CN110940419B - 一种红外探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种红外探测器及其制备方法，该红外探测器包括由像元阵列组合而成的传感单元，像元包括微桥谐振腔、位于每个微桥谐振腔下方的反射层模块、以及微桥支撑和电连接孔模块；其中，微桥支撑和电连接孔模块用于实现所在像元电阻电连接的接触区域；像元阵列中的每个反射层模块连成一起，微桥支撑和电连接孔模块与所述反射层模块是隔开的；根据共享模式，像元阵列中相邻行且同一列或相邻列且相邻行的像元共享一个微桥支撑和电连接孔模块，其中，交叉共享模式为相邻两行的像元电阻交叉共享一个所述微桥支撑和电连接孔模块，平行共享模式为相邻两行的像元电阻平行共享一个所述微桥支撑和电连接孔模块；相邻行且同一列的像元电阻共享端接电源端或接地端，以实现像元阵列输出数据的读取。

Description

一种红外探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及集成电路及逻辑电路的设计领域，具体涉及一种红外探测器。
背景技术
微机电系统(Micro Electromechanical System，简称MEMS)全程是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。主要由传感器、执行器和微能源三大部分组成。微机电系统涉及物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术，为智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。
红外探测器是热成像系统的核心部件，是探测、识别和分析物体红外信息的关键，在军事、工业、交通、安防监控、气象、医学等各行业具有广泛的应用。红外探测器的优势在于灵敏度高，能够分辨更细微的温度差别，探测距离较远，主要应用于高端军事装备，并且，红外探测器具有体积小、质量轻、功耗小、寿命长、成本低、启动快等优点。近年来，随着红外探测器技术的不断进步和制造成本的逐渐下降，其性价比快速提升，为推动红外探测器的大规模市场应用创造了良好条件。
红外探测器主要是以微机电系统(MEMS)技术制备的热传感器为基础，在硅衬底上通过MEMS技术生长出与桥面结构非常相似的像元，也称之为微桥。红外探测器中的传感单元是由像元阵列组合而成的，像元阵列的基本结构就是一个微桥谐振腔，其微桥下方是一个反射层、微桥支撑和电连接结构，每个像元单元中的有一个单独的反射层，该反射层通常使用金属Al来实现，然而其反射效率并非最佳。
请参阅图1，图1所示为现有技术中反射层的结构示意图。如图所示，每个像元都是有一个单独的Al反射层模块，图中标号1、2、3和4表示微桥支撑和电连接孔模块，微桥支撑和电连接孔模块用于实现所在像元电连接的接触区域，微桥支撑和电连接孔模块与Al反射层模块是隔开的，每一个像元的Al反射层模块相互之间也是隔开的；并且，每一个像元均设置有两个相应的微桥支撑和电连接孔模块，故而减小了有效反射层占像元的面积比例，且使其反射效率并非最佳。
由于红外探测器的阵列规模不断增大，像元尺寸不断减小，业界对探测器单元结构及其优化设计等方面提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种红外探测器，其具体的技术方案如下：
一种红外探测器，包括由像元阵列组合而成的传感单元，所述像元包括微桥谐振腔、像元电阻、位于每个所述微桥谐振腔下方的反射层模块以及微桥支撑和电连接孔模块；其中，所述微桥支撑和电连接孔模块用于实现所在像元电阻电连接的接触区域；所述像元阵列中的每个所述反射层模块物理地连接成一片，所述微桥支撑和电连接孔模块与所述反射层模块是隔开的；根据共享模式，所述像元阵列中相邻行且同一列或相邻列且相邻行的所述像元电阻共享一个所述微桥支撑和电连接孔模块，其中，所述共享模式包括交叉共享模式和平行共享模式；所述交叉共享模式为相邻两行的像元电阻交叉共享一个所述微桥支撑和电连接孔模块，所述平行共享模式为相邻两行且相邻列的像元电阻平行共享一个所述微桥支撑和电连接孔模块；所述相邻行且同一列的像元共享端一端接接电源端或接地端，另一端接盲元电阻。
进一步地，所述共享模式为交叉共享模式，从上到下，当在像元电阻奇数行时，每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块左上角的微桥支撑和电连接孔模块连接，每个像元电阻的另一端与位于同一反射层模块右下角的微桥支撑和电连接孔模块连接；当在像元电阻偶数行时，每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块右上角的微桥支撑和电连接孔模块连接，每个像元电阻的另一端与位于同一反射层模块左下角的微桥支撑和电连接孔模块连接。
进一步地，所述共享模式为交叉共享模式，从上到下，当在像元电阻奇数行时，每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块右上角的微桥支撑和电连接孔模块连接，每个像元电阻的另一端与位于同一反射层模块左下角的微桥支撑和电连接孔模块连接；当在像元电阻偶数行时，每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块左上角的微桥支撑和电连接孔模块连接，每个像元电阻的另一端与位于同一反射层模块右下角的微桥支撑和电连接孔模块连接。
进一步地，所述共享模式为平行共享模式，从上到下，当在像元电阻奇数行时，每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块右上角的微桥支撑和电连接孔模块连接，每个像元电阻的另一端与位于同一反射层模块左下角的微桥支撑和电连接孔模块连接；当在像元电阻偶数行时，每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块右上角的微桥支撑和电连接孔模块连接，每个像元电阻的另一端与位于同一反射层模块左下角的微桥支撑和电连接孔模块连接。
进一步地，所述共享模式为平行共享模式，从上到下，当在像元电阻奇数行时，每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块左上角的微桥支撑和电连接孔模块连接，每个像元电阻的另一端与位于同一反射层模块右下角的微桥支撑和电连接孔模块连接；当在像元电阻偶数行时，每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块左上角的微桥支撑和电连接孔模块连接，每个像元电阻的另一端与位于同一反射层模块右下角的微桥支撑和电连接孔模块连接。
进一步地，传感单元还包括盲元，所述像元阵列每一列像元共享一个盲元，相邻两行共享的所述微桥支撑和电连接孔模块为第一像元共享端，所述相邻两行像元电阻的另一端为所述微桥支撑和电连接孔模块第二像元电阻共享端，所述微桥支撑和电连接孔模块第二像元电阻共享端由其相邻行的像元电阻共享；如果所述第一像元共享端接电源端或接地端，所述第二像元共享端与所述盲元的一端相接；或者，如果所述第二像元共享端接电源端或接地端，所述第一像元共享端与所述盲元的一端相接。
进一步地，所述反射层模块采用金属铝材料制成。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种红外探测器的制备方法，包括：
步骤S1：采用COMS工艺形成反射层；其中，所述反射支撑层包括所述的反射层模块和所述微桥支撑和电连接孔模块；
步骤S2：所述反射支撑层上面生长一防反射层；
步骤S3：在所述防反射层完成所述的微桥谐振腔；
步骤S4：使用高温释放工艺，去除所述的微桥谐振腔中的牺牲层和所述反射支撑层上面生长的防反射层。
进一步地，所述防反射层为金属氮化物层；较佳地，所述金属氮化物层为TaN层或TiN层。
进一步地，在步骤S4中使用高温释放工艺时，通过采用XeF2气体将所述金属氮化物层去除。
从上述技术方案可以看出，本发明提供的红外探测器及其制备方法，其将每个像元下方各自单独所拥有的反射层模块全部连接在一起，同时将相邻像元的微桥支撑和电连接孔模块进行共享，从而大幅度提升反射层所占的面积，并提升产品性能。
此外，针对大面积的金属反射层可能会引起的反射过强，导致制备反射层以及后续工艺光刻工艺出问题，本发明提出在反射层制备完成后，使用TaN或TiN等金属氮化物层来覆盖反射层，以降低在后续光刻环节中反射层反射率，并且，在微桥谐振腔完成后，再通过高温释放工艺将金属氮化物层去除，从而确保了反射层在使用过程中的效果。
附图说明
图1所示为现有技术中反射层的结构示意图
图2所示为本发明实施例中反射层的结构示意图
图3所示为本发明实施例中采用交叉共享模式形成的像元阵列示意图
图4所示为本发明实施例中采用平行共享模式形成的像元阵列示意图
图5所示为本发明实施例中将相邻两个像元的微桥支撑和电连接孔模块进行共享的连接关系示意图
图6所示为本发明实施例中制备红外探测器结构示意图
具体实施方式
下面结合附图2-5，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在本发明附图2-5中所采用的标号，仅适用于所指出的附图，相同的标号在不同的附图中是表示不同模块。
在本发明的实施例中，与现有技术相同的是，该红外探测器包括由像元阵列组合而成的传感单元，该像元包括微桥谐振腔、位于每个微桥谐振腔下方的反射层模块以及微桥支撑和电连接孔模块；请参阅附图2，图2所示为本发明实施例中反射层的结构示意图。如图所示，图中标号5、6、7和8表示四个相邻的像元。其中，微桥支撑和电连接孔模块用于实现所在像元电连接的接触区域，微桥支撑和电连接孔模块与反射层模块是隔开的。
与现有技术不同的是，每一个像元的四个顶角均设置有一个微桥支撑和电连接孔模块。像元阵列中的每个反射层模块连成一起，微桥支撑和电连接孔模块与反射层模块是隔开的；根据共享模式，像元阵列中相邻行且同一列的像元共享一个微桥支撑和电连接孔模块。
请结合图1参阅图2，如图1所示，图1中的微桥支撑和电连接孔模块1和微桥支撑和电连接孔模块3相邻，微桥支撑和电连接孔模块2和微桥支撑和电连接孔模块4相邻；本发明的设计理念为实现图1中的微桥支撑和电连接孔模块1和微桥支撑和电连接孔模块3共享，以及实现图1中的微桥支撑和电连接孔模块2和微桥支撑和电连接孔模块4共享等，则可以减少微桥支撑和电连接孔模块的数量，从而有效提高反射层的占比。
在本发明的实施例中，根据共享模式，像元阵列中相邻行且同一列的像元共享一个微桥支撑和电连接孔模块。具体地，如图2所示，像元阵列中的所有反射层模块是物理地连接成一片，并同时共享相邻支撑和电连接区域，像元5、6、7和8表示四个相邻的像元，可以根据共享模式同时共享微桥支撑和电连接孔模块。在该像元阵列中，像元5和像元8为相邻行且同一列的像元，它们共享一个微桥支撑和电连接孔模块，像元6和像元7为相邻行且同一列的像元，它们共享一个微桥支撑和电连接孔模块。具体而言，以像元5和像元8为例，像元5的引出端分别为左下和右上，像元8的引出端分别是左上和右下，因此，像元5和像元8有一个共同的引出端，即图中位于四个像元中心的微桥支撑和电连接孔模块，可以作为像元5和像元8的共享引出端。
其中，共享模式可以包括交叉共享模式和平行共享模式；交叉共享模式为相邻两行的像元电阻交叉共享一个微桥支撑和电连接孔模块，平行共享模式为相邻两行的像元电阻平行共享一个微桥支撑和电连接孔模块。
请参阅图3，图3所示为本发明实施例中采用交叉共享模式形成的像元阵列示意图。如图所示，在该交叉共享模式中，从上到下，所述像元电阻对应位置的反射层模块左上角和右上角设置的微桥支撑和电连接孔模块的标号为C，所述像元电阻对应位置的反射层模块左下角和右下角设置的微桥支撑和电连接孔模块的标号为B，所述像元电阻对应位置反射层模块左上角和右上角设置的微桥支撑和电连接孔模块的标号为B，所述像元电阻对应位置的反射层模块左下角和右下角设置的微桥支撑和电连接孔模块的标号为C。
在本发明的一个实施例中，当在像元电阻奇数行时，每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块左上角的微桥支撑和电连接孔模块C连接，每个像元电阻的另一端与位于同一反射层模块右下角的微桥支撑和电连接孔模块B连接；当在像元电阻偶数行时，每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块右上角的微桥支撑和电连接孔模块B连接，每个像元电阻的另一端与位于同一反射层模块左下角的微桥支撑和电连接孔模块C连接。
在本发明的另一个实施例中，当在像元电阻奇数行时，每个像元电阻的一端与位于阵列奇数行中反射层模块右上角的微桥支撑和电连接孔模块C连接，每个像元电阻的另一端与位于同一反射层模块左下角的微桥支撑和电连接孔模块B连接；当在像元电阻偶数行时，每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块左上角的微桥支撑和电连接孔模块B连接，每个像元电阻的另一端与位于同一反射层模块右下角的微桥支撑和电连接孔模块C连接。
请参阅图4，图4所示为本发明实施例中采用平行共享模式形成的像元阵列示意图。具体地，在本发明的一个实施例中，该平行共享模式的结构如下：从上到下，当在像元电阻奇数行时，每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块右上角的微桥支撑和电连接孔模块连接，每个像元电阻的另一端与位于同一反射层模块左下角的微桥支撑和电连接孔模块连接；当在像元电阻偶数行时，每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块右上角的微桥支撑和电连接孔模块连接，每个像元电阻的另一端与位于同一反射层模块左下角的微桥支撑和电连接孔模块连接。
在本发明的另一个实施例中，该平行共享模式的结构如下：从上到下，当在像元电阻奇数行时，每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块左上角的微桥支撑和电连接孔模块连接，每个像元电阻的另一端与位于同一反射层模块右下角的微桥支撑和电连接孔模块连接；当在像元电阻偶数行时，每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块左上角的微桥支撑和电连接孔模块连接，每个像元电阻的另一端与位于同一反射层模块右下角的微桥支撑和电连接孔模块连接。
需要说明的是，由于像元阵列的读出电路是通过行选列读来工作的，为了保证读出电路的正常工作，在本发明的实施例中，将相邻行且同一列的像元单元共享端接电源端或接地端，以实现像元阵列输出数据的读取。
在本发明的实施例中，相邻两行共享的所述微桥支撑和电连接孔模块为第一像元共享端，所述相邻两行像元电阻的另一端为所述微桥支撑和电连接孔模块第二像元电阻共享端，所述微桥支撑和电连接孔模块第二像元电阻共享端由其相邻行的像元电阻共享；如果第一像元共享端接电源端或接地端，第二像元共享端与所述盲元的一端相接；或者，如果第二像元共享端接电源端或接地端，第一像元共享端与所述盲元的一端相接。
请参阅图5，图5所示为本发明实施例中将相邻两个像元的微桥支撑和电连接孔模块进行共享的连接关系示意图。如图所示，相邻两行共享的第一像元共享端接电源端或接地端，第二像元共享端与盲元的一端相接；其中，像元阵列每一列像元共享一个盲元。
此外，在本发明的实施例中，反射层模块通常采用金属铝材料制成。
由于在本发明的实施例中，将像元阵列中反射层模块均连接在一起了，本领域技术人员清楚，大面积的金属反射层可能会引起的反射过强，导致反射层以及后续工艺光刻工艺出问题，因此，在制作红外探测器时，本发明还提出了一种制备方法，其包括如下步骤：
步骤S1：采用COMS工艺形成反射层；其中，反射支撑层包括上述的反射层模块和微桥支撑和电连接孔模块；
步骤S2：在反射支撑层上面生长一防反射层；
步骤S3：在所述防反射层完成微桥谐振腔的制备；
步骤S4：使用高温释放工艺，去除微桥谐振腔中的牺牲层和反射支撑层上面生长的防反射层。
较佳地，防反射层可以为金属氮化物层，例如为TaN层或TiN层。并且在步骤S4中使用高温释放工艺时，可以通过采用XeF2气体将所述金属氮化物层去除。
综上，本发明提出使用TaN、TiN等金属氮化物来降低光刻环节反射层模块的反射率，在微桥谐振腔完成后，通过高温释放工艺将金属氮化物去除，从而保证反射层模块的效果。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种红外探测器，包括由像元阵列组合而成的传感单元，所述像元包括微桥谐振腔、像元电阻、位于每个所述微桥谐振腔下方的反射层模块、以及微桥支撑和电连接孔模块；其中，所述微桥支撑和电连接孔模块用于与其相应的像元电阻电连接；其特征在于，所述像元阵列中的每个所述反射层模块物理地连接成一片，所述微桥支撑和电连接孔模块与所述反射层模块物理地分隔设置；根据共享模式，所述像元阵列中相邻行且同一列或相邻列且相邻行的所述像元电阻共享一个所述微桥支撑和电连接孔模块，其中，所述共享模式包括交叉共享模式和平行共享模式；所述交叉共享模式为相邻两行的像元电阻交叉共享一个所述微桥支撑和电连接孔模块，所述平行共享模式为相邻两行且相邻列的像元电阻平行共享一个所述微桥支撑和电连接孔模块；所述相邻行且同一列的像元电阻共享端一端接接电源端或接地端，另一端接盲元电阻。
2.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述共享模式为交叉共享模式，从上到下，在奇数行的每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块左上角的微桥支撑和电连接孔模块连接，另一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块右下角的微桥支撑和电连接孔模块连接；在偶数行的每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块右上角的微桥支撑和电连接孔模块连接，另一端与位于同一反射层模块左下角的微桥支撑和电连接孔模块连接。
3.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述共享模式为交叉共享模式，从上到下，在奇数行的每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块右上角的微桥支撑和电连接孔模块连接，另一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块左下角的微桥支撑和电连接孔模块连接；在偶数行的每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块左上角的微桥支撑和电连接孔模块连接，每另一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块右下角的微桥支撑和电连接孔模块连接。
4.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述共享模式为平行共享模式，从上到下，在奇数行的每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块右上角的微桥支撑和电连接孔模块连接，另一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块左下角的微桥支撑和电连接孔模块连接；在偶数行的每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块右上角的微桥支撑和电连接孔模块连接，另一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块左下角的微桥支撑和电连接孔模块连接。
5.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述共享模式为平行共享模式，从上到下，在奇数行的每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块左上角的微桥支撑和电连接孔模块连接，另一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块右下角的微桥支撑和电连接孔模块连接；当在像元电阻偶数行时，每个像元电阻的一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块左上角的微桥支撑和电连接孔模块连接，另一端与位于所述像元电阻对应位置反射层模块右下角的微桥支撑和电连接孔模块连接。
6.根据权利要求2-5任意一个所述的红外探测器，其特征在于，所述传感单元还包括盲元，所述像元阵列的每一列像元电阻共享一个盲元，相邻两行像元电阻的共享端为所述微桥支撑和电连接孔模块第一像元电阻共享端，所述相邻两行像元电阻的另一端为所述微桥支撑和电连接孔模块第二像元电阻共享端，所述微桥支撑和电连接孔模块第二像元电阻共享端由其相邻行的像元电阻共享；如果所述第一像元共享端接电源端或接地端，所述第二像元共享端与所述盲元的一端相接；或者，如果所述第二像元共享端接电源端或接地端，所述第一像元共享端与所述盲元的一端相接。
7.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述反射层模块采用金属铝材料制成。
8.一种红外探测器的制备方法，其特征在于，包括：
步骤S1：采用COMS工艺形成反射支撑层；其中，所述反射支撑层包括如权利要求1-6任意一个所述的反射层模块和所述微桥支撑和电连接孔模块；
步骤S2：在所述反射支撑层上面生长一防反射层；
步骤S3：在所述防反射层完成如权利要求1-6任意一个所述的微桥谐振腔的制备；
步骤S4：使用高温释放工艺，去除所述的微桥谐振腔中的牺牲层和所述反射支撑层上面生长的防反射层。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述防反射层为金属氮化物层。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在步骤S4中使用高温释放工艺时，通过采用XeF2气体将所述金属氮化物层去除。
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