CN101995295A - 非制冷红外焦平面阵列及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非制冷红外焦平面阵列及其制备方法与应用。该红外焦平面阵列，由微悬臂梁像元阵列、支撑所述微悬臂梁像元阵列的衬底和位于所述衬底上的电路组成；其中，所述微悬臂梁像元阵列由红外吸收面、悬臂梁支腿、MOSFET器件、输出引线和支撑锚点组成。本发明提供的红外焦平面阵列没有任何的特殊工艺，具有易于与IC实现单片集成的优点，适于工业大批量制备，易得到不同精度需求的产品。并为高分辨率提供了极大的提升空间，极大的简化了电路规模和设计成本，为大规模产业化提供了可行的设计方案。

Description

非制冷红外焦平面阵列及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于红外和热传感技术领域，涉及一种非制冷红外焦平面阵列及其制备方法与应用。

背景技术

红外探测器将红外光辐射转变成直接测量的电学量或者其他易测的输出形式，从而达到红外探测的目的。红外探测器在军事，环境检测，医学诊断和微电子装置的热探测方面都有广泛的应用。红外探测器根据工作原理可以分为热探测器和光子型探测器，由于光子型探测器大部分都需要昂贵而且笨重的制冷设备，所以人们逐渐把眼光投向非制冷的热红外探测器。在非制冷热红外探测器方面，比较成熟的技术有：测微辐射热探测器，热释电探测器，热电堆探测器和微悬臂梁探测器。近几年由于微电子工艺的发展，基于微机械加工技术的微悬臂梁式非制冷红外探测器得到了广泛的重视。其工作原理是采用两种材料制备微悬臂梁，悬臂梁上的红外吸收面吸收红外辐射并将其转换成热能，热能传导至双材料支腿致使悬臂梁结构形变，通过测量悬臂梁形变量实现红外探测。MEMS非制冷红外探测器利用双材料微悬臂梁的热力学效应工作，工作过程中吸收的红外能量转化为热能，然后再转化为机械能。

基于双材料效应的MEMS非制冷红外探测器不需要制冷设备，体积小，与热释电、测辐射热计等非制冷探测器相比，具有噪声等效温差小，容易实现单片集成，制备工艺简单，成本低等优点。MEMS非制冷红外探测器根据读出方式可以分为两类：光学读出和电学信号读出。光学读出微悬臂梁式MEMS非制冷红外探测器的结构相对简单，焦平面阵列的制备工艺简单。但是其光学读出系统体积庞大，系统的防震性差，整机集成难度大。电信号读出的MEMS微悬臂梁式红外探测器的制备工艺较复杂，但是其可以实现与信号处理电路的单片集成，而且可以方便的嵌入到现有的成像系统中，整机集成比较容易。

发明内容

本发明的目的是提供一种非制冷红外焦平面阵列及其制备方法与应用。

本发明提供的非制冷红外焦平面阵列，由微悬臂梁像元阵列、支撑所述微悬臂梁像元阵列的衬底和位于所述衬底上的电路组成；

其中，所述微悬臂梁像元阵列由红外吸收面、悬臂梁支腿、MOSFET器件、输出引线和支撑锚点组成；

所述悬臂梁支腿由双材料支腿和热隔离支腿组成；所述双材料支腿由位于上方的热膨胀层1和位于下方的热膨胀层2组成；所述红外吸收面的一端与所述双材料支腿热膨胀层2的一端相连，所述双材料支腿热膨胀层2的另一端与所述热隔离支腿的一端相连，所述热隔离支腿的另一端与所述支撑锚点相连；所述MOSFET器件位于所述双材料支腿热膨胀层2下面，或者，所述MOSFET器件的源区和漏区制备在所述衬底处，栅区附着在所述双材料支腿热膨胀层2下面，沟道区位于所述栅区下面的源区和漏区之间的区域；所述输出引线的一端与所述MOSFET器件相连，另一端与所述衬底上的电路相连。

该器件中，MOSFET器件设置在双材料支腿上时，在双材料支腿发生形变时，整个器件发生形变，从而导致器件的沟道电流改变；而当MOSFET器件的源漏区设置在衬底上，而栅电极的一部分设置在双材料支腿上时，在双材料支腿发生形变时，引起器件的栅电极电阻发生改变，导致器件的沟道电流改变。

所述构成红外吸收面的材料为吸收红外辐射的材料，由高红外光吸收效率的单层薄膜材料或复合薄膜材料组成，优选氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、碳化硅薄膜或金属与半导体介质材料构成的复合薄膜，如采用吸收红外辐射的黑金属、薄金属层、碳纳米管等与半导体介质材料组成的复合薄膜；所述红外吸收面的面积为100μm²到1mm²，需保证尽可能高的红外吸收效率和尽可能小的像元尺寸。

双材料支腿直接连接红外吸收面，红外吸收面吸收的热量传输到双材料支腿。双材料支腿由热膨胀系数相差较大的上下两层不同的材料组成，其中一层采用热膨胀系数较小的半导体介质材料制备，为热膨胀层2，通常与红外吸收面的主结构材料相同。如SiN、氧化硅(SiO₂)、SiC等。另外一层材料必须有较高的热导率和热膨胀系数，以利于吸收面的热量传导到双材料支腿，同时保证相对第一层材料有尽可能大的热膨胀系数差，为热膨胀层2，该层材料可以是金属、高热膨胀系数的聚合物等。由于双材料效应，双材料支腿吸收热量发生形变，同时使设置在双材料支腿上的MOSFET器件或器件的栅极发生形变。通过读出MOSFET器件的漏电流，可以检测出双材料支腿的形变量。构成热膨胀层1的材料为热膨胀系数大于1×10^-5K^-1的材料，优选铝或金；构成热膨胀层2的材料为热膨胀系数小于1×10^-5K^-1的材料；

热隔离支腿连接双材料支腿至锚点，用于减少热量传导到衬底而产生热量流失，所以所述构成热隔离支腿的材料为热导率小于50W/(m·K)的材料，通常与红外吸收面的主结构材料相同。如SiN、氧化硅(SiO₂)、SiC等。双材料支腿和热隔离支腿共同组成悬臂梁支腿结构。所述悬臂梁支腿为直线式、折线式、双折线式或多折线式，所述悬臂梁支腿的使用个数为一或大于等于二的偶数，所述悬臂梁支腿的个数大于一时，所述悬臂梁支腿位于所述红外吸收面的对称位置处；所述悬臂梁支腿的长度为10μm-1mm，宽度为2μm-30μm。

MOSFET器件为NMOS或PMOS器件，由源、漏、栅极和沟道区组成，MOSFET的源区和漏区为扩散区，一般采用离子注入的方法形成。构成源区和漏区的材料相同，均为同种杂质离子掺杂的硅材料，所述杂质离子的注入计量为1×10¹⁴/cm²-1×10¹⁸/cm²；所述杂质离子为磷离子或硼离子。栅极一般采用多晶硅制备，栅与扩散区交叠形成MOSFET结构。构成栅区的材料为掺杂多晶硅，优选磷掺杂的多晶硅，更优选磷离子注入剂量为1×10¹⁴/cm²-1×10¹⁸/cm²的多晶硅。其基本工作原理是利用栅极电荷调制沟道区电荷的运动，该沟道区位于栅极下面的源区和漏区之间的区域，沟道区的离子注入剂量为1×10¹¹/cm²-1×10¹³/cm²。对于整个MOSFET器件在支腿的结构，源、漏和栅区的电信号由附着在支腿上面或下面的导电材料引导至衬底上面；对于MOSFET栅电极在支腿上的结构，仅需把栅电极通过导电材料引出至衬底，与位于衬底上的差分放大器等外围处理电路相连接，该导电材料可以是金属、硅化物等。

位于衬底上的电路对MOSFET器件进行驱动、信号放大和采样。焦平面阵列由规则的像元行列组成，每个像元可通过行寻址寄存器和列寻址寄存器对阵列式MOSFET器件信号逐一进行串行处理。如果阵列规模较大，可以设置多个差分放大器，对器件信号进行并行处理。信号处理采用下述方法：首先输入一个栅极和源极间的栅源电压；当像元接收红外照射，MOSFET发生形变时，输入一个漏极与源极之间的漏源电压，使MOSFET工作在饱和状态，此时漏极读出的漏电流即可以反映MOSFET的形变情况。通过一个差分放大器对漏电流和基准电流进行比较后输出模拟电压，这里基准电流是一个始终不接收红外辐照的暗像元的漏电流。该电压的大小与MOSFET形变成正比，从而可以反应出像元的红外吸收情况。将该电压信号输入到CCD或CMOS传感器上即完成了红外图像的读取全部过程。

本发明提出的MOSFET读出式微悬臂梁结构除可以应用于制备红外焦平面阵列外，还可以利用一个或多个串联、并联像元结构形成热传感器，进行常规的热探测。

本发明提供了一种MOSFET读出式的微悬臂梁红外焦平面阵列的制备方法，该方法采用SOI硅片作为加工基片，硅片的器件层作为有源区制备MOSFET器件，在MOSFET器件基本制备完成后制备微悬臂梁，最后利用SOI硅片的埋氧层作为牺牲层制备得到MOSFET读出式微悬臂梁阵列。对于芯片中需要用到的外围读出电路，用标准的CMOS工艺完成，由于本设计的MEMS工艺步骤与CMOS工艺完全兼容，所以设计中，外围电路中用到的MOSFET器件，与悬臂梁上用到的MOSFET器件在相同的工艺步骤中进行制备。具体包括如下制备步骤：

1)在硅片器件层表面氧化形成氧化层，低压化学气相沉积法淀积一层SiNx，进行第一次光刻，干法刻蚀去除部分SiNx，形成有SiNx保护的Si器件层和没有SiNx保护的Si器件层；

2)高温氧化Si器件层，使没有SiNx保护的Si器件层完全被氧化形成场区，有SiNx保护的Si器件层为有源区；腐蚀去除SiNx，形成相互电绝缘的有源区硅岛；

3)进行第二次光刻，对有源区进行离子注入，使有源区成为轻掺杂的P区，该区域用于制备NMOS器件；

进行第三次光刻，对有源区进行离子注入，注入磷离子，形成轻掺杂的N区，该区域用于制备PMOS器件，至此已经定义出悬臂梁上的MOSFET器件和外围CMOS电路的有源区；

4)腐蚀去掉有源区表面的氧化层，进行栅氧化，形成一层氧化层，低压化学气相沉积法淀积多晶硅层，并对所述多晶硅层进行磷离子注入；

进行第四次光刻，干法刻蚀多晶硅，形成MOSFET和CMOS器件的栅结构，同时为第五、六次离子注入提供自对准掩膜；

5)进行第五次光刻，注入源漏离子，注入磷离子，形成重掺杂的N区；

进行第六次光刻，注入硼离子，形成重掺杂的P区，高温退火，激活注入的离子，至此形成悬臂梁上MOSFET读出器件和外围的处理电路中的所有器件；

6)化学气相沉积氧化硅层，第七次光刻，刻蚀氧化硅，形成器件的源漏栅接触孔；然后制备一层导电材料，将三个电极连接至衬底的电路上；

第八次光刻，刻蚀导电材料，形成器件与电路的电互联引线；

7)化学气相沉积微悬臂梁结构层，第九次光刻，干法刻蚀微悬臂梁结构材料，形成电路的引出孔；

8)溅射形成一层金属层，第十次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀金属，此时完成了所有的MOSFET和CMOS器件的电互连结构，同时，图形化双材料支腿上的热膨胀系数大于1×10^-5K^-1的热膨胀层1；

9)第十一次光刻，干法刻蚀微悬臂梁像元结构层，形成红外吸收面、双材料支腿上热膨胀系数小于1×10^-5K^-1的热膨胀层2和热隔离支腿；

10)腐蚀或刻蚀埋氧层，释放整个悬臂梁结构，完成所述非制冷红外焦平面阵列的制备。

该方法的步骤1)中，所述硅片为SOI硅片；所述氧化层的厚度为10nm-5μm，所述SiNx层的厚度为10nm-200nm；

步骤3)中，所述进行第二次光刻时，离子注入步骤中，注入的离子为硼离子，注入电压为20kev-100kev，注入剂量为1×10⁹/cm²-1×10¹¹/cm²；

所述进行第三次光刻时，离子注入步骤中，注入的离子为磷离子，注入电压为20kev-100kev，注入剂量为1×10¹¹/cm²-1×10¹³/cm²；

步骤4)中，栅氧化步骤中，氧化层的厚度为1nm-50nm，多晶硅层的厚度为100nm-1000nm，所述磷离子注入的步骤中，注入电压为20kev-100kev，注入剂量为1×10¹⁴/cm²-1×10¹⁸/cm²；

步骤5)中，所述第五次光刻中，磷离子的注入电压为20kev-100kev，注入剂量为1×10¹⁴/cm²-1×10¹⁸/cm²；

所述第六次光刻中，硼离子的注入电压为20kev-100kev，注入剂量为1×10¹⁴/cm²-1×10¹⁸/cm²；退火温度为800℃-900℃，退火时间为0.5min-2min；

步骤6)中，氧化硅层的厚度为100nm-1000nm；所述导电材料的厚度为100nm-500nm；所述导电材料为金属硅化物或金属材料，优选硅化钴、硅化钛或金属铝；

步骤7)中，化学气相沉积微悬臂梁结构层步骤中，微悬臂梁结构层的厚度为100nm-10μm；

所述步骤8)中，所述金属层的厚度为500nm-1000nm，所述构成金属层的材料为Al或Au；

所述图形化双材料支腿上热膨胀系数大于1×10^-5K^-1的热膨胀层1的方法为干法刻蚀或湿法腐蚀。

本发明提供一种基于微悬臂梁非制冷红外焦平面阵列的全新设计和制备方法-MOS场效应晶体管(MOSFET)读出式微悬臂梁非制冷红外焦平面阵列。相比电容式、压阻式等其他电学读出的MEMS红外焦平面阵列，本发明有以下几个技术优势：

1、相比于电容信号读出的红外焦平面阵列，MOSFET读出式微悬臂梁红外焦平面阵列没有任何的特殊工艺，具有易于与IC实现单片集成的优点，适于工业大批量制备。

2、本发明采用MOSFET器件读出双材料微悬臂梁的形变，可以得到更高的灵敏度，通过控制MOSFET的结构尺寸，可以很容易得到不同精度需求的产品。同时由于MOSFET器件的高灵敏特性，可以减小红外吸收面的面积，同时保持读出信号的质量，从而为高分辨率提供了极大的提升空间。

3、本发明中的MOSFET输出信号为电流形式，可以通过差分电路直接放大为电压信号进入外围处理的IC电路中，极大的简化了电路规模和设计成本，为大规模产业化提供了可行的设计方案。

附图说明

图1为MOSFET读出式红外焦平面阵列。

图2为三种支腿结构的MOSFET读出式的红外焦平面俯视结构示意图。

图3为整个MOSFET器件位于支腿上的设计结构示意图。

图4为MOSFET器件的栅极位于支腿上的设计结构示意图。

图5为整个MOSFET器件位于支腿上的悬臂梁像元立体结构示意图。

图6为MOSFET器件的栅极位于支腿上的悬臂梁像元立体结构示意图。

图7为制备MOSFET读出式红外焦平面阵列的工艺流程图。

图8为实施例1制备所得红外焦平面阵列的扫描电子显微镜图。

具体实施方式

如图1-6所示，本发明所提供的MOSFET读出式红外焦平面阵列由完全相同的微悬臂梁像元1、支撑悬臂梁的衬底2以及位于衬底上的电路3组成。微悬臂梁红外焦平面阵列像元包括红外吸收面4、双材料支腿5、热隔离支腿6、MOSFET器件7以及支撑它们的锚点8组成；其中，红外吸收面4、双材料支腿5和热隔离支腿6是悬空的结构，通过锚点8固支在衬底2上。红外吸收面4采用对红外线吸收效率高的薄膜制备，如果这种材料的绝热和热隔离性能足够好，同样可以制作热隔离支腿6和双材料支腿5。MOSFET器件7的电流特性变化反应双材料支腿5的形变，MOSFET的源8、漏9、栅10通过输出引线连接11到位于衬底上的外围电路。

本发明中双材料支腿和热隔离支腿的设计是红外焦平面阵列像元工作的关键。红外吸收面吸收红外辐射之后其温度的变化主要由它自身的热容量C、吸收的红外辐射功率能量和对周围环境的热传导决定G的，其热导主要有三个部分：器件通过支腿向衬底材料的热传导，对周围环境的热辐射和对周围环境的热对流引起的传热。根据热辐射的实际情况，可以对其热平衡过程作进一步的简化。由于器件一般采用真空封装，因此器件向周围环境的热传导和热辐射很小，在近似分析中可以忽略。器件一般工作在室温(24℃)其发射的辐射功率增量也可以忽略。可以近似认为吸收的热能只通过支腿向衬底传导，则可将其热力学平衡方程简化为：

$C\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=\frac{A{\mathrm{\ϵ}}_e\mathrm{\π}}{4{F_{\mathrm{no}}}^2}L-G(T-T_S)---\left(1\right)$

其中ε_e为像元表面的发射率，L为成像物体辐射每单位面积每立体角的红外辐射能量，F_no ²为红外透镜的光圈值，A为红外吸收面积。

通过分析知道热传导G与温度变化成反比关系，支腿的热传导可由下式表示：

$G^{-1}=\underset{I=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{L_{\mathrm{leg}}}{A_{\mathrm{leg}}k}\right)}_i---\left(2\right)$

L_leg为支腿长度，A_leg为支腿横截面积，k为支腿热导率。

由此可知，增加热隔离支腿的长度、减小横截面积可以有效减小像元的热量流失。当双材料支腿的温度改变时，由于构成支腿的两种材料热膨胀系数不一致，会发生弯曲变形，即“双材料效应”。支腿的末端在温度改变时产生的形变位移Δz与温度改变量ΔT的比值，即我们定义的热机械灵敏度S_T，由下式给出：

$S_T=\frac{\mathrm{\Δz}}{\mathrm{\ΔT}}=3\·({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2)\frac{l_b^2}{t_1+t_2}\left[\frac{{(1+\frac{t_1}{t_2})}^2}{3{(1+\frac{t_1}{t_2})}^2+(1+\frac{t_1}{t_2}\frac{E_1}{E_2})(\frac{t_1^2}{t_2^2}+\frac{t_2}{t_1}\frac{E_1}{E_2})}\right]---\left(3\right)$

其中，l_b为双材料微悬臂梁的长度，t₁和t₂分别为两种不同材料的薄膜厚度，α₁和α₂分别为两种不同材料的热膨胀系数，E₁和E₂分别为两种不同材料的杨氏模量。根据式(3)可以得出：一定的双材料梁薄膜厚度的比值可得到最高热机械灵敏度。在本发明中使用的双材料支腿由铝和氮化硅的情况下，可计算出使悬臂梁的热机械灵敏度达到最大值的两种材料薄膜厚度的比值约为0.7，测量表明1微米厚的LPCVD氮化硅薄膜红外吸收效率可达到97％。对于红外吸收面，减小其面积会降低器件的红外吸收效率，但面积太大则会增大器件尺寸，而尺寸过大的芯片的均匀性不易于控制，因此红外吸收面的尺寸选择30μm×50μm～60μm×100μm之间比较合适。

MOSFET器件有下式所描述的电流电压特性：

$I_{\mathrm{DS}}=\frac{\mathrm{\ω}{C}_{\mathrm{OX}}}{\mathrm{nq\ρL}}[(V_{\mathrm{GS}}-V_T)V_{\mathrm{DS}}-\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{DS}}^2]---\left(4\right)$

对于MOSFET器件的源漏区设置在SOI硅片的器件层上，栅电极的一部分设置在双材料梁上这种情况，红外感应通过栅电极的压阻效应实现。支腿形变使栅电极的电阻改变，从而改变栅源电压V_GS，由式(4)可知漏极电流I_DS改变。对于MOSFET整个器件在支腿上的结构，器件的沟道电导率ρ发生形变，从而使漏极电流I_DS改变。以上即是MOSFET器件感应红外的两种方式。

本发明中所述方法如如无特别说明，均为常规方法。

实施例1、

图7为MOSFET读出式的微悬臂梁红外焦平面阵列的制备流程图，具体步骤如下：

1)采用SOI硅片1作为加工基片，器件层2为P型，器件层2厚度为200nm，(100)晶向，埋氧层3厚度为400nm(图7a)；首先进行30nm的硅器件层氧化，为后续工艺提供应力缓冲层；在SOI硅片表面LPCVD一层SiNx，厚度为100nm，进行第一次光刻，干法刻蚀SiNx，去光刻胶，形成MOSFET器件有源区4；

2)氧化Si器件层，形成了相互电绝缘的有源区硅岛4；进行第二次光刻，有源区离子注入硼，注入电压为40kev，剂量为2×10¹²/cm²，形成P-区5，去光刻胶；进行第三次光刻，注入磷，注入电压为65kev，注入剂量为3.8×10¹⁰/cm²，形成N-区6，去光刻胶，至此已经定义出了MOSFET读出器件和外围处理电路的有源区(图7b)；

3)腐蚀掉有源区表面的氧化层，然后进行栅氧化，氧化厚度20nm，形成一层致密绝缘的薄氧化层；CVD多晶硅250nm，并对该多晶硅层进行磷离子注入，注入电压为40kev，注入剂量为2×10¹⁵/cm²，使多晶硅具有较大的电导率；第四次光刻，干法刻蚀多晶硅，形成MOSFET器件的栅结构7(图7c)，同时为第五、六次离子注入提供自对准掩膜；

4)第五次光刻，进行源漏离子注入，注入硼，注入电压为35kev，剂量为2×10¹⁵/cm²，形成P+区8，去光刻胶；第六次光刻，注入磷，注入电压为65kev，剂量2×10¹⁵/cm²形成N+区9，去光刻胶。高温退火，对注入的离子激活，至此已经形成了悬臂梁上MOSFET读出器件10和外围的处理电路中的所有器件11(图7d)；

5)CVD一层薄氧化硅200nm，第七次光刻，刻蚀氧化硅，形成器件的源漏栅接触孔；CVD一层多晶硅150nm，第八次光刻，刻蚀多晶硅，得到电极引线的图形，然后溅射一层60nm的金属钴，在850℃热退火的情况下形成电阻率较小的导电材料钴硅化物(CoSi₂)12，此即是器件三电极的引线导电材料；CVD红外吸收材料13，选用应力为-300MPa至300MPa之间的SiNx，厚度为1μm，第九次光刻，干法刻蚀SiNx，形成MOSFET电极的引出孔14；

6)溅射金属材料15，这里选有用金属铬Cr和金属金Au，Cr作为金与支腿的粘附层，厚度分别为Cr为10nm，Au为700nm，第十次光刻，湿法腐蚀金属材料，此时完成了所有的MOSFET器件的电互连结构(图7e)；

7)第十一次光刻，干法刻蚀红外吸收材料，形成红外吸收面、双材料支腿上热膨胀系数小于1×10^-5K^-1的热膨胀层2和热隔离支腿，红外吸收面、双材料支腿(包括热膨胀层1和2)和热隔离支腿在这一步一并被构造出来；

8)腐蚀埋氧层3，释放整个微悬臂梁阵列结构16。

至此完成本发明MOSFET读出式非制冷红外焦平阵列的制备，图8是制备完成的微悬臂梁阵列的扫描电子显微镜图。像元的热机械灵敏度为108nm/K，电流响应度为85μA/K。

实施例2、

按照下述步骤制备MOSFET读出式非制冷红外焦平阵列：

1)采用SOI硅片1作为加工基片，器件层2为N型，器件层2厚度为400nm，(100)晶向，埋氧层3厚度为1μm(图7a)；首先进行50nm的硅器件层氧化；在SOI硅片表面LPCVD一层SiNx，厚度为100nm，进行第一次光刻，干法刻蚀SiNx，去光刻胶；

2)氧化Si器件层，形成了相互电绝缘的有源区硅岛4；进行第二次光刻，有源区离子注入硼，注入电压为40kev，剂量为1×10¹¹/cm²，形成P-区5，去光刻胶；进行第三次光刻，注入磷，注入电压为60kev，注入剂量为1×10¹¹/cm²，形成N-区6，去光刻胶，至此已经定义出了MOSFET读出器件和外围处理电路的有源区(图7b)；

3)腐蚀掉有源区表面的氧化层，然后进行栅氧化，氧化厚度10nm，形成一层致密绝缘的薄氧化层；CVD多晶硅400nm，并对该多晶硅层进行磷离子注入，注入电压为60kev，注入剂量为2×10¹⁷/cm²，使多晶硅具有较大的电导率；第四次光刻，干法刻蚀多晶硅，形成MOSFET器件的栅结构7(图7c)，同时为第五、六次离子注入提供自对准掩膜；

4)第五次光刻，进行源漏离子注入，注入硼，注入电压为30kev，剂量为1×10¹⁷/cm²，形成P+区8，去光刻胶；第六次光刻，注入磷，注入电压为60kev，剂量1×10¹⁷/cm²形成N+区9，去光刻胶。高温退火，对注入的离子激活，至此已经形成了悬臂梁上MOSFET读出器件10和外围的处理电路中的所有器件11(图7d)；

5)第七次光刻，溅射一层100nm的金属铝，超声剥离，至此形成器件三电极的引线；CVD红外吸收材料13，选用应力为-300MPa至300MPa之间的SiC，厚度为800nm，第八次光刻，干法刻蚀SiC，形成MOSFET电极的引出孔14；

6)溅射金属材料15，这里选有用金属铝，厚度为为500nm，第九次光刻，干法刻蚀金属材料，此时完成了所有的MOSFET器件的电互连结构(图7e)；

7)第十次光刻，干法刻蚀红外吸收材料，形成红外吸收面、双材料支腿上热膨胀系数小于1×10^-5K^-1的热膨胀层2和热隔离支腿；

8)干法刻蚀埋氧层3，释放整个微悬臂梁阵列结构16。

Claims (6)

1.一种非制冷红外焦平面阵列，由微悬臂梁像元阵列、支撑所述微悬臂梁像元阵列的衬底和位于所述衬底上的电路组成；

其中，所述微悬臂梁像元阵列由红外吸收面、悬臂梁支腿、MOSFET器件、输出引线和支撑锚点组成；

所述悬臂梁支腿由双材料支腿和热隔离支腿组成；

所述双材料支腿由位于上方的热膨胀层1和位于下方的热膨胀层2组成；

所述红外吸收面的一端与所述双材料支腿热膨胀层2的一端相连，所述双材料支腿热膨胀层2的另一端与所述热隔离支腿的一端相连，所述热隔离支腿的另一端与所述支撑锚点相连；

所述MOSFET器件位于所述双材料支腿热膨胀层2下面，或者，所述MOSFET器件的源区和漏区制备在所述衬底处，栅区附着在所述双材料支腿热膨胀层2下面，沟道区位于所述栅区下面的源区和漏区之间的区域；

所述输出引线的一端与所述MOSFET器件相连，另一端与所述衬底上的电路相连。

2.根据权利要求1所述的阵列，其特征在于：所述构成红外吸收面的材料为吸收红外辐射的材料，优选氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、碳化硅薄膜或金属与半导体介质材料构成的复合薄膜；所述红外吸收面的面积为100μm²到1mm²；

所述双材料支腿中，构成热膨胀层1的材料为热膨胀系数大于1×10^-5K^-1的材料，优选铝或金；构成热膨胀层2的材料为热膨胀系数小于1×10^-5K^-1的材料；

所述构成热隔离支腿的材料为热导率小于50W/(m·K)的材料；

所述MOSFET器件为NMOS或PMOS器件，构成源区和漏区的材料相同，均为同种杂质离子掺杂的硅材料，所述杂质离子的注入计量为1×10¹⁴-1×10¹⁸/cm²；所述杂质离子为磷离子或硼离子；沟道区的离子注入剂量为1×10¹¹-1×10¹³/cm²；构成栅区的材料为掺杂多晶硅，优选磷掺杂的多晶硅，更优选磷离子注入剂量为1×10¹⁴-1×10¹⁸/cm²的多晶硅。

3.根据权利要求1或2所述的阵列，其特征在于：所述悬臂梁支腿为直线式、折线式、双折线式或多折线式，所述悬臂梁支腿的个数为一或大于等于二的偶数，所述悬臂梁支腿的个数大于一时，所述悬臂梁支腿位于所述红外吸收面的对称位置处。

4.根据权利要求1-3任一所述的阵列，其特征在于：所述悬臂梁支腿的长度为10μm-1mm，宽度为2-30μm。

5.一种制备权利要求1-4任一所述非制冷红外焦平面阵列的方法，包括如下步骤：

1)在硅片器件层表面氧化形成氧化层，低压化学气相沉积法淀积一层SiNx，进行第一次光刻，干法刻蚀去除部分SiNx，形成有SiNx保护的Si器件层和没有SiNx保护的Si器件层；

2)高温氧化Si器件层，使没有SiNx保护的Si器件层完全被氧化形成场区，有SiNx保护的Si器件层为有源区；腐蚀去除SiNx，形成相互电绝缘的有源区硅岛；

3)进行第二次光刻，对有源区进行离子注入，使有源区成为掺杂的P区，该区域用于制备NMOS器件；

进行第三次光刻，对有源区进行离子注入，注入磷离子，形成掺杂的N区，该区域用于制备PMOS器件，至此已经定义出悬臂梁上的MOSFET器件和外围CMOS电路的有源区；

4)腐蚀去掉有源区表面的氧化层，进行栅氧化，形成一层氧化层，低压化学气相沉积法淀积多晶硅层，并对所述多晶硅层进行磷离子注入；

进行第四次光刻，干法刻蚀多晶硅，形成MOSFET和CMOS器件的栅结构，同时为第五、六次离子注入提供自对准掩膜；

5)进行第五次光刻，注入源漏离子，注入磷离子，形成掺杂的N区；

进行第六次光刻，注入硼离子，形成掺杂的P区，退火，激活所述注入的离子，至此形成悬臂梁上MOSFET读出器件和外围的处理电路中的所有器件；

6)化学气相沉积氧化硅层，第七次光刻，刻蚀氧化硅，形成器件的源漏栅接触孔；然后制备一层导电材料，将三个电极连接至衬底的电路上；

第八次光刻，刻蚀导电材料，形成器件与电路的电互联引线；

7)化学气相沉积微悬臂梁结构层，第九次光刻，干法刻蚀微悬臂梁结构材料，形成电路的引出孔；

8)溅射形成一层金属层，第十次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀金属，此时完成了所有的MOSFET和CMOS器件的电互连结构，同时，图形化双材料支腿上的热膨胀系数大于1×10^-5K^-1的热膨胀层1；

9)第十一次光刻，干法刻蚀微悬臂梁像元结构层，形成红外吸收面、双材料支腿上热膨胀系数小于1×10^-5K^-1的热膨胀层2和热隔离支腿；

10)腐蚀或刻蚀埋氧层，释放整个悬臂梁，完成所述非制冷红外焦平面阵列的制备。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述硅片为SOI硅片；所述氧化层的厚度为10nm-5μm，所述SiNx层的厚度为10-200nm；

所述步骤3)中，所述进行第二次光刻时，离子注入步骤中，注入的离子为硼离子，注入电压为20-100kev，注入剂量为1×10⁹-1×10¹¹/cm²；

所述进行第三次光刻时，离子注入步骤中，注入的离子为磷离子，注入电压为20-100kev，注入剂量为1×10¹¹-1×10¹³/cm²；

所述步骤4)中，栅氧化步骤中，氧化层的厚度为1-50nm，多晶硅层的厚度为100-1000nm，所述磷离子注入的步骤中，注入电压为20-100kev，注入剂量为1×10¹⁴-1×10¹⁸/cm²；

所述步骤5)中，所述第五次光刻中，磷离子的注入电压为20-100kev，注入剂量为1×10¹⁴-1×10¹⁸/cm²；

所述第六次光刻中，硼离子的注入电压为20-100kev，注入剂量为1×10¹⁴-1×10¹⁸/cm²；退火温度为800-900℃，退火时间为0.5-2分钟；

所述步骤6)中，氧化硅层的厚度为100-1000nm；所述导电材料的厚度为100nm-500nm；所述导电材料为金属硅化物或金属材料，优选硅化钴、硅化钛或金属铝；

所述步骤7)中，化学气相沉积微悬臂梁结构层步骤中，所述微悬臂梁结构层的厚度为100nm-10μm；

所述步骤8)中，所述金属层的厚度为500-1000nm，所述构成金属层的材料为Al或Au；

所述图形化双材料支腿上的热膨胀系数大于1×10^-5K^-1的热膨胀层1的方法为干法刻蚀或湿法腐蚀。

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