CN105129718B - 一种光学读出红外探测器结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学读出红外探测器结构及其制作方法，所述探测器结构至少包括：玻璃衬底和通过第二锚悬空于所述玻璃衬底上的悬浮结构；所述悬浮结构包括可见光反射层、红外吸收层以及支撑梁；所述可见光反射层悬空于所述玻璃衬底上，所述红外吸收层通过第一锚悬空于所述可见光反射层上，所述支撑梁悬空于所述可见光反射层上，并且所述支撑梁的一端与同一平面内的所述红外吸收层相连、另一端通过第二锚固定于所述玻璃衬底上。本发明的探测器结构通过将可见光反射层和红外吸收层分离，避免了可见光反射层由于双材料效应导致变形，且可见光反射层面积的增加提高了可见光的利用率，从而使红外探测器同时满足对器件各方面的要求，提高器件的综合性能。

Description

一种光学读出红外探测器结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及微电子机械系统领域，特别是涉及一种光学读出红外探测器结构及其制作方法。

背景技术

光学读出红外探测器的像素结构一般包括：锚、支撑梁(包括双材料梁和隔热梁)和可动微镜。锚站立于衬底之上，可动微镜通过支撑梁与锚相联接，并悬浮于衬底之上。双材料梁一般由两种热膨胀系数相差较大的材料构成，如由金属材料(金或铝或其它金属材料)和介质材料(氧化硅或氮化硅或碳化硅或它们的复合膜)构成；隔热梁由热导系数较小的材料(氧化硅或氮化硅或碳化硅或它们的复合膜)构成；可动微镜部分一般包括可见光反射层(金或铝或其它金属材料)和红外吸收层(氧化硅或氮化硅或碳化硅或它们的复合膜)。

就现已公开发表的光学读出红外探测器研制方案而言，一般基于硅衬底进行器件结构和工艺设计，其制作方法可以分为两类：

一类是采用表面微机械加工技术制作(如图1所示)，以硅为衬底，以氧化硅、磷硅玻璃、多晶硅为牺牲层，一般采用湿法腐蚀释放像素结构(Yang Zhao,Minyao Mao,RobertoHorowitz,Arunava Majumdar,et al.Optomechanical Uncooled Infrared ImagingSystem:Design,Microfabrication,and Performance,Journal of Micro-electro-mechanical Systems,Vol.11,No,2,2002:136-146)。由于不需要去除衬底硅，器件的机械强度好，像素之间没有热串扰；由于牺牲层厚度只有几微米，采用这种方法制作的光学读出红外探测器阵列释放后的像素很容易和硅衬底发生粘连，另外红外辐射需要透过硅衬底才能入射到像素结构中的红外吸收层上，而硅在8-14μm波长范围内的红外透过率大约为50％左右，也就是说这类器件的红外辐射利用率一般在50％左右。

另一类是采用体硅微机械工艺制作(如图2所示)，一般采用深反应离子刻蚀(DRIE)方法去除像素下方的硅衬底释放像素阵列(Feng Fei,Jiao Jiwei,Xiong Bin andWang Yuelin.A Novel All-Light Optically Readable Thermal Imaging Sensor Basedon MEMS Technology.The second IEEE international conference onsensors.Toronto,Canada.October 22-24,2003:513-516.)，红外辐射能无遮挡地入射到像素结构中的红外吸收层上，大幅提高了红外辐射的利用率；由于像素结构下的硅衬底被去除，避免了像素和衬底的粘连；但是深反应离子刻蚀过程中高能粒子的轰击会对像素结构带来一定程度的损伤，去除像素下方的硅衬底会造成器件的机械强度下降；另外如果像素下方的硅衬底被全部去除时，像素之间会有严重的热串扰(Zhengyu Miao,QingchuanZhang,Dapeng Chen and et al.Uncooled IR imaging using optomechanicaldetectors.Ultramicroscopy 107(2007):610–616)。

在目前的研制方案中，可见光反射层通常直接沉积在红外吸收层之上，一方面由于双材料效应会导致可动微镜形变，导致器件灵敏度下降；另一方面，可见光反射层面积占整个像素面积的比例较小，像素间无读出信号的空间较大，像素可见光利用率低。

综上所述，就目前所公开的制作方法不能同时满足光学读出红外探测器对器件机械强度、热串扰、像素的无损释放、红外辐射利用率、可动微镜平整度和可见光利用率等方面的要求。针对上述问题，我们提出了一种新的光学读出红外探测器结构及制作方法。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光学读出红外探测器结构及其制作方法，用于解决现有技术中所公开的制作方法不能同时满足光学读出红外探测器对器件机械强度、热串扰、像素的无损释放、红外辐射利用率、可动微镜平整度和可见光利用率等方面的要求的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种光学读出红外探测器结构，所述探测器结构至少包括：玻璃衬底和通过第二锚悬空于所述玻璃衬底上的悬浮结构；

所述悬浮结构包括可见光反射层、红外吸收层以及支撑梁；所述可见光反射层悬空于所述玻璃衬底上，所述红外吸收层通过第一锚悬空于所述可见光反射层上，所述支撑梁悬空于所述可见光反射层上，并且所述支撑梁的一端与同一平面内的所述红外吸收层相连、另一端通过第二锚固定于所述玻璃衬底上。

可选地，所述可见光反射层与红外吸收层之间的间隔为不小于1μm。

可选地，所述支撑梁对称分布于所述红外吸收层的两侧。

可选地，所述支撑梁包括双材料梁和隔热梁，其中，所述双材料梁与所述红外吸收层相连，所述隔热梁的一端与双材料梁相连、另一端通过第二锚固定于所述玻璃衬底上。

可选地，所述双材料梁由介质层和附着在所述介质层上表面或下表面的金属层构成，所述隔热梁由介质薄膜构成。

本发明还提供一种光学读出红外探测器结构的制作方法，所述制作方法至少包括：

1)提供一牺牲衬底和一玻璃衬底，将所述牺牲衬底与所述玻璃衬底键合，减薄所述牺牲衬底形成第一牺牲层；

2)在所述第一牺牲层上制作可见光反射层，然后淀积一第二牺牲层，所述第二牺牲层覆盖所述可见光反射层和第一牺牲层；

3)刻蚀所述第二牺牲层，形成暴露所述可见光反射层表面的第一锚区；

4)在所述第二牺牲层表面淀积金属薄膜并图形化形成双材料梁的金属层；

5)刻蚀所述第二牺牲层和第一牺牲层，形成暴露所述玻璃衬底的第二锚区；

6)在所述步骤5)获得的结构表面淀积介质薄膜并图形化，以在所述第二牺牲层表面形成红外吸收层、在所述第一锚区中形成用于连接所述红外吸收层和可见光反射层的第一锚、在所述双材料梁的金属层表面形成双材料梁的介质层、在所述第二牺牲层表面形成与所述双材料梁的介质层相连的隔热梁、在所述第二锚区中形成用于连接所述隔热梁和玻璃衬底的第二锚；

7)腐蚀所述第二牺牲层和第一牺牲层，从而形成光学读出红外探测器结构。

可选地，所述第二牺牲层的厚度不小于1μm。

可选地，所述第二牺牲层的材料为非晶硅、多晶硅或者锗。

可选地，所述步骤1)中提供的牺牲衬底为硅衬底，形成的第一牺牲层为硅牺牲层，步骤具体包括：将所述硅衬底与玻璃衬底进行阳极键合，键合温度为200～450℃，键合电压为600～1400V，键合之后采用化学机械抛光或者化学腐蚀的方法减薄所述硅衬底，并对减薄后的硅衬底表面进行抛光，获得表面平整的第一牺牲层。

可选地，所述步骤1)中提供的牺牲衬底为SOI衬底，所述SOI衬底包括底层硅、埋氧层和顶层硅，形成的第一牺牲层为硅牺牲层，步骤具体包括：将所述SOI衬底中的顶层硅与玻璃衬底进行阳极键合，键合温度为200～450℃，键合电压为600～1400V，键合之后采用化学腐蚀或刻蚀的方法去除所述SOI衬底中的底层硅和埋氧层，剩下的顶层硅形成第一牺牲层。

可选地，所述第一牺牲层的厚度为d，7＜d≤100μm。

可选地，所述可见光反射层的厚度远小于所述双材料梁的金属层的厚度。

可选地，所述可见光反射层的厚度小于50nm。

可选地，所述介质薄膜为氮化硅薄膜、氧化硅薄膜或者碳化硅薄膜中的一种或多种的组合。

本发明再提供一种光学读出红外探测器结构的制作方法，所述制作方法至少包括：

1)提供一牺牲衬底和一玻璃衬底，将所述牺牲衬底与所述玻璃衬底键合，减薄所述牺牲衬底形成第一牺牲层；

2)在所述第一牺牲层上制作可见光反射层，然后淀积一第二牺牲层，所述牺牲层覆盖所述可见光反射层和第一牺牲层；

3)刻蚀所述第二牺牲层，形成暴露所述可见光反射层表面的第一锚区；

4)刻蚀所述第二牺牲层和第一牺牲层，形成暴露所述玻璃衬底的第二锚区；

5)在所述步骤4)获得的结构表面淀积介质薄膜；

6)在所述介质薄膜表面淀积金属薄膜并图形化形成双材料梁的金属层；

7)光刻并图形化所述介质薄膜，以在所述第二牺牲层表面形成红外吸收层、在所述第一锚区中形成用于连接所述红外吸收层和可见光反射层的第一锚、在所述双材料梁的金属层与第二牺牲层之间形成双材料梁的介质层、在所述第二牺牲层表面形成与所述双材料梁的介质层相连的隔热梁、在所述第二锚区中形成用于连接所述隔热梁和玻璃衬底的第二锚；

8)腐蚀所述第二牺牲层和第一牺牲层，从而形成光学读出红外探测器结构。

如上所述，本发明的基于键合技术的光学读出红外探测器阵列的制作方法，具有以下有益效果：

1.增加了第一牺牲层厚度，采用干法释放，确保像素结构的安全释放；

2.以完整的玻璃为衬底，像素结构制作在玻璃衬底上，使器件具有良好的机械强度并避免了像素之间的热串扰；

3.红外辐射直接入射到红外吸收层上，提高了器件的红外辐射利用率；

4.可见光反射层和红外吸收层在空间上被分开，可见光反射层不再存在由于双材料效应导致的变形，并且可见光反射面尺寸的的增加大大提高了可见光的利用率。

附图说明

图1为现有技术中基于表面微机械工艺的光学读出红外探测器结构示意图。

图2为现有技术中基于体硅微机械工艺的光学读出红外探测器结构示意图。

图3a～图3i为本发明实施例二制作方法的结构流程图。

图3j为实施例二制作的光学读出红外探测器结构的实际应用剖视图。

图4a～图4j为本发明实施例三制作方法的结构流程图。

图4k为实施例三制作的光学读出红外探测器结构的实际应用剖视图。

图5为本发明的制作方法所制作的光学读出红外探测器阵列偏转式像素俯视图。

图6为本发明的制作方法所制作的光学读出红外探测器阵列平动式像素俯视图。

图7a-7b是本发明实施例四形成键合衬底的结构流程图。

元件标号说明

1 玻璃衬底

2 硅衬底

21 第一牺牲层

3 可见光反射层

37 可动微镜

4 第二牺牲层

41 第一锚区

5 双材料梁的金属层

57 双材料梁

6 第二锚区

7 介质薄膜

71 第一锚

72 红外吸收层

73 隔热梁

74 第二锚

75 双材料梁的介质层

81 SOI硅片中的底层硅

82 SOI硅片中的埋氧层

83 SOI硅片中的顶层硅

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

本实施例提供一种光学读出红外探测器结构，请参阅附图3i、附图4j、附图5和附图6，所述红外探测器结构至少包括：玻璃衬底1和悬浮结构，所述悬浮结构通过第二锚74悬空于所述玻璃衬底1上。所述悬浮结构包括可见光反射层3、红外吸收层72以及支撑梁；所述可见光反射层3悬空于所述玻璃衬底1上，所述红外吸收层72通过第一锚71悬空于所述可见光反射层3上，所述支撑梁悬空于所述可见光反射层3上，并且所述支撑梁的一端与同一平面内的所述红外吸收层72相连、另一端通过第二锚74固定于所述玻璃衬底1上。

需要说明的是，图3i和4j是图6或图7沿AA’方向的剖视图。可以看到，第二锚74不在图6和图7中的AA’方向上，但是为了图示方便，第二锚74在图3i和4j中进行了图示，本领域技术人员应当知晓。

进一步地，所述支撑梁对称分布于所述红外吸收层72的两侧，所述支撑梁包括双材料梁57和隔热梁73，其中，所述双材料梁57与所述红外吸收层72相连，所述隔热梁73的一端与双材料梁57相连、另一端通过第二锚74固定于所述玻璃衬底1上。

更进一步地，所述双材料梁57由介质层75和附着在所述介质层75上表面或下表面的金属层5构成，所述隔热梁73由介质薄膜7构成。

所述可见光反射层3与红外吸收层72之间的间隔不小于1μm。本实施例中，所述可见光反射层3与红外吸收层72之间的间隔暂选为3μm。通过将可见光反射层3和红外吸收层72在空间上相分离，可避免双材料效应导致可见光反射层3变形。

另外，如图1和图2所示的传统的光学读出红外探测器结构中，可见光反射层3受限于双材料梁57和隔热梁73的结构限制，无法制作出大面积的可见光反射层3，如图1和图2所示，可见光反射层3和红外吸收层72为相互叠加结构，两层的面积相等，这导致可见光反射层3面积占整个像素面积的比例较小，像素间无读出信号的空间较大，像素可见光利用率低。本实施例中，可见光反射层3与红外吸收层72及支撑梁(包括双材料梁57和隔热梁73)不在同一个平面内，因此其面积不再受制于支撑梁结构的制约，可见光反射层3可覆盖红外吸收层72及其周围的支撑梁(包括双材料梁57和隔热梁73)部分，增加了可见光反射层3的面积，从而使可见光利用率提高。

实施例二

本实施例提供一种光学读出红外探测器结构的制作方法，请参阅附图3a～3i，用于制作实施例一中的光学读出红外探测器结构，具体实施步骤如下：

首先执行步骤一，如图3a～3b所示，提供一硅衬底2作为牺牲衬底，另提供一玻璃衬底1，将所述牺牲衬底与所述玻璃衬底1键合，减薄所述牺牲衬底形成第一牺牲层21。

本步骤中，硅衬底2选择双抛硅片，玻璃衬底1选择双抛玻璃片。

本步骤的具体过程为：

(1)将双抛硅片和双抛玻璃片进行阳极键合，键合温度为200-450℃，键合电压600-1400V，如图3a所示；

(2)采用化学机械抛光(CMP)或氢氧化钾(KOH)或四甲基氢氧化铵(TMAH)腐蚀等方法减薄硅衬底2，并对减薄后的硅片表面进行抛光处理，得到平整的硅表面，减薄抛光后的第一牺牲层21厚度d，7＜d≤100μm，如图3b所示。

然后执行步骤二，如图3c～图3d所示，在所述第一牺牲层21上制作可见光反射层3，然后淀积一第二牺牲层4覆盖所述可见光反射层3和第一牺牲层21。

本步骤的具体过程为：

(1)沉积金属薄膜，采用光刻图形化或剥离工艺(lift-off)在所述第一牺牲层21表面形成可见光反射层3，形成的可见光反射层3如图3c所示。用于形成可见光反射层3的所述金属薄膜可以是铝或者金，当然，也可以是其他合适的金属材料，在此不限。可见光反射层3的厚度一般小于50nm，远小于后续制作的所述双材料梁57的金属层5的厚度。

(2)可以采用等离子增强化学气相淀积(PECVD)方法在上一步在所述可见光反射层3和第一牺牲层21表面淀积一第二牺牲层4，如图3d所示。所述第二牺牲层4的材料为非晶硅、多晶硅或者锗等，本实施例中，所述第二牺牲层4为非晶硅。为了使后续可见光反射层3和红外吸收层72间具有足够的间隔，所述第二牺牲层4的厚度应不小于1μm。本实施例中，所述第二牺牲层4的厚度为3μm。

接着执行步骤三，如图3e所示，刻蚀所述牺牲层4，形成暴露所述可见光反射层3表面的第一锚区41。

采用深反应离子刻蚀(DRIE)技术刻蚀所述第二牺牲层4，在所述第二牺牲层4中形成暴露所述可见光反射层3表面的第一锚区41。

除了深反应离子刻蚀技术，也可以采用其他合适的刻蚀方法来刻蚀所述第二牺牲层4，在此不作限制。形成的第一锚区41可以是孔或者槽，锚区的尺寸由具体的工艺要求决定。第一锚区41的底部正好暴露出可见光反射层3的表面，便于后续形成的第一锚直接与可见光反射层3接触相连。

接着执行步骤四，如图3f所示，在所述第二牺牲层4表面淀积金属薄膜并图形化形成双材料梁的金属层5。

具体过程为：淀积金属薄膜，采用光刻图形化或剥离(lift-off)工艺在所述牺牲层4表面分别形成双材料梁的金属层5，该双材料梁的金属层5用于后续构成双材料梁57的一部分，形成的双材料梁57的金属层5如图3f所示；用于形成双材料梁的金属层5的金属薄膜可以是铝或者金，当然，也可以是其他合适的金属材料，在此不限。

继续执行步骤五，如图3g所示，刻蚀所述第二牺牲层4和第一牺牲层21，形成暴露所述玻璃衬底1的第二锚区6。

采用深反应离子刻蚀(DRIE)技术刻蚀所述第二牺牲层4和第一牺牲层21，形成暴露所述玻璃1衬底表面的第二锚区6，如图3g所示。

除了深反应离子刻蚀技术，也可以采用其他合适的刻蚀方法来刻蚀所述第二牺牲层4和第一牺牲层21，在此不作限制。形成的第二锚区6可以是深孔或者深槽，锚区的尺寸由具体的工艺要求决定。第二锚区6的底部正好暴露出硅-玻璃键合的玻璃表面，便于后续形成的第二锚直接与玻璃衬底1接触相连。

再执行步骤六，如图3h所示，在所述步骤五获得的结构表面淀积介质薄膜并图形化，以在所述第二牺牲层4表面形成红外吸收层72、在所述第一锚区41中形成用于连接所述红外吸收层72和可见光反射层3的第一锚71、在所述双材料梁的金属层5表面形成双材料梁的介质层75、在所述第二牺牲层4表面形成与所述双材料梁的介质层75相连的隔热梁73、在所述第二锚区6中形成用于连接所述隔热梁73和玻璃衬底1的第二锚74。

需要说明的是，所述可见光反射层3和红外吸收层72构成红外探测器的可动微镜。本实施例中，可以采用等离子增强化学气相淀积(PECVD)方法在上一步获得的整个结构表面淀积介质薄膜。所述介质薄膜可以是氮化硅薄膜、氧化硅薄膜或者碳化硅薄膜中的一种或多种的组合。

最后执行步骤七，采用二氟化氙气体腐蚀所述第二牺牲层4和第一牺牲层21，从而形成光学读出红外探测器结构，如图3i所示。

在其他实施例中，还可以采用氢氧化钾(KOH)或者四甲基氢氧化铵(TMAH)来腐蚀所述第二牺牲层4和第一牺牲层21。

去除所述第一牺牲层21和第二牺牲层4之后，由隔热梁73、双材料梁57和可动微镜(可见光反射层3和红外吸收层72)形成的结构通过第二锚74悬空在玻璃衬底1的上方。由于第一牺牲层21采用的是键合技术形成，其厚度范围为7＜d≤100μm，因此，与现有技术相比较，增加了牺牲层的厚度及其选择范围，这样能确保悬浮结构和玻璃衬底1之间的间距足够大，以避免像素结构阵列中的可动微镜与玻璃衬底1黏连。另外，去除第二牺牲层4后，由于可动微镜中的可见光反射层3和红外吸收层72处于不同的平面，因此，可见光反射层3不再会因为双材料效应而发生形变。

需要说明的是，本实施例为了方便说明，制备第一锚71、第二锚74、双材料梁57中的介质层75、隔热梁73和可动微镜中的红外吸收层72的材料采用的是相同的材料，但在其他实施例中，构成的第一锚71、第二锚74、双材料梁57中的介质层75、隔热梁73和可动微镜中的红外吸收层72的材料也可以不同。

如图3j所示为利用本实施例制作的红外探测器进行实际应用的示意图。可见光从可以通过玻璃衬底1一侧直接入射至可见光反射层3上，而将可动微镜中的红外吸收层72面向目标物体，目标物体发出的红外线则可直接入射到红外吸收层72上，提高器件的红外辐射利用率。

通过上述制作方法成功制作了各种常用的红外探测器，如图5和图6所示。这两个图分别为光学读出红外探测器阵列偏转式像素和光学读出红外探测器阵列平动式像素结构俯视图，对于图5所示的红外探测器，可以进行嵌套平铺形成阵列。而对于图6所示的红外探测器，则可以直接平铺形成阵列。

实施例三

本实施例另外提供一种光学读出红外探测器结构的制作方法，请参阅附图4a～4j，用于制作实施例一中的光学读出红外探测器结构，具体实施步骤如下：

其中步骤一至步骤三与实施例二相同，对应附图4a～4e，在此不再赘述。

接着执行步骤四，如图4f所示，刻蚀所述第二牺牲层4和第一牺牲层21，形成暴露所述玻璃衬底1的第二锚区6。

采用深反应离子刻蚀(DRIE)技术刻蚀所述第二牺牲层4和第一牺牲层21，形成暴露所述玻璃衬底1表面的第二锚区6。

除了深反应离子刻蚀技术，也可以采用其他合适的刻蚀方法来刻蚀所述第一牺牲层21和第二牺牲层4，在此不作限制。形成的第二锚区6可以是深孔或者深槽，锚区的尺寸由具体的工艺要求决定。第二锚区6的底部正好暴露出硅-玻璃键合的玻璃表面，便于后续形成的第二锚直接与玻璃衬底1接触相连。

继续执行步骤五，在所述步骤四获得的结构表面淀积介质薄膜7，如图4g所示。

可以采用等离子增强化学气相淀积(PECVD)方法在上一步获得的整个结构表面淀积介质薄膜7。所述介质薄膜7可以是氮化硅薄膜、氧化硅薄膜或者碳化硅薄膜中的一种或多种的组合。

接着执行步骤六，在所述介质薄膜7表面淀积金属薄膜并图形化形成双材料梁的金属层5。

具体过程为：淀积金属薄膜，采用光刻图形化或剥离(lift-off)工艺在所述介质薄膜7表面分别形成双材料梁的金属层5，该双材料梁的金属层5用于后续构成双材料梁57的一部分，形成的双材料梁的金属层5如图4h所示；所述形成双材料梁的金属层5的金属薄膜可以是铝或者金，当然，也可以是其他合适的金属材料，在此不限。

再执行步骤七，如图4i所示，光刻并图形化所述介质薄膜7，以在所述第二牺牲层4表面形成红外吸收层72、在所述第一锚区41中形成用于连接所述红外吸收层72和可见光反射层3的第一锚71、在所述双材料梁的金属层5与牺牲层4之间形成双材料梁的介质层75、在所述第二牺牲层4表面形成与所述双材料梁的介质层75相连的隔热梁73、在所述第二锚区6中形成用于连接所述隔热梁73和玻璃衬底1的第二锚74，所述双材料梁的介质层75和双材料梁的金属层5构成双材料梁57，所述可见光反射层3和红外吸收层72构成红外探测器的可动微镜。

最后执行步骤八，如图4j所示，采用二氟化氙气体腐蚀所述第二牺牲层4和第一牺牲层21，从而形成光学读出红外探测器结构。

在其他实施例中，还可以采用氢氧化钾(KOH)或者四甲基氢氧化铵(TMAH)来腐蚀所述第二牺牲层4和第一牺牲层21。

去除所述第一牺牲层21和第二牺牲层4之后，由隔热梁73、双材料梁57和可动微镜(可见光反射层3和红外吸收层72)形成的结构通过第二锚74悬空在玻璃衬底1的上方。由于第一牺牲层21采用的是键合技术形成，其厚度范围为7＜d≤100μm，因此，与现有技术相比较，增加了牺牲层的厚度及其选择范围，这样能确保悬浮结构和玻璃衬底1之间的间距足够大，以避免像素结构阵列中的可动微镜与玻璃衬底1黏连。另外，去除第二牺牲层4后，由于可动微镜中的可见光反射层3和红外吸收层72处于不同的平面，因此，可见光反射层3不再会因为双材料效应而发生形变。

需要说明的是，本实施例为了方便说明，制备第一锚71、第二锚74、双材料梁57中的介质层75、隔热梁73和可动微镜中的红外吸收层72的材料采用的是相同的材料，但在其他实施例中，构成的第一锚71、第二锚74、双材料梁57中的介质层75、隔热梁73和可动微镜中的红外吸收层72的材料也可以不同。

如图4k所示为利用本实施例制作的红外探测器进行实际应用的示意图。可见光从可以通过玻璃衬底1一侧直接入射至可见光反射层3上，而将可动微镜中的红外吸收层72面向目标物体，目标物体发出的红外线则可直接入射到红外吸收层72上，提高器件的红外辐射利用率。

通过上述制作方法成功制作了各种常用的红外探测器，如图5和图6所示。这两个图分别为光学读出红外探测器阵列偏转式像素和光学读出红外探测器阵列平动式像素结构俯视图，对于图5所示的红外探测器，可以进行嵌套平铺形成阵列。而对于图6所示的红外探测器，则可以直接平铺形成阵列。

实施例四

本实施例与实施例二、实施例三的区别在于形成第一牺牲层的方式不同，本实施例形成第一牺牲层的方法如下：

(1)如图7a所示，选择SOI衬底作为牺牲衬底，玻璃衬底1为双抛玻璃片，所述SOI衬底包括底层硅81、埋氧层82和顶层硅83。

具体地，所提供的SOI衬底的顶层硅83厚度为d，7＜d≤100μm，将SOI硅片的顶层硅83表面和双抛玻璃片进行阳极键合，键合温度为200-450℃，键合电压600-1400V，如图7a所示。

(2)采用化学腐蚀或刻蚀的方法去除所述SOI衬底中的底层硅81和埋氧层82，剩下的顶层硅83形成第一牺牲层21。

具体地，采用氢氧化钾(KOH)或四甲基氢氧化铵(TMAH)先腐蚀去除底层硅81，随后采用氢氟酸缓冲液(BOE)或反应离子刻蚀(RIE)技术腐蚀并去除埋氧层82，从而获得如图7b所示的结构。形成第一牺牲层21后接下来的其他步骤与实施例二或实施例三相同。

综上所述，本发明提供一种光学读出红外探测器结构及其制作方法，所述探测器结构至少包括：玻璃衬底和通过第二锚悬空于所述玻璃衬底上的悬浮结构；所述悬浮结构包括可见光反射层、红外吸收层以及支撑梁；所述可见光反射层悬空于所述玻璃衬底上，所述红外吸收层通过第一锚悬空于所述可见光反射层上，所述支撑梁悬空于所述可见光反射层上，并且所述支撑梁的一端与同一平面内的所述红外吸收层相连、另一端通过第二锚固定于所述玻璃衬底上。本发明的探测器结构通过将可见光反射层和红外吸收层分离，避免了可见光反射层由于双材料效应导致变形，且可见光反射层面积的增加提高了可见光的利用率，从而使红外探测器同时满足对器件各方面的要求，提高器件的综合性能。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (16)

1.一种光学读出红外探测器结构，其特征在于，所述探测器结构至少包括：玻璃衬底和通过第二锚悬空于所述玻璃衬底上的悬浮结构；

所述悬浮结构包括可见光反射层、红外吸收层以及支撑梁；所述可见光反射层悬空于所述玻璃衬底上，所述红外吸收层通过第一锚悬空于所述可见光反射层上，所述支撑梁悬空于所述可见光反射层上，并且所述支撑梁的一端与同一平面内的所述红外吸收层相连、另一端通过第二锚固定于所述玻璃衬底上。

2.根据权利要求1所述的光学读出红外探测器结构，其特征在于：所述可见光反射层与红外吸收层之间的间隔不小于1μm。

3.根据权利要求1所述的光学读出红外探测器结构，其特征在于：所述支撑梁对称分布于所述红外吸收层的两侧。

4.根据权利要求1所述的光学读出红外探测器结构，其特征在于：所述支撑梁包括双材料梁和隔热梁，其中，所述双材料梁与所述红外吸收层相连，所述隔热梁的一端与双材料梁相连、另一端通过第二锚固定于所述玻璃衬底上。

5.根据权利要求4所述的光学读出红外探测器结构，其特征在于：所述双材料梁由介质层和附着在所述介质层上表面或下表面的金属层构成，所述隔热梁由介质薄膜构成。

6.一种光学读出红外探测器结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括：

1)提供一牺牲衬底和一玻璃衬底，将所述牺牲衬底与所述玻璃衬底键合，减薄所述牺牲衬底形成第一牺牲层；

2)在所述第一牺牲层上制作可见光反射层，然后淀积一第二牺牲层，所述第二牺牲层覆盖所述可见光反射层和第一牺牲层；

3)刻蚀所述第二牺牲层，形成暴露所述可见光反射层表面的第一锚区；

4)在所述第二牺牲层表面淀积金属薄膜并图形化形成双材料梁的金属层；

5)刻蚀所述第二牺牲层和第一牺牲层，形成暴露所述玻璃衬底的第二锚区；

6)在所述步骤5)获得的结构表面淀积介质薄膜并图形化，以在所述第二牺牲层表面形成红外吸收层、在所述第一锚区中形成用于连接所述红外吸收层和可见光反射层的第一锚、在所述双材料梁的金属层表面形成双材料梁的介质层、在所述第二牺牲层表面形成与所述双材料梁的介质层相连的隔热梁、在所述第二锚区中形成用于连接所述隔热梁和玻璃衬底的第二锚；

7)腐蚀所述第二牺牲层和第一牺牲层，从而形成光学读出红外探测器结构。

7.根据权利要求6所述的光学读出红外探测器结构的制作方法，其特征在于：所述第二牺牲层的厚度不小于1μm。

8.根据权利要求6所述的光学读出红外探测器结构的制作方法，其特征在于：所述第二牺牲层的材料为非晶硅、多晶硅或者锗。

9.根据权利要求6所述的光学读出红外探测器结构的制作方法，其特征在于：所述步骤1)中提供的牺牲衬底为硅衬底、SOI衬底、锗衬底、砷化镓衬底或钛衬底。

10.根据权利要求9所述的光学读出红外探测器结构的制作方法，其特征在于：所述步骤1)中提供的牺牲衬底为硅衬底，形成的第一牺牲层为硅牺牲层，步骤具体包括：将所述硅衬底与玻璃衬底进行阳极键合，键合温度为200～450℃，键合电压为600～1400V，键合之后采用化学机械抛光或者化学腐蚀的方法减薄所述硅衬底，并对减薄后的硅衬底表面进行抛光，获得表面平整的第一牺牲层。

11.根据权利要求9所述的光学读出红外探测器结构的制作方法，其特征在于：所述步骤1)中提供的牺牲衬底为SOI衬底，所述SOI衬底包括底层硅、埋氧层和顶层硅，形成的第一牺牲层为硅牺牲层，步骤具体包括：将所述SOI衬底中的顶层硅与玻璃衬底进行阳极键合，键合温度为200～450℃，键合电压为600～1400V，键合之后采用化学腐蚀或刻蚀的方法去除所述SOI衬底中的底层硅和埋氧层，剩下的顶层硅形成第一牺牲层。

12.根据权利要求6所述的光学读出红外探测器结构的制作方法，其特征在于：所述第一牺牲层的厚度为d，7＜d≤100μm。

13.根据权利要求6所述的光学读出红外探测器结构的制作方法，其特征在于：所述可见光反射层的厚度远小于所述双材料梁的金属层的厚度。

14.根据权利要求13所述的光学读出红外探测器结构的制作方法，其特征在于：所述可见光反射层的厚度小于50nm。

15.根据权利要求6所述的光学读出红外探测器结构的制作方法，其特征在于：所述介质薄膜为氮化硅薄膜、氧化硅薄膜或者碳化硅薄膜中的一种或多种的组合。

16.一种光学读出红外探测器结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括：

1)提供一牺牲衬底和一玻璃衬底，将所述牺牲衬底与所述玻璃衬底键合，减薄所述牺牲衬底形成第一牺牲层；

2)在所述第一牺牲层上制作可见光反射层，然后淀积一第二牺牲层，所述牺牲层覆盖所述可见光反射层和第一牺牲层；

3)刻蚀所述第二牺牲层，形成暴露所述可见光反射层表面的第一锚区；

4)刻蚀所述第二牺牲层和第一牺牲层，形成暴露所述玻璃衬底的第二锚区；

5)在所述步骤4)获得的结构表面淀积介质薄膜；

6)在所述介质薄膜表面淀积金属薄膜并图形化形成双材料梁的金属层；

7)光刻并图形化所述介质薄膜，以在所述第二牺牲层表面形成红外吸收层、在所述第一锚区中形成用于连接所述红外吸收层和可见光反射层的第一锚、在所述双材料梁的金属层与第二牺牲层之间形成双材料梁的介质层、在所述第二牺牲层表面形成与所述双材料梁的介质层相连的隔热梁、在所述第二锚区中形成用于连接所述隔热梁和玻璃衬底的第二锚；

8)腐蚀所述第二牺牲层和第一牺牲层，从而形成光学读出红外探测器结构。