透明衬底探测器及其制造方法

透明衬底探测器及其制造方法
【专利摘要】一种透明衬底探测单元，包括：透明衬底；与透明衬底相对的吸收层，吸收层的材料是对预定波段射线吸收率高的材料；在吸收层的相对于透明衬底的一侧上形成的反射层，反射层的材料是不能透过可见光的材料，并且其中，反射层的材料的热膨胀系数与吸收层的材料的热膨胀系数不同，以使得吸收层和反射层在由于吸收层吸收预定波段射线而产生热量时发生可测变形；在衬底上形成的热隔离梁，热隔离梁的材料是对热隔离的材料，其用于支撑吸收层和反射层。该探测单元结构简单，通过使红外射线在与衬底相对的另一侧直接入射到吸收层，能够避免红外光经过衬底而造成的能量损失；同时保留了衬底，避免了去掉衬底而造成的器件结构变脆弱和热串扰现象。
【专利说明】透明衬底探测器及其制造方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及微细加工的【技术领域】，尤其涉及一种探测器的制造及其相应的探测器。
【背景技术】
[0002]红外技术被广泛应用于工业、农业、医疗、科学、军事等各个行业。红外成像、红外测温、红外理疗、红外检测、红外报警、红外遥感、红外加热等技术是各行业所选用的先进技术。在上述需求的驱动下，红外探测器的开发研制和工业生产都有了突飞猛进的发展。
[0003]红外探测器用于将不可见的红外辐射转化为可见的图像。按照探测原理的不同，可以将传统的红外探测器分为两类:光电型红外探测器和热型红外探测器。
[0004]光电型红外探测器具有响应时间短、噪声等效温差(NETD)低等特点，因此被广泛应用。光电型探测器工作时需要将光电子和热电子分离，因此采用制冷设备来将温度维持在液氮温度(约77K)。
[0005]热型红外探测器是近年利用红外辐射具有显著热效应这一特点而发展起来的非制冷红外探测器。热型探测器工作，不像光电型探测器那样需要制冷设备。典型的热型红外探测器包括热电阻型红外探测器、热电堆型红外探测器和热释电型红外探测器。热型探测器采用电读出的方式，由于探测到的信号强度比较微弱，因此需要高信噪比和高增益的读出电路来读出检测到的信号。在该热型红外探测器中，读出电路功耗所产生的热量在该探测器的每个探测单元上产生附加的热量，而且连接探测单元与基底的导热性能好的金属线使得热隔离很困难，因此影响该热型红外探测器的敏感元件的响应。
[0006]随着微机电系统(MEMS)技术的发展,一种光-机械式热型红外探测器成为研究热点。该类探测器的信号读出方式为非接触式的光读出方式。
[0007]现有的光-机械型红外探测器结构主要分成两类:带硅衬底的红外焦平面阵列(FPA, Focal Panel Array)结构和无硅衬底的全镂空FPA结构。这两种结构的FPA工作时，红外线从硅衬底或初始形成硅衬底的探测器结构的一侧入射，而可见光从探测器结构的另一侧入射。
[0008]例如，一种基于新型微悬臂梁的红外探测单元，如图1所示，该探测单元包括热隔离梁2、双材料变形梁3、红外吸收板1、锚脚6和硅衬底7。其中，红外光从硅衬底7的一侧入射，入射的红外光通过硅衬底7被红外吸收板I吸收后转换为双材料变形梁3的热能，双材料变形梁3由于其两种材料的热膨胀系数不同而产生变形。可见光从该探测单元的与硅衬底相对的一侧入射，根据双材料变形梁3的变形读取探测数据。
[0009]对于上述具有硅衬底的探测单元来说，由于硅衬底具有红外吸收作用，入射的红外辐射能量通常会在硅衬底处损失40%左右。
[0010]而对于全镂空FPA来说，红外照射区域的硅衬底被掏空，这可以有效地消除硅衬底的红外吸收作用，但是硅衬底被掏空后的器件结构变得脆弱且导致热串扰。
【发明内容】

[0011]本公开的目的是提供一种透明衬底探测器及其制造方法，其能够避免由于入射的射线经过衬底而造成的能量损失，同时避免由于掏空衬底而造成的器件结构变脆弱以及热串扰。
[0012]为了实现上述目的，本公开的实施例提供了一种透明衬底探测器，包括:
[0013]多个探测单元，其中所述多个探测单元的每一个包括:
[0014]所述透明衬底；
[0015]与所述透明衬底相对的吸收层，所述吸收层的材料是对预定波段射线吸收率高的材料；
[0016]在所述吸收层的相对于所述透明衬底的一侧上形成的反射层，所述反射层的材料是反射可见光的材料，并且其中，所述反射层的材料的热膨胀系数与所述吸收层的材料的热膨胀系数不同，以使得所述吸收层和所述反射层在由于所述吸收层吸收所述预定波段射线而产生热量时发生可测变形；以及
[0017]在所述衬底上形成的热隔离梁，所述热隔离梁的材料是对热隔离的材料，其用于支撑所述吸收层和所述反射层。
[0018]本公开的另一实施例提供了一种透明衬底探测器的制造方法，包括:
[0019]提供所述衬底；
[0020]在所述透明衬底上淀积牺牲层；
[0021]在所述牺牲层上刻蚀形成通孔，以暴露出所述衬底；
[0022]在除所述通孔之外的所述牺牲层上淀积反射层，所述反射层的材料是反射可见光的材料；
[0023]刻蚀所述反射层，以形成第一预定图案；
[0024]在所述通孔中暴露出的所述衬底和所述反射层上相应淀积对热隔离的热隔离层和对预定波段射线吸收率高的吸收层；
[0025]刻蚀所述吸收层，以形成第二预定图案；
[0026]腐蚀掉所述牺牲层，
[0027]其中，所述吸收层的材料的热膨胀系数与所述反射层的材料的热膨胀系数不同，以使得所述吸收层和所述反射层在由于所述吸收层吸收所述预定波段射线而产生热量时发生可测变形。
[0028]本公开的再一实施例提供了一种透明衬底探测器的制造方法，包括:
[0029]提供所述衬底；
[0030]在所述透明衬底上淀积牺牲层；
[0031]在所述牺牲层上刻蚀通孔，以暴露出所述衬底；
[0032]在除所述通孔之外的所述牺牲层上淀积反射层，所述反射层的材料是反射可见光的材料；
[0033]刻蚀所述反射层，以形成第一预定图案；
[0034]在所述通孔中暴露出的所述衬底上淀积热隔离层，所述热隔离层的材料是对热隔离的材料；
[0035]在所述热隔离层和所述反射层上淀积吸收层，所述吸收层的材料是对预定波段射线吸收率高的材料；
[0036]刻蚀所述吸收层，以形成第二预定图案；
[0037]腐蚀掉所述牺牲层，
[0038]其中，所述吸收层的材料的热膨胀系数与所述反射层的材料的热膨胀系数不同，以使得所述吸收层和所述反射层在由于所述吸收层吸收所述预定波段射线而产生热量时发生可测变形。
[0039]在本公开的实施例提供的透明衬底探测器及其制造方法中，使入射的红外射线经由与衬底相对的吸收层入射来进行探测，而使可见光经由透明衬底入射并经由反射层反射来进行可见光读数，因此，红外射线不经过衬底而直接入射到吸收层，避免了红外射线经过衬底而造成的能量损失；另外，衬底的存在避免了器件结构变脆弱和热串扰现象。
【专利附图】

【附图说明】
[0040]通过结合附图对本公开实施例的描述，本公开的以上和其它目的、特点和优点将变得清楚。在各附图中，相同或类似的附图标记表示相同或者类似的结构或步骤。
[0041]图1是现有技术的光读出热-机械型红外探测单元的示意图；
[0042]图2是本公开实施例的透明衬底光读出热-机械型红外探测器的一个探测单元的示意图；
[0043]图3是本公开实施例的透明衬底光读出热-机械型红外探测器的探测单元的制造方法的示意图；以及
[0044]图4 (a)至图4 (f)是本公开实施例的透明衬底光读出热-机械型红外探测器的探测单元的制造方法中产生的各中间结构的示意图。
【具体实施方式】
[0045]为详细说明本公开的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
[0046]在下面的描述中阐述了很多细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用不同于在此描述的方式来实施。
[0047]此外，在描述本公开的实施例时，为便于说明，表不器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且示意图只是示例，其不构成对本公开的限制。
[0048]下面，以透明衬底光读出热-机械型红外探测单元为例来详细描述本公开实施例的结构和制造方法。
[0049]图2示出了根据本公开实施例的透明衬底光读出热-机械型红外探测单元的示意图。
[0050]如图2所示，该透明衬底光读出热-机械型红外探测单元包括透明衬底1、红外吸收层3、在红外吸收层3的相对于透明衬底I的一侧上形成的反射层4、以及在透明衬底I上形成的用于支撑红外吸收层3和反射层4的热隔离梁2。
[0051]其中，透明衬底I透过可见光，如图2所示，可见光从该探测单元的透明衬底I的一侧入射，再经过反射层4反射，来进行可见光读取。在本实施例中，透明衬底I由玻璃制成。在其它实施例中，透明衬底I的材料可以是石英、碳化硅或氧化铝。优选地，透明衬底I的厚度在100μηι-3πιπι之间。
[0052]其中，红外吸收层3是对红外光具有较高吸收率的材料，如图2所示，使红外光从该探测单元的相对于透明衬底I的另一侧入射，从而红外光可以不经过透明衬底I而直接入射到红外吸收层3，避免了红外光在经过透明衬底I时的红外能量损失，提高了探测单元的灵敏度。
[0053]其中，反射层4由用于反射可见光的材料制成。如上所述，可见光是通过透明衬底I入射的，之后，入射的可见光可以通过反射层4以特定的角度被反射回透明衬底1，从而进行可见光读取。
[0054]在本公开中，红外吸收层3和反射层4的结合还用作现有技术中双材料悬臂梁的作用，即，在红外光入射时，产生与吸收的红外辐射功率成正比的变形。红外吸收层3和反射层4的材料选择为两种热膨胀系数不同的材料。这两种材料的热膨胀系数越大，探测单元越灵敏。由于两种材料热膨胀系数的差异，当入射的红外光被红外吸收层3吸收而转化为热能之后，该红外吸收层3和反射层4会产生变形，据此来确定入射的红外光。在本实施例中，用于制成红外吸收层3的具有较高吸收率的材料是氧化硅。在本实施例中，反射层4由铝制成。在其它实施例中，红外吸收层3的材料可以是其他材料，例如氮化硅、碳化硅。反射层4的材料可以是金、铬、镍等金属。
[0055]在本实施例中，红外吸收层3和反射层4的变形可以通过反射层4的远离热隔离梁2的一侧距离透明衬底I的离面位移来确定。该反射层4的位移可以通过反射层4反射可见光的角度来确定。因此，作为，对红外光具有较高吸收率的材料，红外吸收层3显然可以通过其他材料来制作，只要该材料能满足上述的产生可测变形。该结构使得可以通过变形后的反射层4的反射来直接读取受热变形的结果，光学读出系统简单。
[0056]优选地，红外吸收层3的厚度在0.1 μ m-3 μ m之间，反射层4的厚度在
0.0lym-1 μ m之间，非工作状态下反射层4的底部距离透明衬底I的距离在I μ m-10 μ m之间。
[0057]其中，热隔离梁2由对热隔离的材料制成，以便红外吸收层3所吸收的热量能够集中在红外吸收层3和反射层4，从而提高探测单元的灵敏度，同时其还用于支撑红外吸收层3和反射层4。在本实施例中，热隔离梁2的材料是氮化硅。在其它实施例中，热隔离梁2的材料可以是氧化硅、碳化硅、多晶硅、高聚物等。
[0058]优选地，热隔离梁2和红外吸收层3的材料是相同的材料并且一体形成。在一个优选的实施例中，热隔离梁2和红外吸收层3的材料均为氧化硅，并且二者是一体形成的，从而使结构和制作工艺更加简单。
[0059]在上述结构的红外探测单元中，将红外吸收层设置在衬底的对侧，使红外光从该对侧入射，避免了红外光从衬底入射到探测单元时由于经过衬底所造成的能量损失；此外，将能够反射可见光并与吸收层的热膨胀系数不同的反射层设置在吸收层的相对于衬底的一侧上，从而，由于反射层和吸收层的热膨胀系数不同，当由于接收到红外光而受热时，该反射层和吸收层会发生变形，从而可以探测入射的红外光；同时，该结构采用透明衬底，通过透明衬底和变形后的反射层对可见光的反射来读取该变形的结果。这种结构的探测单元，既避免了红外光被衬底吸收所造成的探测单元灵敏性降低，又避免了掏空衬底所造成的结构变脆弱和热串扰现象；同时还通过巧妙地选择吸收层和反射层的材料，使用于吸收红外光的吸收层和用于反射可见光的反射层同时也用作对探测到的红外光进行响应的部件，因此不需要添加额外的变形部件，从而器件结构和制作工艺都更加简单，不但降低了成本，还提高了生产效率，同时结构也更加稳定可靠；另外，通过透明衬底和变形后的反射层对可见光线的反射，可以直接读取受热变形的结果，使光学读出更加简单。
[0060]为了更清楚地理解上述透明衬底红外探测单元的结构，本公开还提供了对应于该透明衬底红外探测单元的制造方法。
[0061]图3是本公开实施例的透明衬底光读出热-机械型红外探测器的探测单元的制造方法的示意图，其包括如下步骤S11-S17。图4 (a)至图4 (f)示出图3的制造方法中产生的各中间结构。
[0062]在步骤Sll中，提供透明衬底1，如图4 (a)所示。
[0063]在步骤S12中，在透明衬底I上淀积牺牲层5，如图4 (b)所示。
[0064]在本实施例中，该透明衬底I的材料是玻璃。在其它实施例中，透明衬底的材料可以是石英、碳化硅或氧化铝等材料。优选地，透明衬底I的厚度在100 μ m-3mm之间。在本实施例中，牺牲层5的材料是非晶硅。在其它实施例中，牺牲层5的材料可以是聚酰亚胺、光刻胶等其它有机化合物。优选地，牺牲层5的厚度在I μ m-10 μ m之间。
[0065]在步骤S13中，在牺牲层5上刻蚀形成通孔6，直到暴露出透明衬底1，如图4 (c)所示。
[0066]在本实施例中，采用干法刻蚀来刻蚀形成通孔6。在其它实施例中，可以采用湿法刻蚀等其它公知技术来刻蚀形成通孔6。
[0067]在步骤S14中，在除所述通孔6之外的所述牺牲层5上淀积反射层，并刻蚀反射层4来形成第一预定图案，如图4 (d)所示。
[0068]其中，所述反射层4的材料是不能透过可见光的材料，以在通过透明衬底I进行光学读数时将可见光反射回透明衬底I。在本实施例中，反射层的材料是铝。在其它的实施例中，反射层的材料可以是金、铬、镍等其它金属材料。优选地，反射层的厚度在0.01 μ m-ι μ m之间。
[0069]在本实施例中，采用干法刻蚀来刻蚀反射层4。在其它实施例中，可以采用湿法刻蚀等其它公知技术来蚀刻反射层4。根据需要，蚀刻出的反射层可以为任意图案。并且，蚀刻出的反射层4可以紧挨通孔6，或者远离通孔6。在本实施例中，反射层4与通孔6相邻。
[0070]在步骤S15中，在通孔6中暴露出的所述衬底和所述反射层上相应淀积对热隔尚的热隔离层2和对预定波段射线吸收率高的吸收层3，并蚀刻热隔离层2和蚀吸收层3，以形成第二预定图案，如图4 (e)所示。也就是说，在该实施例中，热隔离层2和高吸收率3是一体形成的。在其他实施例中，首先通过在通孔6中的暴露出透明衬底I上淀积热隔离层2，然后在热隔离层2和反射层4上淀积吸收层3。
[0071]在本实施例中，所述热隔离层2的材料是氮化硅。在其它实施例中，所述热隔离层2的材料可以是氧化硅、碳化硅等材料。
[0072]吸收层3的材料是对红外射线吸收率高的材料。此外，吸收层3的材料的热膨胀系数与反射层4的材料的热膨胀系数是不同的，以使得吸收层3和反射层4在由于吸收层3吸收红外光而产生热量时能够发生可测变形，从而能够根据该变形来探测入射的红外光。在本实施例中，反射层4的材料是铝。在本实施例中，，吸收层3的材料是与热隔离层2相同的氮化硅。在其它的实施例中，反射层的材料可以是金、铬、镍等其它金属材料。在其它的实施例中，吸收层3的材料可以是氧化硅、碳化硅等材料。优选地，吸收层的厚度在0.1 μ m-3 μ m之间。
[0073]在本实施例中，采用干法刻蚀来刻蚀吸收层3。在其它实施例中，可以采用湿法刻蚀等其它公知技术来蚀刻吸收层3。
[0074]在步骤S16中，腐蚀掉牺牲层5以释放该结构，如图4 Cf)所示。
[0075]在本实施例中，采用干法各向同性刻蚀来腐蚀牺牲层5。在其它实施例中，也可以采用湿法各项同性刻蚀等其它公知技术来进行腐蚀。
[0076]至此，得到了根据本公开实施例形成的透明衬底光读出热-机械型红外探测器的探测单元。
[0077]在本实施例中，热隔离层和吸收层选用的是相同的材料。可替选地，热隔离层和吸收层选用对热隔离、对红外光吸收率高和与反射层材料热膨胀系数有很大差异的不同种材料，从而，淀积热隔离层的步骤和淀积吸收层的步骤分为两个步骤。在上述实施例中，热隔离层和吸收层的材料均为氮化硅氧化硅。在其它实施例中，热隔离层和吸收层的材料可以均为氧化硅、碳化硅等。
[0078]以上所述为本公开的实施例，不构成对本公开的限制。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本公开技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本公开技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。例如，可以选择对其他特定波段(除红外波段)透射率高的材料作为吸收层，来形成其他对应类型探测单元。本公开的保护范围以后附的权利要求为准。
【权利要求】
1.一种透明衬底探测器，包括:多个探测单元，其中所述多个探测单元的每一个包括:所述透明衬底； 与所述透明衬底相对的吸收层，所述吸收层的材料是对预定波段射线吸收率高的材料；在所述吸收层的相对于所述透明衬底的一侧上形成的反射层，所述反射层的材料是反射可见光的材料，并且其中，所述反射层的材料的热膨胀系数与所述吸收层的材料的热膨胀系数不同，以使得所述吸收层和所述反射层在由于所述吸收层吸收所述预定波段射线而产生热量时发生可测变形；以及在所述衬底上形成的热隔离梁，所述热隔离梁的材料是对热隔离的材料，其用于支撑所述吸收层和所述反射层。
2.如权利要求1所述的透明衬底探测器，其中，所述吸收层的材料是对红外射线吸收率高的材料。
3.如权利要求2所述的透明衬底探测器，其中，所述吸收层和所述热隔离梁的材料是相同的材料，并且所述吸收层和所述热隔离梁是一体形成的。
4.如权利要求1、2或3所述的透明衬底探测器，其中，所述吸收层和所述热隔离梁的材料选自以下各项中的一项:氮化硅、氧化硅、碳化硅。
5.如权利要求1、2或3所述的透明衬底探测器，其中，所述反射层的材料是金属。
6.如权利要求1、2或3所述的透明衬底探测器，其中，所述透明衬底的材料选自以下各项中的一项:玻璃、石英、碳化硅、氧化铝。
7.如权利要求1、2或3所述的透明衬底探测器，其中，所述吸收层的厚度在0.1-3 μ m之间，所述反射层的厚度在0.0I μ m到I μ m之间。
8.—种透明衬底探测器的制造方法，包括:提供所述衬底；在所述透明衬底上淀积牺牲层；在所述牺牲层上刻蚀形成通孔，以暴露出所述衬底；在除所述通孔之外的所述牺牲层上淀积反射层，所述反射层的材料是反射可见光的材料；刻蚀所述反射层，以形成第一预定图案；在所述通孔中暴露出的所述衬底和所述反射层上相应淀积对热隔离的热隔离层和对预定波段射线吸收率高的吸收层；刻蚀所述吸收层，以形成第二预定图案；腐蚀掉所述牺牲层，其中，所述吸收层的材料的热膨胀系数与所述反射层的材料的热膨胀系数不同，以使得所述吸收层和所述反射层在由于所述吸收层吸收所述预定波段射线而产生热量时发生可测变形。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述吸收层是对红外射线吸收率高的材料。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述吸收层和所述热隔离层的材料是相同的。
11.如权利要求8、9或10所述的方法，其中，所述吸收层和所述热隔离层的材料选自以下各项中的一项:氮化娃、氧化娃、碳化娃。
12.如权利要求8、9或10所述的方法，其中，所述反射层的材料是金属。
13.如权利要求8、9或10所述的方法，其中，所述透明衬底的材料选自以下各项中的一项:玻璃、石英、碳化硅、氧化铝。
14.如权利要求8、9或10所述的方法，其中，所述吸收层的厚度在0.1μm-3μm之间，所述反射层的厚度在0.01 μ m-1 μ m之间。
15.一种透明衬底探测器的制造方法，包括:提供所述衬底；在所述透明衬底上淀积牺牲层；在所述牺牲层上刻蚀通孔，以暴露出所述衬底；在除所述通孔之外的所述牺牲层上淀积反射层，所述反射层的材料是反射可见光的材料；刻蚀所述反射层，以形成第一预定图案；在所述通孔中暴露出的所述衬底上淀积热隔离层，所述热隔离层的材料是对热隔离的材料；在所述热隔离层和所述反射层上淀积吸收层，所述吸收层的材料是对预定波段射线吸收率高的材料；刻蚀所述吸收层，以形成第二预定图案；腐蚀掉所述牺牲层，其中，所述吸收层的材料的热膨胀系数与所述反射层的材料的热膨胀系数不同，以使得所述吸收层和所述反射层在由于所述吸收层吸收所述预定波段射线而产生热量时发生可测变形。
【文档编号】B81C1/00GK103913244SQ201210592734
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2012年12月31日 优先权日:2012年12月31日
【发明者】焦斌斌, 尚海平, 高超群, 刘瑞文, 陈大鹏 申请人:中国科学院微电子研究所