CN110132424A - 一种红外探测芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及红外探测领域，特别涉及一种红外探测芯片及其制备方法。所述芯片包括基层和设置在所述基层上红外线探测层，所述红外线探测层包括用于吸收红外线的热敏层，其中，所述热敏层为氧化镍铬热敏层。本发明所述的红外探测芯片，采用的氧化镍铬热敏层具有正电阻温度系数和高电阻温度系数，氧化镍铬薄膜热敏层在中红外3μm‑5μm波段具有高吸收率，集成该热敏层的红外探测芯片能大大提升中红外吸收率和响应度，从而提高探测性能。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测领域，特别涉及一种红外探测芯片及其制备方法。
背景技术
红外辐射在我们身边无处不在。而对于红外辐射的检测及利用，更是渗透到现代军事、工业、生活的各个方面。波长在3μm-5μm范围内的红外波段称为中红外波。这个波段的红外波对导弹尾焰、爆炸、火灾、火山等高温目标识别具有高效的探测和分辨能力；而且，由于3μm-5μm波段的激光具有很强的大气穿透能力，因此具有应用于激光制导、遥感等军事领域的巨大潜能；在大气探测方面，二氧化碳和甲烷等常见的温室气体，吸收的红外辐射正好为中红外波段。
红外探测芯片是基于探测目标辐射的红外线被热敏材料吸收后发生的阻值变化而产生信号变化制作而成的一种探测芯片。常见的中红外探测芯片材料一般采用HgCdTe、InSb、GaAs和钛酸锶等材料，这些材料制备过程有剧毒，制备温度高，需特定制冷设备，淀积气体或材料成本也高，不易于集成大规模阵列。
非制冷红外探测器因其省略了体积庞大、价格昂贵的制冷机构，在体积、重量、寿命、成本、功耗、启动速度及稳定性等方面相比于制冷型红外探测器具有优势。但现有的非制冷红外探测器存在均对红外辐射的吸收率较低，响应时间长、探测灵敏度差等问题。为提高中红外探测能力，如红外吸收波段整体吸收率、探测率、大阵列集成等探测性能，必须研发新型敏感材料集成的探测芯片，以达到制备工艺简化、非制冷、低成本、快速响应的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有非制冷型红外探测芯片中红外吸收率低、灵敏度差的问题。
为解决上述技术问题，第一方面，本发明公开了一种红外探测芯片，所述芯片包括基层和设置在所述基层上红外线探测层，所述红外线探测层包括用于吸收红外线的热敏层，其中，所述热敏层为氧化镍铬热敏层。
进一步的，所述红外线探测层还包括绝缘支撑层和导电电极，所述导电电极贯穿所述绝缘支撑层设置，所述氧化镍铬热敏层覆盖所述绝缘支撑层和所述导电电极设置。
进一步的，所述基层包括读出电路层，所述读出电路上设有接触电极，所述导电电极与所述接触电极连通。
进一步的，所述基层还包括金属反射层，所述金属反射层设置在所述读出电路层的表面，所述金属反射层与所述接触电极不相接。
第二方面，本发明公开了一种红外探测芯片的制备方法，包括：
S1：在基层上淀积金属反射层并将所述金属反射层图形化；其中，所述基层上预设有读出电路；
S2：淀积绝缘支撑层并将所述绝缘支撑层图形化；
S3：淀积导电电极并将所述导电电极图形化；
S4：淀积氧化镍铬热敏层；
S5：淀积钝化层；
S6：刻蚀绝缘支撑层、氧化镍铬热敏层和钝化层并图形化，最终完成制备。
进一步的，所述制备方法还包括在所述金属反射层上淀积牺牲层，所述牺牲层用于在所述读出电路和所述绝缘支撑层之间形成空腔；所述牺牲层厚度为0.5μm-2μm。
进一步的，所述步骤S2包括，采用气相淀积法所述读出电路的表面淀积氮化硅层作为所述绝缘支撑层，所述氮化硅层厚度为50nm-500nm；和/或，
采用气相淀积法所述读出电路的表面淀积二氧化硅层作为所述绝缘支撑层，所述二氧化硅层厚度为50nm-500nm；
所述绝缘支撑层至少部分贯通所述牺牲层设置。
进一步的，所述步骤S3包括，在所述绝缘支撑层上淀积导电电极，所述导电电极与所述读出电路上的接触电极接触连通，所述绝缘支撑层至少部分区域为覆盖所述接触电极。
进一步的，所述步骤S4具体为，在所述绝缘支撑层和所述导电电极上淀积氧化镍铬热敏层，所述氧化镍铬热敏层厚度为20nm-300nm。
进一步的，所述步骤S6包括，采用反应离子刻蚀钝化层、氧化镍铬热敏层和绝缘支撑层非保护区，利用等离子去胶释放并去除牺牲层。
采用上述技术方案，本发明所述的红外探测芯片及红外探测芯片的制备方法具有如下有益效果：
1)本发明所述的红外探测芯片，采用的氧化镍铬热敏层具有正电阻温度系数和高电阻温度系数，氧化镍铬薄膜热敏层在中红外3μm-5μm波段具有高吸收率，集成该热敏层的红外探测芯片能大大提升中红外吸收率和响应度，从而提高探测性能。
2)本发明所述的红外探测芯片，是基于氧化镍铬热敏薄膜作为热敏层，无需制冷设备，具有体积小、重量轻、功耗低等优点，而且使用寿命长。
3)本发明所述的红外探测芯片的制作工艺步骤简单，生产成本低，可大规模阵列化，制备工艺完全兼容CMOS电路和探测产线，因此具有极大可应用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1的基于氧化镍铬热敏薄膜的红外探测芯片的结构示意图；
图2为实施例1的氧化镍铬薄膜的TCR曲线；
图3为实施例1的氧化镍铬薄膜的中红外波段吸收率曲线；
图4为实施例2的红外探测芯片的结构示意图；
图5为实施例2的红外探测芯片的制备工艺的流程图；
以下对附图作补充说明：
1-读出电路；2-接触电极；3-金属反射层；4-牺牲层；5-绝缘支撑层；6-导电电极；7-氧化镍铬热敏层；8-钝化层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
实施例1：
氧化镍铬作为一种前沿的薄膜材料，对于其性能的探索及应用是材料科学界热门的科研课题。如图2所示，氧化镍铬薄膜材料具有正TCR和高TCR的性能，同时氧化镍铬薄膜材料对3μm-5μm的中红外波段具有高吸收率。目前并没有见到利用氧化镍铬热敏薄膜制备成中红外波段非制冷且大规模阵列集成的红外探测芯片或器件。
如图1所示，本发明提供了一种红外探测芯片，所述芯片包括基层和设置在所述基层上红外线探测层，所述红外线探测层包括用于吸收红外线的热敏材料层，其中，所述热敏材料层为氧化镍铬热敏层7。
本实施例中，所述的红外探测芯片，采用的氧化镍铬热敏层7具有正电阻温度系数和高电阻温度系数，如图3所示，氧化镍铬薄膜热敏层在中红外3μm-5μm波段具有高吸收率，吸收范围从40％-96％。集成该热敏层的红外探测芯片能大大提升中红外吸收率和响应度，从而提高探测性能。
所述红外线探测层还包括绝缘支撑层5和导电电极6，所述导电电极6贯穿所述绝缘支撑层5设置，所述氧化镍铬热敏层7覆盖所述绝缘支撑层5和所述导电电极6设置。所述氧化镍铬热敏层7厚度为300nm。所述氧化镍铬热敏层7表面设有钝化层8，所述钝化层8设置在所述氧化镍铬热敏层7远离所述绝缘支撑层5的一侧。所述钝化层8包括氮化硅层和二氧化硅层，所述氮化硅层设置在所述氧化镍铬热敏层7的表面，所述二氧化硅层设置在所述所述氮化硅层表面。所述氮化硅层厚度为50nm，所述二氧化硅层厚度为50nm。
本实施例中，绝缘支撑层5的设置是为了支撑氧化镍铬热敏层7，并为导电电极6提供支撑通道，使导电电极6连通热敏层与读出电路1。氧化镍铬热敏层7采用磁控溅射的方式淀积在支撑层上，其厚度为300nm，在可能的实施方式中，氧化镍铬热敏层7的厚度还可以为20nm。钝化层8的设置是为了保护氧化镍铬热敏层7，确保芯片功能层的使用寿命；氮化硅层及二氧化硅层的厚度还可以为500nm，具体可根据芯片的使用情况来调整。
所述基层包括读出电路1和金属反射层3，所述读出电路1上设有接触电极2，所述导电电极6与所述接触电极2连通；所述金属反射层3设置在所述读出电路1层的表面，所述金属反射层3与所述接触电极2不相接。所述金属反射层3材料为金，所述金属反射层3厚度为300nm。所述绝缘支撑层5远离所述氧化镍铬热敏层7的一侧设有凸起，所述凸起与所述接触电极2相接；所述导电电极6贯穿所述凸起设置。所述凸起的高度为2μm。
本实施例中，金属反射层3材料还可以为铝层，金属反射层3厚度也可以为50nm。绝缘支撑层5为设置在接触电极2上的T形支撑结构，绝缘支撑层5与读出电路1及金属反射层3之间设有空腔，T形的支撑面的下表面与读出电路1的上表面距离为0.5μm-2μm。
本实施例的红外探测芯片是基于氧化镍铬热敏薄膜作为热敏层，无需制冷设备，具有体积小、重量轻、功耗低等优点，而且使用寿命长。
实施例2：
如图5所示，本发明提供了一种红外探测芯片的制备方法，包括：
S1：在基层上淀积金属反射层3并将所述金属反射层3图形化；其中，所述基层上预设有读出电路1；在已加工好的含有读出电路1的晶圆或衬底上采用光刻负胶并淀积一层金属反射层3使之图形化。金属反射层3材料可选择Au或Al，淀积厚度为50nm-300nm。该层使得入射3μm-5μm红外光反射率高达99％以上，之后超声波清洗去除多余负胶，金属反射层3制备完毕。
本实施例中，金属反射层3淀积在读出电路1表面，金属反射层3与读出电路1上的接触电极2不重合。金属反射层3淀积完毕后，还需要进一步淀积并图形化一层牺牲层4，牺牲层4的作用为在芯片中形成微孔结构，使金属反射层3与绝缘支撑层5之间形成空腔。牺牲层4材料选用PI胶、BCD胶、二氧化硅等可牺牲材料，牺牲层4厚度控制为0.5μm-2μm；利用PI负胶光刻图形化牺牲层4，使得接触电极2区域露出。
S2：淀积绝缘支撑层5并将所述绝缘支撑层5图形化；牺牲层4完成后，采用等离子体增强化学气相淀积PECVD或物理气相淀积如离子束溅射方式制备，进一步淀积绝缘支撑层5，绝缘支撑层5至少部分区域为覆盖在接触电极2上。该层选可由Si3N4或SiO2或Si3N4和SiO2组成，淀积Si3N4或SiO2厚度分别为50nm-500nm和50nm-500nm；淀积的Si3N4或SiO2为低应力材料，用于保护和支撑内部结构。光刻图形化并刻蚀去除接触电极2上面的绝缘支撑层5，使得接触电极2露出。其中，刻蚀采用反应离子刻蚀系统，使用SF6、CHF3、O2或CF4等气体作为刻蚀气体。刻蚀完成后，利用负胶光刻图形化接触电极2区域，使得接触电极2区域露出。
S3：淀积导电电极6并将所述导电电极6图形化；采用热蒸发或溅射方式淀积导电电极6层，使得接触电极2与导电电极6层接触互连。导电电极6层由高纯度Ti或Pt或Au等稀有金属组成。
S4：淀积氧化镍铬热敏层7；采用磁控溅射或离子束溅射法淀积氧化镍铬热敏层7，热敏层厚度为20nm-300nm。如图3和图3所示，制备出的氧化镍铬热敏层7在室温附近表现为正电阻温度系数，电阻温度系数大于1％，在3μm-5μm波段具有平均大于20％，最高超过90％的红外吸收率。
S5：淀积钝化层8；淀积钝化层8，钝化层8由Si3N4、SiO2或Si3N4和SiO2组成，采用等离子体增强化学气相淀积PECVD或物理气相淀积如离子束溅射方式制备，淀积Si3N4或SiO2厚度分别为50nm-500nm和50nm-500nm。淀积完钝化层8的红外探测芯片结构如图4所示。
S6：刻蚀红外探测层并图形化，最终完成制备；采用正胶光刻并图形化保护区，采用反应离子刻蚀钝化层8、氧化镍铬热敏层7和绝缘支撑层5非保护区，利用等离子去胶释放并去除牺牲层4，采用PI胶或BCD胶的牺牲层4，通过等离子体去胶设备进行去除，完成制备。
本实施例中，制备完成的红外探测芯片结构如图1所示，采用本实施例的红外探测芯片的制作工艺步骤简单，生产成本低，可大规模阵列化，制备工艺完全兼容CMOS电路和探测产线，因此具有极大可应用性。
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 (10)
1.一种红外探测芯片，其特征在于：所述芯片包括基层和设置在所述基层上红外线探测层，所述红外线探测层包括用于吸收红外线的热敏层，其中，所述热敏层为氧化镍铬热敏层。
2.根据权利要求1所述的红外探测芯片，其特征在于：所述红外线探测层还包括绝缘支撑层和导电电极，所述导电电极贯穿所述绝缘支撑层设置，所述氧化镍铬热敏层覆盖所述绝缘支撑层和所述导电电极设置。
3.根据权利要求2所述的红外探测芯片，其特征在于：所述基层包括读出电路层，所述读出电路上设有接触电极，所述导电电极与所述接触电极连通。
4.根据权利要求3所述的红外探测芯片，其特征在于：所述基层还包括金属反射层，所述金属反射层设置在所述读出电路层的表面，所述金属反射层与所述接触电极不相接。
5.一种红外探测芯片的制备方法，其特征在于，包括：
S1：在基层上淀积金属反射层并将所述金属反射层图形化；其中，所述基层上预设有读出电路；
S2：淀积绝缘支撑层并将所述绝缘支撑层图形化；
S3：淀积导电电极并将所述导电电极图形化；
S4：淀积氧化镍铬热敏层；
S5：淀积钝化层；
S6：刻蚀绝缘支撑层、氧化镍铬热敏层和钝化层并图形化，最终完成制备。
6.根据权利要求5所述的红外探测芯片的制备方法，其特征在于：所述制备方法还包括在所述金属反射层上淀积牺牲层，所述牺牲层用于在所述读出电路和所述绝缘支撑层之间形成空腔；所述牺牲层厚度为0.5μm-2μm。
7.根据权利要求6所述的红外探测芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤S2包括，采用气相淀积法所述读出电路的表面淀积氮化硅层作为所述绝缘支撑层，所述氮化硅层厚度为50nm-500nm；和/或，
采用气相淀积法所述读出电路的表面淀积二氧化硅层作为所述绝缘支撑层，所述二氧化硅层厚度为50nm-500nm；
所述绝缘支撑层至少部分贯通所述牺牲层设置。
8.根据权利要求7所述的红外探测芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤S3包括，在所述绝缘支撑层上淀积导电电极，所述导电电极与所述读出电路上的接触电极接触连通，所述绝缘支撑层至少部分区域为覆盖所述接触电极。
9.根据权利要求8所述的红外探测芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤S4具体为，在所述绝缘支撑层和所述导电电极上淀积氧化镍铬热敏层，所述氧化镍铬热敏层厚度为20nm-300nm。
10.根据权利要求9所述的红外探测芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤S6包括，采用反应离子刻蚀钝化层、氧化镍铬热敏层和绝缘支撑层非保护区，利用等离子去胶释放并去除牺牲层。
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|---|---|---|---|---|
| CN113188669A (zh) * | 2021-04-29 | 2021-07-30 | 上海翼捷工业安全设备股份有限公司 | 红外吸收复合膜结构及二氧化碳热释电红外探测器 |
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