輻射熱測量計及其製作方法

2023-05-24 07:57:11

專利名稱：輻射熱測量計及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種紅外探測器，尤其涉及一種通過改變熱敏電阻的結構而獲得的一
種輻射熱測量計。
背景技術：
輻射熱測量計是一種熱敏電阻型探測器，是當前研製最為成功的紅外探測器之 一。輻射熱測量計基於熱敏電阻處於輻射通量的條件下其電阻發生變化的性質來檢測能 量，其中熱敏電阻一般由金屬或半導體材料製成。當探測器吸收紅外輻射功率AW時，引起 溫度改變AT，熱敏電阻的電阻變化AR，利用讀出電路(R0IC)將該電阻的變化轉換為電壓 或電流的變化，即可得到與之對應的紅外輻射功率。 自1992年美國技術解密後，對輻射熱測量計的研究經歷了迅速發展的階段。人 們已經研究了基於各種材料製作的輻射熱測量計，包括氧化釩(V0x)、多晶矽、非晶矽、多晶 鍺矽、金屬材料以及高溫超導材料YBaCuO等。在這些材料中，氧化釩(V0x)和摻雜非晶矽 這兩種半導體材料由於有著較高的溫度電阻係數(TCR)、適中的電阻率、較低的製備工藝溫 度、能夠與IC工藝兼容等優點，得到了迅速的發展。目前，主流的輻射熱測量計結構仍為採 用表面犧牲層工藝製備的懸空微橋結構，主要包括基底層、固定連接於基底層上的支撐層、 在支撐層上製成的吸收層和信號傳輸結構等，其主要改進在於材料特性的優化、熱敏電阻 單元尺寸的減少及陣列規模的增加。 對熱敏電阻材料的要求一般有以下幾點(l)高TCR值；(2)低熱容、低熱導；(3) 低1/f噪聲參數；(4)高紅外吸收率；(5)適中的電阻值。其中，較低的電阻會使有效電阻溫 度係數減小，較高的電阻會帶來較高的電壓響應，但是同時也會造成Johnson噪聲、熱噪聲 和1/f噪聲的增加。上述這些參數相互關聯，任意參數的改變都必須考慮其他參數的變化， 所以在熱敏電阻單元尺寸不斷減少的情況下，要保證電阻值基本不變，可以通過以下兩種 途徑達到(1)改變熱敏電阻材料的摻雜濃度；(2)優化熱敏電阻電阻結構。目前通過摻雜 得到的摻雜非晶矽的電阻率範圍為102Q cm 109Q cm，但是摻雜濃度改變的同時會影 響材料的其他參數，而且原位摻雜的能力有限，僅僅通過原位摻雜工藝改變熱敏電阻阻值， 工藝上存在很大的難度。如果能夠通過優化熱敏電阻電阻結構並結合摻雜濃度的改變而使 電阻值滿足設計的要求對於輻射熱測量計的製備將是十分有利的。

發明內容
本發明要解決的技術問題是通過優化熱敏電阻的電阻結構，結合熱敏電阻材料摻 雜濃度的改變，解決以往輻射熱測量計只依賴通過改變熱敏電阻材料摻雜濃度的方法以使 其符合性能要求的問題，從而達到設計結構靈活多變的目的。 為解決上述技術問題，本發明所採取的技術方案是一種輻射熱測量計，結構中包 括基底、位於基底上方的支撐層、製作在支撐層上的下電極、下電極上製備有熱敏電阻、熱 敏電阻上覆有上電極、上電極上製備有吸收層，其中基底和支撐層平行且有間隙地設置，上電極、下電極分別由獨立單元形成上電極單元組和下電極單元組，藉助於設置在上、下電極
之間的熱敏電阻形成串聯電流通路。上電極和下電極有間隔地且相對交錯地排列於熱敏電
阻的上表面和下表面，上電極的兩端設有引出線與基底相連。
上述輻射熱測量計的製備方法具體步驟為 1)在基底上電子束蒸發製備反射層； 2)製備犧牲層； 3)澱積低應力氮化矽或氧化矽薄膜製備支撐層； 4)光刻、刻蝕犧牲層形成下電極圖形錨點，濺射形成分別獨立的下電極； 5)澱積非晶矽薄膜並摻雜，光刻、刻蝕完成熱敏電阻的製備； 6)光刻、刻蝕犧牲層形成上電極圖形錨點，濺射形成分別獨立的上電極； 7)澱積、光刻、刻蝕製備吸收層； 8)刻蝕犧牲層，釋放輻射熱測量計微結構。 採用上述技術方案所產生的有益效果在於在單元尺寸相同的情況下，相對於傳 統的平面電阻方式，通過採用熱敏電阻串聯結構設計使熱敏電阻結構的設計更靈活，使熱 敏電阻阻值的調整不再局限於薄膜厚度以及電阻率的改變，從而使熱敏電阻的阻值在大範 圍可調，優化了器件的性能，滿足了不同應用的需求，這樣將很大程度的提高了設計的靈活 性。 在工藝上，有兩個因素對非晶矽電阻率影響較大，摻雜比例以及工藝溫度，由於輻 射熱測量計需要考慮與IC集成工藝及其他工藝的兼容性，因此工藝溫度一般控制在300°C 左右，可調範圍不大，因此從工藝上改變電阻率主要與摻雜氣體比例有關，製備時摻入的雜 質原子進入非晶矽的無序網絡中，只有部分的雜質原子能夠處於施主或受主態，實現有效 的摻雜，大部分的雜質原子無法提供載流子，隨著摻雜量的不斷增加，不能無限制的降低電 阻率，因為過多的摻雜還會造成雜質原子的過飽和，形成大量的缺陷態，破壞非晶矽的結 構，反而使電阻率增加，因此非晶矽電阻率摻雜存在一個範圍內，超出這個範圍工藝上都很 難實現。本發明所提供的輻射熱測量計通過改變熱敏電阻結構設計從而使得在高電阻率的 情況下實現製備過程，從而降低了製作工藝的難度。


圖1是本發明一實施例輻射熱測量計的示意結構的剖面圖；
圖2是本發明中熱敏電阻串聯電路原理示意圖；
圖3是圖1所示結構的熱敏電阻中電流的流向示意圖； 圖中1基底，2反射層，3支撐層，4下電極，5熱敏電阻，6上電極，7吸收層，A代表
電流流向。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。 參見圖l，本發明提供的輻射熱測量計，器件為傳統的橋式結構，結構中包括基 底1、位於基底1上方的支撐層3、製作在支撐層3上的下電極4、下電極4上製備有熱敏電 阻5、熱敏電阻5上覆有上電極6、上電極6上製備有吸收層7，其中基底1和支撐層3平行且有間隙地設置，上電極6、下電極4分別由獨立單元形成上電極單元組和下電極單元組， 藉助於設置在上、下電極之間的熱敏電阻5形成串聯電流通路。上電極6和下電極4有間 隔地且相對交錯地排列於熱敏電阻5的上表面和下表面，上電極6的兩端設有引出線與基 底1相連，構成熱敏電阻5的材料為摻雜的非晶矽。 上述輻射熱測量計，在所述基底1上製備有由Al製成的反射層2。 上述輻射熱測量計，所述上電極6和下電極4由NiCr金屬材料製成。 上述輻射熱測量計，所述吸收層7由低導熱性的絕緣材料製成，優選為氮化矽或
氧化矽或氮氧化矽。 本發明提供的輻射熱測量計的工作原理在紅外輻射作用下，氮化矽吸收層吸收 紅外線能量，傳遞給熱敏電阻，熱敏電阻5由於熱阻效應阻值將發生變化，利用讀出電路 (R0IC)將該電阻的變化轉換為電壓或電流的變化，即可得到與之對應的紅外輻射功率。
為提供器件對紅外輻射能量的吸收，提高器件的精確度及靈敏度，在基底1上沉 積由Al製成的反射層2，將漏過吸收層7的紅外線再次反射到吸收層7，從而提高了器件的 紅外吸收率。 作為熱敏電阻5材料，摻雜非晶矽由於有電阻溫度係數以及噪聲的影響，通常將 其阻值控制在10KQ 100KQ的範圍內，根據熱敏電阻5的計算公式 及=/3~^~ 式中，p為電阻率，L為熱敏電阻5長度，w為熱敏電阻5寬度，h為熱敏電阻5厚 度。由於熱敏電阻5體積參數與熱容和熱傳導有關，通過改變體積參數調整熱敏電阻將會 使熱容改變，影響器件的性能。對於17y mX17iim的熱敏單元，熱敏電阻設計值為50KQ ， 對於平面電阻來說，將熱敏電阻5的長寬比L/w設計為50，熱敏電阻5的厚度定為1500A， 要滿足電阻值的要求，熱敏電阻5的電阻率必須控制在< 50Q cm的範圍，這樣的摻雜水 平處於非晶矽薄膜原位摻雜的極限，工藝上存在很大的難度，但採用電阻串聯的結構則可 以滿足條件，因為此時薄膜的厚度為電阻的長度，相對於平面電阻，熱敏電阻5長度可從微 米量級降低到亞微米量級，同時通過調整熱敏電阻5的個數以及增加薄膜電阻率來滿足設
計的需求。例如，設計電阻值為50KQ，面積為17iimX17iim，厚度為1500 A的熱敏單元 來說，採取4個熱敏電阻5串聯的形式，4個熱敏電阻5的阻值相同，熱敏電阻5的尺寸為 2 ii mX 15 ii m，電阻率為250 Q .cm就可以滿足要求。這樣的電阻率對於非晶矽原位摻雜是 容易實現的，採用電阻串聯的方法實現了小尺寸下通過電阻結構的改變來滿足熱敏電阻5 值設計的要求，降低了工藝難度。 上述輻射熱測量計的製備方法，其步驟包括
1)在基底1上電子束蒸發製備反射層2 ;
2)製備犧牲層； 3)澱積低應力氮化矽或氧化矽薄膜製備支撐層3 ; 4)光刻、刻蝕犧牲層形成下電極4圖形錨點，濺射形成分別獨立的下電極4 ;
5)澱積非晶矽薄膜並摻雜，光刻、刻蝕完成熱敏電阻5的製備；
6)光刻、刻蝕犧牲層形成上電極6圖形錨點，濺射形成分別獨立的上電極6 :
7)澱積、光刻、刻蝕製備吸收層7 ;
5
8)刻蝕犧牲層，釋放輻射熱測量計微結構。
可以總結為以下具體工序 1)反射層2的製備基底1選用矽襯底，拋光、清洗後旋塗光刻膠，採用光刻剝離 的方法完成反射層2的圖形化，電子束蒸發Al，厚度為500nm，最後剝離去除光刻膠，反射層 2製備完成。 2)製備犧牲層控制轉臺的轉數以及旋轉時間，使聚醯亞胺的厚度為2.5ym左 右，然後按照聚醯亞胺的固化溫度曲線固化，犧牲層製備完成。 3)支撐層3的製備支撐層3材料必須具有以下性質①具有良好的機械特性以 及低應力，②熱傳導係數小。通常採用等離子體化學氣相沉積PECVD澱積低應力的氮化矽 或氧化矽薄膜作為支撐層3，優選用氧化矽，因為氧化矽的熱傳導係數更小，沉積氧化矽的 厚度為50nm。 4)下電極4的製備下電極4金屬材料的選擇必須滿足3個條件①具有良好的 粘附性，②與非晶矽接觸具有良好的歐姆接觸特性，③熱傳導係數較小。NiCr合金能夠較好 的滿足以上3個條件，選用NiCr作為下電極4金屬材料，光刻犧牲層聚醯亞胺，幹法刻蝕聚 醯亞胺形成錨點，濺射NiCr，厚度為20nm，刻蝕形成下電極4。 5)熱敏電阻5的製備選用摻雜非晶矽作為熱敏電阻5材料，根據電阻值和器件 結構設計電阻圖形，澱積熱敏電阻5非晶矽薄膜後，離子注入摻雜非晶矽，光刻、腐蝕完成
熱敏電阻5的製備，薄膜厚度為1500 A。 6)上電極6的製備與下電極4要求相同，可採用NiCr作為熱敏電阻5的上電極 6材料，NiCr作為上電極6還有一個作用，可以同時作為紅外吸收層7。採用濺射工藝製備， 濺射能夠很好的控制金屬的厚度以及具有良好的均勻性。光刻犧牲層聚醯亞胺，幹法刻蝕 聚醯亞胺形成錨點，最後光刻、腐蝕完成上電極6的製備。 7)吸收層7的製備採用雙頻PECVD澱積低應力的氮化矽作為吸收層7，厚度為 30nm，澱積後光刻、腐蝕形成吸收層7。同時由於上電極6NiCr的方塊電阻值容易受到後續 工藝如等離子刻蝕、犧牲層釋放等工藝影響，電阻值的變化將會影響紅外吸收效率，所以吸 收層7氮化矽可以作為上電極6金屬的保護層。 8)結構釋放採用02等離子刻蝕方法刻蝕聚醯亞胺，釋放器件結構。
權利要求
一種輻射熱測量計，結構中包括基底(1)、位於基底(1)上方的支撐層(3)、製作在支撐層(3)上的下電極(4)、下電極(4)上製備有熱敏電阻(5)、熱敏電阻(5)上覆有上電極(6)、上電極(6)上製備有吸收層(7)，其中基底(1)和支撐層(3)平行且有間隙地設置，其特徵在於上電極(6)、下電極(4)分別由獨立單元形成上電極單元組和下電極單元組，藉助於設置在上、下電極之間的熱敏電阻(5)形成串聯電流通路。
2. 根據權利要求1所述的輻射熱測量計，其特徵在於上電極(6)和下電極(4)有間隔 地且相對交錯地排列於熱敏電阻(5)的上表面和下表面，上電極(6)的兩端設有引出線與 基底(1)相連。
3. 根據權利要求1所述的輻射熱測 的非晶矽。
4. 根據權利要求1所述的輻射熱測 該反射層(2)由A1材料製成。
5. 根據權利要求1所述的輻射熱測 金屬材料製成。
6. 根據權利要求1所述的輻射熱測 氮氧化矽。
7. —種權利要求1中所述的輻射熱測量計的製備方法，其特徵在於包括以下步驟1) 在基底(1)上電子束蒸發製備反射層(2);2) 製備犧牲層；3) 澱積低應力氮化矽或氧化矽薄膜製備支撐層(3);4) 光刻、刻蝕犧牲層形成下電極(4)圖形錨點，濺射形成分別獨立的下電極組；5) 澱積非晶矽薄膜並摻雜，光刻、刻蝕完成熱敏電阻(5)的製備；6) 光刻、刻蝕犧牲層形成上電極(6)圖形錨點，濺射形成分別獨立的上電極組；7) 澱積、光刻、刻蝕製備吸收層(7);8) 刻蝕犧牲層，釋放輻射熱測量計微結構。量計，其特徵在於構成熱敏電阻(5)的材料為摻雜 量計，其特徵在於在基底(1)上製備有反射層(2)， 量計，其特徵在於上電極(6)和下電極(4)由NiCr 量計，其特徵在於吸收層(7)為氮化矽或氧化矽或
全文摘要
本發明提供了一種輻射熱測量計及其製作方法，尤其涉及一種通過改變熱敏電阻的結構而獲得的一種輻射熱測量計。該輻射熱測量計結構中包括基底、位於基底上方的支撐層、製作在支撐層上的下電極、下電極上製備有熱敏電阻、熱敏電阻上覆有上電極、上電極上製備有吸收層，其中基底和支撐層平行且有間隙地設置，上電極、下電極與熱敏電阻組成串聯電連接。這種結構設置使熱敏電阻的阻值在大範圍可調，優化了器件的性能，滿足了不同應用的需求，這樣將很大程度的提高了設計的靈活性。
文檔編號G01J5/20GK101776485SQ20101003331
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月7日 優先權日2010年1月7日
發明者徐永青, 胥超 申請人:中國電子科技集團公司第十三研究所