CN109489833A - 红外传感器及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种红外传感器及其形成方法，所述红外传感器包括：基底，所述基底上形成有红外传感像元；辐射衰减结构，位于所述红外传感像元上方，所述辐射衰减结构对探测波段的透过率与温度呈负相关。所述红外传感器对高温辐射的耐受能力以及对高温目标的检测能力提高。
Description
技术领域
本发明涉及红外传感器领域，尤其涉及一种红外传感器及其形成方法。
背景技术
红外阵列传感器是工业、物联网、安防、家居生活等应用中的重要传感器之一，可以广泛地应用于工业检测、家庭安防、智能家居、节能控制、医疗看护、流量计数、气体检测、火灾监控、消费电子等具有巨大市场需求和发展潜力的诸多领域。
常用的红外阵列传感器一般为非制冷型，也称为室温红外传感器。非制冷型红外传感器可在室温条件下工作而无需制冷，因此具有体积小、功耗低、价格便宜、更易于便携等优点。非制冷红外传感器一般是热传感器，即通过探测红外辐射的热效应来工作。常用的红外热传感器包括热电堆、热释电、以及微测辐射热计。
其中，采用微桥结构的微测辐射热计(Microbolometer)日渐成为阵列式红外传感器绝对主流的技术。微测辐射热计通过检测红外辐射热效应引起的热敏电阻的阻值变化而探测相应的辐射强度。其特点在于采用表面微加工工艺制作出悬空于CMOS读出电路(ROIC)衬底之上的，以细长悬臂梁支撑的类似于桥的微结构，在业界通称为微桥结构，每个微桥结构形成一个像元。对于非制冷红外探测器微桥结构的性能要求，首先要具有良好的热绝缘性能，以利于把吸收的红外辐射最大化地转化为温度变化；其次，要求具有较低的热质量，以保证在高绝热下仍能维持足够小的热时间常数，以满足一定的成像频率；第三，要求具有较高的红外吸收率。
同时，为了使像元吸收的红外辐射能量最大化地转化为像元的温度变化，微测辐射热计需要采用真空封装。传统的真空封装采用带有排气尾管的金属外壳形式，完成贴片、引线键合、封帽等封装工序后，通过排气尾管将封装外壳内部抽成真空后密封，以达到真空封装的效果。为了进一步缩小封装体积、提高封装效率，业界陆续开发了可批量排气的陶瓷真空封装，以及晶圆级真空封装技术。
上述绝热微桥设计以及真空封装技术，都极大地提高了入射辐射与像元温度变化之间的转化效率，显著改善了传感器的灵敏度。但反过来，也降低了像元对较高能量的入射辐射的承受能力。例如，在受到太阳、钢水、激光等高温或高能物体辐射后，被辐射到的传感器微桥像元温度会显著升高，像元会被这些高温辐射“灼伤”，表现为在图像上产生残存的亮线或亮斑，这些亮线或亮斑无法通过图像处理的方法校正，严重的情况下会在图像上残存几个月，甚至导致传感器的永久性损伤失效。
如何提高红外传感器对高温辐射的耐受能力以及对高温目标的检测能力，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种红外传感器及其形成方法，提高红外传感器对高温辐射的耐受能力以及对高温目标的检测能力。
为了解决上述问题，本发明提供了一种红外传感器，包括：基底，所述基底上形成有红外传感像元；辐射衰减结构，位于所述红外传感像元上方，所述辐射衰减结构对探测波段的透过率与温度呈负相关。
可选的，所述辐射衰减结构包括至少一层调节膜层，所述调节膜层对探测波段的透过率与温度呈负相关。
可选的，所述调节膜层对探测波段的折射系数与温度相关。
可选的，所述调节膜层材料包括氧化钒或硅中的至少一种。
可选的，所述辐射衰减结构还包括辅助层，与所述调节膜层堆叠设置，所述辅助层与所述调节层结合后对探测波段的总体透过率与温度呈负相关。
可选的，还包括一支撑结构，与所述辐射衰减结构连接，所述辐射衰减结构由所述支撑结构支撑而悬空于所述红外传感像元上方。
可选的，所述基底上形成有多个所述红外传感像元，呈阵列形式排列；每个所述红外传感像元上方均设置有一辐射衰减结构。
可选的，所述红外传感像元在基底表面的投影位于所述辐射衰减结构在基底表面的投影区域内。
可选的，所述探测波段为1μm～16μm。
本发明的技术方案还提供一种红外传感器的形成方法，包括：提供一基底，所述基底表面形成有第一牺牲层，以及位于所述第一牺牲层内部及表面的红外传感像元；形成覆盖所述第一牺牲层和红外传感像元的第二牺牲层；形成贯穿所述第二牺牲层和第一牺牲层至基底表面的支撑结构，以及位于所述第二牺牲层表面与所述支撑结构连接的辐射衰减结构，所述辐射衰减结构位于所述红外传感像元上方，所述辐射衰减结构对探测波段的透过率与温度呈负相关；去除所述第二牺牲层和第一牺牲层。
可选的，所述第一牺牲层和第二牺牲层的材料相同。
可选的，形成所述支撑结构以及辐射衰减结构的方法包括：刻蚀所述第二牺牲层和所述第一牺牲层，形成贯穿所述第一牺牲层和所述第二牺牲层至基底表面的通孔；在所述通孔内以及第二牺牲层表面形成热辐射衰减膜层，部分所述热辐射衰减膜层填充于所述通孔内，形成支撑结构；刻蚀所述热辐射衰减膜层，形成辐射衰减结构。
可选的，所述辐射衰减结构包括至少一层调节膜层，所述调节膜层对探测波段的透过率与温度呈负相关。
可选的，所述调节膜层对探测波段的折射系数与温度相关。
可选的，所述辐射衰减结构还包括辅助层，与所述调节膜层堆叠设置，所述辅助层与所述调节层结合后对探测波段的总体透过率与温度呈负相关。
可选的，所述基底上形成有多个所述红外传感像元，呈阵列形式排列；在每个所述红外传感像元上方均形成一辐射衰减结构。
可选的，所述红外传感像元在基底表面的投影位于所述辐射衰减结构在基底表面的投影区域内。
本发明通过对红外传感器像元集成可以对高能入射辐射进行衰减的功能结构，起到对入射辐射衰减的作用，对红外传感器在受到高温或高能物体辐射时保护传感器像元，同时也可以提高红外传感器对高温目标的检测能力。将极大地提高非制冷红外传感器的性能并拓展其应用范围。
附图说明
图1至图5为本发明一具体实施方式的红外传感器的形成过程的结构示意图；
图6A为本发明一具体实施方式的氧化钒的折射系数在300K温度下的实部示意图；
图6B为本发明一具体实施方式的氧化钒的折射系数在300K温度下的虚部示意图；
图7A为本发明一具体实施方式的氧化钒的折射系数在380K温度下的实部示意图；
图7B为本发明一具体实施方式的氧化钒的折射系数在380K温度下的虚部示意图；
图8为本发明一具体实施方式的氧化钒与二氧化硅的薄膜组合透过率随温度的变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的红外传感器及其形成方法的具体实施方式做详细说明。
请参考图1至图5，为本发明一具体实施方式的红外传感器的形成过程的结构示意图。
请参考图1，提供一基底100，所述基底100表面形成有第一牺牲层102，以及位于所述第一牺牲层102内部及表面的红外传感像元103。
所述基底100可以为半导体衬底，例如硅衬底、锗衬底或锗硅衬底，还可以为砷化镓衬底等。
所述基底100内或者表面还形成有读出电路101，用于读取传感信号。该具体实施方式中，所述基底100包括衬底以及位于所述衬底上方的介质层。所述读出电路101形成于所述衬底表面，位于所述基底100内。在其他具体实施方式中，所述读出电路101还可以位于所述基底100表面。
所述读出电路101通常为集成电路，用于采集和处理红外传感器单元的输出信号，包括对红外传感器像元103输出的信号进行读出、校准等。
所述红外传感像元103形成于所述基底100上方，与所述读出电路101电连接，用于向所述读出电路101输出传感信号。该具体实施方式中，所述基底100上形成有多个所述红外传感像元103，呈阵列形式排列。
基底100表面还形成有第一牺牲层102，部分所述红外传感单元103位于所述第一牺牲层102内。所述第一牺牲层102的材料为易去除材料，包括聚酰亚胺、非晶硅、多晶硅、氮化硅和氧化硅中的至少一种。该具体实施方式中，所述第一牺牲层102的材料为聚酰亚胺，可以通过旋涂或者沉积工艺形成。
该具体实施方式中，所述红外传感单元103包括位于所述第一牺牲层102内的导电柱1031以及连接所述导电柱1031、位于所述第一牺牲层102表面的微桥结构1032，所述导电柱1031与所述读出电路101电连接，所述微桥结构1032包括热敏感层。后续通过去除所述第一牺牲层102使得所述红所述微桥结构1032悬空于所述基底100上方。所述红外传感单元103通过表面微加工工艺形成，具体的结构和工艺流程在此不作限定。
请参考图2，形成覆盖所述第一牺牲层102和红外传感像元103的第二牺牲层200。
所述第二牺牲层102也为易去除材料，包括聚酰亚胺、非晶硅、多晶硅、氮化硅和氧化硅中的至少一种。该具体实施方式中，所述第二牺牲层200和第一牺牲层102的材料相同，均为聚酰亚胺，便于在后续工艺流程中，同时去除所述第一牺牲层102和所述第二牺牲层200。在其他具体实施方式中，所述第一牺牲层102和所述第二牺牲层200也可以分别采用不同的材料。
所述第二牺牲层102覆盖所述第一牺牲层102以及所述红外传感像元103，且经过平坦化处理，具有平坦表面，便于后续在所述第二牺牲层200表面形成热辐射衰减结构。
请参考图3，刻蚀所述第二牺牲层200和所述第一牺牲层102，形成贯穿所述第一牺牲层102和所述第二牺牲层200至基底100表面的通孔300。
可以通过各向异性刻蚀工艺对所述第二牺牲层200和所述第一牺牲层102进行刻蚀，形成所述通孔300。后续在所述通孔300内形成热辐射衰减结构的支撑柱，因此，所述通孔300的形成位置根据所述热辐射衰减结构的位置而设置。
较佳的，后续在各个红外传感单元103上方均形成一热辐射衰减结构，因此，所述通孔300均形成于相邻红外传感单元103之间。
请参考图4，在所述通孔300(请参考图3)内以及第二牺牲层200表面形成热辐射衰减膜层，部分所述热辐射衰减膜层填充于所述通孔300内。
所述热辐射衰减膜层包括辅助层401以及至少一层调节膜层402，所述辅助层401与所述调节膜层402堆叠设置。该具体实施方式中，首先在所述第二牺牲层200表面形成所述辅助层401，所述辅助层还填充满所述通孔300，起到支撑作用；然后再在所述辅助层401表面形成所述调节膜层402。在其他具体实施方式中，所述热辐射衰减膜层还可以仅包括调节膜层402。
所述调节膜层402对红外传感器的探测波段的透过率与温度呈负相关，即温度越高，对探测波段的透过率越低。一般要求在接近室温时对探测波段的透过率较高，而当温度上升时透过率有比较明显的下降。在一个具体实施方式中，所述调节膜层402对探测波段的折射系数与温度相关，且随温度上升变化率较大，使得热辐射衰减膜层对探测波段的总体透过率与温度呈负相关。该具体实施方式中，所述探测波段为1μm～16μm，所述调节膜层402的材料为氧化钒(VO2)，其折射系数具有较高的温度变化率。请参考图6A和6B，分别为氧化钒在300K温度下的折射系数实部和折射率虚部的曲线图，图中给出了三种不同测量条件下的氧化钒材料在300K温度下的折射系数；请参考图7A和图7B，分别为氧化钒在380K温度下的折射系数实部和虚部的曲线图，图中给出了三种不同测量条件下的氧化钒材料在380K温度下的折射系数。可见氧化钒的折射系数随温度有比较大的变化。图6A-6B、7A～7B中标注BUIK的两条曲线为基于氧化钒体材料测量的数据，标注FILM的为基于氧化钒薄膜材料的测量数据，由于在本发明的红外传感器的制作过程中，普遍采用薄膜材料，因此在本发明的具体实施方式中的相关计算或仿真中采用了图6A-6B、7A～7B中氧化钒薄膜材料的折射系数测量数据(图中标注为1000A FILM)。
所述调节膜层402还可以为硅层等其他符合要求的材料层。
在其他具体实施方式中，所述热辐射衰减膜层可以包含多层调节膜层402以及多层辅助层401，通过光学设计得到较优化的膜系及膜厚组合后，整个热辐射衰减膜层在探测波段的透过率特性在温度升高时会产生比较大的变化，对探测波段的总体透过率与温度呈负相关。
发明人在一个具体实施方式中，利用图6A～6B、7A～7B中的数据设计了一种二氧化钒与二氧化硅的多层薄膜组合，并仿真了其透过率随温度的变化情况。如图8所示，上述结构在25℃时的平均透过率超过70％，而在85℃时下降到10％左右，初步可以说明这种设计可以对高能入射辐射起到衰减作用，该种结构的性能可以根据实际需要利用不同薄膜材料以及不同的组合进行进一步优化。
所述辅助层401还可以位于所述调节膜层402的上方，具体的，首先形成所述调节膜层402，所述调节膜层402覆盖所述第二牺牲层200还填充满所述通孔300，再在所述调节膜层402表面形成辅助层401。所述调节膜层402还可以位于多层辅助层401之间。所述辅助层401与所述调节膜层402结合，调整整个热辐射衰减膜层的折射率、透过率等光学参数。所述辅助层401的材料可以为氧化硅、氮化硅等，能够与所述调节膜层402配合，形成具有合适的透过率以及折射系数的热辐射衰减膜层。
请参考图5，刻蚀所述热辐射衰减膜层，形成辐射衰减结构500，然后去除所述第二牺牲层200和第一牺牲层102。
根据所述辐射衰减结构500的图形设计，对所述热辐射衰减膜层进行刻蚀，形成刻蚀图形501。具体的刻蚀所述调节膜层402以及所述辅助层401至所述基底100表面，形成辐射衰减结构500。
所述辐射衰减结构500与所述支撑结构501连接，位于所述红外传感像元103上方，所述辐射衰减结构500对探测波段的透过率与温度呈负相关。
该具体实施方式中，在每个所述红外传感像元103上方均形成一辐射衰减结构500，部分形成于所述第二牺牲层200内的辅助层401作为支撑结构501，支撑所述辐射衰减结构500。
进一步的，所述红外传感像元103在基底100表面的投影位于所述辐射衰减结构500在基底100表面的投影区域内。使得所述红外传感器在检测过程中，入射的红外光均先通过所述辐射衰减结构500之后再辐射至所述红外传感像元103。在其他具体实施方式中，也可以仅形成一个较大尺寸的辐射衰减结构500，位于所有的红外传感像元103上方。
所述辐射衰减结构500可以利用微悬臂梁支撑或其它形式，具备一定的绝热性能。例如，所述辐射衰减结构500包括一微桥桥面以及悬梁，通过所述悬梁与所述支撑结构501连接，所述悬梁的尺寸较小，热传导性能较低，具备较佳的绝热性能。当吸收了较强的入射辐射后，会产生一定的温度变化，该温度变化幅度的大小能够引起所述辐射衰减结构500总体透过率的变化并能达到对入射强辐射衰减的目的。具体的绝热性能要求应结合辐射衰减结构的透过率随温度的变化幅度进行设计。
当较强的入射辐射照射到所述辐射衰减结构500上时，一部分入射辐射被吸收并引起辐射衰减结构500的温度上升，上升的温度引起调节膜层402的光学特性变化，并进一步引起整个辐射衰减结构500在探测波段的透过率下降。入射辐射越强，辐射衰减结构500的温度变化越大，整个辐射衰减结构500在探测波段的透过率下降越多，从而对入射的辐射透过率产生调谐衰减作用。
该具体实施方式中，形成辐射衰减结构500之后，采用湿法刻蚀工艺沿所述刻蚀图形501刻蚀去除所述第二牺牲层200和第一牺牲层102，从而释放出所述红外传感像元103以及辐射衰减结构500，分别与所述基底100形成绝热隔离。
如果所述第一牺牲层102和第二牺牲层200采用了相同的材料，则可以一次性刻蚀去除，否则需要利用两步或多步刻蚀的方法以去除所有的牺牲层。
上述方法通过对红外传感器像元集成可以对高能入射辐射进行衰减的功能结构，起到对入射辐射衰减的作用，对红外传感器在受到高温或高能物体辐射时保护传感器像元，同时也可以提高红外传感器对高温目标的检测能力。将极大地提高非制冷红外传感器的性能并拓展其应用范围。
本发明的具体实施方式还提供一种采用上述方法形成的红外传感器。
请参考图5，为本发明一具体实施方式的红外传感器的结构示意图。
所述红外传感器包括：基底100，所述基底上100形成有红外传感像元103；辐射衰减结构500，位于所述红外传感像元103上方，所述辐射衰减结构500对探测波段的透过率与温度呈负相关。
所述基底100内或者表面还形成有读出电路101，用于读取传感信号。该具体实施方式中，所述基底包括衬底以及位于所述衬底上方的介质层。所述读出电路101形成于所述衬底表面，位于所述基底100内。在其他具体实施方式中，所述读出电路101还可以位于所述基底100表面。
所述读出电路101通常为集成电路，用于采集和处理红外传感器单元的输出信号，包括对红外传感器单元输出的信号进行读出、校准等。
所述红外传感像元103形成于所述基底100上方，与所述读出电路101电连接，用于向所述读出电路101输出传感信号。
所述辐射衰减结构500包括至少一层调节膜层402，在一个具体实施方式中，所述调节膜层402对探测波段的折射系数与温度相关。该具体实施方式中，所述探测波段为1μm～16μm，所述调节膜层402的材料为氧化钒，其折射系数具有较高的温度变化率。所述调节膜层402还可以为硅层等其他符合要求的材料层。
所述辐射衰减结构500还包括辅助层401，与所述调节膜层402堆叠设置。该具体实施方式中，所述调节膜层402位于所述辅助层401表面。
在其他具体实施方式中，所述热辐射衰减膜层可以包含多层调节膜层402以及多层辅助层401，通过光学设计得到较优化的膜系及膜厚组合后，整个热辐射衰减膜层在探测波段的透过率特性在温度升高时会产生比较大的变化。
所述辅助层401还可以位于所述调节膜层402的上方，所述调节膜层402还可以位于多层辅助层401之间。所述辅助层401与所述调节膜层402结合，调整整个热辐射衰减膜层的折射率、透过率等光学参数。所述辅助层401的材料可以为氧化硅、氮化硅等，能够与所述调节膜层402配合，形成具有合适的透过率以及折射系数的辐射衰减结构500。
该具体实施方式中，部分所述辅助层作为支撑结构501，支撑所述辐射衰减结构500悬空于所述红外传感像元103上方。该具体实施方式中，所述基底100表面形成有多个红外传感像元103，呈阵列分布，在每个所述红外传感像元103上方均形成有辐射衰减结构500。在其他具体实施方式中，也可以仅形成一个较大尺寸的辐射衰减结构500，位于所有的红外传感像元103上方。
进一步的，所述红外传感像元103在基底100表面的投影位于所述辐射衰减结构500在基底100表面的投影区域内。使得所述红外传感器在检测过程中，入射的红外光均先通过所述辐射衰减结构500之后再辐射至所述红外传感像元103。
所述辐射衰减结构500可以利用微悬臂梁支撑或其它形式，具备一定的绝热性能。例如，所述辐射衰减结构500包括一微桥桥面以及悬梁，通过所述悬梁与所述支撑结构501连接，所述悬梁的尺寸较小，热传导性能较低，具备较佳的绝热性能。当吸收了较强的入射辐射后，会产生一定的温度变化，该温度变化幅度的大小能够引起所述辐射衰减结构500总体透过率的变化并能达到对入射强辐射衰减的目的。具体的绝热性能要求应结合辐射衰减结构的透过率随温度的变化幅度进行设计。
当较强的入射辐射照射到所述辐射衰减结构500上时，一部分入射辐射被吸收并引起辐射衰减结构500的温度上升，上升的温度引起调节膜层402的光学特性变化，并进一步引起整个辐射衰减结构500在探测波段的透过率下降。入射辐射越强，辐射衰减结构500的温度变化越大，整个辐射衰减结构500在探测波段的透过率下降越多，从而对入射的辐射透过率产生调谐衰减作用。
上述红外传感器在红外传感像元上集成可以对高能入射辐射进行衰减的辐射衰减结构，起到对入射辐射衰减的作用，对红外传感器在受到高温或高能物体辐射时保护传感器像元，同时也可以提高红外传感器对高温目标的检测能力。将极大地提高非制冷红外传感器的性能并拓展其应用范围。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (17)
1.一种红外传感器，其特征在于，包括：
基底，所述基底上形成有红外传感像元；
辐射衰减结构，位于所述红外传感像元上方，所述辐射衰减结构对探测波段的透过率与温度呈负相关。
2.根据权利要求1所述的红外传感器，其特征在于，所述辐射衰减结构包括至少一层调节膜层，所述调节膜层对探测波段的透过率与温度呈负相关。
3.根据权利要求2所述的红外传感器，其特征在于，所述调节膜层对探测波段的折射系数与温度相关。
4.根据权利要求2所述的红外传感器，其特征在于，所述调节膜层材料包括氧化钒或硅中的至少一种。
5.根据权利要求2所述的红外传感器，其特征在于，所述辐射衰减结构还包括辅助层，与所述调节膜层堆叠设置，所述辅助层与所述调节膜层结合后对探测波段的总体透过率与温度呈负相关。
6.根据权利要求1所述的红外传感器，其特征在于，还包括一支撑结构，与所述辐射衰减结构连接，所述辐射衰减结构由所述支撑结构支撑而悬空于所述红外传感像元上方。
7.根据权利要求1所述的红外传感器，其特征在于，所述基底上形成有多个所述红外传感像元，呈阵列形式排列；每个所述红外传感像元上方均设置有一辐射衰减结构。
8.根据权利要求1所述的红外传感器，其特征在于，所述红外传感像元在基底表面的投影位于所述辐射衰减结构在基底表面的投影区域内。
9.根据权利要求1所述的红外传感器，其特征在于，所述探测波段为1μm～16μm。
10.一种红外传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供一基底，所述基底表面形成有第一牺牲层，以及位于所述第一牺牲层内部及表面的红外传感像元；
形成覆盖所述第一牺牲层和红外传感像元的第二牺牲层；
形成贯穿所述第二牺牲层和第一牺牲层至基底表面的支撑结构，以及位于所述第二牺牲层表面与所述支撑结构连接的辐射衰减结构，所述辐射衰减结构位于所述红外传感像元上方，所述辐射衰减结构对探测波段的透过率与温度呈负相关；
去除所述第二牺牲层和第一牺牲层。
11.根据权利要求10所述的红外传感器的形成方法，其特征在于，所述第一牺牲层和第二牺牲层的材料相同。
12.根据权利要求10所述的红外传感器的形成方法，其特征在于，形成所述支撑结构以及辐射衰减结构的方法包括：刻蚀所述第二牺牲层和所述第一牺牲层，形成贯穿所述第一牺牲层和所述第二牺牲层至基底表面的通孔；在所述通孔内以及第二牺牲层表面形成热辐射衰减膜层，部分所述热辐射衰减膜层填充于所述通孔内，形成支撑结构；刻蚀所述热辐射衰减膜层，形成辐射衰减结构。
13.根据权利要求10所述的红外传感器的形成方法，其特征在于，所述辐射衰减结构包括至少一层调节膜层，所述调节膜层对探测波段的透过率与温度呈负相关。
14.根据权利要求13所述的红外传感器的形成方法，其特征在于，所述调节膜层对探测波段的折射系数与温度相关。
15.根据权利要求13所述的红外传感器的形成方法，其特征在于，所述辐射衰减结构还包括辅助层，与所述调节膜层堆叠设置，所述辅助层与所述调节层结合后对探测波段的总体透过率与温度呈负相关。
16.根据权利要求10所述的红外传感器的形成方法，其特征在于，所述基底上形成有多个所述红外传感像元，呈阵列形式排列；在每个所述红外传感像元上方均形成一辐射衰减结构。
17.根据权利要求10所述的红外传感器的形成方法，其特征在于，所述红外传感像元在基底表面的投影位于所述辐射衰减结构在基底表面的投影区域内。
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