CN103318836B - 带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列及其制造方法，所述阵列的每个像元包括一个框架以及框架内的反光板等其他部件，每个像元框架上方包括由厚金属薄膜构成的热沉结构。热沉结构使得整个薄膜区域热导增加，能量传导加快，薄膜区域温度均匀性大大提高。消除了能量沿框架网格传播而造成的热串扰现象，热响应时间降低，热成像速度加快。另外整个支撑框架厚度增加数十倍，大大提高了薄膜区域的机械强度和薄膜平整性。再者，因框架高出像元其他部件所在的平面，这样照射到反光板上面的反射光线可以和照射到框架上的反射光线得到分离，使得反光板读出的成像信号和框架的反射信号得以分离。本方法工艺简单，制作周期短，成品率高。

Description

带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列及其制造方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列(FocalPlaneArray，FPA)及其制造方法。

背景技术

在MEMS(MicroElectroMechanicalsystems，微机电系统)技术领域，红外探测器已广泛应用于医疗、工业、军事、商业、科研等领域。通常可分为光电型红外探测器和热型红外探测器。光电型红外探测器具有响应时间快、噪声等效温差(NoiseEquivalentTemperatureDifference，NETD)低等特点，但由于其工作时需要将光电子和热电子分离，需要制冷(工作在液氮(77K)环境中)，造成此种红外探测器体积大，功耗高，价格昂贵，限制了其向民用方向发展。

近年利用红外辐射具有显著热效应这一特点而发展起来的非制冷红外探测器逐渐商业化，典型的有热电阻型、热电堆型和热释电型红外探测器。此类探测器制作灵活，无需制冷，功耗小，成本低，已逐渐应用于各领域。但此类探测器均采用电读出的方式，由于探测信号较小，因此对读出电路的设计提出很高要求，同时也增加了整个芯片的制作工艺难度。此外读出电路功耗所产生的热量也影响了探测器敏感元件的响应。

随着MEMS技术的发展，光-机械型非制冷红外探测器近年成为研究热点。通常光-机械型非制冷FPA探测器的成像芯片由一系列像元组成面阵列，每一个像元由一个反光板和两条微悬臂梁组成，两条微悬臂梁由两种热膨胀系数差别很大的材料构成，入射的红外能量引起两条微悬臂梁的升温、变形，导致成像单元的反光板转角发生变化，光学检测单元将这种反光板转角变化及分布，以光强图像的方式将被测物体的温度场显示出来。该类探测器设计灵活，制作工艺简单，信号读出方式采用光读出的方式，大大降低功耗，同时理论预测该类探测器的NETD可达到5mK，具有十分广阔的应用前景。通常，该类探测器需要进行绝热结构设计，需要将敏感结构与衬底隔离开来进行绝热，因此出现了以牺牲层释放技术为基础的，带衬底结构的红外FPA，此类FPA由于衬底的存在，有大约40％红外辐射被衬底吸收和反射，降低了红外吸收效率，此外，牺牲层释放工艺复杂，常会造成结构层与沉底的粘连，导致像元失效。

另一种为全镂空光--机械型红外FPA，该探测器有效的提高了红外吸收效率，同时避免了牺牲层释放工艺所造成的难题。此外，为了消除由于环境温度变化而引来的热成像噪声，FPA芯片需在控温环(TEC)的作用下保持整个FPA的敏感单元区域的温度均匀不变。但由于其全镂空的特点，像元的能量不能及时传递到衬底，只能一方面通过支撑框架向薄膜边缘传递到衬底，另一方面通过热辐射形式进行散失，造成从宏观上来看，TEC无法对FPA进行有效控温，使得整个薄膜温度不均匀；从微观上来看，吸收红外辐射能量而升温的像元结构不能及时将能量传递出去，部分能量经过框架传递到变形像元周围的其他像元上，造成其他像元也发生变形，从而产生热串扰现象，各像元结构无法独立进行工作。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列及其制造方法。

本发明的技术方案：

一种带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列，包括一系列像元，其中每个像元包括一个框架以及框架内的其他部件，每个像元的框架的上方包括由厚金属薄膜构成的热沉结构。

热沉结构四周封闭，框架高出所述像元其他部件所在的平面。厚金属薄膜为电镀于所述框架上方的高热导热容的金属膜。优选的，厚金属薄膜厚度为1um到30um，厚金属薄膜的金属材料选自Cu、Au、Ag、Cr中的一种。

另外，在所述厚金属薄膜和所述框架之间还有一层电镀种子层，为一层导电金属层。优选的，电镀种子层的材料选自金、铜、银、铬中的一种，其厚度范围在到

另外本发明还提出一种带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列的制造方法，所述探带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列包括一系列像元，该方法包括以下步骤：

①准备一个已经制作好像元结构的芯片，其中每个像元结构包括一个框架以及框架内的其他部件；

②在所述框架上方形成一层电镀种子层；

③在整个芯片上形成电镀掩蔽层；

④去除所述框架上方的所述电镀掩蔽层直到露出所述电镀种子层，而所述像元其余区域仍然被所述电镀掩蔽层所覆盖；

⑤然后在所述电镀种子层上方形成具有高热导热容的厚金属薄膜；

⑥去除所述电镀掩蔽层，露出完整的像元阵列；其中的框架上方形成由所述厚金属薄膜构成的热沉结构；

⑦最后进行背面光刻、刻蚀释放，整个芯片制作完成。

其中电镀种子层通过光刻、溅射或蒸发金属、剥离方法在所述框架上方形成；所述电镀种子层的材料选自金、铜、银、铬中的一种，厚度范围在到其中电镀掩蔽层的材料选自AZP4620、Su8光刻胶，聚酰亚胺、PMMA中的一种；所述电镀掩蔽层的厚度比所述厚金属薄膜的厚度至少大1um。厚金属薄膜通过电镀生长形成，所述厚金属薄膜厚度为1um到30um，所述厚金属薄膜的金属材料选自Cu、Au、Ag、Cr中的一种。

本发明的带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列及其制造方法具有如下优点：

1.通过在像元支撑框架上制作热沉结构，可使得整个薄膜区域热导增加，能量传导加快，薄膜区域温度均匀性大大提高。

2.像元结构的变形敏感区域热容不变，但像元整体热容得以提高，从而热成像时敏感区域升温变形后，热量可快速传导到支撑框架上，使得整个像元的温度差大大减小，温度均匀性提高，消除了能量沿框架网格传播而造成的热串扰现象，热响应时间降低，热成像速度加快。

3.通过在支撑框架上制作金属厚膜，使得整个支撑框架厚度增加数十倍，由于支撑框架互相连接且与FPA薄膜边缘的衬底相连，大大提高了整个FPA薄膜区域的机械强度，同时整个薄膜平整性进一步提高。

4.因为在原有框架上制作了厚金属框架，使得像元平面和框架平面不在同一平面上，这样照射到反光板上面的反射光线可以和照射到框架上的反射光线得到分离，使得反光板读出的成像信号和框架的反射信号得以分离。

5.易于与原结构集成，工艺实现上简单，制作周期短，成品率高。

6.可批量生产，成本低。

附图说明

图1是现有技术的带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列的单像元三维示意图，其中未在框架上制作厚薄膜。

图2是本发明的带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列的单像元三维示意图，其中在框架上制作有厚薄膜。

图3是本发明的带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列的像元阵列三维示意图。

图4～图6是本发明的带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列的各制作步骤中，单像元沿图2中的箭头所示方向的剖面图。

具体实施方式

以下结合附图并以具体实施方式为例，对本发明进行详细说明。但是，本领域技术人员应该知晓的是，本发明不限于所列出的具体实施方式，只要符合本发明的精神，都应该包括于本发明的保护范围内。

如图1所示是现有技术的光-机械型全镂空焦平面阵列探测器的单像元三维示意图，其中每个像元包括框架40以及在框架40内的：一个反光板10、以及左右各两条双材料变形梁20和两条热隔离梁30、框架40和像元其他部件在同一平面上。

如图2所示是本发明的带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列的单像元三维示意图，其中每个像元包括框架400以及在框架400内的：一个反光板100、以及左右各两条双材料变形梁200和两条热隔离梁300，框架400的上方包括由厚金属薄膜430组成的热沉结构，如图2的实施例所示，框架为四方形，由厚金属薄膜430组成的热沉结构与框架400一样是四周封闭的四方形。

图3是本发明的焦平面阵列的像元阵列示意图，像元阵列由若干个图2所示的单像元排列组成。

与图1所示的现有技术的FPA探测器相比，本发明的FPA的每个像元在框架上方制作了由厚金属薄膜组成的四周封闭的热沉结构，框架和像元其他部件不在同一平面上，框架要高出像元其他部件所在的平面。

下面通过一个具体实施例并结合图4～图6说明本发明的FPA的制作方法，图4～图6是本发明的带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列的各制作步骤中，单像元沿图2中的箭头所示方向的剖面图。

首先准备一个已经制作好像元结构的芯片，如图4所示，该芯片具有硅衬底1000，在衬底1000上已经制作好像元阵列，图4只给出了单个像元，该单像元包括一个反光板100、左右各两条双材料变形梁200、和左右各两条热隔离梁300、以及框架400，然后在框架400上方生成电镀种子层410，电镀种子层410为一层导电金属，该层金属优选金、铜、银、铬等，生成方式可以通过光刻、溅射或蒸发金属、剥离，厚度范围在到

然后，如图5所示，在整个芯片上旋转涂布一种较厚的绝缘材料作为电镀掩蔽层420，其厚度取决于电镀厚金属层的厚度，通常比下面步骤中的厚金属薄膜430的厚度大1um以上即可满足。涂布后的厚度要保证电镀掩蔽层420的表面均匀平整、同时还能够进行微细加工，电镀掩蔽层420的材料优选AZP4620、Su8光刻胶，聚酰亚胺、PMMA等其中之一。

涂布完成后进行微细加工，去除框架上方的掩蔽层420的厚绝缘材料，直到露出电镀种子层410，而像元其余区域仍然被掩蔽层420的厚绝缘材料所覆盖；然后在电镀种子层410上生长具有高热导热容的厚金属薄膜430，该薄膜430的厚度取决于像元结构和尺寸，以及薄膜材料的热特性等参数，总之能满足在TEC(半导体制冷片)控温下保持FPA芯片的像元敏感区域温度均匀即可，在一个实施例中，薄膜430的厚度为1um到30um，薄膜430通常选择Cu、Au、Ag、Cr等高热容热导金属材料，生长方式通常选择电镀。电镀种子层410和厚金属薄膜430的材料不是必须一致。

接着看图6，电镀完成后，去除电镀掩蔽层420，露出完整的像元阵列。这样就在每个像元的框架上方形成了由具有高热导热容材料的厚金属薄膜组成的热沉结构，该热沉结构与框架一样是四周封闭的四方形。

最后进行背面光刻、刻蚀释放，整个芯片制作完成。

本发明的防热串扰光-机械型全镂空焦平面阵列探测器及其制造方法，在FPA薄膜的支撑框架上面生长厚金属薄膜作热沉结构，可有效提高整个芯片薄膜区域的温度均匀性，解决了成像时能量沿框架网格传播所造成的热串扰问题，提高了热响应时间。同时通过增加该结构，具有加固整个薄膜的作用，且制作工艺简单，工艺周期短、制作成本低等优点。

应该注意的是上述实施例是示例而非限制本发明，本领域技术人员将能够设计很多替代实施例而不脱离附后的权利要求书的范围。

Claims (10)

1.一种带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列，包括一系列像元，其中每个像元包括一个框架以及框架内的其他部件，其特征是：所述每个像元的框架的上方包括由厚金属薄膜构成的热沉结构，所述厚金属薄膜为生长于所述框架上方的高热导热容的金属膜。

2.如权利要求1所述的带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列，其特征是：所述热沉结构四周封闭，所述框架高出所述像元其他部件所在的平面。

3.如权利要求1或2所述的带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列，其特征是：所述厚金属薄膜为电镀于所述框架上方的高热导热容的金属膜。

4.如权利要求3所述的带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列，其特征是：所述厚金属薄膜厚度为1um到30um，所述厚金属薄膜的金属材料选自Cu、Au、Ag、Cr中的一种。

5.如权利要求3所述的带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列，其特征是：在所述厚金属薄膜和所述框架之间还有一层电镀种子层，为一层导电金属层。

6.如权利要求5所述的带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列，其特征是：所述电镀种子层的材料选自金、铜、银、铬中的一种，其厚度范围在到

7.一种带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列的制造方法，所述带有热沉结构的光读出全镂空焦平面阵列包括一系列像元，其特征是：该方法包括以下步骤：

①准备一个已经制作好像元结构的芯片，其中每个像元结构包括一个框架以及框架内的其他部件；

②在所述框架上方形成一层电镀种子层；

③在整个芯片上形成电镀掩蔽层；

④去除所述框架上方的所述电镀掩蔽层直到露出所述电镀种子层，而所述像元其余区域仍然被所述电镀掩蔽层所覆盖；

⑤然后在所述电镀种子层上方形成具有高热导热容的厚金属薄膜；

⑥去除所述电镀掩蔽层，露出完整的像元阵列；其中的框架上方形成由所述厚金属薄膜构成的热沉结构；

⑦最后进行背面光刻、刻蚀释放，整个芯片制作完成。

8.如权利要求7所述的方法，其特征是：所述电镀种子层通过光刻、溅射或蒸发金属、剥离方法在所述框架上方形成；所述电镀种子层的材料选自金、铜、银、铬中的一种，厚度范围在到

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征是：所述电镀掩蔽层通过在整个芯片上旋转涂布绝缘材料形成；所述电镀掩蔽层的材料选自AZP4620、Su8光刻胶，聚酰亚胺、PMMA中的一种；所述电镀掩蔽层的厚度比所述厚金属薄膜的厚度至少大1um。

10.如权利要求7或8所述的方法，其特征是：所述厚金属薄膜通过电镀生长形成，所述厚金属薄膜厚度为1um到30um，所述厚金属薄膜的金属材料选自Cu、Au、Ag、Cr中的一种。