CN101603861B - 一种红外探测器热绝缘结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外探测器热绝缘结构及其制备方法，该方法使用湿法腐蚀牺牲层材料，利用腐蚀液横向钻蚀效应，反应迅速，无须在像元中心开许多小孔以帮助去除牺牲层材料，故工艺方法简单，且能够有效缓解由于应力所造成的去掉牺牲层后像元变形问题，保证了红外探测器的表面平整。该热绝缘结构中，矩形像元的边缘处均匀的排布支撑柱，具有更好的稳定性和支撑效果，克服现有的热绝缘结构容易造成应力失配而导致探测器表面翘曲和脱落的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测技术领域，尤其涉及一种红外探测器热绝缘结构及其制备方法。
背景技术
目前，非制冷红外探测器分为两种，一种是传统的电读出非制冷红外探测器，另一种是光学读出非制冷红外探测器。
光学读出非制冷红外探测是一种基于材料热光效应的红外探测技术，即由于红外辐射的作用引起探测器温度的升高，从而导致探测材料的光学特性发生改变，利用商用Si CCD(Charge Coupled Device，电荷藕合器件图像传感器)来探测其光学性能的改变来实现对红外辐射的探测。与传统电读出非制冷红外探测器不同，这种光学读出非制冷红外探测技术不需要设计专用读出电路，而可采用商用Si CCD进行信号的读出，因此在成本上相对电读出非制冷红外探测器更低，有利于红外探测技术在民用领域中的推广。
非制冷红外探测器的制备工艺的关键点在于制备出具有与衬底热绝缘以及像元之间热绝缘的探测器阵列。热绝缘一般通过悬空结构来实现，像元与衬底之间有空隙，这样在真空环境下避免了热传导以及热对流所导致的像元之间的串扰。现有技术中制备热绝缘结构采用的工艺是：先制备牺牲层，然后沉积热辐射敏感材料，制备出探测器结构后，去掉牺牲层形成悬空的热绝缘结构。以典型的电读出非制冷红外探测器--非晶硅微测辐射热计为例，其制备工艺中采用聚酰亚胺作为传统的牺牲层材料，可以通过光刻技术中的匀胶工艺实现牺牲层的沉积，并可利用光刻技术中的曝光和显影直接在该牺牲层成形图形，与半导体工艺兼容性很好。但聚酰亚胺作为牺牲层存在的最大问题是：当牺牲层经过高温化后，通常采用干法去胶，因为利用湿法工艺是很难去除，而干法去胶的横向钻蚀能力较差，这样对于非制冷红外探测器像元面积较大时，位于探测器像元下中间部位的牺牲层很难去掉。为了解决这一问题，通常在刻蚀成像元图形的同时，在每个像元的中心成形一些小孔，在干法去胶过程中通过这些小孔能够很好的去除像元下中间部位的聚酰亚胺牺牲层。
但对于光学读出非制冷红外探测器来说，其利用的是探测器材料的光学效应，对于探测器像元与衬底之间的悬空层高度的精确度有很高的要求，也要求探测器像元表面保证绝对的平整。如果采用聚酰亚胺作为牺牲层，一方面由于聚酰亚胺通过匀胶工艺涂敷，厚度很难精确控制；另外，聚酰亚胺去除难度大，如果采用类似非晶硅微测辐射热计的工艺方法在像元中心开很多小孔，必将引起一系列的例如衍射等其它光学现象。
一篇名为新型低功耗非制冷红外摄像机的文献Novel Low-Cost UncooledInfrared Camera，Proc.of SPIE 5783，496-505，记载了采用SiNx材料通过PECVD(Plasma-enhanced chemical vapor deposition，等离子体增强型化学气相沉积)的方式生长牺牲层，然后沉积上光读出探测器的热敏感多层膜即像元材料，最后刻蚀出正六边形的像元面积以及像元之间的间隔，在每个正六边形像元的中央设计一个支撑柱，SiNx牺牲层的去除采用干法刻蚀方法去除，但是这种热绝缘结构容易造成应力失配而导致探测器表面翘曲和脱落等现象。
发明内容
本发明解决的技术问题是，提供一种红外探测器热绝缘结构及其制备方法，克服现有的热绝缘结构容易造成应力失配而导致探测器表面翘曲和脱落的缺陷。
本发明采用的技术方案是，所述红外探测器热绝缘结构制备方法，包括如下步骤：
步骤一、在红外探测器衬底上沉积牺牲层；
步骤二、通过第一次光刻和刻蚀过程在牺牲层中制备小孔；
步骤三、在牺牲层上沉积热敏感多层膜，同时将所述小孔填满；
步骤四、通过第二次光刻和刻蚀过程在将红外探测器衬底以上的部分划分成像元阵列，所述小孔均匀地分布在每个像元的边缘处。
步骤五、去除牺牲层。
所述牺牲层材料是硫化锌。
所述步骤一是采用磁控溅射方法在探测器衬底上沉积牺牲层的。
所述步骤二具体包括如下过程：使用匀胶设备在牺牲层上面涂敷光刻胶，经过紫外曝光后在光刻胶上光刻出小孔的图形，然后利用电感耦合等离子体刻蚀将小孔处的牺牲层完全去除，最终在红外探测器衬底上形成带有小孔的牺牲层。
所述步骤四具体包括如下过程：匀胶设备在热敏感多层膜上面涂敷光刻胶，经过紫外曝光后在光刻胶上光刻出像元阵列图形，然后利用电感耦合等离子体刻蚀形成深至红外探测器衬底为止的像元间隔。
所述步骤五具体包括如下过程：将经过步骤四后得到的器件放入牺牲层腐蚀液中浸泡，取出后去除残留腐蚀液最后经烘烤成形。
所述牺牲层腐蚀液是浓度为36％-38％的盐酸溶液。
一种红外探测器热绝缘结构，热敏感多层膜划分为矩形的像元阵列，像元间隔深至红外探测器衬底为止，在红外探测器衬底与热敏感多层膜之间设有与热敏感多层膜材料相同的支撑柱，所述支撑柱均匀的分布在每个像元的边缘处。
所述矩形的像元阵列为正方形的像元阵列或者长方形的像元阵列。
所述每个像元的边缘处包括每个像元的四个角处。
采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：
本发明所述红外探测器热绝缘结构中，矩形像元的边缘处均匀的排布支撑柱，具有更好的稳定性和支撑效果，克服现有的热绝缘结构容易造成应力失配而导致探测器表面翘曲和脱落的缺陷。
所述红外探测器热绝缘结构的制备方法，使用湿法腐蚀牺牲层材料，利用腐蚀液横向钻蚀效应，反应迅速，无须在像元中心开许多小孔以帮助去除牺牲层材料，故工艺方法简单，且能够有效缓解由于应力所造成的去掉牺牲层后像元变形问题，保证了红外探测器的表面平整。
附图说明
图1是本发明第一实施例所述红外探测器热绝缘结构的制备方法流程图；
图2是本发明在红外探测器衬底上制备牺牲层的结构示意图；
图3是本发明在牺牲层上开设小孔的结构示意图；
图4是本发明进行红外探测器像元材料生长后的结构示意图；
图5是本发明单个像元的立体结构示意图；
图6是本发明划分完成的部分像元阵列平面示意图；
图7是本发明所述红外探测器热绝缘结构立体示意图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例，对本发明提出的所述红外探测器热绝缘结构及其制备方法，详细说明如下。
本发明第一实施例如图1所示，一种红外探测器热绝缘结构的制备方法，具体包括如下步骤：制备四柱支撑悬空微结构的具体工艺如下：
步骤一、红外探测器衬底清洗：将红外探测器衬底4依次用石油醚、丙酮、乙醇清洗后，用氮气枪吹干。
步骤二、牺牲层制备：将红外探测器衬底4装入磁控溅射设备中，采用的工艺参数为：射频功率300-450W，Ar气流10-30sccm，工作气压5×10-3-1.5×10-2Pa，生长温度70-90℃。
通过溅射的方法在其上沉积牺牲层5，如图2所示，当制作的是光学读出非制冷红外探测器时，牺牲层5的厚度依据光学读出非制冷红外探测器的设计值确定，此内容是本领域公知的技术内容，故此处不详述。另外，由于磁控溅射设备中膜厚监控装置可以精确地控制牺牲层5的生长厚度，避免了现有技术中采用聚酰亚胺作为牺牲层时，只能采用匀胶方法涂敷，且厚度不易控制精确的缺点。由于磁控溅射的方法本身是本领域的常用技术手段，故此处不详述。
步骤三、牺牲层开孔：将生长完牺牲层5的器件，利用匀胶设备涂敷3～4微米厚的光刻胶，通过紫外曝光方法在光刻胶上光刻出小孔3的图形，如图3所示，小孔3图形覆盖的面积没有光刻胶保护，然后再利用ICP(Inductively CoupledPlasma，电感耦合等离子体)刻蚀技术将没有光刻胶保护部分的牺牲层完全去除，具体工艺参数为：Ar流量：15-200sccm，H2流量：15-20sccm，工作气压：5-10mTorr，射频功率：150-200W，低频功率：500-600W。
刻蚀完后去掉残余光刻胶，最终在器件上形成图3所示的小孔3的结构。优选的，小孔直径为5μm。
步骤四、红外探测器像元材料生长：如图4所示，在器件上利用PECVD设备沉积红外探测器热敏感多层膜6，作为红外探测器衬底上像元材料支撑柱的小孔3部位也被填满。热敏感多层膜6主要由SiNx和非晶硅材料组成，本领域制造红外探测器通常采用SiNx和非晶硅材料交替生长的方式制备热敏感多层膜，其具体生长的厚度和层数等是由本领域技术人员根据探测器的设计值确定的，故此处不详述。
步骤五、像元成形：利用光刻技术，光刻出如图6所示的矩形的像元阵列图形，优选的像元图形为100μm×100μm的正方形，也可以选择像元图形为50μm×50μm的正方形，像元的立体图如图5所示，由于像元之间的像元间隔1没有光刻胶保护，利用ICP刻蚀技术刻蚀出像元间隔1至红外探测器衬底4上表面为止，采用的工艺参数为：CHF3流量：50-60sccm，工作气压：3-5mTorr，射频功率：150-200W，低频功率：500-600W。像元间隔1的宽度可以为2～6μm，像元间隔1的宽度越小，刻蚀出像元间隔1以及去除牺牲层的难度就会加大，但是像元间隔1的宽度越大，像元的占空比变小，综合考虑后优选的像元间隔1的宽度为5μm，刻蚀完后去除器件表面残余的光刻胶，形成如图5所示的像元结构。步骤三中形成的小孔3均匀地分布在每个像元的四个角处，分散膜层的应力，也可以均匀地分布在像元四个边的中间。
步骤六、牺牲层去除：将整个器件放入牺牲层腐蚀液中，牺牲层腐蚀液采用浓度为36％-38％的盐酸溶液，经过15-20分钟后牺牲层可全部去除，然后取出探测芯片，将其过一遍丙酮溶液和一遍乙醇溶液清洗掉牺牲层腐蚀液，接下来放入60℃以上的烘箱，烘烤2-3分钟，待清洗溶剂挥发完毕便可最终完成红外探测器的热绝缘结构，如图7所示，悬空层7的高度对应着牺牲层5的厚度，支撑住8实际上就是小孔3填满热敏感多层膜6之后所形成的。
本发明所述红外探测器热绝缘结构的制备方法，使用湿法腐蚀牺牲层材料，利用腐蚀液横向钻蚀效应，反应迅速，无须像现有技术那样在像元中心开许多小孔以帮助去除牺牲层材料，故工艺方法简单，且能够有效缓解由于应力所造成的去掉牺牲层后像元变形问题，保证了红外探测器的表面平整。
本发明第二实施例，一种红外探测器热绝缘结构，热敏感多层膜6划分为正方形或者长方形的像元阵列，其平面示意图如图6所示，优选的像元图形为100μm×100μm的正方形，也可以选择像元图形为50μm×50μm的正方形。像元之间的间隔1深至红外探测器衬底4为止，优选的像元间隔1的宽度为5μm。在红外探测器衬底4与热敏感多层膜6之间设有与热敏感多层膜6的材料相同的支撑柱8，如图7所示，支撑柱8分布在每个像元的四个角处。优选的，支撑柱8直径为5μm。
在本发明所述红外探测器热绝缘结构中，矩形像元的边缘处均匀的排布支撑柱，具有更好的稳定性和支撑效果，克服现有的热绝缘结构容易造成应力失配而导致探测器表面翘曲和脱落的缺陷。
通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
Claims (7)
1.一种红外探测器热绝缘结构制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、采用磁控溅射方法在红外探测器衬底上沉积牺牲层；所述牺牲层材料是硫化锌；
步骤二、通过第一次光刻和刻蚀过程在牺牲层中制备小孔；
步骤三、在牺牲层上沉积热敏感多层膜，同时将所述小孔填满；
步骤四、通过第二次光刻和刻蚀过程在将红外探测器衬底以上的部分划分成像元阵列，所述小孔均匀地分布在每个像元的边缘处；所述步骤四具体包括如下过程：匀胶设备在热敏感多层膜上面涂敷光刻胶，经过紫外曝光后在光刻胶上光刻出像元阵列图形，然后利用电感耦合等离子体刻蚀形成深至红外探测器衬底为止的像元间隔；
步骤五、去除牺牲层。
2.根据权利要求1所述红外探测器热绝缘结构制备方法，其特征在于，所述步骤二具体包括如下过程：使用匀胶设备在牺牲层上面涂敷光刻胶，经过紫外曝光后在光刻胶上光刻出小孔的图形，然后利用电感耦合等离子体刻蚀将小孔处的牺牲层完全去除，最终在红外探测器衬底上形成带有小孔的牺牲层。
3.根据权利要求1所述红外探测器热绝缘结构制备方法，其特征在于，所述步骤五具体包括如下过程：将经过步骤四后得到的器件放入牺牲层腐蚀液中浸泡，取出后去除残留腐蚀液最后经烘烤成形。
4.根据权利要求3所述红外探测器热绝缘结构制备方法，其特征在于，所述牺牲层腐蚀液是浓度为36％-38％的盐酸溶液。
5.一种根据权利要求1所述的制备方法制得的红外探测器热绝缘结构，其特征在于，
热敏感多层膜划分为矩形的像元阵列，像元间隔深至红外探测器衬底为止，在红外探测器衬底与热敏感多层膜之间设有与热敏感多层膜材料相同的支撑柱，所述支撑柱均匀的分布在每个像元的边缘处。
6.根据权利要求5所述红外探测器热绝缘结构，其特征在于，所述矩形的像元阵列为正方形的像元阵列或者长方形的像元阵列。
7.根据权利要求5或6所述红外探测器热绝缘结构，其特征在于，所述每个像元的边缘处包括每个像元的四个角处。
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