一种螺旋天线耦合微桥结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]一种螺旋天线耦合微桥结构及其制备方法，用于红外与太赫兹探测与成像，属于螺旋天线耦合微桥结构及其制备方法的技术领域。
【背景技术】
[0002]红外探测技术作为对人类感官的补充和扩展，在民用和军用方面得到了广泛的应用。目前比较成熟的光子探测器已经应用到了通信、医学、军事等领域，但因为其工作时必须制冷，造成整个系统庞大，结构复杂而且成本偏高，从而无法大规模的推广应用。大规模集成电路技术的发展使非制冷红外探测器的研制成为可能。目前非制冷红外焦平面阵列(IRFPA)技术已经成为红外探测技术最主流的方向，这种技术使我们在常温下就能获得具有很高敏感性能的红外探测器。另外，其成本低、体积小、重量轻、功耗小和响应波段宽等很多优点，使其大规模市场化成为可能。
[0003]目前非制冷红外焦平面探测器的主流技术为热敏电阻式微测热辐射计。要实现室温下的红外探测，探测结构的设计是非制冷红外焦平面器件的关键。微桥结构是一种典型的探测结构。采用光刻方法在牺牲层上制作出支撑层和敏感层图案而最后去除牺牲层的方法，可以形成一个独立式的热绝缘微桥结构。微桥由桥墩、桥腿和桥面组成，制作在带有读出电路的衬底上，桥墩支撑起桥腿和桥面，使桥腿和桥面悬空，红外吸收层与热敏薄膜淀积在桥面上。在器件工作时，采用锗制作的透镜来收集和聚焦红外辐射到位于光学系统焦平面上的敏感元件阵列上，目标红外辐射的变化被桥面上的红外探测薄膜探测到，反映到热敏薄膜温度和电阻的变化，通过制作在微桥中的电学通道将这一变化传递到衬底读出电路，还原成图像信息，实现对目标信号的探测。为了充分利用物体的红外辐射，通常在牺牲层底部增加一层反射结构以提高敏感层对红外辐射的吸收，通常认为敏感层与反射层距离为入射红外光线波长的1/4时形成的微腔吸收效果最好。
[0004]根据使用的热敏电阻材料的不同，非制冷红外焦平面探测器可以分为氧化钒(VOx)探测器和非晶硅探测器两种。氧化钒技术由美国的Honeywell公司在90年代初研发成功，目前其专利授权BAE、L - 3/IR、FLIR -1NDIGO, DRS、NEC、以及SCD等几家公司生产。非晶硅技术主要由法国的CEA/LETI/LIR实验室在九十年代末研发成功，目前主要由法国的S0FRADIR和ULIS公司生产。氧化钒对室温电阻温度变化很敏感，可得到较大的电阻温度系数(TCR，一般为-2% /K?-3% /K)，电阻值可控制在几千欧至几万欧，Ι/f噪声较低，同时薄膜沉积技术成熟，是目前非致冷红外焦平面探测器首选的热敏电阻材料。Raytheon、BAE、DRS、Indigo、NEC以及SCD等公司都能生产160 X 120?640X480阵列的氧化钒非致冷红外焦平面探测器，其噪声等效温差(NETD)为20?100mK。目前，BAE和DRS公司都正在研宄1024X 1024阵列、像元尺寸15 ym、NETD为50mK的大规模氧化钒非致冷红外焦平面探测器。
[0005]太赫兹(Terahertz，THz)波指频率介于0.1?1THz (波长3mm?30 μ m)的电磁辐射，其电磁波谱位于微波和红外波段之间。因此，太赫兹系统兼顾电子学和光学系统的优势。长期以来，由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限，以致于该波段被称为电磁波谱中的太赫兹空隙。该波段也是电磁波谱中有待进行全面研宄的最后一个频率窗口。与其它波段的电磁波相比，太赫兹电磁波具有如下独特的性质:①瞬态性:太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级宽带性:太赫兹脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖GHz至几十THz的范围；③相干性:太赫兹时域光谱技术的相干测量技术能够直接测量太赫兹电场的振幅和相位，可以方便地提取样品的折射率、吸收系数低能性:太赫兹光子的能量只有毫电子伏特，不会因为电离而破坏被检测物质，从而可以安全地进行生物医学方面的检测和诊断穿透性:太赫兹辐射对于很多非极性绝缘物质，例如硬纸板、塑料、纺织物等包装材料都有很高的穿透特性，可用于对藏匿物体进行探测。太赫兹波的这些特点使其在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯、尤其是在卫星通讯和军用雷达等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。近年来由于自由电子激光器和超快激光技术的发展，为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使太赫兹辐射的产生机理、检测技术和应用技术的研宄得到蓬勃发展。
[0006]太赫兹探测器是太赫兹技术应用的关键器件。在太赫兹探测器的开发和应用中，检测太赫兹辐射信号具有举足轻重的意义。传统的非制冷红外焦平面阵列结构，理论上可以用于太赫兹波段的探测与成像。根据1/4波长理论，以辐射频率3THz为例，为充分吸收太赫兹辐射，非制冷红外焦平面阵列的光学谐振器高度应为25 μπι(入射辐射的1/4波长)。但这样的谐振腔高度在器件的制备上难以实现(传统非制冷红外焦平面阵列的谐振腔高度约为1.5?3 ym)。若不改变谐振腔高度，其膜系结构对太赫兹辐射的吸收极低，使得信号检测的难度较大。在文献(F.Simoens, etc, “Terahertz imaging with aquantum cascade laser and amorphous - silicon microbolometer array，，，Proceedingsof SPIE, vol.7485，pp.74850M -1 - 74850M - 9，2009)中，将基于非晶硅的非制冷红外焦平面阵列用于太赫兹成像，经过模拟和实验测量，探测单元的太赫兹辐射吸收率仅为0.16?0.17%。因此，目前常用的解决方法是:保持非制冷红外焦平面阵列的谐振腔高度不变，增加一层专门的太赫兹辐射吸收层在膜系结构的顶层上，以实现太赫兹辐射的探测与成像。Alan W.M.Lee等报道了采用160X 120非制冷红外焦平面阵列进行实时、连续太赫兹波成像。敏感材料为位于氮化硅微桥上的氧化钒层。他们提出，为提高信噪比和空间分辨率，需改进焦平面阵列的设计，其中的主要工作是优化太赫兹辐射吸收材料(Alan ff.M.Lee, etc, “Real - time, continuous - wave terahertz imaging by use of amicrobolometer focal - plane array，，, Optics Letters, vol.30, pp.2563 - 2565, 2005)。
[0007]薄的金属或金属复合薄膜可以吸收太赫兹福射，同时厚度低于50nm的膜厚对探测器的热容影响很小，利于高响应速率探测单元的制作，常用作太赫兹微阵列探测器的吸收层。N.0da等采用基于氧化钒热敏薄膜的320X240和640X480非制冷红外焦平面阵列进行太赫兹辐射的探测。由于原有膜系结构对太赫兹辐射的吸收率仅为2.6?4%。因此，他们在膜系结构的顶层增加一层具有适当方块电阻的金属薄膜用作太赫兹辐射吸收层，将入射福射频率为3THz时的噪声等效功率降至40pW(N.0da, etc, “Detect1n of terahertzradiat1n from quantum cascade laser using vanadium oxide microbolometer focalplane arrays”，Proceedings of SPIE, vol.6940, pp.69402Y -1 - 69402Y - 12, 2008)。将金属薄膜用作太赫兹福射吸收层在文献(L.Marchese, etc, “A microbolometer - basedTHz imager”，Proceedings of SPIE, vol.7671, pp.76710Z -1 - 76710Z - 8, 2010)中也有报道，通过优化金属吸收层的厚度可将太赫兹辐射吸收最大化。在专利201310124924.8中公开了一种