CN110265491A - 一种硅介质超表面的非制冷红外窄带探测器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅介质超表面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，金属下电极，锰钴镍氧敏感元，硅介质超表面结构层，以及器件管座组成。通过在锰钴镍氧敏感元上，引入硅介质超表面结构层，作为耦合特定波长的光的引导层，形成导模共振条件，实现整个结构对特定波长光的完美吸收；同时反射非特定波长的光，达到器件窄带探测的效果。本发明结构中，由于硅介质结构层在红外波段具有极弱的吸收系数，吸收主要发生在敏感元部分，可以使得敏感元吸收达到85％左右，光谱曲线的品质因子(Q值)可以高达20，对于提升非制冷红外窄带探测器的探测率和目标识别准确率有着十分重要的意义。

Description

一种硅介质超表面的非制冷红外窄带探测器及制备方法
技术领域
本发明涉及红外探测器领域，更具体的说，涉及一种硅介质超表面的非制冷红外窄带探测器及制备方法。
背景技术
非制冷探测器，按照探测机理主要分为热电偶型探测器、热释电型探测器、热敏电阻型探测器等。其中，采用锰钴镍氧热敏电阻材料的微测辐射热计探测器具有制备工艺简单、集成度高、规模化生产、无需昂贵繁重的制冷系统、器件封装简单、宽光谱全波段响应等特点，已经在科学和技术等领域有着广泛的应用。
但由于一般的微测辐射计是宽光谱全波段响应，对特定波长的探测没有选择性，因此在窄带探测领域，尤其在红外大气窗口下生物分子识别和检测、矿产和油田勘探、植被监测、伪装识别和高分辨光谱等领域，以锰钴镍氧材料为代表的微测辐射计还有待进一步发展。至此，发展微测辐射计在窄带探测领域的应用，成为了当今红外探测器的研究热点之一。
随着超材料概念兴起，出现了一类基于等离子激元原理实现的完美吸收的窄带探测器，但这种类型探测器通常需要引入金属人工微结构，造成了能量很大部分损失在金属结构层中，直接导致了敏感元吸收下降，光谱曲线的品质因子也普遍较低，直接影响了探测器的探测率和响应率，以及目标识别的准确性。
本发明结构中，通过引入硅介质超表面结构层，作为耦合特定波长的光的引导层，形成导模共振条件，实现了整个结构对特定波长光的完美吸收。由于硅介质结构层在红外波段下具有极弱的吸收系数，吸收主要发生在敏感元部分，可以使得敏感元吸收达到85％左右，Q值可以高达20，促使非制冷红外窄带探测器的响应率和探测率进一步提升，目标识别的准确性也大幅度提升，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硅介质超表面的非制冷红外窄带探测器的结构，提供了器件制备方法。通过精确控制硅介质超表面结构层的参数，利用导模共振原理，增强了锰钴镍氧薄膜材料的吸收，可以实现器件对特定波长的光达到完美吸收的效果，同时也能反射非设计波长的光，达到了窄带探测的目的。
本发明的硅介质超表面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器件整体结构图，探测器结构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，一种硅介质超表面的非制冷红外窄带探测器包括：锰钴镍氧敏感元1，硅介质超表面结构层2，金属下电极3，氧化铝衬底4，导热硅脂5，上电极6，金线焊丝7，器件引脚8-9，器件管座10。器件结构具体描述如下：在氧化铝衬底4的上方依次为金属下电极3，锰钴镍氧敏感元1和硅介质超表面结构层2；在锰钴镍氧敏感元1表面，硅介质超表面结构层2的外圈，是上电极6；氧化铝衬底4通过导热硅脂5粘贴在器件管座10上；上电极6与器件引脚9用金线焊丝7相连，金属下电极3与器件引脚8用金线焊丝7相连。
如图1，氧化铝衬底4为非晶氧化铝宝石片，厚度为100um；锰钴镍氧敏感元1厚度为1um-1.35um；硅介质超表面结构层2厚度为0.5um-0.6um，结构的周期为4.5um-5.7um，占空比为0.25；上电极6是宽度为50um的环形镂空金属框，材料为Cr薄膜30nm，Au薄膜300nm。
本发明的硅介质超表面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，用热蒸发的方法，依次沉积30nm铬和300nm的金膜，作为金属下电极；再在金属下电极上，采用射频磁控溅射生长方法，常温条件下沉积厚度为1um-1.35um的锰钴镍氧热敏薄膜；
2)在锰钴镍氧敏感元材料上，用电子束蒸发的方法，在超高真空环境下，沉积厚度为0.5um-0.6um多晶硅介质层；
3)在硅介质薄膜表面光刻设计的图形，曝光显影后，使用等离子体刻蚀工艺，在敏感元薄膜上形成特定刻蚀图案和刻蚀深度的硅介质超表面结构层；
4)在已经刻蚀的硅介质超表面区域的外圈，套刻显影处理后，获得电极图案，使用热蒸发镀制铬金电极，剥离后，获得探测元；
5)在硅介质超表面和上电极外圈，光刻显影出待刻蚀的台面图形，采用湿法和干法相结合的刻蚀工艺，刻蚀出探测元的台面，露出下电极；
6)机械划片探测元部分后，粘贴在底座的中心；使用金丝点焊技术，将上、下电极分别与器件引脚相连，实现电学导通，完成封装。
本发明的硅介质超表面的非制冷红外窄带探测器，在传统薄膜型热敏红外探测器基础上，引入一层特殊设计的硅介质结构层，可以有效耦合特定波长的红外辐射光，促使非制冷红外窄带探测器的探测率和目标识别准确率进一步提升，满足了热敏型探测器在窄带探测领域的发展需求，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。
附图说明
图1为本发明的探测器的整体结构图。
图2为探测器结构的俯视图。
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的硅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的单周期结构示意图；图(b)为本发明实施例2的单周期结构示意图；图(c)为本发明实施例3的单周期结构示意图。
图5为本发明实施例1的硅介质超表面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的硅介质超表面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的硅介质超表面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探测器的硅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的硅介质超表面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.制备红外敏感元薄膜。将100um非晶氧化铝衬底4，使用丙酮、酒精、去离子水清洗，并用氮气吹干，放入热蒸发仪器样品托中，用热蒸发的方法，沉积30nm铬和300nm的金膜，制备金属下电极3；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，生长时间为约为2天，获得厚度约为1.2um的锰钴镍氧敏感元1。
2.沉积硅介质层薄膜。再在锰钴镍氧敏感元1材料上，用电子束蒸发的方法，在超高真空环境下，沉积0.55um硅介质层。
3.制备硅介质超表面结构层。在硅介质薄膜表面，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，得到硅介质层待刻蚀的图形。再利用等离子体刻蚀技术，刻蚀出厚度为0.55um，周期为5um，占空比为0.25的硅介质超表面结构层2，再次使用丙酮、酒精、去离子水清洗，并用氮气吹干。
4.制备上电极。在已经刻蚀的硅介质超表面区域的外圈，选用光刻胶AZ5214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4000转/分，匀胶时间设为30秒。套刻显影处理后，外径尺寸为250um×250um，内径尺寸为200um×200um的电极图形。再使用电子束蒸发，沉积30nm厚的Cr膜和300nm厚的Au膜，最后得到上电极6。最后丙酮去胶和浮金，使用酒精、去离子水清洗，氮气吹干，获得探测元。
5.制备探测元台面。在硅介质超表面结构层2和上电极6外圈，光刻显影出待刻蚀的台面图形，采用湿法和干法相结合的刻蚀工艺，刻蚀出探测元的台面，露出金属下电极3。
6.切片和封装。机械划片探测元部分，划片尺寸为300um×300um，将氧化铝衬底4用导热硅脂5粘贴在器件管座10的中心；并使用WT-2330型金丝球焊机进行引线焊接，上电极6与器件引脚9用金线焊丝7相连，金属下电极3与器件引脚8用金线焊丝7相连，实现电学导通，完成封装。
实施例2：
1.制备红外敏感元薄膜。将100um非晶氧化铝衬底4，使用丙酮、酒精、去离子水清洗，并用氮气吹干，放入热蒸发仪器样品托中，用热蒸发的方法，沉积30nm铬和300nm的金膜，制备金属下电极3；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，生长时间为约为2天，获得厚度约为1.35um的锰钴镍氧敏感元1。
2.沉积硅介质层薄膜。再在锰钴镍氧敏感元1材料上，用电子束蒸发的方法，在超高真空环境下，沉积0.6um硅介质层。
3.制备硅介质超表面结构层。在硅介质薄膜表面，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，得到硅介质层待刻蚀的图形。再利用等离子体刻蚀技术，刻蚀出厚度为0.6um，周期为5.7um，占空比为0.25的硅介质超表面结构层2，再次使用丙酮、酒精、去离子水清洗，并用氮气吹干。
4.制备上电极。在已经刻蚀的硅介质超表面区域的外圈，选用光刻胶AZ5214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4000转/分，匀胶时间设为30秒。套刻显影处理后，外径尺寸为250um×250um，内径尺寸为200um×200um的电极图形。再使用电子束蒸发，沉积30nm厚的Cr膜和300nm厚的Au膜，最后得到上电极6。最后丙酮去胶和浮金，使用酒精、去离子水清洗，氮气吹干，获得探测元。
5.制备探测元台面。在硅介质超表面结构层2和上电极6外圈，光刻显影出待刻蚀的台面图形，采用湿法和干法相结合的刻蚀工艺，刻蚀出探测元的台面，露出金属下电极3。
6.切片和封装。机械划片探测元部分，划片尺寸为300um×300um，将氧化铝衬底4用导热硅脂5粘贴在器件管座10的中心；并使用WT-2330型金丝球焊机进行引线焊接，上电极6与器件引脚9用金线焊丝7相连，金属下电极3与器件引脚8用金线焊丝7相连，实现电学导通，完成封装。
实施例3：
1.制备红外敏感元薄膜。将100um非晶氧化铝衬底4，使用丙酮、酒精、去离子水清洗，并用氮气吹干，放入热蒸发仪器样品托中，用热蒸发的方法，沉积30nm铬和300nm的金膜，制备金属下电极3；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，生长时间为约为2天，获得厚度约为1um的锰钴镍氧敏感元1。
2.沉积硅介质层薄膜。再在锰钴镍氧敏感元1材料上，用电子束蒸发的方法，在超高真空环境下，沉积0.5um硅介质层。
3.制备硅介质超表面结构层。在硅介质薄膜表面，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，得到硅介质层待刻蚀的图形。再利用等离子体刻蚀技术，刻蚀出厚度为0.5um，周期为4.5um，占空比为0.25的硅介质超表面结构层2，再次使用丙酮、酒精、去离子水清洗，并用氮气吹干。
4.制备上电极。在已经刻蚀的硅介质超表面区域的外圈，选用光刻胶AZ5214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4000转/分，匀胶时间设为30秒。套刻显影处理后，外径尺寸为250um×250um，内径尺寸为200um×200um的电极图形。再使用电子束蒸发，沉积30nm厚的Cr膜和300nm厚的Au膜，最后得到上电极6。最后丙酮去胶和浮金，使用酒精、去离子水清洗，氮气吹干，获得探测元。
5.制备探测元台面。在硅介质超表面结构层2和上电极6外圈，光刻显影出待刻蚀的台面图形，采用湿法和干法相结合的刻蚀工艺，刻蚀出探测元的台面，露出金属下电极3。
6.切片和封装。机械划片探测元部分，划片尺寸为300um×300um，将氧化铝衬底4用导热硅脂5粘贴在器件管座10的中心；并使用WT-2330型金丝球焊机进行引线焊接，上电极6与器件引脚9用金线焊丝7相连，金属下电极3与器件引脚8用金线焊丝7相连，实现电学导通，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)

1.一种硅介质超表面的非制冷红外窄带探测器，包括锰钴镍氧敏感元(1)，硅介质超表面结构层(2)，金属下电极(3)，氧化铝衬底(4)，导热硅脂(5)，上电极(6)，金线焊丝(7)，器件引脚(8-9)，器件管座(10)，其特征在于：
所述的探测器结构如下：在氧化铝衬底(4)的上方依次为金属下电极(3)，锰钴镍氧敏感元(1)和硅介质超表面结构层(2)；在锰钴镍氧敏感元(1)表面，硅介质超表面结构层(2)的外圈，是上电极(6)；氧化铝衬底(4)通过导热硅脂(5)粘贴在器件管座(10)上；上电极(6)与器件引脚(9)用金线焊丝(7)相连，金属下电极(3)与器件引脚(8)用金线焊丝(7)相连。
2.根据权利要求1所述的硅介质超表面的非制冷红外窄带探测器，其特征在于：所述的氧化铝衬底(4)为非晶氧化铝宝石片，厚度为100um。
3.根据权利要求1所述的硅介质超表面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)厚度为1um-1.35um。
4.根据权利要求1所述的硅介质超表面的非制冷红外窄带探测器，其特征在于：所述的硅介质超表面结构层(2)厚度为0.5um-0.6um，方块结构的周期为4.5um-5.7um，占空比为0.25。
5.根据权利要求1所述的硅介质超表面的非制冷红外窄带探测器，其特征在于：所述的上电极(6)是宽度为50um的环形镂空金属框，材料为Cr薄膜30nm，Au薄膜300nm。
6.一种制备如权利要求1所述的硅介质超表面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，用热蒸发的方法，依次沉积30nm铬和300nm的金膜，作为金属下电极；再在金属下电极上，采用射频磁控溅射生长方法，常温条件下沉积厚度为1um-1.35um的锰钴镍氧热敏薄膜；
2)在锰钴镍氧敏感元材料上，用电子束蒸发的方法，在超高真空环境下，沉积厚度为0.5um-0.6um多晶硅介质层；
3)在硅介质薄膜表面光刻设计的图形，曝光显影后，使用等离子体刻蚀工艺，在敏感元薄膜上形成特定刻蚀图案和刻蚀深度的硅介质超表面结构层；
4)在已经刻蚀的硅介质超表面区域的外圈，套刻显影处理后，获得电极图案，使用热蒸发镀制铬金电极，剥离后，获得探测元；
5)在硅介质超表面和上电极外圈，光刻显影出待刻蚀的台面图形，采用湿法和干法相结合的刻蚀工艺，刻蚀出探测元的台面，露出下电极；
6)机械划片探测元部分后，粘贴在底座的中心；使用金丝点焊技术，将上、下电极分别与器件引脚相连，实现电学导通，完成封装。
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