CN109813447B - 集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面及制作方法 - Google Patents

Abstract

集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面及制作方法涉及红外探测与成像技术领域，解决现有非制冷焦平面为实现宽带吸收而增大吸收层复杂度以及多层微桥结构带来的性能受限问题。该焦平面包括多个像元组成的阵列，每个像元由下至上依次包括：读出电路为具备放大和降低噪声功能的硅基或者锗基CMOS集成电路，在CMOS集成电路设置读出电极对；绝热微桥包括微桥面、两个微支撑结构和两个微悬臂梁；热敏电阻层为温度电阻系数的绝对值高于2％的材料；读出电极通过通孔与热敏电阻层连接；钝化绝缘层保护热敏电阻层；宽带吸收膜层包括金属层、介质层和金属微阵列，本发明的所涉及的制作方法与传统非制冷红外探测器加工工艺兼容，工艺简单，有利于大规模低成本制备。

Description

集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面及制作方法

技术领域

本发明涉及红外探测与成像技术领域，尤其涉及一种集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面及制作方法。

背景技术

红外探测器是红外成像系统的核心部件，在军事、航天、医疗和安防监控等领域具有广泛的应用。根据探测机制区分，主要分制冷型和非制冷型红外探测器。非制冷红外探测器是通过热敏电阻材料，将被测红外辐射信号引起的吸收层温度变化转变成电信号，进而获得目标的红外信息。

红外吸收层的设计及集成制作是非制冷红外探测器的一项关键技术，它决定了探测器对红外辐射的利用率。吸收膜层的宽带响应可以提高探测器吸收的能量总和，提高探测器的光带响应范围，进而实现探测器性能的提高。目前增加吸收带宽通常采多层结构吸收，利用不同层吸收谱段的组合以拓宽吸收层的吸收带宽，具体包括：1)采用不同材料制备吸收层，但该方法因不同材料薄膜之间应力问题而受限、材料选择范围有限，并且增加吸收层厚度导致热容增加，影响探测器性能；2)采用多层微桥结构，然而受工艺难度限制且堆叠层数有限，因此吸收宽度有限。此外该方法大幅提高工艺复杂度，并且降低器件可靠性。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面及制作方法，旨在突破传统复合吸收材料和多层微桥结构限制，解决现有非制冷焦平面为实现宽带吸收而增大吸收层复杂度以及多层微桥结构带来的性能受限问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面，该焦平面由像元阵列组成，每个像元由下至上依次包括：

读出电路，所述读出电路为具备放大和降低噪声功能的硅基或者锗基CMOS集成电路，在所述CMOS集成电路制作与像元阵列位置对应的电极对；

绝热微桥，所述绝热微桥包括微桥面、两个微支撑结构和两个微悬臂梁；所述微悬臂梁一端连接微桥面，另一端连接微支撑结构，所述微支撑结构内部设有接触孔，每个接触孔设置在一个电极上，所述绝热微桥表面和内部设有金属电极；

热敏电阻层，所述热敏电阻层为温度电阻系数的绝对值高于2％的材料；所述电极对通过位于所述接触孔、微悬臂梁和微桥面的金属电极与热敏电阻层连接；

钝化绝缘层，所述钝化绝缘层保护热敏电阻层，并且将热敏电阻与吸收膜层绝缘；

宽带吸收膜层，所述宽带吸收膜层包括金属层、介质层和金属微阵列，其中介质层为红外波段低损耗材料；所述宽带吸收膜层通过所述钝化绝缘层与所述热敏电阻层绝缘，所述金属微阵列为周期性亚波长结构，所述金属微阵列上每个金属单元为九种尺寸或三种尺寸亚波长结构组合而成形。

集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面的制作方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：清洗含有CMOS集成电路的衬底，制备50～1000nm氧化硅作为绝缘层及平坦层，在所述绝缘层及平坦层上制作CMOS电极图形，刻蚀氧化硅露出所述电极对，完成读出电路平坦化步骤；

步骤二：在步骤一所述读出电路上采用聚酰亚胺或者多孔硅制作厚度1000-5000nm的牺牲层，在所述牺牲层上制作接触孔，露出电极对；

步骤三：在步骤二所述的牺牲层上制备厚度为200-800nm氮化硅薄膜，在所述氮化硅薄膜上制作绝热微桥图形，形成绝热微桥；

步骤四：在步骤三所述绝热微桥制作金属电极图形，蒸镀厚度为150-300nm的金属材料，剥离多余的其他部分金属；制作接触孔图形，蒸镀厚度100-800nm金属材料，剥离多余的其他部分金属；形成连接电极对和热敏电阻层的金属电极；

步骤五：在步骤四所述的绝热微桥的微桥面上制作厚度为50-200nm的热敏面电阻层；

步骤六：在步骤五所述的热敏面电阻层上制作厚度为20-200nm钝化绝缘层；

步骤七：在步骤六所述的钝化绝缘层上分别制备30-200nm金属层和50-300nm介质层；

步骤八：在步骤七所述的介质层上蒸镀金属30-200nm，采用电子束曝光方式制备亚波长结构，剥离多余的金属，形成金属微阵列；

步骤九：去除牺牲层，形成非制冷红外焦平面，完成了集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面的制作方法。

本发明的有益效果是：本发明所述的集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面及制作方法，提供了一种宽带人工表面取代原有吸收层或者多层微桥结构，从而实现非制冷红外焦平面的宽带响应。

采用复合的宽带吸收膜层厚度可以达到50～300nm，不利用任何谐振腔结构实现对目标波长的近完美吸收(吸收率可达95％以上)。采用上述方法可突破传统吸收材料的限制，取代传统非制冷红外探测器的红外吸收层和形成谐振腔而制备的反射层、从而降低红外探测器的噪声，并且可以大幅度降低焦平面厚度、从而降低整个器件的等效热容。根据公式

其中G为等效热导，主要由微悬臂梁决定，C为等效热容，ω为目标波长，因此等效热容的降低，可以实现等效噪声温差的降低，从而提高探测器性能。

本发明的所涉及的制作方法与传统非制冷红外探测器加工工艺兼容，不增加工艺复杂度，有利于大规模低成本制备。

附图说明

图1本发明非制冷红外焦平面像元单元结构示意图。

图2本发明非制冷红外焦平面像元单元结构截面图。

图3本发明所述宽带吸收膜层截面图。

图4为本发明实施例一金属微阵列构示意图。

图5为本发明实施例二金属微阵列结构示意图。

图中：1、读出电路，2、绝热微桥，2-1、微桥面，2-2、微支撑结构，2-3、微悬臂梁，2-4、接触孔，3、热敏电阻层，4、钝化绝缘层，5、宽带吸收膜层，5-1、金属层，5-2、介质层，5-2-1、第一介质层，5-2-2、第二介质层，5-3、金属微阵列，5-3-1、圆形谐振单元，5-3-2、三种结构单元。

具体实施方式

本发明提供了集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面，旨在突破传统远红外材料和谐振腔结构限制，解决现有非制冷焦平面为实现高吸收率而增大吸收层厚度、等效热容增大引起的性能降低等问题。具体结构如图1所示，包括读出电路1、绝热微桥2、热敏电阻层3、钝化绝缘层4、宽带吸收膜层5。

所述的读出电路1为硅基或者锗基CMOS集成电路，具备电路放大和降低噪声功能，每个读出电路1具备一个电极对，两个读出电极；在所述CMOS集成电路的对角上设置。

所述绝热微桥2如图2所示，具体包括微桥面2-1，微支撑结构2-2和微悬臂梁2-3；微悬臂梁2-3一端连接微桥面2-1，另一端连接微支撑结构2-2，微支撑结构2-2内设置接触孔2-4，需通过接触孔2-4使得热敏电阻层3与读出电路1内的电极对互联，所以微支撑结构2-2设置在所述电极对上，所述微桥面2-1和两个微悬臂梁2-3与所述读出电路1非接触连接，悬空在读出电路1上；两个微悬臂梁2-3与微桥面2-1连接的位置位于所述微桥面2-1的对角处，用于支撑微桥面2-1。

所述热敏电阻层3为具备较高温度电阻系数的材料，包括氧化钒、非晶硅、钛酸锶钡等，通过所述接触孔2-4、微支撑结构2-2、微悬臂梁2-3和微桥面2-1的金属电极使读出电路1与热敏电阻层3连接。

所述钝化绝缘层4主要起保护热敏电阻层3以及与宽带吸收膜层5绝缘，可采用氧化硅、氧化铝、氮化硅、氮化硼等材料。

所述宽带吸收膜层5如图3，由下至上具体包括金属层5-1，介质层5-2，金属微阵列5-3，其中介质层5-2可选用硅、氧化硅、氮化硅、硫化锌、硒化锌、磷化铟、锗、硫化铟、氟化镁、氟化钙等材料；金属材料可以选用金、银、铝、钨，钛、铂等低损耗材料。

作为本发明的另一部分，还提供集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面的制作方法，具体实现步骤如下。

步骤一：清洗含有CMOS集成电路的衬底，制备50～1000nm氧化硅作为绝缘层及平坦层，采用光刻掩膜在所述绝缘层及平坦层上制作CMOS电极图形，刻蚀氧化硅露出CMOS读出电极对，完成读出电路1；

步骤二：采用聚酰亚胺或者多孔硅在所述读出电路1上作牺牲层，厚度1000-5000nm，采用光刻掩膜制作接触孔2-4，刻蚀暴露的牺牲层，露出CMOS电极；

步骤三：采用PECVD在所述的牺牲层上制备氮化硅薄膜，厚度200-800nm，采用光刻掩膜制作绝热微桥2图形，刻蚀多余氮化硅材料并制备接触孔2-4，形成绝热微桥2；

步骤四：采用光刻掩膜制作绝热微桥2金属电极图形，蒸镀金属材料，厚度150-300nm，剥离形成金属图形结构；用光刻掩膜制作接触孔2-4图形，蒸镀金属材料，厚度100-800nm，剥离光刻胶上其他部分金属，形成连接电极对和热敏电阻层3的金属电极；

步骤五：在所述的绝热微桥2的微桥面2-1上用光刻掩膜制作热敏电阻层3图形，使用热敏材料，剥离形成热敏电阻层3；

步骤六：用光刻掩膜制作微桥面2-1图形，制备钝化绝缘层4，厚度20-200nm，剥离去除多余材料；

步骤七：两次用光刻掩膜制作宽带吸收膜层5图形，分别制备金属层5-1 30-200nm和介质层5-2 50-300nm，剥离去除多余材料；

步骤八：采用电子束曝光方式制备亚波长结构，蒸镀金属30-200nm，剥离形成金属微阵列5-3。

步骤九：去除牺牲层，形成非制冷红外焦平面，完成了集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面的制作方法。

为更进一步说明本发明实施例提供的集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面及制作方法，下面结合附图阐述本发明的具体实施方式。

实施例一：

集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面结构如图1所示。焦平面像元单元金属微阵列结构如图4所示，第一介质层5-2-1采用锗(Ge)材料，金属微阵列5-3采用金(Au)、每个金属单元为九种尺寸的圆形谐振单元5-3-1组成3×3的超像元。圆形谐振单元5-3-1直径分别为0.8微米、0.9微米、1.0微米、1.1微米、1.2微米、1.3微米、1.4微米、1.5微米、1.6微米。九个不同结构的圆形谐振单元5-3-1在不同波长实现红外吸收，通过九个波段的组合，在波长为8微米至14微米附近的红外辐射被复合吸收膜层5捕获，并将光能转换为金属结构的焦耳热和介质结构的声子吸收，进而对热敏电阻层3进行加温，从而将被测红外辐射信号引起的复合吸收膜层5温度变化转变成电信号，通过读出电路1，进而获得目标的红外信息，实现宽带红外探测成像。

本实施例的制作方法如下：

步骤一：清洗硅基CMOS集成电路的衬底，制备100nm氧化硅作为绝缘层及平坦层，在所述绝缘层及平坦层上采用光刻掩膜制作CMOS电极图形，刻蚀氧化硅露出读出电极，完成读出电路1；

步骤二：在所述读出电路1上作牺牲层，采用聚酰亚胺作为牺牲层材料，厚度1000nm，采用光刻掩膜制作接触孔2-4，刻蚀暴露的牺牲层，露出CMOS电极对；

步骤三：采用PECVD在所述的牺牲层上制备氮化硅薄膜，厚度200nm，采用光刻掩膜制作绝热微桥2图形，刻蚀多余氮化硅材料并制备接触孔2-4，形成绝热微桥2；

步骤四：采用光刻掩膜制作绝热微桥2金属电极图形，蒸镀钛(Ti)，厚度150nm，剥离形成金属图形结构；用光刻掩膜制作接触孔2-4图形，蒸镀钛(Ti)，厚度400nm，剥离光刻胶上其他部分金属，形成连接电极对和热敏电阻层3的金属电极；

步骤五：在所述的绝热微桥2的微桥面2-1上用光刻掩膜制作热敏电阻层3图形，使用热敏材料氧化钒(VO_x)，剥离形成热敏电阻层3；

步骤六：用光刻掩膜制作微桥面2-1图形，制备氧化硅(SiO₂)钝化绝缘层4，厚度20nm，剥离去除多余材料；

步骤七：两次用光刻掩膜制作宽带吸收膜层5图形，分别制备金(Au)30nm和第一介质层5-2-1锗(Ge)100nm，剥离去除多余材料；

步骤八：采用电子束曝光方式制备亚波长结构，蒸镀金(Au)30nm，剥离形成微阵列，金属单元为圆形谐振单元5-3-1。

步骤九：去除牺牲层，形成非制冷红外焦平面，完成了集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面的制作方法。

实施例二

集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面结构如图1所示。焦平面像元单元金属微阵列结构如图5所示，第二介质层5-2-2采用硅(Si)材料，金属微阵列5-3采用金(Au)、每个金属单元为三种结构嵌套而成形，最外层金属环边长3微米，内层金属环边长2微米，内层和外层金属环的线宽为500nm，最里层矩形单元边长1微米线宽。三种结构单元5-3-2的谐振波长随着边长的增大而改变，通过三种结构单元5-3-2吸收波长的组合，嵌套结构在波长为8微米至12微米附近的红外辐射被吸收膜层捕获，并将光能转换为金属结构的焦耳热和介质结构的声子吸收，进而对热敏电阻层3进行加温，从而将被测红外辐射信号引起的复合吸收膜层5温度变化转变成电信号，通过读出电路1，进而获得目标的红外信息，实现宽带红外探测成像。

本实施例的制作方法如下

步骤一：清洗硅基CMOS集成电路的衬底，制备100nm氧化硅作为绝缘层及平坦层，在所述绝缘层及平坦层上采用光刻掩膜制作CMOS电极图形，刻蚀氧化硅露出读出电极对，完成读出电路1；

步骤二：在所述读出电路1上作牺牲层，采用多孔硅作为牺牲层材料，厚度1500nm，采用光刻掩膜制作绝热微桥2图形，刻采用光刻掩膜制作接触孔2-4，刻蚀暴露的牺牲层，露出CMOS电极对；

步骤三：采用PECVD在所述的牺牲层上制备氮化硅薄膜，厚度300nm，采用光刻掩膜制作绝热微桥2图形，刻蚀多余氮化硅材料并制备接触孔2-4，形成绝热微桥2；

步骤四：采用光刻掩膜制作绝热微桥2金属电极图形，蒸镀镍(Ni)，厚度150nm，剥离形成金属图形结构；用光刻掩膜制作接触孔2-4图形，蒸镀镍(Ni)，厚度400nm，剥离光刻胶上其他部分金属，形成连接电极对和热敏电阻层3的金属电极；

步骤五：在所述的绝热微桥2的微桥面2-1上用光刻掩膜制作热敏电阻层3图形，使用热敏材料非晶硅(α-Si)，剥离形成热敏电阻层3；

步骤六：用光刻掩膜制作微桥面2-1图形，制备氧化硅(SiO₂)钝化绝缘层4，厚度50nm，剥离去除多余材料；

步骤七：两次用光刻掩膜制作宽带吸收膜层5图形，分别制备金(Au)50nm和第二介质层硅5-2-2(Si)100nm，剥离去除多余材料；

步骤八：采用电子束曝光方式制备亚波长结构，蒸镀金(Au)50nm，剥离形成微阵列，金属单元为三种结构单元5-3-2。

步骤九：去除牺牲层，形成非制冷红外焦平面，完成了集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面的制作方法。

Claims (4)

1.集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面，其特征在于，该焦平面由像元阵列组成，每个像元由下至上依次包括：

读出电路，所述读出电路为具备放大和降低噪声功能的硅基或者锗基CMOS集成电路，在所述CMOS集成电路制作与像元阵列位置对应的电极对；

绝热微桥，所述绝热微桥包括微桥面、两个微支撑结构和两个微悬臂梁；所述微悬臂梁一端连接微桥面，另一端连接微支撑结构，所述微支撑结构内部设有接触孔，每个接触孔设置在一个电极上，所述绝热微桥表面和内部设有金属电极；

热敏电阻层，所述热敏电阻层为温度电阻系数的绝对值高于2％的材料；所述电极对通过位于所述接触孔、微悬臂梁和微桥面的金属电极与热敏电阻层连接；

钝化绝缘层，所述钝化绝缘层保护热敏电阻层，并且将热敏电阻与吸收膜层绝缘；

宽带吸收膜层，所述宽带吸收膜层包括金属层、介质层和金属微阵列，其中介质层为红外波段低损耗材料；所述宽带吸收膜层通过所述钝化绝缘层与所述热敏电阻层绝缘，所述金属微阵列为周期性亚波长结构，所述金属微阵列上每个金属单元为九种尺寸或三种尺寸亚波长结构组合而成形。

2.根据权利要求1所述的集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面，其特征在于，所述金属微阵列上九种尺寸亚波长结构组合为3×3的超像元圆形单元，圆形谐振单元直径为0.8微米-1.6微米，能够捕获8-14微米附近的红外辐射。

3.根据权利要求1所述的集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面，其特征在于，所述金属微阵列上三种尺寸亚波长结构组合为三种结构嵌套而成，三种结构的尺寸分别为最外层金属环边长3微米，内层金属环边长2微米，内层和外层金属环的线宽为500nm，最里层矩形单元边长1微米线宽，能够捕获8-12微米附近的红外辐射。

4.基于权利要求1所述的集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面的制作方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：清洗含有CMOS集成电路的衬底，制备50～1000nm氧化硅作为绝缘层及平坦层，在所述绝缘层及平坦层上制作CMOS电极图形，刻蚀氧化硅露出所述电极对，完成读出电路平坦化步骤；

步骤二：在步骤一所述读出电路上采用聚酰亚胺或者多孔硅制作厚度1000-5000nm的牺牲层，在所述牺牲层上制作接触孔，露出电极对；

步骤三：在步骤二所述的牺牲层上制备厚度为200-800nm氮化硅薄膜，在所述氮化硅薄膜上制作绝热微桥图形，形成绝热微桥；

步骤四：在步骤三所述绝热微桥蒸镀厚度为150-300nm的金属电极图形，剥离多余的其他部分金属；蒸镀厚度100-800nm金属材料，制作接触孔图形，剥离多余的其他部分金属，形成连接电极对和热敏电阻层的金属电极；

步骤五：在步骤四所述的绝热微桥的微桥面上制作厚度为50-200nm的热敏面电阻层；

步骤六：在步骤五所述的热敏面电阻层上制作厚度为20-200nm钝化绝缘层；

步骤七：在步骤六所述的钝化绝缘层上分别制备30-200nm金属层和50-300nm介质层；

步骤八：在步骤七所述的介质层上蒸镀金属30-200nm，采用电子束曝光方式制备亚波长结构，剥离多余的金属，形成金属微阵列；

步骤九：去除牺牲层，形成非制冷红外焦平面，完成了集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面的制作方法。

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