CN101713688B

CN101713688B - 一种mems非制冷双波段红外探测器及其制备方法

Info

Publication number: CN101713688B
Application number: CN2009102280006A
Authority: CN
Inventors: 胥超; 徐永青
Original assignee: CETC 13 Research Institute
Current assignee: CETC 13 Research Institute
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2029-12-11
Also published as: CN101713688A

Abstract

本发明公开了一种MEMS非制冷双波段红外探测器及其制备方法，该探测器包括硅衬底、底层电极、锚固于硅衬底上的微桥结构，其关键在于还包括位于微桥结构与硅衬底形成的空腔内并锚固于底层电极两侧、硅衬底上的桥式可控反射层。桥式可控反射层借助起支撑作用的锚点和设置于桥式可控反射层与底层电极之间的静电驱动实现上下调节，从而使共振吸收腔的腔长可控，实现了波长为3μm-5μm和8μm-12μm双波段的响应。该探测器制备方法中采用两次表面牺牲层工艺在硅衬底上制备微桥结构和桥式可控反射层，工艺简单、易于实现。

Description

一种MEMS非制冷双波段红外探测器及其制备方法

技术领域

本发明属于非制冷红外探测技术领域，尤其是一种MEMS非制冷双波段红外探测器及其制备方法。

背景技术

非制冷红外探测技术覆盖了从民用到国防的诸多领域，也已经成为红外探测技术最流行的方向，这种技术使我们有能力在常温下就获得具有很高敏感性能的非制冷红外探测器。另外，它还具有成本低、体积小、重量轻、功耗小和响应波段宽等优点。

非制冷红外探测器的基本工作原理是，目标物体的辐射被非制冷红外探测器吸收，从而引起热敏感薄膜温度升高，由于热敏感薄膜具有温度-电阻(TCR)特性，其电阻值将发生变化，并通过其中的电学通道将这种变化传递给读出电路，从而检测出该电阻值的变化，最终实现对红外辐射的探测。

由于对非制冷红外探测器的迫切需求，其设计技术方面经历了较快的发展。在微桥结构得到应用以后，设计主要围绕三个方面进行：一是器件的热学设计，即如何减少器件的热响应时间，并保证响应幅度；二是器件的力学设计，在保证热学特性的同时，微结构要具有良好的机械特性；三是器件的热辐射吸收能力，在单元结构尺寸日趋减小的情况下，已成为限制器件性能的主要因素之一。

为了提高器件的辐射吸收能力，通常有两种方法：一个是采用薄金属吸收层的方法；另一个是采用共振吸收腔的方法。现有技术中探测器的反射层固定，使共振吸收腔腔长也固定，而只能针对某一波段增强吸收。在红外制导方面，波长为3μm-5μm和8μm-12μm的两个波段是军用红外探测器工作的主要波段，也是大气中探测红外辐射的最好波段。长波红外传感器通过烟尘观看时优于中波传感器，中波传感器则可以在远距离情况下提供较高的目标分辨率，而双波段红外探测器将具有探测两个波段的优点，因此研制波长为3μm-5μm和8μm-12μm都能响应的MEMS非制冷双波段红外探测器是十分必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种MEMS非制冷双波段红外探测器，通过将现有技术中的固定反射层改为桥式可控反射层从而使共振吸收腔的腔长可控，实现对波长为3μm-5μm和8μm-12μm双波段的响应。

本发明还提供了该MEMS非制冷双波段红外探测器的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明中MEMS非制冷双波段红外探测器采用下述结构：其包括硅衬底、底层电极、锚固于硅衬底上的微桥结构，关键在于还包括位于微桥结构与硅衬底形成的空腔内并锚固于底层电极两侧、硅衬底上的桥式可控反射层；所述桥式可控反射层借助起支撑作用的锚点和设置于可控反射层与底层电极之间的静电驱动实现上下调节。

上述桥式可控反射层下方设有防止其下调时与底层电极接触而使静电驱动消失的介质凸点，介质凸点位于底层电极上，厚度为200nm-500nm。

上述桥式可控反射层与微桥结构中的热敏电阻薄膜形成腔长L为1μm-2.5μm的共振吸收腔，从而实现对波长为3μm-5μm和8μm-12μm双波段的响应。

本发明中MEMS非制冷双波段红外探测器制备方法的技术方案为：包括如下工艺步骤：

1)采用光刻剥离的方法在硅衬底上制备底层电极和下端电极；

2)旋涂牺牲层，依次淀积微桥结构的支撑层、热敏电阻薄膜，溅射红外吸收层及上端电极，淀积保护层；

3)刻蚀连接上端电极与下端电极的通孔并制备金属柱，去除牺牲层形成完整的微桥结构。

关键在于所述步骤1)和步骤2)之间增加了如下工艺步骤：

A1、在底层电极上生长介质凸点；

A2、旋涂牺牲层并固化后，采用光刻、腐蚀工艺制备桥式可控反射层及其锚点；

A3、在桥式可控反射层和底层电极之间引入静电驱动；

所述支撑层材料为SiN_x或SiO₂；所述热敏电阻薄膜材料为VO_x、α-Si或poly-SiGe；所述红外吸收层材料为金属Ni、Ti或NiCr，且厚度控制在10nm-20nm；所述保护层材料为SiN_x或SiO₂。

所述红外吸收层图形化后，其两端部分同时是与热敏电阻薄膜接触的微桥结构的上端电极。

所述介质凸点的材料为SiO₂，其厚度要避免过薄引起针孔并能够承受10V-60V的激励电压而不发生击穿，控制在200nm-500nm；为了降低介质层的电荷注入效应，防止反射层与介质发生粘附，采取减少接触面积的方法，将介质制作成凸点形状。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1、该MEMS非制冷双波段红外探测器将现有技术中的固定反射层改为桥式可控反射层从而实现对波长为3μm-5μm和8μm-12μm双波段的响应；2、该MEMS非制冷双波段红外探测器制备方法中采用表面牺牲层工艺，步骤简单、易于实现。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是该MEMS非制冷双波段红外探测器结构的截面示意图。

图2a-2b是该MEMS非制冷双波段红外探测器中桥式可控反射层在不同静电驱动下的位置截面示意图。

其中，图2a是桥式可控反射层在静电驱动V＝0V时的位置，L₁＝1μm；

图2b是桥式可控反射层在静电驱动V＝V₀时的位置，L₂＝2.5μm。

图3a-3f是制备该MEMS非制冷双波段红外探测器的工艺步骤截面示意图。

其中，图3a是在硅衬底上制作底层电极和下端电极的截面示意图；

图3b是制备介质凸点的截面示意图；

图3c是生长第一层牺牲层，并制备桥式可控反射层及其锚点的截面示意图；

图3d是在桥式可控反射层和底层电极之间引入静电驱动的截面示意图；

图3e是生长第二层牺牲层，并依次淀积微桥结构的支撑层、热敏电阻薄膜，溅射红外吸收层及上端电极，淀积保护层的截面示意图；

图3f是刻蚀使上端电极与下端电极连接的通孔并制备金属柱，去除牺牲层的截面示意图。

其中，1.硅衬底 2.底层电极 3.下端电极 4.介质凸点 5.反射层锚点 6.桥式可控反射层 7.共振吸收腔 8.支撑层 9.热敏电阻薄膜 10.红外吸收层 11.上端电极 12.保护层 13.金属柱 14.牺牲层

具体实施方式

参照图1，该MEMS非制冷双波段红外探测器结构中包括硅衬底1、底层电极2、锚固于硅衬底1上的微桥结构，关键在于结构中还包括位于微桥结构与硅衬底1形成的空腔内并锚固于底层电极2两侧、硅衬底1上的桥式可控反射层6。微桥结构的桥面主体共有四层组成，分别为支撑层8、热敏电阻薄膜9、红外吸收层10和保护层12，桥墩为下端电极3，桥腿为金属柱13，这些结构都在硅衬底1上制作完成。采用微桥结构降低了器件的热传导，使得热导损失不再是限制器件性能的主要因素。

MEMS非制冷双波段红外探测器工作原理为：在红外辐射作用下，桥面温度改变，由于热阻效应，桥面中的热敏电阻值将改变，通过测试电阻的变化并输出电压信号来探测红外辐射。对应于不同波段的红外辐射，需要使桥式可控反射层6与微桥结构中热敏电阻薄膜9形成的共振吸收腔7腔长L在可控范围内，从而实现对不同波长的红外辐射的加强吸收。

参照图2a-2b，该探测器要求对波长为3μm-5μm和8μm-12μm的双波段都能响应，因此选定峰值波长λ为4μm和10μm，由于加强共振吸收的条件为吸收腔腔长L＝λ/4n(真空中折射率n＝1)，则对应两个波长段的共振吸收腔7腔长分别为L₁＝1μm，L₂＝2.5μm。

为使桥式可控反射层6与微桥结构中热敏电阻薄膜9形成的共振吸收腔7腔长L为1μm-2.5μm，在桥式可控反射层6及底层电极2之间引入静电驱动。当静电驱动为0V时，桥式可控反射层6在其锚点5的支撑作用下使共振吸收腔7腔长L₁＝1μm；当静电驱动为V₀时，桥式可控反射层6在静电驱动作用下下调使共振吸收腔7腔长L₂＝2.5μm；同时为防止桥式可控反射层6下调时与底层电极2接触而使静电驱动消失，在底层电极2上设置了介质凸点4。从而实现了共振吸收腔7在波长为3μm-5μm和8μm-12μm双波段实现共振吸收加强，形成双波段响应窗口。

如图3a-3f是制备上述MEMS非制冷双波段红外探测器工艺步骤的截面示意图。

参照图3a，采用光刻剥离的方法在硅衬底上制备底层电极2和下端电极3，厚度为500nm；所述底层电极2在现有技术中作为固定反射层。

参照图3b，在底层电极2上生长介质凸点4，光刻腐蚀完成凸点的图形化。所述介质凸点的材料为SiO₂，其厚度要避免过薄引起针孔并能够承受10V-60V的激励电压而不发生击穿，控制在200nm-500nm；为了降低介质层的电荷注入效应，防止反射层与介质发生粘附，采取减少接触面积的方法，将介质制作成凸点形状。

参照图3c，旋涂牺牲层14并固化，所用牺牲层14的材料为聚酰亚胺，厚度为1.5μm；光刻并刻蚀牺牲层，露出桥式可控反射层的锚点5，去除光刻胶，然后电子束蒸发反射层薄膜厚度为500nm，光刻并腐蚀出反射层图形，去除光刻胶，完成桥式可控反射层6及其锚点5的制备，桥式可控反射层6及其锚点5的材料为金属Ti或Al。

参照图3d，在桥式可控反射层6和底层电极2之间引入静电驱动。

参照图3e，再次旋涂牺牲层14并固化后，淀积微桥结构的支撑层8。支撑层8的材料必须具有良好的机械特性以及低应力且热传导系数小；采用SiN_x或SiO₂薄膜，厚度为50nm。

在支撑层8上淀积热敏电阻薄膜9。热敏电阻薄膜9的材料为VO_x、α-Si或poly-SiGe；在红外辐射作用下，热敏电阻薄膜9温度改变，由于热阻效应，热敏电阻值将改变，通过测试电阻值的变化并输出电压信号来探测红外辐射。

在热敏电阻薄膜9上溅射红外吸收层10及上端电极11。红外吸收层10材料为金属Ni、Ti或NiCr，厚度控制在10nm-20nm，作用是提高器件对红外辐射的吸收；采用溅射工艺制备，能够很好地控制金属的厚度以及具有良好的均匀性；红外吸收层10图形化后，其两端部分同时是与热敏电阻薄膜接触的微桥结构的上端电极11。

在红外吸收层10上淀积保护层12。保护层12的材料为SiN_x或SiO₂，厚度为30nm；由于红外吸收层10的电阻值容易受到后续工艺如等离子刻蚀、牺牲层14释放等工艺影响，电阻值的变化将会影响红外吸收效率，制作保护层12使红外吸收层10的电阻值稳定。

参照图3f，首先光刻露出刻蚀图形，然后用CF₄+O₂刻蚀桥面四层薄膜到牺牲层终止，再用O₂刻蚀牺牲层到下端电极3处终止，通孔制作完成；采用光刻剥离的方法制备光刻图形，然后电子束蒸发金属、剥离光刻胶，金属柱13制备完成；最后，采用CF₄+O₂刻蚀桥面四层薄膜到牺牲层终止，再采用O₂等离子刻蚀牺牲层释放结构，MEMS非制冷双波段红外探测器制备完成。

上述的MEMS非制冷双波段红外探测器及其制备方法，只是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有具有桥式可控反射层的MEMS非制冷双波段红外探测器及其制备方法，都属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种MEMS非制冷双波段红外探测器，其包括硅衬底(1)、底层电极(2)、锚固于硅衬底(1)上的微桥结构，其特征在于：还包括位于微桥结构与硅衬底(1)形成的空腔内并锚固于底层电极(2)两侧、硅衬底(1)上的桥式可控反射层(6)；所述的桥式可控反射层(6)借助起支撑作用的锚点(5)和设置于桥式可控反射层(6)与底层电极(2)之间的静电驱动实现上下调节。

2.根据权利要求1所述的一种MEMS非制冷双波段红外探测器，其特征在于：所述的桥式可控反射层(6)下方设有防止其下调时与底层电极(2)接触而使静电驱动消失的介质凸点(4)，介质凸点(4)位于底层电极(2)上，厚度为200nm-500nm。

3.根据权利要求2所述的一种MEMS非制冷双波段红外探测器，其特征在于：所述的桥式可控反射层(6)与微桥结构中的热敏电阻薄膜(9)形成腔长L为1μm-2.5μm的共振吸收腔(7)。

4.根据权利要求1所述的一种MEMS非制冷双波段红外探测器，其特征在于：所述的微桥结构包括下端电极(3)，上端电极(11)，金属柱(13)，由支撑层(8)、热敏电阻薄膜(9)、红外吸收层(10)和保护层(12)组成的桥面主体。

5.一种如权利要求1所述的MEMS非制冷双波段红外探测器的制备方法，包括如下工艺步骤：

1)采用光刻剥离的方法在硅衬底上制备底层电极(2)和下端电极(3)；

2)旋涂牺牲层(14)，依次淀积微桥结构的支撑层(8)、热敏电阻薄膜(9)，溅射红外吸收层(10)及上端电极(11)，淀积保护层(12)；

3)刻蚀连接上端电极(11)与下端电极(3)的通孔并制备金属柱(13)，去除牺牲层(14)形成完整的微桥结构；

其特征在于：所述步骤1)和步骤2)之间增加如下工艺步骤：

A1、在底层电极(2)上生长介质凸点(4)；

A2、旋涂牺牲层(14)并固化后，采用光刻、腐蚀工艺制备桥式可控反射层(6)及其锚点(5)；

A3、在桥式可控反射层(6)和底层电极(2)之间引入静电驱动。