一种红外探测器及其制作方法与流程

本申请涉及微电子技术领域，更具体地说，涉及一种红外探测器及其制作方法。

背景技术：

红外成像系统是依靠目标与背景的辐射产生景物图像的系统，能24小时全天候工作，并能透过伪装探测出隐蔽的热目标。红外探测器是红外成像系统的核心组件，能够依光电效应和热电效应将入射的红外光信号转变化电信号输出。

目前应用的红外探测器有多种类型，其中利用微测辐射热技术制作的红外探测器，将微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)工艺和器件结构结合，具有良好的发展前景。

由于在大气环境中，目标物体的红外辐射仅能在1～2.5μm、3～5μm和8～14μm三个窗口内才能有效地传输。如何针对此波段范围内的红外光进行探测成为本领域亟待解决的问题。

当前非制冷红外成像波段主要集中在长波红外波段(8μm～14μm)，而成像波段位于中波红外波段(3μm～5μm)的产品比较少，因此探测器的探测目标、范围和精度都受到了很大的限制。

由于长波红外成像和中波红外成像各具优点，且提供不同的光谱信息，人们就开始探索是否可以研发一种能够同时实现在中波红外和长波红外两个波段内均能获取目标物体的信息的红外探测器。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种红外探测器及其制作方法，以实现同时在中波红外和长波红外两个波段内均能获取目标物体信息的红外探测器的目的。

为实现上述技术目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种红外探测器，包括：

衬底；

位于所述衬底表面的反射部；

位于所述反射部背离所述衬底一侧，且悬空设置的微桥，所述衬底与所述微桥围成的空腔形成光学谐振腔；

所述微桥包括：沿所述光学谐振腔向背离所述衬底一侧方向上依次设置的支撑层、热敏层和钝化层；

位于所述钝化层背离所述衬底一侧的图形化薄膜；其中，

所述图形化薄膜用于对入射的红外光进行表面等离子体增强吸收；所述光学谐振腔及所述反射部用于将入射至所述衬底表面的红外光反射至所述热敏层；所述热敏层用于对所述图形化薄膜吸收的红外光以及反射的红外光的能量进行吸收并转化为电信号输出。

可选的，所述支撑层的材料为氮化硅或氧化硅或碳化硅，其厚度的取值范围为50nm～250nm，包括端点值；

所述热敏层的材料为氧化钒或氧化钛或非晶硅或非晶锗或非晶锗硅或锗硅氧化物，其厚度的取值范围为30nm～200nm，包括端点值；

所述钝化层的材料为氮化硅或氧化硅或碳化硅，其厚度的取值范围为50nm～250nm，包括端点值。

可选的，所述光学谐振腔位于所述反射部与所述支撑层之间，所述反射部与所述支撑层之间的距离的取值范围为10nm～1μm，包括端点值。

可选的，所述反射部与所述支撑层之间的距离的取值范围为300nm～700nm，包括端点值。

可选的，所述图形化薄膜的材料为预设金属材料；

所述预设金属材料为能够产生表面等离子体增强吸收效应的金属或合金。

可选的，所述预设金属材料为金、银、铝、铂、镍、钛和钨中的至少一种。

可选的，所述图形化薄膜为呈周期性排列分布的图形。

可选的，所述呈周期性排列分布的图形为阵列式分布的图形或者间插式分布的图形。

可选的，所述呈周期性排列分布的图形包括圆形、三角形、矩形、多边形中的至少一种。

可选的，所述圆形的直径的取值范围为1.5μm～2.1μm，包括端点值。

可选的，所述圆形的周期的取值范围为1μm～3μm，包括端点值；

所述圆形的周期指相邻圆形的圆心之间的距离。

可选的，所述图形化薄膜的厚度的取值范围为50nm～150nm，包括端点值。

一种红外探测器的制作方法，包括：

提供衬底；

在所述衬底表面形成反射层；

在所述反射层背离所述衬底一侧形成牺牲层；

在所述牺牲层背离所述衬底一侧形成支撑层；

在所述支撑层背离所述衬底一侧形成热敏层并图形化；

在所述热敏层背离所述衬底一侧形成钝化层；

在所述微桥背离所述衬底一侧形成图形化薄膜；

刻蚀出微桥，并去除所述牺牲层，以便释放所述微桥。

可选的，所述牺牲层的材料包括聚酰亚胺、二氧化硅、多晶硅中的任一种。

可选的，所述热敏层的材料包括氧化钒、氧化钛、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅或锗硅氧化物。

可选的，所述钝化层的材料包括氮化硅、氧化硅、氮氧化硅和碳化硅中的任一种；

所述支撑层的材料包括氮化硅、氧化硅、氮氧化硅和碳化硅中的任一种。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种红外探测器及其制作方法，所述红外探测器的图形化薄膜能够实现对红外光表面等离子体增强吸收，配合所述反射部和所述光学谐振腔的共同作用，能够提高所述红外探测器同时针对中波红外和长波红外的吸收率及器件性能，为用户提供了更为全面准确的探测信息。

并且所述红外探测器对长波红外波段的吸收特性可以通过控制所述光学谐振腔的高度区间进行调制，对中波红外波段的吸收特性可以通过对所述图形化薄膜的图形分布及尺寸选择进行调制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请的一个实施例提供的红外探测器的一种结构示意图；

图2为本申请的一个具体实施例提供的红外探测器的一种详细结构示意图

图3为本申请的一个实施例提供的红外探测器的吸收光谱示意图；

图4(a)和图4(b)为本申请的一个实施例提供的红外探测器的吸收率光谱随入射角变化示意图；

图4(c)为本申请的一个实施例提供的红外探测器的吸收率随红外光波长的吸收曲线；

图5(a)为本申请的一个实施例提供的红外探测器中的图形化金属薄膜的结构的截面示意图；

图5(b)为本申请的一个实施例提供的红外探测器中的图形化金属薄膜的结构的俯视示意图；

图6(a)、(b)、(c)和(d)为本申请的一个实施例提供的红外探测器中的图形化金属薄膜中的图形分布示意图；

图7为本申请的一个实施例提供的一种红外探测器的制作方法的流程示意图；

图8为本申请的一个具体实施例提供的一种红外探测器的制作方法的流程示意图；

图9为本申请的一个实施例提供的红外探测器的使用方法的一种流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供了一种红外探测器，如图1所示，包括：

衬底10；

位于所述衬底10表面的反射部20；

位于所述反射部20背离所述衬底10一侧，且悬空设置的微桥30，所述衬底10与所述微桥30围成的空腔形成光学谐振腔40；

所述微桥30包括：沿所述光学谐振腔40向背离所述衬底10一侧方向上依次设置的支撑层31、热敏层32和钝化层33；

位于所述钝化层33背离所述衬底10一侧的图形化薄膜50；其中，

所述图形化薄膜50的形成，使得所述图形化薄膜50与所述钝化层33之间的界面，产生表面等离子体激元效应，该效应促使红外光的吸收增强；所述光学谐振腔40及所述反射部20用于将入射至所述衬底10表面的红外光反射至所述热敏层32；所述热敏层32用于对所述图形化薄膜50吸收的红外光以及反射的红外光的能量进行吸收并转化为电信号输出。

本申请实施例提供了所述红外探测器能够利用所述图形化薄膜50实现对红外光的表面等离子体增强吸收，并且能够同时实现对中波红外和长波红外两个波段的红外光的增强吸收，所述图形化薄膜50的表面等离子体增强效应配合所述反射部20和所述光学谐振腔40的共同作用，可以同时提高所述红外探测器对中波红外和长波红外两个波段的吸收率及器件性能，为用户提供了更为全面准确的探测信息。

并且所述红外探测器对长波红外波段的吸收特性可以通过控制所述光学谐振腔40的高度区间进行调制，对中波红外波段的吸收特性可以通过对所述图形化薄膜50的图形分布及尺寸选择进行调制。

在上述实施例的基础上，本申请的一个具体实施例提供了一种红外探测器的具体结构，如图2所示，在附图2中，标号60表示与外围电路连接的金属接触电极。

所述支撑层31的材料为氮化硅或氧化硅或碳化硅中的任意一种，其厚度的取值范围为50nm～250nm，包括端点值；本申请对所述支撑层31的具体材料种类以及厚度的具体取值并不做限定，具体视实际情况而定。

所述热敏层32的材料为氧化钒或氧化钛或非晶硅或非晶锗或非晶锗硅或锗硅氧化物，其厚度的取值范围为30nm～200nm，包括端点值；但在本申请的其他实施例中，所述热敏层32的材料只要为热阻材料即可。本申请对所述热敏层32的具体材料种类以及厚度的具体取值并不做限定，具体视实际情况而定。

所述钝化层33的材料为氮化硅或氧化硅或碳化硅，其厚度的取值范围为50nm～250nm，包括端点值。本申请对所述钝化层33的具体材料种类以及厚度的具体取值并不做限定，具体视实际情况而定。

具体地，在本申请的一个具体实施例中，所述支撑层31使用氮化硅材料，采用等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)制作，厚度在0.1～1μm之间。热敏层32使用氧化钒材料，采用磁控溅射方法制作，厚度大约为30～200nm。溅射时控制溅射功率为100～500W，氧分压为0.5％～10％，溅射时间为5～60min，溅射完成后对热敏薄膜进行退火以提高其热敏特性，退火温度为200～600℃。钝化层33使用氮化硅材料，采用等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)制作，厚度在0.1～1μm之间。所述微桥30桥面上的图形化薄膜50为一层金属盘结构，用于增强红外吸收。该金属盘结构可以是圆形，矩形、多边形中的一种或者多种，厚度为40nm～150nm，包括端点值。

在上述实施例的基础上，在本申请的另一个实施例中，所述光学谐振腔40位于所述反射部20与所述支撑层31之间，所述反射部20与所述支撑层31之间的距离的取值范围为10nm～1μm，包括端点值。具体而言，反射部20与支撑层31之间的距离对应着所述光学谐振腔40的高度，当高度为10nm～1μm，可以同时实现长波和中波双波段吸收；当所述光学谐振腔40的高度缩小到300nm～700nm范围时，可实现长波(8～14μm)全部吸收，最小吸收率在70％以上，中波吸收峰位在5μm、4μm、3μm附近出现，吸收率在85％以上。具体可如图3所示，长波全部吸收，最小吸收率在70％以上；中波在4.8μm附近和3μm附近出现吸收峰，吸收率在85％以上，在附图3中，标号H表示所述光学谐振腔40的高度，标号D表示构成所述图形化薄膜50的相邻两个圆盘之间的距离，标号L表示圆盘的直径，D+L的值为所述圆盘的周期。所述红外探测器可以实现宽角度探测，如图4(a)、图4(b)和图4(c)所示，图4(a)中示出了当红外光波长为4.8μm时，所述红外探测器的吸收率随红外光的入射角的变化曲线；图4(b)中示出了当红外光波长为10μm时，所述红外探测器的吸收率随红外光的入射角的变化曲线；图4(c)中示出了当红外光的入射角为45°时，所述红外探测器的吸收率随红外光波长的吸收曲线。图4(a)、图4(b)和图4(c)说明了所述红外探测器可以同时实现对中波红外和长波红外两个波段的红外光的吸收探测，并且当红外光的入射角为45°时，所述红外探测器可以实现多波段红外吸收。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个优选实施例中，所述图形化薄膜50的材料为预设金属材料；

所述预设金属材料为能够产生表面等离子体增强吸收效应的金属或合金。

具体地，在本申请的一个实施例中，所述预设金属材料为金、银、铝、铂、镍、钛和钨中的至少一种。即所述预设金属材料可以为金或银或铝或铂或镍或钛或钨，还可以是金、银、铝、铂、镍、钛和钨中任意两种或多种的合金。本申请对所述预设金属材料的具体种类和构成并不做限定，具体视实际情况而定。

在本申请的其他实施例中，所述图形化薄膜50材料还可以为其他人工设计或合成的能够产生表面等离子体增强吸收效应的材料，本申请对此并不做限定，具体视实际情况而定。

为了增强吸收效果，在本申请的一个优选实施例中，所述图形化薄膜50可以为呈周期性排列分布的图形。如阵列式分布的图形或者间插式分布的图形等，并且该图形可以为多种形状，如圆形、三角形、矩形、多边形中的一种或多种。呈周期性排列分布的图形可以按照一定规则或者不规则排布形成阵列，一方面可以同时实现中、远红外长波的全部吸收，提高长波的吸收率，另一方面还可以增强中波的吸收范围以及提高吸收率。图形化薄膜50的具体结构、形状和分布可参见图5和图6。其中，图5(a)为周期性结构截面图；图5(b)为周期性结构俯视图，其中L为金属盘直径，D表示构成所述图形化薄膜50的相邻金属盘之间的距离，D+L的值为所述金属盘的周期，t为金属盘厚度；图6(a)为周期单元CU中的一种，可以依次增加金属盘的个数以及采用阵列方式，来丰富CU的定义；周期单元规则排布在顶层平面，可以实现m×n阵列，图6(b)为阵列排布横面图。每个CU中的周期大小相同或者不同，周期不同可以增强中波波段吸收范围。当m＝0时，只有纵向排布，如图6(c)所示；当n＝0时，只有横向排列；当m和n均不为零时，定义横向和纵向CU之间的距离d以及不同CU的周期大小，可以设计出不同的m×n阵列，实现同时吸收不同波段的目的，同时也可以对吸收峰位的调控更加灵活；进一步地，上图中的部分或者全部CU可以被上述的m×n阵列替换。周期单元不规范排布时，其中一种为间插式排列，如图6(d)所示。

可选的，在本申请的一个实施例中，呈周期性排列分布的图形为圆形，该圆形的直径的取值范围为1μm～3μm，包括端点值；在本申请的一个优选实施例中，该圆形的直径的取值范围为1.5μm～2.1μm，包括端点值。

可选的，所述圆形的周期的取值范围为1μm～3μm，包括端点值；

所述圆形的周期指相邻圆形的圆心之间的距离。

可选的，所述图形化薄膜50的厚度的取值范围为50nm～150nm，包括端点值。

举例说明，在本申请的另一个具体实施例中，所述红外探测器各层的材料分别为Si(衬底10)、Au(图形化薄膜20)、SiN(支撑层31)、VO₂(热敏层32)、SiN(钝化层33)、Au(图形化薄膜50)，在本实施例中，硅衬底的厚度设置为500nm，所述反射层厚度为100nm，所述光学谐振腔40高度为500nm，所述支撑层31和钝化层33厚度为200nm，金盘厚度为50nm，形状为圆形，直径为1.6μm，周期设置为2.7μm。

相应的，本申请实施例还提供了一种红外探测器的制作方法，如图7所示，包括：

S101：提供衬底；

S102：在所述衬底表面形成反射层；

S103：在所述反射层背离所述衬底一侧形成牺牲层；

S104：在所述牺牲层背离所述衬底一侧形成支撑层；

S105：在所述支撑层背离所述衬底一侧形成热敏层并图形化；

S106：在所述热敏层背离所述衬底一侧形成钝化层；

S107：在所述钝化层背离所述衬底一侧形成图形化薄膜；

S108：刻蚀出微桥，并去除所述牺牲层，以便释放所述微桥。

需要说明的是，在本实施例中，并未对所述红外探测器与外围电路，比如读出电路相连接的电极、过孔和通孔等结构的制备流程进行说明。

在上述实施例的基础上，本申请的一个具体实施例提供了一种红外探测器的制备方法，如图8所示，包括：

S201，在衬底上镀制金薄膜并图形化形成反射层和读出电路电极；

S202，在形成反射层和读出电路电极的所述衬底上形成牺牲层；

S203，在所述牺牲层上形成通孔；

S204，在所述牺牲层上形成支撑层；

S205，在所述支撑层上形成热敏层并图形化；

S206，在所述热敏层上形成钝化层；

S207，刻蚀读出电路电极接触孔和热敏层接触孔；

S208，在刻蚀出电路电极接触孔和热敏层接触孔的钝化层上形成金属接触孔电极层并图形化；

S209，在形成金属接触孔电极层的钝化层上形成图形化金属薄膜；

S210，刻蚀出微桥，并去除所述牺牲层，释放微桥。

使用本发明实施例提供的红外探测器，能够利用图形化薄膜对红外光进行表面等离子体增强吸收，从而在反射部、光学谐振腔以及表面等离子体增强效应的共同作用下，大大提高装置对红外中波和长波的吸收率及器件性能，提供更为全面准确的探测信息。

可选的，所述牺牲层材料包括聚酰亚胺、二氧化硅、多晶硅等自然材料和人工材料中的任一种。

可选的，所述热敏层的材料包括氧化钒、氧化钛、非晶硅、非晶锗、非晶锗硅或锗硅氧化物。

可选的，所述钝化层的材料包括氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、或碳化硅中的任一种；所述支撑层的材料包括氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、或碳化硅中的任一种。

可选的，所述金属接触孔电极层的材料包括钛、铝、氮化钛、钒中的任一种。

下面通过具体实施例对本发明提供的红外探测器的制作方法进行详细说明。

第一步，制作基底结构：利用电子束蒸发方法在硅衬底基底上镀制一层金薄膜，为了增加硅衬底与金薄膜的粘附性，中间添加一层铬薄膜，同样利用电子束蒸发方法完成，厚度约为金薄膜厚度的十分之一。再通过剥离工艺、干法刻蚀或者湿法刻蚀方法实现图形化，在硅衬底基底的同一端面上形成反射层和两个读出电路电极。作为本例的一个实例，硅厚度设置为500nm，反射层厚度可为50nm，铬薄膜厚度为5nm；

第二步，制作牺牲层：对光敏型聚酰亚胺或者非光敏型聚酰亚胺采用旋涂方法来制作所述牺牲层；或者，对二氧化硅或者多晶硅采用化学气相沉积的方法来制作牺牲层；

第三步，制作牺牲层通孔：通过光刻方法在由光敏型聚酰亚胺制成的所述牺牲层上制作牺牲层通孔；或者，通过干法刻蚀方法在由非光敏型聚酰亚胺、二氧化硅或者多晶硅制成的所述牺牲层上制作牺牲层通孔；

第四步，制作支撑层：使用氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、或碳化硅中的任何一种材料，采用等离子体增强化学气相沉积法制作而成；

第五步，制作热敏层：对氧化钒采用反应溅射方法镀制形成所述热敏层；或者，对无定形硅采用等离子体增强化学气相沉积法镀制形成所述热敏层，然后再通过干法刻蚀实现图形化；

第六步，制作钝化层：使用氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、或碳化硅中的任何一种材料，采用等离子体增强化学气相沉积法制作而成；

第七步，制作读出电路电极接触孔和热敏层接触孔：利用氧气与三氟甲烷混合构成的刻蚀气体，采用干法刻蚀方法形成读出电路电极接触孔和热敏层接触孔；

第八步，制作金属接触孔电极层：使用钛、铝、氮化钛、钒中的一种金属，采用电子束蒸发或磁控溅射制作所述金属接触电极孔，然后再通过干法刻蚀方法实现图形化；

第九步，制作金盘阵列结构：根据设定好周期单元的图形、直径、周期、间距以及不同阵列中的相关参数实现图形化，实现阵列结构。金盘的制备可以使用两种方法：第一是剥离工艺，即先制备光刻胶图形，而后制备金属薄膜，再使用丙酮等溶剂去除光刻胶图形从而留下金属图形在表面。第二是刻蚀工艺。先制备金属薄膜，而后制备光刻胶图形，再利用等离子体干法刻蚀方法将没有光刻胶遮挡的金属刻蚀去除，最后将光刻胶去掉，留下所需的金属图形。

第十步，刻蚀出微桥，去除所述牺牲层，释放微桥：先采用干法刻蚀方法刻蚀出微桥；再采用下列方法去除所述牺牲层：利用氧等离子体干法去除由光敏型聚酰亚胺或者非光敏型聚酰亚胺制成的所述牺牲层；或者，利用氟化氢气体去除由二氧化硅制成的所述牺牲层；或者，利用氟化氙去除由多晶硅制成的所述牺牲层。

相应的，如图9所示，本发明还提供一种前述实施例提供的任一种红外探测器的使用方法，包括：

S301，通过控制谐振腔的高度区间调制所述红外探测器对长波红外波段的吸收特性，包括长波峰位、宽谱吸收特性和吸收率；具体地，控制谐振腔高度在300纳米至700纳米之间，长波峰位在8微米至9.3微米之间，吸收宽谱为8微米至14微米之间，最小吸收率在70％以上；

S302，通过对图形化薄膜的图形分布及尺寸选择调制所述红外探测装备对中波红外波段的吸收特性，包括中波峰位，宽谱吸收特性和吸收率；具体地，控制金属薄膜的直径区间为1.5微米至2.1微米之间，中波峰位在4.3微米至5微米之间，同时出现在3微米附近；

S303，通过对图形化薄膜的图形及尺寸的选择，实现双波波峰位置、吸收宽谱特性和吸收率的进一步调控。

综上所述，本申请实施例提供了一种红外探测器及其制作方法，所述红外探测器的图形化薄膜能够实现对红外光的表面等离子体增强吸收，从而能够实现同时对中波红外和长波红外双波段的增强吸收，配合所述反射部和所述光学谐振腔的共同作用，提高所述红外探测器对中波红外和长波红外两个波段的吸收率及器件性能，为用户提供了更为全面准确的探测信息。

并且通过控制谐振腔的高度区间调制所述红外探测器对长波红外波段的吸收特性，包括长波峰位、宽谱吸收特性和吸收率；通过对图形化薄膜的图形分布及尺寸选择调制所述红外探测器对中波红外波段的吸收特性，包括中波峰位，宽谱吸收特性和吸收率；通过对图形化薄膜的图形及尺寸选择，进一步调控双波波峰位置、吸收宽谱特性和吸收率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。