CN106197668A - 一种窄带红外探测芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种窄带红外探测芯片及其制作方法，包括以下步骤：选取单晶硅片，蒸镀一定厚度的金；通过PECVD设备进行表面沉积一定厚度的SiO2；旋涂PMMA曝光胶；设计十字交叉结构的纳米棒阵列，精确控制纳米棒阵列的尺寸参数，通过电子束曝光设备将所设计的结构转移至PMMA曝光胶；进行曝光处理，并通过电子束蒸镀设备进行金蒸镀；进行化学溶液浸泡，去掉PMMA曝光胶，此时硅片上会呈现十字形纳米棒的阵列结构。本发明通过引入光学纳米结构的参数优化设计，实现窄带的红外探测，制造工艺简单可靠，更有利于技术的推广和普及。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测技术领域，特别是用于传感领域的窄带探测芯片的设计与制作方法。
背景技术
红外探测与传感是一种有着广泛应用的关键技术。目前窄带吸收型光学天线以及红外探测型光学天线已经得到深入研究，并取得了很大的进展。但是，还没有光学天线能够实现在红外波段的窄带吸收。
该类芯片的一个典型结构为“一种非制冷红外探测系统像素阵列的制作方法”的专利文件(申请号：201110302464.4)，其提出的制作方法工序较多，且只具备单一功能即红外领域成像，而无法实现窄带的传感应用。不利于实现多功能集成式的红外芯片进一步推广应用。
发明内容
本发明提供一种可用于传感领域的红外探测芯片，用于解决现有技术存在带宽不够窄、制造难度较大、成本较高问题，实现窄带红外光探测目标。
本发明技术方案为：一种窄带红外探测芯片，包括单晶硅片、金背板、SiO2介电层；所述金背板设在单晶硅片上，用作反射层；金背板上生长有SiO2作为介电层；其中：
所述介电层上，制作有若干个结构和尺寸相同的十字形曝光区，各十字形曝光区在介电层平面水平和垂直两个方向均匀、平行分布；其中：
所述十字形曝光区由4个长宽均相等的矩形曝光块，以矩形短边为邻接边组成；十字形曝光区的水平和垂直两个方向上，矩形曝光块之间间距相等，两两平行对正。
进一步的，所述十字形曝光区的各个矩形的长度、宽度、厚度、间距可以调整，通过不同的参数组合，实现不同波段和不同带宽的窄带探测；矩形越宽，芯片响应光谱的半高宽FWHM越大，谐振峰红移；矩形长度越大，响应光谱的半高宽FWHM和吸收率变大，谐振峰红移；矩形厚度越大，响应光谱的半高宽FWHM基本不变，吸收率增大；矩形间距越大，响应光谱的半高宽FWHM减小，谐振峰蓝移。
进一步的，所述矩形宽度取值范围为40nm-160nm，矩形长度取值范围为1000nm-1500nm，矩形厚度取值为80nm-300nm；矩形间距取值为110nm-300nm。
相应地，本发明还提出一种所述窄带红外探测芯片的制作方法，包括如下步骤：
(1)选取单晶硅片，通过电子束蒸镀设备阵蒸镀不小于100nm厚的金；
(2)通过PECVD设备在所蒸镀的金表面沉积295-305nm厚的SiO2，形成介电层；
(3)在所述介电层上旋涂PMMA曝光胶；
(4)在曝光胶上，形成四个相同大小和结构的矩形曝光块构成的十字形曝光区，通过电子束曝光设备将所设计的曝光区曝光；所述矩形尺寸为纳米级，呈现对称十字形，其大小和间距根据工作频率和带宽决定；
(5)通过电子束蒸镀设备对所述曝光后的十字形区域镀金；
(6)去掉PMMA曝光胶，得到所述窄带红外探测芯片。
进一步的，所述的窄带红外探测芯片制作方法中，所述十字形曝光区在芯片上呈现二维周期性排列，以应用于不同波段的探测；十字形曝光区尺寸越大，周期就越大，谐振峰随着周期增大而红移；十字形曝光区尺寸越小，周期就越小，谐振峰随着周期减小而蓝移。
进一步的，所述的窄带红外探测芯片制作方法中，所述单晶硅片双面抛光，对波长大于2微米的波段透明，电阻率为1-5Ω·cm。
进一步的，所述的窄带红外探测芯片制作方法中，所述单晶硅片厚度为500um。
其中，PMMA曝光胶是电子束正胶，其主要的特点是超高分辨率、高对比度、可见光有高透过率。被电子束曝光的PMMA胶的化学性质会发生变化，事先设计好曝光区域的形状，之后用特定的溶剂把曝光区域溶解掉，即得到设计好的精确形状。
本发明通过引入表面等离子体共振的机理，设计十字交叉型结构的纳米棒阵列，可对红外波段实现窄带吸收，制造工艺简单可靠，有利于多功能集成式的红外芯片的推广普及。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够实现响应光谱在红外领域的窄带特性，能够更进一步提升红外探测领域的探测精度。与价格昂贵的低温工作的红外探测系统相比，本发明有着更低的成本，更小的体积，更简单的工艺生产流程，成品率高，应用前景非常广泛。同时，通过调整光学天线阵列结构的尺寸可以实现波长的可调，波长范围覆盖3-8微米，利用表面等离子体共振的原理通过检测芯片的吸收即可解调出红外信号，可以使系统结构紧凑简洁、探测灵敏度高，更易于大规模集成。
附图说明
图1a是本发明窄带红外探测芯片的结构示意图；
图1b是本发明窄带红外探测芯片的工作示意图；
图2是本发明窄带红外探测芯片在红外波段的吸收率；
图3是本发明窄带红外探测芯片对不同折射率目标进行探测的波峰漂移。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面结合附图1至3详细说明本发明所提供的窄带红外探测芯片及其制作方法。
如图1a所示，本发明红外窄带探测芯片包括如下主要结构，该主要结构自上而下依次为：
金属纳米棒7、金属纳米棒6、金属纳米棒5、金属纳米棒4以及周期性的阵列结构；金属纳米棒对应前述曝光块；SiO2介电层3；金背板2；商用单晶硅片1；
图1b是本发明窄带红外探测芯片的工作示意图。
入射光子与金属表面存在的自由振动的电子相互作用，产生沿着金属表面传播的电子疏密波，亦即表面等离子体。金属表面等离子体和入射光发生谐振，显著提升吸收性能，吸收峰的波长可通过设计金属纳米阵列的形状来控制。如图2所示，本发明窄带红外探测芯片在红外波段的吸收率曲线图。在3100nm波段有一个吸收峰，吸收率在百分之九十以上，这个吸收峰的半高全宽不超过50nm，属窄带吸收。在之前的不断实验中，我们发现当光学天线的结构使得入射光能够被“包围”在较小空间范围时较容易实现窄带，放佛狭窄的空间将吸收谱“逼”窄了一样。这也是本发明采用中间空心的物理基础。
如图3所示，本发明窄带红外探测芯片对不同折射率目标进行探测的波峰漂移。本发明主要用于传感，由图3可知本发明对折射率变化很敏感，目标折射率为1.3时，吸收峰波长在3360nm左右，当目标折射率增大0.06至1.36时，吸收峰波长发生红移，移至3410nm左右；本发明通过测量特定波长光线的吸收强度的变化，并根据波峰漂移曲线，可实现探测目标折射率的变化。这与传统的探测方式不同，本设计成本低廉，制作工艺简单，有利于多功能集成式的红外芯片的推广普及。
根据所述窄带红外探测芯片的主要结构，本发明提供了一种窄带红外探测芯片的制作方法。该方法包括如下步骤：
首先，选取单晶硅片1，本实施中选取普通的商用单晶硅片，厚度为0.5毫米，对波长大于2微米的波段透明。第一步用丙酮溶液超声波清洁3分钟；第二步用无水乙醇溶液超声波清洁3分钟；最后用去离子水超声波清洁2分钟。接着，用电子束蒸发镀膜机在洁净的硅片表面蒸镀80nm厚的金2，作为反射层，再利用PECVD设备在金上面生长300nm厚的SiO2 3材料，作为介电层。此时完成样片的衬底制作。之后，清洁衬底。清洁方法和清洁单晶硅片方法相同，清洁时间1分钟。
其次，设计一定尺寸的十字交叉形纳米棒结构，并制成版图。先在衬底上均匀涂抹一层PMMA曝光胶，涂抹时间90秒，匀胶机转速6000转/分钟，涂抹厚度约300nm。接着，烘烤2分钟，烘烤温度170℃。再使用电子束曝光设备将版图的图案转移至已经旋涂PMMA曝光胶的衬底上，曝光电流10nA。
然后通过化学显影方式，对已经曝光的PMMA胶进行显影，通过电子束蒸镀设备对此样片进行镀金，镀金厚度80nm。
再通过化学溶液浸泡方式去除衬底上未曝光的PMMA胶，此时衬底上呈现周期性规则结构的十字形金属纳米棒。即获得目标样品。
可根据不同的探测波段对金属纳米棒4、5、6、7进行设计，调整其四根金属纳米棒的长度、宽度、厚度以及间隔距离，即可调整探测芯片的吸收波段，从而实现对不同波段的探测。保持其他参数不变，当金棒宽度从40nm增大到160nm时，响应光谱的半高宽(FWHM)将逐渐增大，吸收率先变大后变小，谐振峰红移。保持其他参数不变，当金棒长度从1000nm增大到1500nm时，响应光谱的半高宽(FWHM)和吸收率都将逐渐变大，谐振峰红移。保持其他参数不变，当金棒高度从80nm增大到300nm时，响应光谱的半高宽(FWHM)基本不变，吸收率逐渐增大，谐振峰先蓝移再红移。保持其他参数不变，当金棒间距从110nm增大到300nm时，响应光谱的半高宽(FWHM)逐渐减小，吸收率先增大后减小，谐振峰蓝移。
此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“上”“下”“前”“后”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
综上所述，本发明是一种用于传感的窄带红外探测芯片及其制造方法，通过实施例的具体描述，其阵列结构设计与制备工艺已被详细的公示。然而，以上描述的实施例仅为深入理解本发明创新实质而提供，并非以此限制本发明具体实施方式的多样性，但凡基于上述实施例所作的等效替换或简单修改，均应该被包含于本发明专利请求的专利保护范围之内。
Claims (7)
1.一种窄带红外探测芯片，包括单晶硅片(1)、金背板(2)、SiO2介电层(3)；所述金背板(2)设在单晶硅片(1)上，用作反射层；金背板(2)上生长有SiO2作为介电层；其特征在于：
所述介电层上，制作有若干个结构和尺寸相同的十字形曝光区，各十字形曝光区在介电层平面水平和垂直两个方向均匀、平行分布；其中：
所述十字形曝光区由4个长宽均相等的矩形曝光块，以矩形短边为邻接边组成；十字形曝光区的水平和垂直两个方向上，矩形曝光块之间间距相等，两两平行对正。
2.根据权利要求书1所述的窄带红外探测芯片，其特征在于，通过所述十字形曝光区的各个矩形曝光块的长度、宽度、厚度或间距参数的调整，能实现不同波段和不同带宽的窄带探测；矩形越宽，芯片响应光谱的半高宽FWHM越大，谐振峰红移；矩形长度越大，响应光谱的半高宽FWHM和吸收率变大，谐振峰红移；矩形厚度越大，响应光谱的半高宽FWHM基本不变，吸收率增大；矩形间距越大，响应光谱的半高宽FWHM减小，谐振峰蓝移。
3.根据权利要求1或2所述窄带红外探测芯片，其特征在于，所述矩形宽度取值范围为40nm-160nm，矩形长度取值范围为1000nm-1500nm，矩形厚度取值为80nm-300nm；矩形间距取值为110nm-300nm。
4.根据权利要求1或2所述窄带红外探测芯片制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选取单晶硅片，通过电子束蒸镀设备阵蒸镀不小于100nm厚的金；
(2)通过PECVD设备在所蒸镀的金表面沉积295-305nm厚的SiO2，形成介电层；
(3)在所述介电层上旋涂PMMA曝光胶；
(4)在曝光胶上，形成四个相同大小和结构的矩形曝光块构成的十字形曝光区，通过电子束曝光设备将所设计的曝光区曝光；所述矩形尺寸为纳米级，呈现对称十字形，其大小和间距根据工作频率和带宽决定；
(5)通过电子束蒸镀设备对所述曝光后的十字形区域镀金；
(6)去掉PMMA曝光胶，得到所述窄带红外探测芯片。
5.根据权利要求3所述的窄带红外探测芯片制作方法，其特征在于，所述十字形曝光区在芯片上呈现二维周期性排列，以应用于不同波段的探测；十字形曝光区尺寸越大，周期就越大，谐振峰随着周期增大而红移；十字形曝光区尺寸越小，周期就越小，谐振峰随着周期减小而蓝移。
6.根据权利要求1或2所述的窄带红外探测芯片制作方法，其特征在于，所述单晶硅片双面抛光，对波长大于2微米的波段透明，电阻率为1-5Ω·cm。
7.根据权利要求1或2所述的窄带红外探测芯片制作方法，其特征在于，所述单晶硅片厚度为500um。
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|---|---|---|---|---|
| CN107478342A (zh) * | 2017-07-17 | 2017-12-15 | 华中科技大学 | 一种钽酸锂窄带探测器及其制备方法 |
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| CN110098489A (zh) * | 2019-05-16 | 2019-08-06 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于四纳米柱耦合振子的近红外波段线性热光可调超窄带吸收体 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |