去除方法為等離子體干法刻蝕或化學(xué)濕法刻蝕法。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外探測系統(tǒng)像素陣列的制作方法，其特征在于，所述可調(diào)諧熱光帶通濾波器(70 )為Fabry-Perot腔結(jié)構(gòu)，包括上反射鏡(71)、下反射鏡(72 )以及夾在上反射鏡(71)、下反射鏡(72)中的腔體(73)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的紅外探測系統(tǒng)像素陣列的制作方法，其特征在于，所述上反射鏡(71)和下反射鏡(72)均由厚度為1/4光學(xué)波長的硅、二氧化硅交替生長構(gòu)成，所述腔體(73)為厚度是1/2光學(xué)波長的非晶硅。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外探測系統(tǒng)像素陣列的制作方法，其特征在于，所述襯底 (5)為玻璃。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種非制冷紅外探測系統(tǒng)像素陣列的制作方法，包括以下步驟一、在SOI的頂層表面通過光刻結(jié)合刻蝕工藝將頂層材料刻穿至到達(dá)SOI的埋層材料，在所述SOI的埋層表面形成若干個獨立的熱隔離柱；二、將所述步驟一中形成的熱隔離柱與襯底鍵合；三、去除SOI的底層材料，露出SOI的埋層底面；四、采用光刻結(jié)合刻蝕工藝，對所述步驟三中非熱隔離柱區(qū)域?qū)?yīng)的SOI的埋層進(jìn)行刻蝕至刻穿，形成若干個獨立的像素點；五、采用電子束蒸鍍方法，在所述步驟四的像素點表面制備可調(diào)諧熱光帶通濾波器。本發(fā)明通過引入鍵合工藝，在實現(xiàn)像素點之間熱隔離的同時，避開使用犧牲層，制造工藝簡單可靠，更有利于技術(shù)的推廣普及。
文檔編號H01L27/146GK102437166SQ20111030246
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月9日
發(fā)明者時文華 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所