CN110160659A - 一种敏感元刻蚀型的非制冷红外窄带探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种敏感元刻蚀型的非制冷红外窄带探测器及制备方法，所述探测器由氧化铝衬底，金属反射层，锰钴镍氧敏感元，锰钴镍氧介质超表面结构层，锗单晶半球透镜，以及器件管座组成。通过精确控制刻蚀敏感元的结构参数，形成特定图案的锰钴镍氧介质超表面结构层，可以实现器件对特定波长的光达到完美吸收的效果；同时反射非特定波长的光，提升器件窄带探测的能力。本发明结构中，由于未引入等离子激元型的金属人工微结构，避免了能量在金属结构中的大量损失，从而保证了器件中敏感元部分吸收达到80％以上，光谱曲线的品质因子(Q值)可以达到15左右，对改善非制冷红外窄带探测器的响应率和目标识别精确度方面都有着十分重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器领域，更具体的说，涉及一种敏感元刻蚀型的非制冷红外窄带探测器及制备方法。
背景技术
随着探测技术的发展，室温工作、响应速度快、探测率高，易于大规模集成焦平面的探测器，成为了当今红外探测器领域的发展方向。在目前第三代探测器中，作为非制冷型红外探测器的代表——锰钴镍氧热敏薄膜型探测器，因其制备成本低、可靠性高；能够在室温下工作，无需昂贵繁重的制冷系统；宽光谱全波段响应；与半导体工艺相兼容等诸多优点，成为当今研究热点之一。
与此同时，红外大气窗口下油田勘探、环境监测，目标识别等窄带探测的需求越来强烈，但一般的热敏型非制冷探测器在红外波段都是宽带响应，即探测器对波长没有选择性的探测。因此，以锰钴镍氧热敏薄膜型探测器为代表的非制冷型红外探测器，在窄带探测和目标识别方面还需要进一步发展。
本发明的探测器结构，在传统薄膜型非制冷红外探测器的基础上，通过刻蚀探测器敏感元部分，形成特定周期、占空比、深度的敏感元刻蚀型超表面，一是增强探测器对特定波长的吸收，达到提高探测器响应率和探测率的效果；二是反射非特定波长的光线，屏蔽了探测器对这些非目标波长的响应，达到一种窄带探测的目的；三是避免引入了等离子激元型的金属人工微结构，极大程度上减少了能量在金属结构中的损耗，使敏感元的吸收进一步提高，可以达到80％左右，因此器件的响应率和探测率可以进一步提升，同时光谱曲线的品质因子可以达到15，极大提升了目标识别的准确性，对于优化器件结构设计和改善器件性能都有着十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是公开一种敏感元刻蚀型的非制冷红外窄带探测器的结构，提供了器件制备方法。通过精确控制刻蚀敏感元的参数，形成特定刻蚀图案和刻蚀深度的锰钴镍氧介质超表面结构层，可以实现器件对特定波长的光达到完美吸收的效果；同时反射非特定波长的光，提升器件窄带探测的能力。
本发明的敏感元刻蚀型的非制冷红外窄带探测器的结构描述如下：图1，图2和图3分别为本发明探测器的整体结构图，未封装锗单晶半球透镜时探测器的俯视图和敏感元部分的局部放大图。
如图1、图2、图3所示，敏感元刻蚀型的非制冷红外窄带探测器包括：锰钴镍氧敏感元1，锰钴镍氧介质超表面结构层2，氧化铝衬底3，金属反射层4，绝缘层5，导热硅脂6，电极7，焊丝8，器件引脚9，锗单晶半球透镜10，器件管座11。器件结构具体描述如下：在氧化铝衬底3的上方依次镀有金属反射层4，绝缘层5，锰钴镍氧敏感元1和锰钴镍氧介质超表面结构层2；在锰钴镍氧敏感元1表面，锰钴镍氧介质超表面结构层2的两侧，是电极7；氧化铝衬底3通过导热硅脂6粘贴在器件管座11上；将电极7与器件引脚9用焊丝8相连；锗单晶半球透镜10封装在器件管座11上方的卡槽里。
如图1，氧化铝衬底3为非晶氧化铝宝石片，厚度为80um；金属反射层4为铬薄膜30nm，金薄膜300nm；绝缘层5为5nm氧化铝薄膜；锰钴镍氧敏感元1和锰钴镍氧介质超表面结构层2总厚度为0.76um或者1.3um，其中锰钴镍氧敏感元1厚度为0.46um或者1um，锰钴镍氧介质超表面结构层2厚度固定为0.3um，刻蚀的方块结构周期为5.9um-7.4um，占空比为0.25。
本发明的敏感元刻蚀型的非制冷红外窄带探测器是这样制备的：
1)在非晶氧化铝衬底上，用电子束蒸发的方法，依次沉积铬薄膜30nm，金薄膜300nm，得到金属反射层；
2)在金属反射层上，用原子层淀积的方法，沉积5nm氧化铝绝缘层。再采用射频磁控溅射生长方法，在绝缘层上常温溅射，沉积厚度为0.76um或者1.3um的锰钴镍氧敏感元薄膜；
3)在锰钴镍氧薄膜上，曝光显影后，使用干法刻蚀工艺，在敏感元上形成特定刻蚀图案和刻蚀深度的敏感元介质超表面；
4)在刻蚀形成的敏感元介质超表面的两侧，套刻显影处理后，获得电极图案，再使用电子束蒸发工艺，镀制铬金电极，剥离后，得到探测元；
5)机械划片探测元部分后，粘贴在底座的中心；采用点焊技术，将电极跟器件引脚用焊丝相连，实现电学导通；盖上锗单晶半球透镜，完成封装。
本发明的敏感元刻蚀型的非制冷红外窄带探测器，在传统薄膜探测器的基础上，通过刻蚀技术，制备了特定刻蚀图案和刻蚀深度的敏感元刻蚀型的介质超表面，提升了器件中敏感元部分的吸收，增强了器件的窄带探测能力；弥补了锰钴镍氧热敏薄膜型探测器在窄带探测中的短板，满足了热敏型探测器在窄带探测领域的发展需求，对改善非制冷红外窄带探测器的响应率和目标识别精确度方面都有着十分重要的意义。
附图说明
图1为本发明的探测器的整体结构图。
图2为未封装锗单晶半球透镜时探测器的俯视图。
图3为探测器的敏感元部分的局部放大图(侧视)，虚线框为敏感元部分的单周期结构示意图。
图4为本发明实施例1-3的锰钴镍氧介质超表面结构层的单周期结构俯视图，其中图(a)为本发明实施例1的单周期结构俯视图；图(b)为本发明实施例2的单周期结构俯视图；图(c)为本发明实施例3单周期结构俯视图。
图5为本发明实施例1的敏感元刻蚀型的非制冷红外窄带探测器的性能(吸收)模拟图。
图6为本发明实施例2的敏感元刻蚀型的非制冷红外窄带探测器的性能(吸收)模拟图。
图7为本发明实施例3的敏感元刻蚀型的非制冷红外窄带探测器的性能(吸收)模拟图。
图8为本发明的探测器的制备工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，设计了实例1-3的三种探测器，其中图4为本发明实施例1-3探测器的锰钴镍氧介质超表面结构层的单周期结构俯视图，图5-7对应本发明实施例1-3的敏感元刻蚀型的非制冷红外窄带探测器的性能(吸收)模拟图，图8为本发明的探测器的制备工艺流程图。所述探测器的制备方法具体由以下步骤实现：
实施例1：
1.制备金属反射层。将80um非晶氧化铝衬底3，使用丙酮、酒精、去离子水清洗，并用氮气吹干，用电子束蒸发的方法，依次沉积铬薄膜30nm，金薄膜300nm，得到金属反射层4。
2.制备红外敏感元薄膜。在金属反射层4上，用原子层淀积的方法，沉积5nm氧化铝绝缘层5。再采用射频磁控溅射方法沉积锰钴镍氧热敏薄膜，生长温度为室温，溅射功率为100W，生长时间约为1天，获得厚度约为0.76um锰钴镍氧薄膜，即锰钴镍氧敏感元1和锰钴镍氧介质超表面结构层2的总厚度为0.76um。
3.制备敏感元介质超表面。在锰钴镍氧薄膜上，选用光刻胶AZ 4330进行图形光刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为3000转/分，匀胶时间设为30秒。前烘曝光显影，使用干法刻蚀工艺，在敏感元上形成特定刻蚀图案和刻蚀深度的敏感元介质超表面，此时得到了厚度为0.3um，周期为5.9um，占空比为0.25的锰钴镍氧介质超表面结构层2，和厚度为0.46um的锰钴镍氧敏感元1。
4.制作电极。已经刻蚀的敏感元介质超表面区域的两侧，选用光刻胶AZ5214进行图形套刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为4000转/分，匀胶时间设为30秒。套刻显影处理后，使用电子束蒸发的方法，依次沉积铬薄膜30nm，金薄膜300nm，得到了电极7，尺寸为50um×200um。
5.切片和封装。机械划片探测元部分，尺寸为300um×200um；再用导热硅脂6粘贴到器件管座11的中心，并用干燥箱烘干。并采用点焊技术，用金线焊丝8将电极7和器件引脚9相连，实现电学导通；盖上锗单晶半球透镜10，完成封装。
实施例2：
1.制备金属反射层。将80um非晶氧化铝衬底3，使用丙酮、酒精、去离子水清洗，并用氮气吹干，用电子束蒸发的方法，依次沉积铬薄膜30nm，金薄膜300nm，得到金属反射层4。
2.制备红外敏感元薄膜。在金属反射层4上，用原子层淀积的方法，沉积5nm氧化铝绝缘层5。再采用射频磁控溅射方法沉积锰钴镍氧热敏薄膜，生长温度为室温，溅射功率为100W，生长时间约为2天，获得厚度约为1.3um锰钴镍氧薄膜，即锰钴镍氧敏感元1和锰钴镍氧介质超表面结构层2的总厚度为1.3um。
3.制备敏感元介质超表面。在锰钴镍氧薄膜上，选用光刻胶AZ 4330进行图形光刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为3000转/分，匀胶时间设为30秒。前烘曝光显影，使用干法刻蚀工艺，在敏感元上形成特定刻蚀图案和刻蚀深度的敏感元介质超表面，此时得到了厚度为0.3um，周期为6um，占空比为0.25的锰钴镍氧介质超表面结构层2，和厚度为1um的锰钴镍氧敏感元1。
4.制作电极。已经刻蚀的敏感元介质超表面区域的两侧，选用光刻胶AZ5214进行图形套刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为4000转/分，匀胶时间设为30秒。套刻显影处理后，使用电子束蒸发的方法，依次沉积铬薄膜30nm，金薄膜300nm，得到了电极7，尺寸为50um×200um。
5.切片和封装。机械划片探测元部分，尺寸为300um×200um；再用导热硅脂6粘贴到器件管座11的中心，并用干燥箱烘干。并采用点焊技术，用金线焊丝8将电极7和器件引脚9相连，实现电学导通；盖上锗单晶半球透镜10，完成封装。
实施例3：
1.制备金属反射层。将80um非晶氧化铝衬底3，使用丙酮、酒精、去离子水清洗，并用氮气吹干，用电子束蒸发的方法，依次沉积铬薄膜30nm，金薄膜300nm，得到金属反射层4。
2.制备红外敏感元薄膜。在金属反射层4上，用原子层淀积的方法，沉积5nm氧化铝绝缘层5。再采用射频磁控溅射方法沉积锰钴镍氧热敏薄膜，生长温度为室温，溅射功率为100W，生长时间约为2天，获得厚度约为1.3um锰钴镍氧薄膜，即锰钴镍氧敏感元1和锰钴镍氧介质超表面结构层2的总厚度为1.3um。
3.制备敏感元介质超表面。在锰钴镍氧薄膜上，选用光刻胶AZ 4330进行图形光刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为3000转/分，匀胶时间设为30秒。前烘曝光显影，使用干法刻蚀工艺，在敏感元上形成特定刻蚀图案和刻蚀深度的敏感元介质超表面，此时得到了厚度为0.3um，周期为7.4um，占空比为0.25的锰钴镍氧介质超表面结构层2，和厚度为1um的锰钴镍氧敏感元1。
4.制作电极。已经刻蚀的敏感元介质超表面区域的两侧，选用光刻胶AZ5214进行图形套刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为4000转/分，匀胶时间设为30秒。套刻显影处理后，使用电子束蒸发的方法，依次沉积铬薄膜30nm，金薄膜300nm，得到了电极7，尺寸为50um×200um。
5.切片和封装。机械划片探测元部分，尺寸为300um×200um；再用导热硅脂6粘贴到器件管座11的中心，并用干燥箱烘干。并采用点焊技术，用金线焊丝8将电极7和器件引脚9相连，实现电学导通；盖上锗单晶半球透镜10，完成封装。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种敏感元刻蚀型的非制冷红外窄带探测器，包括锰钴镍氧敏感元(1)，锰钴镍氧介质超表面结构层(2)，氧化铝衬底(3)，金属反射层(4)，绝缘层(5)，导热硅脂(6)，电极(7)，焊丝(8)，器件引脚(9)，锗单晶半球透镜(10)，器件管座(11)，其特征在于：
所述的探测器结构如下：在氧化铝衬底(3)的上方依次镀有金属反射层(4)，绝缘层(5)，锰钴镍氧敏感元(1)和锰钴镍氧介质超表面结构层(2)；在锰钴镍氧敏感元(1)表面，锰钴镍氧介质超表面结构层(2)的两侧，是电极(7)；氧化铝衬底(3)通过导热硅脂(6)粘贴在器件管座(11)上；将电极(7)与器件引脚(9)用焊丝(8)相连；锗单晶半球透镜(10)封装在器件管座(11)上方的卡槽里。
2.根据权利要求1所述的敏感元刻蚀型的非制冷红外窄带探测器，其特征在于：所述的氧化铝衬底(3)为非晶氧化铝宝石片，厚度为80um。
3.根据权利要求1所述的敏感元刻蚀型的非制冷红外窄带探测器，其特征在于：所述的金属反射层(4)为铬薄膜30nm，金薄膜300nm。
4.根据权利要求1所述的敏感元刻蚀型的非制冷红外窄带探测器，其特征在于：所述的绝缘层(5)为5nm氧化铝薄膜。
5.根据权利要求1所述的敏感元刻蚀型的非制冷红外窄带探测器，其特征在于：所述的锰钴镍氧敏感元(1)和锰钴镍氧介质超表面结构层(2)总厚度为0.76um或者1.3um，其中锰钴镍氧敏感元(1)厚度为0.46um或者1um，锰钴镍氧介质超表面结构层(2)厚度固定为0.3um，刻蚀的方块结构周期为5.9um-7.4um，占空比为0.25。
6.一种制备如权利要求1所述的敏感元刻蚀型的非制冷红外窄带探测器的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在非晶氧化铝衬底上，用电子束蒸发的方法，依次沉积铬薄膜30nm，金薄膜300nm，得到金属反射层；
2)在金属反射层上，用原子层淀积的方法，沉积5nm氧化铝绝缘层。再采用射频磁控溅射生长方法，在绝缘层上常温溅射，沉积厚度为0.76um或者1.3um的锰钴镍氧敏感元薄膜；
3)在锰钴镍氧薄膜上，曝光显影后，使用干法刻蚀工艺，在敏感元上形成特定刻蚀图案和刻蚀深度的敏感元介质超表面；
4)在刻蚀形成的敏感元介质超表面的两侧，套刻显影处理后，获得电极图案，再使用电子束蒸发工艺，镀制铬金电极，剥离后，得到探测元；
5)机械划片探测元部分后，粘贴在底座的中心；采用点焊技术，将电极跟器件引脚用焊丝相连，实现电学导通；盖上锗单晶半球透镜，完成封装。
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