专利名称：光学读出热-机械型红外探测器结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种光学读出热-机械型红外探测器结构及其制造方法。
背景技术：
红外技术广泛应用于工业、农业、医疗、科学等各行业，红外成像、红外测温、红外理疗、红外检测、红外报警、红外遥感、红外加热等是各行业争相选用的先进技术。军事中，红外成像，红外侦察，红外跟踪，红外制导，红外预警，红外对抗等在现代战争和未来战争中是必不可少的战术和战略手段。红外探测器是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，可以将传统探测器分为两大类:光电型红外探测器和热型红外探测器。光电型红外探测器具有响应时间快、NETD低等特点，在军事上得到广泛应用。但由于其工作时需要将光电子和热电子分离，因此需要制冷(工作在液氮(77K)环境中)设备，造成此种红外探测器体积大，功耗高，价格昂贵，限制了其向民用方向发展。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逐渐商业化，典型的有热电阻型、热电堆型和热释电型红外探测器。此类探测器制作灵活，无需制冷，功耗小，成本低，已逐渐应用于各领域。但此类探测器均采用电读出的方式，由于探测信号较小，因此对读出电路的设计提出很高要求，同时也增加了整个芯片的制作工艺难度。此外读出电路功耗所产生的热量也影响了探测器敏感元件的响应。随着MEMS技术的发展，光-机械型非制冷红外探测器近年成为研究热点。该类探测器设计灵活，制作工艺简单，信号读出方式采用非接触式的光读出方式，大大降低功耗，同时理论预测该类探测器的NETD可达到5mK，具有十分广阔的应用前景。考虑到绝热结构设计，该类探测器通常可分为以牺牲层释放技术为基础的、带衬底结构的红外FPA(focal plane array),和无衬底全镂空的FPA结构。带衬底的FPA可及时将热量传递到衬底，使热成像速率提高，但由于衬底的存在，有大约40%红外辐射被衬底吸收和反射，降低了红外吸收效率，此外，牺牲层释放工艺复杂，常会造成结构层与沉底的粘连，导致像元失效。而无衬底全镂空红外FPA，虽提高了红外吸收效率，但由于其全镂空的特点，像元的能量不能及时传递出去散失掉，造成各像元之间热量互相传递，各像元不能独立工作，热串扰现象严重，热成像响应时间长，同时器件尺寸的缩小对其性能影响巨大，限制了像元尺寸缩小。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供了一种光学读出热-机械型红外探测器结构及其制造方法，该红外探测器结构不仅继承了上述带衬底FPA和全镂空FPA的优点，同时也克服了他们存在的缺点。该结构较带衬底结构的FPA提高了红外吸收效率，较全镂空FPA提高了薄膜区域的温度均匀性，使得各像元之间可以独立工作，提升了热响应速率，同时各像元制作在支撑层上，无需额外的支撑框架，使占空比得到提高；此外其上下叠加式变形悬臂梁结构的设计不仅提高温度响应灵敏度，而且提高了光学填充因子，更有利于像元向更小尺寸方向发展。本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是:一种光学读出热-机械型红外探测器结构，包括若干个呈阵列分布的像元单元，所述每个像元单元包括:衬底、支撑层、红外吸收层、反光板和双材料悬臂梁，所述支撑层位于所述衬底的上侧面上，所述衬底的下侧面中心呈半镂空状；所述红外吸收层间隔位于所述支撑层的上侧面上方，所述反光板位于所述红外吸收层上侧面上；所述双材料悬臂梁为两个，且平行间隔对称设于所述支撑层上侧面上；所述每个双材料悬臂梁包括上下平行间隔设置的上横梁和下横梁，所述下横梁由第一非金属层和第一金属层组成，所述第一金属层位于第一非金属层上侧面上，且该下横梁的第一非金属层的下侧面一端向下延伸与所述支撑层连接形成一体；所述上横梁由第二非金属层和第二金属层组成，所述第二非金属层位于所述第二金属层上侧面上，且该上横梁的第二非金属层的另一端沿其轴向和第二金属层的另一端面向下分别延伸与所述第一非金属层的另一端面连接形成一体；所述两个双材料悬臂梁的上横梁的第二非金属上的一端分别沿与支撑面平行的平面相向延伸与所述红外吸收层连接形成一体。作为本发明的进一步改进，所述支撑层、第一非金属层、第二非金属层和红外吸收层分别为氧化娃层和氮化娃层之一。作为本发明的进一步改进，所述第一金属层、第二金属层和反光层分别为铝层和
金层之一 O作为本发明的进一步改进，所述衬底的下侧面半镂空方向与所述双材料悬臂梁的横梁所在方向为垂直或平行。本发明还提供一种上述的光学读出热-机械型红外探测器结构的制造方法，包括以下步骤:①准备硅衬底，并在该衬底的上下两侧面上生长一层薄膜，该衬底上侧面上的薄膜形成所述支撑层；②在上述支撑层上生长第一层牺牲层，并蚀刻出所需图形，同时在第一层牺牲层的一端处蚀刻出第一连接孔，然后在该第一层牺牲层上和第一连接孔内生长第一层非金属材料层，并进行蚀刻，去掉不需要部分，形成所述双材料悬臂梁的第一非金属层，并且该第一非金属层的一端与所述支撑层连接形成一体；③在上述第一非金属层上生长第一层金属材料层，并进行蚀刻或剥离工艺去掉多余部分金属，形成所述双材料悬臂梁的第一金属层，该第一金属层和第一非金属层形成所述双材料悬臂梁的下横梁；④在上述第一金属层上生长第二层牺牲层；⑤在上述第二层牺牲层上生长第二层金属材料层，并蚀刻形成所述双材料悬臂梁的第二金属层，然后再次光刻、蚀刻，形成所需的与第一非金属层相通的第二连接孔；⑥在上述第二金属层上和第二连接孔内生产第二层非金属材料层，并蚀刻形成所述双材料悬臂梁的第二非金属层和所述红外吸收层；⑦在上述红外吸收层上生长第三层金属材料层，并经光刻或剥离工艺，形成位于所述红外吸收层上侧面上的反光板；⑧在上述衬底的下侧面上进行背面光刻、刻蚀出腐蚀窗口，进行体硅腐蚀，形成所述衬底的半镂空状；
⑨对上述第一牺牲层和第二牺牲层进行刻蚀，将其完全释放，至此形成所述光学读出热-机械型红外探测器结构。本发明的有益效果是:与现有的热-机械式IR-FPA结构相比，本FPA结构有如下优点:1.与带衬底结构的FPA相比，该结构减小了衬底对红外辐射的吸收，有效提高了红外吸收效率，进而响应率得到提闻；2.与全镂空FPA需要有支撑结构相比，此结构有效提高光学填充因子，更有利于像元尺寸的缩小；3.半镂空的结构消除了热成像时可能出现的热串扰现象，响应时间减小，热成像速率加快；4.变形悬臂梁采用了多回折梁变形叠加技术，提高了温度响应灵敏度，进而响应率得到提闻;5.变形梁采用上下叠加技术，有效提高像元的光学填充因子；6.有利于像元向更小尺寸的方向发展。
图1为本发明所述像元单元阵列结构示意图；图2为本发明所述单个像元单元结构示意图；图3为图2的剖 面结构示意图；图4为本发明所述双材料悬臂梁结构示意图；图5为发明所述红外探测器结构的制造方法的步骤之一结构示意图；图6为发明所述红外探测器结构的制造方法的步骤之二结构示意图；图7为发明所述红外探测器结构的制造方法的步骤之三结构示意图；图8为发明所述红外探测器结构的制造方法的步骤之四结构示意图；图9为发明所述红外探测器结构的制造方法的步骤之五结构示意图之一；图10为发明所述红外探测器结构的制造方法的步骤之五结构示意图之二 ；图11为发明所述红外探测器结构的制造方法的步骤之六结构示意图；图12为发明所述红外探测器结构的制造方法的步骤之七结构示意图；图13为发明所述红外探测器结构的制造方法的步骤之八结构示意图；图14为发明所述红外探测器结构的制造方法的步骤之九结构示意图。结合附图，作以下说明:I——衬底2——支撑层3——红外吸收层4——反光板5——双材料悬臂梁6——上横梁7——下横梁8——第一非金属层9——第一金属层10——第二金属层11—第二非金属层12—第一层牺牲层13—第二层牺牲层14—第二连接孔100——像元单元
具体实施例方式一种光学读出热-机械型红外探测器结构，包括若干个呈阵列分布的像元单元100，每个像元单元包括:衬底1、支撑层2、红外吸收层3、反光板4和双材料悬臂梁5，支撑层位于衬底的上侧面上，衬底的下侧面中心呈半镂空状；红外吸收层间隔位于支撑层的上侧面上方，反光板位于红外吸收层上侧面上；双材料悬臂梁为两个，且平行间隔对称设于支撑层上侧面上；每个双材料悬臂梁包括上下平行间隔设置的上横梁6和下横梁7，下横梁由第一非金属层8和第一金属层9组成,第一金属层位于第一非金属层上侧面上，且该下横梁的第一非金属层的下侧面一端向下延伸与支撑层连接形成一体；上横梁由第二非金属层11和第二金属层10组成，第二非金属层位于第二金属层上侧面上，且该上横梁的第二非金属层的另一端沿其轴向和第二金属层的另一端面向下分别延伸与第一非金属层的另一端面连接形成一体；两个双材料悬臂梁的上横梁的第二非金属上的一端分别沿与支撑面平行的平面相向延伸与红外吸收层连接形成一体。优选的，上述支撑层、第一非金属层、第二非金属层和红外吸收层分别为氧化硅层或氮化硅层。优选的，上述第一金属层、第二金属层和反光层分别为铝层或金层。优选的，上述衬底的下侧面半镂空方向与所述双材料悬臂梁的横梁所在方向为垂直或平行。一种上述的光学读出热-机械型红外探测器结构的制造方法，包括以下步骤:①准备硅衬底1，并在该衬底的上下两侧面上生长一层薄膜，该衬底上侧面上的薄膜形成所述支撑层2 (如图5所示)；②在上述支撑层上生长第一层牺牲层12，并蚀刻出所需图形，同时在第一层牺牲层的一端处蚀刻出第一连接孔，然后在该第一层牺牲层上和第一连接孔内生长第一层非金属材料层，并进行蚀刻，去掉不需要部分，形成所述双材料悬臂梁的第一非金属层8，并且该第一非金属层的一端与所述支撑层连接形成一体(如图6所示)；③在上述第一非金属层上生长第一层金属材料层，并进行蚀刻或剥离工艺去掉多余部分金属，形成所述双材料悬臂梁的第一金属层9，该第一金属层和第一非金属层形成所述双材料悬臂梁的下横梁(如图7所示)；④在上述第一金属层上生长第二层牺牲层13(如图8所示)；⑤在上述第二层牺牲层上生长第二层金属材料层，并蚀刻形成所述双材料悬臂梁的第二金属层10(如图9所示)，然后再次光刻、蚀刻，形成所需的与第一非金属层相通的第二连接孔14(如图10所示)；⑥在上述第二金属层上和第二连接孔内生产第二层非金属材料层，并蚀刻形成所述双材料悬臂梁的第二非金属层11和所述红外吸收层3 (如图11所示)；⑦在上述红外吸收层上生长第三层金属材料层，并经光刻或剥离工艺，形成位于所述红外吸收层上侧面上的反光板4(如图12所示)；⑧在上述衬底的下侧面上进行背面光刻、刻蚀出腐蚀窗口，进行体硅腐蚀，形成所述衬底的半镂空状如图13所示；⑨对上述第一牺牲层和第二牺牲层进行刻蚀，将其完全释放，至此形成所述光学 读出热-机械型红外探测器结构如图14所示。
权利要求
1.一种光学读出热-机械型红外探测器结构，包括若干个呈阵列分布的像元单元(100)，其特征在于:所述每个像元单元包括:衬底(I)、支撑层(2)、红外吸收层(3)、反光板(4)和双材料悬臂梁(5)，所述支撑层位于所述衬底的上侧面上，所述衬底的下侧面中心呈半镂空状；所述红外吸收层间隔位于所述支撑层的上侧面上方，所述反光板位于所述红外吸收层上侧面上；所述双材料悬臂梁为两个，且平行间隔对称设于所述支撑层上侧面上；所述每个双材料悬臂梁包括上下平行间隔设置的上横梁(6)和下横梁(7)，所述下横梁由第一非金属层(8)和第一金属层(9)组成,所述第一金属层位于第一非金属层上侧面上,且该下横梁的第一非金属层的下侧面一端向下延伸与所述支撑层连接形成一体；所述上横梁由第二非金属层(11)和第二金属层(10)组成，所述第二非金属层位于所述第二金属层上侧面上，且该上横梁的第二非金属层的另一端沿其轴向和第二金属层的另一端面向下分别延伸与所述第一非金属层的另一端面连接形成一体；所述两个双材料悬臂梁的上横梁的第二非金属上的一端分别沿与支撑面平行的平面相向延伸与所述红外吸收层连接形成一体。
2.根据权利要求1所述的光学读出热-机械型红外探测器结构，其特征在于:所述支撑层、第一非金属层、第二非金属层和红外吸收层分别为氧化娃层和氮化娃层之一。
3.根据权利要求1所述的光学读出热-机械型红外探测器结构，其特征在于:所述第一金属层、第二金属层和反光层分别为招层和金层之一。
4.根据权利要求1所述的光学读出热-机械型红外探测器结构，其特征在于:所述衬底的下侧面半 镂空方向与所述双材料悬臂梁的横梁所在方向为垂直和平行之一。
5.一种如根据权利要求1至4中任一项所述的光学读出热-机械型红外探测器结构的制造方法，其特征在于包括以下步骤: ①准备硅衬底(I)，并在该衬底的上下两侧面上生长一层薄膜，该衬底上侧面上的薄膜形成所述支撑层(2); ②在上述支撑层上生长第一层牺牲层(12)，并蚀刻出所需图形，同时在第一层牺牲层的一端处蚀刻出第一连接孔，然后在该第一层牺牲层上和第一连接孔内生长第一层非金属材料层，并进行蚀刻，去掉不需要部分，形成所述双材料悬臂梁的第一非金属层(8)，并且该第一非金属层的一端与所述支撑层连接形成一体； ③在上述第一非金属层上生长第一层金属材料层，并进行蚀刻或剥离工艺去掉多余部分金属，形成所述双材料悬臂梁的第一金属层(9)，该第一金属层和第一非金属层形成所述双材料悬臂梁的下横梁； ④在上述第一金属层上生长第二层牺牲层(13)； ⑤在上述第二层牺牲层上生长第二层金属材料层，并蚀刻形成所述双材料悬臂梁的第二金属层(10)，然后再次光刻、蚀刻，形成所需的与第一非金属层相通的第二连接孔(14)； ⑥在上述第二金属层上和第二连接孔内生产第二层非金属材料层，并蚀刻形成所述双材料悬臂梁的第二非金属层(11)和所述红外吸收层(3)； ⑦在上述红外吸收层上生长第三层金属材料层，并经光刻或剥离工艺，形成位于所述红外吸收层上侧面上的反光板(4)； ⑧在上述衬底的下侧面上进行背面光刻、刻蚀出腐蚀窗口，进行体硅腐蚀,形成所述衬底的半镂空状； ⑨对上述第一牺牲层和第二牺牲层进行刻蚀，将其完全释放，至此形成所述光学读出热-机械型红 外探测器结构。
全文摘要
本发明公开了光学读出热-机械型红外探测器结构及其制造方法，该光学读出热-机械型红外探测器结构包括若干个呈阵列分布的像元单元，每个像元单元包括衬底、支撑层、红外吸收层、反光板和双材料悬臂梁。该红外探测器结构不仅继承了上述带衬底FPA和全镂空FPA的优点，同时也克服了他们存在的缺点。该结构较带衬底结构的FPA提高了红外吸收效率，较全镂空FPA提高了薄膜区域的温度均匀性，使得各像元之间可以独立工作，提升了热响应速率，同时各像元制作在支撑层上，无需额外的支撑框架，使占空比得到提高；此外其上下叠加式变形悬臂梁结构的设计不仅提高温度响应灵敏度，而且提高了光学填充因子，更有利于像元向更小尺寸方向发展。
文档编号G01J5/00GK103199144SQ201210002470
公开日2013年7月10日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者刘瑞文, 焦斌斌, 孔延梅, 尚海平, 李志刚, 卢狄克, 高超群, 陈大鹏 申请人:昆山光微电子有限公司