一種非製冷式紅外焦平面陣列探測器的製作方法

2023-11-01 17:56:32 2

專利名稱：一種非製冷式紅外焦平面陣列探測器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及用於紅外成像系統技術領域中的一種非製冷式紅外焦平面陣列探測器，針對的紅外輻射波長範圍是8 14 μ m。
背景技術：
根據普朗克黑體輻射定律，任何物體在絕度零度以上都會向外界發射紅外電磁熱輻射，這種輻射的光波範圍約是0. 8 1000 μ m,並不能為人眼所直接看見。在常溫下 (300K)，黑體輻射的發射譜中心波長正好在10 μ m波段附近；並且人體以及環境中溫度相近的其它物體所發射的紅外熱輻射，38 %的能量集中在波長8 14 μ m範圍內，因此，該波段更適合強烈陽光、漆黑夜晚或者惡劣天氣下的探測需要。能夠探測紅外光波的紅外輻射探測器，按探測原理分為光子型和熱敏型探測器。 光子型需要工作在液氦(約77K)製冷的環境中，而熱敏型探測器通常工作在常溫下，是種 「非製冷式」探測器，多個該種探測器單元以二維陣列的形式排列在晶片基底上，並將晶片置於紅外輻射成像系統聚焦透鏡的焦平面上時，則構成了非製冷式紅外焦平面陣列探測器 (IRFPA)。這種非製冷式紅外探測器(IRFPA)通常包括-用於吸收紅外輻射並將其轉化為熱的裝置；-將該探測器對於基底熱絕緣並以便探測器在紅外熱輻射的作用下可以實現溫升的裝置；-熱敏感裝置，是在紅外輻射的加熱作用下，電阻或者電阻率隨溫度變化的電阻部件；-以及讀取熱敏感電阻變化的電路裝置。對於紅外焦平面陣列探測器，電路裝置通常集成在基底上，是利用標準的半導體工藝製造。該電路是一種能夠施加電信號激勵把探測器各個單元的電阻變化轉化為電信號 (電流或者電壓)、並對二維探測器陣列實現順序尋址CMOS讀出集成電路，該讀出電路還能夠對探測器單元(Pixel)的電信號進行預處理，例如進行增益放大、非均勻校正(NUC)等處理。在本實用新型中，非製冷式紅外探測器的立體結構示意圖如1所示，主要用於吸收紅外輻射能量的是位於橋面10上的金屬吸收層12，材料是氮化鈦或者鎳鉻合金等。根據電磁波傳輸理論，當該金屬吸收層12的薄膜方塊電阻(Sheet Resistance)等於自由空間阻抗(Free Space Impedance)達到377 Ω/sq時，入射的紅外輻射能量50%被吸收，另外50%被透射。通過採取多個紅外吸收途徑，可以將吸收率提高到50%以上，例如在探測器的基底50表面上加上一層紅外反射薄膜51，所謂的真空間隙層40就變為了光學真空諧振腔。另外，光學真空諧振腔對紅外波長對光波還具有λ/4選擇的能力，例如2.5μπι厚的諧振腔，對應λ = 10 μ m的遠紅外光波長。 在探測器單元中，起到對於基底熱絕緣作用的就是橋腿20裝置。在吸收相等的紅外輻射能量條件下，如果橋腿20的熱阻R越大，就意味著橋面10上的溫升越高，這樣探測器電阻在該溫升下的變化就越明顯，電壓響應率相對就會越大，減輕了基底50上集成電路的讀出壓力。橋腿20的熱阻R不僅和其上各層材料的熱傳導率有關，還和橋腿20的長、寬以及厚度尺寸有關；如果橋腿20數量大於1，探測器單元整個熱阻R就還和橋腿20的數量有關。25 μ mX 25 μ m、17 μ mX 17 μ m探測器對熱阻R的要求較高，在目前商業化的紅外探測器中，已經能夠達到50MK/W以上。為了獲得較大的熱阻R，通常會採取的方案是選擇熱傳導率較小的材料、並且將橋腿20的長度加長、寬度減小、厚度減薄。另外，對探測器熱絕緣性造成不利幹擾的還有外界的空氣，因為探測器的橋面10以及橋腿20結構向空氣進行熱交換，造成熱量的流失，所以紅外探測器需要採用真空封裝的方式。探測器的核心材料是橋面10中熱敏感層14，其特點就是當被吸收層12吸收的紅外熱輻射加熱後其溫度發生變化，其自身可測量的某些性質也隨之發生變化。最常用的熱敏感層14是其電阻值(或者電阻率)隨溫度的變化而變化，即為電阻溫度變化特性，描述指標是電阻溫度係數(TCR)。目前，這類熱敏感層材料應用最多的是氧化釩 VOx，其特點是TCR值較大，應用範圍通常在2% -3%之間；電阻率較低，應用範圍通常在0.5Ω · cm-2Q · cm之間，這樣造成探測器的電阻值較小，與電阻值相關的詹森噪聲 (Johnson Noise)就越小；氧化釩VOx材料的Ι/f噪聲因子K通常較低，典型值約為K = 10_13，所以大多性能較佳的探測器採用氧化釩VOx作為熱敏感層14。氫化非晶矽a_Si:H材料也具有較高的TCR，而且其製備工藝較為簡單，能和當前主流的半導體標準工藝相兼容， 所以以非晶矽a-Si:H為熱敏感層14的探測器也得到了大力發展。非製冷式紅外探測器的一個重要指標是噪聲等效溫差NETD，其涵義是當被測紅外熱輻射目標的溫度變化，導致焦平面探測器輸出端的電壓等於噪聲電壓時，該溫度變化量稱為NETD，即探測器所能分辨的探測目標的最小溫度變化。NETD越小越好，在目前已裝備的非製冷紅外熱象儀的NETD通常為20-100mK之間。NETD與熱阻R和TCR之間的關系所下NETD α R/ (A · TCR) (A代表探測器單元的有效面積)NETD的影響因素是複雜的，上式僅僅說明其與熱阻R、TCR以及探測器單元的有效面積A之間的關係。對於25 μ mX 25 μ m探測器單元來說，假定橋腿20就是不彎曲的直梁，其寬度0. 8 μ m，橋腿20與橋面10之間的間距以及單元之間的間距是1 μ m，那麼在不考慮錨柱所佔面積的條件下有效面積約是489. 6 μ m2。但是，傳統錨柱形成工藝是一種「自頂向下」(Top-down)的填充工藝，形成的錨柱是一種倒錐形結構，其在形狀上表現為下方開口較小、上方開口較大，如圖5所示，這就造成所設計錨柱的尺寸為2.5μπιΧ2.5μπι，但是實際形成錨柱卻佔用了 5 μ mX 5 μ m以上的面積；以矩形錨柱為例，報導的尺寸通常在 5μπ Χ5μπ 到7μπ Χ7μ m之間，也就是說，傳統的錨柱形成工藝較難以控制，造成錨柱所佔的面積變大，有效面積減小。
發明內容本實用新型提供了一種非製冷式紅外焦平面陣列探測器，並且提出了一種新型錨柱，相比於傳統工藝形成的錨柱來說，縮小了錨柱所佔的面積，並且降低了工藝難度。為了達到上述目的，本實用新型的技術方案是這樣實現的[0018]一種非製冷式紅外焦平面陣列探測器，包括基底、橋面及橋腿，其特徵在於橋腿的一邊端部與橋面連接在一起，另一邊端部通過錨柱連接在基底上；所述的基底為讀出集成電路襯底，表面上設有反射膜層，所述的橋面是懸空在反射膜層的正上方，並與基底之間形成真空間隙層。所述的橋腿設置在橋面相對應的二側上，且橋腿與橋面各自的下表面分布於同一平面上。所述的橋面從下到上依次為支撐層、吸收層、絕緣層、熱敏感層和保護層。所述的橋腿從下到上依次為熱阻層、導電層和鈍化層。所述的錨柱由金屬鎢柱和氧化矽柱組成，該錨柱從內到外依次是金屬鎢和氧化矽材料。所述的真空間隙層的厚度為1. 8 2. 5 μ m。所述的錨柱在相平行於基底方向上的橫截面為圓形、矩形或八邊形。所述的基底表面上反射膜層的材料是鋁、鈦、金或金屬合金，在8 14μπι紅外波段的反射率範圍為80% 100%。所述的橋面、橋腿、錨柱及基底表面的反射膜層作為一個探測器單元，是以二維陣列的形式，排列在基底之上。所述的橋腿的一邊端部與橋面的熱敏感層電學相連，另一邊端部通過錨柱實現與基底的讀出電路之間的電學相連。所述的熱敏感層的材料為非晶矽、非晶鍺矽或氧化釩(VOx)。所述的橋面的支撐層與橋腿的熱阻層採用同一材料，且為氧化矽、氮化矽或氮氧化矽；橋面的吸收層與橋腿的導電層採用同一材料，且為氮化鈦或鎳鉻合金；橋面的絕緣層與橋腿的鈍化層採用同一材料，且為氧化矽、氮化矽或氮氧化矽；橋面的保護層材料為氧
化矽、氮化矽或氮氧化矽。所述的吸收層在橋面上是不連續的，被分割成若干部分，每部分用作紅外熱輻射的吸收和與熱敏感層的直接接觸以便實現電學連接。本實用新型中，還提出了一種新型錨柱，該錨柱可以利用半導體標準工藝中的鎢生長工藝來形成，其在材料層次上，從內到外依次是金屬鎢柱和氧化矽材料，氧化矽的作用是保護其所包裹的金屬鎢柱，使其不至於脫落。該新型錨柱，相比於傳統填充工藝形成的錨柱來說，能夠縮小錨柱所佔的面積，並且降低了工藝難度。

圖1為本實用新型的非製冷式紅外焦平面陣列探測器的立體結構示意圖；圖2b、!3b和4b為本實用新型的非製冷式紅外焦平面陣列探測器的俯視圖；圖加為圖2b中的A-A剖視圖，表示橋面的剖面結構；圖3a為圖北中的B-B剖視圖，表示橋面的剖面結構；圖如為圖4b中的C-C剖視圖，表示橋腿的剖面結構；圖5為傳統填充工藝形成的錨柱的剖面圖；圖6為本實用新型的新型錨柱的剖面圖；圖7為本實用新型的新型錨柱的形成方式圖。[0040]圖中附圖標記10 橋面；20 橋腿；30 錨柱；40 真空間隙層；50 基底；60 傳統的錨柱；70 犧牲層；80 氧化矽；11 支撐層；12 吸收層；13 絕緣層；14 熱敏感層；15 保護層；21 :熱阻層；22 :導電層；23 :鈍化層；31 氧化矽層；32 金屬鎢柱；51 反射膜層； 71 錨柱的通道；72 金屬鎢柱的通道
具體實施方式
結合附圖對本實用新型作進一步的描述。以下結合具體實例，對本實用新型的目的、技術方案做詳細說明。如圖1所示，為本實用新型的非製冷式紅外焦平面陣列探測器的立體結構示意圖。該探測器包括基底50、橋面10及兩個橋腿20，橋腿20的一邊端部與橋面10連接在一起，另一邊端部分別通過兩個錨柱30連接在基底50上，所述的基底50為讀出集成電路襯底，表面上設有反射膜層51，橋面10是懸空在基底50的反射膜層51的正上方並與基底50 之間形成真空間隙層40，為了對橋面10進行平衡支撐，橋腿20設置在橋面10的相對應二側上，且橋腿20與橋面10各自的下表面分布於同一平面上。基底50為矽襯底，通常含有讀出集成電路，在基底50表面上設有一層反射膜層 51，本實施案例的材料為金屬鋁Al，其在10 μ m波段的紅外反射率達到98%以上，但反射膜層51的材料不局限於Al，在8 14 μ m遠紅外波段具有80% 100%的反射率的金屬或合金材料均是可行的。橋面10位於在反射膜層51的正上方，橋面10與反射層51之間構成了真空間隙層40，用作λ/4光學真空諧振腔。本實施案例中，真空間隙層40的厚度為 2500 Α。所述的錨柱30由金屬鎢柱32和氧化矽柱31組成，該錨柱從內到外依次是金屬鎢和氧化矽材料。如圖2a、圖4a所示，分別為本實用新型的非製冷式紅外焦平面陣列探測器之橋面 10、橋腿20的剖面圖。橋面10從下到上依次包括支撐層11、吸收層12、絕緣層13、熱敏感層14和保護層15 ；橋腿20從下到上依次包括熱阻層21、導電層22和鈍化層23 ；吸收層12 與橋腿20上的導電層22為相同材料，吸收層12在橋面10上是不連續的，其被分割成為三個部分，其中間部分的面積最大，用作吸收紅外熱輻射，其它兩部分用作與熱敏感層14的下表面直接接觸以便實現電學連接，如圖3a所示。因為吸收層12有些部分需要與熱敏感層14接觸，橋面10上的絕緣層13是有選擇性的覆蓋其下面的吸收層12。由上述可知，橋腿20的一端是通過被分割的吸收層12實現與熱敏感層14的電學連接，而另外一端，其導電層22與錨柱30的金屬鎢柱32實現電學連接；橋腿20上的鈍化層23用於保護導電層22，橋腿20的另外一個作用是使得橋面10與基底50之間熱絕緣，設計時要考慮增加橋腿20的熱阻，以便橋面10的溫升較大，藉此使探測器熱敏感層14的電阻變化足夠大，也同時能夠得到較小的NETD值。可以通過兩方面的措施來獲得較大的熱阻選擇熱傳導率較低的材料來製作橋腿 20的熱阻層21、鈍化層23 ；在橋腿20的幾何尺寸、形狀設計上，確保橋腿20的熱絕緣性滿足探測器電阻變化以及NETD的要求。例如，熱阻層21可以選擇氮化矽或氧化矽材料；對於 25 μ mX 25 μ m的探測器單元來說，橋腿20的寬度設置為0. 8 μ m，當然，根據製造工藝的能力以及探測器性能要求，其寬度不局限於0. 8 μ m，在0. 5 1. 2 μ m範圍內均是可行的；而對於17 μ mX 17 μ m的探測器單元來說，橋腿20的寬度可以設置在0. 35 0.6μπι範圍內。[0048]本實施案例的橋面10、橋腿20的各層的材料以及厚度熱敏感層14的材料為非晶矽a-Si:H，厚度為1500A,其厚度不局限於1500A, 在8 O O ~ 2 5 O OA範圍內均是可行的；其TCR —般在-2 % -3 % /°C之間，典型值是-2.5% /°C。該非晶矽a_Si:H通常由等離子增強化學氣相沉積(PECVD)工藝製備；支撐層11和熱阻層21的材料為氮化矽，工藝上是同時實現的；該材料厚度為 150 A,其厚度不局限於150A,根據探測器性能的要求厚度是可變的；根據文獻報導，其熱傳導率約為1. 85K/W · M，是較為理想的一種材料。該氮化矽通常由等離子增強化學氣相沉積(PECVD)工藝製備；吸收層12和導電層22的材料為氮化鈦，工藝上是同時實現的；該材料厚度為 100A,其厚度不局限於100A,在50 ~150A厚度範圍內均是可行的；其薄膜方塊電阻為 377 Ω /sq以便達到理論極限下的紅外吸收率，但其方塊電阻不局限於377 Ω /sq,還可設置在100 Ω/sq 1000 Ω/sq範圍內。該氮化鈦通常由反應離子濺射(Reactive PVD)工藝製備；絕緣層13和鈍化層23為氮化矽，工藝上是同時實現的；該材料其厚度為150 A, 其厚度不局限於150A,根據探測器性能的要求厚度是可變的。當然，本實用新型中也可以不設置鈍化層23，即其厚度為O A。該氮化矽通常由等離子增強化學氣相沉積(PECVD)工藝製備。在本實施案例中，熱敏感層14非晶矽a_Si:H上面的保護層15為OA。本實用新型中，還涉及到一種新型的錨柱30。如圖5所示，為傳統填充工藝形成的錨柱60的剖面圖；如圖6所示，為本實用新型的新型錨柱30的剖面圖。傳統的工藝是橋腿 20製備完畢後，利用自頂向下(Top-down)的填充工藝，形成整個錨柱60，但由於工藝的原因造成一種倒錐形結構的錨柱60，表現為下方開口較小、上方開口較大，造成錨柱60的實際面積難以控制，超出所設計的尺寸。而本實用新型所提及的錨柱30形成方式，是在未製備橋腿20之前，利用金屬鎢生長工藝事先製作錨柱30。如圖7所示，為新型錨柱30的實現工藝包括1、在表面設置反射膜層51 (圖示中未畫出)的基底上50製備一層厚度為2. 5 μ m 的犧牲層70，犧牲層70材料為聚醯亞胺(PI)；2、利用刻蝕的方式，有選擇性的去除部分犧牲層70材料，形成錨柱30所佔據的通道71 ；3、PECVD沉積氧化矽層80，填充2~)中所形成的通道71 ；刻蝕部分氧化矽80材料， 形成金屬鎢柱32所佔據的通道72 ；4、CVD金屬鎢，填充幻中所形成的通道72 ；有選擇性的去除該鎢材料，僅留下通道 72中的金屬鎢柱32。該步驟完成了錨柱30的製作工藝，在此之後就是利用傳統的工藝製作探測器的橋面10、橋腿20結構，這些製作完畢後就是釋放犧牲層70，得到懸空的結構。在第3步驟工藝中，氧化矽80的作用是保護金屬鎢柱30不致予從基底50表面上脫落；在第4步驟工藝中，通常在沉積金屬鎢之前會濺射一些很薄的粘附層，例如Ti/TiN， 來增加鎢柱30與基底50的粘附性；錨柱30之外的金屬鎢材料通常是利用化學機械拋光 (CMP)來去除，這樣也會使得犧牲層70表面更加平整。以上所述的具體實施案例，是對本實用新型的目的以及技術方案進行了進一步詳細說明，有必要聲明的是，以上所述僅為本實用新型的一個具體實施案例，並不用於限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和範圍之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。 在本實用新型中，探測器反映外界目標溫度信息的探測機理是目標發出含有自身溫度信息的紅外光波熱輻射，被探測器的金屬吸收層12吸收，由於橋腿20的熱絕緣作用，熱量就在橋面10上累積從而加熱其中的熱敏感層14，並導致其溫度上升，進而引起熱敏感層14諸如非晶矽或者氧化釩等材料的電阻值(或者電阻率)發生變化，這種變化對應紅外輻射量的信息，經轉化為電信號後，就利用基底50上的集成電路依次讀出。上述過程可簡單總結為「吸收紅外輻射_熱敏感層溫度變化_電阻值變化_電路讀出」。
權利要求1.一種非製冷式紅外焦平面陣列探測器，包括基底、橋面及橋腿，其特徵在於所述的橋腿的一邊端部與橋面連接在一起，另一邊端部通過錨柱連接在基底上；所述的基底為讀出集成電路襯底，表面上設有反射膜層；所述的橋面是懸空在反射膜層的正上方，並與基底之間形成真空間隙層。
2.根據權利要求1所述的非製冷式紅外焦平面陣列探測器，其特徵在於所述的橋腿設置在橋面相對應的二側上，且橋腿與橋面各自的下表面分布於同一平面上。
3.根據權利要求1所述的非製冷式紅外焦平面陣列探測器，其特徵在於所述的橋面從下到上依次為支撐層、吸收層、絕緣層、熱敏感層和保護層。
4.根據權利要求1所述的非製冷式紅外焦平面陣列探測器，其特徵在於所述的橋腿從下到上依次為熱阻層、導電層和鈍化層。
5.根據權利要求1所述的非製冷式紅外焦平面陣列探測器，其特徵在於所述的錨柱由金屬鎢柱和氧化矽柱組成，該錨柱從內到外依次是金屬鎢和氧化矽材料。
6.根據權利要求1所述的非製冷式紅外焦平面陣列探測器，其特徵在於所述的真空間隙層的厚度為1. 8 2.5 μ m。
7.根據權利要求1所述的非製冷式紅外焦平面陣列探測器，其特徵在於所述的錨柱在相平行於基底方向上的橫截面為圓形、矩形或八邊形。
8.根據權利要求1所述的非製冷式紅外焦平面陣列探測器，其特徵在於所述的基底表面上反射膜層的材料是鋁、鈦、金或金屬合金，在8 14μπι紅外波段的反射率範圍為 80% 100%。
9.根據權利要求1所述的非製冷式紅外焦平面陣列探測器，其特徵在於所述的橋面、 橋腿、錨柱及基底表面的反射膜層作為一個探測器單元，是以二維陣列的形式，排列在基底之上。
10.根據權利要求1-9之一所述的非製冷式紅外焦平面陣列探測器，其特徵在於所述的橋腿的一邊端部與橋面的熱敏感層電學相連，另一邊端部通過錨柱實現與基底的讀出電路之間的電學相連。
11.根據權利要求3所述的非製冷式紅外焦平面陣列探測器，其特徵在於所述的熱敏感層的材料為非晶矽、非晶鍺矽或氧化釩。
12.根據權利要求3或4所述的非製冷式紅外焦平面陣列探測器，其特徵在於所述的橋面的支撐層與橋腿的熱阻層採用同一材料，且為氧化矽、氮化矽或氮氧化矽；橋面的吸收層與橋腿的導電層採用同一材料，且為氮化鈦或鎳鉻合金；橋面的絕緣層與橋腿的鈍化層採用同一材料，且為氧化矽、氮化矽或氮氧化矽；橋面的保護層材料為氧化矽、氮化矽或氮氧化矽。
13.根據權利要求3所述的非製冷式紅外焦平面陣列探測器，其特徵在於所述的吸收層在橋面上是不連續的，被分割成若干部分。
專利摘要本實用新型涉及一種非製冷式紅外焦平面陣列探測器，結構為橋腿的一邊端部與橋面連接在一起，另一邊端部通過錨柱連接在基底上；所述的基底為讀出集成電路襯底，表面上設有反射膜層；所述的橋面是懸空在反射膜層的正上方，並與基底之間形成真空間隙層；所述的橋腿設置在橋面相對應的二側上，且橋腿與橋面各自的下表面分布於同一平面上。所述的橋面從下到上依次為支撐層、吸收層、絕緣層、熱敏感層和保護層；橋腿從下到上依次為熱阻層、導電層和鈍化層。所述的錨柱由金屬鎢柱和氧化矽柱組成，該錨柱從內到外依次是金屬鎢和氧化矽材料。本實用新型的錨柱是一種新型錨柱，相比傳統填充工藝形成的錨柱來說，縮小了錨柱所佔的面積，並且降低了工藝難度。
文檔編號H01L27/144GK202120912SQ20112014799
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月11日 優先權日2011年5月11日
發明者黃立 申請人:武漢高德紅外股份有限公司