CN110243481B - 非制冷红外焦平面探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非制冷红外焦平面探测器及其制备方法，所述非制冷红外焦平面探测器包括基底及设置在所述基底上的红外传感像元，所述红外传感像元包括悬空于所述基底上方的微桥，所述微桥至少包括依次设置的热应变层、支撑层及热敏层，所述热应变层受热发生形变，并带动所述热敏层发生形变，并进一步引起所述热敏层的电阻的变化。本发明的优点在于，将热应变层的形变引起的热敏层的电阻变化与热敏层的热敏电阻的变化叠加，在相同红外辐射强度下，红外传感像元可以产生比传统像元更大的电阻变化，从而增强红外辐射热效应与红外传感像元的电阻变化之间的转换幅度的效果，达到提高非制冷红外焦平面探测器响应率和灵敏度的效果。
Description
技术领域
本发明涉及微电子机械系统领域，尤其涉及一种非制冷红外焦平面探测器及其制备方法。
背景技术
根据芯片工作的温度，红外焦平面探测器一般分为制冷型和非制冷型两种。制冷型通常是利用窄禁带半导体材料制造的光电探测器，工作时需要冷却至液氮等温度以抑制热载流子及噪声，因此体积和重量相对较大，价格比较昂贵。非制冷型红外焦平面探测器也称为室温探测器，可在室温条件下工作而无需制冷，因此具有体积小、成本低、更易于便携等优点。非制冷红外探测器一般是热探测器，即通过探测红外辐射的热效应来工作。常用的非制冷红外焦平面探测器原理包括热电堆、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)目前成为绝对主流的非制冷红外焦平面探测器。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。每个微桥结构构成一个像元。对于非制冷红外探测器像元微桥的性能要求，第一，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；第二，希望热敏电阻材料有较高的电阻温度系数(TCR)和较低的噪声；第三，要求微桥具有较高的红外吸收率；第四，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。
利用现有的MEMS微加工技术，可以制造出满足以上技术要求的微桥结构和灵敏度较高的红外探测器。现有的商业化技术水平已经可以制造最小10微米像元间距，1920×1080甚至更大阵列规模的微测辐射热计红外探测器。微测辐射热计探测器的灵敏度主要与像元红外吸收面积、像元微桥绝热性能、像元热敏材料的电阻温度系数(TCR)及材料噪声等有直接关系。但是，微测辐射热计像元缩小后，必然导致像元吸收面积减小，微桥绝热性能难以提高，热敏材料的电阻温度系数(TCR)基本保持不变，材料噪声增加等不利结果。像元缩小后如何保持与大像元同等的灵敏度成为最大的技术挑战。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种非制冷红外焦平面探测器及其制备方法，其能够提高非制冷红外焦平面探测器响应率和灵敏度。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种非制冷红外焦平面探测器，其包括基底及设置在所述基底上的红外传感像元，所述红外传感像元包括悬空于所述基底上方的微桥，所述微桥至少包括依次设置的热应变层、支撑层及热敏层，所述热应变层受热发生形变，并带动所述热敏层发生形变，以减小所述热敏层的电阻。
可选地，所述热应变层的热膨胀系数与所述支撑层的热膨胀系数不同。
可选地，所述热应变层的热膨胀系数大于所述支撑层的热膨胀系数。
可选地，所述热应变层为金属铝层。
可选地，所述热敏层在所述基底表面的投影位于所述热应变层在所述基底表面的投影区域内。
可选地，所述支撑层的两端朝向所述基底延伸并与所述基底连接，以支撑所述微桥。
可选地，所述红外传感像元还包括：电极层，设置在所述支撑层上，并与所述基底及所述热敏层电连接；释放保护层，覆盖所述电极层、所述热敏层及所述基底；反射层，设置在所述基底上，且位于所述微桥下方。
本发明还提供一种如上所述的非制冷红外焦平面探测器的制备方法，其特包括如下步骤：在基底上形成牺牲层，所述牺牲层覆盖所述基底；在所述牺牲层上形成图形化的热应变层；图形化所述牺牲层，形成通孔，所述基底的电连接处被暴露；形成图形化的支撑层，所述支撑层覆盖所述牺牲层及所述热应变层；在所述支撑层上形成图形化的热敏层，所述热敏层对应所述热应变层；形成图形化的电极层，所述电极层覆盖所述支撑层、所述基底的电连接处及部分所述热敏层，所述电极层将所述热敏层与所述基底的电连接处电连接；释放所述牺牲层，形成悬空于所述基底上方的微桥，所述微桥包括依次设置的热应变层、支撑层及热敏层，所述热应变层受热发生形变，并带动所述热敏层发生形变，以减小所述热敏层的电阻。
可选地，在形成所述牺牲层的步骤之前，所述制备方法还包括如下步骤：在基底上形成图形化的金属层，所述金属层包括连接块及反射块，所述连接块与所述基底电连接，所述反射块与所述微桥对应，在形成图形化的电极层的步骤中，所述电极层与所述连接块连接。
可选地，在释放所述牺牲层的步骤之前，还包括一形成释放保护层的步骤，所述释放保护层覆盖所述支撑层、所述电极层及所述热敏层
本发明的优点在于，将热应变层的形变引起的热敏层的电阻变化与热敏层的热敏电阻的变化叠加，在相同红外辐射强度下，红外传感像元可以产生比传统像元更大的电阻变化，从而增强红外辐射热效应与红外传感像元的电阻变化之间的转换幅度的效果，达到提高非制冷红外焦平面探测器响应率和灵敏度的效果。
附图说明
图1是本发明一具体实施方式的非制冷红外焦平面探测器的结构示意简图；
图2是本发明非制冷红外焦平面探测器的红外传感像元受热前的热应变层、支撑层及热敏层示意图；
图3是本发明非制冷红外焦平面探测器的红外传感像元受热后的热应变层、支撑层及热敏层示意图；
图4是本发明非制冷红外焦平面探测器的制备方法的一具体实施方式的步骤示意图；
图5A～图5I是本发明非制冷红外焦平面探测器的制备方法的一具体实施方式的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的非制冷红外焦平面探测器及其制备方法的具体实施方式做详细说明。
图1是本发明一具体实施方式的非制冷红外焦平面探测器的结构示意简图。请参阅图1，所述非制冷红外焦平面探测器包括基底1及设置在所述基底1上的红外传感像元2。
所述基底1内形成有读出电路，用于读取传感信号。所述读出电路通常为CMOS电路，用于采集和处理红外传感像元2的输出信号，包括对红外传感像元2输出的信号进行读出、校准等。
所述红外传感像元2形成于所述基底1上方，与所述读出电路电连接，用于向所述读出电路输出传感信号。所述基底1上能够形成多个所述红外传感像元2，呈阵列形式排列。在本具体实施方式中，仅示意性地绘示一个所述红外传感像元2。
所述红外传感像元2包括悬空于所述基底1上方的微桥20。所述微桥20至少包括依次设置的热应变层201、支撑层202及热敏层203。
所述热应变层201受热能够发生形变，并带动所述热敏层203发生形变，所述热敏层203发生形变能够减小所述热敏层203的电阻。当红外传感像元2吸收红外辐射之后，红外传感像元2产生温度变化，该温度变化首先作用于热敏层203，产生与传统像元同样的热敏电阻变化，同时，所述热应变层201受热发生形变，所述热敏层203的材料电阻也会减小。由于非晶硅、氧化钒、氧化钛等热敏电阻材料具有负的电阻温度系数TCR，因此由于热应变层201的形变引起的热敏层203的电阻变化与热敏层203的热敏电阻变化是相互加强的效果，红外传感像元2吸收的红外辐射越强，红外传感像元2的电阻减小的幅度越大。在相同红外辐射强度下，本发明具有热应变层的红外传感像元2可以产生比传统像元更大的电阻变化，从而增强红外辐射热效应与红外传感像元2的电阻变化之间的转换幅度的效果，达到提高非制冷红外焦平面探测器响应率和灵敏度的效果。
图2是所述红外传感像元2受热前的热应变层、支撑层及热敏层示意图，
图3是所述红外传感像元2受热后的热应变层、支撑层及热敏层示意图，请参阅图2及图3，在所述红外传感像元2受热前，即红外传感像元2吸收红外辐射之前，所述热应变层201、支撑层202及热敏层203平直设置，在所述红外传感像元2受热后，即红外传感像元2吸收红外辐射之后，所述热应变层201受热发生形变，使得微桥20发生形变，进而使得所述热敏层203发生形变。所述热敏层203发生形变会压缩热敏层203的体积，从而减小电极层21的两个电极之间的间距，进而减小所述热敏层203本身的材料电阻。
进一步，在本具体实施方式中，所述热应变层201的热膨胀系数与所述支撑层202的热膨胀系数不同，则所述热应变层201受热发生形变后，所述微桥20两端会产生向上弯曲的形变，从而使得所述热敏层203发生同方向弯曲的形变。所述热敏层203会产生两端向上弯曲，中部向下弯曲的形变，该形变会压缩热敏层203的体积，从而减小所述热敏层203本身的材料电阻。优选地，所述热应变层201的热膨胀系数大于所述支撑层202的热膨胀系数。例如，所述热应变层201的材料为金属铝薄膜，所述支撑层202的材料为氧化硅，所述金属铝薄膜的热膨胀系数远远大于所述氧化硅的热膨胀系数，这使得所述热应变层201的热应变引起的变形更大，其能够更好地引起微桥20的形变。
进一步，所述热敏层203在所述基底1表面的投影位于所述热应变层201在所述基底1表面的投影区域内。即所述热应变层201边缘超出所述热敏层203的边缘，使得所述热敏层203位于所述热应变层201的形变区域内，则所述热应变层201变形能够带动全部的热敏层203变形，从而进一步减小所述热敏层203的电阻。
进一步，所述支撑层202的两端朝向所述基底1延伸并与所述基底1连接，以支撑所述微桥20。
所述红外传感像元2还包括电极层21、释放保护层22及反射层23。
所述电极层21设置在所述支撑层202上，并与所述基底1及所述热敏层203电连接。所述电极层21的两个电极分别与所述热敏层203及所述基底1电连接，以实现所述热敏层203与所述基底1中的读出电路的电连接。其中，在本具体实施方式中，所述电极层21通过连接块24与所述基底1电连接，所述连接块24为导电结构，包括但不限于金属块。
所述释放保护层22覆盖所述电极层21、所述热敏层203及所述基底1，以保护所述电极层21、所述热敏层203及所述基底1。
所述反射层23设置在所述基底1上，且位于所述微桥20下方。所述反射层23的材质包括但不限于金属及金属合金，所述反射层23能够将红外辐射反射向所述微桥20。
本发明非制冷红外焦平面探测器将热应变层的变形引起的热敏层的材料电阻变化与温度变化直接引起的热敏层的热敏电阻变化相互叠加，达到增强红外辐射热效应与红外传感像元2的电阻变化之间的转换幅度的效果，提高了非制冷红外焦平面探测器响应率和灵敏度，有利于提高小像元非制冷红外探测器的性能。
本发明还提供了上述的非制冷红外焦平面探测器的制备方法的具体实施方式。图4是本发明非制冷红外焦平面探测器的制备方法的一具体实施方式的步骤示意图。请参阅图4，所述制备方法包括如下步骤：步骤S40，在基底上形成牺牲层，所述牺牲层覆盖所述基底；步骤S41，在所述牺牲层上形成图形化的热应变层；步骤S42，图形化所述牺牲层，形成通孔，所述基底的电连接处被暴露；步骤S43，形成图形化的支撑层，所述支撑层覆盖所述牺牲层及所述热应变层及所述通孔的部分底部；步骤S44，在所述支撑层上形成图形化的热敏层，所述热敏层对应所述热应变层；步骤S45，形成图形化的电极层，所述电极层覆盖所述支撑层、所述基底的电连接处及部分所述热敏层，所述电极层将所述热敏层与所述基底的电连接处电连接；步骤S46，形成释放保护层；步骤S47，释放所述牺牲层，形成悬空于所述基底上方的微桥，所述微桥包括依次设置的热应变层、支撑层及热敏层，所述热应变层受热发生形变，并带动所述热敏层发生形变，以减小所述热敏层的电阻。
图5A～图5I是本发明非制冷红外焦平面探测器的制备方法的一具体实施方式的工艺流程图。
请参阅步骤S40及图5A，在基底500上形成牺牲层501，所述牺牲层501覆盖所述基底500。所述牺牲层501的材料可为聚酰亚胺，其能够通过旋涂方法制备。可以通过控制旋涂的转速而控制固化后的聚酰亚胺牺牲层的厚度，其厚度范围可在10000埃～20000埃。所述牺牲层501的材料也可以采用非晶硅，其通过PECVD、HDPCVD、SACVD、APCVD、ALD、溅射等方法制备，非晶硅牺牲层可以通过沉积速度和沉积时间来控制其厚度，其厚度范围可在10000埃～20000埃。
在本具体实施方式中，所述基底500为已完成CMOS电路加工的硅晶圆，在所述基底500的表面具有CMOS电路用于与外部结构连接的电连接处(附图中未绘示)。
可选地，在本具体实施方式中，在步骤S40之前，还包括在所述基底500上形成图形化的金属层的步骤，所述牺牲层501覆盖在所述基地500的表面及所述金属层的表面。所述金属层的材料可采用Ti/TiN/Al合金、TiW/Al合金及Ta/TaN/Al合金中的一种。所述金属层的厚度可在1000埃～10000埃之间。进一步，可采用光刻及刻蚀的方法形成图形化的金属层。所述金属层包括连接块520及反射块521，所述连接块520与所述基底500的电连接处连接，所述反射块521与后续工艺中形成的微桥510(绘示于图5I中)对应，用于反射红外辐射。
请参阅步骤S41及图5B，在所述牺牲层501上形成图形化的热应变层502。在本具体实施方式中，热应变层502为铝金属薄膜。其中，可采用溅射的方法在所述牺牲层501上沉积金属铝薄膜，厚度范围为100埃～500埃，沉积之后再采用光刻、刻蚀的方法形成图形化的热应变层502。在本发明其他具体实施方式中，所述热应变层502的材料也可采用其他与支撑层503(绘示于图5D)热膨胀系数不同的材料。
请参阅步骤S42及图5C，图形化所述牺牲层501，形成通孔501A，所述基底500的电连接处被暴露。其中，可通过光刻、刻蚀牺牲层501的方法制作通孔501A。在本具体实施方式中，所述连接块520被暴露于所述通孔501A。
请参阅步骤S43及图5D，形成图形化的支撑层503，所述支撑层503覆盖所述牺牲层501及所述热应变层502。
其中，可通过PECVD、HDPCVD、SACVD、APCVD、ALD、溅射等方法制备覆盖所述牺牲层501、所述热应变层502及所述通孔501A的底部的支撑层，再采用光刻、刻蚀的方法去除所述通孔501A底部的部分或全部支撑层，以使所述基底500的电连接处被暴露。在本具体实施方式中，采用PECVD工艺在沉积氧化硅层，其厚度在500埃～3000埃，再通过光刻、刻蚀的方法去除在通孔501A底部的氧化硅，暴露出所述连接块520。
请步骤S44及图5E，在所述支撑层503上形成图形化的热敏层504，所述热敏层504对应所述热应变层502。所述热敏层504的材料包括但不限于非晶硅、氧化钒、氧化钛等热敏电阻材料。
其中，可通过PECVD、HDPCVD、SACVD、APCVD、ALD、溅射等方法制备热敏层，再采用光刻及刻蚀的方法对热敏层进行图形化操作而形成所述图形化的热敏层504。在本具体实施方式中，采用PECVD工艺在所述支撑层503上形成掺硼非晶硅，其厚度在500A～2000A，再通过光刻及刻蚀的工艺形成图形化的掺硼非晶硅热敏层。
请参阅步骤S45及图5F，形成图形化的电极层505，所述电极层505覆盖所述支撑层503、所述基底500的电连接处及部分所述热敏层504。在本具体实施方式中，形成图形化的电极层505的方法为：制作金属层，所述金属层所述支撑层503、所述基底500的电连接处及所述热敏层504，对所述金属层采用光刻及刻蚀工艺进行图形化操作，形成图形化的电极层505，所述电极层505将所述热敏层504与所述基底500的电连接处电连接。在本实施例中，所述电极层505采用TiN，厚度范围为50埃～300埃。进一步，在本具体实施方式中，所述电极层505与所述连接块520连接。
进一步，在本具体实施方式中，在步骤S45之后，还包括形成释放保护层的步骤。请参阅步骤S46及图5G，形成释放保护层506，所述释放保护层506覆盖所述支撑层503、所述电极层505及所述热敏层504。其中，可通过PECVD、HDPCVD、SACVD、APCVD、ALD、溅射等方法制备所述释放保护层506。在本具体实施方式中，采用PECVD工艺形成氧化硅层，所述氧化硅层作为释放保护层506，其厚度在500埃～3000埃。
可选地，请参阅图5H，在步骤S46之后还对所述释放保护层506进行图形化，以形成释放孔506A。后续释放牺牲层501的气体可自所述释放孔与所述牺牲层501接触。在该步骤中，可采用光刻及刻蚀工艺图形化所述释放保护层406。
请参阅步骤S47及图5I，释放所述牺牲层501，形成悬空于所述基底500上方的微桥510。其中，释放所述牺牲层501的方法为利用氧等离子体对聚酰亚胺进行灰化(Ashing)或者用XeF2气体对非晶硅进行刻蚀，从而去除所述牺牲层501，形成微桥510。
所述微桥510包括依次设置的热应变层502、支撑层503及热敏层504，所述热应变层502受热发生形变，并带动所述热敏层504发生形变，以减小所述热敏层504的电阻。
采用本发明制备方法制备的非制冷红外焦平面探测器，在相同红外辐射强度下，其红外传感像元可以产生比传统像元更大的电阻变化，从而增强红外辐射热效应与红外传感像元的电阻变化之间的转换幅度的效果，达到提高非制冷红外焦平面探测器响应率和灵敏度的效果。
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 (10)
1.一种非制冷红外焦平面探测器，其特征在于，包括基底及设置在所述基底上的红外传感像元，所述红外传感像元包括悬空于所述基底上方的微桥，所述微桥至少包括依次设置的热应变层、支撑层及热敏层，所述热应变层受热发生形变，带动所述热敏层发生形变，以减小所述热敏层的电阻，且所述热敏层的热敏电阻受热减小。
2.根据权利要求1所述的非制冷红外焦平面探测器，其特征在于，所述热应变层的热膨胀系数与所述支撑层的热膨胀系数不同。
3.根据权利要求2所述的非制冷红外焦平面探测器，其特征在于，所述热应变层的热膨胀系数大于所述支撑层的热膨胀系数。
4.根据权利要求3所述的非制冷红外焦平面探测器，其特征在于，所述热应变层为金属铝层。
5.根据权利要求1所述的非制冷红外焦平面探测器，其特征在于，所述热敏层在所述基底表面的投影位于所述热应变层在所述基底表面的投影区域内。
6.根据权利要求1所述的非制冷红外焦平面探测器，其特征在于，所述支撑层的两端朝向所述基底延伸并与所述基底连接，以支撑所述微桥。
7.根据权利要求6所述的非制冷红外焦平面探测器，其特征在于，所述红外传感像元还包括：
电极层，设置在所述支撑层上，并与所述基底及所述热敏层电连接；
释放保护层，覆盖所述电极层、所述热敏层及所述基底；
反射层，设置在所述基底上，且位于所述微桥下方。
8.一种如权利要求1～7任意一项所述的非制冷红外焦平面探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在基底上形成牺牲层，所述牺牲层覆盖所述基底；
在所述牺牲层上形成图形化的热应变层；
图形化所述牺牲层，形成通孔，所述基底的电连接处被暴露；
形成图形化的支撑层，所述支撑层覆盖所述牺牲层及所述热应变层；
在所述支撑层上形成图形化的热敏层，所述热敏层对应所述热应变层；
形成图形化的电极层，所述电极层覆盖所述支撑层、所述基底的电连接处及部分所述热敏层，所述电极层将所述热敏层与所述基底的电连接处电连接；
释放所述牺牲层，形成悬空于所述基底上方的微桥，所述微桥包括依次设置的热应变层、支撑层及热敏层，所述热应变层受热发生形变，并带动所述热敏层发生形变，以减小所述热敏层的电阻。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在形成所述牺牲层的步骤之前，所述制备方法还包括如下步骤：在基底上形成图形化的金属层，所述金属层包括连接块及反射块，所述连接块与所述基底电连接，所述反射块与所述微桥对应，在形成图形化的电极层的步骤中，所述电极层与所述连接块连接。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在释放所述牺牲层的步骤之前，还包括一形成释放保护层的步骤，所述释放保护层覆盖所述支撑层、所述电极层及所述热敏层。
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