CN100573063C - 微机械碳纳米管场发射型非致冷热成像器件及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新颖的微机械碳纳米管场发射型非致冷热成像器件及制作方法，属于微电子机械系统领域。该器件由红外光学系统、衬底(1)，m×n的像素陈列(15)，荧光屏(14)以及偏置电路(16)等组成。其特征在于采用微机械技术制作双材料梁(膜)作为栅极，在催化剂上定向生长的碳纳米管作为场发射源。其制作特征在于：选择合适的衬底材料，制作牺牲层及锚区，淀积双层材料，刻蚀出栅孔，并在栅孔下制作催化剂材料，在催化剂材料材料上定向生长碳纳米管，去掉牺牲层材料释放双材料梁(膜)，随后封接荧光屏，实现对m×n的像素阵列的真空封装。最后连接偏置电路及其它校准电路，装配红外光学系统，形成微机械碳纳米管场发射型非致冷热成像器件。

Description

微机械碳纳米管场发射型非致冷热成像器件及制作方法

技术领域

本发明涉及一种红外探测器，特别涉及一种新颖的微机械碳纳米管场发射型非致冷热成像器件及制作方法，属于微电子机械系统领域。

背景技术

红外成像器件按照工作原理可分为量子型与热型两大类，前者基于光电效应完成红外图像到可见光图像的转化，为了降低噪声实现红外成像，器件需要工作在低温环境下(大约77K)；后者基于红外热效应完成红外图像到可见光图像的转化，可在室温下工作。在目前的技术水平下，两者相比较，量子型红外成像器件具有更高的噪声等效温差(NETD)，但是其价格昂贵、体积庞大，目前主要应用于高级系统中；而热型红外成像器件由于无需致冷，具有廉价、便携等优势，在军事民用领域有着广泛的应用需求，正是由于此，非致冷红外焦平面阵列技术成为当前红外研究领域的热点内容之一。

碳纳米管(Carbon nanotubes-CNTs)被证实具有优异的场发射性质，这主要是因为：单壁金属型(Single wall CNTs)以及多壁(Multiwall)碳纳米管具有高的室温电导；晶须状的碳纳米管(Whisker-like CNTs)结构具有很高的深宽比，是很好的场发射结构；碳纳米管具有优异的热稳定性，即使在高温下也能产生稳定场发射(W.I.Milne，K.B.K.Teo，et al.Carbon nanotubesas field emission source.J.Mater.Chem.，2004，14(6)，933-943)。正是由于碳纳米管的上述特点，人们尝试使用碳纳米管作为场发射源来实现可见光的场发射显示(Field emission display)，并取得了一定的成功(楊素華，藍慶忠.奈米碳管場發射顯示器.科學發展，2004，382：68-71.)。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新颖的微机械碳纳米管场发射型非致冷热成像器件及制作方法。本发明提出将碳纳米管作为场发射源，采用微机械技术制作由双材料构成或者由双材料梁支撑的栅极，碳纳米管和栅极构成对红外辐射敏感的单元像素。m×n的像素阵列、荧光屏及相关电路构成一种新颖的微机械碳纳米管场发射型非致冷热成像器件(MEMS-CNTFE-TID)。

本发明的目的是这样实现的：采用微机械技术在硅衬底或其他衬底材料上制作出栅极和作为发射源的碳纳米管阵列。栅极是由双材料梁支撑的薄膜或者是由双层材料组成的薄膜，组成双材料梁(薄膜)的两种材料的热膨胀系数应相差很大，其中一种材料应具有导电性，另一种材料应具有良好的红外吸收特性，一般由金属/非金属构成，考虑到工艺制作等因素，金属一般选择Al、Au等，非金属一般选择SiO₂、SiNx等，但并不只仅限于上述材料。当有红外辐射时，双材料梁(膜)受热发生弯曲，改变了栅极和碳纳米管发射源之间的距离，即改变了碳纳米管尖端处的电场强度，碳纳米管发射电子，发射电流的大小与红外辐射量相关，也就是说可以在荧光屏上得到一幅与红外辐射量相关的可见光图像。

上述目的可以通过以下工艺制作实现：首先在衬底材料上制作牺牲层和锚区；在牺牲层上淀积非金属/金属薄膜；刻蚀出栅孔(包括下面的牺牲层材料)；在栅孔下面制作生长碳纳米管的催化剂，并生长一定长度的碳纳米管；去掉牺牲层释放栅极；随后封接荧光屏，完成对器件的真空封装，最后连接偏置电路以及相关校准电路。

如图1所示，MEMS-CNTFE-TID由红外光学系统、衬底1、m×n的像素阵列15、荧光屏14以及偏置电路16等组成。单元像素包括锚区4、双材料梁8、栅极9、栅孔7以及生长在催化剂10上的碳纳米管11等，m×n的像素阵列15构成红外敏感阵列。栅孔7位于栅极9上，双层材料悬臂梁8一端与栅极9相连，另外一端通过锚区4连接在衬底1上，催化剂10制作在衬底1的表面，生长在催化剂10上的碳纳米管11位于栅孔7的正下方。荧光屏14位于栅极9的正上方，荧光屏14不受图中所示的形状限制，荧光屏14与芯片之间的连接方式不限，但要保证像素阵列的真空封装、荧光屏14与栅极9之间的距离满足平板显示的要求以及能方便的施加偏置电压V₂。偏置电路16提供两个偏置电压V₁、V₂，偏置电压V₁加在栅极9和衬底1之间(栅极9和衬底1通过非金属层5实现电绝缘)，偏置电压V₂通过导电层13、金属层6加在荧光屏14和栅极9之间(导电层13与金属层6之间被绝缘层12隔离)，金属层6与栅极9等电位。

器件的工作过程：红外辐射经红外光学系统从衬底1一侧入射到焦平面阵15上，栅极9(包括双材料梁8)接收红外辐射，双材料梁(膜)受热弯曲，改变了栅极9与场发射源碳纳米管11之间的距离，而它们之间的偏置电压V₁一定，碳纳米管11尖端处的电场强度增加，碳纳米管11发射电子，发射出的电子束被荧光屏14与栅极9之间的偏置电压V₂加速后轰击荧光屏14而发光。由于发射电流强度随着栅极与场发射源之间距离的减小而增大，即荧光屏14上可以得到一个亮度随着红外辐射量的增加而增加的光斑，从而实现了红外辐射图像向可见光图像的转化。

如图2所示，MEMS-CNTFE-TID、可见光CCD和计算机组成了一个完整的红外图像获取、处理系统。可见光CCD直接从MEMS-CNTFE-TID的荧光屏上获取图像，通过图像采集卡在计算机上对目标的红外图像进行实时处理。由于可见光CCD技术成熟，价格低廉，该系统可实现廉价、可靠的红外探测及图像处理。

典型的单元像素结构有微悬臂梁式、微封闭膜式和微桥式等三种，分别如图3、8、10所示，但并不只仅限于上述三种结构。

微悬臂梁式单元像素结构如图3所示。单元像素由双层材料悬臂梁8、栅极9、栅孔7以及碳纳米管11等构成，双层材料悬臂梁8的一端固定在锚区4上，另外一端与栅极9相连，连接点可以在栅极9的两端(如图3a、c、d、e)，也可以在栅极的中点(如图3b)，但并不只仅限于如图所示的情况；梁的形状和长度不限于图中所示的情况。在图中栅极9的构成与双层材料悬臂梁8一样，其形状为方形，但并不限于此，构成栅极9的材料可以与双层材料悬臂梁8不一样，可以采用圆形或其他形状的栅极；在图中栅孔7为圆形，但并不限于此，可以为正多边形或其他形状；碳纳米管11位于栅孔7的正下方；栅孔的数目不局限于图中的数目。

微封闭膜式单元像素结构如图8所示。微封闭膜式单元像素由栅极9、栅孔7以及碳纳米管11构成，栅极9的四周固定在锚区4上。图中薄膜为方形，但不限于方形薄膜。在图中栅孔7为圆形，但并不限于此，可以为正多边形或其他形状；碳纳米管11位于栅孔7的正下方；栅孔位于封闭膜的中间部分，栅孔的数目不局限于图中的数目。

微桥式单元像素结构如图10所示。双层材料梁8、栅极9、栅孔7以及碳纳米管11等构成微桥式单元像素。双层材料梁8的一端固定在锚区4上，另外一端与栅极9相连，连接点可以在栅极9的四角，也可以在栅极四边的中点，但并不限于如图所示的情况；图中的双层材料梁8分为四梁结构(如图8a)和二梁结构(如图8b)；图中的双层材料梁8为沿栅极9两条边的弯折梁，但并不限于此，可以是沿栅极9一条边的直梁或者沿栅极9三条边的弯折梁(U型梁)，栅孔位于封闭膜的中间部分，栅孔的数目不局限于图中的数目。

本发明具有以下积极效果和优点：

1、该器件实现了非致冷红外探测，可在室温下工作，无需制冷；

2、该器件是红外领域的平板显示技术，具有体积小、轻便等优点；

3、该器件采用碳纳米管作为场发射源，工作可靠稳定，红外探测灵敏度高；

4、该器件制作工艺简单，成本低廉。

附图说明

图1是微机械碳纳米管场发射型非致冷热成像器件的结构示意图。

图2是微机械碳纳米管场发射型非致冷红外探测系统原理图。

图3是实施例1的微悬臂梁式单元像素的俯视图。

图4是实施例1的微悬臂梁式单元像素的剖面图。

图5是实施例1的工艺流程图。具体的工艺流程是：a制作掩模并图形化→b制作牺牲层并去掉掩膜→c淀积双材料层→d刻蚀栅孔和牺牲层→e制作催化剂材料→f生长碳纳米管→g去掉牺牲层→h完成荧光屏封接。

图6是实施例1的另一种工艺流程图。具体的工艺流程是：a制作掩模并图形化→b腐蚀凹坑→c制作掩模并图形化→d制作牺牲层并去掉掩膜→e淀积双材料层→f刻蚀栅孔和牺牲层→g制作催化剂材料→h生长碳纳米管→i去掉牺牲层→j完成荧光屏封接。

图7是实施例1的第三种工艺流程图。具体的工艺流程是：a制作掩模并图形化→b腐蚀凹坑→c制作牺牲层并腐蚀出锚区→d淀积双材料层→e刻蚀栅孔和牺牲层→f制作催化剂材料→g生长碳纳米管→h去掉牺牲层→i完成荧光屏封接。

图8是实施例2的微封闭膜式单元像素的俯视图。

图9是实施例2的微封闭膜式单元像素的剖面图。

图10是实施例3的微桥式单元像素的俯视图。

图11是实施例3的微桥式单元像素的剖面图。

图中：

1-衬底材料                2-掩膜

3-牺牲层材料            4-锚区

5-非金属层              6-金属层

7-栅孔                  8-双材料梁

9-栅极                  10-用于碳纳米管生长的催化剂

11-碳纳米管             12-绝缘层

13-导电层               14-荧光屏

15-m×n的像素阵列       16-偏置电路

具体实施方式

实施例1

本实施例的像素是微悬臂梁支撑栅极的结构。下面结合图5所示的工艺流程，对本发明作进一步说明。

(1)选择普通的硅片作为衬底(衬底材料并不限于硅片，为方便说明，下面以硅为例)，淀积SiC或者Au薄膜，淀积的薄膜材料并不限于此，只要具备掩膜功能即可。光刻、刻蚀掩模使之图形化，如图5a所示；

(2)采用阳极氧化的方法制作多孔硅牺牲层，并去掉掩膜层，如图5b所示。或在掩膜的保护下腐蚀硅，然后填充牺牲层材料(如光刻胶、聚酰亚胺或unity-400等)并使之平坦化，光刻并图形化，得到如图5b所示的结果。牺牲层的制作不限于这两种方法。

(3)在牺牲层材料上沉积非金属/金属薄膜，非金属薄膜一般选择SiO₂、SiNx等，金属薄膜一般选择Al、Au等，但并不限于上述材料，如图5c所示。

(4)光刻并刻蚀出双层材料悬臂梁、栅孔及其下方的牺牲层材料，如图5d所示。

(5)生长催化剂薄膜，如Fe、Co、Ni等，光刻并刻蚀，保留栅孔下方的催化剂薄膜，如图5e所示。

(6)在栅孔正下方生长直立的碳纳米管，如采用CVD沉积的方法，但并不限于此方法，如图5f所示。

(7)腐蚀去掉牺牲层，释放栅极，如图5g所示。

(8)在真空中粘结荧光屏，如图5h所示。

图6所示的工艺流程与图5所示的工艺流程的区别在于：在图6所示的工艺流程中，先腐蚀出一个凹坑，m×n的像素阵列制作在凹坑内，最后采用的荧光屏形状与图5所示的工艺中也有所不同。除此之外，其它工艺类似。

图7所示的工艺流程与图5、图6所示的工艺流程的主要区别在于：在图7所示的工艺流程中，腐蚀牺牲层形成锚区，锚区材料不是衬底材料而是与双层材料梁(膜)的材料相同。另外，其m×n的像素阵列制作在凹坑内和最后采用的荧光屏形状与图5所示的工艺中也有所不同。除此之外，其它工艺类似。

实施例2

图8、9所示的实施例2与实施例1的区别在于像素结构不一样。在本实施例中，没有实施例1中的双层材料悬臂梁8，栅极9由双层材料构成，其四周都固定在锚区4上，其余结构与工艺过程与实施例1相同。

实施例3

图10、11所示的实施例3与实施例1、2的区别在于像素结构不一样。在本实施例中，栅极9不像在实施例1中不受约束，也不像在实施例2中被完全约束，它要受到双层材料梁8的约束，其余结构与工艺过程与实施例1相同。

值得注意的是，工艺方法并不受图5、6、7所示的工艺流程限制，无论采用何种工艺方法，只要能实现如图4、9、11所示的器件结构即可。

Claims (10)

1、一种微机械碳纳米管场发射型非致冷热成像器件，其特征在于：

(1)它由红外光学系统、衬底、m×n的像素阵列、荧光屏以及偏置电路组成；单元像素包括锚区、双材料梁、栅极、栅孔以及生长在催化剂上的碳纳米管；m×n的像素阵列构成红外敏感阵列；栅极是由双材料梁支撑的薄膜或是由双层材料组成的薄膜；其中m、n为正整数；

(2)单元像素结构为下述三种中任意一种：

(a)微悬臂梁式单元像素结构中，双材料梁一端固定在锚区上，另一端与栅极相连；连接点在栅极的两端或在栅极的中点；栅极不受约束；

(b)微封闭膜式单元像素结构中，栅极由双层材料构成，其四周固定在锚区上，栅孔位于微封闭膜的中间部分；栅极被完全约束；

(c)微桥式单元像素结构中，双材料梁一端固定在锚区上，另一端与栅极相连，连接点在栅极的四角或在栅极四边的中点；栅孔位于栅极的中间部分；栅极受双材料梁的约束；

(3)催化剂制作在衬底表面，生长在催化剂上的碳纳米管位于栅孔正下方，作为场发射源；

(4)荧光屏位于栅极的正上方，荧光屏与芯片之间连接方式满足像素阵列的真空封装；

(5)偏置电路提供两个偏置电压，一个偏置电压加在栅极和衬底之间，另一个通过导电层和金属层施加在荧光屏和栅极之间。

2、按权利要求1所述的微机械碳纳米管场发射型非致冷热成像器件，其特征在于组成双材料梁或薄膜的两种材料由金属和非金属构成，所述的金属为Al或Au，非金属材料为SiO₂或SiN_x。

3、按权利要求1所述的微机械碳纳米管场发射型非致冷热成像器件，其特征在于所述的栅极和衬底通过非金属层实现电绝缘的。

4、按权利要求1所述的微机械碳纳米管场发射型非致冷热成像器件，其特征在于所述的导电层和金属层之间被绝缘层隔离；金属层与栅极等电位。

5、按权利要求1所述的微机械碳纳米管场发射型非致冷热成像器件，其特征在于所述的微悬臂梁式单元像素结构中构成栅极的材料或与双材料梁一样，或不一样；栅孔为圆形或正多边形；栅极采用圆形。

6、按权利要求1所述的微机械碳纳米管场发射型非致冷热成像器件，其特征在于所述微封闭膜式单元像素结构中，微封闭膜呈方形，栅孔为圆形。

7、按权利要求1所述的微机械碳纳米管场发射型非致冷热成像器件，其特征在于微桥式单元像素结构中双材料梁为沿栅极两条边的弯折梁、沿栅极一条边的直梁或沿栅极三条边的u型弯折梁。

8、制备如权利要求1-7任意一项所述的微机械碳纳米管场发射型非致冷热成像器件的方法，其特征在于具体工艺步骤是：

(1)选择普通硅片作衬底，淀积具有掩膜功能的SiC或Au薄膜；光刻掩膜使之图形化；

(2)采用阳极氧化的方法制作多孔硅牺牲层，并去掉掩膜层；或在掩膜保护下腐蚀硅，然后填充牺牲层材料，并使之平坦化，光刻并图形化；

(3)在牺牲层上沉积非金属和金属薄膜；所述的非金属膜为SiO₂或SiN_x；金属薄膜为Al或Au；

(4)光刻并刻蚀出双材料梁、栅孔及其下方的牺牲层材料；

(5)生长Fe、Co或Ni中任一种催化剂薄膜，光刻并刻蚀，保留栅孔下方的催化剂薄膜；

(6)在栅孔正下方生长直立的碳纳米管；

(7)腐蚀去掉牺牲层，释放栅极；

(8)真空中粘结荧光屏，它与栅极之间的距离满足平板显示的要求以及能方便地施加偏置电压。

9、制备如权利要求1-7任意一项所述的微机械碳纳米管场发射型非致冷热成像器件的方法，其特征在于具体工艺步骤是：

(1)选择普通硅片作衬底，淀积具有掩膜功能的SiC或Au薄膜；光刻掩膜使之图形化；

(2)先腐蚀出一个凹坑，m×n的像素阵列制作在凹坑内，m、n为正整数；

(3)制作掩膜并图形化；

(4)采用阳极氧化的方法制作多孔硅牺牲层，并去掉掩膜层；或在掩膜保护下腐蚀硅，然后填充牺牲层材料，并使之平坦化，光刻并图形化；

(5)在牺牲层上沉积非金属和金属薄膜；所述的非金属膜为SiO₂或SiN_x；金属薄膜为Al或Au；

(6)光刻并刻蚀出双材料梁、栅孔及其下方的牺牲层材料；

(7)生长Fe、Co或Ni中任一种催化剂薄膜，光刻并刻蚀，保留栅孔下方的催化剂薄膜；

(8)在栅孔正下方生长直立的碳纳米管；

(9)腐蚀去掉牺牲层，释放栅极；

(10)真空中粘结荧光屏，它与栅极之间的距离满足平板显示的要求以及能方便地施加偏置电压。

10、制作如权利要求1-7任意一项所述的微机械碳纳米管场发射型非致冷热成像器件的方法，其特征在于具体工艺步骤是：

(1)选择普通硅片作衬底，淀积具有掩膜功能的SiC或Au薄膜；光刻掩膜使之图形化；

(2)先腐蚀出一个凹坑，m×n的像素阵列制作在凹坑内，m、n为正整数；

(3)制作掩膜并图形化；

(4)采用阳极氧化的方法制作多孔硅牺牲层，并去掉掩膜层；或在掩膜保护下腐蚀硅，然后填充牺牲层材料，并使之平坦化，光刻并图形化；

(5)在牺牲层上沉积非金属和金属薄膜；所述的非金属膜为SiO₂或SiN_x；金属薄膜为Al或Au；

(6)光刻并刻蚀出双材料梁、栅孔及其下方的牺牲层材料；

(7)生长Fe、Co或Ni中任一种催化剂薄膜，光刻并刻蚀，保留栅孔下方的催化剂薄膜；

(8)在栅孔正下方生长直立的碳纳米管；

(9)腐蚀去掉牺牲层形成锚区，锚区材料与双材料梁或膜的材料相同，同时释放栅极；

(10)真空中粘结荧光屏，它与栅极之间的距离满足平板显示的要求以及能方便地施加偏置电压。

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