CN107063472B - 氧化方法制备热敏层的曲面焦平面探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氧化方法制备热敏层的曲面焦平面探测器，所述探测器为曲面，其曲率半径不小于3mm，其厚度不超过50μm，且其电极层和热敏层处于同一层上，半导体氧化钛薄膜为热敏层，钛薄膜为电极层，平坦度较高，且能够适用大视场或超大视场，超大面阵列高分辨率成像；还涉及上述探测器的制备方法，在支撑层上制备钛薄膜，并对桥腿处的钛薄膜进行氧化，桥面区域的形成半导体氧化钛薄膜，相当于热敏层；桥腿区域的钛薄膜相当于电极层；还包括对探测器减薄至50μm以内，并对其进行弯曲定型的步骤；可以始终保持光线焦点在焦平面探测器上，从而保证最大程度的成像效果，适合应用于大视场或超大视场，超大面阵列高分辨率成像。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术中的微机电系统工艺制造领域，具体涉及一种氧化方法制备热敏层的曲面焦平面探测器及其制备方法。
背景技术
随着人们对各个波段电磁波的研究，21世纪以来，太赫兹成像技术渐渐进入了人们的视线。太赫兹的频率很高、波长很短，具有很高的时域频谱信噪比，且在浓烟、沙尘环境中传输损耗很少，可以穿透墙体对房屋内部进行扫描。与耗资较高、作用距离较短、无法识别具体爆炸物的X射线扫描仪相比，太赫兹成像具有独特优势，目前已经初步应用于检查邮件、识别炸药及无损探伤等安全领域。
高分辨率的图像成为必然的需求，现有方案均是平面焦平面阵列成像，在进入大规模高清(2K，4K)成像时，研究人员通过透镜和其它光学组件等复杂的系统来调整光路，使得光线聚焦在探测器焦平面(FPA)，以得到更好的成像效果，应用比较复杂。
使用平面焦平面探测器时，传统的小视场低分辨率的红外或太赫兹成像时，透镜聚焦所成的像均在主光轴附近，而且焦深足以覆盖探测器焦平面范围，形成清晰的像；但是，在进行大视场高分辨率成像的时候，视场边缘要成像，那随之而来的斜入射的光线也越来越多，这些光线的聚焦点会偏离焦平面，而且越往视场边缘，斜入射角度越大，成像的焦点会离主光轴越远，并逐渐离平面焦平面越来越远。当焦点距离平面超过焦深时，就会发生越往图像边缘越失真的现象。
现在一般使用氧化钒作为热敏薄膜，但是氧化钒热敏薄膜和集成电路制造工艺的兼容性不好，工厂担心氧化钒材料和钒材料玷污设备，需要对氧化钒工艺后的设备，进行单独配置且进行隔离，防止玷污其它产品和工艺设备。
另外，现有技术中一般通过沉积金属电极与热敏层薄膜电连接，将热敏层感受到的温度变化传递到基座的读出电路上，还需要将金属电极层通过光刻或蚀刻图形化处理，工艺繁琐，产能较低；且不管是先沉积热敏薄膜，再沉积电极，还是先沉积电极，后沉积热敏薄膜，两者都不在一个平面上，多一个平面，对平坦度就多一分影响；现有工艺中，电极和热敏薄膜的接触是利用不同的薄膜沉积，两者面积交叠部分通过接触孔形成电互联的，交叠的面积没有得到有效利用。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足，提供一种氧化方法制备热敏层的曲面焦平面探测器，桥面区域的桥腿区域为作为热敏层薄膜的氧化钛薄膜，处于同一层面上的钛薄膜代替现有技术中的金属电极，工艺简单，产能较高；且探测器为曲面，能够适用于大视场和超大视场，超大面阵列高分辨率成像。
本发明中解决上述技术问题一种氧化方法制备热敏层的曲面焦平面探测器的技术方案如下：一种氧化方法制备热敏层的曲面焦平面探测器，包括一带有读出电路的半导体基座和与所述半导体基座电连接的探测器本体，所述探测器为曲面，其曲率半径不小于3mm，其厚度不超过50μm，所述读出电路和所述探测器本体的总厚度不超过10μm；
所述探测器本体包括金属反射层、绝缘介质层和支撑层，所述半导体基座上设有金属反射层和绝缘介质层，所述金属反射层包括若干个金属块；
所述绝缘介质层上设有支撑层，所述支撑层上设有锚点孔和通孔，所述通孔终止于所述金属块，所述锚点孔和所述通孔内填充有连接金属，所述支撑层的桥面区域设有氧化钛薄膜，所述氧化钛薄膜为半导体，所述连接金属及所述支撑层的桥腿区域设有与所述氧化层薄膜处于同一层的钛薄膜，所述钛薄膜上设有第一保护层，所述氧化钛薄膜和所述第一保护层上设有第二保护层。
本发明中一种氧化方法制备热敏层的曲面焦平面探测器的有益效果是：
(1)使用氧化钛薄膜作为热敏层薄膜，具有较好的稳定性，电阻回复速度快，电阻记忆效应少；
(2)可以始终保持光线焦点在曲面焦平面探测器上，从而保证最大程度的成像效果；适合应用于大视场或超大视场和超大面阵列高分辨率成像。
进一步，所述探测器为球面或椭圆面。
进一步，所述金属反射层的厚度为所述金属反射层对波长为8～14μm的红外光的反射率在99％以上。
进一步，所述的绝缘介质层为氮化硅薄膜或者氧化硅薄膜，厚度为
进一步，所述支撑层为氮化硅薄膜，厚度为
进一步，所述连接金属为铝、铜或钨。
本发明还涉及上述氧化方法制备热敏层的曲面焦平面探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在包含读出电路半导体基座上制作金属反射层，并对金属反射层进行图形化处理，图形化后的金属反射层形成若干个金属块；所述金属块与半导体基座上的读出电路电连接；然后，在完成图形化金属反射层上沉积绝缘介质层；
步骤2：在所述的绝缘介质层上沉积牺牲层，并对牺牲层进行图形化处理，在图形化处理后的牺牲层上形成锚点孔，并在在图形化处理后的牺牲层上沉积支撑层；
步骤3：采用光刻和蚀刻的方法，蚀刻掉部分支撑层，支撑层蚀刻终止于所述金属块，形成通孔，在所述通孔和锚点孔内沉积连接金属；
步骤4：在支撑层上沉积钛薄膜，并在钛薄膜上沉积第一保护层；
步骤5：对第一保护层进行图形化处理，通过光刻，去除桥面上的第一保护层薄膜，露出桥面上的钛薄膜，并对其进行氧化，使钛薄膜转变为氧化钛薄膜，所述氧化钛薄膜为半导体；
步骤6：在第一保护层和氧化钛薄膜上沉积第二保护层；
步骤7：采用光刻和蚀刻的方法，对第二保护层进行图形化处理，第二保护层蚀刻终止于牺牲层；
步骤8：减薄处理，利用减薄设备，在探测器的正面贴膜，背面进行减薄处理，探测器的厚度减薄至50μm以内，减薄后在背面贴膜；
步骤9：进行结构释放，去掉牺牲层形成微桥结构；然后，对探测器弯曲定型：将带有背面贴膜的所述焦平面探测器用受力均匀的圆环或圆筒固定，在背面抽真空或正面加高压，使探测器焦平面随膜变形成曲面，根据施加的压力控制曲面曲率半径，使其曲率半径不小于3mm，然后，使用物理或化学的方法，使曲面保持固定曲率，使其不再回复平面状态。
本发明的有益效果：
(1)使用氧化钛薄膜作为热敏层薄膜，具有较好的稳定性，电阻恢复速度快，电阻记忆效应少；
(2)氧化钛薄膜的制作过程与CMOS制程兼容，不用因为污染问题而安排专门的机台，使产能和效率大幅提升；
(3)增大了热敏薄膜的有效面积，增大了填充率，在支撑层上直接沉积钛薄膜，并对桥面区域的钛薄膜进行氧化处理，使之转变为氧化钛薄膜，作为热敏层薄膜，而桥腿区域的钛薄膜则相当于现有技术中的金属电极，不需要单独沉积金属电极层的工艺，也不用对金属电极层进行光刻和蚀刻，能大幅简化工艺步骤，节省成本，提高产能；
(4)不用沉积金属电极层，少一个平面的沉积，就能够进一步提高探测器的平坦度，有效提升制造良率；
(5)探测器的厚度减薄至50μm以内，再对平面焦平面探测器进行弯曲定型处理，形成曲面焦平面探测器可以始终保持光线焦点在探测器上，从而保证最大程度的成像效果，适合应用于大视场或超大视场，超大面阵列高分辨率成像。
进一步，步骤9中先对所述焦平面探测器进行弯曲定型：将带有背面贴膜的探测器用受力均匀的圆环或圆筒固定，在正面用一柔性圆头顶杆挤压探测器表面，顶杆圆头半径可以从3mm到∞，使探测器形成曲面，然后，使用机械或化学的方法使曲面保持固定曲率，使其不再回复平面状态；然后，进行结构释放，去掉牺牲层形成微桥结构。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：先不对探测器进行结构释放，此时可以使用柔性圆头顶杆去挤压探测器，待探测器弯曲定型后，再进行结构释放，探测器弯曲定型工艺更加简单。
进一步，步骤2中的所述牺牲层为聚酰亚胺或者非晶碳，厚度为1.0～2.5μm。
进一步，所述第一保护层和第二保护层都是利用化学气相沉积低应力氮化硅形成的。
进一步，步骤5中，对桥面上的钛薄膜进行氧化，氧化方法包括通入氧气使钛薄膜氧化和离子注入氧使钛薄膜氧化两种方式。
附图说明
图1为本发明中金属反射层和绝缘介质层形成示意图；
图2为本发明中牺牲层和支撑层形成示意图；
图3为本发明中通孔形成示意图；
图4为本发明中连接金属填充通孔示意图；
图5为本发明中钛薄膜形成示意图；
图6为本发明中第一保护层图形化后示意图；
图7为本发明中第二保护层形成示意图；
图8为本发明中第二保护层图形化示意图；
图9为本发明中氧化方法制备热敏层的平面焦平面探测器结构示意图；
图10为本发明中氧化方法制备热敏层的曲面焦平面探测器结构示意图；
图11为本发明中氧化方法制备热敏层的平面焦平面探测器与曲面焦平面探测器单个透镜光路示意图；
图12为本发明实施例一中探测器弯曲定型状态示意图；
图13为本发明实施例二中探测器弯曲定型状态示意图；
在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：1、半导体基座，2、金属反射层，2-1、金属块，3、绝缘介质层，4、牺牲层，5、支撑层，6、锚点孔，7、通孔，8、连接金属，9、钛薄膜，10、第一保护层，11、氧化钛薄膜，12、第二保护层，13、透镜，14、曲面焦平面，15、平面焦平面，16、平行入射光线，17、斜入射光线，18、圆环或圆筒，19、圆头顶杆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明中的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明中的一种氧化方法制备热敏层的曲面焦平面探测器，如图9和图10所示，包括一带有读出电路的半导体基座1和与所述半导体基座1电连接的探测器本体，所述探测器为球面或者椭圆面，其曲率半径不小于3mm，其厚度不超过50μm，所述读出电路和所述探测器本体的总厚度不超过10μm；
所述探测器本体包括金属反射层2、绝缘介质层3和支撑层5，所述半导体基座1上设有金属反射层2和绝缘介质层3，所述金属反射层2包括若干个金属块2-1，所述金属反射层的厚度为所述金属反射层对波长为8～14μm的红外光的反射率在99％以上；
所述绝缘介质层3上设有支撑层5，所述的绝缘介质层3为氮化硅薄膜或者氧化硅薄膜，厚度为所述支撑层为氮化硅薄膜，厚度为所述支撑层5上设有锚点孔6和通孔7，所述通孔7终止于所述金属块2-1，所述锚点孔6和所述通孔7内填充有连接金属8，所述连接金属8为铝、铜或钨；所述支撑层5的桥面区域设有氧化钛薄膜11，所述氧化钛薄膜11为半导体，所述连接金属8及所述支撑层5的桥腿区域设有与所述氧化层薄膜11处于同一层的钛薄膜9，所述钛薄膜9上设有第一保护层，所述氧化钛薄膜11和所述第一保护层10上设有第二保护层12。
下面通过单个透镜的简单光路系统来说明曲面焦平面探测器相对平面焦平面探测器的优势，如图11所示。
在平行入射光情况下，平行入射光线16光会通过透镜主光轴上的焦点，一般是把通过该焦点，并且垂直于主光轴的平面作为焦平面15，平面焦平面探测器会与图中平面焦平面15重合。
现在传统的小视场低分辨率的红外或太赫兹成像时，透镜聚焦所成的像均在主光轴附近，而且焦深足以覆盖探测器焦平面范围，形成清晰的像。
但是在进行大视场高分辨率成像的时候，视场边缘要成像，那随之而来的斜入射光线17也越来越多，这些光线的聚焦点会偏离平面焦平面15，而且越往视场边缘，斜入射角度越大，成像的焦点会离主光轴越远，并逐渐离平面焦平面15越来越远，当焦点距离平面焦平面15超过焦深时，就会发生越往图像边缘越失真的现象。如果使用曲面焦平面探测器，那么斜入射光线17的聚焦点均会在曲面焦平面14上，不管是图像中间还是边缘部位，都不会出现失真现象。
本发明还涉及上述氧化方法制备热敏层的曲面焦平面探测器的制备方法。
实施例一
氧化方法制备热敏层的曲面焦平面探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在包含读出电路半导体基座1上制作金属反射层2，并对金属反射层2进行图形化处理，图形化后的金属反射层2形成若干个金属块2-1；所述金属块2-1与半导体基座1上的读出电路电连接；然后，在完成图形化金属反射层2上沉积绝缘介质层3，金属反射层2的厚度为金属反射层2对波长为8～14μm的红外光的反射率在99％以上，所述的绝缘介质层3为氮化硅薄膜或者氧化硅薄膜，厚度为如图1所示。
步骤2：在所述的绝缘介质层3上沉积牺牲层4，并对牺牲层4进行图形化处理，在图形化处理后的牺牲层4上形成锚点孔6，在图形化处理后的牺牲层4上沉积支撑层5，所述支撑层5为氮化硅薄膜，所述牺牲层4为聚酰亚胺，所述牺牲层4的厚度为1.0～2.5μm，所述支撑层5的厚度为 如图2所示。
步骤3：采用光刻和蚀刻的方法，蚀刻掉部分支撑层5，支撑层5蚀刻终止于所述金属块2-1，形成通孔7，如图3所示；在所述通孔7和锚点孔6内沉积连接金属8，所述连接金属8为铝、铜或钨，如图4所示。
步骤4：在支撑层5上沉积钛薄膜9，如图5所示，并在钛薄膜9上沉积第一保护层10。
步骤5：，对第一保护层10进行图形化处理，通过光刻，去除桥面上的第一保护层10薄膜，露出桥面上的钛薄膜9，并对其通入氧气进行氧化或者通过离子注入氧进行氧化，使钛薄膜转变为氧化钛薄膜11，如图6所示；
步骤6：在第一保护层10和氧化钛薄膜11上沉积第二保护层12，如图7所示。
步骤7：采用光刻和蚀刻的方法，对第二保护层12进行图形化处理，如图8所示；第二保护层12蚀刻终止于牺牲层4；
步骤8：减薄处理，利用减薄设备，在探测器的正面贴膜，背面进行减薄处理，探测器的厚度减薄至50μm以内，减薄后在背面贴膜；
步骤9：首先，进行结构释放，去掉牺牲层形成微桥结构；然后，对探测器弯曲定型：将带有背面贴膜的所述焦平面探测器用受力均匀的圆环或圆筒18固定，在背面抽真空或正面加高压，使探测器焦平面随膜变形成曲面，根据施加的压力控制曲面曲率半径，使其曲率半径不小于3mm，然后，使用物理或化学的方法，使曲面保持固定曲率，使其不再回复平面状态。
实施例二
与实施例一不同的是，在步骤9中先对探测器进行弯曲定型，再对其进行结构释放，具体方法如下：将带有背面贴膜的探测器用受力均匀的圆环或圆筒18固定，在正面用一柔性圆头顶杆去挤压探测器表面，如图13所示；所述圆头顶杆19的圆头半径可以从3mm到∞，使探测器形成曲面；然后，采用烘烤的方法，使曲面保持固定曲率，使其不再回复平面状态，最后，进行结构释放，去掉牺牲层形成微桥结构，如图10所示，图10中只给出了曲面焦平面探测器的外形形状，内部结构也通过弯曲变形，图10中未画出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种氧化方法制备热敏层的曲面焦平面探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在包含读出电路半导体基座上制作金属反射层，并对金属反射层进行图形化处理，图形化后的金属反射层形成若干个金属块；所述金属块与半导体基座上的读出电路电连接；然后，在完成图形化金属反射层上沉积绝缘介质层，并对绝缘介质层进行图形化处理，并露出金属块；
步骤2：在所述的绝缘介质层上沉积牺牲层，并对牺牲层进行图形化处理，在图形化处理后的牺牲层上形成锚点孔，并在图形化处理后的牺牲层上沉积支撑层；
步骤3：采用光刻和蚀刻的方法，蚀刻掉部分支撑层，支撑层蚀刻终止于所述金属块，形成通孔，在所述通孔和锚点孔内沉积连接金属；
步骤4：在支撑层上沉积钛薄膜，并在钛薄膜上沉积第一保护层；
步骤5：对第一保护层进行图形化处理，通过光刻，去除桥面上的第一保护层薄膜，露出桥面上的钛薄膜，并对其进行氧化，使桥面上的钛薄膜转变为氧化钛薄膜，所述氧化钛薄膜为半导体；
步骤6：在第一保护层和氧化钛薄膜上沉积第二保护层；
步骤7：采用光刻和蚀刻的方法，对第二保护层进行图形化处理，第二保护层蚀刻终止于牺牲层；
步骤8：减薄处理，利用减薄设备，在探测器的正面贴膜，背面进行减薄处理，探测器的厚度减薄至50μm以内，减薄后在背面贴膜；
步骤9：先进行结构释放，去掉牺牲层形成微桥结构；再对探测器弯曲定型：将带有背面贴膜的所述焦平面探测器用受力均匀的圆环或圆筒固定，在背面抽真空或正面加高压，使探测器焦平面随膜变形成曲面，根据施加的压力控制曲面曲率半径，使其曲率半径不小于3mm，并使用物理或化学的方法，使曲面保持固定曲率，使其不再回复平面状态。
2.根据权利要求1所述的氧化方法制备热敏层的曲面焦平面探测器的制备方法，其特征在于，步骤9中先对所述焦平面探测器进行弯曲定型：将带有背面贴膜的探测器用受力均匀的圆环或圆筒固定，在正面用一柔性圆头顶杆挤压探测器表面，顶杆圆头半径可以从3mm到∞，使探测器形成曲面，然后，使用机械或化学的方法使曲面保持固定曲率，使其不再回复平面状态；然后，进行结构释放，去掉牺牲层形成微桥结构。
3.根据权利要求1或2所述的氧化方法制备热敏层的曲面焦平面探测器的制备方法，其特征在于，步骤2中的所述牺牲层为聚酰亚胺或者非晶碳，厚度为1.0～2.5μm。
4.根据权利要求1或2所述的氧化方法制备热敏层的曲面焦平面探测器的制备方法，其特征在于，所述第一保护层和所述第二保护层都是利用化学气相沉积低应力氮化硅形成的。
5.根据权利要求1或2所述的氧化方法制备热敏层的曲面焦平面探测器的制备方法，步骤5中，对桥面上的钛薄膜进行氧化，氧化方法包括通入氧气使钛薄膜氧化和离子注入氧使钛薄膜氧化两种方式。
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