CN112710402B - 谐振式热红外传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种谐振式热红外传感器及其制备方法，具体涉及一种带有复合式声子晶体结构支撑梁的谐振式热红外传感器及其制备方法。本发明主要利用复合式声子晶体结构包含的多种声学禁带，既可以在谐振式热红外传感器工作频率段产生声子禁带降低谐振振子的锚点损耗，提高谐振式热红外传感器的品质因子(Q)，又可以在热声子频段产生热声子禁带，减小热损耗，提高谐振式热红外传感器的灵敏度和分辨率。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种谐振式热红外传感器及其制备方法。
背景技术
红外传感器根据工作原理的不同主要分为光子探测和热探测红外传感器。光子探测红外传感器主要是利用某些材料的光电效应，红外光子将材料束缚态电子激发成传导电子，使材料的电学参数发生变化，从而导致电信号的变化。其响应速度较快，但是一般需要在低温下进行，而且光敏材料制备难度较大。热探测红外传感器主要通过红外辐射的热效应而引起温度升高，从而造成与温度相关的物理性能发生变化。热探测红外传感器相对光子探测红外传感器，具有体积小、质量轻和不需要制冷的优势，但是存在灵敏度低等问题。
随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)的快速发展,谐振式热红外传感器作为一种新型的热探测红外传感器不断涌现。这类传感器是利用温度变化引起谐振器件的谐振频率变化的原理制成的，具有体积小、准数字输出、抗干扰能力强等优点。但是，目前谐振式热红外传感器受锚点损耗的影响，其品质因数较低，另外受支撑梁热导的制约，抑制了谐振振子温度的升高，降低了谐振频率的变化，导致其灵敏度不高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种谐振式热红外传感器及其制备方法，即设计了一种带有复合式声子晶体结构支撑梁的谐振式热红外传感器，该复合式声子晶体结构由两种或者多种声子晶体结构组成，同时具备该两种或者多种声子晶体结构所对应的声学禁带，可以同时实现减震和隔热，从而同时提高谐振式热红外传感器的品质因数和灵敏度。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种谐振式热红外传感器，其特征在于：包括谐振振子、红外吸收层和支撑梁；所述红外吸收层位于谐振振子上方；所述支撑梁部分或全部由复合式声子晶体结构组成；
所述复合式声子晶体结构由主声子晶体结构构成；所述主声子晶体结构内部包含有次声子晶体结构；
所述主声子晶体结构的特征尺寸为厘米到微米级别，所对应的声学禁带涵盖从KHz到GHz频段；所述次声子晶体结构的特征尺寸为微米到纳米级别，所对应的声学禁带涵盖从GHz到THz频段；所述复合式声子晶体结构同时具备主声子晶体结构、次声子晶体结构所对应的声学禁带，即能同时具备声波、特声波和热频段声学禁带。
作为优选方案，所述复合式声子晶体结构中的孔洞为圆柱体、方柱体、棱柱体、球或十字柱体中任一种；所述点柱结构为圆柱体、方柱体、棱柱体、球或十字柱体中任一种。
进一步地，所述复合式声子晶体结构包含主声子晶体结构即第一声子晶体结构，所述第一声子晶体结构由含有孔洞或者点柱结构的第一周期性单元组成；所述第一声子晶体结构的特征尺寸为a1,b1,c1,d1,e1；a1＝b1,0.5a1≤c1≤a1，0.5a1≤d1≤0.9a1,0.5a1≤e1≤d1；
所述第一周期性单元包含有次声子晶体结构，即第二声子晶体结构；所述第二声子晶体结构由含有孔洞或者点柱结构的第二周期性单元组成；所述第二声子晶体结构的特征尺寸为a2,b2,c2,r2；a2＝b2＝c2，0.4a2≤r2＜0.5a2；
所述第二周期性单元包含有其它声子晶体结构，即第三声子晶体结构和第四声子晶体结构；所述第三声子晶体结构、第四声子晶体结构分别由含有孔洞或者点柱结构的第三周期性单元、第四周期性单元组成；所述第三声子晶体结构和第四声子晶体结构的特征尺寸为a3,b3,c3,r3,a3＝b3＝c3，0.4a3≤r3＜0.5a3；以及a4,b4,c4,r4,a4＝b4＝c4，0.4a4≤r4＜0.5a4。
更进一步地，所述红外吸收层材料为黑硅、氧化硅、氮化硅或氧化硅-氮化硅叠层中任一种。
更进一步地，所述谐振振子形状为梁、音叉、板、圆盘或圆环中任一种；
所述谐振振子能工作在弯曲模态、扭转模态或体模态；
所述谐振振子驱动及检测方式为静电驱动-电容检测、静电驱动-压阻检测或压电驱动-压电检测中任一种。
更进一步地，所述静电驱动-电容检测和静电驱动-压阻检测谐振振子由结构层组成；所述压电驱动-压电检测谐振振子由结构层和位于结构层上方的压电叠层组成，其中：
所述压电叠层由下电极-压电薄膜-上电极堆叠组成；
所述压电薄膜为氮化铝、钪掺杂氮化铝、锆钛酸铅或氧化锌中任一种。
更进一步地，所述谐振振子的结构层材料为单晶硅、多晶硅、碳化硅、多晶锗化硅或金刚石中任一种。
具体来说，上述复合式声子晶体结构由主(第一)声子晶体结构构成；主(第一)声子晶体结构内部包含有次(第二)声子晶体结构；次(第二)声子晶体结构内部或包含有其它(第三，第四…)声子晶体结构。且同时具备该两种或者多种声子晶体结构所对应的声学禁带。第一声子晶体结构的特征尺寸为厘米到微米级别，所对应的声学禁带涵盖从KHz到GHz频段；所述第二声子晶体结构的特征尺寸可为微米到纳米级别，所对应的声学禁带涵盖从GHz到THz频段。
上述复合式声子晶体结构中的孔洞为圆柱体、方柱体、棱柱体、球或十字柱体中任一种；所述点柱结构为圆柱体、方柱体、棱柱体、球或十字柱体中任一种。红外吸收层材料可以是黑硅、氧化硅、氮化硅或氧化硅-氮化硅叠层等。谐振振子形状可以是梁、音叉、板、圆盘、圆环等；谐振振子可以工作在弯曲模态、扭转模态、体模态等；
上述压电薄膜可以是氮化铝(AlN)、钪掺杂氮化铝(ScAlN)、锆钛酸铅(PZT)和氧化锌(ZnO)等。谐振振子的结构层材料可以是单晶硅、多晶硅、碳化硅、多晶锗化硅或金刚石等。
第二方面，本发明提供一种制备上述谐振式热红外传感器的方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)准备一带空腔的绝缘衬底上硅CSOI衬底，CSOI的器件层为P型重掺杂的单晶硅；
2)通过光刻工艺图形化器件和声子晶体区域，在声子晶体区域利用电化学腐蚀工艺制备出三维多孔硅结构，多孔硅的特征尺寸即为第二声子晶体结构的特征尺寸；
3)通过热氧化或者低压化学气相沉积(Low pressure chemical vapordeposition，LPCVD)工艺在CSOI衬底上生长0.2-1μm厚的氧化硅，或利用LPCVD工艺在CSOI衬底上生长0.2-1μm厚的氮化硅层，或者氧化硅/氮化硅电介质叠层作为红外吸收层。然后通过光刻工艺图形化红外吸收层区域，利用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺刻蚀氧化硅或氮化硅制备红外吸收层结构；
4)通过光刻工艺在声子晶体区域图形化第一声子晶体结构，在器件区域图形化谐振振子结构，然后利用深反应离子刻蚀工艺刻蚀CSOI器件层的单晶硅和多孔硅制备出谐振振子结构和第一声子晶体结构。
作为优选方案，另一种如上述带有复合式声子晶体结构支撑梁的谐振式热红外传感器的制备方法，包括如下步骤：
1)准备一带空腔的绝缘衬底上硅CSOI(Cavity-Silicon-on Insulator，CSOI)衬底，CSOI的器件层为P型重掺杂的单晶硅；
2)通过光刻工艺图形化器件和声子晶体区域，在声子晶体区域利用电化学腐蚀工艺制备出三维多孔硅结构，多孔硅的特征尺寸即为第二声子晶体结构的特征尺寸；
3)通过溅射工艺在CSOI衬底器件层硅上生长电极/AlN/电极压电叠层，并利用图案化光刻以及刻蚀技术，刻蚀留下图案化结构，作为压电叠层；
4)通过热氧化或者低压化学气相沉积(Low pressure chemical vapordeposition，LPCVD)工艺在CSOI衬底上生长0.2-1μm厚的氧化硅，或利用LPCVD工艺在CSOI衬底上生长0.2-1μm厚的氮化硅层，或者氧化硅/氮化硅电介质叠层作为红外吸收层。然后通过光刻工艺图形化红外吸收层区域，利用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺刻蚀氧化硅或氮化硅制备红外吸收层结构；
5)通过光刻工艺在声子晶体区域图形化第一声子晶体结构，在器件区域图形化谐振振子结构，然后利用深反应离子刻蚀工艺刻蚀CSOI器件层的单晶硅和多孔硅制备出谐振振子结构和第一声子晶体结构。
上述制备方法的2个方案主要区别在于：增加了一个步骤N)【即优选方案中的步骤3)】：通过溅射工艺在CSOI衬底器件层硅上生长电极/AlN/电极压电叠层，并利用图案化光刻以及刻蚀技术，刻蚀留下图案化结构，作为压电叠层。
具体来说，本发明方案中的复合式声子晶体结构：
包括两种或者多种声子晶体结构：复合式声子晶体结构由主(第一)声子晶体结构构成；主(第一)声子晶体结构内部包含有次(第二)声子晶体结构；次(第二)声子晶体结构内部或包含有其它(第三，第四)声子晶体结构。
两种或者多种声子晶体结构组成一种复合式的声子晶体结构，同时具备该两种或者多种声子晶体结构所对应的声学禁带。
主(第一)声子晶体结构由含有孔洞或者点柱等结构的主(第一)周期性单元组成，主(第一)声子晶体结构的特征尺寸为a1,b1,c1,d1,e1；a1＝b1,0.5a1≤c1≤a1，0.5a1≤d1≤0.9a1,0.5a1≤e1≤d1；
主(第一)周期性单元包含有次(第二)声子晶体结构；
次(第二)声子晶体结构由含有孔洞或者点柱等结构的次(第二)周期性单元组成，次(第二)声子晶体结构的特征尺寸为a2,b2,c2,r2；a2＝b2＝c2，0.4a2≤r2＜0.5a2；
次(第二)周期性单元包含有其它(第三，第四)声子晶体结构；
其它(第三，第四)声子晶体结构由含有孔洞或者点柱等结构的其它(第三，第四)周期性单元组成，其它(第三，第四)声子晶体结构的特征尺寸为a3,b3,c3,r3,a3＝b3＝c3，0.4a3≤r3＜0.5a3；以及a4,b4,c4,r4,a4＝b4＝c4，0.4a4≤r4＜0.5a4。
复合式声子晶体结构，复合式声子晶体结构可以是一维声子晶体结构、二维声子晶体结构，或者三维声子晶体结构，也可以是上述三种晶体结构的自由组合。
复合式声子晶体结构，复合式声子晶体结构中的孔洞可以是圆柱体、方柱体、棱柱体，球，也可以是十字柱体；点柱结构可以是圆柱体、方柱体、棱柱体，也可以是十字柱体。
复合式声子晶体结构包含有主(第一)声子晶体结构，主(第一)声子晶体结构的特征尺寸可以在厘米到微米级别，所对应的声学禁带可以涵盖从KHz(声波)到GHz(特声波)频段；主(第一)声子晶体结构内部包含有次(第二)声子晶体结构，次(第二)声子晶体结构的特征尺寸可以在微米到纳米级别，所对应的声学禁带可以涵盖从GHz到THz(热)频段。因此，复合式声子晶体结构可以同时具备声波、特声波或者热频段声学禁带。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明的带有复合式声子晶体结构支撑梁的谐振式热红外传感器，主要是利用复合式声子晶体结构包含的多种声学禁带，既可以在谐振式热红外传感器工作频率段产生声子禁带降低谐振器的锚点损耗，提高谐振式热红外传感器的品质因子(Q)，又可以在热声子频段产生热声子禁带，减小热传导损耗，提高谐振式热红外传感器的灵敏度。
附图说明
图1：一种带有复合式声子晶体结构支撑梁的谐振式热红外传感器结构示意图，谐振振子振动模态为宽度伸张，复合式声子晶体结构支撑梁位于谐振振子宽度方向振动节点位置。
图2-1：本发明中的一维立方-方孔状复合式声子晶体结构示意图。
图2-2：图2-1中的一维立方-方孔状复合式声子晶体结构的第一声子晶体结构单元示意图。
图2-3：图2-1中的一维立方-方孔状复合式声子晶体结构的第二声子晶体结构单元示意图。
图2-1至2-3是一种典型的一维立方-方孔状复合式声子晶体结构。该复合式声子晶体结构的主声子晶体结构单元是立方-方孔状。主声子晶体结构单元的立方结构的长为a1,宽为b1,高为c1，内部方孔边长为d1。主声子晶体结构的这些特征尺寸满足产生禁带的相关条件。该复合式声子晶体结构的次声子晶体结构单元是立方-球状。次声子晶体结构单元的立方结构的长为a2,宽为b2,高为c2，内部球的半径为r2。次声子晶体结构的特征尺寸满足产生禁带的相关条件。该复合式声子晶体结构的主声子晶体结构为一维声子晶体结构，次声子晶体结构为三维声子晶体结构。
图3-1至3-4：实施例1的带有复合式声子晶体结构支撑梁的谐振式热红外传感器的具体加工工艺流程，谐振振子驱动及检测方式为静电驱动-电容检测。
图3-1：准备一带空腔的绝缘衬底上硅衬底。
图3-2：电化学腐蚀制备出三维多孔硅结构。
图3-3：沉积氧化硅并利用图案化光刻以及刻蚀技术，刻蚀留下图案化结构，作为红外吸收层结构。
图3-4：利用图案化光刻以及刻蚀技术，刻蚀留下图案化结构，作为谐振振子结构和第一声子晶体结构。
图4-1至4-5：实施例2的带有复合式声子晶体结构支撑梁的谐振式热红外传感器的具体加工工艺流程，谐振振子驱动及检测方式为压电驱动-压电检测。
图4-1：准备一带空腔的绝缘衬底上硅衬底。
图4-2：电化学腐蚀制备出三维多孔硅结构。
图4-3：溅射电极/AlN/电极压电叠层，并利用图案化光刻以及刻蚀技术，刻蚀留下图案化结构，作为压电叠层。
图4-4：沉积氧化硅并利用图案化光刻以及刻蚀技术，刻蚀留下图案化结构，作为红外吸收层结构。
图4-5：利用图案化光刻以及刻蚀技术，刻蚀留下图案化结构，作为谐振振子结构和第一声子晶体结构。
图中：1-支撑梁，2-谐振振子，3-红外吸收层，4-衬底硅，5-氧化硅，6-单晶硅，7-复合式声子晶体区域，8-压电叠层。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明实施例。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，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他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例1：
针对谐振振子驱动及检测方式为静电驱动-电容检测的谐振式热红外传感器结构，使用微加工工艺制作。整个加工过程包括：
1)准备一带空腔的绝缘衬底上硅CSOI(Cavity-Silicon-on Insulator，CSOI)衬底，CSOI的器件层为P型重掺杂的单晶硅；
2)通过光刻工艺图形化器件和声子晶体区域，在声子晶体区域利用电化学腐蚀工艺制备出三维多孔硅结构，多孔硅的特征尺寸即为第二声子晶体结构的特征尺寸；
3)通过热氧化或者低压化学气相沉积(Low pressure chemical vapordeposition，LPCVD)工艺在CSOI衬底上生长0.2-1μm厚的氧化硅，或利用LPCVD工艺在CSOI衬底上生长0.2-1μm厚的氮化硅层，或者氧化硅/氮化硅电介质叠层作为红外吸收层。然后通过光刻工艺图形化红外吸收层区域，利用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺刻蚀氧化硅或氮化硅制备红外吸收层结构；
4)通过光刻工艺在声子晶体区域图形化第一声子晶体结构，在器件区域图形化谐振振子结构，然后利用深反应离子刻蚀工艺刻蚀CSOI器件层的单晶硅和多孔硅制备出谐振振子结构和第一声子晶体结构。
实施例2：
针对谐振振子驱动及检测方式为压电驱动-压电检测的谐振式热红外传感器结构，使用微加工工艺制作。整个加工过程包括：
1)准备一带空腔的绝缘衬底上硅CSOI(Cavity-Silicon-on Insulator，CSOI)衬底，CSOI的器件层为P型重掺杂的单晶硅；
2)通过光刻工艺图形化器件和声子晶体区域，在声子晶体区域利用电化学腐蚀工艺制备出三维多孔硅结构，多孔硅的特征尺寸即为第二声子晶体结构的特征尺寸；
3)通过溅射工艺在CSOI衬底器件层硅上生长电极/AlN/电极压电叠层，并利用图案化光刻以及刻蚀技术，刻蚀留下图案化结构，作为压电叠层；
4)通过热氧化或者低压化学气相沉积(Low pressure chemical vapordeposition，LPCVD)工艺在CSOI衬底上生长0.2-1μm厚的氧化硅，或利用LPCVD工艺在CSOI衬底上生长0.2-1μm厚的氮化硅层，或者氧化硅/氮化硅电介质叠层作为红外吸收层。然后通过光刻工艺图形化红外吸收层区域，利用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺刻蚀氧化硅或氮化硅制备红外吸收层结构；
5)通过光刻工艺在声子晶体区域图形化第一声子晶体结构，在器件区域图形化谐振振子结构，然后利用深反应离子刻蚀工艺刻蚀CSOI器件层的单晶硅和多孔硅制备出谐振振子结构和第一声子晶体结构。
Claims (10)
1.一种谐振式热红外传感器，其特征在于：包括谐振振子、红外吸收层和支撑梁；所述红外吸收层位于谐振振子上方；所述支撑梁部分或全部由复合式声子晶体结构组成；
所述复合式声子晶体结构由主声子晶体结构构成；所述主声子晶体结构内部包含有次声子晶体结构；
所述主声子晶体结构的特征尺寸为厘米到微米级别，所对应的声学禁带涵盖从KHz到GHz频段；所述次声子晶体结构的特征尺寸为微米到纳米级别，所对应的声学禁带涵盖从GHz到THz频段；所述复合式声子晶体结构同时具备主声子晶体结构、次声子晶体结构所对应的声学禁带，即能同时具备声波、特声波和热频段声学禁带；
所述谐振振子形状为板；
所述谐振振子能工作在体模态；
所述谐振振子振动模态为宽度伸张，所述复合式声子晶体结构的所述支撑梁位于所述谐振振子宽度方向振动节点位置。
2.根据权利要求1所述的谐振式热红外传感器，其特征在于：所述复合式声子晶体结构中的孔洞为圆柱体、方柱体、棱柱体、球或十字柱体中任一种；所述点柱结构为圆柱体、方柱体、棱柱体、球或十字柱体中任一种。
3.根据权利要求1或2所述的谐振式热红外传感器，其特征在于：所述复合式声子晶体结构包含主声子晶体结构即第一声子晶体结构，所述第一声子晶体结构由含有孔洞或者点柱结构的第一周期性单元组成；所述第一声子晶体结构的特征尺寸为a1,b1,c1,d1,e1；a1＝b1,0.5a1≤c1≤a1，0.5a1≤d1≤0.9a1,0.5a1≤e1≤d1；
所述第一周期性单元包含有次声子晶体结构，即第二声子晶体结构；所述第二声子晶体结构由含有孔洞或者点柱结构的第二周期性单元组成；所述第二声子晶体结构的特征尺寸为a2,b2,c2,r2；a2＝b2＝c2，0.4a2≤r2＜0.5a2；
所述第二周期性单元包含有其它声子晶体结构，即第三声子晶体结构和第四声子晶体结构；所述第三声子晶体结构、第四声子晶体结构分别由含有孔洞或者点柱结构的第三周期性单元、第四周期性单元组成；所述第三声子晶体结构和第四声子晶体结构的特征尺寸为a3,b3,c3,r3,a3＝b3＝c3，0.4a3≤r3＜0.5a3；以及a4,b4,c4,r4,a4＝b4＝c4，0.4a4≤r4＜0.5a4。
4.根据权利要求1或2所述的谐振式热红外传感器，其特征在于：所述红外吸收层材料为黑硅、氧化硅、氮化硅或氧化硅-氮化硅叠层中任一种。
5.根据权利要求3所述的谐振式热红外传感器，其特征在于：所述红外吸收层材料为黑硅、氧化硅、氮化硅或氧化硅-氮化硅叠层中任一种。
6.根据权利要求1或2或5所述的谐振式热红外传感器，其特征在于：
所述谐振振子驱动及检测方式为静电驱动-电容检测、静电驱动-压阻检测或压电驱动-压电检测中任一种。
7.根据权利要求6所述的谐振式热红外传感器，其特征在于：所述静电驱动-电容检测和静电驱动-压阻检测谐振振子由结构层组成；所述压电驱动-压电检测谐振振子由结构层和位于结构层上方的压电叠层组成，其中：
所述压电叠层由下电极-压电薄膜-上电极堆叠组成；
所述压电薄膜为氮化铝、钪掺杂氮化铝、锆钛酸铅或氧化锌中任一种。
8.根据权利要求7所述的谐振式热红外传感器，其特征在于：所述谐振振子的结构层材料为单晶硅、多晶硅、碳化硅、多晶锗化硅或金刚石中任一种。
9.一种制备如权利要求1或2或5或7或8所述谐振式热红外传感器的方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)准备一带空腔的绝缘衬底上硅CSOI衬底，CSOI的器件层为P型重掺杂的单晶硅；
2)通过光刻工艺图形化器件和声子晶体区域，在声子晶体区域利用电化学腐蚀工艺制备出三维多孔硅结构，多孔硅的特征尺寸即为第二声子晶体结构的特征尺寸；
3)通过热氧化或者低压化学气相沉积工艺在CSOI衬底上生长0.2-1μm厚的氧化硅，或利用LPCVD工艺在CSOI衬底上生长0.2-1μm厚的氮化硅层，或者氧化硅/氮化硅电介质叠层作为红外吸收层，然后通过光刻工艺图形化红外吸收层区域，利用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺刻蚀氧化硅或氮化硅制备红外吸收层结构；
4)通过光刻工艺在声子晶体区域图形化第一声子晶体结构，在器件区域图形化谐振振子结构，然后利用深反应离子刻蚀工艺刻蚀CSOI器件层的单晶硅和多孔硅制备出谐振振子结构和第一声子晶体结构。
10.根据权利要求9所述谐振式热红外传感器的制备方法，其特征在于：
所述步骤2)与步骤3)之间还包括步骤N)：通过溅射工艺在CSOI衬底器件层硅上生长电极/AlN/电极压电叠层，并利用图案化光刻以及刻蚀技术，刻蚀留下图案化结构，作为压电叠层。
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