CN112362169A - 一种非制冷红外探测器及其像元、参考元以及其制备方法 - Google Patents

一种非制冷红外探测器及其像元、参考元以及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非制冷红外探测器及其像元、参考元以及其制备方法，像元包括衬底以及桥面层，衬底上端的左右两侧分别设有桥腿，桥腿通过第一支撑腿支撑在衬底上端，桥面层的左右两侧分别通过第二支撑腿对应支撑在左右两侧的桥腿上端，衬底的上端面上设有反射层，反射层与桥面层之间形成谐振腔，桥面层、桥腿、第一支撑腿、第二支撑腿内均设有导电材料，桥面内的导电材料分别与热敏感层、第二支撑腿内的导电材料电连接，第二支撑腿内的导电材料与桥腿内的导电材料电连接，桥腿内的导电材料通过第一支撑腿内的导电材料与衬底的读出电路电连接。本发明设计和制备了高性能小尺寸非制冷红外芯片，有效的提高了非制冷红外芯片性能。

Description

一种非制冷红外探测器及其像元、参考元以及其制备方法
技术领域
本发明属于非制冷红外探测器领域，具体涉及一种非制冷红外探测器及其像元、参考元以及其制备方法。
背景技术
红外探测器广泛应用于安防，国防和健康医疗领域，它分为制冷型红外探测器和非制冷红外探测器，非制冷红外探测器因为其具有体积小、功耗低、重量轻和价格低等优势越来越得到广泛的利用。目前非制冷红外探测器除了在国防军事领域的广泛用途外，在民用领域的用途也越来越广泛。在民用领域的推广使用，探测器的小型化和降低成本的趋势越来越重要。通过降低像元的尺寸将使探测器的小型化和低成本变的切实可行。像元尺寸从最初的37μm到25μm，再到主流的17μm，降低至目前产品最小的12微米。同时为了在特定领域满足非制冷红外探测器大的视场角、清晰图像和高性能要求，大面阵非制冷红外探测器的需求也日益广泛。
为了提高可视范围，增加视场角，提高画面细腻感，非制冷红外芯片大面阵应用的场景越来越多，大面阵同样需求更短的扫描时间，带来一致的动态画面，从而带来生动的视频画面。现在大面阵阵列包括640*512,800*600,1024*1024等面阵。
非制冷红外焦平面阵列采用悬空结构，通过设计悬空的间距达到红外波长(8μm-14μm)的最大吸收，同时为了减少热损失，采用微桥结构，减少真空状态下的热传导。非制冷红外芯片的红外吸收材料一般采用SINx、SiOx、SiON或者TiN、Ti、NiCr等材料。吸收率与材料的组分、材料的厚度和结构设计相关。热敏感元材料一般采用非晶硅和氧化钒等材料，它通过温度的变化引起阻抗的变化，这个变化率称之为电阻温度系数(TCR)，它的数值越大代表温度对电阻变化越大，反馈到读出电路中的信号越强，TCR与材料的成分、价态、缺陷比例和制备工艺相关。同时热敏感元材料会带来噪声电流，它对探测器的性能带来负面影响，它同样与材料的性质和制备工艺相关。在设计和制备热敏感元材料的过程中，期望它有大的TCR和小的材料噪声。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种非制冷红外探测器及其像元、参考元以及其制备方法，其像元尺寸小，且采用双层结构，有效提高像元的填充率，增加红外吸收，同时降低了热导，减少了热损失，极大的提高了探测器性能。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种非制冷红外探测器像元，包括设有读出电路的衬底以及设有热敏感层的桥面层，所述衬底上端的左右两侧分别设有桥腿，所述桥腿通过第一支撑腿支撑在衬底上端，所述桥面层的左右两侧分别通过第二支撑腿对应支撑在左右两侧的桥腿上端，所述衬底的上端面上设有反射层，反射层与桥面层之间形成谐振腔，所述桥面层、桥腿、第一支撑腿、第二支撑腿内均设有导电材料，所述桥面内的导电材料分别与热敏感层、第二支撑腿内的导电材料电连接，第二支撑腿内的导电材料与桥腿内的导电材料电连接，桥腿内的导电材料通过第一支撑腿内的导电材料与衬底的读出电路电连接。
进一步地，所述桥腿沿水平方向呈蛇形折弯；每个折弯部均为垂直折弯；所述桥腿的横截面呈矩形；所述桥腿的下端固定有第一支撑腿。
进一步地，所述桥腿的两端分别设置第一支撑腿；衬底两侧的桥腿间隔且对称设置；桥腿采用两层非金属材料夹杂一层金属材料；非金属材料采用氮化硅材料，中间的金属材料作为导电材料，采用Ti或者TiN材料。
进一步地，所述桥面层的横截面呈倒凸字形，所述桥面层的两侧下端分别设置第二支撑腿，用于支撑桥面层；桥面层与反射层之间的距离为λ/4，λ为长波红外波长；
所述桥面层包括由下至上依次设置的下层桥面红外吸收层、热敏感层和上层桥面红外吸收层。
进一步地，热敏感层采用氧化钒材料；下层桥面红外吸收层采用SIN材料；上层桥面红外吸收层采用SIN材料；上层桥面红外吸收层内还沉积有导电材料，用于将热敏感层与第二支撑腿内的导电材料电连接；所述导电材料为Ti或者TiN材料。
本发明公开了一种非制冷红外探测器参考元，包括上述非制冷红外探测器像元，在该像元的桥面层上方设有遮光层，用于屏蔽红外辐射。
进一步地，所述遮光层罩住整个像元；所述遮光层包括由内向外依次设置的第一氧化硅层、铝层、第二氧化硅层。
本发明公开了一种非制冷红外探测器，包括红外探测器阵列和读出电路，所述红外探测器阵列包括有效元和参考元，所述有效元采用上述非制冷红外探测器像元结构，所述参考元采用上述非制冷红外探测器参考元结构，所述读出电路用于将有效元与参考元的输出电流差值即目标红外辐射产生的电流进行放大，输出电压信号，通过该信号转变为红外图像。
进一步地，读出电路包括放大器，所述有效元的一端与电源正极连接，电源负极接地，有效元的另一端与放大器的输入端电连接，参考元的一端接地，参考元的另一端与放大器的输入端电连接；
有效元与放大器的输入端之间连接有第一开关Q1，参考元与放大器的输入端之间连接有第二开关Q2；所述第一开关Q1、第二开关Q2的控制端分别与处理器的输出端电连接，通过处理器分别控制第一开关Q1、第二开关Q2的通断。
本发明提供了一种非制冷红外探测器的制备方法，包括如下步骤：
提供一包含读出电路的半导体衬底，在半导体衬底上制备若干呈阵列分布的上述非制冷红外探测器像元结构；
在参考元区域、有效元区域均沉积牺牲层材料，沉积的牺牲层材料的厚度大于非制冷红外探测器像元结构的高度，高温固化牺牲层材料；
在参考元区域绕非制冷红外探测器像元结构周边刻蚀出沟槽，控制刻蚀深度至半导体衬底，然后在包含沟槽在内的参考元区域依次沉积第一支撑材料、遮光材料和第二支撑材料，形成遮光层；
在遮光层设置释放孔，释放所有牺牲层材料，形成非制冷红外探测器。
本发明至少具有如下有益效果：本发明采用12μm小像元，面阵为640*512规格，设计和制备了高性能小尺寸非制冷红外芯片。
本发明采用双层结构，有效提高像元的填充率，增加红外吸收，同时增加了桥腿长度，降低了热导，减少了热损失，极大的提高了探测器性能，与大尺寸(比如17um)性能结果相当。
本发明采用优化的膜层结构和谐振腔高度，设计了高的红外吸收率模型，并且成功的在制备工艺中实现。
本发明采用0.3μm的极小光刻工艺，制备了稳定了桥腿结构，有效的提高了非制冷红外芯片性能，及封装后探测器的成像效果。
本发明成功制备了高红外吸收材料，有效的提高了红外芯片性能，提升了产品性能。
本发明采用了光学参考元设计，并且通过增加一层释放层的工艺成功实现了悬空结构且具备遮光层的光学参考元。本发明参考元采用光学参考元的模式，参考元采用悬空结构，与有效元一致，使其热容热导与有效元一致，从而与有效元产生的噪声电流和自热效应一致，在参考元上方增加了金属遮挡层，有效的屏蔽了红外辐射，从而在偏执电流设置上更准确更精细。
本发明在有效元设计上匹配了合理的热容与热导，达到很低的等效噪声温差(NETD)，同时做到较小的热响应时间，满足非制冷红外探测器更广泛的应用领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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它的附图。
图1为本发明的12μm小像元间距示意图；
图2为本发明的非制冷红外探测器像元的俯视示意图；
图3为本发明的非制冷红外探测器像元的结构示意图；
图4为本发明的小CD桥腿的一个实施例的结构示意图；
图5为图4的左视图；
图6为本发明的小CD桥腿的另一个实施例的结构示意图；
图7为本发明的桥腿的第一实施例矩形的截面示意图；
图8为本发明的桥腿的第二实施例倒T型的截面示意图；
图9为本发明的桥腿的第三实施例正T型的截面示意图；
图10为本发明的参考元结构示意图；
图11为本发明的非制冷红外探测器的电路示意图。
附图中，1为衬底，2为反射层，3为桥腿，31为横向段，32为纵向段，4为第一支撑腿，5为桥面层，51为热敏感层，52为下层桥面红外吸收层，53为上层桥面红外吸收层，6为第二支撑腿，7为导电材料，8为导通孔。
具体实施方式
下面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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图11，本发明实施例提供一种本发明公开了一种非制冷红外探测器像元，包括设有读出电路的衬底1以及设有热敏感层51的桥面层5，所述衬底1上端的左右两侧分别设有桥腿3，所述桥腿3通过第一支撑腿4支撑在衬底1上端，所述桥面层5的左右两侧分别通过第二支撑腿6对应支撑在左右两侧的桥腿3上端，所述衬底1的上端面上设有反射层2，反射层2与桥面层5之间形成谐振腔，所述桥面层5、桥腿3、第一支撑腿4、第二支撑腿6内均设有导电材料7，所述桥面内的导电材料7分别与热敏感层51、第二支撑腿6内的导电材料7电连接，第二支撑腿6内的导电材料7与桥腿3内的导电材料7电连接，桥腿3内的导电材料7通过第一支撑腿4内的导电材料7与衬底1的读出电路电连接。本发明采用了特殊的双层有效元结构，有效的提高了非制冷红外芯片的填充率和热导，得到优异性能。本发明设计了最佳的悬空距离(2.0μm-2.2μm)和膜层结构，得到高的红外吸收率(>90％)。
进一步地，所述桥腿3沿水平方向呈蛇形折弯；每个折弯部均为垂直折弯，所述桥腿3的下端固定有第一支撑腿4。本发明的桥腿3的两种实施例如图4和图6所示。优选地，本实施例采用图4的方案，桥腿3经过几次折弯后，具有多个长度相同且相互平行的横向段31，相邻的两个横向段31之间连接有纵向段32，纵向段32与横向段31垂直。桥腿宽度为0.3μm；且桥腿的相邻两个横向段之间间距为0.3μm。
本实施例采用的是0.25μm的光刻工艺定义桥腿3宽度，制造出稳定和低热导桥腿3结构。
进一步地，所述桥腿3的两端分别设置第一支撑腿4；衬底1两侧的桥腿3间隔且对称设置。桥腿采用两层非金属材料夹杂一层金属材料；非金属材料采用氮化硅材料，中间的金属材料采用Ti或者TiN材料。
进一步地，所述桥面层5的横截面呈倒凸字形，所述桥面层5的两侧下端分别设置第二支撑腿6，用于支撑桥面层5。桥面层与反射层之间的距离为λ/4，λ为长波红外波长。第二支撑腿与第一支撑腿对应设置。
所述桥面层包括由下至上依次设置的下层桥面红外吸收层52、热敏感层51和上层桥面红外吸收层53。
进一步地，热敏感层采用氧化钒材料；下层桥面红外吸收层采用SIN材料；上层桥面红外吸收层采用SIN材料和TIN材料；热敏感层与上层桥面红外吸收层内的TIN材料电连接；上层桥面红外吸收层内的TIN材料与第一支撑腿内的TIN材料电连接。TIN材料为导电材料。
本发明公开了一种非制冷红外探测器参考元，包括上述非制冷红外探测器像元，在该像元的桥面层5上方设有遮光层。
进一步地，所述遮光层罩住整个像元；所述遮光层包括由内向外依次设置的第一氧化硅层、铝层、第二氧化硅层。
本发明公开了一种非制冷红外探测器，包括衬底1红外探测器阵列和读出电路，所述红外探测器阵列包括有效元和参考元，所述有效元采用上述非制冷红外探测器像元结构，所述参考元采用上述非制冷红外探测器参考元结构，所述读出电路用于将有效元与参考元的输出电流差值进行积分放大，输出目标红外辐射产生的电流，目标红外辐射电流通过放大器放大后，输出电压信号。
进一步地，所述有效元的一端通过第一开关Q1接地，有效元的另一端通过第一开关Q1与放大器的输入端电连接，参考元的一端接地，参考元的另一端通过第二开关Q2与放大器的输入端电连接。
进一步地，读出电路包括处理器，所述第一开关Q1、第一开关Q1、第二开关Q2的控制端分别与处理器的输出端电连接，通过处理器分别控制第一开关Q1、第一开关Q1、第二开关Q2的通断。
本发明采用的是12um像元，如图1所示12μm是像元与像元之间的间距，面阵为640*512，一个非制冷红外芯片有512列640行组成，图2为12μm像元俯视图。桥面层5包括吸收层材料和热敏感元材料(氧化钒)，以及上下导通孔8以及导电材料7，导通孔8通过导电材料保证热敏感元材料与桥腿3的电学接触。像元越小对应芯片和探测器的体积越小，可使非制冷红外探测器小型化，轻量化和低成本。大面阵芯片视场角大，成像画面更细腻，成像效果更好，小像元大面阵同时兼顾了小型化和高性能这两项非制冷红外探测器的重要性能。
本发明采用的双层结构，如图3所示，桥腿3作为第一层，桥面作为第二层，桥腿3与反射层2之间距离L1为λ/8，λ为长波红外波长(8-14μm)，为1.0-1.1μm，桥腿3与桥面距离L2为λ/8，为1.0-1.1μm，那么桥面与反射镜之间距离L3为λ/4，为2.0-2.2μm，保证了对长波红外的最大吸收。
桥腿3与读出电路之间，桥面与桥腿3之间是通过上下通孔进行电学连接，从而保证了畅通的电学信号输出。
本发明实施例还提供了一种非制冷红外探测器的制备方法，包括如下步骤：
提供一包含读出电路的半导体衬底，在半导体衬底上制备若干呈阵列分布的上述非制冷红外探测器像元结构；
在参考元区域、有效元区域均沉积牺牲层材料，沉积的牺牲层材料的厚度大于非制冷红外探测器像元结构的高度，高温固化牺牲层材料；
在参考元区域绕非制冷红外探测器像元结构周边刻蚀出沟槽，控制刻蚀深度至半导体衬底，然后在包含沟槽在内的参考元区域依次沉积第一支撑材料、遮光材料和第二支撑材料，形成遮光层；
在遮光层设置释放孔，释放所有牺牲层材料，形成非制冷红外探测器。
在设有读出电路(CMOS)的衬底1上制备第一层反射镜工艺，反射镜材料主要由铝(AL)组成，它对红外有高的反射率，且制备工艺成熟。为了使AL材料与读出电路有良好的电学接触，在沉积AL工艺之前沉积一层金属钛(Ti)作为粘附层，减少接触电阻的阻抗。制备本专利的悬空结构采用容易释放的聚酰亚胺(PI)材料，它主要由C、H、O元素组成的有机材料，在等离子体(plasma)的条件下可以与O2气体充分反应，反应生成物为气体，可被真空泵充分抽走，该反应对其他无机材料不易损伤，可确保结构的稳定性和膜层材料的完整性。该材料涂覆完成后需高温进行交联固化，固化温度为(250℃-400℃)，固化工艺为化学反应，反应后可确保用O2完全反应释放。
本发明的桥腿3工艺采用三明治结构，两层非金属材料夹杂一层金属材料，非金属材料采用刚性强的氮化硅材料，对结构有很好的支撑作用，同时它具有较小的热导，热损失较小，中间的金属材料采用Ti或者TiN材料，与其它金属材料相比，它的热导较小，同时阻抗小具有良好的导电性能，电流的损耗较少，可有效的提高非制冷红外芯片的性能。
桥腿3的宽度是决定热导的关键，它的CD(关键尺寸)决定了热导的大小，CD越大，热导越大，CD越小，热导越小，但CD的尺寸由光刻工艺决定，桥腿3的CD也是MEMS工艺中最小的CD尺寸，本专利采用ASML机台I-Line(波长365nm)光源成功的制备了稳定的0.3μm宽度的桥腿3，且桥腿3之间间距也为0.3μm，桥腿3CD除了与光刻工艺相关，还与涂胶工艺，刻蚀工艺相关。涂胶工艺中光阻的成分对小CD的工艺非常重要。采用粘度较低厚度较小的光阻适用桥腿3工艺。
从图7至9的桥腿3形貌来看，因为采用的是三明治结构，截面形貌可分为矩形结构、倒T型结构和正T型结构，矩形结构三层图形CD一致，对结构的稳定性有帮助，是期望的形貌，倒T型结构因为上下膜层CD差异大，对结构的稳定性不利，正T型结构因为下膜层的CD大，从而热导增加，影响探测器的NETD。这些结构形貌，主要由干法刻蚀工艺决定，干法刻蚀采用等离子体化学刻蚀，产生等离子体有两个射频引发器，一个主射频引发器，一个偏压射频引发器，调整偏压射频功率(100w-150w)，可很好的控制刻蚀形貌，同时等离子体刻蚀中主要刻蚀气体为含F的化学气体(如：CF4，C2F6)，为了增加侧壁的保护，在刻蚀气体中增加了小流量的O2气体(10sccm-20sccm),这样就可获得矩形的剖面形貌。
为了获得矩形的小尺寸桥腿3剖面形貌，光刻工艺也需调试，光刻工艺主要有涂胶，曝光和显影工艺组成，其中曝光工艺最为关键，同时涂胶工艺也对关键尺寸有重要的影响，采用溶剂含量高粘度低的光阻材料，可以旋涂成厚度很低的光刻胶，对小CD的光刻工艺非常有效，。同时也保证了整个桥腿3的均一性和稳定性要求。
本发明包括桥腿3结构的设计，非制冷红外芯片的结构稳定性和平整度是非常关键的，因为是悬空状结构，并且采用了双层结构，桥腿3和桥面的平整度要求更高，因为它直接影响了非制冷红外探测器的性能和可靠性，桥腿3的设计对结构的平整度有直接影响。图4中桥腿3设计长度分布一致，应力分布均匀，对结构的平整度和稳定性有利，图6中桥腿3设计长短相间，分布不均，影响应力分布，对结构平整度造成不利影响。本实施例采用的是图4的桥腿3设计，可保证MEMS结构的稳定性和平整度。
本发明热敏感元材料采用氧化钒材料，电阻温度系数(TCR)是温度变化对电阻率的变化，大的TCR可降低探测器NETD，提高探测器性能，但是氧化钒材料为晶体和非晶体的混合材料，制备工艺中容易产生材料缺陷，因为缺陷会增加材料噪声，噪声的增加将给非制冷红外探测器带来负面影响。本发明采用高真空的物理气相沉积设备，制备高TCR低缺陷的氧化钒材料。采用纯度99.99％的钒靶材，在高真空环境(1.0*10-7mbar)下，通过DC功率源，功率(100W-300W)条件下用氩气轰击靶材，同时通入低流量O2(1sccm-10sccm)得到高纯度高TCR的氧化钒材料。氧化钒材料在常温(23℃)TCR大约在2％-2.5％之间。本发明采用PVD方式制备了高性能的氧化钒热敏感元材料，具备高的氧化钒材料纯度和低的缺陷密度，使其具有高的TCR和低的噪声系数，极大的提高了产品性能。
本发明设计了高吸收率红外芯片模型，在长波区域(8μm-14μm)，仿真设计结果显示吸收率可达到90％以上。吸收率与结构设计，膜层匹配和膜层材料相关。设计了2.0μm-2.2μm谐振腔，根据λ/4理论，红外长波的能量损失最小。同时我们采用高吸收率的红外SIN材料和很薄的TiN材料，SIN材料采用的等离子体增强化学气相增强(PECVD)工艺制备，沉积温度设定为(200℃-300℃)，沉积压力2Torr-4Torr之间，源气体SiH4和NH3采用低流量(20sccm-30sccm)设定，这时沉积的SIN材料具有低应力，高RI值，以及致密的膜层特性，适用于非制冷红外芯片的吸收材料。TiN材料采用的是物理气相沉积(PVD)方式，在高纯度的Ti靶材环境下通入N2，采用低功率的方式，制备高致密度高阻抗的TiN材料，作为吸收层材料，TiN必须沉积非常薄的厚度，大约在5nm-8nm之间，测试的方块电阻在350欧姆，在这个阻抗下对红外波长的反射最低和吸收最强，高阻抗TiN材料可作为优秀的高吸收率红外吸收材料7。因为膜层厚度薄，沉积的均匀性较难控制，我们采用美国应用材料公司(AMAT)高性能PVD机台，它具备高的温度均匀性和等离子体密度均匀性，从而保证TiN材料的均一性高(<3％)。
本专利的参考元为有效元提供参考电压，它不受红外辐射能量的影响，普通参考元的设计采用衬底1热短的方式，即参考元区域不释放，而且遮光层直接沉积在像素表面，遮挡红外辐射对参考元阻值的影响。但是普通参考元与有效元相比，采用不释放非悬空状结构，而且比有效元多了遮光层，普通参考元的热容与热导与有效元较大的差异，它的自热效应与有效元也不一致，从而它并不能准确的给有效元提供参考电压。
本发明采用的光学参考元设计，如图10所示，参考元提供参考电压，结构设计与有效元设计一致，参考元上方有遮光层，无红外辐射。通过参考元与有效元的对比，可以准确的测量出红外辐射的能量。光学参考元的设计与普通参考元的设计，工艺差别较大，光学参考元工艺为有效元工艺完成后，再增加一层PI材料，然后高温固化(250℃-350℃)。通过在参考元区域刻蚀出环绕有效元一圈的沟槽，该沟槽刻蚀到反射镜位置，如图10所示。然后分别沉积SiO2材料、Al材料和SiO2材料，SiO2材料对遮光层起到很好的支撑作用，因为SiO2材料通过CVD的方式沉积，具有良好的阶梯覆盖性，可以很好的在沟槽内实现遮光层侧壁的沉积，对参考元区域有很好的隔离，AL材料作为遮光材料使用。因为遮光层需在参考元区域，有效元区域的牺牲层材料(PI)需去除，采取干法刻蚀的工艺将其去除。在参考元区域的遮光层设有释放孔，从而在释放工艺中将遮光层内的牺牲层材料(PI)全部去除，从而使参考元与有效元一致的悬空状结构。遮光层将整个有效元罩在里面，形成参考元。
本发明的光学参考元设计更精准的计算出目标红外辐射的能量，如图11所示，有效元与光学参考元结构一致，膜层一致，且释放后都是悬空状结构，可以确保光学参考元与有效元的自热效应一致，当外加偏置电压一致后，光学参考元因为有遮光层，当目标红外辐射后，光学参考元没有红外辐射，无温度的变化，参考元中热敏感元的阻值没有变化，从而输出电流与红外辐射前是一致的，有效元因为有效的吸收了目标红外能量，悬空结构的状态下温度变化，从而带来热敏感元材料阻值的变化，从而输出电流与红外辐射前有变化，光学参考元和有效元的输出电流差异就是目标红外辐射产生的电流，目标红外辐射电流通过积分放大后，输出电压信号，通过该信号转变为红外图像。
本发明的非制冷红外小像元探测器低的热响应时间，可快速的响应目标温度的变化，在动态画面中无拖尾现象。热响应时间由像元的热容与热导组成，采用12μm小像元设计，优化膜层厚度，包括薄的SIN(160nm-240nm)和TIN(8nm-10nm)材料，和适中的热敏感元氧化钒材料厚度(50nm-70nm)，可大幅度的减少像元的热容。同时采用优化的桥腿3结构，设计和制备了稳定的桥腿3结构，该桥腿3热导与热容匹配，同时兼顾了NETD等指标。可确保探测器高的图像质量和低的热响应时间，本发明探测器可应用于高铁和飞机等快速移动的场景。
在桥腿3材料中同时还兼备电学导通的功能，它需与热敏感元材料有良好的电学接触，降低接触电阻的阻抗，同时也要具备较低的热导系数，采用Ti或者TiN材料，Ti和TiN材料可用物理气相溅射(PVD)的工艺制备，该工艺制备的金属材料纯度高低缺陷密度，可满足产品需求。
谐振腔工艺中，为了使吸收率取得最大值，根据红外长波波长(8μm-14μm)的λ/4的距离，结构膜层的厚度和材料的RI值，设计了2.0μm-2.2μm的谐振腔间距，达到最高的吸收率。结合工艺材料性能，采用聚酰亚胺(PI)这个材料，容易释放，与MEMS工艺兼容的，材料工艺稳定等特征，制备出定义的谐振腔。
为了提高红外能量的吸收，在谐振腔底部我们采用了反射镜结构，同时为了满足高的反射率和良好的电学接触，我们采用AL金属材料作为反射镜材料，它在半导电材料7工艺中已经得到成熟广泛的使用。
像元中的微桥结构有效的减少了热损失，称之为热导。热导与桥腿3的长度，宽度和厚度相关，也有桥腿3的材料相关。同时桥腿3也起到支撑结构，它对像元的结构稳定性也起到关键作用。桥腿3的宽度(CD)是非制冷红外芯片中的最小尺寸，它由MEMS工艺中的光刻工艺定义。
像元尺寸越小，芯片集成度越高，可使探测器和红外热像仪向小型化，轻量化和低成本方向转变。但是尺寸减少后，工艺难度增大，同时因为像元尺寸的减少对红外的吸收减少，为了维持探测器的高性能要求，采用了双层结构的设计和制造工艺，提高了像元的填充率和桥腿3的长度，保证了高的红外吸收以及低的热损失，达到优越的性能指标和成像效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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)

1.一种非制冷红外探测器像元，包括设有读出电路的衬底以及设有热敏感层的桥面层，其特征在于：所述衬底上端的左右两侧分别设有桥腿，所述桥腿通过第一支撑腿支撑在衬底上端，所述桥面层的左右两侧分别通过第二支撑腿对应支撑在左右两侧的桥腿上端，所述衬底的上端面上设有反射层，反射层与桥面层之间形成谐振腔，所述桥面层、桥腿、第一支撑腿、第二支撑腿内均设有导电材料，所述桥面内的导电材料分别与热敏感层、第二支撑腿内的导电材料电连接，第二支撑腿内的导电材料与桥腿内的导电材料电连接，桥腿内的导电材料通过第一支撑腿内的导电材料与衬底的读出电路电连接。
2.如权利要求1所述的非制冷红外探测器像元，其特征在于：所述桥腿沿水平方向呈蛇形折弯；每个折弯部均为垂直折弯；所述桥腿的横截面呈矩形；所述桥腿的下端固定有第一支撑腿。
3.如权利要求2所述的非制冷红外探测器像元，其特征在于：所述桥腿的两端分别设置第一支撑腿；衬底两侧的桥腿间隔且对称设置；桥腿采用两层非金属材料夹杂一层金属材料；非金属材料采用氮化硅材料，中间的金属材料作为导电材料，采用Ti或者TiN材料。
4.如权利要求1所述的非制冷红外探测器像元，其特征在于：所述桥面层的横截面呈倒凸字形，所述桥面层的两侧下端分别设置第二支撑腿，用于支撑桥面层；桥面层与反射层之间的距离为λ/4，λ为长波红外波长；
所述桥面层包括由下至上依次设置的下层桥面红外吸收层、热敏感层和上层桥面红外吸收层。
5.如权利要求4所述的非制冷红外探测器像元，其特征在于：热敏感层采用热敏感元材料沉积而成，下层桥面红外吸收层采用红外吸收材料沉积而成；上层桥面红外吸收层采用红外吸收材料和导电材料沉积而成；上层桥面红外吸收层内沉积的导电材料将热敏感层与第二支撑腿内的导电材料电连接；所述导电材料为Ti或者TiN材料；红外吸收材料为SIN材料；热敏感元材料为氧化钒材料。
6.一种非制冷红外探测器参考元，其特征在于：包括权利要求1至5任一所述的非制冷红外探测器像元，在该像元的桥面层上方设有遮光层，用于屏蔽红外辐射。
7.如权利要求6所述的非制冷红外探测器参考元，其特征在于：所述遮光层罩住整个像元；所述遮光层包括由内向外依次设置的第一氧化硅层、铝层、第二氧化硅层。
8.一种非制冷红外探测器，包括红外探测器阵列和读出电路，其特征在于：所述红外探测器阵列包括有效元和参考元，所述有效元采用权利要求1至4任一所述的非制冷红外探测器像元结构，所述参考元采用权利要求5或6所述的非制冷红外探测器参考元结构，所述读出电路用于将有效元与参考元的输出电流差值即目标红外辐射产生的电流进行放大，输出电压信号，通过该信号转变为红外图像。
9.如权利要求8所述的非制冷红外探测器，其特征在于：读出电路包括放大器，所述有效元的一端与电源正极连接，电源负极接地，有效元的另一端与放大器的输入端电连接，参考元的一端接地，参考元的另一端与放大器的输入端电连接；
有效元与放大器的输入端之间连接有第一开关Q1，参考元与放大器的输入端之间连接有第二开关Q2；所述第一开关Q1、第二开关Q2的控制端分别与处理器的输出端电连接，通过处理器分别控制第一开关Q1、第二开关Q2的通断。
10.一种非制冷红外探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供一包含读出电路的半导体衬底，在半导体衬底上制备若干呈阵列分布的如权利要求1至5任一所述的非制冷红外探测器像元结构；
在参考元区域、有效元区域均沉积牺牲层材料，沉积的牺牲层材料的厚度大于非制冷红外探测器像元结构的高度，高温固化牺牲层材料；
在参考元区域绕非制冷红外探测器像元结构周边刻蚀出沟槽，控制刻蚀深度至半导体衬底，然后在包含沟槽在内的参考元区域依次沉积第一支撑材料、遮光材料和第二支撑材料，形成遮光层；
在遮光层设置释放孔，释放所有牺牲层材料，形成非制冷红外探测器。
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