CN101872797A - 一种基于微桥谐振器的新型红外探测器结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微桥谐振器的新型红外探测器的结构及制作方法。该红外探测器由微细加工技术制作的微桥1、具有负电阻温度系数的激励电阻2和检测元件3、金属引线4和衬底5组成。入射红外辐射的热效应使得具有负电阻温度系数的激励电阻2阻值下降。保持加载在激励电阻2上的电压恒定，激励电阻2阻值的下降将使激励功率的静态分量增大，等效于增加了红外辐射的功率。本发明所涉及的基于微机械桥型谐振器的非制冷红外探测器的输出量为谐振频率，受电路噪声影响很小，具有极高的探测率和响应率，易于实现阵列化和系统集成，大批量生产成本低。

Description

一种基于微桥谐振器的新型红外探测器结构及制作方法

一、技术领域

本发明涉及红外探测器的结构及制造方法，特别是一种采用具有负电阻温度系数的非晶硅电阻或多晶硅电阻作为激励电阻的电热激励微桥谐振器实现的非制冷红外探测器的结构及制作方法，属于微电子机械系统(Micro Electro Mechanical systems，MEMS)领域。

二、背景技术

红外探测技术是信息获取的主要手段之一。按照工作原理划分，红外探测器可以分为制冷型的光子探测器和非制冷型的热探测器两大类。基于入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应(光生伏特效应、光电导效应、光电磁效应和光发射效应等)的光子探测器，对不同波长的红外线选择性好、响应时间短、噪声等效温差低、探测率高，是陆、海、空、天各类武器系统中重要的传感器，是获得战场信息优势和战争主动权的关键因素之一，可用于弹道导弹和远程巡航导弹的早期预警、跟踪、识别和拦截，对迅速发展的光电对抗、光通信、定向能武器等方面具有基础作用。光子探测器热噪声随温度升高呈指数规律上升，工作时需要低温制冷装置将其冷却到很低的温度，主要用于军事和天文领域。

热探测器的工作机理是基于入射红外线的热效应(热敏电阻效应、温差电效应、热释电效应、热膨胀效应等)引起探测器敏感材料的物理特性或探测器结构的力学特性发生的变化。热探测器可在室温下工作，光谱响应范围宽、体积小、重量轻、功耗低、性价比高、便于携带、工作可靠、操作和维护简便，可应用于非接触式测温、功率计、红外报警、频谱仪、自动开关、气体分析仪、禁毒、危险品监测、医疗、工业探伤、电力线路检测、地球资源探测、火灾营救、污染探测等领域。热探测器包括微测辐射热计、热释电红外探测器、热电堆红外探测器、热气动型红外探测器、双材料悬臂梁红外探测器、石英晶体谐振式红外探测器等类型。

微测辐射热计基于具有热敏特性的探测材料在温度变化时电阻值发生变化的热敏电阻效应。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，入射红外辐射引起的温度变化使得热敏电阻阻值减小，从而使电流增大，并由读出电路读出。微测辐射热计的响应率比热电堆型高，制作工艺比热释电红外探测器简单，工作时无需斩波器，具有较低的串音和图像模糊、较低的1/f噪声、较高的帧速，是非制冷红外探测器的主流技术之一。目前已经有利用氧化钒(VOx)、多晶硅、非晶硅、非晶锗、多晶锗硅、金属材料以及高温超导材料(YBaCuO)等各种敏感材料制作的微测辐射热计的研究报道。微测辐射热计的探测单元对所施加的偏置脉冲电压精度要求较高，流过热敏电阻的偏置电流不能太大。

热电堆红外探测器是基于塞贝克效应制成的，由热电堆、支撑膜以及红外吸收层组成。从热偶组成的角度分类，热电堆红外探测器可分为金属热偶，硅-金属热偶以及N型多晶硅-P型多晶硅热偶等。微机械红外热电堆探测器是一种自发电型传感器，不需要外加电源。从提高热电堆的探测灵敏度、减小热偶向衬底传导热量的角度考虑，热电偶材料需要同时具备高塞贝克系数、低电阻率、低热导率等特点。但根据魏德曼一弗兰茨(Wedman-Franze)定律，材料的热导率与电阻率之积为常数，难以同时减小热导率和电阻率。

热释电效应是指热释电晶体的温度在一定频率下变化时晶体的自发极化电荷来不及被中和，随温度周期性变化而产生交变电场的效应。热释电红外探测器常用材料为钛酸锶钡(BST)、锆钛酸铅铁电陶瓷、聚偏氟乙烯聚合物、复合热释电薄膜等。热释电红外探测器没有直流响应，必须使用斩波器以适当的频率周期性调制入射辐射，才能得到输出信号。

热气动型红外探测器的实现需要将低热容量气体密封于红外窗口和弹性敏感膜之间的气腔中，由红外窗口入射的红外辐射被气体吸收后，气体分子能量和气体压强增加，弹性敏感膜产生形变，通过隧道效应或电容检测方法检测弹性敏感膜的变形得到入射红外辐射的信息。然而电容检测方法需要将电容检测电路与探测器集成在一起以实现高的检测精度，制作工艺复杂。

利用双材料微悬臂梁实现红外探测是近年来出现的一种新型高灵敏度非制冷红外成像技术。1996年美国橡树岭国家实验室利用光杠杆检测悬臂梁挠度，获得250℃物体的热图像，证明利用双材料悬臂梁探测红外线的可行性。1997年，美国Berkeley大学的Maumdar研究小组发展了基于干涉读出方式的双材料悬臂梁红外焦平面阵列，并看到2米远处人的热图像。此后，日本Nikon公司、美国Aegis半导体公司、以色列耶路撒冷大学及国内上海微系统与信息技术研究所、中国科学技术大学、西安交大、中国科学院上海技术物理研究所等单位也开展了双材料悬臂梁红外探测器单元及焦平面阵列方面的研究工作。然而双材料梁的挠度一般在纳米数量级，需要复杂的光学装置检测梁的变形，使得其结构较为复杂。

目前，非制冷红外探测器发展的主要方向：(1)研究新工艺、新材料，对现有红外探测器的结构进行改进，提高响应率和探测率。(2)多功能、集成化、高密集度焦平面阵列。(3)探索高响应率、高探测率、低噪声的新型红外敏感机理。

谐振式传感器输出信号是频率型信号，适合于远距离传输；可不经A/D转换器而方便地与数字系统或计算机连接，具有数字传感器的特征；受电路噪声的影响很小，精度及分辨率高；长期稳定性好，抗干扰能力强。是一种高精度传感方式。在压力测量等领域中，可当做副标准标定其它类型传感器的测量精度。因此，谐振式红外探测器是提高非制冷红外探测器的探测性能指标的一种可能途径。

实现谐振式传感方式的技术途径之一是石英谐振器。1963年Smith等人指出石英温度计可以测量10^-6K的数量级的温度变化。1999年John R.V等人利用了石英晶体的共振频率对温度的敏感性研制了一种石英谐振红外探测器。2007年Francis Tsow在谐振频率为34.5KHz的石英音叉谐振器的两个音叉之间连接一聚合物细线。温度变化时聚合物细线的刚度和微桥的谐振频率随之变化，NETD达到0.5mK，热极限噪音为5μ℃，热响应时间约为50ms，温度灵敏度为10Hz/℃，谐振频率温度系数约为290ppm/℃。2009年美国Park大学的Ping Kao采用Y切石英晶体谐振器探测红外线，器件直径1mm，厚度18微米，谐振频率90MHz，品质因数＞10000，温度灵敏度为6.8～7.2kHz/K，谐振频率温度系数为90ppm/K，响应率为14.3MHz/W，噪声等效功率为326nW。尽管石英晶体谐振器具有品质因数高的优点，但加工比较困难，敏感元件厚度偏大、谐振频率的温度系数小，限制了其在非制冷红外探测领域的应用前景。

硅微机械谐振器是实现谐振式红外探测器的另一种途径。硅微谐振式传感器利用微(机械)悬臂梁、微(机械)两端固支梁(常形象地称作微桥)谐振器的谐振频率、幅值和相位等参数敏感被测量，广泛用于测量压力、真空度、角速度、加速度、流量、温度、湿度和气体成分等物理、化学和生物量。1994年C.Cabuz制作了一种静电激励/电容检测的二氧化硅微桥谐振器探测红外辐射，利用P⁺硅吸收红外线。微桥的谐振频率为100KHz，品质因数为20000，响应率为500ppm/μW，远高于石英探测器的响应率，但与电阻测辐射热计、热释电红外探测器相比仍低得多。2005年Takahito Ono报道了一种基于静电激励微悬臂梁谐振器的红外探测器。传感器包括吸收红外辐射的绝热薄膜、悬臂梁、驱动电极、用于调制悬臂梁弹簧常数的两个电极。绝热薄膜吸收红外辐射后引起支撑在其边缘的悬臂梁的温度和热应力变化，从而改变谐振频率。这种基于微悬臂梁谐振器的红外探测器的谐振频率温度系数为-560ppm/℃，远小于电阻测辐射热计的响应率(-3％/℃左右)。噪声等效功率NEP＝240pW.Hz^-1/2，探测率为1.4×10⁷cm.Hz^1/2W^-1/2，仅为商品化非制冷红外探测器的1/10左右。2007年Combesd J等人在美国申请了一项谐振式红外探测器的专利。该探测器的核心结构是两端固支在框架上的微梁谐振元件，框架吸收红外辐射后产生的热膨胀改变了谐振元件的轴向应力，从而改变谐振元件的谐振频率。该探测器具有极高的响应率，但谐振频率的灵敏度(电阻温度系数)与温度之间的线性极差，不同温度下电阻温度系数不同。该微梁的轴向应力对温度高度敏感，在较高温度下微梁会产生压屈形变，甚至与下电极粘连使器件失效。

三、发明内容

本发明的目的在于发明一种基于微桥谐振器的高探测率、高响应率的非制冷红外探测器。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：微桥谐振器由微细加工技术制作的微桥1、具有负电阻温度系数的激励电阻2、检测元件3、金属引线4和衬底5组成。其中，激励电阻2可以是非晶硅电阻，也可以是掺杂浓度小于5×10¹⁹/cm³的多晶硅电阻等电阻温度系数为负值的电阻，亦即其电阻阻值随温度的升高而降低。微桥1的谐振频率可以采用压阻检测、电磁检测、压电检测、光学干涉、电容检测等方式实现，相应地，检测元件3的形式也是不同的。对压阻检测，检测元件3为单晶硅电阻或多晶硅电阻；对电磁检测，检测元件3为制作在微桥1上的金属导线；对压电检测，检测元件3为压电检测元件；对光学干涉检测，检测元件3为外部光电元件；对电容检测，检测元件3为检测电容。

本发明所涉及的基于微桥谐振器的非制冷红外探测器的工作原理可从以下几个方面描述：

【1】微桥1吸收红外辐射后平均温度升高，轴向压应力增大或拉应力减小，使得谐振频率减小。

【2】保持加载在激励电阻2上的直流偏置电压和交变电压大小不变，微桥1吸收红外辐射后温度升高，使得具有负电阻温度系数的激励电阻2的阻值减小，激励功率增大，进一步升高微桥1的平均温度，等效于增强了红外辐射的功率密度。

【3】红外辐射、激励电阻2阻值下降引起的激励功率增大与热传导、空气对流共同作用决定了在某一辐射功率密度的红外线照射下达到热平衡后微桥1的平均温度和谐振频率的变化量。

本发明所涉及的基于微桥谐振器的非制冷红外探测器可采用以下的基本制作工艺流程制作：

【1】原始材料为低掺杂硅片。

【2】利用氧化、低压化学气相淀积(LPCVD)等方法在硅片正面制作组成微桥1的薄膜材料，如热氧化法生长的二氧化硅、低压化学气相淀积的氮化硅薄膜等。

【3】采用低压化学气相淀积方法或等离子化学气相淀积(PECVD)方法淀积多晶硅薄膜或非晶硅薄膜。通过扩散或离子注入方式对多晶硅或非晶硅薄膜进行掺杂(如掺杂硼、磷等元素)。也可以在淀积薄膜的同时进行掺杂。多晶硅中掺杂浓度应小于5×10¹⁹/cm³。

【4】在硅片正面采用光刻、刻蚀等方法制作激励电阻2。

【5】根据需要，采用等离子体化学气相淀积或溅射工艺制作组成微桥1的其它薄膜(如氮化硅薄膜)。

【6】在硅片正面光刻出微桥1的形状，腐蚀或刻蚀第2)步和第5)步生长的双层或多层薄膜，直到暴露出硅衬底。

【7】光刻、刻蚀相结合制作电阻接触孔。蒸发或溅射金属薄膜(如铝、金等)，制作金属引线4。

【8】背面光刻腐蚀窗口(也可在第2)到第7)步任意两步工艺之间进行)，各向异性干法刻蚀或湿法腐蚀释放微桥1，亦即掏空微桥1下面的硅。

【9】划片，焊接引线。

本发明所涉及的基于微桥谐振器的非制冷红外探测器中的微桥1既可采用的两端固支单梁谐振器，也可采用两端固支双梁谐振器或两端固支三梁谐振器等其它类型；梁上可以开槽或开孔以提高品质因数或实现电学隔离。两端固支双梁谐振器由两根平行的梁组成，梁的末端合并，并与衬底固支。当通过适当的激励方式使两个音叉臂反相振动时，在它们的合并区域产生的应力和力矩方向相反，互相抵消，因此整个结构通过固支端与外界的能量耦合最小，振动系统的能量损失小，具有较高的Q值。三梁结构桥谐振器的中间梁的宽度等于左右相邻两梁的宽度之和，且三者在端部经由能量隔离区相互连成一个整体。当选用三梁谐振器的反对称相位的三阶振动模态作为梁的谐振模态时，中间的梁和两边的两个梁在固支端产生的反力和力矩因振动方向相反而相互抵消，振动能量储存在谐振器内部，从而减少能量损耗，起到提高Q值的作用。

本发明所涉及的基于微桥谐振器的非制冷红外探测器的优点在于引起微桥1轴向应力增加、谐振频率减小的因素除红外辐射的热效应外，激励电阻2阻值下降引起的激励功率增大也会使谐振频率降低，它们与热传导、空气对流共同作用决定了微桥1在某一辐射功率密度下达到热平衡后的温度和谐振频率的变化量。

本发明所涉及的基于微桥谐振器的非制冷红外探测器的另一优点是这种热红外探测器的输出量为谐振频率，不受电路噪声的影响，精度及分辨率很高。因此这种红外探测器较高的响应率和低噪声必将使其噪声等效温差相对于现有的热探测器有很大的提高。而测辐射热计、热释电探测器、微悬臂梁探测器等非制冷红外探测器的输出量为电压或电流，由于输出信号很微弱，信噪比很低。

本发明所涉及的基于微桥谐振器的非制冷红外探测器的另一优点是它是由微细加工技术制作，易于实现阵列化和系统集成，大批量生产成本低，适合于远距离传输；功耗低，长期稳定性好，抗干扰能力强。

四、附图说明

图1是本发明所涉及的基于微桥谐振器的非制冷红外探测器的实施例1的工艺流程图。其中微桥1由热氧化法生长的二氧化硅和低压化学气相淀积法制作的氮化硅薄膜组成，激励电阻2和检测元件3均为多晶硅电阻。

图2是本发明所涉及的基于微桥谐振器的非制冷红外探测器的实施例2的工艺流程图。其中微桥1由热氧化法生长的二氧化硅和等离子体化学气相淀积法制作的氮化硅薄膜组成，激励电阻2为非晶硅电阻，采用电磁激励方式检测微桥1的谐振频率。

附图中：

1-微桥        2-激励电阻    3-检测元件

4-金属引线    5-衬底        6-二氧化硅

7-低压化学气相淀积法制作的氮化硅薄膜

8-等离子化学气相淀积法制作的的氮化硅薄膜

五、具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但并不局限于该实施例。

实施例1：

利用本发明的技术方案制作一种基于电热激励/压阻检测微桥谐振器的非制冷红外探测器。其中微桥1由热氧化法生长的二氧化硅和低压化学气相淀积的氮化硅薄膜组成，激励电阻2和检测元件3均为多晶硅电阻。其制作工艺流程如下：

【1】原始材料为N型、(100)面硅片，电阻率1～10Ω.cm的双面抛光的硅片。(见附图1(a))

【2】热氧化法生长二氧化硅薄膜。低压化学淀积(LPCVD)方法淀积氮化硅薄膜。二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜的厚度比例为3∶1。(见附图1(b))

【3】低压化学气相淀积方法淀积多晶硅薄膜。通过离子注入方式对正面多晶硅薄膜掺杂硼元素，掺杂浓度为3×10¹⁹/cm³。(见附图1(c))

【4】950℃下氧化30分钟以激活杂质离子。正面光刻激励电阻2和检测电阻3的图形，缓释氢氟酸腐蚀正面多晶硅电阻外的二氧化硅和背面最外层的二氧化硅。3号液中去除光刻胶。四甲基氢氧化胺腐蚀正面电阻区域外的多晶硅和背面的多晶硅薄膜。缓释氢氟酸腐蚀多晶硅电阻上的二氧化硅。(见附图1(d))

【5】在硅片正面光刻出微桥1的形状，腐蚀或刻蚀二氧化硅和氮化硅薄膜，暴露出硅衬底。蒸发或溅射金属薄膜(如铝、金等)，光刻、腐蚀相结合制作金属引线4。(见附图1(e))

【6】背面光刻腐蚀窗口，各向异性干法或湿法腐蚀释放微桥1，亦即掏空微桥1下面的硅。(见附图1(f))

【7】划片，焊接引线。

实施例2：

利用本发明的技术方案制作一种基于电热激励/电磁检测微桥谐振器的非制冷红外探测器。其中微桥1由热氧化法生长的二氧化硅和等离子体化学气相淀积法淀积的氮化硅薄膜组成。激励电阻2为非晶硅电阻，采用电磁激励方式检测微桥1的谐振频率。其制作工艺流程如下：

【1】原始材料为N型、(100)面硅片，电阻率1～10Ω.cm双面抛光的硅片。(见附图2(a))

【2】热氧化生长二氧化硅薄膜。(见附图2(b))

【3】等离子体化学气相淀积法(PECVD)淀积非晶硅薄膜。淀积非晶硅薄膜的同时掺杂磷元素，掺杂比为0.025，600℃下退火30分钟。(见附图2(c))

【4】正面光刻激励电阻2图形，ICP刻蚀电阻图形外的非晶硅薄膜，去除光刻胶。(见附图2(d))

【5】等离子体化学气相淀积法制作氮化硅薄膜。根据二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜的应力水平确定二者的厚度使桥的残余应力较小。(见附图2(e))

【6】在硅片正面光刻出微桥1的形状，干法刻蚀二氧化硅和氮化硅薄膜，暴露出硅衬底。光刻、刻蚀相结合制作电阻接触孔。蒸发或溅射金属薄膜(如铝、金等)，光刻、腐蚀相结合制作金属引线4。(见附图2(f))

【7】背面光刻腐蚀窗口，各向异性干法或湿法腐蚀释放微桥1，亦即掏空微桥1下面的硅。(见附图2(g))

【8】划片，焊接引线。

附图2(h)为基于电热激励/电磁检测微桥谐振器的非制冷红外探测器的俯视图。外部磁场平行于芯片表面并与微桥1垂直。微桥1垂直于芯片表面振动时因导线AB切割磁力线而在其两端产生感应电动势，通过检测感应电动势的频率来确定微桥1的固有频率。导线AB即为检测元件3。

Claims (5)

1.基于微桥型谐振器的非制冷红外探测器，其特征在于：微桥谐振器由微细加工技术制作的微桥1、具有负电阻温度系数的激励电阻2、检测元件3、金属引线4和衬底5组成。。

2.根据权利要求1所述的基于微桥型谐振器的非制冷红外探测器的特征在于：激励电阻2可以是非晶硅电阻，也可以是掺杂浓度小于5×10¹⁹/cm³的多晶硅电阻等电阻温度系数为负值的电阻，亦即其电阻阻值随温度的升高而降低。

3.根据权利要求1所述的基于微桥型谐振器的非制冷红外探测器的特征在于：微桥1吸收红外辐射后平均温度升高，轴向压应力增大或拉应力减小，使得谐振频率减小。同时，入射红外辐射的热效应使得具有负电阻温度系数的激励电阻2阻值下降。使用时保持加载在激励电阻上的电压固定，激励电阻阻值的下降将使激励功率增大，等效于增加了红外辐射的功率。

4.根据权利要求1所述的基于微桥型谐振器的非制冷红外探测器，其特征在于：本发明所涉及的基于微桥型谐振器的非制冷红外探测器中的微桥1既可采用的两端固支单梁谐振器，也可采用两端固支双梁谐振器或两端固支三梁谐振器。

5.根据权利要求1所述的基于微桥型谐振器的非制冷红外探测器，其特征在于：采用以下工艺步骤制作：

【1】原始材料为低掺杂硅片。

【2】利用氧化、低压化学气相淀积(LPCVD)等方法在硅片正面制作组成微桥1的薄膜材料，如热氧化法生长的二氧化硅、低压化学气相淀积的氮化硅薄膜等。

【3】采用低压化学气相淀积方法或等离子化学气相淀积(PECVD)方法淀积多晶硅薄膜或非晶硅薄膜。通过扩散或离子注入方式对多晶硅或非晶硅薄膜进行掺杂(如掺杂硼、磷等元素)。也可以在淀积薄膜的同时进行掺杂。多晶硅中掺杂浓度应小于5×10¹⁹/cm³。

【4】在硅片正面采用光刻、刻蚀等方法制作激励电阻2。

【5】根据需要，采用等离子体化学气相淀积或溅射工艺制作组成微桥1的其它薄膜(如氮化硅薄膜)。

【6】在硅片正面光刻出微桥1的形状，腐蚀或刻蚀第2)步和第5)步生长的双层或多层薄膜，直到暴露出硅衬底。

【7】光刻、刻蚀相结合制作电阻接触孔。蒸发或溅射金属薄膜(如铝、金等)，制作金属引线4。

【8】背面光刻腐蚀窗口(也可在第2)到第7)步任意两步工艺之间进行)，各向异性干法刻蚀或湿法腐蚀释放微桥1，亦即掏空微桥1下面的硅。

【9】划片，焊接引线。

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