一种非制冷红外焦平面探测器像元及其制备方法与流程

本发明涉及一种非制冷红外焦平面探测器像元及其制备方法，属于非制冷红外焦平面探测器领域技术领域。

背景技术：

随着像元尺寸逐步缩小，单个传感器所吸收的目标辐射能量显著减少。为了维持相对一致的传感器灵敏度，必须提升传感器的响应率。传感器的响应率取决于像元尺寸、传感器与衬底间的热导、传感器的光学吸收效率与热敏材料性能。在传统双层微桥结构中，第一层为细长桥腿构成的桥腿支撑结构，用以提升传感器与衬底间的热导。第二层包含氧化钒层，用以吸收目标红外辐射并转变为电学信号。当红外辐射入射到红外探测器像元时，除顶层对红外辐射有吸收外，底部桥腿对于入射的红外辐射也有部分吸收作用，但对于顶层温升贡献有限。随着像元尺寸的进一步缩小，需进一步提升顶层结构的吸收效率。

美国Raytheon曾申请专利(美国专利：US 6690014B1)。该专利采用的技术方案采用双层微桥结构，第一层为支撑桥腿，第二层为热敏层非晶硅薄膜。该结构虽然可以有效的探测红外辐射，但是当像元缩小时，热敏层的面积随之减小，从而导致吸收率会下降非常明显。所以该结构不利于制作高响应率的小像元探测器。此外，DRS专利(美国专利：US891161B2)采用类似Raytheon的结构，制作双层结构，第一层的热绝缘桥腿采用蛇形结构，第二层制作悬空探测器，两层结构与基底形成两个谐振腔。该结构同Raytheon专利的利弊相同。

非制冷红外探测技术是无需制冷系统对外界物体的红外辐射(IR)进行感知并转化成电信号经处理后在显示终端输出的技术，可广泛应用于国防、航天、医学、生产监控等众多领域。非制冷红外焦平面探测器由于其能够在室温状态下工作，并具有质量轻、体积小、寿命长、成本低、功率小、启动快及稳定性好等优点，满足了民用红外系统和部分军事红外系统对长波红外探测器的迫切需要，近几年来发展迅猛，正朝着高灵敏、宽谱段、高分辨率、低功耗、小型化和智能化的方向发展。非制冷红外探测器主要包括测辐射热计、热释电和热电堆探测器等，其中基于MEMS制造工艺的微测辐射热计(Micro-bolometer)红外探测器由于其响应速率高，制作工艺简单且与集成电路制造工艺兼容，具有较低的串音和较低的1/f噪声，较高的帧速，工作无需斩波器，便于大规模生产等优点，是非制冷红外探测器的主流技术之一。

微测辐射热计(Micro-bolometer)是基于具有热敏特性的材料在温度发生变化时电阻值发生相应的变化而制造的一种非致冷红外探测器。工作时对支撑在绝热结构上的热敏电阻两端施加固定的偏置电压或电流源，入射红外辐射引起的温度变化使得热敏电阻阻值减小，从而使电流、电压发生改变，并由读出电路(ROIC:Readout Integrated Circuits)读出电信号的变化。微测辐射热计的红外辐射探测过程，主要是通过悬空的微桥结构来完成的，所以微测辐射热计的结构制造是决定其性能的关键因素。传统结构为双层结构，底层桥腿，顶层热敏层，而对热敏层的温升贡献主要集中在顶层结构，底层的桥腿结构等其余结构的温升贡献都比较小，从而导致探测器的灵敏度比较低。

中国发明专利授权公告号为CN 103715307 B的《一种非制冷红外探测器及其制备方法》，公开了一种非制冷红外探测器的制备方法及其结构。该专利使用的单层微桥结构，桥腿和热敏层均在同一层。该结构在制作大尺寸像元时，可以有效的提升吸收率。但是随着像元尺寸的缩小，该结构将不能满足高吸收率探测器像元的需求。另外，由于该结构的谐振腔高度有限，能够检测到的红外波长范围有限，主要集中在8-14μm。

鉴于此，有必要开发一种新的非制冷红外焦平面探测器像元，以解决现有技术的不足。

技术实现要素：

本发明的目的之一，是提供一种非制冷红外焦平面探测器像元的制备方法。本发明的制备方法简单，能够提高与集成电路的兼容性，从而可以实现规模化生产，降低生产成本。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种非制冷红外焦平面探测器像元的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：提供一包含读出电路的半导体衬底，在半导体衬底上沉积一金属层；并对金属层进行图形化，形成金属反射层图形和金属电极块；金属电极块与半导体衬底上的读出电路电连接；在完成图形化的金属层上沉积绝缘介质层；在绝缘介质层上沉积第一层牺牲层，并对第一牺牲层进行平坦化处理，在完成平坦化处理后的第一牺牲层上沉积SiO₂薄膜作为第一支撑层；再在第一支撑层上沉积氮化硅薄膜作为第一支撑层保护层；

步骤2：在从所述第一支撑层保护层至所述半导体衬底方向上通过光刻和反应离子蚀刻的方法蚀刻第一通孔，第一通孔蚀刻终止于与读出电路电连接的金属电极块；

步骤3：在第一支撑层保护层上和第一通孔的底部沉积第一金属电极层，并对第一金属电极层进行图形化，形成金属连线和金属电极；在完成图形化处理后的第一金属电极层上沉积第一氮化硅介质层；然后自第一氮化硅介质层垂直向下，依次蚀刻第一氮化硅介质层、第一金属电极层、第一支撑层保护层和第一支撑层，蚀刻终止于所述第一牺牲层；形成桥腿结构；

步骤4：在桥腿结构上沉积第二牺牲层，并对第二牺牲层进行平坦化处理，在完成平坦化处理后的第二牺牲层上沉积SiO₂薄膜作为第二支撑层；再在第二支撑层上沉积氮化硅薄膜作为第二支撑层保护层；在从所述第二支撑层保护层至所述第一金属电极层方向上通过光刻和反应离子蚀刻的方法蚀刻第二通孔，第二通孔蚀刻终止于与第一金属电极层；

步骤5：在第二支撑层保护层上沉积热敏层，并对热敏层进行图形化；

步骤6：在完成图形化处理后的热敏层上沉积氮化硅薄膜作为热敏层保护层，并对热敏层保护层进行图形化；在完成图形化处理后的热敏层保护层上通过光刻和反应离子蚀刻的方法，刻蚀掉热敏层上方的部分热敏层保护层，露出热敏层，形成接触孔；

步骤7：在第二支撑层保护层上、热敏保护层、接触孔和第二通孔的底部沉积第二金属电极层，并对第二金属电极层进行图形化；

步骤8：在完成图形化处理后的第二金属电极层上沉积第二氮化硅介质层，并对第二氮化硅介质层进行图形化；

步骤9：自完成图形化处理后的第二氮化硅介质层垂直向下，依次蚀刻第二氮化硅介质层、第二金属电极层、热敏层保护层、热敏层、第二支撑层保护层，蚀刻终止于第二牺牲层；形成包含微桥腿和热敏结构的热转换结构；

步骤10：在包含微桥腿和热敏结构的热转换结构上沉积第三牺牲层，并对第三牺牲层进行平坦化处理，在完成平坦化处理后的第三牺牲层上沉积SiO₂薄膜作为第三支撑层；再在第三支撑层上沉积吸收层薄膜作为吸收层；再在吸收层上沉积氮化硅薄膜作为吸收层保护层，形成吸收层结构；

步骤11：自吸收保护层垂直向下，依次蚀刻吸收保护层、吸收层和第三支撑层，蚀刻终止于第三牺牲层；然后释放第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层，即得所述新型非制冷红外焦平面探测器像元。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，步骤1中，所述金属反射层厚度为0.05-0.40μm；所述绝缘介质层为氮化硅薄膜或者SiO₂薄膜，所述绝缘介质层的厚度为0.02-0.30μm；所述第一牺牲层为非晶碳、非晶硅、聚酰亚胺中的一种；采用PECVD方法沉积SiO₂薄膜作为第一支撑层；所述第一支撑层的厚度为0.05-0.30μm；采用PECVD方法沉积氮化硅薄膜作为第一支撑层保护层；所述第一支撑层保护层的厚度为0.05-0.30μm。

采用上述进一步的有益效果是：能够实现各层结构的稳定性与平整度。其中，金属反射层对特定波长(如8-14μm)的红外光的反射率在98％以上。

进一步，步骤3中，采用PVD方法沉积所述第一金属电极层，所述第一金属电极层为Ti薄膜、NiCr薄膜或TiN薄膜中的一种；所述第一金属电极层的厚度为采用PEVCD方法沉积所述第一氮化硅介质层；所述第一氮化硅介质层的厚度为

进一步，步骤4中，所述第二牺牲层为非晶碳、非晶硅、氧化硅、聚酰亚胺中的一种；所述第二牺牲层的厚度为0.5-3μm；采用PECVD方法沉积SiO₂薄膜作为第二支撑层；所述第二支撑层的厚度为0.05-0.30μm；采用PECVD方法沉积氮化硅薄膜作为第二支撑层保护层；所述第二支撑层保护层的厚度为0.05-0.30μm。

进一步，步骤5中，采用离子束沉积或物理气相沉积的方法沉积所述热敏层；所述热敏层为VOx薄膜或非晶硅薄膜；所述热敏层的厚度为在沉积热敏层之前，先沉积一层V/V₂O₅/V薄膜作为过渡层，所述V/V₂O₅/V薄膜的厚度为

进一步，步骤6中，采用PECVD方法沉积氮化硅薄膜作为热敏保护层；所述热敏层保护层的厚度为蚀刻接触孔采用SF₆、CHF₃和O₂，或CF₄和O₂作为蚀刻气体，采用终点监测设备进行蚀刻反应终点监控。

采用上述进一步的有益效果是：采用EPD监控蚀刻反应，能够有效的监控蚀刻进程，避免将电极全部蚀刻干净，防止刻穿热敏层。

进一步，步骤10中，所述第三牺牲层为非晶碳、非晶硅、氧化硅、聚酰亚胺中的一种；所述第三牺牲层的厚度为0.5-3μm；采用PECVD方法沉积SiO₂薄膜作为第三支撑层；所述第三支撑层的厚度为0.05-0.30μm；所述吸收层薄膜的材料为石墨烯、碳纳米管、二氧化钛纳米管、氧化锌纳米管、氧化铝纳米管中的一种；所述吸收层保护层的厚度为0.05-0.30μm。

采用上述进一步的有益效果是：拓宽吸收谱段至短波红外，并且可以提升对于特定红外波段(如8-14μm)的吸收率。

进一步，步骤11中，采用去胶机、离子刻蚀机或等离子灰化机对所述第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层进行释放。

采用上述进一步的有益效果是：采用去胶机、离子刻蚀机或等离子灰化机释放非晶碳，可以释放地更完全，而且生成二氧化碳和水，不会污染环境。

进一步，步骤1、步骤4、步骤6、步骤10中，所述氮化硅薄膜的应力均为-50-100MPa。

采用上述进一步的有益效果是：氮化硅薄膜的压力为-50-100MPa，属于低应力。过大的张应力会使薄膜发生断裂,而过大的压应力则会使薄膜发生翘曲在上述低应力下。而本发明的氮化硅薄膜所采用的压力范围，可以有效地防止薄膜断裂或者翘曲。

本发明的目的之二，是提供一种非制冷红外焦平面探测器像元。本发明的非制冷红外焦平面探测器像元，能显著提高红外辐射的吸收率，提升探测器的响应率，为制造更大阵列和更小像元的探测器打下基础。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种非制冷红外焦平面探测器像元，包括一包含读出电路的半导体衬底和一具有三层结构的探测器像元，所述探测器像元与所述半导体衬底的读出电路形成电连接，

所述探测器像元自半导体衬底往上，依次包括三层结构，其中，第一层为桥腿结构，第二层为热转换结构，第三层为吸收层结构；

第一层的桥腿结构包括金属反射层、绝缘介质层、第一支撑层、第一支撑层保护层、第一金属电极层和第一氮化硅介质层；

第二层的热转换结构包括第二支撑层、第二支撑层保护层、热敏层、热敏层保护层、第二金属电极层和第二氮化硅介质层；

第三层的吸收层结构包括第三支撑层、吸收层和吸收层保护层；

所述半导体衬底的读出电路上依次设置有金属反射层和绝缘介质层；

所述第一支撑层设置于所述绝缘介质层的上方；

所述第一支撑层上依次设置有所述第一支撑层保护层、第一金属电极层和第一氮化硅介质层；

所述第二支撑层设置于所述第一氮化硅介质层的上方；

所述第二支撑层上依次设置有所述第二支撑层保护层、热敏层、热敏层保护层、第二金属电极层和第二氮化硅介质层；

所述第三支撑层设置于所述第二氮化硅介质层的上方；

所述第三支撑层上依次设置有所述吸收层和吸收层保护层。

本发明中，第一层的桥腿结构为底层，采用密布细长桥腿的桥支撑结构，是用于实现传感器与衬底间的热绝缘。

第二层的热电转换结构还包含微桥腿和热敏结构，从而使整体结构的桥腿长度变长，可以使探测器的热绝缘性更好，从而可以减小环境温度的影响，减小热导，提升探测器的性能。

第三层的吸收层为顶层，采用亚波长吸收结构，可以有效拓宽红外吸收光谱范围，并增加8-14μm波段的吸收率，从而使与第三层结构相连的第二层热电转换结构的热响应更大。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述绝缘介质层为氮化硅薄膜；所述第一支撑层为SiO₂薄膜；所述第一支撑层保护层为氮化硅薄膜；所述第二支撑层为SiO₂薄膜；所述第二支撑层保护层为氮化硅薄膜；所述热敏层为VOx薄膜或非晶硅薄膜；所述热敏层保护层为氮化硅薄膜；所述第三支撑层为SiO₂薄膜。

本发明的有益效果是：

1.本发明的非制冷红外焦平面探测器像元，采用三层结构，第二层的热转换结构分别处于第一层的桥腿结构和第三层的吸收层结构之间，从而在制作小像元的探测器时可以有效的提升填充因子。另外，该结构的探测器像元可以将探测范围从8-14μm扩展到更宽的亚波长波段。

2.本发明的非制冷红外焦平面探测器像元，可以实现热敏单元与衬底的热绝缘，从而减小环境温度变化对探测器输出的影响，增加了探测器的灵敏度。

3.本发明的非制冷红外焦平面探测器像元，能显著提高红外辐射的吸收率，拓宽红外吸收谱段，提升探测器的响应率，为制造更大阵列和更小像元的探测器打下基础。

4.本发明的方法能够与集成电路工艺兼容，便于大规模生产。

附图说明

图1为本发明的金属反射层、第一牺牲层、第一支撑层和第一支撑层保护层形成示意图。

图2为本发明的第一通孔形成示意图。

图3为本发明的第一金属电极层以及第一层的桥腿结构形成示意图。

图4为本发明的第二牺牲层、第二支撑层和第二支撑层保护层形成示意图。

图5为本发明的热敏层形成示意图。

图6为本发明的热敏层保护层和接触孔形成示意图。

图7为本发明的第二金属电极层形成示意图。

图8为本发明的第二氮化硅介质层形成示意图。

图9为本发明的第二层结构的热转换结构形成示意图。

图10为本发明的第三牺牲层和第三支撑层、吸收层、吸收层保护层形成示意图。

图11为本发明的三层微桥结构形成示意图。

图12为本发明的像元与现有技术的像元的吸收率对比曲线图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、半导体衬底，2、金属反射层，3、金属电极块，4、绝缘介质层，51、第一牺牲层，52、第二牺牲层，53、第三牺牲层，6、第一支撑层，7、第一支撑层保护层，8、第一通孔，9、第一金属电极层，91、金属连线，92、金属电极，10、第一氮化硅介质层，11、第二支撑层，12、第二支撑层保护层，13、第二通孔，14、第二金属电极层，15、第二氮化硅介质层，16、接触孔，17、热敏层，18、热敏层保护层，19、第三支撑层，20、吸收层，21、吸收层保护层。

具体实施方式

以下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。

一种非制冷红外焦平面探测器像元的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：如图1所示，提供一包含读出电路(图中未示出)的半导体衬底1，在半导体衬底1上沉积一金属层；并对金属层进行图形化，形成金属反射层2图形和金属电极块3，金属反射层2厚度为0.05-0.40μm；金属电极块3与半导体衬底1上的读出电路电连接；在完成图形化的金属层上沉积绝缘介质层4，绝缘介质层4为应力为-50-100MPa的氮化硅薄膜或者SiO₂薄膜，绝缘介质层4的厚度为0.02-0.30μm；在绝缘介质层4上沉积第一牺牲层51，第一牺牲层51为非晶碳、非晶硅、聚酰亚胺中的一种，并对第一牺牲层51进行平坦化处理，在完成平坦化处理后的第一牺牲层51上采用PECVD方法沉积SiO₂薄膜作为第一支撑层6；再在第一支撑层6上沉积应力为-50-100MPa的氮化硅薄膜作为第一支撑层保护层7，第一支撑层6的厚度为0.05-0.30μm。

步骤2：如图2所示，在从所述第一支撑层保护层7至所述半导体衬底1方向上通过光刻和反应离子蚀刻的方法蚀刻第一通孔8，第一通孔8蚀刻终止于与读出电路电连接的金属电极块3。

步骤3：如图3所示，在第一支撑层保护层7上和第一通孔8的底部采用PVD方法沉积第一金属电极层9，第一金属电极层9为Ti薄膜、NiCr薄膜或TiN薄膜中的一种，第一金属电极层9的厚度为并对第一金属电极层9进行图形化，形成金属连线91和金属电极92；在完成图形化处理后的第一金属电极层9上采用PEVCD方法沉积第一氮化硅介质层10，第一氮化硅介质层10的厚度为然后自第一氮化硅介质层10垂直向下，依次蚀刻第一氮化硅介质层10、第一金属电极层9、第一支撑层保护层7和第一支撑层6，蚀刻终止于所述第一牺牲层51；形成桥腿结构。

步骤4：如图4所示，在桥腿结构上沉积第二牺牲层52，第二牺牲层52为非晶碳、非晶硅、氧化硅、聚酰亚胺中的一种，第二牺牲层52的厚度为0.5-3μm，并对第二牺牲层52进行平坦化处理，在完成平坦化处理后的第二牺牲层52上采用PECVD方法沉积SiO₂薄膜作为第二支撑层11，第二支撑层11的厚度为0.05-0.30μm；再在第二支撑层11上采用PECVD方法沉积应力为-50-100MPa的氮化硅薄膜作为第二支撑层保护层12，第二支撑层保护层12的厚度为0.05-0.30μm；在从所述第二支撑层保护层12至所述第一金属电极层9方向上通过光刻和反应离子蚀刻的方法蚀刻第二通孔13，第二通孔13蚀刻终止于与第一金属电极层9。

步骤5：如图5所示，在第二支撑层保护层12上，采用离子束沉积或物理气相沉积的方法沉积热敏层17，热敏层17为VOx薄膜或非晶硅薄膜；热敏层17的厚度为在沉积热敏层17之前，先沉积一层V/V₂O₅/V薄膜作为过渡层，V/V₂O₅/V薄膜的厚度为并对热敏层17进行图形化。

步骤6：如图6所示，在完成图形化处理后的热敏层17上，采用PECVD方法沉积应力为-50-100MPa的氮化硅薄膜作为热敏层保护层18，热敏层保护层18的厚度为并对热敏层保护层18进行图形化；在完成图形化处理后的热敏层保护层18上通过光刻和反应离子蚀刻的方法，刻蚀掉热敏层17上方的部分热敏层保护层18，露出热敏层17，形成接触孔16，蚀刻接触孔16采用SF₆、CHF₃和O₂，或CF₄和O₂作为蚀刻气体；金属电极层厚度极薄，蚀刻过程中，采用终点监测设备进行蚀刻反应终点监控，以免将金属电极层蚀刻干净。

步骤7：如图7所示，在第二支撑层保护层12上、热敏保护层18、接触孔16和第二通孔13的底部，采用PVD方法沉积第二金属电极层14，第二金属电极层14为Ti薄膜、NiCr薄膜或TiN薄膜中的一种；第二金属电极层14的厚度为并对第二金属电极层14进行图形化。

步骤8：如图8所示，在完成图形化处理后的第二金属电极层14上，采用PEVCD方法沉积第二氮化硅介质层15，第二氮化硅介质层15的厚度为并对第二氮化硅介质层15进行图形化。

步骤9：如图9所示，自完成图形化处理后的第二氮化硅介质层15垂直向下，依次蚀刻第二氮化硅介质层15、第二金属电极层14、热敏层保护层18、热敏层17、第二支撑层保护层12，蚀刻终止于第二牺牲层52；形成包含微桥腿和热敏结构的热转换结构。

步骤10：如图10所示，在包含微桥腿和热敏结构的热转换结构上沉积第三牺牲层53，第三牺牲层53为非晶碳、非晶硅、氧化硅、聚酰亚胺中的一种；第三牺牲层53的厚度为0.5-3μm；并对第三牺牲层53进行平坦化处理，在完成平坦化处理后的第三牺牲层53上，采用PECVD方法沉积SiO₂薄膜作为第三支撑层19；第三支撑层19的厚度为0.05-0.30μm；再在第三支撑层19上沉积吸收层薄膜作为吸收层20；再在吸收层20上沉积应力为-50-100MPa的氮化硅薄膜作为吸收层保护层21，吸收层薄膜的材料为石墨烯、碳纳米管、二氧化钛纳米管、氧化锌纳米管、氧化铝纳米管中的一种，吸收层保护层21的厚度为0.05-0.30μm，形成吸收层结构。

一种非制冷红外焦平面探测器像元，如图11所示，包括一包含读出电路的半导体衬底和一具有三层结构的探测器像元，所述探测器像元与所述半导体衬底的读出电路形成电连接，

所述探测器像元自半导体衬底1往上，依次包括三层结构，其中，第一层为桥腿结构，第二层为热转换结构，第三层为吸收层结构；

第一层的桥腿结构包括金属反射层2、绝缘介质层4、第一支撑层6、第一支撑层保护层7、第一金属电极层9和第一氮化硅介质层10；

第二层的热转换结构包括第二支撑层11、第二支撑层保护层12、热敏层17、热敏层保护层18、第二金属电极层14和第二氮化硅介质层15；

第三层的吸收层结构包括第三支撑层19、吸收层20和吸收层保护层21；

所述半导体衬底1的读出电路上依次设置有金属反射层2和绝缘介质层4；

所述第一支撑层6设置于所述绝缘介质层4的上方；

所述第一支撑层6上依次设置有所述第一支撑层保护层7、第一金属电极层9和第一氮化硅介质层10；

所述第二支撑层11设置于所述第一氮化硅介质层10的上方；

所述第二支撑层11上依次设置有所述第二支撑层保护层12、热敏层17、热敏层保护层18、第二金属电极层14和第二氮化硅介质层15；

所述第三支撑层19设置于所述第二氮化硅介质层15的上方；

所述第三支撑层19上依次设置有所述吸收层20和吸收层保护层21。

其中，所述绝缘介质层4为氮化硅薄膜；所述第一支撑层6为SiO₂薄膜；所述第一支撑层保护层7为氮化硅薄膜；所述第二支撑层11为SiO₂薄膜；所述第二支撑层保护层12为氮化硅薄膜；所述热敏层17为VOx薄膜或非晶硅薄膜；所述热敏层保护层18为氮化硅薄膜；所述第三支撑层19为SiO₂薄膜。

将本发明的像元与现有技术的像元的吸收率做对比，如图12所示。本发明的像元结构在3-14μm的吸收率均在80％以上，8-14μm波段的吸收率更达到了90％以上。而现有技术的结构在3-5μm的吸收率非常低，只有15-40％，8-14μm的吸收率也只有80％左右。由此可见，本发明的非制冷红外焦平面探测器像元，能显著提高红外辐射的吸收率，拓宽红外吸收谱段，提升探测器的响应率，为制造更大阵列和更小像元的探测器打下基础。

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。