CN102393251A - 一种双层微测辐射热计及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双层微测辐射热计及其制作方法，包括用于非制冷红外探测器或非制冷太赫兹探测器微测辐射热计的微桥结构，其特征在于，该微桥由上桥面和下桥面两个独立的桥面所组成，光吸收材料处在上桥面、热敏电阻材料处在下桥面，微桥上桥面的四根上下桥面连接柱与微桥下桥面的金属热量传输层相连接。微桥的上桥面包含一层或多层光吸收材料。这种双层微桥一方面具有较高的光吸收率和填充因子，另一方面还具有较高的温度均匀性和力学稳定性。这种双层微测辐射热计及其制备方法能克服现有技术中存在的缺陷，提高了器件的工作性能，适宜大规模产业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及非制冷太赫兹探测、及非制冷红外探测技术领域，具体涉及一种微测辐射热计及其制备方法。
背景技术
红外探测器把不可见的红外热辐射转化为可检测的电信号，实现对外界事务的观察。红外探测器分为量子探测器和热探测器两类。热探测器又称非制冷型红外探测器，可以在室温下工作，具有重量轻、集成度高、成本低、可靠性强等诸多优点，在军事、商业和民用等领域有广泛的应用前景。非制冷红外探测器主要包括热释电、热电偶、热敏电阻三种类型，其中，基于热敏电阻的微测辐射热计焦平面探测器，是近年发展非常迅猛、应用极为广泛的的一种非制冷红外探测器（参见Leonard P. Chen, “Advanced FPAs for Multiple
Applications” Proc. SPIE, 4721, 1-15 (2002)文献）。太赫兹探测器是把波长更长的太赫兹波段（30~3000μm）的电磁波辐射转化为可检测的电信号，实现对外界事务的观察，同样具有重要的军事和民用前景。太赫兹也有多种型号的探测器，其中，非制冷太赫兹微测辐射热计具有与非制冷红外微测辐射热计相类似的结构，可以通过对后者的改进来获取，是太赫兹应用的重要方面（参见Linda Marchese, Martin
Bolduc, Bruno Tremblay, Michel Doucet, Hassane Oulachgar, Loïc Le Noc, Fraser
Williamson, Christine Alain, Hubert Jerominek, Alain Bergeron, “A microbolometer-based THz
imager”, Proc. SPIE, 7671
76710Z-8 (2010) 文献）。微测辐射热计的红外或太赫兹辐射探测过程，主要通过悬浮的微桥结构来完成，基本原理是：光吸收层接收外界的红外或太赫兹热辐射导致微桥的温度发生变化，温度的改变使热敏电阻薄膜的电阻发生变化，这种电学性能的变化通过电极检测、并传递到读出电路，完成信号处理、成像。所以，悬浮微桥是影响此类探测器制造成败及性能高低的关键性因素。其中，构成悬浮微桥的薄膜材料的种类及性能、微桥的结构形状和参数、桥面温度的均匀性、桥腿的稳定性及绝缘性等，是重要的影响因素。
传统的非制冷微测辐射热计由只含一层桥面的单层微桥所构成，参见1994年2月15日授权的Honeywell公司Barrett E. Cole申报的美国专利USP 5286976。这种单层微桥的优点是结构简单、性能稳定、制备工艺容易实现。但是，在这种单层微桥中，敏感层（氧化钒或非晶硅薄膜）与光吸收层（氮化硅或氧化硅薄膜）同处一个桥面，光吸收层的面积与敏感层的面积同升同降。所以，为了提高微桥的光吸收率，需要不断地增大桥面的面积，但是，这将使敏感层的面积也不断地增大，从而导致热质量增大、器件性能下降，限定了器件性能的进一步提高，而且，桥面面积的不断增大也与器件单元尺寸不断下降、集成度不断增加的趋势相违背。所以，传统的单层微桥无法满足更高器件性能的要求。
为此，2003年12月23日授权的Raytheon公司Michael Bay申报的美国专利USP 6667479，提出一种双层微桥结构，其特点是：这种双层微桥包含上下两个独立的桥面，其中，敏感层及光吸收层都集中在上桥面，如传统的单层桥面结构；下桥面仅由电极及介质材料构成，且下桥面呈弯曲（S型）结构、隐藏在上桥面的下方，所以，被命名为S型双层结构。这种双层微桥的S型弯曲桥腿较长，所以，热绝缘性较好，其不足之处是：（1）敏感层与光吸收层仍然是同升同降，没有突破传统单层微桥的局限：（2）S型桥腿的稳定性较差，影响器件性能。
另一种典型的双层微桥是2001年12月23日授权的Boeing公司Eugene T. Fitzgibbons申报的美国专利USP 6307194。这种双层微桥的特点是：器件的敏感层处在下桥面，而光吸收层独立地处在上桥面，上下两个桥面之间通过一根导热的连接柱连接起来，呈伞形结构，故被命名为伞型双层结构。这种伞型双层微桥的优点是：（1）敏感层与光吸收层被完全分开，能够单独地变化敏感层或光吸收层，真正克服了传统单层微桥的敏感层与光吸收层同升同降的局限；（2）伞型双层微桥的牢固稳定性优于Raytheon公司提出的S型双层微桥；（3）伞型结构对工艺的要求不高，且桥腿短，适合于大规模生产。采用这种伞型双层微测辐射热计，提高了非制冷红外探测器的性能。但是，这种伞型双层微测辐射热计存在一个明显的缺点：其上下两个桥面之间仅由一根连接柱相连接，而且，连接柱与下桥面之间未含有增加传热性能的热量传输层，参见美国专利USP 6307194、及文献Chuan Li, et al., “Recent Development of
Ultra Small Pixel Uncooled Focal Plane Arrays at DRS” Proc. SPIE, 6542, 65421Y (2007)。这种由单根连接柱构成、且没有热量传输层的伞型双层微桥的主要缺点是：一根连接柱难以保证整个下桥面的温度均匀地分布，也就是说，在敏感层所处的下桥面中，只有连接柱正下方区域的温度较高，而其外围区域的温度较低；由于也没有热量传输层，温度在整个下桥面的分布更加不均匀。所以，这种伞型双层微桥的下桥面温度的均匀性较差。温度不均匀，将导致下桥面中热敏电阻材料（如氧化钒）的电学性能的变化也不均匀，输出信号不稳定，由此影响器件性能。
总之，传统单层微桥在结构合理性及光吸收性能等方面存在不足，需要改进。而现有的S型或伞型双层微桥在力学、热学等性能同样存在一些不足之处，也需要进行相应的改进。
发明内容
本发明的目的在于针对现在双层微桥的力学稳定性差以及下桥面温度的均匀性差。温度不均匀，将导致下桥面中热敏电阻材料（如氧化钒）的电学性能的变化也不均匀，输出信号不稳定，由此影响器件性能等问题提供一种双层微测辐射热计及其制作方法。
为实现上述目的本发明采用以下技术方案：
一种双层微测辐射热计，包括微桥结构，该微桥结构由上桥面和下桥面两个独立的桥面所组成，所述上桥面设有一层或多层光吸收材料，下桥面包括支撑与绝缘层、金属电极、热敏电阻薄膜、钝化及调控层，下桥面与衬底之间形成下层光学谐振腔，上桥面及下桥面之间形成上层光学谐振腔，其特征在于，上桥面和下桥面之间由四根连接柱相连接，且下桥面的表面设置有一层由金属构成的热量传输层。
所述上桥面7由一层光吸收材料所组成时，所述光吸收材料为氮化硅薄膜、氧化硅薄膜、非晶硅薄膜、氮氧化硅薄膜、氮化硅和氧化硅复合薄膜五种材料当中的一种。
所述上桥面7由多层光吸收材料所组成时，结构为氮化硅、氧化硅、非晶硅、氮氧化硅、氮化硅与氧化硅复合膜当中的一种薄膜和金属交叉构成的一层或多层复合薄膜。
所述下桥面的第一种结构为：
下桥面的最底层是一层非晶氮化硅薄膜510，作为微桥的支撑与绝缘层；往上第二层是热敏电阻层530；往上第三层是金属电极520；往上第四层是另一层非晶氮化硅薄膜540，作为钝化保护、及应力调控层；往上第五层，即下桥面的最表层是金属热量传输层550，覆盖在非晶氮化硅钝化层的表面，作为热量的传输层。
所述微测辐射热计微桥的微桥下桥面的第二种结构包括：
下桥面的最底层是一层非晶氮化硅薄膜510，作为微桥的支撑与绝缘层；往上第二层是金属电极520；往上第三层是是一层热敏电阻层530；往上第四层是另一层非晶氮化硅薄膜540，作为钝化保护、及应力调控层；往上第五层，即金属热量传输层550。
所述的双层微测辐射热计的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)清洗含有集成电路的单晶硅片衬底1，利用反应器沉积一层非晶二氧化硅膜作为钝化层2。二氧化硅膜层的厚度为100-2500 nm，最佳为600 nm、700 nm、800 nm、900 nm、1000 nm；
(2)在二氧化硅钝化层2的表面，利用反应器沉积一层厚度为50-1000 nm的金属铝，最佳为150 nm、200 nm、250 nm、300 nm、350 nm、400 nm、450 nm、500 nm，作为微桥的反射层3；
(3)在上述金属铝的表面光刻出悬浮微桥的桥墩图形，刻蚀该金属铝反射层3至下面的二氧化硅钝化层2，形成微桥桥墩孔和金属铝孤岛；
(4)在上述金属铝孤岛的表面，旋涂第一层厚度为1-10 μm的光敏聚酰亚胺薄膜410，最佳为1 μm、1.5 μm、2 μm、2.5 μm、3 μm；
(5)对第一层聚酰亚胺薄膜410进行光刻处理，形成聚酰亚胺薄膜孤岛和悬浮微桥的桥墩孔；
(6)在第一层聚酰亚胺薄膜孤岛和桥墩孔的表面，利用反应器沉积微桥下桥面的第一层非晶氮化硅膜510，厚度为10-1500 nm，作为微桥的支撑与绝缘材料；
(7)利用反应器，在非晶氮化硅支撑膜的表面，制备厚度为5-2000 nm的微桥的热敏电阻薄膜530；
(8)利用反应器，在热敏电阻薄膜的表面，沉积微桥下桥面的第一层金属，厚度为10-1000 nm，图形化，作为微桥的金属电极520；
(9)利用反应器，在金属电极520和热敏电阻薄膜530的表面，沉积微桥下桥面的第二层非晶氮化硅膜540，厚度为10-1500 nm，作为电极和热敏薄膜的钝化层、以及器件应力的调控层；
(10)在非晶氮化硅钝化层540的表面，利用反应器沉积微桥下桥面的第二层金属，厚度为10-1000 nm，图形化，作为热量的传输层550；
(11)在上述复合薄膜的表面光刻出悬浮微桥下桥面的结构图形，刻蚀该复合薄膜层至第一层聚酰亚胺层，形成悬浮微桥的下桥面、桥腿和桥墩图形层；
(12)在下桥面由金属构成的金属热量传输层550的表面，旋涂微桥的第二层厚度为1-10 μm的光敏聚酰亚胺薄膜420，最佳为1 μm、1.5 μm、2 μm、2.5 μm、3 μm；
(13)对第二层聚酰亚胺薄膜420进行光刻处理，形成聚酰亚胺薄膜孤岛和连接上下桥面的四个连接柱孔710；
(14)在第二层聚酰亚胺薄膜孤岛的表面和连接上下桥面的四个连接柱孔中，利用反应器沉积微桥的光吸收材料；
(15)在上述光吸收薄膜的表面光刻出悬浮双层微桥上桥面的结构图形，刻蚀该薄膜层至第二层聚酰亚胺层，形成悬浮双层微桥的上桥面图形；
(16)采用氧等离子体去除上下两个桥面和桥腿图形下方的第一层及第二层聚酰亚胺薄膜，形成上层光学谐振腔750、下层光学谐振腔630、微桥上桥面7、微桥下桥面6，构成双层微测辐射热计9。
所述的双层微测辐射热计的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)清洗含有集成电路的单晶硅片衬底1，利用反应器沉积一层非晶二氧化硅膜作为钝化层2。二氧化硅膜层的厚度为100-2500 nm，最佳为600 nm、700 nm、800 nm、900 nm、1000 nm；
(2)在二氧化硅钝化层2的表面，利用反应器沉积一层厚度为50-1000 nm的金属铝，最佳为150 nm、200 nm、250 nm、300 nm、350 nm、400 nm、450 nm、500 nm，作为微桥的反射层3；
(3)在上述金属铝的表面光刻出悬浮微桥的桥墩图形，刻蚀该金属铝反射层3至下面的二氧化硅钝化层2，形成微桥桥墩孔和金属铝孤岛；
(4)在上述金属铝孤岛的表面，旋涂第一层厚度为1-10μm的光敏聚酰亚胺薄膜410，最佳为1 μm、1.5μm、2 μm、2.5 μm、3 μm；
(5)对第一层聚酰亚胺薄膜410进行光刻处理，形成聚酰亚胺薄膜孤岛和悬浮微桥的桥墩；
(6)在第一层聚酰亚胺薄膜孤岛和桥墩孔的表面，利用反应器沉积微桥下桥面的第一层非晶氮化硅膜510，厚度为10-1500 nm，作为微桥的支撑与绝缘材；
(7)利用反应器，在非晶氮化硅支撑膜的表面，沉积微桥下桥面的第一层金属，厚度为10-1000 nm，图形化，作为微桥的金属电极520；
(8)对电极进行反溅之后，利用反应器制备厚度为5-2000 nm的微桥的热敏电阻薄膜530；
(9)利用反应器，在金属电极520和热敏电阻薄膜530的表面，沉积微桥下桥面的第二层非晶氮化硅膜540，厚度为10-1500 nm，作为电极和热敏薄膜的钝化层、以及器件应力的调控层；
(10)在非晶氮化硅钝化层540的表面，利用反应器沉积微桥下桥面的第二层金属，厚度为10-1000 nm，图形化，作为热量的传输层550；
(11)在上述复合薄膜的表面光刻出悬浮微桥下桥面的结构图形，刻蚀该复合薄膜层至第一层聚酰亚胺层，形成悬浮微桥的下桥面、桥腿和桥墩图形；
(12)在下桥面由金属构成的金属热量传输层550的表面，旋涂微桥的第二层厚度为1-10 μm的光敏聚酰亚胺薄膜420，最佳为1 μm、1.5 μm、2 μm、2.5 μm、3 μm；
(13)对第二层聚酰亚胺薄膜420进行光刻处理，形成聚酰亚胺薄膜孤岛和连接上下桥面的四个连接柱孔710；
(14)在第二层聚酰亚胺薄膜孤岛的表面和连接上下桥面的四个连接柱孔中，利用反应器沉积微桥的光吸收材料；
(15)在上述光吸收薄膜的表面光刻出悬浮双层微桥上桥面的结构图形，刻蚀该薄膜层至第二层聚酰亚胺层，形成悬浮双层微桥的上桥面图形；
(16)采用氧等离子体去除上下两个桥面和桥腿图形下方的第一层及第二层聚酰亚胺薄膜，形成上层光学谐振腔750、下层光学谐振腔630、微桥上桥面7、微桥下桥面6，构成双层微测辐射热计9。
所述热敏电阻薄膜530采用的材料为氧化钒薄膜、或氧化钛薄膜、非晶硅薄膜、氧化钒复合膜、氧化钛复合薄膜、非晶硅复合膜当中的一种。当采用氧化钒作为微测辐射热计微桥的热敏电阻材料时，该热敏电阻薄膜的厚度为5-2000nm，最佳为50nm、80 nm、100 nm、120 nm、150 nm、200 nm、250 nm、300 nm、350 nm、400 nm、450 nm、500 nm等；热敏电阻薄膜的方阻为500Ω/~50MΩ/，最佳为10 KΩ/、20 KΩ/、50 KΩ/、80 KΩ/、100 KΩ/、120 KΩ/、150 KΩ/、170 KΩ/、200 KΩ/、300 KΩ/、400 KΩ/、500 KΩ/、800 KΩ/、1 MΩ/、2 MΩ/、3 MΩ/、4 MΩ/、5 MΩ/、6 MΩ/、7 MΩ/、8 MΩ/、9 MΩ/、10 MΩ/等；热敏电阻薄膜的电阻温度系数为-0.5-6.5%/K，最佳为-1.5%/K、-1.8%/K、-1.9%/K、-2.0%/K、-2.1%/K、-2.2%/K、-2.5%/K、-3.0%/K、-3.5%/K、-4.0%/K等。
所述金属电极520材料为金属Al、金属Au、Ti、TiN x 、TiSi x 、TiW x 、W、WSi x 、Ni、NiSi x 、Ta、TaN x 、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr合金当中的一种。当采用金属铝作为微测辐射热计微桥的金属电极时，电极的厚度为10-1000 nm，最佳为50 nm、100 nm、150 nm、200 nm、250 nm、300 nm、350 nm、400 nm等。
所述光吸收材料为一层或多层光吸收材料所组成。当采用一层光吸收材料时，采用的材料是一层氮化硅薄膜、或一层氧化硅薄膜、非晶硅薄膜、氮氧化硅薄膜、氮化硅和氧化硅复合薄膜五种材料当中的一种所组成。
所述光吸收材料由多层光吸收材料所组成时，采用的材料是氮化硅、或氧化硅、非晶硅、氮氧化硅、氮化硅与氧化硅复合膜当中的一种与金属所构成的一层或多层复合薄膜，复合膜中的金属为金属Al、或金属Fe、Co、Ni、Ti、TiN x 、TiO x 、V、VO x 、VN x 、Cr、Pt、Au、Cu、Ag、NiCr合金当中的一种或几种，金属膜的厚度为10-500nm，最佳为5 nm、10nm、15 nm、20 nm、25 nm、30 nm、35 nm、40 nm、45 nm、50 nm、60 nm、70 nm、80 nm、90 nm、100 nm、120 nm、150 nm、200 nm、250 nm、300 nm、350 nm、400 nm。
所述氮化硅支撑510、钝化层540、以及上桥面的氮化硅光吸收层的制备反应器为等离子体增强化学气相沉积（PECVD）系统、或低压化学气相沉积（LPCVD）系统、超高真空化学气相沉积（UHVCVD）系统、电子束蒸发系统、激光沉积系统、磁控溅射系统等其中的一种。
所述双层微测辐射热计微桥下桥面的氮化硅膜支撑层510和钝化层540、以及上桥面的氮化硅光吸收层的厚度为10-1500 nm，最佳为50 nm、100 nm、150 nm、200 nm、250 nm、300 nm、350 nm、400 nm、450 nm、500 nm、600 nm、700 nm、800 nm。
本发明的有益效果:
一、上下两个桥面之间采用四根连接柱相连接、以及由金属构成的热量传输层等措施，能够明显地提高微桥下桥面的温度均匀性和微桥的力学稳定性，从而提高微测辐射热计的综合性能；
二、双层微桥结构能够通过上下两个谐振腔的高度调节来增强对入射光的吸收；
三、通过调节上下两个桥面的面积大小、上下两个谐振腔的高度比例、以及四根连接柱的排布位置等因素，可以更加容易、更加准确地调节器件性能，满足太赫兹探测器或红外探测器的特殊需要。
附图说明
图1是传统的单层I型微测辐射热计微桥的结构示意图；
图2是传统的上下两个桥面之间只含一根连接柱、且连接柱与下桥面之间没有由金属构成的热量传输层的伞型双层微测辐射热计微桥的结构示意图：
(a) 该双层微桥的立体图，(b) 该双层微桥的上桥面的平面图，(c) 该双层微桥的下桥面的平面图，(d) 该双层微桥的截面图；
图3是本发明提出的上下两个桥面之间含有四根连接柱、且连接柱与下桥面之间含有一层由金属构成的热量传输层的双层微测辐射热计微桥的结构示意图：
(a) 该双层微桥的立体图，(b) 该双层微桥的上桥面的平面图，(c) 该双层微桥的下桥面的平面图，(d) 该双层微桥的截面图；
图4是不同的微测辐射热计微桥的光吸收率随波长变化的仿真结果。其中，1L、2L分别表示传统的I型单层微桥、和本发明提出的双层微桥的结果；
图5 在相同的强度为20 W/m2的辐射量作用下，不同双层微桥下桥面的温度分布的仿真结果：
(a) 传统的具有单根连接柱、且连接柱与下桥面之间没有由金属构成的热量传输层的伞型双层微桥，(b) 本发明提出的具有四根连接柱、且连接柱与下桥面之间含有一层由金属构成的热量传输层的双层微桥；
图6在相同的强度为+100 MPa的残余应力作用下，不同微桥的形变仿真结果：(a) 传统的I型单层微桥，(b) 传统的S型双层微桥，(c) 传统的含单根连接柱、且连接柱与下桥面之间没有由金属构成的热量传输层的伞型双层微桥，(d) 本发明提出的含四根连接柱、且连接柱与下桥面之间含有一层由金属构成的热量传输层的双层微桥。
其中，1、硅衬底，2、二氧化硅钝化层，3、金属铝反射层，410、第一层聚酰亚胺薄膜，420、第二层聚酰亚胺薄膜，510、下桥面的第一层氮化硅膜，520、金属电极，530、热敏电阻薄膜，540、下桥面的第二层氮化硅膜，550、金属热量传输层， 6、微桥下桥面，610、微桥下桥面桥腿，620、微桥桥墩，630、下层光学谐振腔，7、微桥上桥面，710、上下桥面连接柱孔，720、上桥面氮化硅层，730、上下桥面连接柱，740、上桥面的金属光吸收增强材料，750、上层光学谐振腔， 8、悬浮的双层微桥，9、双层微测辐射热计。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明：
一种微测辐射热计，包括微桥结构，该微桥结构由上桥面和下桥面两个独立的桥面所组成，所述上桥面设有一层或多层光吸收材料，下桥面包括支撑与绝缘层、金属电极、热敏电阻薄膜、钝化及调控层，下桥面与衬底之间形成下层光学谐振腔，上桥面及下桥面之间形成上层光学谐振腔，其特征在于，上桥面和下桥面之间由四根连接柱相连接，且下桥面的表面设置有一层由金属构成的热量传输层。
本发明的制作一种双层微测辐射热计实施例如下：
（1）选用含有集成电路（ROIC）的硅晶圆片作为衬底1，清洗后用氮气吹干后，放入等离子体增强（PECVD）系统中，沉积一层非晶二氧化硅膜作为钝化层2，二氧化硅钝化层的厚度为100-2500 nm；
（2）在二氧化硅钝化层2的表面，利用磁控溅射系统，沉积一层厚度为50-1000 nm的金属铝，作为微桥8的反射层3；
（3）在金属铝3的表面光刻出悬浮微桥8的桥墩620图形，刻蚀该金属铝层3至下面的二氧化硅钝化层2，形成微桥桥墩孔和金属铝孤岛；
（4）在上述金属铝3的表面，旋涂第一层厚度为1-10μm的光敏聚酰亚胺薄膜410；
（5）对第一层聚酰亚胺薄膜410进行光刻处理，形成聚酰亚胺薄膜孤岛和悬浮微桥的桥墩孔；
（6）在聚酰亚胺薄膜孤岛和桥墩孔的表面，利用PECVD在300 oC下，沉积厚度为10-1500 nm的微桥下桥面6的第一层非晶氮化硅510，作为悬浮微桥8的支撑与绝缘材料；
（7）利用反应器，在非晶氮化硅支撑膜的表面，沉积一层厚度为10-1000 nm的金属铝，图形化，作为器件的电极520；
（8）对电极进行反溅之后，利用反应器制备一层厚度为5-000nm的氧化钒薄膜，作为微测辐射热计的热敏电阻材料530；
（9）利用反应器，在金属电极520、以及热敏电阻薄膜530的表面，沉积微桥下桥面6的第二层非晶氮化硅膜540，厚度为10-1500 nm，作为电极520和敏感薄膜530的钝化层、以及微桥8应力的调控层；
（10）利用反应器沉积微桥下桥面6的第二层金属550，厚度为10-1000 nm，图形化，作为热量的传输层；
（11）在上述复合薄膜的表面光刻出悬浮微桥下桥面的结构图形，刻蚀该复合薄膜层至第一层聚酰亚胺层，形成悬浮微桥的下桥面6、桥腿610和桥墩620图形；
（12）在下桥面由金属构成的热量传输层的表面，旋涂微桥的第二层厚度为1-10μm的光敏聚酰亚胺薄膜420；
（13）对第二层聚酰亚胺薄膜420进行光刻处理，形成聚酰亚胺薄膜孤岛和上下桥面四个连接柱孔710；
（14）在第二层聚酰亚胺薄膜孤岛的表面和上下桥面的四个连接柱孔710中，利用反应器沉积微桥的第三层非晶氮化硅膜720，厚度为10-1500 nm，作为微桥的上桥面光吸收材料及上下桥面之间的连接柱730；
（15）在上述非晶氮化硅层720的表面，利用反应器沉积微桥上桥面的厚度为10-500 nm的金属钛740，作为光吸收增强材料；
（16）在上述复合膜的表面光刻出悬浮双层微桥上桥面结构7图形，刻蚀该复合薄膜层至第二层聚酰亚胺层，形成悬浮微桥8的上桥面7图形；
（17）采用氧等离子体去除上下两个桥面（7及6）、以及桥腿610图形下方的第一层410及第二层420聚酰亚胺薄膜，形成上下两个空腔（750及630），作为器件的光学谐振腔。由此制备双层微测辐射热计9。
本发明提出的上下两个桥面之间含有四根连接柱、且连接柱与下桥面之间含有一层由金属构成的热量传输层的双层非制冷微测辐射热计微桥结构如图3所示。作为对比，图1及2分别展示传统的单层I型微桥、以及传统的上下两个桥面之间只有单根连接柱、且连接柱与下桥面之间没有由金属构成的热量传输层的伞型双层微桥结构。
本发明提出的双层微测辐射热计微桥下桥面的支撑层和钝化层、以及上桥面的光吸收层不受特别限制，除了氮化硅（SiN x ）薄膜，还可以是非晶硅（a-Si）膜、其它厚度及组分的氧化硅（SiO x ）膜、氮氧化硅（SiN x O y ）膜，或者是业内所知的氧化铝（AlO x ）膜、氧化铪（HfO x ）膜、氧化铝铪（HfAlO x ）膜等其中的一种、以及它们的复合膜。本发明提出的微桥电极及热量传输层也不受特别限制，可以是金属Al、或金属Au、Ti、TiN x 、TiSi x 、TiW x 、W、WSi x 、Ni、NiSi x 、Ta、TaN x 、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr合金当中的一种或几种的混合物。本发明的热敏电阻材料也不受特别限制，可以是氧化钒薄膜、或氧化钛薄膜、非晶硅薄膜、氧化钒复合膜、氧化钛复合薄膜、非晶硅复合膜当中的一种。本发明提出的微桥下桥面的桥腿的形状也不受特别限制，可以是I型、L型、S型、或业内所知的其它悬浮微桥形状当中的一种。
经如下方法分析，可证明采用本发明提出的含上下两个独立桥面（7及6）、且上下两个桥面之间通过四根连接柱730相连接、连接柱730与下桥面6之间含有一层由金属构成的热量传输层550的双层微桥，制作太赫兹探测器或红外探测器微测辐射热计9，能够提高器件的光学、热学及力学性能，符合红外探测器或太赫兹探测器的需要。
图4表明，在3~14μm波段，传统的单层微桥（图1）的光吸收率仅为0.50~0.58。但是在相同波段，本发明提出的双层微桥（图3）的光吸收率高达0.78~0.88，明显优于传统的单层微桥（图1）。所以，将单层微桥改为本发明所提出的双层微桥（图3），红外探测器的光学性能得到明显提升（光吸收率增大34~76%），其原因是该双层微桥结构（图3）包含上下两个光学谐振腔，有利于增强光子的吸收，而且，双层微桥下桥面中的氮化硅层还能继续吸收穿透过上桥面的氮化硅层的红外辐射。此外，图3所示的本发明提出的双层微桥的填充因子较高（> 90%），明显优于图1所示的传统的单层微桥（50~60 %）。
图5为在相同强度的辐射量（20 W/m2）的作用下，假设入射光完全被微桥所吸收时，不同双层微桥下桥面的温度分布的仿真结果。对于现有的上下两个桥面之间仅含单根连接柱、且连接柱与下桥面之间没有由金属构成的热传输层的伞型双层微桥（图2），在热敏电阻材料所处的下桥面6中，温度的变化范围宽达48.1~57.7 mk， 
=9.6 mk（图5a）。而在相同条件下，采用本发明提出的上下两个桥面之间含有四根连接柱、且连接柱与下桥面之间含有一层由金属构成的热量传输层的双层微桥（图3），其下桥面6的温度变化范围为46.2~47.5 mk，
仅为1.3 mk（图5b）。
值越小，说明温度的均匀性越好，热敏电阻材料530的电阻值越均匀，传出的读出信号越稳定。所以，图3所示的本发明提出的上下两个桥面之间含有四根连接柱、且连接柱与下桥面之间含有一层由金属构成的热量传输层的双层微桥的热学性能，明显优于图2所示的现有的上下两个桥面之间含单根连接柱、且连接柱与下桥面之间没有由金属构成的热传输层的伞型双层微桥。
图6结果表明，在相同的强度为+100 PMa的残余应力作用下，传统单层I型微桥（图1）的形变最大值为0.03013μm（图6a）。当相同的残余应力作用在现有的S型双层微桥中时，这种双层微桥形变的最大值高达0.05124μm（图6b），远远高于单层I型（图6a）。形变值越大，微桥结构的稳定性越差。所以，S型双层微桥的稳定性较差。相同条件下，现有的上下两个桥面之间含单根连接柱、且连接柱与下桥面之间没有由金属构成的热传输层的伞型双层微桥（图2）的形变最大值为0.02959μm（图6c），与单层I型（图1）相当，优于S型双层微桥。值得注意的是，如果采用图3所示的本发明提出的上下两个桥面之间含有四根连接柱、且连接柱与下桥面之间含有一层由金属构成的热量传输层的双层微桥结构，其形变最大值进一步减少到0.02152μm（图6d），不仅远低于现有的S型双层微桥的形变值（图6b），还低于传统的单层（图6a）及现有的伞型双层微桥（图6c）的形变值，说明本发明提出的上下两个桥面之间含有四根连接柱、且连接柱与下桥面之间含有一层由金属构成的热量传输层的双层微桥（图3）的力学稳定性非常优良。
概括起来，本发明提出一种采用含上下两个独立桥面（7及6）、且上下两个桥面之间通过四根连接柱730相连接、连接柱与下桥面之间含有一层由金属构成的热量传输层550的特殊的双层微桥8（图3）制作太赫兹探测器或红外探测器微测辐射热计9，能够提高微测辐射热计的光学（光吸收率增大）、热学（温度均匀性更好）、及力学（力学稳定性更优）性能，获得更优的综合性能，符合太赫兹探测器或红外探测器的需要。本发明所制备的双层微测辐射热计微桥结构具有如下优点：
（1）本发明采用的上下两个桥面之间用四根连接柱730相连接的方式，能够克服现有的仅含单根连接柱的伞型双层微桥的温度均匀性差的缺点；
（2）本发明采用由金属构成的热量传输层550，能够进一步增强温度均匀性，提高器件的热学性能；
（3）本发明采用的上下两个桥面之间用四根连接柱730相连接、以及金属热量传输层等方式还能增强微桥的力学稳定性；
（4）本发明提出的双层微桥8（图3）只是在传统单层I型微桥（图1）的基础上添加一些后续的旋涂、光刻、镀膜等传统工艺，技术难度不大、有利于器件的大规模制造；
（5）本发明提出的双层微桥8含有上下两个谐振腔（750及630）、多层光吸收层等措施，能够提高器件的光学性能；
（6）在本发明提出的双层微桥8中，通过调节上下两个谐振腔（750及630）的高度、上下两个桥面（7及6）的面积大小、四根连接柱730的排布方式等因素，可以更加容易、更加准确地调节微测辐射热计9的性能，满足太赫兹探测器或红外探测器的特殊需要。利用这种由特殊的双层微桥8制备的太赫兹探测器微测辐射热计9，提高了器件的工作性能，适宜大规模产业化生产。
Claims (10)
1.一种双层微测辐射热计，包括微桥结构，该微桥结构由上桥面和下桥面两个独立的桥面所组成，所述上桥面设有一层或多层光吸收材料，下桥面包含支撑与绝缘层、金属电极、热敏电阻薄膜、钝化及调控层，下桥面与衬底之间形成下层光学谐振腔，上桥面及下桥面之间形成上层光学谐振腔，其特征在于，上桥面和下桥面之间由四根连接柱相连接，且下桥面的表面设置有一层由金属构成的热量传输层。
2.根据权利要求1所述的双层微测辐射热计，其特征在于，所述上桥面由一层光吸收材料所组成时，所述光吸收材料为氮化硅薄膜、氧化硅薄膜、非晶硅薄膜、氮氧化硅薄膜、氮化硅和氧化硅复合薄膜五种材料当中的一种。
3.根据权利要求1所述的双层微测辐射热计，其特征在于，所述上桥面由多层光吸收材料所组成时，结构为氮化硅、氧化硅、非晶硅、氮氧化硅、氮化硅与氧化硅复合膜当中的一种薄膜和金属交叉构成的一层或多层复合薄膜，其中，复合膜中的金属为金属Al、或金属Fe、Co、Ni、Ti、TiN x 、TiO x 、V、VO x 、VN x 、Cr、Pt、Au、Cu、Ag、NiCr合金当中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的双层微测辐射热计，其特征在于，所述下桥面的第一种结构为：
下桥面的最底层是一层非晶氮化硅薄膜，作为微桥的支撑与绝缘层；往上第二层是热敏电阻层；往上第三层是金属电极；往上第四层是另一层非晶氮化硅薄膜，作为钝化保护、及应力调控层；往上第五层，即下桥面的最表层是金属热量传输层，覆盖在非晶氮化硅钝化层的表面，作为热量的传输层。
5.根据权利要求1所述的双层微测辐射热计，其特征在于，所述微测辐射热计微桥的微桥下桥面的第二种结构包括：
下桥面的最底层是一层非晶氮化硅薄膜，作为微桥的支撑与绝缘层；往上第二层是金属电极；往上第三层是是一层热敏电阻层；往上第四层是另一层非晶氮化硅薄膜，作为钝化保护、及应力调控层；往上第五层，即金属热量传输层。
6.根据权利要求1所述的双层微测辐射热计的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)清洗含有集成电路的单晶硅片衬底，利用反应器沉积一层厚度为100-2500 nm的非晶二氧化硅膜作为钝化层；
(2)在二氧化硅钝化层的表面，利用反应器沉积一层厚度为50-1000 nm的金属铝，作为微桥的反射层；
(3) 在上述金属铝的表面光刻出悬浮微桥的桥墩图形，刻蚀该金属铝反射层至下面的二氧化硅钝化层，形成微桥桥墩孔和金属铝孤岛；
(4)在上述金属铝孤岛的表面，旋涂第一层厚度为1-10 μm的光敏聚酰亚胺薄膜；
(5)对第一层聚酰亚胺薄膜进行光刻处理，形成聚酰亚胺薄膜孤岛和悬浮微桥的桥墩孔；
(6)在第一层聚酰亚胺薄膜孤岛和桥墩孔的表面，利用反应器沉积微桥下桥面的第一层非晶氮化硅膜，厚度为10-1500 nm，作为微桥的支撑与绝缘材料；
(7)利用反应器，在非晶氮化硅支撑膜的表面，制备厚度为5-2000 nm的微桥的热敏电阻薄膜；
(8)利用反应器，在热敏电阻薄膜的表面，沉积微桥下桥面的第一层金属，厚度为10-1000 nm，图形化，作为微桥的金属电极；
(9)利用反应器，在金属电极和热敏电阻薄膜的表面，沉积微桥下桥面的第二层非晶氮化硅膜，厚度为10-1500 nm，作为电极和热敏薄膜的钝化层、以及器件应力的调控层；
(10)在非晶氮化硅钝化层的表面，利用反应器沉积微桥下桥面的第二层金属，厚度为10-1000 nm，图形化，作为热量的传输层；
(11)在上述复合薄膜的表面光刻出悬浮微桥下桥面的结构图形，刻蚀该复合薄膜层至第一层聚酰亚胺层，形成悬浮微桥的下桥面、桥腿和桥墩图形；
(12)在下桥面由金属构成的金属热量传输层的表面，旋涂微桥的第二层厚度为1-10 μm的光敏聚酰亚胺薄形；
(13)对第二层聚酰亚胺薄膜进行光刻处理，形成聚酰亚胺薄膜孤岛和连接上下桥面的四个连接柱孔；
(14)在第二层聚酰亚胺薄膜孤岛的表面和连接上下桥面的四个连接柱孔中，利用反应器沉积微桥的光吸收材料；
(15)在上述光吸收薄膜的表面光刻出悬浮双层微桥上桥面的结构图形，刻蚀该薄膜层至第二层聚酰亚胺层，形成悬浮双层微桥的上桥面图形；
(16)采用氧等离子体去除上下两个桥面和桥腿图形下方的第一层及第二层聚酰亚胺薄膜，形成上层光学谐振腔、下层光学谐振腔、微桥上桥面、微桥下桥面，构成双层微测辐射热计。
7.根据权利要求1所述的双层微测辐射热计的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)清洗含有集成电路的单晶硅片衬底，利用反应器沉积一层厚度为100-2500 nm的非晶二氧化硅膜作为钝化层；
(2)在二氧化硅钝化层的表面，利用反应器沉积一层厚度为50-1000 nm的金属铝，作为微桥的反射层；
(3)在上述金属铝的表面光刻出悬浮微桥的桥墩图形，刻蚀该金属铝反射层至下面的二氧化硅钝化层，形成微桥桥墩孔和金属铝孤岛；
(4)在上述金属铝孤岛的表面，旋涂第一层厚度为1-10 μm的光敏聚酰亚胺薄膜；
(5)对第一层聚酰亚胺薄膜进行光刻处理，形成聚酰亚胺薄膜孤岛和悬浮微桥的桥墩；
(6)在第一层聚酰亚胺薄膜孤岛和桥墩孔的表面，利用反应器沉积微桥下桥面的第一层非晶氮化硅膜，厚度为10-1500 nm，作为微桥的支撑与绝缘材；
(7)利用反应器，在非晶氮化硅支撑膜的表面，沉积微桥下桥面的第一层金属，厚度为10-1000 nm，图形化，作为微桥的金属电极；
(8)对电极进行反溅之后，利用反应器制备厚度为5-2000 nm的微桥的热敏电阻薄膜；
(9)利用反应器，在金属电极和热敏电阻薄膜的表面，沉积微桥下桥面的第二层非晶氮化硅膜，厚度为10-1500 nm，作为电极和热敏薄膜的钝化层、以及器件应力的调控层；
(10) 在非晶氮化硅钝化层的表面，利用反应器沉积微桥下桥面的第二层金属，厚度为10-1000 nm，图形化，作为热量的传输层；
(11) 在上述复合薄膜的表面光刻出悬浮微桥下桥面的结构图形，刻蚀该复合薄膜层至第一层聚酰亚胺层，形成悬浮微桥的下桥面、桥腿和桥墩图形；
(12)在下桥面由金属构成的金属热量传输层的表面，旋涂微桥的第二层厚度为1-10 μm的光敏聚酰亚胺薄膜；
(13) 对第二层聚酰亚胺薄膜进行光刻处理，形成聚酰亚胺薄膜孤岛和连接上下桥面的四个连接柱孔；
(14) 在第二层聚酰亚胺薄膜孤岛的表面和连接上下桥面的四个连接柱孔中，利用反应器沉积微桥的光吸收材料；
(15) 在上述光吸收薄膜的表面光刻出悬浮双层微桥上桥面的结构图形，刻蚀该薄膜层至第二层聚酰亚胺层，形成悬浮双层微桥的上桥面图形；
(16) 采用氧等离子体去除上下两个桥面和桥腿图形下方的第一层及第二层聚酰亚胺薄膜，形成上层光学谐振腔、下层光学谐振腔、微桥上桥面、微桥下桥面，构成双层微测辐射热计。
8.据权利要求6或7所述的双层微测辐射热计的制备方法，其特征在于，所述热敏电阻薄膜采用的材料为氧化钒薄膜、或氧化钛薄膜、非晶硅薄膜、氧化钒复合膜、氧化钛复合薄膜、非晶硅复合膜当中的一种；当采用氧化钒作为微测辐射热计微桥的热敏电阻材料时，该热敏电阻薄膜的厚度为5-2000nm，方阻为500Ω/-50MΩ/，电阻温度系数为-0.5-6.5%/K。
9. 根据权利要求6或7所述的双层微测辐射热计的制备方法，其特征在于，所述金属电极材料为金属Al、金属Au、Ti、TiN x 、TiSi x 、TiW x 、W、WSi x 、Ni、NiSi x 、Ta、TaN x 、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr合金当中的一种；当采用金属铝作为微测辐射热计微桥的金属电极时，电极的厚度为10-1000 nm。
10.根据权利要求6或7所述的双层微测辐射热计的制备方法，其特征在于，所述热量传输层材料为金属Al、金属Au、Ti、TiN x 、TiSi x 、TiW x 、W、WSi x 、Ni、NiSi x 、Ta、TaNx、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr合金当中的一种或几种；当采用NiCr作为微测辐射热计微桥的热量传输层时，该热量传输层的厚度为10-1000
nm。
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