CN202869656U - 高应力平衡的红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及红外成像技术领域，公开了一种高应力平衡的红外探测器，包括基底和微结构，微结构包括桥面、设置在桥面相对侧方向的两只桥腿和锚柱，桥腿的一边端部与桥面连接在一起，另一边端部通过锚柱连接在基底上，基底表面上设有反射膜层，桥面是悬空在该反射膜层的正上方，并与之形成真空间隙层，所述微结构的桥面采用了对称的薄膜结构，从下到上依次为应力缓冲层、吸收层、热敏感层、保护层和钝化层，应力更容易实现补偿，从而使桥面的结构非常平整和稳定，不会发生翘曲变形，降低了本实用新型的工艺实现难度。
Description
技术领域
本实用新型涉及红外成像系统技术领域的一种用于常温下的红外焦平面阵列探测器，针对的红外辐射波长范围是8～14μm。
背景技术
探测红外光波的红外辐射探测器，按探测原理分为光子型和热敏型探测器。光子型需要工作在液氦(约77K)制冷的环境中，而热敏型探测器通常工作在常温下，多个该种探测器单元以二维阵列的形式排列在芯片基底上，并将芯片置于红外辐射成像系统聚焦透镜的焦平面上时，则构成了用于常温下的红外焦平面阵列探测器(IRFPA)。
这种用于常温下的红外探测器(IRFPA)通常包括两部分：基底和微结构。微结构中包括：1、用于吸收红外辐射并将其转化为热的装置；2、将该探测器对于基底热绝缘并以便探测器在红外热辐射的作用下可以实现温升的装置；3、热敏感装置，是在红外辐射的加热作用下，其自身的某些特性(例如电阻或者电阻率)随温度变化的部件。在基底上通常集成读取热敏感部分特性变化的电路装置，是利用标准的半导体工艺制造。
对于红外焦平面阵列探测器，基底上的电路是一种能够施加电信号激励把探测器各个微结构单元(Pixel)的特性变化(例如电阻变化)转化为电信号(电流或者电压)、并对二维探测器阵列实现顺序寻址CMOS读出集成电路，该读出电路还能够对探测器单元的电信号进行预处理，例如进行增益放大、非均匀校正(NUC)等处理。
红外探测器的两个重要指标分别噪声等效温差NETD和热响应时间常数τ。NETD涵义是：当被测红外热辐射目标的温度变化，导致焦平面探测器输出端的电压等于噪声电压时，该温度变化量称为NETD，即探测器所能分辨的探测目标的最小温度变化。NETD越小越好，在目前已装备的非制冷红外热象仪的NETD通常为20～100mK之间。响应时间常数τ定义：假定桥面在吸收红外辐射后，温升达到热平衡时时间为t，则τ为t·(1-e-1)，其大小决定了探测器的帧频F，当然t也是越小越能满足红外成像的要求，通常是在毫米级的范围，例如响应时间t≤10ms，适用的帧频F≥30Hz。
影响上述两个指标的因素很多，诸如探测器的阵列大小、单元像素的间距(Pitch)、各个膜层的材料、热敏感层的温度电阻特性(TCR)和电阻率、桥腿的线宽(CD)、厚度和长度、各层材料的厚度以及光学真空间隙的高度等等。在红外探测器制造过程中，各层薄膜结构会产生应力(stress)，分类为张应力和压应力。应力超越了微结构所能承受的范围，就会导致桥面上结构的翘曲、卷曲变形，应力过大甚至会导致微结构脱模、桥腿的断裂等严重情形，进而影响探测器的红外热能量吸收、热阻分布以及热响应率等重要指标的均匀性，也就成为影响探测器NETD性能以及探测器本身稳定性的重要因素。所以，如何降低、消除微结构上薄膜应力成为红外探测器阵列制造过程中非常棘手的问题。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种桥面结构平整稳定，不会发生翘曲变形的红外焦平面阵列探测器。
为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
一种高应力平衡的红外探测器，包括微结构和基底，其中微结构包括桥面，设置在桥面相对侧方向的两只桥腿和锚柱，微结构的桥腿一边端部与桥面连接在一起，另一边端部通过锚柱连接在基底上，所述的基底为读出集成电路衬底，表面上设有反射膜层；所述的微结构的桥面是悬空在基底的上方，并与之上的反射膜层形成真空间隙层，所述微结构的桥面薄膜对称，桥面上的吸收层的压应力(或者张应力)和钝化层的张应力(或者压应力)容易实现平衡。
所述的桥面从下到上依次为应力缓冲层、吸收层、热敏感层、保护层和钝化层。
所述吸收层的薄膜和钝化层的薄膜对称。
所述的热敏感层的材料为非晶硅(a-Si:H)、非晶锗硅(a-SiGe)或氧化钒(VOx)。
所述的桥腿设置在桥面相对应的二侧上，且桥腿与桥面分布于同一平面上。
所述的桥腿从下到上依次为缓冲层、热阻层、导电层和钝化层。
所述热阻层的薄膜和桥退钝化层的薄膜对称。
所述的锚柱由金属组成；或由金属或半导体填充物和氧化硅组成，从内到外依次是填充物和氧化硅材料。
所述的桥腿的导电层一边端部与桥面的热敏感层电学相连，另一边端部通过锚柱实现与基底的读出电路之间的电学相连。
所述的基底表面上反射膜层的材料是铝、钛、金、镍铬等金属或金属合金，在8～14μm红外波段的反射率范围为80％～100％。
所述的真空间隙层的厚度为1.8～2.5μm。
所述的微结构作为一个探测器单元，是以二维阵列的形式，排列在基底之上。
所述的桥面的应力缓冲层与保护层采用同一材料，且为氧化硅；桥面的吸收层与钝化层采用同一材料，且为氮化硅或氮氧化硅。
所述的桥腿的缓冲层材料为氧化硅；桥腿的热阻层与钝化层采用同一材料，且为氮化硅或氮氧化硅；桥腿的导电层材料为钛、氮化钛或镍铬合金等金属或金属合金。
本实用新型中，所述的微结构的桥面采用了对称的薄膜结构，从下到上依次为应力缓冲层、吸收层、热敏感层、保护层和钝化层，应力更容易实现补偿，从而使桥面的结构非常平整和稳定，不会发生翘曲变形，降低了本实用新型的工艺实现难度。
附图说明
图1为本实用新型用于常温下的红外探测器的阵列示意图；
图2为本实用新型用于常温下的红外阵列探测器单元的俯视示意图；
图3为图2中的A-A剖视图，表示微结构的剖面结构；
图4为图2中的B-B剖视图，表示微结构的剖面结构；
图5为本实用新型中的用于常温下的红外探测器所利用的应力平衡原理图；
图6为本实用新型中的红外探测器非晶硅TCR与NETD之间的关系图；
图7为本实用新型中的红外探测器非晶硅电阻率Resistivity与NETD之间的关系图；
图8为本实用新型的新型锚柱的形成方式图。
图中附图标记：10：微结构；20：基底；30：桥面；31：应力缓冲层；32：吸收层；33：热敏感层；34：保护层；35：钝化层；36：桥腿的端部导线；40：桥腿；41：缓冲层；42：热阻层；43：导电层；44：钝化层；50：真空间隙；60：发射膜层；70：锚柱；71：半导体填充材料；72：氧化硅；80：氧化硅；90：锚柱的通道；100：填充物的通道
具体实施方式
以下结合具体实例，对本实用新型的目的、技术方案做详细说明。
如图1，图2所示，分别为本实用新型的用于常温下的红外探测器阵列和单元结构的俯视示意图。探测器单元是以二维阵列的形式排列在基底20上的，包括微结构10、基底20。其微结构10包括桥面30、两个L形桥腿40和锚柱70，桥腿40的一边端部36与桥面30连接在一起，另一边端部43分别通过两个锚柱70连接在基底20上，所述的基底20表面上设有反射膜层60，桥面30是悬空在基底20的反射膜层60的正上方并与基底20之间形成真空间隙层50，为了对桥面30进行平衡支撑，桥腿40设置在桥面30的相对应二侧上，且桥腿40与桥面30分布于同一水平面上。本实施案例中的锚柱70由半导体填充材料71和氧化硅72组成，从内到外依次是该填充物71和氧化硅72材料。
基底20为硅衬底，通常含有读出集成电路(ROIC)，在基底20表面上的反射膜层60材料为金属铝Al，其在10μm波段的红外反射率达到98％以上，但反射膜层60的材料不局限于Al，在8～14μm远红外波段具有80％～100％的反射率的金属或合金材料均是可行的。桥面30位于在反射膜层60的正上方，桥面30与反射层60之间构成了真空间隙层50，用作λ/4光学真空谐振腔。针对8～14um波段的远红外波长，该真空谐振腔的间隙通常在1.8～2.5μm范围内。本实施案例中，真空间隙层50的厚度为
如图3、图4所示，分别为本实用新型的用于常温下的红外焦平面阵列探测器的剖面图。桥面30从下到上依次包括应力缓冲层31、吸收层32、热敏感层33、保护层34和钝化层35；桥腿40从下到上依次包括缓冲层41、热阻层42、导电层43和钝化层44。本案例实施中，桥面30上的缓冲层31与保护层34为氧化硅材料。
本实施案例的桥面30、桥腿40各层的作用：
缓冲层31的作用是抵偿膜层吸收层32的部分应力，吸收层32的作用是吸收8～14μm的红外辐射能量，实现桥面升温，从而加热热敏感层33，热敏感层33具有温度电阻特性(TCR)，感受桥面温度变化，电阻(或电阻率)随之改变，保护层34用来保护热敏感层33，钝化层35用来加强红外辐射的吸收，平衡吸收层32的应力，缓冲层41用来抵偿膜层热阻层42的部分应力，热阻层42决定桥腿对基底20的热传导能力，起热绝缘作用，导电层43实现热敏感层33与基底20的电学连接，钝化层44保护导电层43、影响桥腿对基底20的热传导能力以及平衡吸收层32的应力。
本实用新型采用了压应力薄膜与张应力薄膜相互叠加的方式来获得几近零应力的结构，如图5所示，由于吸收层32与热阻层42是氮化硅材料，其自身应力较大，而且存在热失匹配的问题，所以采用应力缓冲层31和缓冲层41来抵偿它们的部分应力；吸收层(32)的压应力(或张应力)来平衡钝化层35的张应力(或者压应力)；钝化层44的压应力(或者张应力)来平衡热阻层42的张应力(或者压应力)，从而获得非常稳定和平整的探测器微结构。
桥腿热阻层42的作用是：减少桥面30所吸收的红外辐射能量向基底20以热传导方式的热流失，起到使得桥面30与基底20之间热隔离的作用，从而使红外热量全部用于加热桥面30，获得较大的温升，藉此使探测器热敏感层14的电阻变化足够大，得到较大的探测器响应率以及较小的NETD值。
可以通过两方面的措施来获得较大的热阻：选择热传导率较低的材料来制作桥腿的热阻层42、钝化层44；在桥腿40的几何尺寸、形状设计上，确保桥腿40的热绝缘性满足探测器电阻变化以及NETD的要求。例如，热阻层42可以选择氮化硅或氧化硅材料；对于25μm×25μm的探测器单元来说，桥腿40的宽度设置为0.8μm，当然，根据制造工艺的能力以及探测器性能要求，其宽度不局限于0.8μm，在0.5～1.2μm范围内均是可行的；而对于17μm×17μm的探测器单元来说，桥腿40的宽度可以设置在0.35～0.6μm范围内。
微结构10的热敏感层33是红外探测器的核心材料，其性能诸如温度电阻特性TCR、电阻率以及噪声等对NETD影响很大。在本实施案例中，热敏感层33材料为非晶硅a-Si:H，这种材料即是掺氢元素(氢化)的a-Si，其TCR一般在-2％～-3％/℃之间，典型值是-2.5％/℃。而且a-Si:H通常需要掺杂磷、硼或者砷等元素调节其电阻率，掺杂较轻的浓度，电阻率越大，而掺杂较重的浓度，电阻率越小。a-Si:H的电阻率的变化会引起TCR按照一定关系随之变化、这种变化因为掺杂的种类不同而不同。如图6、图7所示，分别为本实施案例的红外探测器材料a-Si:H的TCR、电阻率Resistivity与NETD间的变化关系。
本实施案例的桥面30、桥腿40、反射膜层60的各层材料、厚度以及通常的制作方法：
缓冲层31的材料为氧化硅，厚度为
吸收层32的材料为氮化硅，厚度为
热敏感层33的材料为非晶硅，厚度为1000A，保护层34的材料是氧化硅，厚度为300A，钝化层35的材料为氮化硅，厚度为1000A，所述氧化硅、氮化硅、非晶硅通常由等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺制备。
缓冲层41的材料为氧化硅，厚度为
热阻层42的材料为氮化硅，厚度为
导电层43的材料为钛Ti，厚度为400A，钝化层44的材料是氮化硅，厚度为1000A，所述氧化硅、氮化硅通常由等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺制备，所述钛Ti通常由反应离子溅射(Reactive PVD)工艺制备。
反射膜层的材料为铝Al，厚度为1000A，所述铝Al通常由反应离子溅射(Reactive PVD)工艺制各。
当然，本实用新型的微结构的各层材料、厚度不局限于表2中所示。缓冲层31、保护层34以及缓冲层41的厚度范围可以为吸收层32、钝化层35、热阻层42与钝化层44材料还可以是氮氧化硅，可选的厚度范围为
热敏感层33的材料还可以是非晶锗硅(a-SiGe)、氧化钒(VOx)，可选的厚度范围为
反射膜层的材料还可以是其它在8～14μm红外波段具有较高反射率的金属或金属合金，可选的厚度范围为
以上。
如图8所示，为本实施案例中真空间隙50和锚柱70的实现工艺，包括：
1、在基底上20制备一层厚度为2.2μm的牺牲层80；
2、利用半导体工艺中蚀刻(Etch)的方式，有选择性的去除部分牺牲层80材料，形成锚柱70所占据的通道90；
3、PECVD沉积氧化硅层，填充2)中所形成的通道90，形成半导体填充物所占据的通道100；
4、CVD半导体填充材料，填充3)中所形成的通道100，完成了锚柱40的制作工艺，在此之后就是利用传统的工艺制作探测器的桥面30、桥腿40结构，这些制作完毕后就是在O2环境中释放牺牲层80，得到真空间隙50以及悬空的微结构10。
在第3步骤工艺中，氧化硅71的作用是保护半导体填充材料72不致予从基底20表面上脱落；在第4步骤工艺中，填充通道100的材料不限于各种导电的半导体材料，还可以是金属或金属合金等导电材料。通常会采用化学机械抛光(CMP)来打磨牺牲层材料80的表面，这样也会使得牺牲层80表面更加平整。
本实施案例的特殊情况，就是桥面30结构上只有吸收层32、热敏感层33、保护层34以及钝化层35，应力缓冲层31的厚度为零；相应桥腿40上只有热阻层42、导电层43以及钝化层44，缓冲层41的厚度为零。本实施案例的特利中，对于不同的热敏感层33的选择，例如对于非晶硅a-Si来说，桥面30甚至不需要保护层34。该特例虽然在应力控制上不够精细，但并不失为制作一种简单红外探测器结构的选择。
本实施案例的探测机理是：目标发出含有自身温度信息的红外光波热辐射能量，被红外焦平面阵列探测器的吸收层32所吸收，由于桥腿40的热绝缘作用，热量就在桥面30上累积从而加热其中的热敏感层33，并导致其温度上升，进而引起热敏感层33诸如非晶硅或者氧化钒等材料的电阻值(或者电阻率)发生变化，这种变化对应红外辐射量的信息，经转化为电信号后，就利用基底20上的集成电路依次顺序读出。上述过程可简单总结为“吸收红外辐射-热敏感层温度变化-电阻值变化-电路读出”。
以上所述的具体实施案例，是对本实用新型的目的以及技术方案进行了进一步详细说明，有必要声明的是，以上所述仅为本实用新型的一个具体实施案例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的的精神和范围之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高应力平衡的红外探测器，包括微结构(10)和基底(20)，其中微结构(10)包括桥面(30)，设置在桥面相对侧方向的两只桥腿(40)和锚柱(70)，微结构(10)的桥腿(40)一边端部与桥面(30)连接在一起，另一边端部通过锚柱(70)连接在基底(20)上，所述的基底(20)为读出集成电路衬底，表面上设有反射膜层(60)；所述的微结构(10)的桥面(30)是悬空在基底(20)的上方，并与之上的反射膜层(60)形成真空间隙层，其特征在于：所述微结构的桥面薄膜对称。
2.根据权利要求1所述的高应力平衡的红外探测器，其特征在于：所述的桥面(30)从下到上依次为应力缓冲层(31)、吸收层(32)、热敏感层(33)、保护层(34)和钝化层(35)。
3.根据权利要求2所述的高应力平衡的红外探测器，其特征在于吸收层(32)的薄膜和钝化层(35)的薄膜对称。
4.根据权利要求2所述的高应力平衡的红外探测器，其特征在于：所述的桥面(30)的应力缓冲层(31)与保护层(34)采用同一材料，且为氧化硅；桥面(30)的吸收层(32)与钝化层(35)采用同一材料，且为氮化硅或氮氧化硅。
5.根据权利要求1所述的高应力平衡的红外探测器，其特征在于：所述的桥腿从下到上依次为缓冲层(41)、热阻层(42)、导电层(43)和钝化层(44)。
6.根据权利要求5所述的高应力平衡的红外探测器，其特征在于热阻层(42)的薄膜和钝化层(44)的薄膜对称。
7.根据权利要求5所述的高应力平衡的红外探测器，其特征在于：所述的桥腿(40)的缓冲层(41)材料为氧化硅；桥腿(40)的热阻层(42)与钝化层(44)采用同一材料，且为氮化硅或氮氧化硅；桥腿(40)的导电层(43) 材料为钛、氮化钛或镍铬合金。
8.根据权利要求1所述高应力平衡的红外探测器，其特征在于：所述的锚柱(70)由金属组成；或由金属或半导体填充物(71)和氧化硅(72)组成，从内到外依次是半导体填充物(71)和氧化硅(72)材料。
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