一種低熱導的太赫茲探測單元微橋結構及其製備方法
2023-05-23 02:45:06
一種低熱導的太赫茲探測單元微橋結構及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種低熱導的太赫茲探測單元微橋結構，該微橋結構包括橋墩、橋腿、橋面。橋墩連接底層讀出電路與橋腿，橋腿呈懸空結構並連接橋墩與探測橋面，橋面由兩隻橋腿支撐形成懸空結構。橋面實現外部太赫茲輻射能量到橋面溫升到電學信號的轉變，該電學信號通過橋腿和橋墩傳遞給底層讀出電路，實現太赫茲輻射的探測。本發明採用的橋腿呈細長的「弓」型形狀，橋腿盤曲的平面與水平的橋面間夾角在30°-70°之間，傾斜的橋腿懸空未與襯底相連。該設計一方面增加了橋腿的長度，減弱了因橋腿的機械連接而產生的熱傳導。另一方面，增加了橋面太赫茲輻射吸收面積，提高了單元佔空比。該微橋結構提高了探測單元性能並適宜規模化生產。
【專利說明】一種低熱導的太赫茲探測單元微橋結構及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及太赫茲探測，以及非製冷紅外探測領域，具體涉及一種用於太赫茲微測輻射熱計的微橋結構與製備方法。
【背景技術】
[0002]紅外探測器把不可見的紅外輻射轉化為可檢測的電信號，實現對外界事物的觀察。紅外探測器分為量子探測器和熱探測器兩類。熱探測器又稱非製冷紅外探測器，可以在室溫下工作，具有重量輕，集成度高，成本低可靠性強等多優點，在軍事，商業和民用等領域具有廣泛的應用前景。非製冷紅外探測器主要包括熱釋電，熱電偶，熱敏電阻三種類型。其中給予熱敏電阻的微測輻射熱計是焦平面探測器，是今年發展迅猛的，應用極為廣泛的一種非製冷紅外探測器(Leonard P.Chen, 「Advanced FPAs for MultipleApplications」Proc.SPIE，4721，1-15)。
[0003]太赫茲波常指頻率在0.1THz-lOTHz範圍內的電磁波。由於所處頻段較特殊，屬於宏觀電子學和微觀光子學的過渡範圍，因此THz波表現出一系列不同於其他頻段電磁波的獨特性質，使之在軍事和民用領域(如成像、通信、遙感、雷達、天文、生物醫學等)具有重要的科研價值及廣闊的應用。與其他波相比，太赫茲波的特點有①太赫茲輻射的頻率範圍很寬，它幾乎覆蓋了各種大分子的轉動頻率和震蕩頻率；②太赫茲輻射的能量很小，只有幾毫電子伏特，不容易破壞被檢測的物質；③太赫茲輻射有著很高的空間解析度和時間解析度；④太赫茲輻射具有對某些物質的穿透性；⑤太赫茲輻射的時域頻譜信噪比很高，目前，對太赫茲輻射強度測量的信噪比可大於10'太赫茲探測器是是把更長的太赫茲波段(30-3000 μ m)的電磁波輻射轉化為可檢測的電信號，實現對外界事物的觀察，同樣具有重要的軍事和民用前景。太赫茲探測器也有多種型號，其中非製冷太赫茲飛測輻射熱計與紅外微測輻射熱計具有類似的結構。可以通過對後者的改進來獲取，是太赫茲的重要應用面。微測輻射熱計是紅外及太赫茲探測器件的重要應用之一，微測輻射熱計的紅外或者太赫茲探測過程，主要通過懸浮的微橋結構來完成，其主要原理是光吸收層接受外界的太赫茲輻射導致微橋溫度發生變化，溫度的變化導致熱敏電阻薄膜的電阻發生變化，這種電學性能的變化通過電極檢測，並傳寄到讀出電路，完成信號處理、成像。所以懸浮微橋是影響此類探測器製造成敗或者性能高低的性能的關鍵因素因素，其中微橋的形狀和結構，橋腿的穩定性和絕緣性等是重要的影響因素。
[0004]對於非製冷探測器的性能的主要限制因素是熱絕緣問題，兩條細長的橋腿起到機械支撐、電連通和熱絕緣三個作用。20世紀90年代Honeywell公司首先研製出I型橋腿結構的非製冷紅外微測福射焦平面，參見1994年2月15日授權的Honeywell公司BarrettE.Cole申報的美國專利USP5286976。但是這種微橋結構的優點是結構簡單，性能穩定，製備工藝容易實現。但是微橋橋腿並沒有達到良好的絕熱效果。同時橋腿佔據了一定的橋面面積，減少了光學吸收面積，導致器件性能下降，限定了器件的進一步提高。所以傳統的微橋結構很難滿足器件高性能的要求。[0005]隨後在這種結構基礎上，BAE SYSTEMS研製出L型橋腿非製冷紅外探測器，增加了橋腿的長度，減小了橋面面積，用這種設計的探測器性能有所提升，但是隨著橋面面積的減小，光學填充因子也隨之下降，降低了器件的靈敏度。基於這一點，2003年12月23日授權的Raytheon公司Michael Bay申報的美國專利USP6667479，提出一種新型S型雙層微橋結構。這種雙層微橋結構包括上下兩個獨立的橋面，其中敏感層及光吸收層都集中在上橋面，如傳統的單層橋面結構；下橋面僅由電極及介質材料構成，且下橋面呈彎曲S型結構，隱藏在橋面下方。這種結構S型橋腿較長，所以絕緣性較好，但是S型橋腿的力學穩定相對較差，容易導致橋腿曲變，薄膜脫落，甚至坍塌。
[0006]另一種典型的雙層結構是2001年12月23日授權的Boeing公司EugeneT.Fitzgibbons申報的美國專利USP6307194.這種微橋結構的特點是器件的敏感層處在下橋面，而光吸收層獨立處在橋面上，上下兩個橋面之間通過一根導熱連接柱連接起來，呈傘型雙層結構。這種結構的優點是將光吸收層和熱敏薄膜獨立分開，傘狀吸收平面提升了器件的填充率。這種結構還能相應的調整熱容和熱導，有利於最大限度的吸收光輻射，提高響應率，降低了噪聲損耗。傘狀結構比S型結構更加穩定，工藝也相對簡單，適合大規模生產。但是傘狀結構上下兩層只是通過一根導熱連接柱連接，這使得下層橋面受熱勻，導致熱敏薄膜轉化電信號不均勻，輸出信號不穩定，而極大的影響了器件性能。
[0007]傳統的單層微橋結構橋腿絕熱效果及光學吸收等方面還存在不足，需要改進，S型，傘型雙層結構在熱學，力學穩定方面仍然有不足之處，需要改進。本專利提出一種新型微橋結構，橋腿採用「弓」型設計，並沿著橋面呈爬坡型傾斜。一方面增加了橋腿長度，一方面傾斜設計減小橋腿佔據橋面面積，提高了橋面的光學填充因子，這在此前相關文獻及專利中並未提出。
【發明內容】
[0008]本發明要解決的問題是:提供了一種低熱導太赫茲探測單元微橋結構及製備方法，該微橋結構及製備提高了器件的工作性能。
本發明提出的問題是這樣解決的:
一種低熱導的太赫茲探測單元微橋結構，包括襯底(10)、讀出電路(20)，讀出電路接口(21)、橋墩、橋腿和橋面。讀出電路(20)製作在襯底(10)之上，並留有讀出電路接口
(21)與橋墩相連接，橋墩通過橋腿與橋面相連接。所述橋面和橋腿懸浮於襯底之上，通過橋墩形成支撐，橋面與襯底之間構成空腔(30)，橋面由底層到頂層依次為支撐層(50)，熱阻敏感層(70)，鈍化層(80)，吸收層(90)。
所述橋腿一端與橋面相連，另一端架在橋墩上，整個橋腿呈「弓」字形盤曲型狀。
所述橋腿所在平面為傾斜平面，與水平橋面之間的夾角在30° -70°之間。
所述傾斜「弓」字形橋腿的頂部與橋面(90)水平，底端高於襯底(10)上面的讀出電路
(20)，為懸空結構。
所述橋腿由兩次犧牲層工藝完成的。
所述傾斜「弓」字形橋腿的底部位於第一犧牲層之上，頂部位於第二犧牲層之上，兩次犧牲層決定了「弓」字形橋腿的上下位置和所在平面的傾斜角度。
所述橋腿「弓」形結構水平方向長度dl為1-3μπι，「弓」形結構縱向長度由單元尺寸決定，彎曲腿寬度d2為1.2-5 μ m,橋腿寬度d3為0.4-1.2 μ m,橋腿支撐層厚度與電極厚度均為 300-700nm。
所述橋腿的長度可以通過橋腿的傾斜角度、水平方向長度dl、彎曲腿寬度d2進行調節，獲得需要熱導參數和單元熱響應時間參數。
進一步地，所述微橋橋面吸收層(90) —般採用黑金，鎳，鉻，或者鎳鉻合金；鈍化層(80)材料一般為氮化矽，碳化矽，或者氮化鈦中的一種；敏感層(70)材料為氧化釩薄膜，氧化鈦薄膜，非晶矽薄膜，氧化釩複合膜，氧化鈦複合膜中當中的一種；所述頂部電極層(60)材料鋁、鎢、鈦、鉬、鎳鉻合金或者任何一種它們的合金。
所述橋面底層支撐層和橋腿支撐層材料一般為二氧化矽，氮化矽，碳化矽中的一種或幾種。
本發明還提出一種低熱導太赫茲探測單元微橋結構的製備方法，其特徵在於製備步驟
為:
①清洗含有讀出電路(20)的襯底(10)，在襯底表面沉積一層Al或NiCr或Ti金屬作為反射層，厚度為50-500nm。光刻Al或NiCr或Ti金屬作為橋墩與反射層圖形。
②在金屬表面旋塗第一層犧牲層厚度為100nm-700nm，圖形化光刻出微橋橋墩孔圖形，並進行高溫固化處理。
③在犧牲層薄膜上旋塗第二層犧牲層厚度為1-3μ m，光刻出微橋橋墩孔圖形，以及放置微橋橋腿的傾斜凹槽圖形。進行犧牲層低溫固化處理。
④在第二層犧牲層薄膜表面沉積微橋橋面第一層氮化矽薄膜作為支撐層和絕緣層，厚度為0.1-1μπι。並在橋墩處光刻刻蝕，形成與襯底反射層金屬的電極連接孔。同時在第二犧牲層傾斜凹槽處形成傾斜的介質薄膜覆蓋層。
⑤在④上覆蓋層電極層材料，並圖形化，形成微橋結構的電極，厚度為10-500nm。
⑥在⑤所述器件上支撐層表面生長熱敏電阻薄膜，厚度為50-500nm。
⑦在⑥所述器件上生長氮化矽、氧化矽複合薄膜作為鈍化層，保護敏感層和調控微橋應力，厚度為10-1500nm。
⑧在⑦所述器件上製備吸收層，其厚度在20-200nm。。
⑨在⑧基礎上對複合薄膜進行圖形處理，刻蝕至第二層犧牲層，形成橋面、「弓」形橋腿和橋墩，釋放第二層犧牲和第一犧牲層形成諧振腔(30)，同時橋腿和橋面保持懸空狀態並形成低熱導探測單元。
製作步驟中，兩次生長犧牲層所用材料相同，犧牲層所用材料為聚醯亞胺，二氧化矽，氧化的多孔矽和磷矽玻璃，第二層犧牲層釋放後原犧牲層的位置形成諧振腔，諧振腔厚度為1.5-3 μ m。犧牲層(30)的去除用氧等離子轟擊或者用反應離子刻蝕或者化學試劑清除。
【專利附圖】
【附圖說明】
圖1是微橋結構俯視圖
圖中標記及說明:如圖所示，犧牲層去除位置，與集成電路接口處(31)，橋墩(40)，橋墩孔(51)，支撐層(50)，電極(60)，橋面吸收層(90), dl弓形結構橋腿橫向寬度約為I μ m,d2彎曲橋腿寬度0.5-1 μ m, d3橋腿寬度0.3-0.5 μ m。
圖2是微橋結構主視圖 圖中標記及說明:如圖所示:集成電路襯底(10)，集成電路所在位置(20)，集成電路接口(21)，橋墩臺階犧牲層(40)，第一層犧牲層薄膜，正對應橋腿下方，避免橋腿與襯底(10)上的電路(20)接觸，導致熱流失，損壞器件(41)，第二層犧牲層去除位置，形成諧振空腔
(30)，支撐層(50)，電極(60)，熱敏感層薄膜(70)，鈍化層(80)，光吸收層(90)。
圖3是微橋結構左視圖
圖中標記及說明:如圖所示，集成電路襯底(10)，集成電路(20)，第一層犧牲層薄膜
(41)，橋墩孔(51)，橋面(91)。
【具體實施方式】
下面通過具體實施例對本發明進一步說明:
實例:一種太赫茲探測單元微橋結構，該結構包括橋墩，橋腿，橋面，橋面包括支撐層，敏感層，鈍化層，吸收層等部件，該結構製作在已經製備好的驅動電路(20)的襯底(10)上，集成電路已經留出電路接口(21)。
(1)清洗襯底(10)表面,去除表面沾汙,並對襯底進行200°C以下烘烤，以去除表面的水汽，放進等離子增強(PECVD)系統中，沉積一層非晶二氧化矽薄膜作為鈍化層，二氧化矽鈍化層的厚度為200nm。
(2)在二氧化矽鈍化層表面，利用磁控濺射系統，沉積一層IOOnm的金屬鋁，作為微橋的反射層。
(3)在金屬鋁表面光刻出懸浮微橋的橋墩圖形，刻蝕該金屬鋁至二氧化矽鈍化層，形成微橋橋墩孔和金屬鋁孤島。
(4)在金屬鋁表面旋塗第一層厚度為300nm的光敏聚醯亞胺薄膜，對聚醯亞胺進行光刻處理，形成懸浮微橋橋墩孔，在橋腿下方正對應位置處形成犧牲層聚醯亞胺薄膜。
(5)在上述表面旋塗第二層厚度為2μ m的聚醯亞胺薄膜，進行光刻處理，形成梯形聚醯亞胺薄膜孤島和懸浮微橋橋墩孔。
(6)利用聚醯亞胺薄膜孤島和橋墩孔表面，利用PECVD在300°C下，沉積厚度為500nm的微橋橋面的第一層非晶氮化矽作為支撐與絕緣材料。
(7)利用磁控濺射在非晶氮化矽表面沉積一層厚度為IOOnm金屬鋁，並且圖形化作為電極。
(8)利用磁控濺射在上述表面沉積一層厚度為150nm的氧化釩薄膜作為熱敏電阻層。
(9)利用PECVD系統在在熱阻薄膜表面沉積一層厚度為200nm的氮化矽薄膜作為鈍化層。
(11)利用磁控濺射在氮化矽薄膜表面沉積一層厚度為40nm的鎳鉻合金(鎳30%，鉻70% )作為吸收層。
(12)在上述薄膜表面刻蝕出微橋結構，刻蝕該複合膜至第二層聚醯亞胺薄膜，形成懸浮的微橋橋面，「弓」形橋腿，橋墩。
(13)採用氧離子體去除第一和第二層聚醯亞胺薄膜，形成諧振空腔。
(14)封裝形成太赫茲探測單元器件。
【權利要求】
1.一種低熱導的太赫茲探測單元微橋結構，包括襯底(10)、讀出電路(20)，讀出電路接口(21)、橋墩、橋腿和橋面，其特徵在於:讀出電路(20)製作在襯底(10)之上，並留有讀出電路接口(21)與橋墩相連接，橋墩通過橋腿與橋面相連接；所述橋面和橋腿懸浮於襯底之上，通過橋墩形成支撐，橋面與襯底之間構成空腔(30)，橋面由底層到頂層依次為支撐層(50)，熱阻敏感層(70)，鈍化層(80)，吸收層(90)。
2.根據權利要求1所述的低熱導的太赫茲探測單元微橋結構，其特徵在於橋腿一端與橋面相連，另一端架在橋墩上，整個橋腿呈「弓」字形盤曲型狀。
3.根據權利要求1所述的低熱導的太赫茲探測單元微橋結構，其特徵在於橋腿所在平面為傾斜平面，與水平橋 面之間的夾角在30° -70°之間。
4.根據權利要求1所述的低熱導的太赫茲探測單元微橋結構，其特徵在於傾斜「弓」字形橋腿的頂部與橋面(90)水平，底端高於襯底(10)上面的讀出電路(20)，為懸空結構。
5.根據權利要求1所述的低熱導的太赫茲探測單元微橋結構，其特徵在於傾斜的橋腿由兩次犧牲層工藝完成的。
6.根據權利要求4或5所述的低熱導的太赫茲探測單元微橋結構，其特徵在於傾斜「弓」字形橋腿的底部位於第一犧牲層之上，頂部位於第二犧牲層之上，兩次犧牲層決定了「弓」字形橋腿的上下位置和所在平面的傾斜角度。
7.根據權利要求2所述的低熱導的太赫茲探測單元微橋結構，其特徵在於橋腿「弓」形結構水平方向長度dl為1-3 μ m，「弓」形結構縱向長度由單元尺寸決定，彎曲腿寬度d2為1.2-5 μ m,橋腿寬度d3為0.4-1.2 μ m,橋腿支撐層厚度與電極厚度均為300_700nm。
8.根據權利要求2所述的低熱導的太赫茲探測單元微橋結構，其特徵在於橋腿的長度通過橋腿的傾斜角度、水平方向長度dl、彎曲腿寬度d2進行調節，獲得需要熱導參數和單元熱響應時間參數。
9.一種製備權利要求1所述低熱導的太赫茲探測單元微橋結構的方法，其特徵在於製備步驟為: ①清洗含有讀出電路(20)的襯底(10)，在襯底表面沉積一層Al或NiCr或Ti金屬作為反射層，厚度為50-500nm ;光刻Al或NiCr或Ti金屬作為橋墩與反射層圖形； ②在金屬表面旋塗第一層犧牲層厚度為100nm-700nm，圖形化光刻出微橋橋墩孔圖形，並進行高溫固化處理； ③在犧牲層薄膜上旋塗第二層犧牲層厚度為1-3μ m，光刻出微橋橋墩孔圖形，以及放置微橋橋腿的傾斜凹槽圖形，進行犧牲層低溫固化處理； ④在第二層犧牲層薄膜表面沉積微橋橋面第一層氮化矽薄膜作為支撐層和絕緣層，厚度為0.1-1 μ m,並在橋墩處光刻刻蝕，形成與襯底反射層金屬的電極連接孔，同時在第二犧牲層傾斜凹槽處形成傾斜的介質薄膜覆蓋層； ⑤在④所述的器件上覆蓋層電極層材料，並圖形化，形成微橋結構的電極，厚度為10_500nm: ⑥在⑤所述的器件上支撐層表面生長熱敏電阻薄膜，厚度為50-500nm； ⑦在⑥所述的器件上生長氮化矽、氧化矽複合薄膜作為鈍化層，保護敏感層和調控微橋應力，厚度為10-1500nm; ⑧在⑦所述器件上製備吸收層，其厚度在20-200nm；⑨在⑧基礎上對複合薄膜進行圖形處理，刻蝕至第二層犧牲層，形成橋面、「弓」形橋腿和橋墩，釋放第二層犧牲 和第一犧牲層形成諧振腔(30)，同時橋腿和橋面保持懸空狀態並形成低熱導探測單元。
【文檔編號】G01J5/20GK103940518SQ201410182730
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月23日 優先權日:2014年4月23日
【發明者】王軍, 郭曉珮, 丁傑, 樊林, 吳志明, 蔣亞東 申請人:電子科技大學