一种非制冷双色偏振红外探测器及其制造方法与流程

本发明涉及到一种非制冷双色偏振红外探测器及其制造方法，属于非制冷红外探测器领域。

背景技术：

非制冷红外探测器(uncooledinfraredbolometer)除了在军事领域的应用外，在民用领域得到了广泛的应用，如消防、汽车辅助、森林防火、野外探测、环境保护等领域。

原有的非制冷红外焦平面(uncooledirfpa)芯片，为单色芯片，目前还没有双色红外探测器芯片集成在一个芯片上，主要原因在于不同红外波段，要求的谐振腔高度不一致，传统的工艺方法和结构无法进行整合；单色芯片沉积的氧化钒薄膜方阻为同一数值，导致其工作温度范围受限，正常调节的工作温度范围为-40℃～85℃，实际上在高低温的两端，成像质量因氧化钒电阻变动产生影响，导致薄膜非均匀性的放大或受桥腿电阻的负面影响而导致成像质量降低，并且会增加图形算法的难度。

非制冷红外探测器，主要利用红外辐射的两个波段窗口，一个是8～14微米的远红外波段，也称作红外第一大气窗区；另一个是3～5微米的波段，称为红外第二大气窗区，也即中红外波段。3-5微米波长的红外属于中红外，优点是更适合测量高温物质如500度以上的温度，并且这类热像仪价格非常高；而8-14微米长波红外在大气中基本没有明显衰减，测量精度受距离影响很小，远近距离测量都很适合，测温范围也比较宽。

由于红外系统使用区域的不同、气候温度的改变、目标的伪装，红外诱饵的释放等原因，就会导致单色的红外探测系统获取的信息减弱。特别是当运动中的目标温度发生改变时，其红外辐射峰值波长将发生移动，将导致红外探器探测准确度大幅度下降，甚至很可能无法探测。

非制冷红外探测器由于周围气候温度的改变，在高/低温工作环境(85℃或-40℃)附近，电路处理信号受探测器的电阻非均匀性或桥腿电阻的影响，成像质量或性能会相对常温成像减低。为了确保在高/低温(85℃或-40℃)工作环境附近，仍能得到较好的红外图像输出，避免高低温的工作环境影响探测器的电阻非均匀性或桥腿电阻的影响，特设计交叉的两个能发挥最佳性能的探测器，一个适合工作在-20℃～100℃，一个适合-60℃～60℃的探测器，这两个探测器在高低温时进行互补，根据周围环境温度，程序自动选择一个或两个芯片甚至四个芯片同时进行工作，接收红外信号后输出最佳的图形质量。

另外，现在还没将非制冷双色偏振红外探测器与偏振探测系统相结合的探测；在现有的偏振探测系统中，偏振元件独立于探测器之外，需要在整机的镜头上增加偏振片，或者进行偏振镜头的设计，这种方法的成本比较高，设计难度也比较大；通过旋转偏振元件获取偏振信息，这种现有的偏振探测系统的缺点是：光学元件复杂，而且光路系统复杂。通过偏振片与探测器组合采集的偏振图像需要通过图像融合算法进行处理，不仅复杂而且也相对不准确。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术中存在的不足，提供一种工作温度范围大、能在不同的红外波段进行最佳的成像、且具备偏振特性的非制冷双色偏振红外探测器。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种非制冷双色偏振红外探测器，在非制冷双色红外探测器上的第一、三区域和第二、四区域分别设有偏振结构，所述偏振结构包括光栅支撑层和设置在所述光栅支撑层上的金属光栅结构，光栅支撑层为悬空结构。

本发明中一种非制冷双色偏振红外探测器的有益效果：

(1)通过将偏振结构与非制冷双色红外探测器进行单片集成，不仅可以实现非制冷双色偏振红外探测器的单片集成，而且极大的降低了光学设计的难度，简化了光学系统，减少了光学元件，降低了光学系统的成本。

(2)通过单片集成的偏振型非制冷双色红外探测器采集的图像为原始红外图像信息，读出电路只需要处理探测器探测的信号就可以得到准确的图像信息，而不需要进行现有探测器的图像融合，极大的提升了图像的真实性与有效性。

(3)金属光栅不会与热敏薄膜接触，不会造成红外敏感微桥结构的形变，不会影响敏感薄膜的热敏特性。

进一步，所述非制冷双色红外探测器包括一带有asic(applicationspecificintegratedcircuit:专用集成电路)的衬底和一具有微桥支撑结构的探测器，所述探测器与所述半导体衬底的asic电路电连接，所述探测器分为呈矩阵排列的四个区域，分别为第一区域、第二区域、第三区域和第四区域；

所述探测器包括所述衬底上的金属反射层和绝缘介质层，所述金属反射层包括若干个矩阵排列的金属块，第一、三区域绝缘介质层的厚度大于第二、四区域的绝缘介质层，所述第一、三区域绝缘介质层上设有若干个金属电极，所述金属电极通过贯穿所述第一、三区域绝缘介质层的连接金属与所述金属反射层连接；

所述第一、三区域的金属电极和第二、四区域的金属块上依次设有支撑层、热敏层、第一保护层，所述热敏层的面积小于所述支撑层的面积，所述第一、三区域的热敏层的方阻比第二四区域的方阻值高200kω±20kω，所述第一保护层上开有若干个接触孔，所述接触孔的下端终止于所述热敏层；

在所述第一保护层上还设有通孔，所述通孔穿过所述第一保护层和所述支撑层，终止于第二、四区域的金属块或第一三区域的金属电极；

所述通孔和所述接触孔内充满电极金属，所述电极金属和第一保护层上设有第二保护层，所述热敏层与所述电极金属电连接。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：双色红外探测器芯片，因为整合了asic(applicationspecificintegratedcircuit:专用集成电路)电路可对中远红外光电信号进行同步转换，保证两个红外波段窗口的信号没有时间差，做到同步输出，真正做到同步探测目标，得到较好的红外图像，能探测到较真实的物体，避免了红外伪装或红外干扰。拓展其红外探测器的应用范围，可同时较好地探测高低温物质，空中目标，还同时用于探测地物自身辐射，夜间红外扫描成像等多领域的应用。

另外，双色红外探测器芯片，比单独的几个芯片整合封装在一起的体积和面积更小，功耗也更低，电路部分可整合共用，只是对阵列进行工作区域的选择控制，可单独或同时使某一个或几个阵列区域进行工作，大幅度缩减了器件的功耗。同时降低了器件封装的难度，缩小机芯的体积和重量，利于便携的应用和降低成本。

可针对不同的红外波段(如3～5微米的中红外或8～14微米远红外)进行最佳的成像，制造双色芯片，不同芯片使用不同的氧化钒薄膜方阻，达到了在温度工作条件变动的情况下，自动选择适合此温度范围工作的探测器进行工作，使薄膜的成像质量得以保持最佳，同时延伸了器件的工作温度范围，甚至在低于-40℃，高于85℃，都能得到较好的成像质量。

进一步，所述光栅支撑层包括第一光栅支撑层和设置在所述第一光栅支撑层上的第二光栅支撑层，所述第一光栅支撑层为氮化硅层，所述第二光栅支撑层为二氧化硅层，且厚度均为0.10～0.30μm。

进一步，所述金属光栅结构包括若干个依次排列的光栅，所述光栅为直线型或弯曲型，相邻所述光栅之间的间隔为10～500nm。

采用上述进一步技术方案的有益效果：金属光栅结构可以增强特定波段的红外光的吸收，通过调整光栅结构中相邻光栅的宽度或者间距，可以改变被增强红外波段；金属光栅结构作为偏振结构，可以将不同方向的干扰波进行屏蔽过滤，只允许目标波通过该结构，这样就可以增强对比度，从而能够使目标的轮廓特性更明显。

进一步，所述支撑层为氧化硅薄膜，所述热敏层为氧化钒或氧化钛，所述第一保护层和第二保护层均为氮化硅薄膜。

进一步，所述绝缘介质层为二氧化硅，其厚度为

进一步，所述连接金属为坞。

本发明还涉及一种制造上述非制冷双色偏振红外探测器的制造方法，包括以下步骤：

步骤1.提供一未进行牺牲层释放的非制冷双色红外探测器，在所述非制冷双色红外探测器的第二保护层上沉积光栅牺牲层，并对光栅牺牲层进行图形化处理，在图形化处理的后的光栅牺牲层上沉积光栅支撑层；

步骤2：在光栅支撑层上制备金属光栅结构；

步骤3：结构释放，释放光栅牺牲层、第一牺牲层和第二牺牲层，形成非制冷双色偏振红外探测器。

本发明中一种制造上述非制冷双色偏振红外探测器的制造方法的有益效果是：

(1)实现了非制冷双色红外探测器与偏振结构的集成，不仅提升了探测器的偏振特性，减少光路原件，增加光学系统的灵活性，而且可以有效的节省单独制作偏振片的成本；

(2)在非制冷双色红外探测器上添加一层金属光栅结构，不仅可以实现增加红外吸收的效果，而且单独悬空的金属光栅结构不会造成红外敏感微桥结构的形变，不会影响敏感薄膜的热敏特性；

(3)与现有的红外偏振图像相比，通过非制冷双色偏振红外探测器所采集的图像效果更具有较高的对比度，能够凸显出目标物体的轮廓特征，提升军事防伪能力。

进一步，步骤1中所述的未进行牺牲层释放的非制冷双色偏振红外探测器的制备方法如下：

(1)在包含asic电路的衬底上沉积一层金属反射层，并对所述金属反射层进行图形化处理，图形化处理之后的金属反射层包括矩阵排列的金属块；

(2)在金属反射层上沉积绝缘介质层，并对所述绝缘介质层进行化学机械抛光处理(cmp)处理；

(3)利用光刻和蚀刻的方法，在第一、三区域，对应阵列的探测器像元接口电极的对应位置上蚀刻连接孔，在所述连接孔内沉积连接金属；

(4)在第一、三区域绝缘介质层上沉积金属电极层，并对金属电极层进行图形化处理，图形化处理之后的金属电极层形成若干个矩阵排列的金属电极，且金属电极与所述连接金属一一对应，所述金属电极为探测器像元接口电极；

(5)光刻和蚀刻第二区域和第四区域的绝缘介质层，蚀刻终止金属反射层的上端面；

(6)在图形化后的金属电极层和蚀刻之后的第二、四区域的绝缘介质层上喷涂第一牺牲层，第二、四区域的第一牺牲层的上表面与第一、三区域的经过cmp处理的绝缘介质层的上表面平齐；

(7)采用光刻和蚀刻的方法，将第一、三区域中的第一牺牲层等离子体灰化，去除第一、三区域中的第一牺牲层，之后进行cmp处理；

(8)在第一、三区域的绝缘介质层和第二、四区域的第一牺牲层上涂覆第二牺牲层；

(9)对第二牺牲层和第一牺牲层进行图形化处理，图形化之后在第一区域和第三区域上形成第一锚点孔，所述第一锚点孔终止于所述金属电极，在第二区域和第四区域上形成第二锚点孔，所述第二锚点孔终止于所述金属块；

(10)在图形化处理之后的第一牺牲层和第二牺牲层上沉积支撑层，所述支撑层为氮化硅薄膜；

(11)利用lift-offprocess(剥离工艺)，分别在第一、三区域和第二、四区域的支撑层上分别反应溅射热敏层，且第一、三区域的热敏层薄膜比第二、四区域的热敏层薄膜的方阻值高200kω±20kω；

(12)在热敏层和支撑层上沉积第一保护层。

(13)在第一锚点孔和第二锚点孔的底部，采用光刻和蚀刻的方法，蚀刻掉所述第一保护层和支撑层，分别终止于所述金属电极和第二、四区域的金属块，形成通孔；

(14)在热敏层上方的第一保护层上，采用光刻和蚀刻的方法，蚀刻掉第一，保护层，终止于所述热敏层，形成接触孔；

(15)在通孔和接触孔内沉积电极金属，所述电极金属的方阻为5～50ω；

(16)在电极金属层上沉积第二保护层。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：对探测器阵列功能区域进行划分，实现非制冷双色偏振红外探测器mems芯片的划分；第一、三区域和第二、四区域形成两个不同高度的红外谐振腔，且顶部在同一个高度平面上，可以吸收不同波长的红外波段；第一、三区域和第二、四区域的氧化钒薄膜的方阻值不同，方阻值低的可用于超低温(-80℃～-60℃)环境下工作，方阻高的可用于超高温(85℃～100℃)环境下工作。

另外，整合了asic电路，可对中远红外光电信号进行同步转换，保证两个红外波段窗口的信号没有时间差，做到同步输出，真正做到同步探测目标，得到较好的红外图像，能探测到较真实的物体，避免了红外伪装或红外干扰，拓展其红外探测器的应用范围，可同时较好地探测高低温物质，空中目标，还同时用于探测地物自身辐射，夜间红外扫描成像等多领域的应用。

进一步，还包括步骤19.封装测试，探测器测试封装制造成机芯或整机，选择合适的环境温度，可同时让中红外和远红外两个探测器进行工作，甚至四个探测器一起工作。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：中红外或者远红外探测器同时观察对一个目标进行观察，提高探测目标的真实度，分辨率和可靠性，能探测到较真实的物体，避免了红外伪装或红外干扰。

进一步，所述绝缘介质层为二氧化硅，(2)中沉积的绝缘介质层厚度为

进一步，(3)中，在所述连接孔内沉积连接金属后，对所述连接金属进行cmp处理，并对第二区域和第四区域的绝缘介质层进行cmp处理。

进一步，所述热敏层厚度在之间。

进一步，所述第一牺牲层的厚度所述第二牺牲层聚酰亚胺，厚度为

进一步，所述光栅支撑层包括第一光栅支撑层和第二光栅支撑层，所述第一光栅支撑层为氮化硅层，所述第二光栅支撑层为氧化硅层，沉积光栅支撑层时，先沉积氮化硅层，接着在氮化硅层上沉积氧化硅层。

进一步，所述第一保护层和所述第二保护层的厚度均为

进一步，步骤2中，制备金属光栅结构时，先利用物理气相沉积或溅射在光栅支撑层上沉积或者溅射一层金属薄膜，再利用干法刻蚀工艺刻蚀光栅图形，使相邻所述光栅之间的间隔为10～500nm。

进一步，步骤2中，制备金属光栅结构时，先在光栅支撑层上旋涂光刻胶或pi，利用光刻技术在光刻胶涂层或pi涂层上得到光栅图形，光栅间隔10～500nm，然后，利用物理气相沉积或溅射在光刻好的光刻胶或pi涂层上沉积或溅射金属薄膜，最后，利用剥离工艺去除光刻胶或pi涂层，并将多余的金属薄膜剥离，所述金属薄膜为金、铜、铝、钛、镉或铬，厚度为10～500nm。

附图说明

图1为本发明asic电路阵列区域的划分示意图；

图2为本发明沉积绝缘介质层示意图；

图3为本发明对绝缘介质层进行cmp处理后的示意图；

图4为本发明金属电极与金属反射层连接示意图；

图5为本发明沉积第一牺牲层的示意图；

图6为本发明对第一牺牲层进行cmp处理后的示意图；

图7为本发明锚点孔形成示意图；

图8为本发明沉积支撑层示意图；

图9为本发明沉积热敏层的示意图；

图10为本发明沉积第一保护层的示意图；

图11为本发明蚀刻通孔的示意图；

图12为本发明蚀刻接触孔的示意图；

图13为本发明沉积电极金属和沉积第二保护层的示意图；

图14为本发明中金属光栅结构形成示意图；

图15为本发明的探测器结构示意图；

图16为本发明中直线型金属光栅结构示意图；

图17为本发明中左向弯曲型金属光栅结构示意图；

图18为本发明中右向弯曲型金属光栅结构示意图；

在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：1、第一区域，2、第二区域，3、第三区域，4、第四区域，5、含有asic电路的衬底，6、金属反射层，7、绝缘介质层，8、连接金属，9、金属电极，10、第一牺牲层，11、第二牺牲层，12、第一锚点孔，13、第二锚点孔，14、支撑层，15、第一、三区域热敏层，16、第二、四区域热敏层，17、第一保护层，18、通孔，19、接触孔，20、电极金属，21、第二保护层，22、光栅牺牲层，23、第一光栅支撑层，24、第二光栅支撑层，25、光栅。

具体实施方式

以下结合附图对本发明中一种非制冷双色偏振红外探测器的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图15所示，一种非制冷双色偏振红外探测器，包括一带有asic(applicationspecificintegratedcircuit:专用集成电路)的衬底5和一具有微桥支撑结构的探测器，所述探测器与所述半导体衬底5的asic电路电连接，所述探测器分为呈矩阵排列的四个区域，分别为第一区域1、第二区域2、第三区域3和第四区域4；

所述探测器包括所述衬底上的金属反射层6和绝缘介质层7，所述金属反射层6包括若干个矩阵排列的金属块，第一、三区域的绝缘介质层7厚度大于第二、四区域的绝缘介质层7，所述第一、三区域的绝缘介质层7上设有若干个金属电极9，所述金属电极9通过贯穿所述第一三区域绝缘介质层的连接金属8与所述金属反射层6连接，所述连接金属8为坞；

所述第一、三区域的金属电极9和第二、四区域的金属块上依次设有支撑层14、热敏层、第一保护层17，所述热敏层的面积小于所述支撑层14的面积，所述第一三区域热敏层15的方阻比第二四区域热敏层16的方阻值高200kω±20kω，所述第一保护层17上开有若干个接触孔19，所述接触孔19的下端终止于所述热敏层；

在所述第一保护层17上还设有通孔18，所述通孔18穿过所述第一保护层17和所述支撑层14，终止于所述金属块或金属电极9；

所述通孔18和所述接触孔19内充满电极金属20，所述电极金属20和第一保护层17上设有第二保护层21，在第一、三区域和第二、四区域的保护层上分别设有偏振结构，所述偏振结构包括光栅支撑层和设置在所述光栅支撑层上的金属光栅结构。

所述光栅支撑层包括第一光栅支撑层23和设置在所述第一光栅支撑层23上的第二光栅支撑层24，所述第一光栅支撑层23为氮化硅层，所述第二光栅支撑层24为二氧化硅层，且厚度均为0.10～0.30μm.

所述金属光栅结构包括若干个依次排列的光栅25，所述光栅25为直线型或弯曲型，相邻所述光栅25之间的间隔为10～500nm，如图16-17所示。

所述支撑层14为氧化硅薄膜，所述热敏层为氧化钒或氧化钛，所述第一保护层17和第二保护层21均为氮化硅薄膜。

本发明还涉及上述非制冷双色偏振红外探测器的制造方法，下面结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

一种非制冷双色偏振红外探测器的制造方法，首先制备一未进行牺牲层释放的非制冷双色红外探测器，包括如下步骤：

(1)在包含asic电路的衬底上沉积一层金属反射层6，并对所述金属反射层6进行图形化处理，图形化处理之后的金属反射层6包括矩阵排列的金属块；

(2).在金属反射层6上沉积绝缘介质层7，所述绝缘介质层7为二氧化硅，所述绝缘介质层7的厚度为如图2所示，并对所述绝缘介质层7进行cmp处理，除去厚度为如图3所示；

(3)利用光刻和蚀刻的方法，在第一、三区域，对应阵列的探测器像元接口电极的对应位置上蚀刻连接孔，在所述连接孔内沉积连接金属8；对第二、四区域的绝缘介质层7进行cmp处理，除去第二、四区域的绝缘介质层7的厚度为对第一、三区域的连接金属进行cmp处理，并除去厚度为的第一、三区域绝缘介质层7；

(4).在第一、三区域绝缘介质层7上沉积金属电极层，并对金属电极层进行图形化处理，图形化处理之后的金属电极层形成若干个矩阵排列的金属电极9，且金属电极9与所述连接金属8一一对应，所述金属电极9为探测器像元接口电极；

(5)光刻和蚀刻第二、四区域的绝缘介质层7，直至露出金属反射层6，如图4所示；

(6)在图形化后的金属电极层和蚀刻之后的第二区域和第四区域的绝缘介质层7上喷涂第一牺牲层10，所述第一牺牲层10为聚酰亚胺，所述第一牺牲层10的厚度为如图5所示；

(7)采用光刻和蚀刻的方法，将第一区域和第三区域中的第一牺牲层10等离子体灰化，之后进行cmp处理，如图6所示；

(8)在等离子灰化后的第一牺牲层10上涂覆第二牺牲层11，所述第二牺牲层11为聚酰亚胺，其厚度为

(9)对第二牺牲层11和第一牺牲层10进行图形化处理，图形化之后在第一区域和第三区域上形成第一锚点孔12，所述第一锚点12孔终止于所述金属电极9，在第二区域和第四区域上形成第二锚点孔13，所述第二锚点孔13终止于所述金属块，如图7所示；

(10)在图形化处理之后的第一牺牲层10和第二牺牲层11上沉积支撑层14，所述支撑层14为氮化硅薄膜，如图8所示；

(11)利用lift-offprocess(剥离工艺)，分别在第一、三区域和第二、四区域的支撑层14上反应溅射热敏层薄膜，所述热敏层厚度在之间，第一、三区域的热敏层15薄膜比第二、四区域的热敏层16薄膜的方阻值高200kω±20kω，不同的方阻值，可用于超低温或者超高温工作；，如图9所示

(12)在热敏层和支撑层14上沉积一层保护层17，所述第一保护层17的厚度为如图10所示。

(13)在第一锚点孔12和第二锚点孔13的底部，采用光刻和蚀刻的方法，蚀刻掉所述第一保护层17和支撑层14，分别终止于所述金属电极9和第二、四区域的金属块，形成通孔18，如图11所示；

(14)在热敏层上方的第一保护层17上，采用光刻和蚀刻的方法，蚀刻掉第一保护层17，终止于所述热敏层，形成接触孔19，如图12所示；

(15)在通孔18和接触孔19内沉积电极金属20，所述电极金属20的方阻为5～50ω；

(16)在电极金属层上沉积第二保护层21，所述第二保护层21的厚度为如图13所示；

(17)在第二保护层上沉积光栅牺牲层，并对光栅牺牲层进行图形化处理，在图形化处理的后的光栅牺牲层上依次沉积第一光栅支撑层和第二光栅支撑层，所述第一光栅支撑层为氮化硅层，所述第二光栅支撑层为氧化硅层，并对所述光栅支撑层进行图形化处理；

(18)在光栅支撑层上制备金属光栅结构，先利用物理气相沉积或溅射在光栅支撑层上沉积或者溅射一层金属薄膜，再利用干法刻蚀工艺刻蚀光栅图形，使相邻所述光栅之间的间隔为10～500nm，如图14所示；

(19)结构释放，对探测器进行划片释放，把第一牺牲层10、第二牺牲层11和光栅牺牲层释放干净，在第一、三区域和第二、四区域分别形成高度为和高度为的谐振腔，且顶部都在都一个高度平面上，在第二保护层上的第一、三区域和第二、四区域分别形成悬空的偏振结构，如图15所示。

(20)封装测试，探测器测试封装制造成机芯或整机，选择合适的环境温度，可同时让中红外和远红外两个探测器进行工作，甚至四个探测器一起工作。

实施例二

与实施例一不同的是，步骤(19)中，在光栅支撑层上制备金属光栅结构时，先在光栅支撑层上旋涂光刻胶或pi，利用光刻技术在光刻胶涂层或pi涂层上得到光栅图形，光栅间隔10～500nm，然后，利用物理气相沉积或溅射在光刻好的光刻胶或pi涂层上沉积或溅射金属薄膜，最后，利用剥离工艺去除光刻胶或pi涂层，并将多余的金属薄膜剥离，所述金属薄膜为金、铜、铝、钛、镉或铬，厚度为10～500nm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。