CN105060237B - 一种焦平面阵列微桥单元桥腿复合结构 - Google Patents
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Abstract
一种焦平面阵列微桥单元桥腿复合结构，采用导电聚合物薄膜或掺杂导电聚合物薄膜作为焦平面阵列微桥单元中与桥面层的氧化钒或掺杂氧化钒热敏薄膜接触的引出电极，实现微桥单元中热敏薄膜与桥柱的电学连通。桥腿复合结构由上、下层SiNx薄膜层以及中间的导电聚合物薄膜层或掺杂导电聚合物薄膜层三层膜系构成。本发明采用热导率低的导电聚合物薄膜或掺杂导电聚合物薄膜作为电极材料，有利于降低微桥单元桥腿的热导率，降低引出电极的制造成本，而且可保证微桥结构制备与MEMS工艺良好的工艺兼容性。且本发明的桥腿复合结构中增设一桥腿吸收结构，有助于降低桥面的热量流失速率，提高焦平面阵列器件的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，具体涉及一种焦平面阵列微桥单元桥腿复合结构。
背景技术
由于氧化钒薄膜具有：(a)低1/f噪声、(b)高电阻温度系数(简称“TCR”)、(c)良好的微机电系统(简称“MEMS”)工艺兼容性等优点，因此，氧化钒薄膜作为热阻型敏感薄膜被广泛用于制备探测性能优异的微测辐射热计型非制冷焦平面阵列和相应的非制冷探测器。氧化钒作为敏感材料，也被用于制造适于THz波段(0.1～10THz)目标探测与识别的THz探测焦平面阵列。此外，由于氧化钒薄膜在室温附近具有优异的相变特性,使其在温度传感器、气体传感器、电致变色器件和光学开关等领域也具有广阔的应用前景。
在高性能的探测器和传感器等器件中，常常采用阵列化的敏感单元结构，阵列结构的具体形式则取决于器件的应用要求。以氧化钒非制冷焦平面阵列为例，基于氧化钒敏感薄膜的焦平面阵列一般都是由一组二维微桥单元阵列构成，每个微桥单元包括一个敏感区和作为支撑的桥腿。桥腿不但提供对敏感区的机械支撑，也是敏感元的引出电极以及重要的热传导途径。被探测对象的辐射投射到敏感单元辐射吸收区后，辐射被吸收，导致敏感区温度升高。同时，热量以热传导、热对流和热辐射方式向周围环境流动。这种热量流动将降低敏感区的温升幅度，从而降低探测器的响应。因此，为了获得高探测性能，阵列一般被密封于抽真空后的管壳内，且阵列内的各个微桥单元间相互隔开。这使经由桥腿向衬底传递的热传导成为微桥单元的主要热损失方式。敏感单元温升导致热敏薄膜电阻发生变化，桥腿中的高电导率膜层，作为引出电极读出热敏薄膜阻值的变化，从而实现对被探测目标的探测。
为了获得高探测性能的非制冷焦平面阵列，其微桥单元电极材料一般要求具有高电导率、低热导率、以及容易获得与MEMS工艺和IC工艺良好兼容性的制备方法等特点。目前，氧化钒焦平面阵列常用的电极材料为NiCr薄膜、Ti薄膜等。其中，由于NiCr薄膜良好的抗氧化性能而成为目前氧化钒焦平面阵列最常用的电极材料。但是，NiCr薄膜的弹性模量大。这易导致NiCr薄膜具有大的残余应力，从而引起阵列单元的翘曲等形变。其次，NiCr薄膜的图形化难以采用传统常用的干法刻蚀设备和刻蚀工艺来实现，这也在一定程度上降低了其工艺兼容性。Ti薄膜虽然易于图形化，且具有适度的电导率和热导率，但其易于氧化的特点影响了其工艺兼容性。因此，开发一种新型的氧化钒焦平面阵列用电极材料，将可望进一步提高氧化钒焦平面阵列的探测性能。
此外，在目前的焦平面阵列结构中，桥腿部分一直被视为微桥单元主要的热损失途径：即微桥单元的桥面吸收红外辐射后，导致温升；同时，桥面温升导致桥面与桥腿之间的温差夜带来桥面向桥腿的热量流失，这将抑制桥面温升的最终值。为了减小桥面向桥腿方向的热量流失，一般在桥腿设计中，采用超长桥腿结构或窄桥腿的策略。但桥腿长度将受限于占空比和微桥单元力学稳定性等设计要求，而目前的桥腿宽度已经达到了0.5μm，进一步缩小桥腿宽度也将显著提升焦平面阵列的制造成本。设计新型的桥腿结构以降低桥腿的热导损失，可能为实现高响应的氧化钒焦平面阵列提供一种新的选择。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种新型的、具有高电导率、低热导率、红外吸收率高的微桥单元桥腿复合结构，该桥腿结构与非制冷焦平面阵列器件的MEMS工艺兼容，能适用于非制冷焦平面阵列器件的批量研制。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案如下：
一种焦平面阵列微桥单元桥腿复合结构，所述桥腿复合结构采用导电聚合物薄膜或掺杂导电聚合物薄膜作为焦平面阵列微桥单元中与桥面层中的氧化钒或掺杂氧化钒热敏薄膜的电极接触孔接触的引出电极，所述引出电极将所述氧化钒或掺杂氧化钒热敏薄膜与微桥单元中的桥柱进行电学连通。
进一步地，所述导电聚合物优选聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺导电聚合物。
进一步地，所述掺杂导电聚合物的掺杂剂为路易斯酸或质子酸。所述路易斯酸优选三氯化铁；所述质子酸优选氨基磺酸。
进一步地，所述微桥单元桥腿复合结构在与微桥单元桥面层相近处增设有桥腿吸收结构，所述氧化钒或掺杂氧化钒热敏薄膜上设有电极接触孔，所述桥腿吸收结构的一侧以桥腿一与电极接触孔相连，另一侧以桥腿二与微桥单元的桥柱相连。
进一步地，所述桥腿吸收结构、桥腿一、桥腿二都依次由上层SiNx薄膜层、作为引出电极的导电聚合物薄膜层或掺杂导电聚合物薄膜层以及下层SiNx薄膜层三层膜系构成。
进一步地，所述上层SiNx薄膜层、所述导电聚合物薄膜层或掺杂导电聚合物薄膜层以及所述下层SiNx薄膜层的各膜层厚度分别为50-100nm、50-150nm、100-200nm。
进一步地，所述桥腿吸收结构的长和宽分别为微桥单元的长和宽的10-20％。
进一步地，所述桥腿一的宽度为0.5-1.0μm，长度为3.0-5.0μm。
进一步地，所述桥腿二的宽度为0.8-2.0μm，长度根据微桥单元的尺度和所述桥腿吸收结构的长度决定。
进一步地，所述上层SiNx薄膜采用射频溅射或化学气相沉积工艺进行制备，其工艺温度不超过200℃。
本发明具有如下有益效果：
1、首先，本发明的桥腿复合结构中采用导电聚合物薄膜或掺杂导电聚合物薄膜作为微桥单元的电极材料，由于导电聚合物或掺杂导电聚合物薄膜的热导率比常用的电极材料NiCr薄膜、Ti薄膜等金属薄膜材料低约一个数量级，这有利于降低微桥单元桥腿结构的热导，提高非制冷焦平面阵列器件的灵敏度。
2、其次，本发明的桥腿复合结构中增加桥腿吸收结构，桥腿吸收结构有助于降低微桥桥面的热量流失速率，这也有利于提高非制冷焦平面阵列器件的灵敏度。
3、工艺兼容性好：由于本发明中所采用的导电聚合物薄膜或掺杂导电聚合物薄膜非常容易通过常见的光刻工艺进行图形化，能保证微桥结构制备与MEMS制造工艺良好的工艺兼容性。
4、本发明中的导电聚合物薄膜或掺杂导电聚合物薄膜容易通过旋涂等工艺进行制备，降低了焦平面阵列微桥单元引出电极的制造成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为基于本发明的桥腿复合结构得到的微桥单元投影的示意图；
图2为本发明的桥腿复合结构的三层膜系结构示意图；
附图说明：
11-桥腿一；12-桥腿二；13-桥腿吸收结构；2-桥面层；21-电极接触孔；3-桥柱；
W1-桥腿二的宽度；W2-桥腿吸收结构边沿与桥面层边沿的距离；
L1-桥腿一的长度；L2-桥腿吸收结构的长度；
t1-桥腿一的宽度；t2-桥腿吸收结构的宽度；
d1-桥腿一距离桥面层边沿的距离；
C1-上层SiNx薄膜层；C2-导电聚合物薄膜层或掺杂导电聚合物薄膜层；C3-下层SiNx薄膜层；
h1-上层SiNx薄膜层的膜厚；h2-导电聚合物薄膜层或掺杂导电聚合物薄膜层的膜厚；h3-下层SiNx薄膜层的膜厚。
具体实施方式
以下结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述：
图1为以L形桥腿为例，基于本发明所设计的桥腿复合结构所得到焦平面阵列的一个微桥单元投影示意图。
实施例1：
本实施例是在衬底上以MEMS工艺形成微桥单元尺寸为50×50μm的128×128焦平面阵列桥结构。具体包括以下步骤：
(1)以化学气相沉积工艺制备得到膜厚为100nm的SiNx薄膜；
(2)然后以反应溅射工艺在步骤(1)中的SiNx薄膜上沉积一层膜厚为100nm、薄膜方阻为100kΩ/□的氧化钒薄膜，形成氧化钒热敏薄膜桥面层2；
(3)再采用化学气相沉积工艺在步骤(2)中的氧化钒热敏薄膜上制备膜厚为50nm的SiNx薄膜；
(4)然后结合光刻工艺和反应离子刻蚀工艺在步骤(3)中的SiNx薄膜上开出电极接触孔21；
(5)以能量为300eV、束流密度为5mA/cm2的Ar离子束流轰击步骤(4)中的电极接触孔1min，然后再采用旋涂工艺制备聚乙炔薄膜，膜厚为80nm，所述聚乙炔薄膜作为引出电极与所述的氧化钒薄膜接触；
(6)再采用180℃的化学气相沉积工艺在步骤(5)所述的聚乙炔薄膜上制备SiNx薄膜C1，膜厚为80nm；
(7)再结合光刻工艺和反应离子刻蚀工艺对步骤(6)中得到的结构图形化，形成以聚乙炔薄膜为电极材料、以氧化钒薄膜为热敏薄膜的非制冷红外焦平面阵列微桥单元，最终形成非制冷红外焦平面阵列。
步骤(7)中通过图形化，形成桥腿复合结构，如图1所示，具体包括：与桥柱3相连的桥腿二12，桥腿二12与桥腿吸收结构13一侧相连，桥腿吸收结构5的另一侧通过桥腿一11与电极接触孔21相连，桥腿吸收结构13设置在桥面层2相近处。
如图1所示，本实施例中，矩形桥腿吸收结构13的长L2和宽t2分别为7.0μm、5.0μm，桥腿吸收结构13边沿与桥面层2边沿的距离W2为1.5μm。桥腿一11的宽度t1为0.8μm；长度L1为3.0μm。桥腿一11距离桥面层2边沿的距离d1为2.5μm。桥腿二12的宽度W1为1.2μm，其长度根据微桥单元的尺度和所述桥腿吸收结构13的长度决定。
如图2所示，桥腿吸收结构5、桥腿一11、桥腿二12从上往下依次包括C1、C2和C3层；本实施例中的C1层为步骤(6)中的SiNx薄膜层；C2层为步骤(5)中的聚乙炔薄膜层；C3层为步骤(1)中的SiNx薄膜层。本实施例中的各膜层厚度h1、h2、h3分别为80nm、80nm、100nm。其中的聚乙炔薄膜层是作为焦平面阵列微桥单元中与微桥单元的桥面层中的氧化钒热敏薄膜的引出电极，实现热敏薄膜与桥柱的电学连通。
将本实施例得到的焦平面阵列进行真空封装后，以6μs、150μA的偏置脉冲，在工作温度为25℃的环境下进行性能测试，该焦平面阵列器件的噪声等效温差(简称NETD)为46mK。
实施例2：
本实施例是在衬底上以MEMS工艺形成微桥单元尺寸为50×50μm的128×128焦平面阵列桥结构。
本实施例与实施例1的区别在于：
步骤(5)中采用旋涂工艺制备氨基磺酸掺杂的聚苯胺薄膜，膜厚为100nm，所述氨基磺酸掺杂的聚苯胺薄膜作为引出电极与所述的氧化钒薄膜接触；
步骤(6)中采用150℃的射频溅射工艺制备膜厚为80nm的SiNx薄膜；
最终形成以氨基磺酸掺杂的聚苯胺薄膜为电极材料、以氧化钒薄膜为热敏薄膜的非制冷红外焦平面阵列。
如图1所示，本实施例中，矩形桥腿吸收结构的长L2和宽t2分别为7.0μm、7.0μm，桥腿吸收结构边沿与桥面边沿的距离W2为1.5μm。桥腿一的宽度t1为0.8μm，长度L1为5.0μm。桥腿一距离桥面边沿的距离d1为3.0μm。桥腿二的宽度W1为1.2μm。
如图2所示，桥腿吸收结构5、桥腿一11、桥腿二12从上往下依次包括C1、C2和C3层；本实施例中的C1层为步骤(6)中的SiNx薄膜层；C2层为步骤(5)中的氨基磺酸掺杂的聚苯胺薄膜层；C3层为步骤(1)中的SiNx薄膜层。本实施例中的各膜层厚度h1、h2、h3分别为80nm、100nm、100nm。其中的氨基磺酸掺杂的聚苯胺薄膜层是作为焦平面阵列微桥单元中与微桥单元的桥面层中的氧化钒热敏薄膜的引出电极，实现热敏薄膜与桥柱的电学连通。
将本实施例得到的焦平面阵列进行真空封装后，以6μs、150μA的偏置脉冲，在工作温度为25℃的环境下进行性能测试，该焦平面阵列器件的NETD为37mK。
实施例3：
本实施例是在衬底上以MEMS工艺形成微桥单元尺寸为50×50μm的128×128焦平面阵列桥结构。
本实施例与实施例1的区别在于：
步骤(5)中采用旋涂工艺制备三氯化铁掺杂的聚3-甲基噻吩薄膜，膜厚为100nm，所述三氯化铁掺杂的聚3-甲基噻吩薄膜作为引出电极与所述的氧化钒薄膜接触；
步骤(6)中采用150℃的射频溅射工艺制备膜厚为60nm的SiNx薄膜；
最终形成以三氯化铁掺杂的聚3-甲基噻吩薄膜为电极材料、以氧化钒薄膜为热敏薄膜的非制冷红外焦平面阵列。
如图1所示，本实施例中，矩形桥腿吸收结构的长L2和宽t2分别为6.0μm、6.0μm，桥腿吸收结构边沿与桥面边沿的距离W2为1.5μm。桥腿一的宽度t1为0.6μm，长度L1为3.0μm。桥腿一距离桥面边沿的距离d1为3.0μm。桥腿二的宽度W1为1.2μm。
如图2所示，桥腿吸收结构5、桥腿一11、桥腿二12从上往下依次包括C1、C2和C3层；本实施例中的C1层为步骤(6)中的SiNx薄膜层；C2层为步骤(5)中的三氯化铁掺杂的聚3-甲基噻吩薄膜层；C3层为步骤(1)中的SiNx薄膜层。本实施例中的各膜层厚度h1、h2、h3分别为60nm、100nm、100nm。其中的三氯化铁掺杂的聚3-甲基噻吩薄膜层是作为焦平面阵列微桥单元中与微桥单元的桥面层中的氧化钒热敏薄膜的引出电极，实现热敏薄膜与桥柱的电学连通。
将本实施例得到的焦平面阵列进行真空封装后，以6μs、150μA的偏置脉冲，在工作温度为25℃的环境下进行性能测试，该焦平面阵列器件的NETD为42mK。
实施例4：
本实施例是在衬底上以MEMS工艺形成微桥单元尺寸为50×50μm的128×128焦平面阵列桥结构。
本实施例与实施例1的区别在于：
步骤(5)中采用旋涂工艺制备聚吡咯薄膜，膜厚为100nm，所述聚吡咯薄膜作为引出电极与所述的氧化钒薄膜接触；
步骤(6)中采用120℃的射频溅射工艺制备膜厚为50nm的SiNx钝化层薄膜；
最终形成以聚吡咯薄膜为电极材料、以氧化钒薄膜为热敏薄膜的非制冷红外焦平面阵列。
如图1所示，本实施例中，矩形桥腿吸收结构13的长L2和宽t2分别为9.0μm、9.0μm，桥腿吸收结构13边沿与桥面层2边沿的距离W2为1.5μm。桥腿一11的宽度t1为1.0μm，长度L1为4.0μm。桥腿一11距离桥面层边沿的距离d1为4.0μm。桥腿二12的宽度W1为1.2μm。
如图2所示，桥腿吸收结构5、桥腿一11、桥腿二12从上往下依次包括C1、C2和C3层；本实施例中的C1层为步骤(6)中的SiNx薄膜层；C2层为步骤(5)中的聚吡咯薄膜层；C3层为步骤(1)中的SiNx薄膜层。本实施例中的各膜层厚度h1、h2、h3分别为50nm、100nm、100nm。其中的聚吡咯薄膜层是作为焦平面阵列微桥单元中与微桥单元的桥面层中的氧化钒热敏薄膜的引出电极，实现热敏薄膜与桥柱的电学连通。
将本实施例得到的焦平面阵列进行真空封装后，以6μs、150μA的偏置脉冲，在工作温度为25℃的环境下进行性能测试，该焦平面阵列器件的NETD为51mK。
上述实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。不脱离本发明的整个技术范围，可进行各种修改和改变。
Claims (9)
1.一种焦平面阵列微桥单元桥腿复合结构，其特征在于，
所述微桥单元桥腿复合结构采用导电聚合物薄膜或掺杂导电聚合物薄膜作为焦平面阵列微桥单元中与桥面层的氧化钒或掺杂氧化钒热敏薄膜接触的引出电极，实现所述氧化钒或掺杂氧化钒热敏薄膜与微桥单元中桥柱的电学连通；
所述微桥单元桥腿复合结构在与微桥单元桥面层相近处增设桥腿吸收结构，所述氧化钒或掺杂氧化钒热敏薄膜上设有电极接触孔，所述桥腿吸收结构的一侧以桥腿一与电极接触孔相连，另一侧以桥腿二与微桥单元的桥柱相连。
2.根据权利要求1所述的焦平面阵列微桥单元桥腿复合结构，其特征在于，
所述导电聚合物为聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺中的一种。
3.根据权利要求1所述的焦平面阵列微桥单元桥腿复合结构，其特征在于，
所述掺杂导电聚合物的掺杂剂为路易斯酸或质子酸。
4.根据权利要求1所述的焦平面阵列微桥单元桥腿复合结构，其特征在于，
所述桥腿一、桥腿吸收结构、桥腿二都依次由上层SiNx薄膜层、作为引出电极的导电聚合物薄膜层或掺杂导电聚合物薄膜层以及下层SiNx薄膜层三层膜系构成。
5.根据权利要求4所述的焦平面阵列微桥单元桥腿复合结构，其特征在于，
所述上层SiNx薄膜层、所述导电聚合物薄膜层或掺杂导电聚合物薄膜层以及所述下层SiNx薄膜层的各膜层厚度分别为50-100nm、50-150nm、100-200nm。
6.根据权利要求4或5所述的焦平面阵列微桥单元桥腿复合结构，其特征在于，
所述桥腿吸收结构的长和宽分别为微桥单元的长和宽的10-20％。
7.根据权利要求4或5所述的焦平面阵列微桥单元桥腿复合结构，其特征在于，
所述桥腿一的宽度为0.5-1.0μm，长度为3.0-5.0μm。
8.根据权利要求4或5所述的焦平面阵列微桥单元桥腿复合结构，其特征在于，
所述桥腿二的宽度为0.8-2.0μm，长度根据微桥单元的尺度和所述桥腿吸收结构的长度决定。
9.根据权利要求4或5所述的焦平面阵列微桥单元桥腿复合结构，其特征在于，
所述上层SiNx薄膜采用射频溅射或化学气相沉积工艺进行制备，其工艺温度不超过200℃。
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