CN102564599A

CN102564599A - 红外焦平面阵列中读出电路及其参比电阻以及制造方法

Info

Publication number: CN102564599A
Application number: CN2011104372029A
Authority: CN
Inventors: 刘子骥; 黄泽武; 曾星鑫; 劳常委; 郑兴; 蒋亚东
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2031-12-23
Also published as: CN102564599B

Abstract

本发明公开了一种红外焦平面阵列中读出电路及其参比电阻以及制造方法，其中参比电阻包括4个参比单元，其中两个参比单元并联后串接另外两个并联的参比单元；所述参比单元包括设有读出电路的衬底，在衬底上设有第一绝缘隔离层，在第一绝缘隔离层上表面靠近两侧设有两个与衬底连通的通孔，通孔中设有读出电极，读出电极高于第一绝缘隔离层，在两读出电极间的凹槽中设有与探测像元所用材料相同的热敏感材料层，热敏感材料层高度与读出电极高度持平，在读出电极与热敏感材料层上方设有第二绝缘隔离层，在所有参比电阻的上方共设一导热金属层，导热金属层与参比单元上表面的第二绝缘层相连接。

Description

红外焦平面阵列中读出电路及其参比电阻以及制造方法

技术领域

本发明涉及非制冷红外探测技术领域，尤其涉及一种非制冷红外焦平面阵列探测器中参比电阻及其制造方法，以及使用该参比电阻的读出电路。

背景技术

近20年来，基于微测辐射热计的非制冷红外探测技术取得了重大的突破并达到了实用化，它是集红外敏感材料、光学技术、制冷技术、微电子技术等于一体的高新综合技术。其具有抗干扰能力强、体积小、重量轻、隐蔽性能好等优点，在军事和民用领域获得了广泛的应用。

非制冷红外焦平面阵列是基于MEMS技术的器件，其基本工作原理是，目标物体的红外辐射被红外焦平面阵列像元吸收，从而引起热敏感材料薄膜温度升高，由于热敏感薄膜具有温度-电阻（TCR）特性，其电阻将发生变化，并通过其中的电学通道将这种变化传递给读出电路，从而检测出该电阻值得变化，最后实现红外辐射的探测。

非制冷红外焦平面器件的根本是要实现在室温下的红外探测，因此其探测结构的设计就成为整个器件的关键。现有的非制冷红外焦平面探测器通常采用微桥结构。微桥结构由桥墩、桥腿、桥面组成，其中镀有热敏感材料薄膜的桥面通过桥墩和桥腿与衬底相连，并悬浮于衬底之上。当目标物体红外辐射进入焦平面，并被敏感材料所吸收时，红外辐射的变化就反映为热敏薄膜的电阻变化。在读出电路中，敏感电阻的敏感电流是由于其两端加上的偏压而产生的。但由于探测器周围环境同样具有红外辐射，同时焦平面自身也具有一定的工作稳定，这部分热量就成为了系统的背景噪声。在无红外辐射的情况下产生的电流，称之为暗场电流，这就需要设计能够根据环境温度变化而变化的参比电路，为探测器像元输出提供补偿电流，消除暗场电流，也就是环境背景噪声对探测效果的影响。

目前，国内外应用较为普遍的暗场电流补偿方法是采用通过设计电压偏置的参比电路，这种参比电路具有随环境温度变化而变化的等效电阻，称为参比电阻，在偏压的作用下，参比电路根据环境稳定产生暗场补偿电流与敏感电流相抵消，从而屏蔽环境温度的影响。这种暗场电流的补偿方法特点是结果简单，易于实现。

通常情况下，参比电阻的制作采用的方法有两种。一种是让微测辐射热计把接收红外辐射产生的热量直接传到衬底，从而产生屏蔽掉红外辐射的暗场补偿电流的方法。这种方法的缺点在于很难让100%的热量都传导到衬底，残余的热量会造成补偿电流的误差。

另一种是在微测辐射热计上镀上一层反光层，将红外辐射反射出去，从而产生屏蔽掉红外辐射的暗场补偿电流。这种方法的缺陷在于加入的这层反光材料会使微测辐射热计的成分改变性状，从而使电阻发生变化，达不到精确补偿暗场电流的方法。同时，由于红外焦平面阵列器件一般都采用行选通、列输出的方式设计读出电路，其中每一列像元具有单独的参比电阻，故每一列像元具有独立的补偿电流。这种设计方法的缺陷在于，当每一列像元的参比电路探测单元获得不同的参比时，将使每一列像元的产生的敏感电流获得不同的补偿电流，从而导致红外成像的非均匀，特别是出现明显的列条纹非均匀性。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种使得所有参比电阻能够获得相同的稳定系数，从而为每一列像元提供相同的补偿电流，抑制环境温度对红外探测器造成的影响，保证在没有红外辐射的情况下，输入积分器的电流为零，提高红外探测图像的均匀性的参比电阻及其制造方法，以及使用该参比电阻的读出电路。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种非制冷红外焦平面阵列探测器中的参比电阻，每个参比电阻由4个参比单元构成，其中两个参比单元并联后串接另外两个并联的参比单元；

所述参比单元包括设有读出电路的衬底，在衬底上设有第一绝缘隔离层，在第一绝缘隔离层上表面靠近两侧设有两个与衬底连通的通孔，通孔中设有读出电极，读出电极高于第一绝缘隔离层，在两读出电极间的凹槽中设有与探测像元所用材料相同的热敏感材料层，热敏感材料层高度与读出电极高度持平，在读出电极与热敏感材料层上方设有第二绝缘隔离层，

在所有参比单元的上方共设一导热金属层，导热金属层与参比单元上的第二绝缘层相连接。

进一步地，所述导热金属层为金、银、铜或铝。

进一步地，所述第一绝缘隔离层和第二绝缘隔离层为Si₃N₄，厚度小于0.1μm。

进一步地，所述热敏感材料薄膜为氧化钒、非晶硅或非晶硅锗合金。

一种非制冷红外焦平面阵列探测器中的参比电阻的制造方法，包括如下步骤：

（1）构造参比单元；

①在硅衬底上形成第一绝缘隔离层，作为衬底层与敏感材料层的隔离薄膜；

②刻蚀第一绝缘隔离层，留出两个读出底电极和预留读出电极桥柱孔，沉积牺牲层；

③刻蚀牺牲层，形成与预留读出电极桥柱孔相对应的读出电极桥柱孔；

④往桥柱孔灌注导电金属，形成两个热敏感层暗场电阻的读出电极，刻蚀牺牲层；

⑤往两电极之间形成的凹槽中沉积热敏感材料；

⑥在敏感材料及电极上方沉积第二绝缘隔离层；

（2）构造参比电阻

⑦将两个参比单元并联后串接另外两个并联的参比单元构成一个参比电阻；

⑧将参比电阻的参比单元间填充第二层牺牲层，并在参比单元及第二层牺牲层上方沉积形成导热金属层；

⑨刻蚀第二层牺牲层，并实现导热金属层平坦化。

进一步地，所述导热金属层为金、银、铜或铝。

一种使用上述参比电阻的读出电路，包括积分放大电路、列选通输出逻辑电路，所述红外焦平面阵列中每列包括一个参比电阻，所有参比电阻间的导热金属层为一体连接，

每个参比电阻各有一端与一个由偏置电压GSK控制的第一选通开关相连，另一端与另一偏置电压Vsk相连，第一选通开关的输出通过第二选通开关连接一列红外焦平面阵列像素单元，所述第二选通开关与每个像素单元串联，在列选通输出逻辑电路的控制下，输出图像信息。

进一步地，所述的第一选通开关为场效应晶体管。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）每个参比电阻由四个参比单元构成，这种设计有利于降低参比电阻由于工艺问题引起的阻值不均，能提高参比电阻均匀性。

（2）采用本发明提出的参比电阻，在所有参比电阻上方制作完整的导热金属层，能使参比单元探测统一环境温度，产生相同的等效电阻，能够为像元提供共同的补偿电流，从而使非制冷红外焦平面阵列器件成像效果得到进一步提升。

（3）采用此种设计方法，参比电阻阻值受导热金属层和衬底层温度共同影响，解决了衬底导热不均的问题，同时反射外界红外辐射对参比电阻的影响，增强系统的抗干扰能力；

（4）此种参比电阻设计引入导热金属层，保证了环境温度产生的热量能良好的传到衬底，从而提升了器件整体的探测效率；

（5）此种参比层设计方法简单，与现有非制冷红外焦平面阵列器件的制备工艺完全兼容，易于实现。

附图说明

图1为本发明红外焦平面阵列单元读出电路结构图；

图2为本发明单个参比单元结构示意图；

图3为本发明的参比电阻层制作过程示意图；

图4为本发明等效参比电阻示意图，其中R_blind为参比单元产生的等效电阻， R_sensor为像元敏感材料产生的等效电阻；

图5为本发明红外焦平面阵列整体读出电路等效图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参见图1为红外焦平面阵列单元读出电路结构图，区域1为参比电阻提供的补偿电路，其中R_blind为四个参比单元敏感材料产生的等效电阻；区域2为一列红外焦平面像元，其中R_sensor为单个像元微桥桥面敏感材料的等效电阻，像元的选通由第二选通开关Select控制；区域3为读出电路为像元输出信号积分运算放大电路，Vo为焦平面图像信息输出端。

本发明所提供的提高非制冷红外焦平面阵列探测器参比电阻均匀性的方法，其特征在于，针对的红外器件像元读出电路如图1所示，V_sk、V_fid、G_sk为外加可调偏置电压，V_fid的输入范围为1.8V±5mV，G_sk的输入范围为2.6V±5mV，V_sk的输入范围为4.9V ±5mV，V_ref为不随温度和生产工艺而变化的恒定偏置电压，输入范围为2.2V±5mV。R_sensor为像元热敏电阻，其阻值随外界红外辐射强度变化而变化，R_blind 为暗场电阻，由参比层四个参比单元串接而成，其阻值不随外界红外辐射强度强弱而不同，但是会随环境温度变化而变化，在选通控制信号G_sk 的控制下，接入电路，产生补偿电流I₁，与像元敏感电阻产生的像元电流I₂相互抵消，从而消除系统背景噪声的影响。根据图1，可以得到：

Figure 2011104372029100002DEST_PATH_IMAGE001

（1）

由可得：

Figure 2011104372029100002DEST_PATH_IMAGE003

（2）

（3）

据此，可以得到非制冷红外焦平面阵列的总体性能指标与准确的参比电阻

Figure 2011104372029100002DEST_PATH_IMAGE005

密切相关。本发明所提供的提高参比电阻均匀性的方法能够保证红外焦平面阵列参比电阻在特定温度下保持一致，从而为所有像元提供相同的补偿电流，抑制暗场电流的影响，提高系统成像效果。

如图2所示，该非制冷红外焦平面阵列中的参比单元依次可分为，硅衬底1,读出电极2，热敏感材料3，绝缘层四部分。本发明设计实例中，硅衬底包含红外焦平面阵列的读出电路，并预留读出电极；读出电极采用金属Al灌注；热敏感材料采用高电阻系数VOx薄膜；绝缘层材料由氮化硅（Si₃N₄）沉积而成。金属导热层为所有参比电阻上方沉积的完整Al金属层，作为参比层热导通道和外界红外辐射的反射层。

参比单元所用VOx薄膜材料必须满足室温下具有高的TCR值、较低的噪声、适于后端读出电路的薄膜方阻值、与非制冷焦平面阵列制造工艺兼容等要求。VOx薄膜的组份和微观组织结构将决定薄膜的方阻和TCR等基本性能，膜厚也将影响VOx薄膜的方阻。薄膜的厚度可通过薄膜沉积时间来控制。薄膜的组份和微观组织结构则通过溅射设备的合理设计和溅射工艺的优化来进行调节。

本发明参比层提供参比电阻的VOx材料对薄膜性能均匀性有较高要求，因此，发明通过两个方面来保障：膜厚均匀性、组分和微观组织结构的均匀性。膜厚均匀性是实现组份微观组织结构均匀性的前提。为了提高膜厚均匀性，本发明基于理论计算和实验研究，通过设计合适的靶形和尺寸、合理的靶基距、适当的阴极屏蔽，来获得溅射束流密度在基片工作面上的高均匀性分布。为提高薄膜组份的均匀性，本发明设计了多层喷淋布气系统，以保证基片各处动态氧分压的一致性。设计方案采用O₂、Ar空间分离输入的先进供气方式，以将VOx薄膜生长过程中的化合反应尽量控制在基片表面上，从而实现反应溅射中溅射过程和反应过程在空间上分离的工作模式。微区XPS分析表明，这种供气方式大大提高了VOx薄膜微观组织结构的均匀性。VOx薄膜的微观组织结构表现出对薄膜生长温度的强烈依赖性。因此，基片表面温度均匀性控制就显得非常重要。通常溅射镀膜设备对基片的加热方式为单一加热器加热，或采用电阻加热器，或采用红外灯加热器。这种方式在满足基片温度400℃的条件下，6英寸晶圆的实际温度偏差往往达到±30℃以上，很难满足高均匀性VOx薄膜生长要求。为此我们提出将环境加热和基片直接加热这两种加热方式结合，实现温度非均匀性调整。

图3为本发明较佳实施方案的非制冷红外焦平面阵列参比层的制作流程图：

步骤1：利用CVD方法在Si衬底上沉积一层Si₃N₄绝缘隔离层，作为热敏感材料层与Si衬底的电绝缘，绝缘层厚度为0.1 μm。

步骤2：刻蚀绝缘隔离层，留出两个读出底电极和预留桥柱Al金属电极垫图案，同时对绝缘隔离层表面进行平坦化；在经过刻蚀的绝缘沉积牺牲层聚酰亚胺，牺牲层高度应控制到与读出电极灌注高度持平。

步骤3：在绝缘隔离层预留的电极底座上方刻蚀聚酰亚胺，形成热敏感层读出电极的桥柱孔形状。

步骤4：往桥柱孔里面灌注Al金属，形成两个热敏感层暗场电阻的读出电极；刻蚀掉绝缘隔离层上方遗留的聚酰亚胺。

步骤5：在两电极之间形成的凹槽中生长热敏感材料层，主要成分为高电阻系数VOx，薄膜高度与电极持平，并保证与读出电极良好连接。

步骤6：在所生成的敏感材料上方利用CVD方法沉积第二层Si₃N₄绝缘隔离层，作为热敏感材料和读出电极与Al金属热导面的电绝缘，厚度0.1 μm。

步骤7：在所有参比电阻上方填充第二层牺牲层聚酰亚胺，高度与第二层Si₃N₄绝缘隔离层高度持平，同时露出绝缘层表面；在所形成的平面上方沉积一层0.2μm导热金属Al层，作为整个参比层的热导平面。

步骤8：刻蚀聚酰亚胺，并实现导热金属Al上表面的平坦化。

本发明参比电阻由四个参比单元构成，其连接方式如图4所述，这种连接方式能有效降低单个参比单元由于工艺等原因引起的参比不均匀性，从而保证在相同热量辐射下，产生相同的参比电阻，其中R_blind为参比单元产生的等效电阻，本发明中每个参比电阻由四个参比单元组成，连接方式如图所示，R_sensor为像元敏感材料产生的等效电阻。

本发明实现的提高非制冷红外焦平面阵列探测器参比电阻均匀性的方法能保证每个像元具有相同的补偿电流。图5为整个焦平面阵列读出电路等效图，其中区域2利用本发明的参比电阻改进方案设计的参比电阻层等效效果，通过构造的金属导热层，为每个参比电阻提供相同的热辐射量，从而在偏置电压的作用下为每一列像元提供相同的补偿电流，这有效的保抑制了器件对背景环境温度对探测器的影响，同时解决传统非制冷红外焦平面阵列由于参比电阻差异以及衬底温度分布不均引起的红外图像非均匀性。

Claims

1. 一种红外焦平面阵列中读出电路的参比电阻，其特征在于：每个参比电阻由4个参比单元构成，其中两个参比单元并联后串接另外两个并联的参比单元；

2. 根据权利要求1所述的红外焦平面阵列中读出电路的参比电阻，其特征在于：所述导热金属层为金、银、铜或铝。

3. 根据权利要求1所述的红外焦平面阵列中读出电路的参比电阻，其特征在于：所述第一绝缘隔离层和第二绝缘隔离层为Si₃N₄，厚度小于0.1μm。

4. 根据权利要求1所述的红外焦平面阵列中读出电路的参比电阻，其特征在于：所述热敏感材料薄膜为氧化钒、非晶硅或非晶硅锗合金。

5. 一种红外焦平面阵列中读出电路的参比电阻的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）构造参比单元；

⑤往两电极之间形成的凹槽中沉积热敏感材料；

⑥在敏感材料及电极上方沉积第二绝缘隔离层；

（2）构造参比电阻

⑨刻蚀第二层牺牲层，并实现导热金属层平坦化。

6. 根据权利要求5所述的红外焦平面阵列中读出电路的参比电阻的制造方法，其特征在于：所述导热金属层为金、银、铜或铝。

7. 根据权利要求5所述的红外焦平面阵列中读出电路的参比电阻的制造方法，其特征在于：所述第一绝缘隔离层和第二绝缘隔离层为Si₃N₄，厚度小于0.1μm。

8. 根据权利要求5所述的红外焦平面阵列中读出电路的参比电阻的制造方法，其特征在于：所述热敏感材料薄膜为氧化钒、非晶硅或非晶硅锗合金。

9. 一种使用权利要求1-4任一项所述参比电阻的读出电路，包括积分放大电路、列选通输出逻辑电路，红外焦平面阵列中每列包括一个参比电阻，其特征在于：所有参比电阻间的导热金属层为一体连接，每个参比电阻各有一端与一个由偏置电压GSK控制的第一选通开关相连，另一端与另一偏置电压Vsk相连，第一选通开关的输出通过第二选通开关连接一列红外焦平面阵列像素单元，所述第二选通开关与每个像素单元串联，在列选通输出逻辑电路的控制下，输出图像信息。

10. 根据权利要求9所述的读出电路，其特征在于：所述的第一选通开关为场效应晶体管。