CN105371966B - 一种新型辐射热测量计及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于非制冷红外检测技术领域，提供了一种包括天线结构的微测辐射热计及其制备方法。该制备方法包括：设置光敏层，溅射金层，进行图形化处理以获得天线结构以及基底结构，在基底结构上设置牺牲层，设置微桥结构，以及刻蚀并释放所述微桥结构。该微测辐射热计的天线结构显著增强了红外线强度，提高了检测灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于非制冷红外检测技术领域，涉及一种红外热像仪技术，具体地，本发明涉及一种包括天线结构的辐射热测量计及其制备方法。
背景技术
红外热像仪是利用红外探测器、光学成像物镜接收被测目标的红外辐射信号，经过对被测物的红外热像进行扫描转换成电信号，经放大处理及转换通过监测器显示红外热图像。红外热像仪依据探测器成像原理，可以分为光子红外探测器和热敏红外探测器两种。热敏红外探测器利用红外辐射的热效应，通过热和其他物理量的变换进行测量。微测辐射热计是热敏红外探测器的一种，其中主流技术为热敏电阻式微测辐射热计，根据使用的热敏电阻材料的不同可以分为氧化钒探测器和非晶硅探测器两种。
氧化钒技术由美国的Honeywell公司在上世纪九十年代初研发成功，而非晶硅技术主要由法国的CEA/LETI/LIR实验室在上世纪九十年代末研发成功，目前主要由法国的SOFRADIR和ULIS公司生产，他们都是中国市场的供应商。
微测辐射热计的工作原理是温度变化引起材料电阻变化，同时利用物体电阻对温度的敏感性进行检测。其种类较多，包括VOx，a-Si以及YBaCuO，其中VOx和a-Si是主流产品。
目前流行的微测辐射热计的结构通常都包括光学谐振腔和微桥结构，基本都是利用表面牺牲层技术制作的S型桥型微测辐射热计。其中桥面结构是由钝化层、红外吸收层、金属互连、热敏感层、结构支撑层和绝热层构成；桥臂实现对桥面的支撑和热绝缘。反射层用于将透过桥面的红外辐射反射回桥面，增加红外辐射的吸收率；微桥结构与基底的距离是λ/4，光学谐振腔是为了增加对红外辐射的吸收率。如何提高微测辐射热计的检测灵敏度一直是本领域科研人员不断努力的方向。另一方面，目前还没有关于将光学天线结构应用于微测辐射热计的应用方案的研究报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微测辐射热计，通过将天线结构引入至微测辐射热计结构中，以提供具有较高的检测灵敏度的微测辐射热计。
本发明的实施例是这样实现的，一种微测辐射热计，包括天线结构、基底结构和微桥结构，其中该基底结构位于微桥结构下方，且该基底结构与微桥结构之间形成光学谐振腔，该天线结构具有两个相对延伸的臂，在这两个臂之间存在有间隙，该光学谐振腔位于该间隙中，这两个臂和基底结构的上表面均设置有红外反射层，且所述两个臂的红外反射层的上表面与基底结构的红外反射层的上表面在同一个平面内。
本发明的另一目的在于提供一种微测辐射热计的制备方法，该方法包括：
(1)设置50-100nm厚的光敏层；
(2)对该光敏层曝光显影后，在该光敏层上方溅射50-100nm的金层，进行图形化处理以获得天线结构以及用于形成光学谐振腔的基底结构；
(3)设置牺牲层，该牺牲层由多晶硅或聚酰亚胺制成；
(4)设置微桥结构；和
(5)刻蚀并释放微桥结构。
本发明提供的微测辐射热计，引入了天线结构，该天线结构的两个臂设置于光学谐振腔的两侧，该天线结构能在两个臂之间的间隙中使红外线强度显著增强，而本发明的微测辐射热计的光学谐振腔正位于该间隙中，通过对增强强度(聚集)的红外线的读取可显著提高微测辐射热计在室温条件下的信噪比，从而增强检测灵敏度。
附图说明
图1是本发明一个实施例提供的包括双极天线结构的微测辐射热计的俯视图；
图2是本发明另一个实施例提供的包括蝴蝶结孔天线结构微测辐射热计的立体图；
图3是同时制备本发明的天线结构和基底结构的工艺流程图；
图4是本发明实施例提供的不含天线结构的微测辐射热计的剖面图；
图5是在图3的工艺流程之后在基底结构上进一步处理的工艺流程图；
图6-图19为根据本发明一个实施例的含有天线结构的微测辐射热计制备工艺中的各步骤对应的产品的截面示意图；
图20显示了本发明的双极天线的间隙中红外线强度增强与波长的函数关系；
图21显示了本发明的蝴蝶结孔天线的间隙中红外线强度增强与波长的函数关系。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种微测辐射热计，其包括天线结构、基底结构和微桥结构，其中该基底结构位于微桥结构下方，且该基底结构与微桥结构之间形成光学谐振腔，该天线结构具有两个相对延伸但不相互接触的臂，在这两个臂的前端存在有间隙，该光学谐振腔位于该间隙中，这两个臂和基底结构的上表面均设置有红外反射层，且所述两个臂的红外反射层的上表面与基底结构的红外反射层的上表面在同一个平面内。
图1显示了根据本发明的一个实施例的微测辐射热计1的俯视图。如图所示，微测辐射热计1包括天线结构12和检测装置11，该天线结构12为双极天线，其中用于支撑天线结构的本体未示出，该检测装置11包括基底结构和微桥结构，图4中显示了基底结构111和微桥结构112的相对位置关系。如图1所示，该双极天线12具有两个矩形的臂，这两个矩形的臂形状基本相同，在两个臂之间形成间隙。根据优选实施例，每个臂的臂长为200-2500nm，臂宽为100-300nm，间隙宽度(两个臂的最小距离，也就是两个臂的尖端的距离)为60-160nm，该天线结构的厚度为50-100nm。更优选地，每个臂的臂长为400nm，臂宽为100nm，间隙宽度为60nm，该天线结构厚度为50nm。
图2显示了根据本发明另一实施例的微测辐射热计1的立体图，该实施例中的天线结构12为蝴蝶结孔天线，检测装置11与图1所示实施例相同。如图2所示，该蝴蝶结孔天线12的两个臂为三角形，它们的尖端相对，检测装置11设置于这两个尖端之间的间隙中。优选地，该蝴蝶结孔天线的间隙宽度为60-160nm，每个臂的臂长(从三角形顶点到底部的最小距离)为200-2500nm，该天线结构的厚度为50-100nm。更优选地，该蝴蝶结孔天线的间隙宽度为100nm，每个臂的臂长为200nm，该天线结构的厚度为100nm。
根据本发明的一个实施例，该天线结构的两个臂和基底结构均含有红外反射层，且它们的红外反射层同时形成。也就是说，在制得基底结构的红外反射层的同时即可获得天线结构。
图3显示了一种同时制备本发明的天线结构和基底结构的工艺流程。具体地，本发明的天线结构和基底结构的红外反射层可通过以下方式制备：流程顺序请参见图3，先在衬底上涂覆一层50-100nm厚的光敏层，该光敏层由0.5-2％的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)构成，然后传入至EBL腔体内，选择束电流，低倍焦距，选定好曝光位置，进行曝光，曝光后进行显影。随后在90℃下进行烘干，溅射50-100nm的金层作为红外反射层。然后利用lift-off(剥离)工艺进行图形化处理，即可获得分离的微测辐射热计的天线结构和基底结构，且此时两种结构都含有红外反射层(金层)，这样形成的红外反射层都在一个平面内。
优选地，在光敏层和红外反射层上还设置有保护层，该保护层可以由SiO2制成。
在上面的制备步骤中，使用了PMMA作为光敏层，优点是分辨率高，分辨率可以达到1nm左右，同时还有对比度大，利于剥离，价格低的优势。该光敏层优选为约60nm。
图4显示了本发明实施例的微测辐射热计的检测装置的剖面图，也就是微测辐射热计不包含天线结构的部分。如图所示，检测装置11包括基底结构111和位于其上的微桥结构112。
应理解，本发明的图1、图2和图4仅用于阐述本发明的微测辐射热计中的各个结构的相对位置关系，其相互之间的尺寸比例关系并不用于限定具体实物的比例关系。且图4中的检测装置11的基底结构111以及微桥结构112可以由多层结构组成，图4仅为示意性简图，不能用于限定该检测装置11的实际结构。在根据本发明的微测辐射热计1中，在基底结构111的红外反射层(图4中未单独示出)上方为部分悬空的微桥结构112，该红外反射层和微桥结构之间为光学谐振腔。
根据本发明的一个实施例，该微桥结构包括由下至上的应力调节层、金属电极层、活性层及红外吸收层(具体参见图6至图19，如下所述)。其中，该应力调节层由SiNx制成；该金属电极层由钛制成；该活性层由VOx制成；该红外吸收层由TiNx层制成。
根据本发明的优选实施例，该红外吸收层厚度为8nm到20nm，均匀性为3％。上述的厚度对于获得最佳红外线反射率是优选的，如果太厚则会将红外线反射完，而如果太薄则其热容也相应减小。
优选地，该微测辐射热计中的红外吸收层经lift-off技术图形化处理。
根据本发明的一个实施例，该微测辐射热计还可包括读出电路(ROIC)，该读出电路上涂覆有BPSG(硼磷硅玻璃)，使得ROIC表面平整。该读出电路位于基底结构中，且位于红外反射层下方。
本发明实施例中，红外吸收层可由氮化硅、金黑(gold-black)或氮化钛(TiNx)等制成，优选由氮化钛(TiNx)制成。制作这些材料的工艺主要是薄膜淀积工艺，工艺兼容性较好。具体地，该TiNx层包含多价态的Ti。TiNx在镀膜的时候需要调节厚度和方块电阻，优选地，该红外吸收层的方块电阻为350-450Ω/□，方块电阻是电阻率除以厚度，更优选地，该红外吸收层的方块电阻为377-400Ω/□，其厚度为厚度优选为8nm到20nm，此时TiNx的吸收率大约为50％，光学谐振腔可以使红外吸收翻倍。吸收率是指像元所吸收的入射辐射功率占入射到光敏面上总功率的比例。对于不同的波长，吸收率往往是不同的。
本发明的另一目的在于提供一种微测辐射热计的制备方法，图3和图5的组合显示了该制备方法的整个工艺流程，具体对应的结构的截面图请见图6至图19，其中图5是在图3的工艺之后在基底结构上进行，该方法包括以下步骤：
(1)设置红外反射层，参考图6-图9，如上所述，其制备步骤为：先在衬底1111上涂覆一层50-100nm厚的光敏层1112，该光敏层1112由0.5-2％的PMMA组成，然后传入至EBL腔体内，进行曝光及显影。随后在90℃下进行烘干，溅射50-100nm的金层作为红外反射层1113。然后利用lift-off工艺进行图形化处理，即可获得分离的微测辐射热计的天线结构和基底结构，任选地在光敏层1112和红外反射层1113上分别设置有保护层(参见图9，其中1211与1111均为衬底，1212与1112均为光敏层，1213与1113均为红外反射层，没有标号的层结构为非功能性的保护层，下同)；
(2)在基底结构的红外反射层上设置牺牲层1121(图10)，该牺牲层1121由多晶硅或聚酰亚胺制成；
(3)设置应力调节层1122(见图11)，该应力调节层1122由SiNx制成；
(4)设置金属电极层，该金属电极层由钛制成，该步骤包括：先淀积SiO2作为钛的钝化层(图12)，然后淀积金属钛并图形化制成电极(图13和图14，该电极未标号)；
(5)设置活性层1123(图15和图16)，该步骤包括：淀积活性层的下钝化层，该下钝化层为SiNx层；溅射活性层1123并进行退火处理，该活性层为VOx层，于该活性层上淀积第一上钝化层(未标号)，该第一上钝化层为SiO2层，对该活性层进行图形化处理，然后淀积第二上钝化层(未标号)，该第二上钝化层为SiNx层；
(6)设置红外吸收层1124(图17)，该红外吸收层1124为TiNx层，且厚度为8nm到20nm，均匀性为3％；
(7)刻蚀并释放微桥结构(图18和图19)，图18中显示了制备刻蚀缝的情况，图19中为通过刻蚀缝将牺牲层1121完全刻蚀掉后的结构，即释放了微桥结构。
上述步骤(1)的工艺流程已在上文参考图3进行了详述。图5显示了上述步骤(2)至(7)的工艺流程，这些工艺都是在基底结构上进行，也就是不涉及对本发明的微测辐射热计的天线结构的进一步处理。
上述步骤(2)中的牺牲层1121优选由聚酰亚胺制成，其中聚酰亚胺可采用干法工艺来去除，干法工艺简化了微测辐射热计的加工工艺。干法刻蚀可以实现对氮化硅支撑结构的零腐蚀，同时它对读出电路的氧化层和金属层的腐蚀也为零。干法工艺可以使得制作支撑结构的氮化硅层更薄，这对减小象元的尺寸非常有意义。
上述步骤(7)的刻蚀是指在微桥和梁周围刻蚀1-3μm宽的刻蚀缝(图18)，释放微结构即释放微桥结构，其通过刻蚀缝利用肼(H2NNH2)刻蚀牺牲层，形成微腔，由此释放微桥结构(图19)。
根据本发明的制备方法，该红外吸收层厚度优选为8nm到20nm，均匀性为3％。该红外吸收层的方块电阻优选为350-450Ω/□。
在现有技术中，氧化钒微测辐射热计结构的加工过程中常见的几种失效模式为：微桥面在腐蚀牺牲层后与基底发生粘附，造成粘附失效；微桥面的残余应力过大，导致结构在释放后产生很大的翘曲，很容易造成支撑梁发生断裂失效；桥面在释放过程中复合层结构发生剥离失效。
为克服上述问题，防止微桥与基底发生粘附，本发明的制备方法进行了如下改进：微桥结构释放之后，即在上述步骤(7)之后，使用去离子水进行清洗，然后将基片(包括光学谐振腔和微桥结构)放入带干燥器的异丙醇蒸汽中进行净化(去除静电荷与减小毛细力)，最后再放入空气环境中，这样可有效减少粘附的发生。如果直接放在80摄氏度的空气气环境中干燥将导致60％的微结构发生粘附。
进一步地，本发明的制备方法中通过控制第三层氮化硅，即上述步骤(6)中红外吸收层的厚度可以有效减小桥面的残余应力值，防止微桥结构发生翘曲，这样提高了检测的精确度，延长了使用寿命。
另一方面，通常出现的剥离失效主要是因为桥面复合层间的粘结强度小，而粘结强度的大小与薄膜的淀积技术有关。如果直接在氧化钒层(即步骤(5)中的活性层)上涂覆光刻胶并对氧化钒进行图形化，将降低氧化钒与后面淀积的氮化硅(即第二上钝化层)间的粘结强度，这导致在微桥结构释放之后，复合微桥将发生剥离失效。究其原因，主要是由于氧化钒受光刻胶残留物的污染造成，因此，为了防止污染，本发明的制备方法设置了第一上钝化层，即在溅射氧化钒与退火之后淀积一层二氧化硅隔离层。但是在刻蚀牺牲层时，二氧化硅并不能很好的保护氧化钒层，在结构释放后，氧化钒层的电阻系数将升高，其原因主要是刻蚀剂中的离子或分子透过二氧化硅对二氧化钒的影响。因此又利用PECVD技术淀积一层氮化硅来保护。这样可有效增强复合层间的粘结强度，防止结构发生剥离失效。
本申请的技术方案将具有间隙的天线结构融合至微测辐射热计中，该天线结构能在间隙处发挥显著的红外线增强作用。以下通过具体实施例结合图1至图5以及图6至图19对本发明的制备方法进行详细描述
实施例一具有双极天线的微测辐射热计的制备
1.在衬底上涂覆60nm的PMMA，形成光敏层，然后传递至EBL腔体内，选择束电流，低倍焦距，选定好曝光位置，进行曝光，曝光后进行显影。随后在90℃下进行烘干，溅射60nm的金层作为红外反射层。然后利用lift-off工艺进行图形化处理。如图1所示，所得天线的臂长为2500nm，臂宽为300nm，间隙宽度为160nm。
2.在与天线分离的基底结构上淀积1300nm的多晶硅作为牺牲层。
3.在所得的牺牲层上低压化学气象淀积(LPCVD)一层80nm厚的SiNx(应力调节层)调节应力。
4.在应力调节层上淀积一层170nm的SiO2作为钛的钝化层。淀积100nm厚的金属钛并图形化成电极，再LPCVD一层200nm厚的SiNx作为VOx层的钝化层。
5.在钝化层上反应溅射一层110nm厚的VOx作为微测辐射热计的活性层并进行退火处理。再淀积一层56nm的SiO2作为VOx的第一上钝化层。
6.运用离子束刻蚀技术图形化所得的VOx，淀积一层300nm的SiNx作为VOx的第二上钝化层。
7.在第二上钝化层上淀积377Ω/□的红外吸收层TiNx，其厚度为10nm，并利用lift-off技术图形化。
8.在微桥和梁周围刻蚀2μm宽的刻蚀缝。
9.通过刻蚀缝利用肼(H2NNH2)刻蚀牺牲层，形成微腔，释放微桥结构。
10.使用去离子水进行清洗，然后将基片(包括光学谐振腔和微桥结构)放入带干燥器的异丙醇蒸汽中进行净化(去除静电荷与减小毛细力)，最后再放入空气环境中。
实施例二具有蝴蝶结孔天线的微测辐射热计的制备
1.在衬底上涂覆60nm的PMMA，形成光敏层，然后传递至EBL腔体内，选择束电流，低倍焦距，选定好曝光位置，进行曝光，曝光后进行显影。随后在90℃下进行烘干，溅射60nm的金层作为红外反射层。然后利用lift-off工艺进行图形化处理。如图2所示，所得的天线为两个尖端相对的三角形，天线的厚度为100nm，两个三角形尖端之间的距离(间隙宽度)为100nm。
2.在与天线分离的基底结构上淀积2000nm的聚酰亚胺作为牺牲层。
3.在所得的牺牲层上低压化学气象淀积(LPCVD)一层100nm厚的SiNx(应力调节层)调节应力。
4.在应力调节层上淀积一层170nm的SiO2作为钛的钝化层。淀积100nm厚的金属钛并图形化成电极，再LPCVD一层200nm厚的SiNx作为VOx层的钝化层。
5.在钝化层上反应溅射一层110nm厚的VOx作为微测辐射热计的活性层并进行退火处理。再淀积一层56nm的SiO2作为VOx的第一上钝化层。
6.运用离子束刻蚀技术图形化所得的VOx，淀积一层300nm的SiNx作为VOx的第二上钝化层。
7.在第二上钝化层上淀积400Ω/□的红外吸收层TiN，其厚度为15nm，并利用lift-off技术图形化。
8.在微桥和梁周围刻蚀2μm宽的刻蚀缝。
9.通过刻蚀缝利用肼(H2NNH2)刻蚀牺牲层，形成微腔，释放微桥结构。
10.使用去离子水进行清洗，然后将基片(包括光学谐振腔和微桥结构)放入带干燥器的异丙醇蒸汽中进行净化(去除静电荷与减小毛细力)，最后再放入空气环境中。
为了验证本申请提供的天线结构聚集红外线的效果，发明人对两种天线结构(双极天线和蝴蝶结孔天线)的间隙中红外线强度增强与入射的红外线波长的关系进行了模拟计算，结果分别如图20和图21所示。图20显示了双极天线的间隙中红外线强度增强的情况，如图所示，在波长2μm处，红外线的强度增强达到峰值，在天线的间隙中红外线强度增加了大约400倍，这表示，在其他因素不变的情况下，对于波长为2μm的入射红外线，加入双极天线的微测辐射热计灵敏度可提高400倍。
图21显示了蝴蝶结孔天线的间隙中红外线强度增强的情况，如图所示，在大约8μm的波长处，蝴蝶结孔天线的间隙中红外线强度增强达到峰值，约为20,000，这可以理解为，在其他因素不变的情况下，加入蝴蝶结孔天线的微测辐射热计在入射红外线波长为8μm时灵敏度可提高大约20,000倍。
本申请通过加入天线结构，使得微测辐射热计的灵敏度得到显著提高。
本发明的微测辐射热计具有多方面的用途，尤其适用于红外夜视产品，如红外夜视仪等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进的，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微测辐射热计的制备方法，包括：
(1)设置50-100nm厚的光敏层；
(2)在所述光敏层上溅射50-100nm厚的金层，进行图形化处理以获得天线结构以及用于形成光学谐振腔的基底结构；
(3)在所述基底结构上设置牺牲层，所述牺牲层由多晶硅或聚酰亚胺制成；
(4)在所述牺牲层上设置微桥结构；和
(5)刻蚀并释放所述微桥结构。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述天线结构具有间隙，所述基底结构位于所述间隙中。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述光敏层由0.5-2％的聚甲基丙烯酸甲酯构成。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述图形化处理利用剥离工艺进行。
5.一种微测辐射热计，由权利要求1至4任一项所述的制备方法制备而成，所述微测辐射热计包括天线结构、基底结构和微桥结构，其中所述基底结构位于所述微桥结构下方，且所述基底结构与微桥结构之间形成光学谐振腔，所述天线结构具有两个彼此相对延伸的臂，在两个臂之间存在有间隙，所述光学谐振腔位于所述间隙中，所述两个臂和基底结构的上表面均设置有红外反射层，且所述两个臂的红外反射层的上表面与所述基底结构的红外反射层的上表面在同一个平面内。
6.根据权利要求5所述的微测辐射热计，其特征在于，所述两个臂的红外反射层与所述基底结构的红外反射层均为厚度为50-100nm范围内的金层。
7.根据权利要求5所述的微测辐射热计，其特征在于，所述天线结构为双极天线或蝴蝶结孔天线。
8.根据权利要求5所述的微测辐射热计，其特征在于，所述天线结构的间隙宽度为60-160nm。
9.根据权利要求5所述的微测辐射热计，其特征在于，所述微桥结构包括应力调节层、金属电极层、活性层及红外吸收层。
10.根据权利要求9所述的微测辐射热计，其特征在于，所述应力调节层由SiNx制成；所述活性层由VOx制成；所述红外吸收层由TiNx层制成。
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