CN102437166B - 一种非制冷红外探测系统像素阵列的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非制冷红外探测系统像素阵列的制作方法，包括以下步骤：一、在SOI的顶层表面通过光刻结合刻蚀工艺将顶层材料刻穿至到达SOI的埋层材料，在所述SOI的埋层表面形成若干个独立的热隔离柱；二、将所述步骤一中形成的热隔离柱与衬底键合；三、去除SOI的底层材料，露出SOI的埋层底面；四、采用光刻结合刻蚀工艺，对所述步骤三中非热隔离柱区域对应的SOI的埋层进行刻蚀至刻穿，形成若干个独立的像素点；五、采用电子束蒸镀方法，在所述步骤四的像素点表面制备可调谐热光带通滤波器。本发明通过引入键合工艺，在实现像素点之间热隔离的同时，避开使用牺牲层，制造工艺简单可靠，更有利于技术的推广普及。
Description
技术领域
本发明涉及热成像技术领域，特别指一种非制冷红外探测系统的像素阵列制作方法。
背景技术
红外侦察和检测（特别针对8~15微米大气透过率高的波段）是一种有着广泛应用的关键技术。与价格昂贵的低温工作的红外探测系统相比，非制冷红外探测系统由于其较低的成本、较小的体积，应用前景非常广泛。目前，基于非晶硅、氧化钒等材料热阻特性的红外探测芯片已经商业化。同时，采用光学读出方式的微机械红外成像阵列则是其有力的竞争者。由于光学读出非制冷红外成像系统为全光系统，可以在室温下工作，与量子型红外探测器相比，无需笨重的制冷设备；与传统的热释电或多晶硅非制冷红外成像仪相比，无需复杂的读取电路。采用Fabry-Perot（F-P）腔阵列作为核心结构，利用多光束干涉原理读取红外信号，不仅可使系统的结构紧凑简洁、探测灵敏度较高，而且易于大规模集成。该类系统的一个典型结构为 “红外摄像机系统”的专利文件（申请号：200480027494.7），其包含热可调谐滤波器像素阵列、近红外光源和近红外检测器阵列。其中像素阵列的制造是其中的核心，制作过程需要引入牺牲层，这样使得制作工序较为繁琐且成本较高，不利于该技术的进一步推广应用。
发明内容
本发明提供一种红外探测系统像素点的制造方法，通过引入键合工艺，在实现像素点之间热隔离的同时，避开使用牺牲层，制造工艺简单可靠，更有利于技术的推广普及。
这种非制冷红外探测系统像素阵列的制作方法，包括以下步骤：
步骤一：在SOI的顶层表面通过光刻结合刻蚀工艺将顶层材料刻穿至到达SOI的埋层材料，在所述SOI的埋层表面形成若干个独立的热隔离柱；
步骤二：将所述步骤一中形成的热隔离柱与衬底键合；
步骤三：去除SOI的底层材料，露出SOI的埋层底面；
步骤四：采用光刻结合刻蚀工艺，对所述步骤三中非热隔离柱区域对应的SOI的埋层进行刻蚀至刻穿，形成若干个独立的像素点；
步骤五：采用电子束蒸镀方法，在所述步骤四的像素点表面制备可调谐热光带通滤波器，获得目标产品。
其中，SOI为一种称为“绝缘体上的硅”的商品化材料，其由三层材料构成：顶层、埋层、底层。所述SOI顶层材料为晶体硅、埋层材料为二氧化硅、底层材料为晶体硅。
为了保证制作的像素阵列的质量，需要设置一些特定的参数：所述的SOI的埋层材料厚度大于1μm；所述热隔离柱的横截面积不超过所述像素点横截面积的十分之一。
所述步骤二中的键合方式采用但不限于阳极键合、AuSn键合、AuAu键合和CuSn键合中的一种。可依据所选择的衬底材料以及工艺成本、强度要求等选择合适的键合方式。
所述步骤三中去除方法为等离子体干法刻蚀或化学湿法刻蚀法。由于埋层材料与顶、底层材料的刻蚀速率不同，埋层材料可作为选择停止刻蚀层。
所述可调谐热光带通滤波器为Fabry-Perot腔结构，包括两反射镜以及夹在两反射镜中的腔体。
其中，所述反射镜由厚度为1/4光学波长的硅、二氧化硅交替生长构成，所述腔体为厚度是1/2光学波长的非晶硅。非晶硅具有高热光系数，可实现高效热光调谐。
衬底材料一般选取对系统中采用的近红外检测光透明的材料，本发明中所述衬底为玻璃。
本发明的有益效果在于，与现有的红外探测系统的像素阵列制作方法相比，本发明制造工艺不需要引入牺牲层，而是在SOI材料的基础上通过引入键合工艺，实现像素之间热隔离，制造工艺更为简单可靠，有利于该技术的普通推广。
附图说明
图1a为本发明实施例SOI结构示意图。
图1b为本发明实施例热隔离柱形成示意图。
图1c为本发明实施例热隔离住与衬底键合示意图。
图1d为本发明实施例去除SOI底层材料后的结构示意图。
图1e为本发明实施例像素点结构示意图。
图1f为本发明实施例像素点阵列示意图。
图1g为本发明实施例可调谐热光带通滤波结构示意图。
图2为本发明单个像素点的工作原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例作进一步说明。
本实施的这种非制冷红外探测系统像素阵列的制作方法，包括以下步骤：
首先，选取SOI材料和衬底5材料，备用。其中选用的SOI材料称为“绝缘体上的硅”，目前在集成电路领域应用广泛，其结构是由顶层和底层之间引入了一层氧化层埋层，参见图1a所示。本实施例中SOI三层结构从上至下组成为顶层Si 1、埋层SiO-2 2和底层Si 3，其中顶层Si 1的厚度为15μm，埋层SiO-2 2的厚度1.5μm，底层Si 3厚度不作限制，能满足实际工艺需要即可。另外，衬底5材料一般选取对系统中近红外光检测光（850nm）透明的材料，本实施中选取Pyrex 7740碱性玻璃为衬底5材料。
如图1b所示，在SOI的顶层Si 1表面进行光刻和等离子干法刻蚀，将顶层Si 1从表面刻蚀至到达SOI的埋层SiO-2 2表面，未被刻蚀的顶层Si 1便形成突出的柱状体，即热隔离柱4。为保证像素阵列的透光性，非热隔离柱4区域的顶层Si 1需要完全刻蚀去除，露出埋层SiO2 2。这样，在埋层SiO2 2表面就形成若干个独立的热隔离柱4。热隔离柱4的高度与顶层Si 1的厚度一致，每根热隔离柱4的横截面积大小与设计的像素点6（结合图1e所示）横截面积有关，一般不超过像素点6横截面积的1/10，本实施例中的热隔离柱4横截面积为设计像素点6横截面积的1/10。
然后，在上述步骤中形成的热隔离柱4与衬底5键合，如图1c所示。键合的方式可选择阳极键合、AuSn键合、AuAu键合和CuSn键合中的一种，可依据所选择的衬底5材料以及工艺成本、强度要求等选择合适的键合方式。本实施例中键合方式为阳极键合，将热隔离柱4与衬底5结合在一起， 反应条件为：电压1200V，温度350℃，压力2000N。阳极键合工艺要求较低，键合力强，具有很高的工艺可靠性。
如图1d所示，去除SOI的底层Si 3材料，露出SOI的埋层SiO2 2底面。在本发明中，SOI中的底层Si 3仅起到支撑作用，需要配合后续工艺而去除。去除方式可以选择等离子体干法刻蚀或化学湿法刻蚀。由于在等离子干法刻蚀工艺中，Si与SiO2的刻蚀速率有很大差异，因此SiO2层可作为有效的刻蚀停止层，该步工艺可靠性很高。
下一步，采用光刻结合等离子干法刻蚀工艺，在非热隔离柱4区域对应的SOI的埋层SiO2 2表面，向下进行刻蚀至穿透埋层SiO2 2，形成若干个独立的像素点6，如图1e所示。本实施例刻蚀出的每个像素点6平面形状为六角形，可结合图1f所示，像素点6之间间隔2μm，厚度与埋层SiO2 2厚度一致。这样，每个像素点6由一根热隔离柱4支撑，热隔离柱4站立于衬底5上，像素点6与热隔离柱4和衬底5配合形成的剖视图可见为“工”字形。如图1f所示，从像素点6上方俯视可见，多个像素点6组成的像素点6阵列为六角蜂窝结构。
接着，如图1g所示，采用电子束蒸镀方法，在各像素点6表面直接制作Fabry-Perot（F-P）腔结构的可调谐热光带通滤波器70，中心波长为850nm。每个F-P腔可调谐热光带通滤波器70包括上反射镜71、下反射镜72及夹在上下反射镜71/72之间的非晶硅腔体73。下反射镜72直接制作在像素点6表面，由2对Si/SiO2介质膜交替生长构成，Si、SiO2介质膜厚度为1/4光学波长；然后生长非晶硅腔体73，腔体73厚度为1/2光学波长；以及最后生长2对Si/SiO2介质膜构成的上反射镜71， Si、SiO2的厚度为1/4光学波长。其中，光学波长即为本实施的中心波长850nm。
这种非制冷式红外探测系统像素阵列的工作原理，主要是利用F-P滤波器70透射频率对温度敏感的原理来间接实现红外探测。如图2所示，每个像素点6会吸收照射到该像素点6处的红外辐射并转换为热量，引起该像素点6温度的变化，从而引起F-P滤波器70透射峰位的变化，这样当850nm探测光入射到该像素点6后，其透射的光强会发生变化，这一变化马上会被后面的CMOS或者CCD传感器捕获，从而间接探测到了该处的红外辐射。
综上所述，本发明一种用于非制冷红外探测系统的像素阵列的制造方法，通过实施例的具体描述，其制造工艺已被详细地公示。然而，以上描述的实施例仅为深入理解本发明创新实质而提供，并非以此限制本发明具体实施方式的多样性，但凡基于上述实施例所作的等效替换或简单修改，均应该被包含于本发明专利请求的专利保护范围之内。
Claims (8)
1.一种非制冷红外探测系统像素阵列的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在SOI的顶层（1）表面通过光刻结合刻蚀工艺将顶层（1）材料刻穿至到达SOI的埋层（2）材料，在所述SOI的埋层（2）表面形成若干个独立的热隔离柱（4）；
步骤二：将所述步骤一中形成的热隔离柱（4）与衬底（5）键合；
步骤三：去除SOI的底层（3）材料，露出SOI的埋层（2）底面；
步骤四：采用光刻结合刻蚀工艺，对所述步骤三中非热隔离柱（4）区域对应的SOI的埋层（2）进行刻蚀至刻穿，形成若干个独立的像素点（6）；
步骤五：采用电子束蒸镀方法，在所述步骤四的像素点（6）表面制备可调谐热光带通滤波器（70），获得目标产品。
2.根据权利要求1所述的红外探测系统像素阵列的制作方法，其特征在于，所述SOI顶层（1）材料为晶体硅、埋层（2）材料为二氧化硅、底层（3）材料为晶体硅。
3.根据权利要求2所述的红外探测系统像素阵列的制作方法，其特征在于，所述的SOI的埋层（2）材料厚度大于1μm；所述热隔离柱（4）的横截面积不超过所述像素点（6）横截面积的十分之一。
4.根据权利要求3所述的红外探测系统像素阵列的制作方法，其特征在于，所述步骤二中的键合方式采用阳极键合、AuSn键合、AuAu键合和CuSn键合中的一种。
5.根据权利要求3所述的红外探测系统像素阵列的制作方法，其特征在于，所述步骤三中去除方法为等离子体干法刻蚀或化学湿法刻蚀法。
6.根据权利要求1所述的红外探测系统像素阵列的制作方法，其特征在于，所述可调谐热光带通滤波器（70）为Fabry-Perot腔结构，包括上反射镜（71）、下反射镜（72）以及夹在上反射镜（71）、下反射镜（72）中的腔体（73）。
7.根据权利要求6所述的红外探测系统像素阵列的制作方法，其特征在于，所述上反射镜（71）和下反射镜（72）均由厚度为1/4光学波长的硅、二氧化硅交替生长构成，所述腔体（73）由厚度为1/2光学波长的非晶硅生长构成，所述光学波长为850nm。
8.根据权利要求1所述的红外探测系统像素阵列的制作方法，其特征在于，所述衬底（5）为玻璃。
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Families Citing this family (3)
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2200246A (en) * | 1985-09-12 | 1988-07-27 | Plessey Co Plc | Thermal detector array |
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Family Cites Families (1)
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2200246A (en) * | 1985-09-12 | 1988-07-27 | Plessey Co Plc | Thermal detector array |
| US6031231A (en) * | 1997-01-27 | 2000-02-29 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Infrared focal plane array |
| CN101872792A (zh) * | 2009-04-23 | 2010-10-27 | 昆明物理研究所 | 一种混成式非制冷焦平面探测器的纵向热隔离结构与制造工艺 |
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