高應力平衡的紅外探測器的製作方法

2023-05-02 14:34:46

專利名稱：高應力平衡的紅外探測器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及紅外成像系統技術領域的一種用於常溫下的紅外焦平面陣列探測器，針對的紅外輻射波長範圍是8 14i! m。
背景技術：
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，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，則構成了用於常溫下的紅外焦平面陣列探測器(IRFPA)。這種用於常溫下的紅外探測器(IRFPA)通常包括兩部分基底和微結構。微結構中包括1、用於吸收紅外輻射並將其轉化為熱的裝置；2、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；3、熱敏感裝置，是在紅外輻射的加熱作用下，其自身的某些特性(例如電阻或者電阻率)隨溫度變化的部件。在基底上通常集成讀取熱敏感部分特性變化的電路裝置，是利用標準的半導體工藝製造。對於紅外焦平面陣列探測器，基底上的電路是一種能夠施加電信號激勵把探測器各個微結構單元(Pixel)的特性變化(例如電阻變化)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。紅外探測器 的兩個重要指標分別噪聲等效溫差NETD和熱響應時間常數T。NETD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 IOOmK之間。響應時間常數T定義假定橋面在吸收紅外輻射後，溫升達到熱平衡時時間為t，則T為t. (1-e—1)，其大小決定了探測器的幀頻F，當然t也是越小越能滿足紅外成像的要求，通常是在毫米級的範圍，例如響應時間t ( 10ms，適用的幀頻F彡30Hz。影響上述兩個指標的因素很多，諸如探測器的陣列大小、單元像素的間距(Pitch)、各個膜層的材料、熱敏感層的溫度電阻特性(TCR)和電阻率、橋腿的線寬(CD)、厚度和長度、各層材料的厚度以及光學真空間隙的高度等等。在紅外探測器製造過程中，各層薄膜結構會產生應力(stress)，分類為張應力和壓應力。應力超越了微結構所能承受的範圍，就會導致橋面上結構的翹曲、捲曲變形，應力過大甚至會導致微結構脫模、橋腿的斷裂等嚴重情形，進而影響探測器的紅外熱能量吸收、熱阻分布以及熱響應率等重要指標的均勻性，也就成為影響探測器NETD性能以及探測器本身穩定性的重要因素。所以，如何降低、消除微結構上薄膜應力成為紅外探測器陣列製造過程中非常棘手的問題。
發明內容本實用新型的目的是提供一種橋面結構平整穩定，不會發生翹曲變形的紅外焦平面陣列探測器。為了達到上述目的，本實用新型的技術方案是這樣實現的一種高應力平衡的紅外探測器，包括微結構和基底，其中微結構包括橋面，設置在橋面相對側方向的兩隻橋腿和錨柱，微結構的橋腿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；所述的微結構的橋面是懸空在基底的上方，並與之上的反射膜層形成真空間隙層，所述微結構的橋面薄膜對稱，橋面上的吸收層的壓應力(或者張應力)和鈍化層的張應力(或者壓應力)容易實現平衡。所述的橋面從下到上依次為應力緩衝層、吸收層、熱敏感層、保護層和鈍化層。 所述吸收層的薄膜和鈍化層的薄膜對稱。所述的熱敏感層的材料為非晶矽(a_S1:H)、非晶鍺矽(a-SiGe)或氧化釩(VOx)。所述的橋腿設置在橋面相對應的二側上，且橋腿與橋面分布於同一平面上。所述的橋腿從下到上依次為緩衝層、熱阻層、導電層和鈍化層。所述熱阻層的薄膜和橋退鈍化層的薄膜對稱。所述的錨柱由金屬組成；或由金屬或半導體填充物和氧化矽組成，從內到外依次是填充物和氧化矽材料。所述的橋腿的導電層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。所述的基底表面上反射膜層的材料是鋁、鈦、金、鎳鉻等金屬或金屬合金，在8 14 iim紅外波段的反射率範圍為80% 100%。所述的真空間隙層的厚度為1. 8 2. 5 ii m。所述的微結構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。所述的橋面的應力緩衝層與保護層採用同一材料，且為氧化矽；橋面的吸收層與鈍化層採用同一材料，且為氮化矽或氮氧化矽。所述的橋腿的緩衝層材料為氧化矽；橋腿的熱阻層與鈍化層採用同一材料，且為氮化矽或氮氧化矽；橋腿的導電層材料為鈦、氮化鈦或鎳鉻合金等金屬或金屬合金。本實用新型中，所述的微結構的橋面採用了對稱的薄膜結構，從下到上依次為應力緩衝層、吸收層、熱敏感層、保護層和鈍化層，應力更容易實現補償，從而使橋面的結構非常平整和穩定，不會發生翹曲變形，降低了本實用新型的工藝實現難度。

圖1為本實用新型用於常溫下的紅外探測器的陣列示意圖；圖2為本實用新型用於常溫下的紅外陣列探測器單元的俯視示意圖；圖3為圖2中的A-A剖視圖，表示微結構的剖面結構；圖4為圖2中的B-B剖視圖，表示微結構的剖面結構；圖5為本實用新型中的用於常溫下的紅外探測器所利用的應力平衡原理圖；圖6為本實用新型中的紅外探測器非晶矽TCR與NETD之間的關係圖；圖7為本實用新型中的紅外探測器非晶矽電阻率Resistivity與NETD之間的關係圖；[0031]圖8為本實用新型的新型錨柱的形成方式圖。圖中附圖標記10 :微結構；20 :基底；30 :橋面；31 :應力緩衝層；32 :吸收層；33 熱敏感層；34 :保護層；35 :鈍化層；36 :橋腿的端部導線；40 :橋腿；41 :緩衝層；42 :熱阻層；43 :導電層；44 :鈍化層；50 :真空間隙；60 :發射膜層；70 :錨柱；71 :半導體填充材料；72 :氧化矽；80 :氧化矽；90 :錨柱的通道；100 :填充物的通道
具體實施方式
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，圖2所示，分別為本實用新型的用於常溫下的紅外探測器陣列和單元結構的俯視示意圖。探測器單元是以二維陣列的形式排列在基底20上的，包括微結構10、基底20。其微結構10包括橋面30、兩個L形橋腿40和錨柱70，橋腿40的一邊端部36與橋面30連接在一起，另一邊端部43分別通過兩個錨柱70連接在基底20上，所述的基底20表面上設有反射膜層60，橋面30是懸空在基底20的反射膜層60的正上方並與基底20之間形成真空間隙層50，為了對橋面30進行平衡支撐，橋腿40設置在橋面30的相對應二側上，且橋腿40與橋面30分布於同一水平面上。本實施案例中的錨柱70由半導體填充材料71和氧化矽72組成，從內到外依次是該填充物71和氧化矽72材料。基底20為矽襯底，通常含有讀出集成電路(ROIC)，在基底20表面上的反射膜層60材料為金屬鋁Al，其在10 U m波段的紅外反射率達到98%以上，但反射膜層60的材料不局限於Al,在8 14 iim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30位於在反射膜層60的正上方，橋面30與反射層60之間構成了真空間隙層50，用作X/4光學真空諧振腔。針對8 14um波段的遠紅外波長，該真空諧振腔的間隙通常在1. 8 2. 5 ii m範圍內。本實施案例中，真空間隙層50的厚度為2200人。如圖3、圖4所示，分別為本實用新型的用於常溫下的紅外焦平面陣列探測器的剖面圖。橋面30從下到上依次包括應力緩衝層31、吸收層32、熱敏感層33、保護層34和鈍化層35 ;橋腿40從下到上依次包括緩衝層41、熱阻層42、導電層43和鈍化層44。本案例實施中，橋面30上的緩衝層31與保護層34為氧化矽材料。本實施案例的橋面30、橋腿40各層的作用緩衝層31的作用是抵償膜層吸收層32的部分應力，吸收層32的作用是吸收8 14um的紅外輻射能量，實現橋面升溫，從而加熱熱敏感層33，熱敏感層33具有溫度電阻特性(TCR)，感受橋面溫度變化，電阻(或電阻率)隨之改變，保護層34用來保護熱敏感層33，鈍化層35用來加強紅外輻射的吸收，平衡吸收層32的應力，緩衝層41用來抵償膜層熱阻層42的部分應力，熱阻層42決定橋腿對基底20的熱傳導能力，起熱絕緣作用，導電層43實現熱敏感層33與基底20的電學連接，鈍化層44保護導電層43、影響橋腿對基底20的熱傳導能力以及平衡吸收層32的應力。本實用新型採用了壓應力薄膜與張應力薄膜相互疊加的方式來獲得幾近零應力的結構，如圖5所示，由於吸收層32與熱阻層42是氮化矽材料，其自身應力較大，而且存在熱失匹配的問題，所以採用應力緩衝層31和緩衝層41來抵償它們的部分應力；吸收層
(32)的壓應力(或張應力)來平衡鈍化層35的張應力(或者壓應力)；鈍化層44的壓應力(或者張應力)來平衡熱阻層42的張應力(或者壓應力)，從而獲得非常穩定和平整的探測器微結構。橋腿熱阻層42的作用是減少橋面30所吸收的紅外輻射能量向基底20以熱傳導方式的熱流失，起到使得橋面30與基底20之間熱隔離的作用，從而使紅外熱量全部用於加熱橋面30，獲得較大的溫升，藉此使探測器熱敏感層14的電阻變化足夠大，得到較大的探測器響應率以及較小的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的熱阻層42、鈍化層44 ;在橋腿40的幾何尺寸、形狀設計上，確保橋腿40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42可以選擇氮化矽或氧化矽材料；對於25umX25um的探測器單元來說，橋腿40的寬度設置為0. 8 y 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 y m，在0. 5 1. 2 y m範圍內均是可行的；而對於17 ii mX 17 ii m的探測器單元來說，橋腿40的寬度可以設置在0. 35 0. 6 y m範圍內。微結構10的熱敏感層33是紅外探測器的核心材料，其性能諸如溫度電阻特性TCR、電阻率以及噪聲等對NETD影響很大。在本實施案例中，熱敏感層33材料為非晶矽a-S1:H，這種材料即是摻 氫元素(氫化)的a-Si，其TCR—般在-2% -3%/°C之間，典型值是-2. 5% /°C。而且a-S1:H通常需要摻雜磷、硼或者砷等元素調節其電阻率，摻雜較輕的濃度，電阻率越大，而摻雜較重的濃度，電阻率越小。a-S1:H的電阻率的變化會引起TCR按照一定關係隨之變化、這種變化因為摻雜的種類不同而不同。如圖6、圖7所示，分別為本實施案例的紅外探測器材料a-S1:H的TCR、電阻率Resistivity與NETD間的變化關係。本實施案例的橋面30、橋腿40、反射膜層60的各層材料、厚度以及通常的製作方法緩衝層31的材料為氧化矽，厚度為300A，吸收層32的材料為氮化矽，厚度為1500A,熱敏感層33的材料為非晶矽，厚度為1000A，保護層34的材料是氧化矽，厚度為300A，鈍化層35的材料為氮化矽，厚度為1000A，所述氧化矽、氮化矽、非晶矽通常由等離子增強化學氣相沉積(PECVD)工藝製備。緩衝層41的材料為氧化矽，厚度為350A，熱阻層42的材料為氮化矽，厚度為1500A，導電層43的材料為鈦Ti，厚度為400A，鈍化層44的材料是氮化矽，厚度為1000A，所述氧化矽、氮化矽通常由等離子增強化學氣相沉積(PECVD)工藝製備，所述鈦Ti通常由反應離子濺射(Reactive PVD)工藝製備。反射膜層的材料為鋁Al，厚度為1000A，所述鋁Al通常由反應離子濺射(ReactivePVD)工藝制各。當然，本實用新型的微結構的各層材料、厚度不局限於表2中所示。緩衝層31、保護層34以及緩衝層41的厚度範圍可以為150A 500 A;吸收層32、鈍化層35、熱阻層42與鈍化層44材料還可以是氮氧化矽，可選的厚度範圍為800A 1500&熱敏感層33的材料還可以是非晶鍺矽(a-SiGe)、氧化釩(VOx)，可選的厚度範圍為500A 1500A;反射膜層的材料還可以是其它在8 14pm紅外波段具有較高反射率的金屬或金屬合金，可選的厚度範圍為800A以上。如圖8所示，為本實施案例中真空間隙50和錨柱70的實現工藝，包括1、在基底上20製備一層厚度為2. 2 ii m的犧牲層80 ；[0050]2、利用半導體工藝中蝕刻(Etch)的方式，有選擇性的去除部分犧牲層80材料，形成錨柱70所佔據的通道90;3、PECVD沉積氧化矽層，填充2)中所形成的通道90，形成半導體填充物所佔據的通道100 ；4、CVD半導體填充材料，填充3)中所形成的通道100，完成了錨柱40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30、橋腿40結構，這些製作完畢後就是在02環境中釋放犧牲層80，得到真空間隙50以及懸空的微結構10。在第3步驟工藝中，氧化矽71的作用是保護半導體填充材料72不致予從基底20表面上脫落；在第4步驟工藝中，填充通道100的材料不限於各種導電的半導體材料，還可以是金屬或金屬合金等導電材料。通常會採用化學機械拋光(CMP)來打磨犧牲層材料80的表面，這樣也會使得犧牲層80表面更加平整。本實施案例的特殊情況，就是橋面30結構上只有吸收層32、熱敏感層33、保護層34以及鈍化層35，應力緩衝層31的厚度為零；相應橋腿40上只有熱阻層42、導電層43以及鈍化層44，緩衝層41的厚度為零。本實施案例的特利中，對於不同的熱敏感層33的選擇，例如對於非晶矽a-Si來說，橋面30甚至不需要保護層34。該特例雖然在應力控制上不夠精細，但並不失為製作一種簡單紅外探測器結構的選擇。本實施案例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能量，被紅外焦平面陣列探測器的吸收層32所吸收，由於橋腿40的熱絕緣作用，熱量就在橋面30上累積從而加熱其中的熱敏感層33，並導致其溫度上升，進而引起熱敏感層33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20上的集成電路依次順序讀出。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」。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。
權利要求1.一種高應力平衡的紅外探測器，包括微結構(10)和基底(20)，其中微結構(10)包括橋面(30)，設置在橋面相對側方向的兩隻橋腿(40)和錨柱(70)，微結構(10)的橋腿(40) 一邊端部與橋面(30)連接在一起，另一邊端部通過錨柱(70)連接在基底(20)上，所述的基底(20)為讀出集成電路襯底，表面上設有反射膜層(60);所述的微結構(10)的橋面(30)是懸空在基底(20)的上方，並與之上的反射膜層(60)形成真空間隙層，其特徵在於所述微結構的橋面薄膜對稱。
2.根據權利要求1所述的高應力平衡的紅外探測器，其特徵在於所述的橋面(30)從下到上依次為應力緩衝層(31)、吸收層(32)、熱敏感層(33)、保護層(34)和鈍化層(35)。
3.根據權利要求2所述的高應力平衡的紅外探測器，其特徵在於吸收層(32)的薄膜和鈍化層(35)的薄膜對稱。
4.根據權利要求2所述的高應力平衡的紅外探測器，其特徵在於所述的橋面(30)的應力緩衝層(31)與保護層(34)採用同一材料，且為氧化矽；橋面(30)的吸收層(32)與鈍化層(35)採用同一材料，且為氮化矽或氮氧化矽。
5.根據權利要求1所述的高應力平衡的紅外探測器，其特徵在於所述的橋腿從下到上依次為緩衝層(41)、熱阻層(42)、導電層(43)和鈍化層(44)。
6.根據權利要求5所述的高應力平衡的紅外探測器，其特徵在於熱阻層(42)的薄膜和鈍化層(44)的薄膜對稱。
7.根據權利要求5所述的高應力平衡的紅外探測器，其特徵在於所述的橋腿(40)的緩衝層(41)材料為氧化矽；橋腿(40)的熱阻層(42)與鈍化層(44)採用同一材料，且為氮化矽或氮氧化矽；橋腿(40)的導電層(43)材料為鈦、氮化鈦或鎳鉻合金。
8.根據權利要求1所述高應力平衡的紅外探測器，其特徵在於所述的錨柱(70)由金屬組成；或由金屬或半導體填充物(71)和氧化矽(72)組成，從內到外依次是半導體填充物(71)和氧化矽(72)材料。
專利摘要本實用新型涉及紅外成像技術領域，公開了一種高應力平衡的紅外探測器，包括基底和微結構，微結構包括橋面、設置在橋面相對側方向的兩隻橋腿和錨柱，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，基底表面上設有反射膜層，橋面是懸空在該反射膜層的正上方，並與之形成真空間隙層，所述微結構的橋面採用了對稱的薄膜結構，從下到上依次為應力緩衝層、吸收層、熱敏感層、保護層和鈍化層，應力更容易實現補償，從而使橋面的結構非常平整和穩定，不會發生翹曲變形，降低了本實用新型的工藝實現難度。
文檔編號G01J5/02GK202869656SQ201220263490
公開日2013年4月10日 申請日期2012年6月6日 優先權日2012年6月6日
發明者黃立, 王大甲 申請人:武漢高德紅外股份有限公司