CN102280455A - 一种非制冷式红外焦平面阵列探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非制冷式红外焦平面阵列探测器，结构为桥腿的一边端部与桥面连接在一起，另一边端部通过锚柱连接在基底上；所述的基底为读出集成电路衬底，表面上设有反射膜层；所述的桥面是悬空在反射膜层的正上方，并与基底之间形成真空间隙层；所述的桥腿设置在桥面相对应的二侧上，且桥腿与桥面各自的下表面分布于同一平面上。所述的桥面从下到上依次为支撑层、吸收层、绝缘层、热敏感层和保护层；桥腿从下到上依次为热阻层、导电层和钝化层。所述的锚柱由金属钨柱和氧化硅柱组成，该锚柱从内到外依次是金属钨和氧化硅材料。本发明的锚柱是一种新型锚柱，相比传统填充工艺形成的锚柱来说，缩小了锚柱所占的面积，并且降低了工艺难度。

Description

一种非制冷式红外焦平面阵列探测器
技术领域
本发明涉及用于红外成像系统技术领域中的一种非制冷式红外焦平面阵列探测器，针对的红外辐射波长范围是8～14μm。 
背景技术
根据普朗克黑体辐射定律，任何物体在绝度零度以上都会向外界发射红外电磁热辐射，这种辐射的光波范围约是0.8～1000μm，并不能为人眼所直接看见。在常温下(300K)，黑体辐射的发射谱中心波长正好在10μm波段附近；并且人体以及环境中温度相近的其它物体所发射的红外热辐射，38％的能量集中在波长8～14μm范围内，因此，该波段更适合强烈阳光、漆黑夜晚或者恶劣天气下的探测需要。 
能够探测红外光波的红外辐射探测器，按探测原理分为光子型和热敏型探测器。光子型需要工作在液氦(约77K)制冷的环境中，而热敏型探测器通常工作在常温下，是种“非制冷式”探测器，多个该种探测器单元以二维阵列的形式排列在芯片基底上，并将芯片置于红外辐射成像系统聚焦透镜的焦平面上时，则构成了非制冷式红外焦平面阵列探测器(IRFPA)。 
这种非制冷式红外探测器(IRFPA)通常包括： 
-用于吸收红外辐射并将其转化为热的装置； 
-将该探测器对于基底热绝缘并以便探测器在红外热辐射的作用下可以实现温升的装置； 
-热敏感装置，是在红外辐射的加热作用下，电阻或者电阻率随温度变化的电阻部件； 
-以及读取热敏感电阻变化的电路装置。 
对于红外焦平面阵列探测器，电路装置通常集成在基底上，是利用标准的半导体工艺制造。该电路是一种能够施加电信号激励把探测器各个单元的电阻变化转化为电信号(电流或者电压)、并对二维探测器阵列实现顺序寻址CMOS读出集成电路，该读出电路还能够对探测器单元(Pixel)的电信号进行预处理，例如进行增益放大、非均匀校正(NUC)等处理。 
在本发明中，非制冷式红外探测器的立体结构示意图如1所示，主要用于吸收红外辐射能量的是位于桥面10上的金属吸收层12，材料是氮化钛或者镍铬合金等。根据电磁波传输理论，当该金属吸收层12的薄膜方块 电阻(Sheet Resistance)等于自由空间阻抗(Free Space Impedance)达到377Ω/sq时，入射的红外辐射能量50％被吸收，另外50％被透射。通过采取多个红外吸收途径，可以将吸收率提高到50％以上，例如在探测器的基底50表面上加上一层红外反射薄膜51，所谓的真空间隙层40就变为了光学真空谐振腔。另外，光学真空谐振腔对红外波长对光波还具有λ/4选择的能力，例如2.5μm厚的谐振腔，对应λ＝10μm的远红外光波长。 
在探测器单元中，起到对于基底热绝缘作用的就是桥腿20装置。在吸收相等的红外辐射能量条件下，如果桥腿20的热阻R越大，就意味着桥面10上的温升越高，这样探测器电阻在该温升下的变化就越明显，电压响应率相对就会越大，减轻了基底50上集成电路的读出压力。桥腿20的热阻R不仅和其上各层材料的热传导率有关，还和桥腿20的长、宽以及厚度尺寸有关；如果桥腿20数量大于1，探测器单元整个热阻R就还和桥腿20的数量有关。25μm×25μm、17μm×17μm探测器对热阻R的要求较高，在目前商业化的红外探测器中，已经能够达到50MK/W以上。为了获得较大的热阻R，通常会采取的方案是选择热传导率较小的材料、并且将桥腿20的长度加长、宽度减小、厚度减薄。另外，对探测器热绝缘性造成不利干扰的还有外界的空气，因为探测器的桥面10以及桥腿20结构向空气进行热交换，造成热量的流失，所以红外探测器需要采用真空封装的方式。 
探测器的核心材料是桥面10中热敏感层14，其特点就是：当被吸收层12吸收的红外热辐射加热后其温度发生变化，其自身可测量的某些性质也随之发生变化。最常用的热敏感层14是其电阻值(或者电阻率)随温度的变化而变化，即为电阻温度变化特性，描述指标是电阻温度系数(TCR)。目前，这类热敏感层材料应用最多的是氧化钒VOx，其特点是：TCR值较大，应用范围通常在2％-3％之间；电阻率较低，应用范围通常在0.5Ω·cm-2Ω·cm之间，这样造成探测器的电阻值较小，与电阻值相关的约翰逊噪声(Johnson Noise)就越小；氧化钒VOx材料的1/f噪声因子K通常较低，典型值约为K＝10-13，所以大多性能较佳的探测器采用氧化钒VOx作为热敏感层14。氢化非晶硅a-Si:H材料也具有较高的TCR，而且其制备工艺较为简单，能和当前主流的半导体标准工艺相兼容，所以以非晶硅a-Si:H为热敏感层14的探测器也得到了大力发展。 
非制冷式红外探测器的一个重要指标是噪声等效温差NETD，其涵义是：当被测红外热辐射目标的温度变化，导致焦平面探测器输出端的电压等于噪声电压时，该温度变化量称为NETD，即探测器所能分辨的探测目标的最小温度变化。NETD越小越好，在目前已装备的非制冷红外热象仪的NETD 通常为20-100mK之间。NETD与热阻R和TCR之间的关系所下： 
NETD ∝ R/(A·TCR) (A代表探测器单元的有效面积) 
NETD的影响因素是复杂的，上式仅仅说明其与热阻R、TCR以及探测器单元的有效面积A之间的关系。对于25μm×25μm探测器单元来说，假定桥腿20就是不弯曲的直梁，其宽度0.8μm，桥腿20与桥面10之间的间距以及单元之间的间距是1μm，那么在不考虑锚柱所占面积的条件下有效面积约是489.6μm2。但是，传统锚柱形成工艺是一种“自顶向下”(Top-down)的填充工艺，形成的锚柱是一种倒锥形结构，其在形状上表现为下方开口较小、上方开口较大，如图5所示，这就造成所设计锚柱的尺寸为2.5μm×2.5μm，但是实际形成锚柱却占用了5μm×5μm以上的面积；以矩形锚柱为例，报道的尺寸通常在5μm×5μm到7μm×7μm之间，也就是说，传统的锚柱形成工艺较难以控制，造成锚柱所占的面积变大，有效面积减小。 
发明内容
本发明提供了一种非制冷式红外焦平面阵列探测器，并且提出了一种新型锚柱，相比于传统工艺形成的锚柱来说，缩小了锚柱所占的面积，并且降低了工艺难度。 
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的： 
一种非制冷式红外焦平面阵列探测器，包括基底、桥面及桥腿，其特征在于：桥腿的一边端部与桥面连接在一起，另一边端部通过锚柱连接在基底上；所述的基底为读出集成电路衬底，表面上设有反射膜层，所述的桥面是悬空在反射膜层的正上方，并与基底之间形成真空间隙层。 
所述的桥腿设置在桥面相对应的二侧上，且桥腿与桥面各自的下表面分布于同一平面上。 
所述的桥面从下到上依次为支撑层、吸收层、绝缘层、热敏感层和保护层。 
所述的桥腿从下到上依次为热阻层、导电层和钝化层。 
所述的锚柱由金属钨柱和氧化硅柱组成，该锚柱从内到外依次是金属钨和氧化硅材料。 
所述的真空间隙层的厚度为1.8～2.5μm。 
所述的锚柱在相平行于基底方向上的横截面为圆形、矩形或八边形。 
所述的基底表面上反射膜层的材料是铝、钛、金或金属合金，在8～14μm红外波段的反射率范围为80％～100％。 
所述的桥面、桥腿、锚柱及基底表面的反射膜层作为一个探测器单元， 是以二维阵列的形式，排列在基底之上。 
所述的桥腿的一边端部与桥面的热敏感层电学相连，另一边端部通过锚柱实现与基底的读出电路之间的电学相连。 
所述的热敏感层的材料为非晶硅、非晶锗硅或氧化钒(VOx)。 
所述的桥面的支撑层与桥腿的热阻层采用同一材料，且为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅；桥面的吸收层与桥腿的导电层采用同一材料，且为氮化钛或镍铬合金；桥面的绝缘层与桥腿的钝化层采用同一材料，且为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅；桥面的保护层材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。 
所述的吸收层在桥面上是不连续的，被分割成若干部分，每部分用作红外热辐射的吸收和与热敏感层的直接接触以便实现电学连接。 
本发明中，还提出了一种新型锚柱，该锚柱可以利用半导体标准工艺中的钨生长工艺来形成，其在材料层次上，从内到外依次是金属钨柱和氧化硅材料，氧化硅的作用是保护其所包裹的金属钨柱，使其不至于脱落。该新型锚柱，相比于传统填充工艺形成的锚柱来说，能够缩小锚柱所占的面积，并且降低了工艺难度。 
附图说明
图1为本发明的非制冷式红外焦平面阵列探测器的立体结构示意图； 
图2B、3B和4B为本发明的非制冷式红外焦平面阵列探测器的俯视图； 
图2A为图2B中的A-A剖视图，表示桥面的剖面结构； 
图3A为图3B中的B-B剖视图，表示桥面的剖面结构； 
图4A为图4B中的C-C剖视图，表示桥腿的剖面结构； 
图5为传统填充工艺形成的锚柱的剖面图； 
图6为本发明的新型锚柱的剖面图； 
图7为本发明的新型锚柱的形成方式图。 
图中附图标记：10：桥面；20：桥腿；30：锚柱；40：真空间隙层；50：基底；60：传统的锚柱；70：牺牲层；80：氧化硅；11：支撑层；12：吸收层；13：绝缘层；14：热敏感层；15：保护层；21：热阻层；22：导电层；23：钝化层；31：氧化硅层；32：金属钨柱；51：反射膜层；71：锚柱的通道；72：金属钨柱的通道 
具体实施方式
结合附图对本发明作进一步的描述。 
以下结合具体实例，对本发明的目的、技术方案做详细说明。 
如图1所示，为本发明的非制冷式红外焦平面阵列探测器的立体结构示意图。该探测器包括基底50、桥面10及两个桥腿20，桥腿20的一边端 部与桥面10连接在一起，另一边端部分别通过两个锚柱30连接在基底50上，所述的基底50为读出集成电路衬底，表面上设有反射膜层51，桥面10是悬空在基底50的反射膜层51的正上方并与基底50之间形成真空间隙层40，为了对桥面10进行平衡支撑，桥腿20设置在桥面10的相对应二侧上，且桥腿20与桥面10各自的下表面分布于同一平面上。 
基底50为硅衬底，通常含有读出集成电路，在基底50表面上设有一层反射膜层51，本实施案例的材料为金属铝Al，其在10μm波段的红外反射率达到98％以上，但反射膜层51的材料不局限于Al，在8～14μm远红外波段具有80％～100％的反射率的金属或合金材料均是可行的。桥面10位于在反射膜层51的正上方，桥面10与反射层51之间构成了真空间隙层40，用作λ/4光学真空谐振腔。本实施案例中，真空间隙层40的厚度为 
Figure BDA0000060443980000051
所述的锚柱30由金属钨柱32和氧化硅柱31组成，该锚柱从内到外依次是金属钨和氧化硅材料。 
如图2A、图4A所示，分别为本发明的非制冷式红外焦平面阵列探测器之桥面10、桥腿20的剖面图。桥面10从下到上依次包括支撑层11、吸收层12、绝缘层13、热敏感层14和保护层15；桥腿20从下到上依次包括热阻层21、导电层22和钝化层23；吸收层12与桥腿20上的导电层22为相同材料，吸收层12在桥面10上是不连续的，其被分割成为三个部分，其中间部分的面积最大，用作吸收红外热辐射，其它两部分用作与热敏感层14的下表面直接接触以便实现电学连接，如图3A所示。因为吸收层12有些部分需要与热敏感层14接触，桥面10上的绝缘层13是有选择性的覆盖其下面的吸收层12。 
由上述可知，桥腿20的一端是通过被分割的吸收层12实现与热敏感层14的电学连接，而另外一端，其导电层22与锚柱30的金属钨柱32实现电学连接；桥腿20上的钝化层23用于保护导电层22，桥腿20的另外一个作用是使得桥面10与基底50之间热绝缘，设计时要考虑增加桥腿20的热阻，以便桥面10的温升较大，藉此使探测器热敏感层14的电阻变化足够大，也同时能够得到较小的NETD值。 
可以通过两方面的措施来获得较大的热阻：选择热传导率较低的材料来制作桥腿20的热阻层21、钝化层23；在桥腿20的几何尺寸、形状设计上，确保桥腿20的热绝缘性满足探测器电阻变化以及NETD的要求。例如，热阻层21可以选择氮化硅或氧化硅材料；对于25μm×25μm的探测器单元来说，桥腿20的宽度设置为0.8μm，当然，根据制造工艺的能力以及探测器性能要求，其宽度不局限于0.8μm，在0.5～1.2μm范围内均是可 行的；而对于17μm×17μm的探测器单元来说，桥腿20的宽度可以设置在0.35～0.6μm范围内。 
本实施案例的桥面10、桥腿20的各层的材料以及厚度： 
热敏感层14的材料为非晶硅a-Si:H，厚度为 
Figure BDA0000060443980000061
其厚度不局限于 
Figure BDA0000060443980000062
在 
Figure BDA0000060443980000063
范围内均是可行的；其TCR一般在-2％～-3％/℃之间，典型值是-2.5％/℃。该非晶硅a-Si:H通常由等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺制备； 
支撑层11和热阻层21的材料为氮化硅，工艺上是同时实现的；该材料厚度为 
Figure BDA0000060443980000064
其厚度不局限于 
Figure BDA0000060443980000065
根据探测器性能的要求厚度是可变的；根据文献报道，其热传导率约为1.85K/W·M，是较为理想的一种材料。该氮化硅通常由等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺制备； 
吸收层12和导电层22的材料为氮化钛，工艺上是同时实现的；该材料厚度为 
Figure BDA0000060443980000066
其厚度不局限于 
Figure BDA0000060443980000067
在 
Figure BDA0000060443980000068
厚度范围内均是可行的；其薄膜方块电阻为377Ω/sq以便达到理论极限下的红外吸收率，但其方块电阻不局限于377Ω/sq，还可设置在100Ω/sq～1000Ω/sq范围内。该氮化钛通常由反应离子溅射(Reactive PVD)工艺制备； 
绝缘层13和钝化层23为氮化硅，工艺上是同时实现的；该材料其厚度为 
Figure BDA0000060443980000069
其厚度不局限于 根据探测器性能的要求厚度是可变的。当然，本发明中也可以不设置钝化层23，即其厚度为 
Figure BDA00000604439800000611
该氮化硅通常由等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺制备。 
在本实施案例中，热敏感层14非晶硅a-Si:H上面的保护层15为 
Figure BDA00000604439800000612
本发明中，还涉及到一种新型的锚柱30。如图5所示，为传统填充工艺形成的锚柱60的剖面图；如图6所示，为本发明的新型锚柱30的剖面图。传统的工艺是桥腿20制备完毕后，利用自顶向下(Top-down)的填充工艺，形成整个锚柱60，但由于工艺的原因造成一种倒锥形结构的锚柱60，表现为下方开口较小、上方开口较大，造成锚柱60的实际面积难以控制，超出所设计的尺寸。而本发明所提及的锚柱30形成方式，是在未制备桥腿20之前，利用金属钨生长工艺事先制作锚柱30。 
如图7所示，为新型锚柱30的实现工艺包括： 
1、在表面设置反射膜层51(图示中未画出)的基底上50制备一层厚度为2.5μm的牺牲层70，牺牲层70材料为聚酰亚胺(PI)； 
2、利用刻蚀的方式，有选择性的去除部分牺牲层70材料，形成锚柱30所占据的通道71； 
3、PECVD沉积氧化硅层80，填充2)中所形成的通道71；刻蚀部分氧 化硅80材料，形成金属钨柱32所占据的通道72； 
4、CVD金属钨，填充3)中所形成的通道72；有选择性的去除该钨材料，仅留下通道72中的金属钨柱32。该步骤完成了锚柱30的制作工艺，在此之后就是利用传统的工艺制作探测器的桥面10、桥腿20结构，这些制作完毕后就是释放牺牲层70，得到悬空的结构。 
在第3步骤工艺中，氧化硅80的作用是保护金属钨柱30不致予从基底50表面上脱落；在第4步骤工艺中，通常在沉积金属钨之前会溅射一些很薄的粘附层，例如Ti/TiN，来增加钨柱30与基底50的粘附性；锚柱30之外的金属钨材料通常是利用化学机械抛光(CMP)来去除，这样也会使得牺牲层70表面更加平整。 
以上所述的具体实施案例，是对本发明的目的以及技术方案进行了进一步详细说明，有必要声明的是，以上所述仅为本发明的一个具体实施案例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和范围之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 
在本发明中，探测器反映外界目标温度信息的探测机理是：目标发出含有自身温度信息的红外光波热辐射，被探测器的金属吸收层12吸收，由于桥腿20的热绝缘作用，热量就在桥面10上累积从而加热其中的热敏感层14，并导致其温度上升，进而引起热敏感层14诸如非晶硅或者氧化钒等材料的电阻值(或者电阻率)发生变化，这种变化对应红外辐射量的信息，经转化为电信号后，就利用基底50上的集成电路依次读出。上述过程可简单总结为“吸收红外辐射-热敏感层温度变化-电阻值变化-电路读出”。 

Claims (13)

1.一种非制冷式红外焦平面阵列探测器，包括基底、桥面及桥腿，其特征在于：所述的桥腿的一边端部与桥面连接在一起，另一边端部通过锚柱连接在基底上；所述的基底为读出集成电路衬底，表面上设有反射膜层；所述的桥面是悬空在反射膜层的正上方，并与基底之间形成真空间隙层。
2.根据权利要求1所述的非制冷式红外焦平面阵列探测器，其特征在于：所述的桥腿设置在桥面相对应的二侧上，且桥腿与桥面各自的下表面分布于同一平面上。
3.根据权利要求1所述的非制冷式红外焦平面阵列探测器，其特征在于：所述的桥面从下到上依次为支撑层、吸收层、绝缘层、热敏感层和保护层。
4.根据权利要求1所述的非制冷式红外焦平面阵列探测器，其特征在于：所述的桥腿从下到上依次为热阻层、导电层和钝化层。
5.根据权利要求1所述的非制冷式红外焦平面阵列探测器，其特征在于：所述的锚柱由金属钨柱和氧化硅柱组成，该锚柱从内到外依次是金属钨和氧化硅材料。
6.根据权利要求1所述的非制冷式红外焦平面阵列探测器，其特征在于：所述的真空间隙层的厚度为1.8～2.5μm。
7.根据权利要求1所述的非制冷式红外焦平面阵列探测器，其特征在于：所述的锚柱在相平行于基底方向上的横截面为圆形、矩形、八边形。
8.根据权利要求1所述的非制冷式红外焦平面阵列探测器，其特征在于：所述的基底表面上反射膜层的材料是铝、钛、金或金属合金，在8～14μm红外波段的反射率范围为80％～100％。
9.根据权利要求1所述的非制冷式红外焦平面阵列探测器，其特征在于：所述的桥面、桥腿、锚柱及基底表面的反射膜层作为一个探测器单元，是以二维阵列的形式，排列在基底之上。
10.根据权利要求1-9之一所述的非制冷式红外焦平面阵列探测器，其特征在于：所述的桥腿的一边端部与桥面的热敏感层电学相连，另一边端部通过锚柱实现与基底的读出电路之间的电学相连。
11.根据权利要求3所述的非制冷式红外焦平面阵列探测器，其特征在于：所述的热敏感层的材料为非晶硅、非晶锗硅或氧化钒(VOx)。
12.根据权利要求3或4所述的非制冷式红外焦平面阵列探测器，其特征在于：所述的桥面的支撑层与桥腿的热阻层采用同一材料，且为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅；桥面的吸收层与桥腿的导电层采用同一材料，且为氮化钛或镍铬合金；桥面的绝缘层与桥腿的钝化层采用同一材料，且为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅；桥面的保护层材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
13.根据权利要求1或3所述的非制冷式红外焦平面阵列探测器，其特征在于：所述的吸收层在桥面上是不连续的，被分割成若干部分。
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