具有改进性能的微测热辐射计阵列的制作方法
具有改进性能的微测热辐射计阵列的制作方法
【专利摘要】本发明是有关对给定光谱带的光辐射进行热探测的微测热辐射计阵列，包括一个支撑衬底和给定规模的微测热辐射计阵列（300），排列成阵列。每一个上述的微测热辐射计包括一个悬挂于上述支撑衬底之上的隔膜（301），所述隔膜包括一个吸收入射辐射的元件（305）和一个与吸收器热接触的测温元件（304），与上述吸收元件电绝缘。吸收元件包括至少一个第一金属/绝缘体/金属（MIM）结构，包括多个三层亚微细粒厚度的膜，即，第一金属膜（311），电介质膜（310），和第二金属膜（309），上述MIM结构具有对上述光谱带中的至少一种波长的入射辐射的谐振吸收。微测热辐射计像素被上述隔膜（301）覆盖的区域小于或等于整个微测热辐射计像素区域的一半。
【专利说明】具有改进性能的微测热辐射计阵列
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有改进性能的微测热辐射计阵列，尤其在检测红外辐射方面。【背景技术】
[0002]非制冷红外探测器数十年来都是大力度研究和发展的主题。在这种探测器中，目前电阻微测热辐射计的市场，尤其在民用设施(家用电子产品，司机或飞行员辅助设备，夜视装置，火灾调查等)领域大量增长。电阻微测热辐射计特别适用于红外波段的探测，尤其适用于波段III (8-12 μ m)的探测，对应光谱带之一，在大气中传播使得物体在室温发射的或者生物发射的热量能被观察到。
[0003]准备用于摄像机的微测热辐射计阵列可以以一排探测元件的形式制造，在其余描述部分被称作“微测热辐射计像素”。微测热辐射计阵列本来用于红外热成像(波长在红外波段II和III，分别是3-5 μ m和8_12 μ m)。相比于量子探测器为基础的成像器，他们具有两大优势。一方面，他们在室温条件运作，可以减少利用他们的照相机的相当一部分制备成本和运作成本。另一方面，他们的制备技术与硅系微电子兼容，从而允许阵列直接在用CMOS技术生产的读出电路上制造。显微技术和直接连接到读出电路使得生产大型微测热辐射计阵列(一般是1024X768)成本非常低。通过结合这两种优势，微测热辐射计阵列使红外成像比基于量子探测器的成像器成本低很多。因此，目前市场上的微测热辐射计阵列是用比较成熟的技术制造的，该技术将从这些微测热辐射计阵列的本质能力获得的性能用到极致。具体的，他们可以吸收超过90%以上8-12 μ m波段的入射辐射，并且他们的填充因数，例如敏感区与探测器阵列的总区域之比，接近100%。尽管具有这些性能，微测热辐射计阵列与制冷技术相比的劣势在于他们有限的敏感度和较慢的反应时间。
[0004]图1A，IB和IC是根据现有技术中的微测热辐射计像素的示意图。
[0005]如图1A所示，微测热辐射计像素100主要包括形成吸收器/热敏电阻组合的隔膜101，伴随有吸收元件和一个与吸收元件良好热接触的测温元件或者热敏电阻，支撑衬底103，隔膜101悬挂在衬底103上方。其还包括热绝缘臂106和导电连接元件114以将测温元件与支撑衬底上的衬垫115电连接。该支撑衬底，例如由硅材料制成，为微测热辐射计像素提供机械硬度并且包括电路(没有在图1中显示)来偏置和读取测温元件的电阻。该吸收器/热敏电阻组合用固定元件悬挂在支撑衬底103的上方，该固定元件在图1示例中也是电连接元件114。吸收入射光子流量会增加吸收器的温度。热敏电阻能够实现对于这种温度变化的电测量。对于给定的光子通量，将吸收器/热敏电阻组合与其支撑衬底热绝缘(通过热绝缘臂和吸收器/热敏电阻组合周围的隔热真空)可以通过增加吸收器/热敏电阻单元的温度增长来增加器件的敏感度。
[0006]图1B和IC分别显示了另一现有微测热辐射计像素的俯视图和剖视图。形成吸收器/热敏电阻单元的隔膜101通过固定元件(未示出)悬挂在衬底103上方，热绝缘臂106形成连接到支撑衬底上的衬垫115的电连接元件。在这个例子中，形成吸收器/热敏电阻单元的隔膜101包括在一边的一个吸收元件105 (图1C)和，在另一边的与吸收器非常良好热接触的热敏元件104。该吸收器在传统技术中包括一种金属膜。该热敏电阻一般是选择随温度具有明显电阻率变化的材料例如氧化钒(VOx)或非晶硅(a-Si)材料制备的电阻。该热绝缘臂是例如低热导率机电连接装置，将吸收器/热敏电阻组合悬在隔热真空中。
[0007]在微测热辐射计阵列中的每个微测热辐射计像素接着与它的相邻的器件通过电热绝缘边分开。从而该微测热辐射计像素对于经过其某些区域的入射光子通量不敏感，包括热绝缘臂，与支撑衬底电连接的元件和绝缘边。对于入射通量不敏感区域的存在对微测热辐射计像素的敏感度影响由填充因数给出，在本描述中由吸收区域的面积107 (在图1B示例中的形成吸收/热敏电阻单元的隔膜膜101)与微测热辐射计像素的总区域的面积(在图1B中由框113表示)的比例定义。
[0008]可以看出，大致上的，温度变化AT (K)在入射通量作用下将测温元件稳态温升量化，微测热辐射计像素的反应时间τ (秒)可通过以下公式得出:
[0009]Δ T= n.A.Rth.P (公式 I)
[0010]τ =Cth.Rth (公式 2)
[0011]其中η的值在O到I之间，是吸收元件吸收的入射光能量的比例，P是光功率流(ff/m2), A是隔膜面积，Cth是测温元件的热容量(J/K)，Rth是所有热连接测温元件和支撑衬底的元件尤其是热绝缘臂的热阻(K/W)。
[0012]温度变化Λ T在入射通量作用下将隔膜的温升量化。其通过热敏电阻转化成电信号。测得的电信号因此与微测热辐射计像素的吸收区域上的光功率流成正比，称为微测热辐射计像素的“反应”， 与热阻Rth成正比。微测热辐射计像素的敏感度，代表可测出的最小光通量差，取决于反应的第一近似值。增加热阻Rth从而增加敏感度，不利于反应时间，反应时间也有所增加。
[0013]首先，微测热辐射计像素的设计因此是其面积分割之间的折衷，在形成吸收器/热敏电阻单元的隔膜的面积和由多种热绝缘元件(例如热绝缘臂和绝缘边)形成的“热绝缘”面积之间。具体的，吸收的光功率流通过增加吸收器/热敏电阻膜的面积(公式I中的PXA的乘积)而增加，但是较差的热绝缘(低Rth)导致一个很小的温度上升。一个相矛盾的情况，热绝缘占据大空间会更加有效，但是吸收的光子数会减小。设计微测热辐射计还会受到需要将其他非吸收部分(如电连接元件)的面积最小化的约束。因此，最先进的具有小于20 μ m的像素的微测热辐射计阵列目前对于红外在大约45mK的敏感度的填充因数接近100% (例如参见J.L.Tissot具有17 μ m像素间距的高性能非致冷非晶硅VGA IRFPA “Highperformance Uncooled amorphous silicon VGA IRFPA withl7 μ m pixel-pitch，，，SPIE进程第 7660 卷 76600T-1(2010) “Proceedings of SPIE Vol.766076600T-1 (2010)，，)。
[0014]已知将形成吸收器/热敏电阻单元的隔膜放置于聚镜子102距离为Cl=AciA的位置，λ ^是光检测波段的中心波长，以形成四分之一波长谐振腔达到高吸收，一般可以获得8到12 μ m大气传播波段III整体的90%。这种设备在例如专利申请W02002/055973中有所描述，该申请公开了一种具有宽光谱吸收波段的微测热辐射计阵列。
[0015]相反的，Maier等2009年文章(波长可调谐的微测辐射热计与超材料吸收器“Wavelength-tunable microbolometers with metamaterial absorbers，，，光学快报34卷第19 “Optics letters, Vol.34, N0.19”)描述了一种具有控制光谱选择性的微测热福射计阵列。该微测热辐射计描述包括有一个在两个氮化硅膜之间由非晶硅膜形成的测温元件，该膜上覆盖有一组吸收元件，由安排在二维阵列中的的方形金属/绝缘体/金属多层结构组成并在红外区域具有谐振吸收。该金属/绝缘体/金属(MM)多层结构通过选择每个吸收元件的横向尺寸，可在所给光谱带的波长条件激发等离子谐振，由此为微测热辐射计阵列提供光谱选择性。然而，达到光谱选择性对敏感度不利，吸收被限制在入射辐射的光谱带的一部分，并且对反应时间不利，要加热的热质量增加。
[0016]Maier等2010年的文章(多光谱的中红外微测福射热计“Multispectralmicrobolometers for the midinfrared”，光学快报 35 卷第 22, “Opticsletters, Vol.35，N0.22”)也描述了应用等离子谐振的微测热辐射计阵列。图2显示了在这篇文章中描述的在微测热辐射计像素中形成吸收器/热敏电阻单元的隔膜的示意图。隔膜201包括测温元件204和由MIM多层结构形成的吸收元件205,其中吸收元件包括与测温元件204相连的连续金属层，绝缘层和顶金属层，其横向尺寸定义了谐振波长并由此定义了微测热辐射阵列的光谱响应。相比于Maier等2010年的文章，安排完全覆盖像素区域的金属连续层可以增加微测热辐射计的吸收。然而，在整个像素区域的连续绝缘和金属层的安置增加了热质量。此外，如Maier等2009年的文章，M頂谐振器减少了光谱过滤不利于微测热辐射计像素的敏感度。
[0017]然而，目前像素尺寸达到波长的市场趋势意味着微测热辐射计阵列的敏感度非常重要。面对由于红外成像应用(家庭电子产品，夜视，火灾探测等)产生的新的限制，目前，针对敏感度和像素尺寸都十分需要增加微测热辐射计阵列潜能的技术突破，同时保持其所有优势，尤其是其在室温条件运作的能力和他们的低成本。
[0018]本发明的一个目的是提供一种微测热辐射计阵列，其中MIM结构吸收它的每个微测热辐射计像素上的入射光子，并且其设计使得吸收器与入射波长的耦合彻底改进，以使热绝缘体占据的面积增加同时保持填充因数接近I。这种概念性的突破使得光吸收和热绝缘之间的折衷以及质量可以重新定义以此提高微测热辐射计阵列的灵敏度和/或反应时间。本发明的另一个目的是为了制备出非常小尺寸的微测热辐射计阵列像素(一般大约一个波长)，因为如果想要较好的灵敏度利用目前的技术不可能达到这种像素尺寸。
【发明内容】
[0019]根据第一方面，本发明涉及一种用来对于给定光谱带的光辐射进行热探测的微测热辐射计，包括一个支撑衬底和具有给定尺寸的微测热辐射计像素阵列，其中每个微测热辐射计像素包括:
[0020]利用支持元件悬挂于支撑衬底上方的隔膜，该隔膜由吸收入射辐射的元件和与该吸收器热接触的测温元件组成，与上述吸收器元件电绝缘；
[0021]将上述测温元件与支撑衬底导电连接的元件；
[0022]设置于测温元件和衬底之间的热绝缘臂；
[0023]并且其中:
[0024]吸收元件包括至少一个第一金属/绝缘体/金属(MM)结构，包括多个三层叠加的亚微细粒厚度的膜的多层结构，即第一金属膜、电介质膜、和第二金属膜，上述MM结构具有对上述光谱带中的至少一种波长的入射辐射的谐振吸收；并且
[0025]微测热辐射计像素被上述隔膜覆盖的区域小于或等于整个微测热辐射计像素区域的一半。
[0026]对于耦合给定波长的最佳MM结构的有效吸收面积比该结构占据的实际面积大得多。通过选择限制微测热辐射计像素被隔膜覆盖的面积到微测热辐射计总面积的至少一半，热绝缘体的面积增加了，吸收面积没有减少。由此，在没有增加反应时间的情况下微测热辐射计的敏感度增加了，测温元件的质量也被限制了。
[0027]此外，由于吸收器和测温元件形成的隔膜的小覆盖区使得可用空间增加，可以形成具有足够长度的热绝缘臂，显著增加热阻而由此增加微测热辐射计的敏感度。或者，可以减少热绝缘臂的长度以限制反应时间。
[0028]有利地，热绝缘臂形成支撑膜的一部分。
[0029]它们也可以形成导电连接测温元件的元件。
[0030]根据一个不同实施例，热绝缘臂和/或每个微测热辐射计像素的测温元件形成在结构膜中。
[0031]根据另一个不同实施例，同样的膜可以用来形成热绝缘臂和/或测温元件。在这种情况下，有利地，形成热绝缘臂的部分比形成测温元件的部分具有更高电导率。这种更高的电导率是通过例如在膜局部掺杂获得的。
[0032]根据另一个不同实施例，每个微测热辐射计的测温元件是蛇形结构，其长度比宽度大很多，因此使得它对于总电阻的以及微测热辐射计像素的敏感度的贡献增加。
[0033]根据另一个不同实施例，每个微测热辐射计像素的测温元件包括一种材料或从非晶硅，钒基化合物和S1-Ge合金中选择的多层材料。
[0034]根据另一个不同实施例，所有微测热辐射计阵列的微测热辐射计像素都相同。或者，微测热辐射计像素可以彼此不同并且包括具有不同谐振波长的M頂结构，为了获得和多谱探测器和/或适合吸收具有不同偏振的入射波长。
[0035]根据另一个不同实施例，该至少一个微测热辐射计像素的第一 MIM结构大体位于微测热辐射计像素的中间。它可以是例如实质上方形结构，其横向尺寸由想要的吸收波长确定。有效吸收区域，约为波长的平方，大于MIM结构的区域并可以调整到覆盖微测热辐射计像素的几乎所有区域。因此可以生产一种微测热辐射计阵列，其具有更小的像素，一般是波长的大小，具有足够的空间保证热绝缘，且微测热辐射计阵列对入射波偏振不敏感。
[0036]根据另一个不同实施例，至少一个微测热辐射计像素的吸收元件可以包括多个上述MIM结构，安排在微测热辐射计像素的表面。
[0037]例如，对于给定的微测热辐射计像素，上述结构都是相同的，并且分布在微测热辐射计像素的整个区域。例如，MIM结构是正方形，对理想吸收光谱的给定波长具有最佳吸收，使得更大的微测热辐射计像素可以制备出来，所有MIM结构的有效吸收面积使得所有或者几乎所有微测热辐射计像素的面积都被覆盖。
[0038]或者，对于给定微测热辐射计像素，上述MM结构中至少两个是不同的，可以在该入射辐射下在该光谱带的至少两个不同的波长处形成等离子谐振，从而使得微测热辐射计像素的光谱响应可以“成形”。
[0039]根据另一个不同实施例，该至少一个微测热辐射计像素的吸收元件包括至少一个第二 MIM结构，在该第一 MIM结构上叠加，该第一和第二结构可以在该光谱带的至少两个不同波长处具有入射辐射的谐振，并且共享一个共同的金属膜。这种配置使得微测热辐射计像素的光谱响应成形，甚至在小像素的情况下，该结构在例如像素中间叠加。
[0040]MIM结构有利地包含具有特定横向尺寸的正方形，这样可以优化在关注光谱带中某一波长处的吸收。实际上，所述MM结构的横向尺寸小于或等于λ_/2η，其中λ_为所述光谱带中最大波长，η为所述MM结构中电介质膜的折射率。正方形MM结构对偏振不敏感。
[0041]另一种选择是，MM结构可以是矩形，所述MIM结构的至少一个横向尺寸小于或等于λ_/2η。这种情况下，此结构对偏振敏感。可以调整两个横向尺寸获得在关注光谱带分别两个波长处的谐振吸收。一个用于检测TE偏振波，另一个用于检测TM偏振波。另一种选择是，可以调整单一横向尺寸获得在某给定波长处的谐振吸收，另一横向尺寸可以较大，例如与像素的横向尺寸相当，这样检测器可以仅对一种偏振敏感，从而形成一个偏振过滤器。
[0042]对MM结构来说，其他形状也是可行的，例如三角形或六边形，从而使调整检测器的偏振响应成为可能。有利地，每一种情况下，所述MIM结构至少有一个横向尺寸小于或等于 W2n。
[0043]根据另一个不同实施例，每一个微测热辐射计像素中所述MIM结构的电介质膜由具有较高折射率的材料制成，例如选自硫化锌(ZnS )，三氟化钇(YF3 )，氮化硅((SiNx)，氧化娃(SiOx),氮氧化娃(SiOxNy),无非晶锗(a-Ge),非晶娃(a-Si)和非晶娃锗合金(a-SiGe)的一种材料。
[0044]根据另一个不同实施例，每一个微测热辐射计像素中所述MIM结构的第一或第二金属层由在所关注的光谱带具有低损失的材料制成，例如选自金，铜，铝和银的一种材料。一个粘合层，例如由钛或铬制成，置于金属层与电介质膜之间，从而保证两层间更好的粘
口 ο
[0045]根据另一个不同实施例，测温元件通过电绝缘膜与吸收器隔离。
[0046]有利地，每一个微测热辐射计像素进一步包含位于所述隔膜所在平面一定距离d处的反射器，从而在所述波长处形成一个谐振腔。这样，大多数光能将被此结构吸收，传播造成的能量损失将非常小。
[0047]根据另一个不同实施例，支撑衬底包括一个回路，可以读取每一个微测热辐射计的测温元件的电阻。
[0048]根据另一个方面，本发明关于一种可检测红外辐射的摄像机，其包括光学成像器件，根据第一个方面的一种位于所述光学系统焦平面附近的微测热辐射计阵列和一个用于处理热辐射计读取回路发射的信号的装置。
[0049]根据另一个方面，本发明关于一种制造微测热辐射计阵列的方法，根据上述任何一个权利要求，包括:
[0050]在支撑衬底上沉积一层牺牲膜；
[0051]在所述膜上固定微测热辐射计的位置处形成开口 ；
[0052]沉积一层结构化膜，从而构造每一个微测热辐射计的测温元件和热绝缘臂；
[0053]在每个形成的测温元件处设置MIM结构；
[0054]除去牺牲膜。
[0055]有利地，此方法包括在牺牲膜沉积前的一个沉积反射膜步骤，从而形成每一个微测热辐射计的反射器元件。【专利附图】
【附图说明】
[0056]以下将阐明本发明的其他特征和优势，由【专利附图】
【附图说明】:
[0057]图1A (已描述)为根据先前技术第一个例子，一种微测热辐射计像素的透视图；
[0058]图1B和IC (已描述)分别为根据先前技术第二个例子，一种微测热辐射计像素的顶部和剖面示意图；
[0059]图2 (已描述)为根据先前技术，微测热辐射计像素中，利用等离子体谐振形成吸收器/热敏电阻装置的隔膜基本单元；
[0060]图3A和3B分别为根据本发明的第一个实施例，一种微测热辐射计像素的顶部和剖面示意图；
[0061]图4A为根据本发明，适用于微测热辐射计像素的一个采用单MIM结构的吸收器的典型实施例；图4B为利用此结构获得的吸收作为波长的函数图表；图4C-4H显示了分别以最大吸收为函数，与此结构的横向尺寸(图4C)，电介质膜厚度(图4D)，金属膜厚度(图4E)，空腔宽度(图4F)，入射角(图4G)和周期(图4H)的对应关系；
[0062]图5为用于形成测温元件的结构化膜的典型实施例和根据本发明的另一个微测热辐射计像素实施例中的绝缘臂；
[0063]图6A-6C为根据本发明，适用于微测热辐射计像素不同变型的多种MM结构实例；
[0064]图7A为根据本发明，适用于微测热辐射计像素的利用双MIM结构的复杂吸收器的典型实施例示意图；图7B为图7A的实例中，吸收作为波长的函数图表；
[0065]图8A-8D为根据本发明的其他典型实施例，微测热辐射计像素的顶视图示意图；
[0066]图9A-9F为根据本发明的一个典型实施例，微测热辐射计阵列制造过程的步骤示意图；
[0067]图10为根据本发明，含有微测热辐射计阵列的热成像摄像机示意图。
【具体实施方式】
[0068]图3A和3B分别为根据本检测特定光谱带中某一波长辐射的发明，例如在红外光区，第一个典型的微测热辐射计像素的顶视图和剖面图。本公开图表中的元件没有等比例显示，这样可以使附图更易读。微测热辐射计像素300包括通过支撑元件悬挂于支撑衬底303上的隔膜(301，图3B)。隔膜301由吸收入射辐射的元件305和测温元件302形成，与吸收器热接触，最好完全或接近完全覆盖整个表面以便均匀加热，但与表面电绝缘，例如通过一个由氮化硅制成的绝缘层。微测热辐射计像素300有利地包含与测温元件热绝缘的臂306，其一端与测温元件连接，另一端连接于与支撑衬底接触的固定点。微测热辐射计像素300也包括电连接测温元件的支撑衬底的元件。例如，支撑衬底303可以由硅制成；它可以为微测热辐射计提供机械硬度，并包含提供偏压和读取测温元件304电阻的回路(图3中未显示)。在图3A和3B的实例中，支撑元件包含热绝缘臂306和固定元件(图3A和3B中未显示)。固定元件有利地包括至少一种导电材料，从而将测温元件304与读取电路的导电连接衬垫315连接。有利地，热绝缘臂与所述固定元件形成将测温元件连接于支撑衬底读数回路的元件。框313显示了微测热辐射计像素的外部轮廓，一般为正方形。实际上，嵌入微测热辐射计阵列的微测热辐射计像素的外部横向尺寸可以根据相应的微测热辐射计阵列的尺寸与相关尺寸中微测热辐射计像素数量的比值得出。
[0069]图3的实例中，吸收器元件包括含有3层膜的MM结构305，分别为第一金属层311，电介质膜310和第二金属层309，三层膜为层叠排列。在以下说明中，“电介质”这一术语可理解为介电常数的实部为正，虚部为O或在关注光谱带的辐射波长处相对实部非常小的一种材料。因此电介质在相关的光谱带波长处为透明或弱吸收。形成电介质膜两侧金属层的金属，对其来讲为金属或介电常数ε为负值且在相关波长处表现为低损失的材料，例如金，银，铝或铜。由于吸收结构中要求获得最大吸收，使用一层薄粘合层是可以接受的，如用钛或铬制成，促进金属材料和电介质间的粘合，或金属材料和绝缘臂间的粘合，当吸收元件和测温元件间存在绝缘臂时。此粘合层可以使所用材料在更宽范围内选择，包括互相附着较弱的材料。MM结构305有利地大致为矩形，最好为正方形且包含至少一个选定的横向尺寸，从而在所述光谱一定频率的入射辐射处产生等离子体谐振。有利地，膜层含有大致相同的横向尺寸。金属层309、311和电介质膜310的厚度为选定的亚微米级,从而利用入射辐射产生等离子体谐振，谐振与电介质/金属界面相耦合，以下将详细阐述。例如，MIM结构置于微测热辐射计像素300中心附近。此例中，测温元件304包含与吸收元件大致相同的横向尺寸，以实现与吸收元件良好的热接触。
[0070]有利地，支撑衬底303被反射器302覆盖，可由例如金或者铝制成，置于距MM结构距离为d处，距离d的选择是为了在MIM吸收器305和反射器平面间形成另一个空腔。距离d的选择，在先有的热辐射计中约为λ /4，可以经优化考虑等离子体谐振机制，如下所述。
[0071]有利地，测温元件304和绝缘臂306由同样的材料或多层材料制成。有利地，可以选择电阻随温度变化较大的材料。通常地，可选择相对电阻变化约±2%/Κ且噪声程度低的材料。例如，这种材料可以从非晶硅(a-Si)，硅锗合金或者基于氧化钒的化合物中选择。
[0072]图4A-4G详细地说明了根据本发明对微测热辐射计吸收器中MIM结构的优化。
[0073]图4A显示，一般地，一组矩形MM结构405含有第一横向尺寸wl和第二横向尺寸?2，此MIM结构朝向置于微测热辐射计像素支撑衬底(未显示)的反射器402，位于距吸收器40距离为d处。设定尺寸《2远大于尺寸《1，这样MM结构可认为是半无限条形，横向尺寸wl为决定谐振波长的唯一特征尺寸。通常，吸收器元件的最大尺寸几乎延伸至整个像素长度。每一个吸收器元件405包含一个三层的金属/绝缘体/金属层。图4A中只显示了两个微测热辐射计像素的MIM结构，每一个MIM结构位于像素中心附近。微测热辐射计像素的其他元件(测温元件，热绝缘臂，导电连接，基底等)没有显示。由于微测热辐射计像素按阵列排列，MIM结构405大小与像素相同的间距P呈周期分布。
[0074]已知(见例子Le Perchec et al.具有非常薄的半导体区的等离子体基光传感器“Plasmon-based photosensors comprising a very thin semiconducting region，，，应用物理快报 94，181104 (2009) “Applied Physics Letters94, 181104 (2009) ” 或者法国专利申请FR2，940，522)条形MM结构(长度远大于宽度)大致上作为两金属层间纵向的法布里-拍罗(Fabry-Perot)腔,其谐振波长λ r由下式给出:
[0075]λ r=2neffw (式 3)
[0076] 其中w为此MIM结构的横向尺寸(或宽度)，neff为此MM腔的有效折射率。[0077]由于有效折射率需远大于1，这表明，按照式3，MM结构的横向尺寸必须小于理想谐振波长的一半。实际上，需要优化此结构以获得远大于I的有效折射率。特别地，将选择高指数电介质。例如，为优化波段III操作的一种结构，电介质可以从硫化锌(ZnS)，三氟化宇乙(YF3),氮化娃((SiNx),氧化娃(SiOx),氮氧化娃(SiOxNy),非晶锗(a_Ge),非晶娃(a_Si)和非晶娃锗合金(a-SiGe)中选择。
[0078]通过已知的计算机代码可以优化此结构,例如P.Lalanne和J.P.Hugonin开发的ID 或 2D Reticolo 软件?*C0mS0l?开发的 Comsol Multiphysics?软件包。
[0079]这些应用程序显示，为获得理想波长处的最大吸收，可以按照以下方法优化此结构。第一步，根据式3并利用电介质的实际折射率，估计此结构的横向尺寸，其作为理想谐振波长和所选的电介质膜电介质的折射率的函数。第二步，通过首先选择足够大的金属层409和411的厚度(通常大于几百纳米)，优化电介质膜厚度，以获得最大吸收。然后，第三步是当反射器存在时，优化到反射器402的距离d。下一步(第四步)，计算可以获得完全吸收的最小金属厚度。最后，以小增量修正此结构的横向尺寸w从而获得理想的谐振波长(第五步)。
[0080]这样，图4B表明针对图4A中的MIM结构类型计算的吸收值，这些结构形状上为矩形，包含间距P，横向尺寸(宽度)W1和相对宽度较大的长度W2，这样此结构可以利用一维模型建模。实际上，一维模型非常适合于波长比宽度大5-10倍的光谱带。对于长度较小的矩形或正方形结构，必须使用一个2D软件程序；但上述的优化原则仍相同。为波段III吸收而优化的MIM结构,约8.5 μ m。计算中取间距ρ=7 μ m进行。此例中，金属层411,409选用的金属为金，电介质膜410选定的电介质为ZnS，折射率n=2.2。膜层厚度分别为50nm (膜411),180nm (膜410)和50nm (膜409)，MM结构和反射器402之前的距离d=4.5 μ m。此MM结构横向尺寸W1=L 6 μ m。吸收曲线表明最大吸收接近100%，Q因子，即最大吸收的波长与峰值一半处全光谱宽度的比值，约为15。
[0081 ] 图4C-4H分别表明在与图4A相似的构型中，参数值相同时，此结构横向尺寸，电介质厚度，金属层厚度，此结构平面和反射器402间距，入射角度和间距的影响
[0082]图4C中曲线441-447分别通过在1.7 μ m和2.3 μ m之间，以0.1 μ m的步长改变吸收器(405，图4a)的横向尺寸W1获得。如预期，观察到的谐振波长向更长波长处移动，谐振波长的数值从低于9 μ m到高于12 μ m。这些曲线也表明，利用谐振的较小光谱宽度(Q因子约15)，可以实现光谱滤波作用，所有波段III可被扫描。
[0083]图4D中的曲线450通过在横向尺寸W1=L 6 μ m时，改变电介质膜410的厚度获得。装置显示，存在获得最大吸收的最优电介质厚度。因此在优化此结构时，一旦计算获得此结构的合适宽度(式3)，可以按上述为一个给定电介质定义最优电介质厚度。曲线也显示了，在最优电介质厚度约±10%的范围内，几乎可以获得完全吸收。
[0084]图4E中的曲线460表明金属层409和411的厚度对最大吸收的影响。高于一个特定的临界值时，可以获得完全吸收。低于此临界值时，吸收降低，金属层厚度不足以阻碍光直接穿过MIM结构。为优化此结构，需选择可以实现最大吸收的最小厚度值，在此例中通常在40nm至60nm之间。
[0085]图4F中的曲线470显示，此结构的最大吸收与吸收器405和反射器402平面之间的距离有关。无反射器时，装置显示MM结构在谐振波长处无反射，但非最优吸收，部分能量被传播，没有被MIM结构吸收。对空腔厚度的优化保证了所有能量在谐振时被吸收，从而有助于加热测温元件。这样，图4F阐释的例子中，空腔厚度在3.5 μ m和4.5 μ m之间时，可观察到最大吸收。
[0086]图4显示了在采用与上述方法类似的计算条件下，最大吸收量作为辐射入射角度的函数图。可以看到，直至15°，吸收几乎达到全部，随后缓慢减小。这个结果是值得注意的，因为以此方法产生的微辐射热探测器像素对辐射入射角度具有非常低的灵敏度，尤其是对这种探测器常用的辐射入射角度范围。
[0087]图4B至图4G描绘了在红外波段的波段III内，对于给定电介质的MM结构的优化。同样的优化方法可以作为所选电介质的功能应用在探测所需的光谱带上。例如，同样是对波段III的探测，如果所选的电介质是锗，其折射率为n=4，对位于1D、谐振波长为9μπι的结构的优化，得到横向条纹尺寸为W=L Ιμπι，金属(如金)膜厚度60nm，电介质膜厚度260nm,以及腔厚d=4 μ m。
[0088]根据一种变型，例如图4A中所描绘的，MM结构405形成了条纹(长W2大于宽W1),并且只有TM偏振辐射(即磁场与这些线平行的辐射)被吸收。如前文所述，通过调整条纹的宽度来调整谐振波长。可以使MM结构为正方形更为有利，这样可以使吸收不依赖于偏振。在这种情况下，可以通过改变正方形的横向尺寸来调整谐振波长。这种实施例的一个例子如图3A所示。根据另一个不同实施例，MIM结构可以是矩形的，具有第一横向尺寸W1和第二横向尺寸W2，这两个尺寸被调整以在所关注的光谱带中的两个波长分别产生谐振。在这种情况下，微辐射热探测器的操作是偏振的，对TE和TM偏振都各有一谐振。另外，也可以使MM结构的分布被设计为在整个微辐射热探测器像素中与不同的偏振态产生谐振，从而使具有不同偏振态的入射辐射被选择性地吸收以得到比如同一场景的两幅图像，即TE偏振图像和TM偏振图像。
[0089]因此，对MM结构最优参数的选择(金属膜及电介质膜的厚度，电介质性质，所述结构的横向尺寸)使一个或多个谐振波长处的吸收达到几乎100%，同时只对入射角度有很小的依赖，并且可选择偏振依赖性。
[0090]前面已经显示，这种MM结构可作为一种光学纳米天线。其谐振频率由天线的几何尺寸来设定。在谐振处，只要有合适的设计，可以观察到几乎完全的吸收。前面已经表明，对于正方形的MM结构来说，如此优化了的MM结构其有效吸收面积是与谐振波长的平方在同一数量级的。对于条纹型MIM结构的情形，有效的ID吸收面积是与谐振波长同一数量级的。
[0091]图4H显示了在如图4A的一维结构中，计算的最大吸收曲线490作为间距p的函数图，其中电介质(ZnS，折射率n=2.2)膜厚180nm，两层以金制成的金属膜均厚50nm，腔宽度d=4.5 μ m,横向条纹尺寸W1=L 7 μ m。谐振波长为大约8 μ m。当间距小于谐振波长时，可以使所有的入射光子被吸收，吸收就达到最大化。当间距大于谐振波长时，吸收量就下降。这是因为谐振器(405，图4A)之间的间隔大于有效吸收面积。因此，这一以一结构型进行的模拟证实了与波长同一数量级的有效ID吸收面积。对于正方形的谐振器，其有效吸收面积与谐振波长的平方为同一数量级。
[0092]使用以上述方法优化的MIM结构能在限制吸收器面积的同时使有效吸收面积保持在与波长平方相同的数量级。因此，可以使微测热辐射计像素的横向尺寸Lp显著地减小至谐振波长值，从而得益于与像素面积(在图3A中由框313表示)相等的吸收面积307，因而得到接近100%的填充因子，同时确保由吸收器和测温元件形成的隔膜其横向尺寸远小于像素的尺寸。
[0093]通常，对于式(3)，对一个基本上为正方形的MM结构，形成吸收器/热敏电阻单元隔膜301的面积大约为(λ/2η)2，其中λ为吸收量最大的波长，η为电介质的折射率。对于宽为λ/2η、长度与像素尺寸相当的矩形MIM结构，隔膜面积大约为Lp.λ/2η。因此，在第一种情况下，隔膜的面积可能小于像素面积的四分之一，电介质的折射率大于I。在第二种情况下，隔膜的面积将被限制到微辐射热探测器像素面积的一半。在实践中，电介质的折射率大于I，通常选取在2至5之间，容易得知，取决于MIM结构的参数，形成吸收器/热敏电阻单元的隔膜面积可能低于像素面积的10%。
[0094]吸收器尺寸的显著减小可特别用于设计具有小尺寸(大约与所探测波长相同)像素用于高分辨率红外成像的微辐射热探测器阵列。吸收器尺寸的减小也使得相比于现有技术中的微辐射热探测器，绝热面积(达到超过微辐射热探测器像素面积的50%)的增加成为可能。现有技术的微辐射热探测器像素中的吸收器面积必须要全部覆盖整个像素面积。比如，可以增加绝热臂的长度，从而提高微辐射热探测器的灵敏度。
[0095]在微辐射热探测器像素比所关注的光谱带平均波长大的情况下，可将几种MIM结构排布在像素面积上，使得有效吸收面积覆盖整个像素面积(这将在下面图8D的例子中叙述)。然而，同样是在这种情况下，被吸收器元件覆盖的微辐射热探测器像素将远小于像素的总面积，使得有可能要使用更大的绝热面积。
[0096]像素面积中所释放的额外空间可用于例如增加热阻，通过例如使绝热臂比图3Α中所示的更长，从而增加微辐射热探测器的灵敏度来实现。另外，这也减小了测温元件的面积，所述面积被限制不超过与其接触的吸收器的面积是更有利的。因此，测温元件的质量也被降低了，从而降低了其热容量(直接与其质量相关)，进而减少了响应时间。
[0097]或者，如果为了减少响应时间，可以选择更短绝热臂。
[0098]根据另一个不同实施例，一方面为测温元件，另一方面为绝热臂，可以通过结构化膜的方法制备。
[0099]图5为一个典型的微辐射热探测器像素，其面积被框513包围，所述微辐射热探测器像素包含形成吸收器/热敏电阻单元的隔膜501。在给定参照物504的情况下，所述热敏电阻或测温单元与吸收器接触(图中未示出)。在这个例子中，一给定的包含一种材料或多层材料的膜被结构化，一方面为了形成测温元件，另一方面为了形成绝热臂。在这个例子中，所述膜形成测温元件504的那一部分被结构化以最大化吸收器和测温元件之间的接触面积，同时增大后者的电阻。例如，膜形成测温元件504的那一部分被结构化为蛇形，其长度远大于其宽度。微辐射热探测器的总电阻为绝热臂电阻和热敏电阻的总和。然而，后者在被吸收的辐射影响下变化最大，而绝热臂的电阻仅仅在温度梯度的部分影响下变化。所述温度梯度横跨绝热臂各个末端，其中一个末端与测温元件连接，另一个末端与固定点连接，固定点与支撑衬底接触。因此，结构化测温元件能提高其对总电阻的贡献，从而微辐射热探测器像素的响应得到改善。另外，也可以通过增加形成绝热臂的那部分膜的电导率来提高测温元件对总电阻的贡献，例如，如果膜是半导体膜，可以利用离子注入对膜进行局部掺杂。[0100]举例来说，在图3A或图5所示的微辐射热探测器像素的情形中，侧边尺寸被选为12 μ m,绝热臂宽I μ m，且在I μ m的每匝之间有绝热间隙，则每个绝热臂的热阻大约为25方(即每个绝热臂的热阻等于厚度相同、以串联方式排列的给定材料的25方)。图5中的蛇形将有可能宽0.2 μ m，并在这0.2 μ m宽度中每匝之间具有绝热间隙，从而获得60方的电阻。
[0101]前文已经展示，优化的MM等离子体结构是使得对谐振波长的光达到准全吸收的等离子体谐振区域。另外，MIM结构光谱响应的形状可以通过结合几个不同的谐振器来按照需求进行改变。下文描述的例子将显示其中几种不同的实施例变型。
[0102]图6A至6C为一种微辐射热探测器像素的3幅图，其中形成吸收器/热敏电阻单元的隔膜具有特别的结构，使得微辐射热探测器阵列的光谱响应可以被调整。在这几幅图中，就如在图4A中一样，只示出了吸收器和反射器。在这些例子中，MIM吸收器为复合的，由多个谐振波长不同的吸收器组成。
[0103]在图6A所示的第一个例子中，吸收器包含多个MM结构，标记为6054至6051)，空间上分布在整个微辐射热探测器像素的面积上。这些结构位于同一平面上，与沉积在支撑衬底(未不出)上的反射器602相距d。每个MIM结构包含由三层膜609、610、611，即由第一金属膜611、电介质膜610和第二金属膜609组成的多层膜。优选地，对于不同的MIM结构这三层膜的厚度将是一样的。每个MM结构可以通过前述的步骤进行优化，从而几乎完全地吸收所期望的光谱吸收带中的波长。吸收波长特别地由MM结构的横向尺寸来限定。因此,在这个例子中,MM结构是正方形的，每一个MM结构的横向尺寸都不同，从而获得光谱带中不同波长的谐振。如此获得的微辐射热探测器阵列就是不依赖偏振的。每个MIM结构的有效吸收面积都与谐振波长的平方在同一数量级，从而也就远大于吸收器的实际面积，通常大4至20倍。在一个包含所述微辐射热探测器像素阵列的微辐射热探测器阵列中，由于像素排列为阵列(未示出)，每个MIM结构在整个探测器上周期性重复，间距大小与像素尺寸相当。因此，对应每个MM结构的吸收波长，可以保证对入射到整个微辐射热探测器阵列面积上的光子的吸收。例如，当每个像素有4个不同的MIM结构，并且被优化对应4个不同的波长(如图6A所示)，就可以获得在所关注光谱带中的宽带吸收。
[0104]图6B显示了一个变型，其中吸收器605同样是复合的，含有多个不同的MIM结构605a至605d ;但是，这个例子中的MM结构并不是在空间上分布在整个像素面积上，而是一个层叠在另一个之上。因此，在这个例子中，第一个MM结构605a的第一金属膜611a形成了第二个MIM结构605b的第二金属膜611B，以此类推。在这个例子中，如图6A中的例子一样，MIM结构605a至605d具有不同的横向尺寸，使得在所用探测器的光谱带中不同的波长可以被吸收。将所述多层MIM结构大体上放置于微辐射热探测器像素中心的周围将更为有利。如此，有效吸收面积完全或几乎完全覆盖像素的整个面积，从而可以保证每一吸收波长的填充因子接近100%。
[0105]图6C显示了第三种变型，其中MM结构为层叠排列，与图6B —样。在这个变型中，从一个MM结构到另一个MM结构，电介质材料的性质是不同的，从而可以调整谐振波长，并且可以选择性地使MIM结构的横向尺寸基本一致，使得对吸收波长的选择有更大的灵活性。
[0106]虽然图6A至6C所示的例子中MM结构都是正方形的，但是完全可以制备具有矩形MIM结构的同种微辐射热探测器像素。在这种情况下，所述结构不再是对偏振不敏感的。可以选择性地优化这些结构的横向尺寸来获得对每一种(TE或TM)偏振态不同波长的吸收。将其他形状用于MIM结构也是可以想到的，例如可以是三角形或六边形的，从而调整微辐射热探测器像素的偏振响应。
[0107]图7A显示了一种吸收器的实施例，所述吸收器包含两个MM结构7054和705^在这个例子中，就如在图4A的例子中一样，只示出了吸收器单元和反射器702。另外，MIM结构的长W2远大于其宽度(w1A，w1B)，并且通常与像素的长度差不多，从而所述结构可以用半无限的条纹来模拟。在这个例子中，所述的两个MIM结构排列在同一个微辐射热探测器像素中。一旦制成了微辐射热探测器阵列，结构705a和705b就被周期性的排列起来，间距大小与像素尺寸相当。
[0108]图7B显示了以图7A所示类型的微辐射热探测器获得的吸收曲线720作为波长的函数，其中条纹宽度w1A=l.8 μ m, w1B=2.1 μ m,间距ρ=6 μ m,腔厚d=4.6 μ m,金属膜厚50nm,电介质膜厚190nm，电介质折射率2.2。这条曲线上有两个吸收峰，分别位于谐振波长约9.5和Ilym处，表明了塑造光谱带形状的可行性。
[0109]图8A至8D为按照本发明制备的微辐射热探测器其他实施例的顶视图。其中同等的元件以相同的参考数字标示。
[0110]所述微辐射热探测器像素被框813所包围，而每个图中的框807则代表了有效吸收面积。支撑衬底以参考数字803标示。与图3A中一样，所述探测器装备有读数回路(未示出)以及用于连接测温元 件和读数回路的导电连接衬垫815。
[0111]图8A中的例子显示了一种微辐射热探测器像素800或包含一个简单的吸收器元件805，即一个包含了单一 MM结构的元件，或包含一个复合的吸收器元件805，即一个包含了一组层叠的MM结构的元件，如图6B和6C中的例子一样。将吸收器元件置于微辐射热探测器像素中心的周围将更为有利。像素的尺寸与所述结构的吸收波长在同一数量级，例如对于波带III的操作，12 μ m。因此，以例如像素800形成的微辐射热探测器阵列的光谱特征形状可以是窄的(单一吸收器)或具有某种形状的(复合吸收器)。在图8A中，不能看见位于吸收器元件下方的测温元件。优化形成吸收器的MIM结构可以使所获得的有效吸收面积807远大于吸收器自身的面积，从而可以获得接近100%的有效填充率以及非常大的绝热边。在图8A的例子中，所述绝热边利于形成更长的绝热臂806，增大热阻，进而提高灵敏度。由此造成的响应时间的增加被隔膜热容的减小所补偿，隔膜热容的减小是由于测温元件质量的减小，测温元件的面积受限于吸收器元件的面积。
[0112]图SB中所示的微辐射热探测器像素820与图8A中所示的微辐射热探测器像素类似，主要的区别在于图8B中的绝热臂806短一些。这样的构造利于响应时间而不利于灵敏度，适用于快速成像。
[0113]图SC显示了一种微辐射热探测器像素840，其吸收器845是复合的，包含了一组吸收器元件850、851、852和853。每一个吸收器元件可以是单一的MM结构或者多层的MM结构，如图6B或6C所示的一样。利用这种像素可以获得在整个关注的光谱带上有特别形状的光谱响应。更有利的是，所述吸收器元件排列在像素中心，如前述例子中一样每个吸收器元件的有效吸收面积与像素面积大致相同。因此，此构型同样适用于小型像素，即尺寸在所关注光谱带平均波长的数量级。
[0114]图8D中的例子描绘了一种更大的微辐射热探测器像素860，例如尺寸为24 μ m。在这种情况下，吸收器865是由一组相同的吸收器元件871至874组成的，每一个吸收器元件由单一 MIM结构或多层MIM结构形成。每个吸收器元件被优化以得到覆盖部分像素面积的有效吸收面积，例如图8D中，每个吸收器元件覆盖了像素面积的四分之一，从而四个吸收器元件的有效吸收面积807覆盖了整个像素面积，如上所述。
[0115]图9A到9F显示了图表说明，根据一个例子，一种依据本发明的用于制造微测热辐射计阵列的方法。根据这一例子，所有微测热辐射计的微测热辐射计像素都是生产于同一过程中。在第一步(图9A)，一个金属反射器(902)，例如由铝制造，被沉积于支撑衬底(903)的上表面，所述衬底包括一个读数回路(在图9A中未显示)和将测温元件连接到读数回路的导电连接衬垫915。反射器，比如，被定义为铝膜的光刻/蚀刻。反射器可，比如，在衬底的所有区域形成一个连续层，以及提供给连接衬垫的开口。在第二步(图9B)，一层牺牲膜，比如聚酰亚胺，膜920沉积于支撑衬底903。这层膜将被用于形成悬挂隔膜。它的厚度被定义为有关希望形成于吸收器平面与反射器之间的空腔高度的函数。之后开口于牺牲膜920中形成，比如干法刻蚀，以便使锚定元件安置到位(图9C)。在之后的步骤里(图9D)，一层热阻膜，例如由非晶硅制备的，和绝缘膜，例如由氮化硅制备的，被沉积并且由热阻膜和绝缘膜形成的装配体被组装好，例如通过干法刻蚀或者剥离工艺(lift-off)，以定义测温元件和绝缘臂。MM结构905，作为吸收器，被沉积(图9E)，例如通过剥离工艺，在装配体930绝缘膜的上表面，在预备形成测温元件的区域。绝缘膜具有使测温元件的热阻膜与结构中第一金属膜911电绝缘的功能。MIM结构包括多层的第一金属膜911,电介质膜910和第二金属膜909，膜的尺寸被最优化以吸收要求的波长，正如上文所述。例如可以是金/硫化锌/金多层膜。最后，牺牲层被除去(图9F)，例如通过干法刻蚀，为了通过绝缘臂906和锚定元件912形成悬挂于衬底上的隔膜(904)，空腔908在吸收器905和反射器902之间形成。
[0116]在过程中的第一个变型，有利地适用于测温元件由半导体制备的情况，对掺杂部分930的操作以形成热绝缘臂，例如，通过离子注入，在图9E中所示步骤之后引入。如果结构905用作为注入离子的掩膜，局部离子注入可有利地自对准。也可通过光致抗蚀剂掩膜限制注入区域仅于装配体930形成热绝缘臂的部分获得。
[0117]在过程中的第二个变型，锚定元件由另外的金属膜制造。为了达到这一目的，在图9B所示步骤之后，热阻膜，例如由非晶硅制备的，沉积于牺牲膜920之上。在步骤9C中形成的开口之后连续地穿过非晶硅膜和牺牲膜。锚定元件被安置于沉积单一金属，例如钛膜或一组包括例如钛、氮化钛和铝金属膜处，这些膜通过光刻/蚀刻定义和构成，以形成导电连接衬垫915和非晶硅膜末端的上表面之间的机电连接。在之后的步骤(图9D)中，一层绝缘的，例如氮化硅膜，被沉积。由热阻膜和绝缘膜形成的装配体构成，例如通过干法刻蚀，以定义测温元件和绝缘臂。
[0118]另一个存在于延展金属膜(可选择为金属膜)的可能变型，以前经常用来生产绝缘臂全部或部分的锚定元件。这一选择提供了臂低电阻因此可能使过程中第一变型的离子注入操作变成多余的，如果测温元件不是半导体这可能是有利的。
[0119]图10说明了一个典型的合并了配置有像素的微测热辐射计阵列和本发明的摄像机。该摄像机，例如用来红外成像，包括:输入光学器件2用来形成图像；位于上述光学器件焦平面置于真空包装4中的微测热辐射计阵列3，该包装包括一个对所关注的波长透明的盖子；电子设备5用于给微测热辐射计阵列提供电源并且处理由微测热辐射计阵列读数回路发送的信号。显示器6可显示获得的图像。凭借本发明中的微测热辐射计阵列，可以获得非常高分辨率的图像(微测热辐射计像素达到与波长相同的尺寸)同时保持了非常好的敏感性。
[0120]尽管只对一定数量的具体典型实施例进行了描述，对本领域的技术人员显而易见，根据本发明的微测热辐射计包括各种各样的不同实施例、以及对实施例的修改和改进，为了使得本领域的技术人员可以通过本公开方案鉴别其他不超过本公开方案范围的实施例，该保护范围受到以下附加权利说明书的限制。
[0121]特别地，尽管大部分描述的例子都是在红外线的波段III操作的，本发明适用于其他光谱带尤其是从远红外到毫米波长范围的光谱带。
【权利要求】
1.一种用于对给定光谱带的光辐射进行热探测的微测热辐射计阵列，包括一个支撑衬底和给定尺寸的微测热辐射计像素(300)阵列，其中每个微测热辐射计像素包括: 利用支撑元件悬挂于上述支撑衬底之上的隔膜(301)，所述隔膜包括一个吸收入射辐射的元件(305)和一个与吸收器热接触的测温元件(304)，与上述吸收元件电绝缘； 将上述测温元件与支撑衬底导电连接的元件； 设置于测温元件与支撑衬底之间的热绝缘臂(306)； 并且其中: 吸收元件包括至少一个第一金属/绝缘体/金属(MIM)结构,包括多个三层叠加的亚微细粒厚度的膜的多层结构，即第一金属膜(311)、电介质膜(310)和第二金属膜(309)，上述MM结构具有对上述光谱带中的至少一种波长的入射辐射的谐振吸收；并且 微测热辐射计像素被上述隔膜(301)覆盖的区域小于或等于整个微测热辐射计像素区域的一半。
2.如权利要求1所述的微测热辐射计阵列，其中上述热绝缘臂也形成了测温元件导电连接的元件。
3.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中每个微测热辐射计像素的热绝缘臂和/或测温元件形成于结构化膜(930)。
4.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中每个微测热辐射计像素的测温元件呈现蛇形的结构。
5.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中每个微测热辐射计像素的测温兀件包括一层或多层材料，所述材料可从非晶娃、钥;基化合物和娃-锗合金中选择。
6.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中每个微测热辐射计像素的测温元件通过电绝缘膜与吸收元件绝缘。
7.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中至少一个微测热辐射计像素的所述第一层MIM结构设置于大体位于微测热辐射计像素中心。
8.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中至少一个微测热辐射计像素的吸收元件包括多层上述MM结构，设置于微测热辐射计像素表面。
9.如权利要求8所述的微测热辐射计阵列，其中至少两个所述MM结构是不同的并且具有对上述光谱带中的至少两个不同波长的入射辐射的谐振吸收。
10.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中至少一个微测热辐射计像素的吸收元件包括至少一个第二 MM结构，第二 MM结构叠加在所述第一 MM结构上，所述第一和第二结构具有对上述光谱带中的至少两个不同波长的入射辐射的谐振吸收，并共享公共的金属膜。
11.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中，对于每个微测热辐射计像素，所述MIM结构的至少一个横向尺寸小于或等于λ_/2η，其中λ_是上述光谱带的最长波长并且η是所述MM结构中电介质膜的电介质的折射率。
12.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中所述每个微测热辐射计像素的MIM结构中的电介质膜是由以下材料中选择一种制备而来，硫化锌(ZnS)、三氟化钇(YF3)、氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiOx)、氧氮化硅(SiOxNy)、非晶锗(a-Ge)、非晶硅(a-Si)和硅锗非晶合金(a-SiGe)。
13.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中所述每个微测热辐射计像素的MIM结构中的第一或第二金属膜是由以下材料中选择一种制备而来，金、铜、铝和银。
14.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中每个微测热辐射计像素进一步包括一个位于与上述隔膜平面相距为d的反射器(302)，以便在上述波长形成谐振腔。
15.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中所述支撑衬底包括用于读取每个微测热辐射计像素测温元件电阻的回路。
16.探测红外辐射的摄像机，包括光学成像器件，位于上述光学成像器件焦平面附近的如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，和处理由热辐射器读数回路传送的信号的>j-U ρ?α装直。
17.一种用于制造如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列的方法，包括: 在支撑衬底上沉积一层牺牲膜； 在上述膜锚定微测热辐射计像素元件的位置形成开口； 沉积一层结构化膜以对于每一个微测热辐射计像素定义测温元件和热绝缘臂； 在形成的每一个测温元件上沉积MM结构； 去除牺牲膜。
18.一种用于制造权利要求17中所述的微测热辐射计阵列的方法，包括，在沉积牺牲膜之前，对于每一个微测热辐射计像素和反射元件，一步沉积反射膜结构形成。
【文档编号】G01J5/08GK103930755SQ201280044662
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2012年7月13日 优先权日:2011年7月15日
【发明者】C·克什兰, P·布雄, R·海达尔, J-L·佩卢阿德, J-J·约恩, J·德尚, F·帕尔多, S·科兰 申请人:中央科学研究中心, 法国宇航院, 原子能和替代能源专员署
【专利摘要】本发明是有关对给定光谱带的光辐射进行热探测的微测热辐射计阵列，包括一个支撑衬底和给定规模的微测热辐射计阵列（300），排列成阵列。每一个上述的微测热辐射计包括一个悬挂于上述支撑衬底之上的隔膜（301），所述隔膜包括一个吸收入射辐射的元件（305）和一个与吸收器热接触的测温元件（304），与上述吸收元件电绝缘。吸收元件包括至少一个第一金属/绝缘体/金属（MIM）结构，包括多个三层亚微细粒厚度的膜，即，第一金属膜（311），电介质膜（310），和第二金属膜（309），上述MIM结构具有对上述光谱带中的至少一种波长的入射辐射的谐振吸收。微测热辐射计像素被上述隔膜（301）覆盖的区域小于或等于整个微测热辐射计像素区域的一半。
【专利说明】具有改进性能的微测热辐射计阵列
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有改进性能的微测热辐射计阵列，尤其在检测红外辐射方面。【背景技术】
[0002]非制冷红外探测器数十年来都是大力度研究和发展的主题。在这种探测器中，目前电阻微测热辐射计的市场，尤其在民用设施(家用电子产品，司机或飞行员辅助设备，夜视装置，火灾调查等)领域大量增长。电阻微测热辐射计特别适用于红外波段的探测，尤其适用于波段III (8-12 μ m)的探测，对应光谱带之一，在大气中传播使得物体在室温发射的或者生物发射的热量能被观察到。
[0003]准备用于摄像机的微测热辐射计阵列可以以一排探测元件的形式制造，在其余描述部分被称作“微测热辐射计像素”。微测热辐射计阵列本来用于红外热成像(波长在红外波段II和III，分别是3-5 μ m和8_12 μ m)。相比于量子探测器为基础的成像器，他们具有两大优势。一方面，他们在室温条件运作，可以减少利用他们的照相机的相当一部分制备成本和运作成本。另一方面，他们的制备技术与硅系微电子兼容，从而允许阵列直接在用CMOS技术生产的读出电路上制造。显微技术和直接连接到读出电路使得生产大型微测热辐射计阵列(一般是1024X768)成本非常低。通过结合这两种优势，微测热辐射计阵列使红外成像比基于量子探测器的成像器成本低很多。因此，目前市场上的微测热辐射计阵列是用比较成熟的技术制造的，该技术将从这些微测热辐射计阵列的本质能力获得的性能用到极致。具体的，他们可以吸收超过90%以上8-12 μ m波段的入射辐射，并且他们的填充因数，例如敏感区与探测器阵列的总区域之比，接近100%。尽管具有这些性能，微测热辐射计阵列与制冷技术相比的劣势在于他们有限的敏感度和较慢的反应时间。
[0004]图1A，IB和IC是根据现有技术中的微测热辐射计像素的示意图。
[0005]如图1A所示，微测热辐射计像素100主要包括形成吸收器/热敏电阻组合的隔膜101，伴随有吸收元件和一个与吸收元件良好热接触的测温元件或者热敏电阻，支撑衬底103，隔膜101悬挂在衬底103上方。其还包括热绝缘臂106和导电连接元件114以将测温元件与支撑衬底上的衬垫115电连接。该支撑衬底，例如由硅材料制成，为微测热辐射计像素提供机械硬度并且包括电路(没有在图1中显示)来偏置和读取测温元件的电阻。该吸收器/热敏电阻组合用固定元件悬挂在支撑衬底103的上方，该固定元件在图1示例中也是电连接元件114。吸收入射光子流量会增加吸收器的温度。热敏电阻能够实现对于这种温度变化的电测量。对于给定的光子通量，将吸收器/热敏电阻组合与其支撑衬底热绝缘(通过热绝缘臂和吸收器/热敏电阻组合周围的隔热真空)可以通过增加吸收器/热敏电阻单元的温度增长来增加器件的敏感度。
[0006]图1B和IC分别显示了另一现有微测热辐射计像素的俯视图和剖视图。形成吸收器/热敏电阻单元的隔膜101通过固定元件(未示出)悬挂在衬底103上方，热绝缘臂106形成连接到支撑衬底上的衬垫115的电连接元件。在这个例子中，形成吸收器/热敏电阻单元的隔膜101包括在一边的一个吸收元件105 (图1C)和，在另一边的与吸收器非常良好热接触的热敏元件104。该吸收器在传统技术中包括一种金属膜。该热敏电阻一般是选择随温度具有明显电阻率变化的材料例如氧化钒(VOx)或非晶硅(a-Si)材料制备的电阻。该热绝缘臂是例如低热导率机电连接装置，将吸收器/热敏电阻组合悬在隔热真空中。
[0007]在微测热辐射计阵列中的每个微测热辐射计像素接着与它的相邻的器件通过电热绝缘边分开。从而该微测热辐射计像素对于经过其某些区域的入射光子通量不敏感，包括热绝缘臂，与支撑衬底电连接的元件和绝缘边。对于入射通量不敏感区域的存在对微测热辐射计像素的敏感度影响由填充因数给出，在本描述中由吸收区域的面积107 (在图1B示例中的形成吸收/热敏电阻单元的隔膜膜101)与微测热辐射计像素的总区域的面积(在图1B中由框113表示)的比例定义。
[0008]可以看出，大致上的，温度变化AT (K)在入射通量作用下将测温元件稳态温升量化，微测热辐射计像素的反应时间τ (秒)可通过以下公式得出:
[0009]Δ T= n.A.Rth.P (公式 I)
[0010]τ =Cth.Rth (公式 2)
[0011]其中η的值在O到I之间，是吸收元件吸收的入射光能量的比例，P是光功率流(ff/m2), A是隔膜面积，Cth是测温元件的热容量(J/K)，Rth是所有热连接测温元件和支撑衬底的元件尤其是热绝缘臂的热阻(K/W)。
[0012]温度变化Λ T在入射通量作用下将隔膜的温升量化。其通过热敏电阻转化成电信号。测得的电信号因此与微测热辐射计像素的吸收区域上的光功率流成正比，称为微测热辐射计像素的“反应”， 与热阻Rth成正比。微测热辐射计像素的敏感度，代表可测出的最小光通量差，取决于反应的第一近似值。增加热阻Rth从而增加敏感度，不利于反应时间，反应时间也有所增加。
[0013]首先，微测热辐射计像素的设计因此是其面积分割之间的折衷，在形成吸收器/热敏电阻单元的隔膜的面积和由多种热绝缘元件(例如热绝缘臂和绝缘边)形成的“热绝缘”面积之间。具体的，吸收的光功率流通过增加吸收器/热敏电阻膜的面积(公式I中的PXA的乘积)而增加，但是较差的热绝缘(低Rth)导致一个很小的温度上升。一个相矛盾的情况，热绝缘占据大空间会更加有效，但是吸收的光子数会减小。设计微测热辐射计还会受到需要将其他非吸收部分(如电连接元件)的面积最小化的约束。因此，最先进的具有小于20 μ m的像素的微测热辐射计阵列目前对于红外在大约45mK的敏感度的填充因数接近100% (例如参见J.L.Tissot具有17 μ m像素间距的高性能非致冷非晶硅VGA IRFPA “Highperformance Uncooled amorphous silicon VGA IRFPA withl7 μ m pixel-pitch，，，SPIE进程第 7660 卷 76600T-1(2010) “Proceedings of SPIE Vol.766076600T-1 (2010)，，)。
[0014]已知将形成吸收器/热敏电阻单元的隔膜放置于聚镜子102距离为Cl=AciA的位置，λ ^是光检测波段的中心波长，以形成四分之一波长谐振腔达到高吸收，一般可以获得8到12 μ m大气传播波段III整体的90%。这种设备在例如专利申请W02002/055973中有所描述，该申请公开了一种具有宽光谱吸收波段的微测热辐射计阵列。
[0015]相反的，Maier等2009年文章(波长可调谐的微测辐射热计与超材料吸收器“Wavelength-tunable microbolometers with metamaterial absorbers，，，光学快报34卷第19 “Optics letters, Vol.34, N0.19”)描述了一种具有控制光谱选择性的微测热福射计阵列。该微测热辐射计描述包括有一个在两个氮化硅膜之间由非晶硅膜形成的测温元件，该膜上覆盖有一组吸收元件，由安排在二维阵列中的的方形金属/绝缘体/金属多层结构组成并在红外区域具有谐振吸收。该金属/绝缘体/金属(MM)多层结构通过选择每个吸收元件的横向尺寸，可在所给光谱带的波长条件激发等离子谐振，由此为微测热辐射计阵列提供光谱选择性。然而，达到光谱选择性对敏感度不利，吸收被限制在入射辐射的光谱带的一部分，并且对反应时间不利，要加热的热质量增加。
[0016]Maier等2010年的文章(多光谱的中红外微测福射热计“Multispectralmicrobolometers for the midinfrared”，光学快报 35 卷第 22, “Opticsletters, Vol.35，N0.22”)也描述了应用等离子谐振的微测热辐射计阵列。图2显示了在这篇文章中描述的在微测热辐射计像素中形成吸收器/热敏电阻单元的隔膜的示意图。隔膜201包括测温元件204和由MIM多层结构形成的吸收元件205,其中吸收元件包括与测温元件204相连的连续金属层，绝缘层和顶金属层，其横向尺寸定义了谐振波长并由此定义了微测热辐射阵列的光谱响应。相比于Maier等2010年的文章，安排完全覆盖像素区域的金属连续层可以增加微测热辐射计的吸收。然而，在整个像素区域的连续绝缘和金属层的安置增加了热质量。此外，如Maier等2009年的文章，M頂谐振器减少了光谱过滤不利于微测热辐射计像素的敏感度。
[0017]然而，目前像素尺寸达到波长的市场趋势意味着微测热辐射计阵列的敏感度非常重要。面对由于红外成像应用(家庭电子产品，夜视，火灾探测等)产生的新的限制，目前，针对敏感度和像素尺寸都十分需要增加微测热辐射计阵列潜能的技术突破，同时保持其所有优势，尤其是其在室温条件运作的能力和他们的低成本。
[0018]本发明的一个目的是提供一种微测热辐射计阵列，其中MIM结构吸收它的每个微测热辐射计像素上的入射光子，并且其设计使得吸收器与入射波长的耦合彻底改进，以使热绝缘体占据的面积增加同时保持填充因数接近I。这种概念性的突破使得光吸收和热绝缘之间的折衷以及质量可以重新定义以此提高微测热辐射计阵列的灵敏度和/或反应时间。本发明的另一个目的是为了制备出非常小尺寸的微测热辐射计阵列像素(一般大约一个波长)，因为如果想要较好的灵敏度利用目前的技术不可能达到这种像素尺寸。
【发明内容】
[0019]根据第一方面，本发明涉及一种用来对于给定光谱带的光辐射进行热探测的微测热辐射计，包括一个支撑衬底和具有给定尺寸的微测热辐射计像素阵列，其中每个微测热辐射计像素包括:
[0020]利用支持元件悬挂于支撑衬底上方的隔膜，该隔膜由吸收入射辐射的元件和与该吸收器热接触的测温元件组成，与上述吸收器元件电绝缘；
[0021]将上述测温元件与支撑衬底导电连接的元件；
[0022]设置于测温元件和衬底之间的热绝缘臂；
[0023]并且其中:
[0024]吸收元件包括至少一个第一金属/绝缘体/金属(MM)结构，包括多个三层叠加的亚微细粒厚度的膜的多层结构，即第一金属膜、电介质膜、和第二金属膜，上述MM结构具有对上述光谱带中的至少一种波长的入射辐射的谐振吸收；并且
[0025]微测热辐射计像素被上述隔膜覆盖的区域小于或等于整个微测热辐射计像素区域的一半。
[0026]对于耦合给定波长的最佳MM结构的有效吸收面积比该结构占据的实际面积大得多。通过选择限制微测热辐射计像素被隔膜覆盖的面积到微测热辐射计总面积的至少一半，热绝缘体的面积增加了，吸收面积没有减少。由此，在没有增加反应时间的情况下微测热辐射计的敏感度增加了，测温元件的质量也被限制了。
[0027]此外，由于吸收器和测温元件形成的隔膜的小覆盖区使得可用空间增加，可以形成具有足够长度的热绝缘臂，显著增加热阻而由此增加微测热辐射计的敏感度。或者，可以减少热绝缘臂的长度以限制反应时间。
[0028]有利地，热绝缘臂形成支撑膜的一部分。
[0029]它们也可以形成导电连接测温元件的元件。
[0030]根据一个不同实施例，热绝缘臂和/或每个微测热辐射计像素的测温元件形成在结构膜中。
[0031]根据另一个不同实施例，同样的膜可以用来形成热绝缘臂和/或测温元件。在这种情况下，有利地，形成热绝缘臂的部分比形成测温元件的部分具有更高电导率。这种更高的电导率是通过例如在膜局部掺杂获得的。
[0032]根据另一个不同实施例，每个微测热辐射计的测温元件是蛇形结构，其长度比宽度大很多，因此使得它对于总电阻的以及微测热辐射计像素的敏感度的贡献增加。
[0033]根据另一个不同实施例，每个微测热辐射计像素的测温元件包括一种材料或从非晶硅，钒基化合物和S1-Ge合金中选择的多层材料。
[0034]根据另一个不同实施例，所有微测热辐射计阵列的微测热辐射计像素都相同。或者，微测热辐射计像素可以彼此不同并且包括具有不同谐振波长的M頂结构，为了获得和多谱探测器和/或适合吸收具有不同偏振的入射波长。
[0035]根据另一个不同实施例，该至少一个微测热辐射计像素的第一 MIM结构大体位于微测热辐射计像素的中间。它可以是例如实质上方形结构，其横向尺寸由想要的吸收波长确定。有效吸收区域，约为波长的平方，大于MIM结构的区域并可以调整到覆盖微测热辐射计像素的几乎所有区域。因此可以生产一种微测热辐射计阵列，其具有更小的像素，一般是波长的大小，具有足够的空间保证热绝缘，且微测热辐射计阵列对入射波偏振不敏感。
[0036]根据另一个不同实施例，至少一个微测热辐射计像素的吸收元件可以包括多个上述MIM结构，安排在微测热辐射计像素的表面。
[0037]例如，对于给定的微测热辐射计像素，上述结构都是相同的，并且分布在微测热辐射计像素的整个区域。例如，MIM结构是正方形，对理想吸收光谱的给定波长具有最佳吸收，使得更大的微测热辐射计像素可以制备出来，所有MIM结构的有效吸收面积使得所有或者几乎所有微测热辐射计像素的面积都被覆盖。
[0038]或者，对于给定微测热辐射计像素，上述MM结构中至少两个是不同的，可以在该入射辐射下在该光谱带的至少两个不同的波长处形成等离子谐振，从而使得微测热辐射计像素的光谱响应可以“成形”。
[0039]根据另一个不同实施例，该至少一个微测热辐射计像素的吸收元件包括至少一个第二 MIM结构，在该第一 MIM结构上叠加，该第一和第二结构可以在该光谱带的至少两个不同波长处具有入射辐射的谐振，并且共享一个共同的金属膜。这种配置使得微测热辐射计像素的光谱响应成形，甚至在小像素的情况下，该结构在例如像素中间叠加。
[0040]MIM结构有利地包含具有特定横向尺寸的正方形，这样可以优化在关注光谱带中某一波长处的吸收。实际上，所述MM结构的横向尺寸小于或等于λ_/2η，其中λ_为所述光谱带中最大波长，η为所述MM结构中电介质膜的折射率。正方形MM结构对偏振不敏感。
[0041]另一种选择是，MM结构可以是矩形，所述MIM结构的至少一个横向尺寸小于或等于λ_/2η。这种情况下，此结构对偏振敏感。可以调整两个横向尺寸获得在关注光谱带分别两个波长处的谐振吸收。一个用于检测TE偏振波，另一个用于检测TM偏振波。另一种选择是，可以调整单一横向尺寸获得在某给定波长处的谐振吸收，另一横向尺寸可以较大，例如与像素的横向尺寸相当，这样检测器可以仅对一种偏振敏感，从而形成一个偏振过滤器。
[0042]对MM结构来说，其他形状也是可行的，例如三角形或六边形，从而使调整检测器的偏振响应成为可能。有利地，每一种情况下，所述MIM结构至少有一个横向尺寸小于或等于 W2n。
[0043]根据另一个不同实施例，每一个微测热辐射计像素中所述MIM结构的电介质膜由具有较高折射率的材料制成，例如选自硫化锌(ZnS )，三氟化钇(YF3 )，氮化硅((SiNx)，氧化娃(SiOx),氮氧化娃(SiOxNy),无非晶锗(a-Ge),非晶娃(a-Si)和非晶娃锗合金(a-SiGe)的一种材料。
[0044]根据另一个不同实施例，每一个微测热辐射计像素中所述MIM结构的第一或第二金属层由在所关注的光谱带具有低损失的材料制成，例如选自金，铜，铝和银的一种材料。一个粘合层，例如由钛或铬制成，置于金属层与电介质膜之间，从而保证两层间更好的粘
口 ο
[0045]根据另一个不同实施例，测温元件通过电绝缘膜与吸收器隔离。
[0046]有利地，每一个微测热辐射计像素进一步包含位于所述隔膜所在平面一定距离d处的反射器，从而在所述波长处形成一个谐振腔。这样，大多数光能将被此结构吸收，传播造成的能量损失将非常小。
[0047]根据另一个不同实施例，支撑衬底包括一个回路，可以读取每一个微测热辐射计的测温元件的电阻。
[0048]根据另一个方面，本发明关于一种可检测红外辐射的摄像机，其包括光学成像器件，根据第一个方面的一种位于所述光学系统焦平面附近的微测热辐射计阵列和一个用于处理热辐射计读取回路发射的信号的装置。
[0049]根据另一个方面，本发明关于一种制造微测热辐射计阵列的方法，根据上述任何一个权利要求，包括:
[0050]在支撑衬底上沉积一层牺牲膜；
[0051]在所述膜上固定微测热辐射计的位置处形成开口 ；
[0052]沉积一层结构化膜，从而构造每一个微测热辐射计的测温元件和热绝缘臂；
[0053]在每个形成的测温元件处设置MIM结构；
[0054]除去牺牲膜。
[0055]有利地，此方法包括在牺牲膜沉积前的一个沉积反射膜步骤，从而形成每一个微测热辐射计的反射器元件。【专利附图】
【附图说明】
[0056]以下将阐明本发明的其他特征和优势，由【专利附图】
【附图说明】:
[0057]图1A (已描述)为根据先前技术第一个例子，一种微测热辐射计像素的透视图；
[0058]图1B和IC (已描述)分别为根据先前技术第二个例子，一种微测热辐射计像素的顶部和剖面示意图；
[0059]图2 (已描述)为根据先前技术，微测热辐射计像素中，利用等离子体谐振形成吸收器/热敏电阻装置的隔膜基本单元；
[0060]图3A和3B分别为根据本发明的第一个实施例，一种微测热辐射计像素的顶部和剖面示意图；
[0061]图4A为根据本发明，适用于微测热辐射计像素的一个采用单MIM结构的吸收器的典型实施例；图4B为利用此结构获得的吸收作为波长的函数图表；图4C-4H显示了分别以最大吸收为函数，与此结构的横向尺寸(图4C)，电介质膜厚度(图4D)，金属膜厚度(图4E)，空腔宽度(图4F)，入射角(图4G)和周期(图4H)的对应关系；
[0062]图5为用于形成测温元件的结构化膜的典型实施例和根据本发明的另一个微测热辐射计像素实施例中的绝缘臂；
[0063]图6A-6C为根据本发明，适用于微测热辐射计像素不同变型的多种MM结构实例；
[0064]图7A为根据本发明，适用于微测热辐射计像素的利用双MIM结构的复杂吸收器的典型实施例示意图；图7B为图7A的实例中，吸收作为波长的函数图表；
[0065]图8A-8D为根据本发明的其他典型实施例，微测热辐射计像素的顶视图示意图；
[0066]图9A-9F为根据本发明的一个典型实施例，微测热辐射计阵列制造过程的步骤示意图；
[0067]图10为根据本发明，含有微测热辐射计阵列的热成像摄像机示意图。
【具体实施方式】
[0068]图3A和3B分别为根据本检测特定光谱带中某一波长辐射的发明，例如在红外光区，第一个典型的微测热辐射计像素的顶视图和剖面图。本公开图表中的元件没有等比例显示，这样可以使附图更易读。微测热辐射计像素300包括通过支撑元件悬挂于支撑衬底303上的隔膜(301，图3B)。隔膜301由吸收入射辐射的元件305和测温元件302形成，与吸收器热接触，最好完全或接近完全覆盖整个表面以便均匀加热，但与表面电绝缘，例如通过一个由氮化硅制成的绝缘层。微测热辐射计像素300有利地包含与测温元件热绝缘的臂306，其一端与测温元件连接，另一端连接于与支撑衬底接触的固定点。微测热辐射计像素300也包括电连接测温元件的支撑衬底的元件。例如，支撑衬底303可以由硅制成；它可以为微测热辐射计提供机械硬度，并包含提供偏压和读取测温元件304电阻的回路(图3中未显示)。在图3A和3B的实例中，支撑元件包含热绝缘臂306和固定元件(图3A和3B中未显示)。固定元件有利地包括至少一种导电材料，从而将测温元件304与读取电路的导电连接衬垫315连接。有利地，热绝缘臂与所述固定元件形成将测温元件连接于支撑衬底读数回路的元件。框313显示了微测热辐射计像素的外部轮廓，一般为正方形。实际上，嵌入微测热辐射计阵列的微测热辐射计像素的外部横向尺寸可以根据相应的微测热辐射计阵列的尺寸与相关尺寸中微测热辐射计像素数量的比值得出。
[0069]图3的实例中，吸收器元件包括含有3层膜的MM结构305，分别为第一金属层311，电介质膜310和第二金属层309，三层膜为层叠排列。在以下说明中，“电介质”这一术语可理解为介电常数的实部为正，虚部为O或在关注光谱带的辐射波长处相对实部非常小的一种材料。因此电介质在相关的光谱带波长处为透明或弱吸收。形成电介质膜两侧金属层的金属，对其来讲为金属或介电常数ε为负值且在相关波长处表现为低损失的材料，例如金，银，铝或铜。由于吸收结构中要求获得最大吸收，使用一层薄粘合层是可以接受的，如用钛或铬制成，促进金属材料和电介质间的粘合，或金属材料和绝缘臂间的粘合，当吸收元件和测温元件间存在绝缘臂时。此粘合层可以使所用材料在更宽范围内选择，包括互相附着较弱的材料。MM结构305有利地大致为矩形，最好为正方形且包含至少一个选定的横向尺寸，从而在所述光谱一定频率的入射辐射处产生等离子体谐振。有利地，膜层含有大致相同的横向尺寸。金属层309、311和电介质膜310的厚度为选定的亚微米级,从而利用入射辐射产生等离子体谐振，谐振与电介质/金属界面相耦合，以下将详细阐述。例如，MIM结构置于微测热辐射计像素300中心附近。此例中，测温元件304包含与吸收元件大致相同的横向尺寸，以实现与吸收元件良好的热接触。
[0070]有利地，支撑衬底303被反射器302覆盖，可由例如金或者铝制成，置于距MM结构距离为d处，距离d的选择是为了在MIM吸收器305和反射器平面间形成另一个空腔。距离d的选择，在先有的热辐射计中约为λ /4，可以经优化考虑等离子体谐振机制，如下所述。
[0071]有利地，测温元件304和绝缘臂306由同样的材料或多层材料制成。有利地，可以选择电阻随温度变化较大的材料。通常地，可选择相对电阻变化约±2%/Κ且噪声程度低的材料。例如，这种材料可以从非晶硅(a-Si)，硅锗合金或者基于氧化钒的化合物中选择。
[0072]图4A-4G详细地说明了根据本发明对微测热辐射计吸收器中MIM结构的优化。
[0073]图4A显示，一般地，一组矩形MM结构405含有第一横向尺寸wl和第二横向尺寸?2，此MIM结构朝向置于微测热辐射计像素支撑衬底(未显示)的反射器402，位于距吸收器40距离为d处。设定尺寸《2远大于尺寸《1，这样MM结构可认为是半无限条形，横向尺寸wl为决定谐振波长的唯一特征尺寸。通常，吸收器元件的最大尺寸几乎延伸至整个像素长度。每一个吸收器元件405包含一个三层的金属/绝缘体/金属层。图4A中只显示了两个微测热辐射计像素的MIM结构，每一个MIM结构位于像素中心附近。微测热辐射计像素的其他元件(测温元件，热绝缘臂，导电连接，基底等)没有显示。由于微测热辐射计像素按阵列排列，MIM结构405大小与像素相同的间距P呈周期分布。
[0074]已知(见例子Le Perchec et al.具有非常薄的半导体区的等离子体基光传感器“Plasmon-based photosensors comprising a very thin semiconducting region，，，应用物理快报 94，181104 (2009) “Applied Physics Letters94, 181104 (2009) ” 或者法国专利申请FR2，940，522)条形MM结构(长度远大于宽度)大致上作为两金属层间纵向的法布里-拍罗(Fabry-Perot)腔,其谐振波长λ r由下式给出:
[0075]λ r=2neffw (式 3)
[0076] 其中w为此MIM结构的横向尺寸(或宽度)，neff为此MM腔的有效折射率。[0077]由于有效折射率需远大于1，这表明，按照式3，MM结构的横向尺寸必须小于理想谐振波长的一半。实际上，需要优化此结构以获得远大于I的有效折射率。特别地，将选择高指数电介质。例如，为优化波段III操作的一种结构，电介质可以从硫化锌(ZnS)，三氟化宇乙(YF3),氮化娃((SiNx),氧化娃(SiOx),氮氧化娃(SiOxNy),非晶锗(a_Ge),非晶娃(a_Si)和非晶娃锗合金(a-SiGe)中选择。
[0078]通过已知的计算机代码可以优化此结构,例如P.Lalanne和J.P.Hugonin开发的ID 或 2D Reticolo 软件?*C0mS0l?开发的 Comsol Multiphysics?软件包。
[0079]这些应用程序显示，为获得理想波长处的最大吸收，可以按照以下方法优化此结构。第一步，根据式3并利用电介质的实际折射率，估计此结构的横向尺寸，其作为理想谐振波长和所选的电介质膜电介质的折射率的函数。第二步，通过首先选择足够大的金属层409和411的厚度(通常大于几百纳米)，优化电介质膜厚度，以获得最大吸收。然后，第三步是当反射器存在时，优化到反射器402的距离d。下一步(第四步)，计算可以获得完全吸收的最小金属厚度。最后，以小增量修正此结构的横向尺寸w从而获得理想的谐振波长(第五步)。
[0080]这样，图4B表明针对图4A中的MIM结构类型计算的吸收值，这些结构形状上为矩形，包含间距P，横向尺寸(宽度)W1和相对宽度较大的长度W2，这样此结构可以利用一维模型建模。实际上，一维模型非常适合于波长比宽度大5-10倍的光谱带。对于长度较小的矩形或正方形结构，必须使用一个2D软件程序；但上述的优化原则仍相同。为波段III吸收而优化的MIM结构,约8.5 μ m。计算中取间距ρ=7 μ m进行。此例中，金属层411,409选用的金属为金，电介质膜410选定的电介质为ZnS，折射率n=2.2。膜层厚度分别为50nm (膜411),180nm (膜410)和50nm (膜409)，MM结构和反射器402之前的距离d=4.5 μ m。此MM结构横向尺寸W1=L 6 μ m。吸收曲线表明最大吸收接近100%，Q因子，即最大吸收的波长与峰值一半处全光谱宽度的比值，约为15。
[0081 ] 图4C-4H分别表明在与图4A相似的构型中，参数值相同时，此结构横向尺寸，电介质厚度，金属层厚度，此结构平面和反射器402间距，入射角度和间距的影响
[0082]图4C中曲线441-447分别通过在1.7 μ m和2.3 μ m之间，以0.1 μ m的步长改变吸收器(405，图4a)的横向尺寸W1获得。如预期，观察到的谐振波长向更长波长处移动，谐振波长的数值从低于9 μ m到高于12 μ m。这些曲线也表明，利用谐振的较小光谱宽度(Q因子约15)，可以实现光谱滤波作用，所有波段III可被扫描。
[0083]图4D中的曲线450通过在横向尺寸W1=L 6 μ m时，改变电介质膜410的厚度获得。装置显示，存在获得最大吸收的最优电介质厚度。因此在优化此结构时，一旦计算获得此结构的合适宽度(式3)，可以按上述为一个给定电介质定义最优电介质厚度。曲线也显示了，在最优电介质厚度约±10%的范围内，几乎可以获得完全吸收。
[0084]图4E中的曲线460表明金属层409和411的厚度对最大吸收的影响。高于一个特定的临界值时，可以获得完全吸收。低于此临界值时，吸收降低，金属层厚度不足以阻碍光直接穿过MIM结构。为优化此结构，需选择可以实现最大吸收的最小厚度值，在此例中通常在40nm至60nm之间。
[0085]图4F中的曲线470显示，此结构的最大吸收与吸收器405和反射器402平面之间的距离有关。无反射器时，装置显示MM结构在谐振波长处无反射，但非最优吸收，部分能量被传播，没有被MIM结构吸收。对空腔厚度的优化保证了所有能量在谐振时被吸收，从而有助于加热测温元件。这样，图4F阐释的例子中，空腔厚度在3.5 μ m和4.5 μ m之间时，可观察到最大吸收。
[0086]图4显示了在采用与上述方法类似的计算条件下，最大吸收量作为辐射入射角度的函数图。可以看到，直至15°，吸收几乎达到全部，随后缓慢减小。这个结果是值得注意的，因为以此方法产生的微辐射热探测器像素对辐射入射角度具有非常低的灵敏度，尤其是对这种探测器常用的辐射入射角度范围。
[0087]图4B至图4G描绘了在红外波段的波段III内，对于给定电介质的MM结构的优化。同样的优化方法可以作为所选电介质的功能应用在探测所需的光谱带上。例如，同样是对波段III的探测，如果所选的电介质是锗，其折射率为n=4，对位于1D、谐振波长为9μπι的结构的优化，得到横向条纹尺寸为W=L Ιμπι，金属(如金)膜厚度60nm，电介质膜厚度260nm,以及腔厚d=4 μ m。
[0088]根据一种变型，例如图4A中所描绘的，MM结构405形成了条纹(长W2大于宽W1),并且只有TM偏振辐射(即磁场与这些线平行的辐射)被吸收。如前文所述，通过调整条纹的宽度来调整谐振波长。可以使MM结构为正方形更为有利，这样可以使吸收不依赖于偏振。在这种情况下，可以通过改变正方形的横向尺寸来调整谐振波长。这种实施例的一个例子如图3A所示。根据另一个不同实施例，MIM结构可以是矩形的，具有第一横向尺寸W1和第二横向尺寸W2，这两个尺寸被调整以在所关注的光谱带中的两个波长分别产生谐振。在这种情况下，微辐射热探测器的操作是偏振的，对TE和TM偏振都各有一谐振。另外，也可以使MM结构的分布被设计为在整个微辐射热探测器像素中与不同的偏振态产生谐振，从而使具有不同偏振态的入射辐射被选择性地吸收以得到比如同一场景的两幅图像，即TE偏振图像和TM偏振图像。
[0089]因此，对MM结构最优参数的选择(金属膜及电介质膜的厚度，电介质性质，所述结构的横向尺寸)使一个或多个谐振波长处的吸收达到几乎100%，同时只对入射角度有很小的依赖，并且可选择偏振依赖性。
[0090]前面已经显示，这种MM结构可作为一种光学纳米天线。其谐振频率由天线的几何尺寸来设定。在谐振处，只要有合适的设计，可以观察到几乎完全的吸收。前面已经表明，对于正方形的MM结构来说，如此优化了的MM结构其有效吸收面积是与谐振波长的平方在同一数量级的。对于条纹型MIM结构的情形，有效的ID吸收面积是与谐振波长同一数量级的。
[0091]图4H显示了在如图4A的一维结构中，计算的最大吸收曲线490作为间距p的函数图，其中电介质(ZnS，折射率n=2.2)膜厚180nm，两层以金制成的金属膜均厚50nm，腔宽度d=4.5 μ m,横向条纹尺寸W1=L 7 μ m。谐振波长为大约8 μ m。当间距小于谐振波长时，可以使所有的入射光子被吸收，吸收就达到最大化。当间距大于谐振波长时，吸收量就下降。这是因为谐振器(405，图4A)之间的间隔大于有效吸收面积。因此，这一以一结构型进行的模拟证实了与波长同一数量级的有效ID吸收面积。对于正方形的谐振器，其有效吸收面积与谐振波长的平方为同一数量级。
[0092]使用以上述方法优化的MIM结构能在限制吸收器面积的同时使有效吸收面积保持在与波长平方相同的数量级。因此，可以使微测热辐射计像素的横向尺寸Lp显著地减小至谐振波长值，从而得益于与像素面积(在图3A中由框313表示)相等的吸收面积307，因而得到接近100%的填充因子，同时确保由吸收器和测温元件形成的隔膜其横向尺寸远小于像素的尺寸。
[0093]通常，对于式(3)，对一个基本上为正方形的MM结构，形成吸收器/热敏电阻单元隔膜301的面积大约为(λ/2η)2，其中λ为吸收量最大的波长，η为电介质的折射率。对于宽为λ/2η、长度与像素尺寸相当的矩形MIM结构，隔膜面积大约为Lp.λ/2η。因此，在第一种情况下，隔膜的面积可能小于像素面积的四分之一，电介质的折射率大于I。在第二种情况下，隔膜的面积将被限制到微辐射热探测器像素面积的一半。在实践中，电介质的折射率大于I，通常选取在2至5之间，容易得知，取决于MIM结构的参数，形成吸收器/热敏电阻单元的隔膜面积可能低于像素面积的10%。
[0094]吸收器尺寸的显著减小可特别用于设计具有小尺寸(大约与所探测波长相同)像素用于高分辨率红外成像的微辐射热探测器阵列。吸收器尺寸的减小也使得相比于现有技术中的微辐射热探测器，绝热面积(达到超过微辐射热探测器像素面积的50%)的增加成为可能。现有技术的微辐射热探测器像素中的吸收器面积必须要全部覆盖整个像素面积。比如，可以增加绝热臂的长度，从而提高微辐射热探测器的灵敏度。
[0095]在微辐射热探测器像素比所关注的光谱带平均波长大的情况下，可将几种MIM结构排布在像素面积上，使得有效吸收面积覆盖整个像素面积(这将在下面图8D的例子中叙述)。然而，同样是在这种情况下，被吸收器元件覆盖的微辐射热探测器像素将远小于像素的总面积，使得有可能要使用更大的绝热面积。
[0096]像素面积中所释放的额外空间可用于例如增加热阻，通过例如使绝热臂比图3Α中所示的更长，从而增加微辐射热探测器的灵敏度来实现。另外，这也减小了测温元件的面积，所述面积被限制不超过与其接触的吸收器的面积是更有利的。因此，测温元件的质量也被降低了，从而降低了其热容量(直接与其质量相关)，进而减少了响应时间。
[0097]或者，如果为了减少响应时间，可以选择更短绝热臂。
[0098]根据另一个不同实施例，一方面为测温元件，另一方面为绝热臂，可以通过结构化膜的方法制备。
[0099]图5为一个典型的微辐射热探测器像素，其面积被框513包围，所述微辐射热探测器像素包含形成吸收器/热敏电阻单元的隔膜501。在给定参照物504的情况下，所述热敏电阻或测温单元与吸收器接触(图中未示出)。在这个例子中，一给定的包含一种材料或多层材料的膜被结构化，一方面为了形成测温元件，另一方面为了形成绝热臂。在这个例子中，所述膜形成测温元件504的那一部分被结构化以最大化吸收器和测温元件之间的接触面积，同时增大后者的电阻。例如，膜形成测温元件504的那一部分被结构化为蛇形，其长度远大于其宽度。微辐射热探测器的总电阻为绝热臂电阻和热敏电阻的总和。然而，后者在被吸收的辐射影响下变化最大，而绝热臂的电阻仅仅在温度梯度的部分影响下变化。所述温度梯度横跨绝热臂各个末端，其中一个末端与测温元件连接，另一个末端与固定点连接，固定点与支撑衬底接触。因此，结构化测温元件能提高其对总电阻的贡献，从而微辐射热探测器像素的响应得到改善。另外，也可以通过增加形成绝热臂的那部分膜的电导率来提高测温元件对总电阻的贡献，例如，如果膜是半导体膜，可以利用离子注入对膜进行局部掺杂。[0100]举例来说，在图3A或图5所示的微辐射热探测器像素的情形中，侧边尺寸被选为12 μ m,绝热臂宽I μ m，且在I μ m的每匝之间有绝热间隙，则每个绝热臂的热阻大约为25方(即每个绝热臂的热阻等于厚度相同、以串联方式排列的给定材料的25方)。图5中的蛇形将有可能宽0.2 μ m，并在这0.2 μ m宽度中每匝之间具有绝热间隙，从而获得60方的电阻。
[0101]前文已经展示，优化的MM等离子体结构是使得对谐振波长的光达到准全吸收的等离子体谐振区域。另外，MIM结构光谱响应的形状可以通过结合几个不同的谐振器来按照需求进行改变。下文描述的例子将显示其中几种不同的实施例变型。
[0102]图6A至6C为一种微辐射热探测器像素的3幅图，其中形成吸收器/热敏电阻单元的隔膜具有特别的结构，使得微辐射热探测器阵列的光谱响应可以被调整。在这几幅图中，就如在图4A中一样，只示出了吸收器和反射器。在这些例子中，MIM吸收器为复合的，由多个谐振波长不同的吸收器组成。
[0103]在图6A所示的第一个例子中，吸收器包含多个MM结构，标记为6054至6051)，空间上分布在整个微辐射热探测器像素的面积上。这些结构位于同一平面上，与沉积在支撑衬底(未不出)上的反射器602相距d。每个MIM结构包含由三层膜609、610、611，即由第一金属膜611、电介质膜610和第二金属膜609组成的多层膜。优选地，对于不同的MIM结构这三层膜的厚度将是一样的。每个MM结构可以通过前述的步骤进行优化，从而几乎完全地吸收所期望的光谱吸收带中的波长。吸收波长特别地由MM结构的横向尺寸来限定。因此,在这个例子中,MM结构是正方形的，每一个MM结构的横向尺寸都不同，从而获得光谱带中不同波长的谐振。如此获得的微辐射热探测器阵列就是不依赖偏振的。每个MIM结构的有效吸收面积都与谐振波长的平方在同一数量级，从而也就远大于吸收器的实际面积，通常大4至20倍。在一个包含所述微辐射热探测器像素阵列的微辐射热探测器阵列中，由于像素排列为阵列(未示出)，每个MIM结构在整个探测器上周期性重复，间距大小与像素尺寸相当。因此，对应每个MM结构的吸收波长，可以保证对入射到整个微辐射热探测器阵列面积上的光子的吸收。例如，当每个像素有4个不同的MIM结构，并且被优化对应4个不同的波长(如图6A所示)，就可以获得在所关注光谱带中的宽带吸收。
[0104]图6B显示了一个变型，其中吸收器605同样是复合的，含有多个不同的MIM结构605a至605d ;但是，这个例子中的MM结构并不是在空间上分布在整个像素面积上，而是一个层叠在另一个之上。因此，在这个例子中，第一个MM结构605a的第一金属膜611a形成了第二个MIM结构605b的第二金属膜611B，以此类推。在这个例子中，如图6A中的例子一样，MIM结构605a至605d具有不同的横向尺寸，使得在所用探测器的光谱带中不同的波长可以被吸收。将所述多层MIM结构大体上放置于微辐射热探测器像素中心的周围将更为有利。如此，有效吸收面积完全或几乎完全覆盖像素的整个面积，从而可以保证每一吸收波长的填充因子接近100%。
[0105]图6C显示了第三种变型，其中MM结构为层叠排列，与图6B —样。在这个变型中，从一个MM结构到另一个MM结构，电介质材料的性质是不同的，从而可以调整谐振波长，并且可以选择性地使MIM结构的横向尺寸基本一致，使得对吸收波长的选择有更大的灵活性。
[0106]虽然图6A至6C所示的例子中MM结构都是正方形的，但是完全可以制备具有矩形MIM结构的同种微辐射热探测器像素。在这种情况下，所述结构不再是对偏振不敏感的。可以选择性地优化这些结构的横向尺寸来获得对每一种(TE或TM)偏振态不同波长的吸收。将其他形状用于MIM结构也是可以想到的，例如可以是三角形或六边形的，从而调整微辐射热探测器像素的偏振响应。
[0107]图7A显示了一种吸收器的实施例，所述吸收器包含两个MM结构7054和705^在这个例子中，就如在图4A的例子中一样，只示出了吸收器单元和反射器702。另外，MIM结构的长W2远大于其宽度(w1A，w1B)，并且通常与像素的长度差不多，从而所述结构可以用半无限的条纹来模拟。在这个例子中，所述的两个MIM结构排列在同一个微辐射热探测器像素中。一旦制成了微辐射热探测器阵列，结构705a和705b就被周期性的排列起来，间距大小与像素尺寸相当。
[0108]图7B显示了以图7A所示类型的微辐射热探测器获得的吸收曲线720作为波长的函数，其中条纹宽度w1A=l.8 μ m, w1B=2.1 μ m,间距ρ=6 μ m,腔厚d=4.6 μ m,金属膜厚50nm,电介质膜厚190nm，电介质折射率2.2。这条曲线上有两个吸收峰，分别位于谐振波长约9.5和Ilym处，表明了塑造光谱带形状的可行性。
[0109]图8A至8D为按照本发明制备的微辐射热探测器其他实施例的顶视图。其中同等的元件以相同的参考数字标示。
[0110]所述微辐射热探测器像素被框813所包围，而每个图中的框807则代表了有效吸收面积。支撑衬底以参考数字803标示。与图3A中一样，所述探测器装备有读数回路(未示出)以及用于连接测温元 件和读数回路的导电连接衬垫815。
[0111]图8A中的例子显示了一种微辐射热探测器像素800或包含一个简单的吸收器元件805，即一个包含了单一 MM结构的元件，或包含一个复合的吸收器元件805，即一个包含了一组层叠的MM结构的元件，如图6B和6C中的例子一样。将吸收器元件置于微辐射热探测器像素中心的周围将更为有利。像素的尺寸与所述结构的吸收波长在同一数量级，例如对于波带III的操作，12 μ m。因此，以例如像素800形成的微辐射热探测器阵列的光谱特征形状可以是窄的(单一吸收器)或具有某种形状的(复合吸收器)。在图8A中，不能看见位于吸收器元件下方的测温元件。优化形成吸收器的MIM结构可以使所获得的有效吸收面积807远大于吸收器自身的面积，从而可以获得接近100%的有效填充率以及非常大的绝热边。在图8A的例子中，所述绝热边利于形成更长的绝热臂806，增大热阻，进而提高灵敏度。由此造成的响应时间的增加被隔膜热容的减小所补偿，隔膜热容的减小是由于测温元件质量的减小，测温元件的面积受限于吸收器元件的面积。
[0112]图SB中所示的微辐射热探测器像素820与图8A中所示的微辐射热探测器像素类似，主要的区别在于图8B中的绝热臂806短一些。这样的构造利于响应时间而不利于灵敏度，适用于快速成像。
[0113]图SC显示了一种微辐射热探测器像素840，其吸收器845是复合的，包含了一组吸收器元件850、851、852和853。每一个吸收器元件可以是单一的MM结构或者多层的MM结构，如图6B或6C所示的一样。利用这种像素可以获得在整个关注的光谱带上有特别形状的光谱响应。更有利的是，所述吸收器元件排列在像素中心，如前述例子中一样每个吸收器元件的有效吸收面积与像素面积大致相同。因此，此构型同样适用于小型像素，即尺寸在所关注光谱带平均波长的数量级。
[0114]图8D中的例子描绘了一种更大的微辐射热探测器像素860，例如尺寸为24 μ m。在这种情况下，吸收器865是由一组相同的吸收器元件871至874组成的，每一个吸收器元件由单一 MIM结构或多层MIM结构形成。每个吸收器元件被优化以得到覆盖部分像素面积的有效吸收面积，例如图8D中，每个吸收器元件覆盖了像素面积的四分之一，从而四个吸收器元件的有效吸收面积807覆盖了整个像素面积，如上所述。
[0115]图9A到9F显示了图表说明，根据一个例子，一种依据本发明的用于制造微测热辐射计阵列的方法。根据这一例子，所有微测热辐射计的微测热辐射计像素都是生产于同一过程中。在第一步(图9A)，一个金属反射器(902)，例如由铝制造，被沉积于支撑衬底(903)的上表面，所述衬底包括一个读数回路(在图9A中未显示)和将测温元件连接到读数回路的导电连接衬垫915。反射器，比如，被定义为铝膜的光刻/蚀刻。反射器可，比如，在衬底的所有区域形成一个连续层，以及提供给连接衬垫的开口。在第二步(图9B)，一层牺牲膜，比如聚酰亚胺，膜920沉积于支撑衬底903。这层膜将被用于形成悬挂隔膜。它的厚度被定义为有关希望形成于吸收器平面与反射器之间的空腔高度的函数。之后开口于牺牲膜920中形成，比如干法刻蚀，以便使锚定元件安置到位(图9C)。在之后的步骤里(图9D)，一层热阻膜，例如由非晶硅制备的，和绝缘膜，例如由氮化硅制备的，被沉积并且由热阻膜和绝缘膜形成的装配体被组装好，例如通过干法刻蚀或者剥离工艺(lift-off)，以定义测温元件和绝缘臂。MM结构905，作为吸收器，被沉积(图9E)，例如通过剥离工艺，在装配体930绝缘膜的上表面，在预备形成测温元件的区域。绝缘膜具有使测温元件的热阻膜与结构中第一金属膜911电绝缘的功能。MIM结构包括多层的第一金属膜911,电介质膜910和第二金属膜909，膜的尺寸被最优化以吸收要求的波长，正如上文所述。例如可以是金/硫化锌/金多层膜。最后，牺牲层被除去(图9F)，例如通过干法刻蚀，为了通过绝缘臂906和锚定元件912形成悬挂于衬底上的隔膜(904)，空腔908在吸收器905和反射器902之间形成。
[0116]在过程中的第一个变型，有利地适用于测温元件由半导体制备的情况，对掺杂部分930的操作以形成热绝缘臂，例如，通过离子注入，在图9E中所示步骤之后引入。如果结构905用作为注入离子的掩膜，局部离子注入可有利地自对准。也可通过光致抗蚀剂掩膜限制注入区域仅于装配体930形成热绝缘臂的部分获得。
[0117]在过程中的第二个变型，锚定元件由另外的金属膜制造。为了达到这一目的，在图9B所示步骤之后，热阻膜，例如由非晶硅制备的，沉积于牺牲膜920之上。在步骤9C中形成的开口之后连续地穿过非晶硅膜和牺牲膜。锚定元件被安置于沉积单一金属，例如钛膜或一组包括例如钛、氮化钛和铝金属膜处，这些膜通过光刻/蚀刻定义和构成，以形成导电连接衬垫915和非晶硅膜末端的上表面之间的机电连接。在之后的步骤(图9D)中，一层绝缘的，例如氮化硅膜，被沉积。由热阻膜和绝缘膜形成的装配体构成，例如通过干法刻蚀，以定义测温元件和绝缘臂。
[0118]另一个存在于延展金属膜(可选择为金属膜)的可能变型，以前经常用来生产绝缘臂全部或部分的锚定元件。这一选择提供了臂低电阻因此可能使过程中第一变型的离子注入操作变成多余的，如果测温元件不是半导体这可能是有利的。
[0119]图10说明了一个典型的合并了配置有像素的微测热辐射计阵列和本发明的摄像机。该摄像机，例如用来红外成像，包括:输入光学器件2用来形成图像；位于上述光学器件焦平面置于真空包装4中的微测热辐射计阵列3，该包装包括一个对所关注的波长透明的盖子；电子设备5用于给微测热辐射计阵列提供电源并且处理由微测热辐射计阵列读数回路发送的信号。显示器6可显示获得的图像。凭借本发明中的微测热辐射计阵列，可以获得非常高分辨率的图像(微测热辐射计像素达到与波长相同的尺寸)同时保持了非常好的敏感性。
[0120]尽管只对一定数量的具体典型实施例进行了描述，对本领域的技术人员显而易见，根据本发明的微测热辐射计包括各种各样的不同实施例、以及对实施例的修改和改进，为了使得本领域的技术人员可以通过本公开方案鉴别其他不超过本公开方案范围的实施例，该保护范围受到以下附加权利说明书的限制。
[0121]特别地，尽管大部分描述的例子都是在红外线的波段III操作的，本发明适用于其他光谱带尤其是从远红外到毫米波长范围的光谱带。
【权利要求】
1.一种用于对给定光谱带的光辐射进行热探测的微测热辐射计阵列，包括一个支撑衬底和给定尺寸的微测热辐射计像素(300)阵列，其中每个微测热辐射计像素包括: 利用支撑元件悬挂于上述支撑衬底之上的隔膜(301)，所述隔膜包括一个吸收入射辐射的元件(305)和一个与吸收器热接触的测温元件(304)，与上述吸收元件电绝缘； 将上述测温元件与支撑衬底导电连接的元件； 设置于测温元件与支撑衬底之间的热绝缘臂(306)； 并且其中: 吸收元件包括至少一个第一金属/绝缘体/金属(MIM)结构,包括多个三层叠加的亚微细粒厚度的膜的多层结构，即第一金属膜(311)、电介质膜(310)和第二金属膜(309)，上述MM结构具有对上述光谱带中的至少一种波长的入射辐射的谐振吸收；并且 微测热辐射计像素被上述隔膜(301)覆盖的区域小于或等于整个微测热辐射计像素区域的一半。
2.如权利要求1所述的微测热辐射计阵列，其中上述热绝缘臂也形成了测温元件导电连接的元件。
3.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中每个微测热辐射计像素的热绝缘臂和/或测温元件形成于结构化膜(930)。
4.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中每个微测热辐射计像素的测温元件呈现蛇形的结构。
5.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中每个微测热辐射计像素的测温兀件包括一层或多层材料，所述材料可从非晶娃、钥;基化合物和娃-锗合金中选择。
6.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中每个微测热辐射计像素的测温元件通过电绝缘膜与吸收元件绝缘。
7.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中至少一个微测热辐射计像素的所述第一层MIM结构设置于大体位于微测热辐射计像素中心。
8.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中至少一个微测热辐射计像素的吸收元件包括多层上述MM结构，设置于微测热辐射计像素表面。
9.如权利要求8所述的微测热辐射计阵列，其中至少两个所述MM结构是不同的并且具有对上述光谱带中的至少两个不同波长的入射辐射的谐振吸收。
10.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中至少一个微测热辐射计像素的吸收元件包括至少一个第二 MM结构，第二 MM结构叠加在所述第一 MM结构上，所述第一和第二结构具有对上述光谱带中的至少两个不同波长的入射辐射的谐振吸收，并共享公共的金属膜。
11.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中，对于每个微测热辐射计像素，所述MIM结构的至少一个横向尺寸小于或等于λ_/2η，其中λ_是上述光谱带的最长波长并且η是所述MM结构中电介质膜的电介质的折射率。
12.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中所述每个微测热辐射计像素的MIM结构中的电介质膜是由以下材料中选择一种制备而来，硫化锌(ZnS)、三氟化钇(YF3)、氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiOx)、氧氮化硅(SiOxNy)、非晶锗(a-Ge)、非晶硅(a-Si)和硅锗非晶合金(a-SiGe)。
13.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中所述每个微测热辐射计像素的MIM结构中的第一或第二金属膜是由以下材料中选择一种制备而来，金、铜、铝和银。
14.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中每个微测热辐射计像素进一步包括一个位于与上述隔膜平面相距为d的反射器(302)，以便在上述波长形成谐振腔。
15.如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，其中所述支撑衬底包括用于读取每个微测热辐射计像素测温元件电阻的回路。
16.探测红外辐射的摄像机，包括光学成像器件，位于上述光学成像器件焦平面附近的如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列，和处理由热辐射器读数回路传送的信号的>j-U ρ?α装直。
17.一种用于制造如上述任一权利要求所述的微测热辐射计阵列的方法，包括: 在支撑衬底上沉积一层牺牲膜； 在上述膜锚定微测热辐射计像素元件的位置形成开口； 沉积一层结构化膜以对于每一个微测热辐射计像素定义测温元件和热绝缘臂； 在形成的每一个测温元件上沉积MM结构； 去除牺牲膜。
18.一种用于制造权利要求17中所述的微测热辐射计阵列的方法，包括，在沉积牺牲膜之前，对于每一个微测热辐射计像素和反射元件，一步沉积反射膜结构形成。
【文档编号】G01J5/08GK103930755SQ201280044662
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2012年7月13日 优先权日:2011年7月15日
【发明者】C·克什兰, P·布雄, R·海达尔, J-L·佩卢阿德, J-J·约恩, J·德尚, F·帕尔多, S·科兰 申请人:中央科学研究中心, 法国宇航院, 原子能和替代能源专员署
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