CN101776484B - 辐射热测量计及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种辐射热测量计及其制备方法，该辐射热测量计通过改变热敏电阻的结构和掺杂浓度使其电阻值符合设计要求以满足应用的需要，结构中包括：基底、位于基底上方的支撑层、制作在支撑层上的下电极、下电极上制备有热敏电阻、热敏电阻上覆有上电极、上电极上制备有吸收层，其中基底和支撑层平行且有间隙地设置，上电极、下电极与热敏电阻组成并联电连接。热敏电阻有间隔地设置在上电极和下电极之间。这种结构设置使热敏电阻的阻值在大范围可调，优化了器件的性能，满足了不同应用的需求，这样将很大程度的提高了设计的灵活性。

Description

辐射热测量计及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种红外探测器，尤其涉及一种通过改变热敏电阻的结构而获得的一种辐射热测量计。

背景技术

辐射热测量计是一种热敏电阻型探测器，是当前研制最为成功的红外探测器之一。辐射热测量计基于热敏电阻处于辐射通量的条件下其电阻发生变化的性质来检测能量，其中热敏电阻一般由金属或半导体材料制成。当探测器吸收红外辐射功率ΔW时，引起温度改变ΔT，热敏电阻的电阻变化ΔR，利用读出电路(ROIC)将该电阻的变化转换为电压或电流的变化，即可得到与之对应的红外辐射功率。

自1992年美国技术解密后，对辐射热测量计的研究经历了迅速发展的阶段。人们已经研究了基于各种材料制作的辐射热测量计，包括氧化钒(VOx)、多晶硅、非晶硅、多晶锗硅、金属材料以及高温超导材料YBaCuO等。在这些材料中，氧化钒(VOx)和掺杂非晶硅这两种半导体材料由于有着较高的温度电阻系数(TCR)、适中的电阻率、较低的制备工艺温度、能够与IC工艺兼容等优点，得到了迅速的发展。目前，主流的辐射热测量计结构仍为采用表面牺牲层工艺制备的悬空微桥结构，主要包括基底层、固定连接于基底层上的支撑层、在支撑层上制成的吸收层和信号传输结构等，其主要改进在于材料特性的优化、热敏电阻单元尺寸的减少及阵列规模的增加。

对热敏电阻材料的要求一般有以下几点：(1)高TCR值；(2)低热容、低热导；(3)低1/f噪声参数；(4)高红外吸收率；(5)适中的电阻值。其中，较低的电阻会使有效电阻温度系数减小，较高的电阻会带来较高的电压响应，但是同时也会造成Johnson噪声、热噪声和1/f噪声的增加。上述这些参数相互关联，任意参数的改变都必须考虑其他参数的变化，所以在热敏电阻单元尺寸不断减少的情况下，要保证电阻值基本不变，可以通过以下两种途径达到：(1)改变热敏电阻材料的掺杂浓度；(2)优化热敏电阻电阻结构。目前通过掺杂得到的掺杂非晶硅的电阻率范围为10²Ω·cm～10⁹Ω·cm，但是掺杂浓度改变的同时会影响材料的其他参数，而且原位掺杂的能力有限，仅仅通过原位掺杂工艺改变热敏电阻阻值，工艺上存在很大的难度。如果能够通过优化热敏电阻电阻结构并结合掺杂浓度的改变而使电阻值满足设计的要求对于辐射热测量计的制备将是十分有利的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是通过优化热敏电阻的电阻结构，结合热敏电阻材料掺杂浓度的改变，解决以往辐射热测量计只依赖通过改变热敏电阻材料掺杂浓度的方法以使其符合性能要求的问题，从而达到设计结构灵活多变的目的。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种辐射热测量计，结构中包括：基底、位于基底上方的支撑层、制作在支撑层上的下电极、下电极上制备有热敏电阻、热敏电阻上覆有上电极、上电极上制备有吸收层，其中基底和支撑层平行且有间隙地设置，其中，热敏电阻分为独立单元组并联设置在上电极和下电极之间。

上述辐射热测量计的制备方法具体步骤为：

1)在基底上电子束蒸发制备反射层；

2)制备牺牲层；

3)淀积低应力氮化硅或氧化硅薄膜制备支撑层；

4)光刻、刻蚀牺牲层形成下电极图形锚点，溅射形成下电极；

5)淀积非晶硅薄膜并掺杂，光刻、刻蚀完成热敏电阻分离单元组的制备；

6)淀积氮化硅隔离层；

7)光刻、刻蚀牺牲层形成上电极图形锚点，溅射形成上电极；

8)淀积、光刻、刻蚀制备吸收层；

9)刻蚀牺牲层，释放辐射热测量计微结构。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：在单元尺寸相同的情况下，相对于传统的平面电阻方式，通过采用热敏电阻并联结构设计使热敏电阻结构的设计更灵活，使热敏电阻阻值的调整不再局限于薄膜厚度以及电阻率的改变，从而使热敏电阻的阻值在大范围可调，优化了器件的性能，满足了不同应用的需求，这样将很大程度的提高了设计的灵活性。

在工艺上，有两个因素对非晶硅电阻率影响较大，掺杂比例以及工艺温度，由于辐射热测量计需要考虑与IC集成工艺及其他工艺的兼容性，因此工艺温度一般控制在300℃左右，可调范围不大，因此从工艺上改变电阻率主要与掺杂气体比例有关，制备时掺入的杂质原子进入非晶硅的无序网络中，只有部分的杂质原子能够处于施主或受主态，实现有效的掺杂，大部分的杂质原子无法提供载流子，随着掺杂量的不断增加，不能无限制的降低电阻率，因为过多的掺杂还会造成杂质原子的过饱和，形成大量的缺陷态，破坏非晶硅的结构，反而使电阻率增加，因此非晶硅电阻率掺杂存在一个范围内，超出这个范围工艺上都很难实现。本发明所提供的辐射热测量计通过改变热敏电阻结构设计从而使得在高电阻率的情况下实现制备过程，从而降低了制作工艺的难度。

附图说明

图1是本发明一实施例的辐射热测量计的示意结构的剖面图；

图2是平面电阻形式中热敏电阻的电路原理示意图；

图3是本发明热敏电阻并联电路原理示意图；

图中：1基底，2反射层，3支撑层，4下电极，5热敏电阻，6隔离层，7上电极，8吸收层，9电极I，10电极II。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明提供的辐射热测量计，器件为传统的桥式结构，结构中包括：基底1、位于基底1上方的支撑层3、制作在支撑层3上的下电极4、下电极4上制备有热敏电阻5、热敏电阻5上覆有上电极7、上电极7上制备有吸收层8，其中基底1和支撑层3平行且有间隙地设置，热敏电阻5分为独立单元组并联设置在上电极7和下电极4之间。热敏电阻5各独立单元之间间隔均匀。热敏电阻5各个独立单元的间隔内充填氮化硅材料形成隔离层6。构成热敏电阻5的材料为掺杂的非晶硅。

上述辐射热测量计，所述基底1上制备有由Al制成的反射层2。

上述辐射热测量计，所述上电极7和下电极4由NiCr金属材料制成。

上述辐射热测量计，所述吸收层8由低导热性的绝缘材料制成，优选为氮化硅或氧化硅或氮氧化硅。

本发明提供的辐射热测量计的工作原理：在红外辐射作用下，由氮化硅制成的吸收层8吸收红外线能量，传递给热敏电阻5，热敏电阻5由于热阻效应阻值将发生变化，利用读出电路(ROIC)将该电阻的变化转换为电压或电流的变化，即可得到与之对应的红外辐射功率。

为提供器件对红外辐射能量的吸收，提高器件的精确度及灵敏度，在基底1上沉积Al作为反射层2，将漏过吸收层8的红外线再次反射到吸收层8，从而提高了器件的红外吸收率。

作为热敏电阻5的材料，掺杂非晶硅由于有电阻温度系数以及噪声的影响，通常将其阻值控制在10KΩ～100KΩ的范围内，根据热敏电阻的计算公式：

$R=\mathrm{\ρ}\frac{L}{w\×h}$

式中，ρ为电阻率，L为热敏电阻5的长度，w为热敏电阻5的宽度，h为热敏电阻5的厚度。由于热敏电阻5体积参数与热容和热传导有关，通过改变体积参数调整电阻将会使热容改变，影响器件的性能，针对于17μm×17μm的热敏单元，热敏电阻5设计电阻值为50KΩ，对于平面电阻的情况，将热敏电阻5的长宽比L/w设计为50，热敏电阻5的厚度定为

要满足电阻值的要求，电阻率必须控制在＜50Ω·cm的范围内，这样的掺杂水平处于非晶硅薄膜原位掺杂的极限，工艺上存在很大的难度，但采用热敏电阻5并联的结构则可以满足条件，因为此时热敏电阻5的厚度为热敏电阻5的长度，相对于平面电阻，电阻长度从微米量级降低到亚微米量级，同时通过调整并联热敏电阻5的个数以及增加热敏电阻5的电阻率来满足设计的需求。例如，设计热敏电阻5电阻值为50KΩ时，热敏单元面积为17μm×17μm，热敏电阻5的厚度为

采取4个热敏电阻5并联的形式，4个热敏电阻5的阻值相同，热敏电阻5的尺寸为3μm×15μm，热敏电阻5的电阻率为6000Ω·cm，这样的掺杂水平工艺中容易实现，因此采用热敏电阻5并联的形式提高了设计的灵活性，降低了工艺的难度。

上述辐射热测量计的制备方法，其步骤包括：

1)在基底1上电子束蒸发制备反射层2；

2)制备牺牲层；

3)淀积低应力氮化硅或氧化硅薄膜制备支撑层3；

4)光刻、刻蚀牺牲层形成下电极4图形锚点，溅射形成下电极4；

5)淀积非晶硅薄膜并掺杂，光刻、刻蚀完成热敏电阻5分离单元组的制备；

6)淀积氮化硅隔离层6；

7)光刻、刻蚀牺牲层形成上电极7图形锚点，溅射形成上电极7；

8)淀积、光刻、刻蚀制备吸收层8；

9)刻蚀牺牲层，释放辐射热测量计微结构。

可以总结为以下具体工序：

1)反射层2的制备：基底1选用硅衬底，抛光、清洗后旋涂光刻胶，采用光刻剥离的方法完成反射层2的图形化，电子束蒸发Al，厚度为500nm，最后剥离去除光刻胶，反射层2制备完成。

2)制备牺牲层：控制转台的转数以及旋转时间，使聚酰亚胺的厚度为2.5μm左右，然后按照聚酰亚胺的固化温度曲线固化，牺牲层制备完成。

3)支撑层3的制备：支撑层3的材料必须具有以下性质：①具有良好的机械特性以及低应力，②热传导系数小。通常采用等离子体化学气相沉积PECVD淀积低应力的氮化硅或氧化硅薄膜作为支撑层3，优选用氧化硅，因为氧化硅的热传导系数更小，沉积氧化硅的厚度为50nm。

4)下电极4的制备：下电极4的材料的选择必须满足3个条件：①具有良好的粘附性，②与非晶硅接触具有良好的欧姆接触特性，③热传导系数较小。NiCr合金能够较好的满足以上3个条件，选用NiCr作为下电极4的金属材料，光刻牺牲层聚酰亚胺，干法刻蚀聚酰亚胺形成锚点，溅射NiCr，厚度为20nm，刻蚀形成下电极4。

5)热敏电阻5的制备：选用掺杂非晶硅作为热敏电阻5材料，根据电阻值和器件结构设计电阻图形，淀积热敏电阻5非晶硅薄膜后，离子注入掺杂非晶硅，光刻、腐蚀完成热敏电阻5的制备，薄膜厚度为

6)隔离层6的制备：采用氮化硅作为上电极7和下电极4间的隔离层6的材料，实现热敏电阻5间的电隔离，厚度小于或等于热敏电阻5的厚度，采用双频PECVD淀积后光刻、腐蚀制备形成。

7)上电极7的制备：与下电极4的要求相同，可采用NiCr作为上电极7的材料，NiCr作为上电极7还有一个作用，可以同时作为红外吸收层。采用溅射工艺制备，溅射能够很好的控制金属的厚度以及具有良好的均匀性。光刻牺牲层聚酰亚胺，干法刻蚀聚酰亚胺形成锚点，最后光刻、腐蚀完成上电极7的制备。

8)吸收层8的制备：采用双频PECVD淀积低应力的氮化硅作为吸收层8，厚度为30nm，淀积后光刻、腐蚀形成吸收层8。同时由于上电极7NiCr的方块电阻值容易受到后续工艺如等离子刻蚀、牺牲层释放等工艺影响，电阻值的变化将会影响红外吸收效率，所以吸收层8的氮化硅可以作为上电极7的保护层。

9)结构释放：采用O₂等离子刻蚀方法刻蚀聚酰亚胺，释放器件结构。

Claims (8)

1.一种辐射热测量计，结构中包括：基底(1)、位于基底(1)上方的支撑层(3)、制作在支撑层(3)上的下电极(4)、下电极(4)上制备有热敏电阻(5)、热敏电阻(5)上覆有上电极(7)、上电极(7)上制备有吸收层(8)，其中基底(1)和支撑层(3)平行且有间隙地设置，其特征在于：热敏电阻(5)分为独立单元组并联设置在上电极(7)和下电极(4)之间。

2.根据权利要求1所述的辐射热测量计，其特征在于热敏电阻(5)各独立单元之间间隔均匀。

3.根据权利要求2所述的辐射热测量计，其特征在于热敏电阻(5)各个独立单元的间隔内充填氮化硅材料形成隔离层(6)。

4.根据权利要求1所述的辐射热测量计，其特征在于上述构成热敏电阻(5)的材料为掺杂的非晶硅。

5.根据权利要求3所述的辐射热测量计，其特征在于基底(1)上制备有反射层(2)，该反射层由Al制备而成。

6.根据权利要求1所述的辐射热测量计，其特征在于上电极(7)和下电极(4)由NiCr金属材料制成。

7.根据权利要求1所述的辐射热测量计，其特征在于吸收层(8)为氮化硅或氧化硅或氮氧化硅。

8.一种权利要求5所述的辐射热测量计的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在基底(1)上电子束蒸发制备反射层(2)；

2)制备牺牲层；

3)淀积低应力氮化硅或氧化硅薄膜制备支撑层(3)；

4)光刻、刻蚀牺牲层形成下电极(4)图形锚点，溅射形成下电极(4)；

5)淀积非晶硅薄膜并掺杂，光刻、刻蚀完成热敏电阻(5)分离单元组的制备；

6)淀积氮化硅隔离层(6)；

7)光刻、刻蚀牺牲层形成上电极(7)图形锚点，溅射形成上电极(7)；

8)淀积、光刻、刻蚀制备吸收层(8)；

9)刻蚀牺牲层，释放辐射热测量计微结构。

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