CN114933276B - 吸气剂像元及其制备方法、红外焦平面探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种吸气剂像元，包括基底、支撑单元、桥腿和吸气剂单元，吸气剂单元包括吸气剂层，支撑单元支承于基底上，桥腿的两端分别与吸气剂层的端部以及支撑单元的顶端连接以致吸气剂单元与基底之间具有悬空间距；于基底上形成有接电结构，通过桥腿和支撑单元实现吸气剂层与接电结构之间的电学导通。另外还涉及该吸气剂像元的制备方法以及采用该吸气剂像元的红外焦平面探测器。本发明使吸气剂单元处于悬空状态，能有效地增大吸气剂面积、提高吸气效果；吸气剂层采用电激活方式，能保证吸气剂材料的激活效果和激活效率。本发明提供的吸气剂像元，可以直接集成在红外焦平面阵列芯片上，能较好地克服阵列级封装的红外焦平面探测器的条件限制。
Description
技术领域
本发明涉及一种吸气剂像元及其制备方法以及采用该吸气剂像元的红外焦平面探测器。
背景技术
红外焦平面阵列是红外热成像仪的核心器件，红外焦平面阵列需要高真空环境才能正常工作，可利用置于真空腔内的吸气剂持续地吸收残余气体以确保真空环境的可靠性和持久性。目前，非制冷红外焦平面阵列根据不同的封装方式采用不同形式的吸气剂，有柱状吸气剂、片状吸气剂和薄膜吸气剂等；随着红外热像仪尺寸和成本的减小，柱状和片状吸气剂在尺寸上均不能满足需求，薄膜状吸气剂在小型化封装中具有明显优势。吸气剂需高温激活后才能正常使用，而非制冷红外焦平面阵列受限于使用的敏感材料，不能经受高温处理。所以，需选择合适的设计和工艺同时满足吸气剂的高温处理条件而不影响氧化钒性能，这也是非制冷红外焦平面封装小型化进程中的一个难点。
采用阵列级封装的红外探测器是采用MEMS技术形成真空微腔，将红外焦平面阵列结构封装在微腔内，阵列级封装不需要额外的晶圆或管壳，具有能显著减小红外探测器芯片尺寸和重量的优势，但同时也提高吸气剂的设置难度和高温激活难度。
发明内容
本发明涉及一种吸气剂像元及其制备方法以及采用该吸气剂像元的红外焦平面探测器，至少可解决现有技术的部分缺陷。
本发明涉及一种吸气剂像元，包括基底、支撑单元、桥腿和吸气剂单元，所述吸气剂单元包括吸气剂层，所述支撑单元支承于所述基底上，所述桥腿的两端分别与所述吸气剂层的端部以及所述支撑单元的顶端连接以致所述吸气剂单元与所述基底之间具有悬空间距；于所述基底上形成有接电结构，通过所述桥腿和所述支撑单元实现所述吸气剂层与所述接电结构之间的电学导通。
作为实施方式之一，所述吸气剂单元包括上下层叠的多个吸气剂层，相邻两个吸气剂层之间通过介质层分隔。
作为实施方式之一，于所述介质层上开设有连通孔，并通过所述连通孔中填充的吸气剂连接上下相邻的两个吸气剂层。
作为实施方式之一，所述支撑单元包括多个支撑柱，所述支撑柱包括中空的基础柱体、填充在所述基础柱体的中空腔内的导电内柱以及沉积形成在所述基础柱体顶部的导电帽层，所述导电内柱与所述接电结构连接。
本发明还涉及如上所述的吸气剂像元的制备方法，包括：
S1，在基底上形成接电结构，并在基底上制作牺牲层；
S2，在牺牲层中刻蚀形成沉积孔，自沉积孔中向上生长形成支撑单元；在牺牲层顶面制作形成桥腿和吸气剂单元；
S3，去除牺牲层，获得所述吸气剂像元。
作为实施方式之一，所述吸气剂单元包括上下层叠的多个吸气剂层，相邻两个吸气剂层之间通过介质层分隔；
S2具体包括：
S21，在牺牲层上沉积第一吸气剂层并进行图形化；在牺牲层中刻蚀形成沉积孔；
S22，在步骤S21制得产物上沉积介质材料并图形化，形成第一介质层、所述支撑单元的基础柱体以及所述桥腿的基础桥层，其中，基础柱体自沉积孔中向上生长形成；
S23，在步骤S22制得产物上沉积相应材料并图形化，形成填充在所述基础柱体的中空腔内的导电内柱、桥腿的导电层和第二吸气剂层。
作为实施方式之一，介质层图形化时，在该介质层上刻蚀形成连通孔，在该介质层上沉积吸气剂层时，吸气剂材料还填充所述连通孔以实现上下相邻的两个吸气剂层之间的电学导通。
作为实施方式之一，所述第一介质层以及所述支撑单元的基础柱体的材质相同且二者同时制作；所述支撑单元的导电内柱、桥腿的导电层以及第二吸气剂层采用相同的吸气剂材料且三者同时制作。
本发明还涉及一种红外焦平面探测器，包括红外焦平面阵列和封装壳体，还包括至少一个如上所述的吸气剂像元，各所述吸气剂像元均封装于所述封装壳体内。
作为实施方式之一，所述吸气剂像元有多个，各所述吸气剂像元并联、串联或串并联连接。
本发明至少具有如下有益效果：
本发明中，通过支撑单元和桥腿将吸气剂单元支撑于基底上，使吸气剂单元处于悬空状态，能有效地增大吸气剂面积，提高该吸气剂像元的吸气效果；桥腿热导小，热量不易散失，更有利于高温激活吸气剂。经支撑单元和桥腿对吸气剂层直接通电激活，即吸气剂层采用电激活方式，能保证吸气剂材料的激活效果和激活效率。
本发明提供的吸气剂像元，可以直接集成在红外焦平面阵列芯片上，能较好地克服阵列级封装的红外焦平面探测器的条件限制。
本发明中，由于吸气剂像元独立于红外焦平面阵列存在，也即与红外焦平面阵列之间具有一定的间距，吸气剂高温激活不会对红外焦平面阵列产生不利影响，解决了吸气剂需高温激活和探测器功能区内敏感材料不能承受高温之间的矛盾难题。
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为本发明实施例提供的吸气剂像元的结构示意图；
图2为一种吸气剂像元（吸气剂层为平面结构层）的横剖视图；
图3为另一种吸气剂像元（吸气剂层呈蛇形布置）的横剖视图；
图4为本发明实施例提供的吸气剂像元的制备流程图。
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。
实施例一
如图1-图3，本发明实施例提供一种吸气剂像元，包括基底11、支撑单元、桥腿16和吸气剂单元，所述吸气剂单元包括吸气剂层，所述支撑单元支承于所述基底11上，所述桥腿16的两端分别与所述吸气剂层的端部以及以及所述支撑柱13的顶端连接以致所述吸气剂单元与所述基底11之间具有悬空间距；于所述基底11上形成有接电结构12，通过所述桥腿16和所述支撑单元实现所述吸气剂层与所述接电结构12之间的电学导通。
上述基底11的材料可与红外焦平面探测器中的衬底材料相同，或者，上述吸气剂像元与红外焦平面共用衬底/基底11。
上述接电结构12可以为在基底11上设置的接电金属层，当支撑单元具有多个支撑柱13时，该接电金属层可以进行相应的图形设计，以连接各支撑柱13。
优选地，如图1-图3，上述支撑单元包括多个支撑柱13，可以较好地支撑桥腿16及吸气剂单元，另外也便于形成导电回路；支撑柱13的截面可以为圆形、方形等形状。在其中一个实施例中，如图1，支撑柱13呈上宽下窄的阶梯柱结构，具体的制作方式可以为：在基底11上制作牺牲层15，在牺牲层15中刻蚀沉积孔151，该沉积孔151贯通牺牲层15的上下表面，在沉积孔151中沉积支撑材料并进行相应的图形化，以形成上述支撑柱13；其中，沉积孔151的位置显然根据支撑柱13的设计位置确定，孔底的支撑材料能够与接电结构12连接，例如沉积在接电金属层上；基于沉积材料依附沉积基础表面沉积的特点，大致地呈现出支撑材料自沉积孔151的孔壁向孔中间（例如轴线）逐渐沉积的过程，从而可能沉积形成中空的基础柱体131的情况，后续再沉积导电材料填充该基础柱体131的中空腔，并相应地能够形成一种支撑柱13的结构：该支撑柱13包括中空的基础柱体131、填充在基础柱体131的中空腔内的导电内柱132以及沉积形成在基础柱体131顶部的导电帽层133，其中，根据支撑柱13的设计结构，也可以不设置导电帽层133，则该导电帽层133则需被刻蚀掉。基于上述结构的支撑柱13，由于采用了基础柱体131作为支撑，且导电材料填补了基础柱体131的中空腔，能有效地提高支撑柱13的结构强度，保证对桥腿16和吸气剂单元的可靠支撑。
上述支撑柱13需要具有导电性，其可以直接采用导电材料制作而成；可选地，该支撑柱13可以经多次沉积形成，则其外壁可以为非导电层，其内部某一层或某几层采用导电材料沉积形成，在满足其导电性能的同时，还能使该支撑柱13外壁具有绝缘性和隔热性，例如外壁采用氮化硅、氧化硅或硅沉积形成，能进一步提高该吸气剂像元的工作可靠性，降低其对红外焦平面的不利影响。
在可选的实施例中，上述导电内柱132与接电结构12连接，则可通过该导电内柱132实现支撑柱13的导电性，当然，若配合基础柱体131的导电设计，则能进一步保证上述支撑柱13的导电性能。在该方案中，当沉积孔151的孔底被基础柱体131的材料填满时，可以通过刻蚀方法使基础柱体131为上下贯通的中空柱体。
所述桥腿16包括导电层，优选地还包括基础桥层以对导电层进行支撑，可选地，上述桥腿16与上述支撑单元同期制作，例如桥腿16的基础桥层可以与支撑单元的基础柱体131采用相同的介质材料并同期制作，桥腿16的导电层可以与支撑单元导电内柱132以及导电帽层133采用相同的导电材料并同期制作，桥腿16可以与支撑柱13同期沉积后，进行相应的图形化设计，形成细长折线型桥腿16，则该桥腿16与支撑单元一体成型，能提高对吸气剂单元的支撑可靠性。上述桥腿16的材料也可与支撑单元的材料不同，但也需满足其导电性的要求，并采用相应的制作工艺。
在其中一个实施例中，所述吸气剂单元包括上下层叠的多个吸气剂层，相邻两个吸气剂层之间通过介质层142分隔。如图1，本实施例中，吸气剂层的数量为两个，介质层142相应地为1个，能满足吸气剂面积要求即可。在上述方案中，上层吸气剂层143和下层吸气剂层141均悬空曝露，吸气剂面积较大，能较好地参与吸气操作。
另外，可以通过上层吸气剂层143与下层吸气剂层141的形状设计，例如上层吸气剂层143和/或下层吸气剂层141可呈方形、圆形、蛇形等形状（如图2和图3），可便于配备不同的外置电路，同时满足吸气剂面积要求。
优选地，介质层142与桥腿16的基础桥层及支撑单元的基础柱体131同期制作并形成一体成型结构，例如三者同期沉积而成，这样能有效地提高对吸气剂单元的支撑效果和支撑结构的可靠性。其中，介质层142优选为是连续平铺延伸的平面结构层，该介质层142可将上层吸气剂层143与下层吸气剂层141分隔开来，便于上层吸气剂层143与下层吸气剂层141各自的结构设计；该介质层142也可以是呈蛇形分布的带状结构层（进行相应的图形化即可，在该方案中，上层吸气剂层143沉积时，将与下层吸气剂层141直接接触）等形式。
其中，对于介质层142与支撑单元同期沉积的情况，可以通过刻蚀等方式控制介质层142的厚度，保证支撑效果的同时，减轻吸气剂像元的重量和尺寸；同样地，桥腿16的厚度也是可控的。
上述吸气剂层采用电激活方式，即经支撑单元和桥腿16对吸气剂层直接通电激活，能保证吸气剂材料的激活效果和激活效率。因此，吸气剂层采用导电性的吸气剂材料，给吸气剂材料通电，会产生焦耳热，使得吸气剂材料温度升高，达到电流激活吸气剂的效果；所用的吸气剂材料包括但不限于是锆钴合金、钛基、钒基材料等。各吸气剂层可以采用相同的吸气剂材料，也可以采用不同的吸气剂材料。
基于吸气剂层的导电性，优选地，桥腿16的导电层以及支撑单元导电内柱132和导电帽层133可以采用与吸气剂层相同的吸气剂材料，因此，三者也可以实现同期制作并一体成型。
在上述方案中，可仅涉及单层吸气剂层通电，即仅有其中一个吸气剂层与桥腿16电学导通，通过介质层142传导热量至另一吸气剂层。在另外的实施例中，对于通过介质层142将上层吸气剂层143与下层吸气剂层141分隔开来的情况，可在介质层142上开设有连通孔1421，并通过所述连通孔1421中填充的吸气剂连接上下相邻的两个吸气剂层，可以实现上下吸气剂层的电学导通，二者可同步通电激活。其中，在上层吸气剂层143沉积时，吸气剂相应地即填充上述连通孔1421。优选地，通过连通孔1421的设计，可以实现上下吸气剂层的不同电学连接，从而满足不同的电路阻值要求，具有极高的灵活性。
以吸气剂层的数量为两个为例，对于介质层142与基础桥层和基础柱体131同期制作的情况，上层吸气剂层143沉积时，也相应地会沉积到基础桥层上，则桥腿16包括基础桥层和吸气剂表层，可以相应地增大吸气剂面积，提高吸气效果，可以通过吸气剂表层实现桥腿16的导电性；上层吸气剂层143沉积到基础柱体131上时，即可相应地形成上述基础柱体131-导电内柱132-导电帽层133的结构。
实施例二
如图4，本发明实施例提供上述吸气剂像元的制备方法，包括：
S1，在基底11上形成接电结构12，并在基底11上制作牺牲层15；接电结构12在基底11上的结构在上述实施例一中已有述及，具体的形成方式可参考读出电路在衬底上的形成工艺，此处不作赘述；
S2，在牺牲层15中刻蚀形成沉积孔151，自沉积孔151中向上生长形成支撑单元；在牺牲层15的顶面制作形成桥腿16和吸气剂单元；
S3，去除牺牲层15，获得所述吸气剂像元。
对于吸气剂单元包括上下层叠的多个吸气剂层、相邻两个吸气剂层之间通过介质层142分隔的结构，上述S2具体包括：
S21，在牺牲层15上沉积第一吸气剂层141并进行图形化；在牺牲层15中刻蚀形成沉积孔151；其中，优选为在第一吸气剂层141图形化完成之后，再进行沉积孔151的刻蚀操作；
S22，在步骤S21制得产物上沉积介质材料并图形化，形成第一介质层142、所述支撑单元的基础柱体131以及所述桥腿16的基础桥层，其中，基础柱体131自沉积孔151中向上生长形成；
所述第一介质层142、所述支撑单元的基础柱体131以及所述桥腿16的基础桥层可以采用相同的材质也可以采用不同的材质，优选地，如上述实施例一所述及的，第一介质层142、基础柱体131和基础桥层可以采用相同的介质材料同时沉积形成，以使三者连接为一体成型结构；
第一介质层142、基础柱体131和基础桥层可以采用多层沉积方式，这样可以根据需要对不同的层选择不同的材料进行沉积，以满足结构件的功能需求；在实施例一也有述及，可以通过刻蚀方式控制第一介质层142和基础桥层的厚度，当然也可以控制基础柱体131的高度以及其内环中空腔的结构和尺寸；
S23，在步骤S22制得产物上沉积相应材料并图形化，形成填充在所述基础柱体131的中空腔内的导电内柱132、桥腿16的导电层和第二吸气剂层143。
当然，沉积的过程会在基础柱体131的顶部形成导电帽层133，其中，当不需要导电帽层133时，可以将该导电帽层133刻蚀掉。
所述基础柱体131的中空腔内的导电内柱132、桥腿16的导电层和第二吸气剂层143可以采用相同的材质也可以采用不同的材质，优选地，所述支撑单元的导电内柱132、桥腿16的导电层以及第二吸气剂层142采用相同的吸气剂材料且三者同时沉积形成。
进一步地，每一介质层142图形化时，在该介质层142上刻蚀形成连通孔1421，在该介质层142上沉积吸气剂层时，吸气剂材料还填充所述连通孔1421以实现上下相邻的两个吸气剂层之间的电学导通。该方案在上述实施例一中已有述及，此处不作赘述。
上述制备方法的加工过程可采用MEMS（微机电系统）技术来完成。
实施例三
本发明实施例提供一种红外焦平面探测器，包括红外焦平面阵列和封装壳体，还包括至少一个上述实施例一所提供的吸气剂像元，各所述吸气剂像元均封装于所述封装壳体内。
上述红外焦平面探测器优选为是阵列级封装结构的探测器。
优选地，可将吸气剂像元直接集成在探测器芯片上，也即吸气剂像元与红外焦平面阵列共用衬底/基底11，能有效地简化探测器的真空封装工艺，以及缩减探测器尺寸。
其中，吸气剂像元可以分布在探测器芯片的空置区域，充分利用芯片的结构特点以便最大面积化地布置吸气剂像元，提高探测器真空封装的可靠性。
由于吸气剂像元独立于红外焦平面阵列存在，也即与红外焦平面阵列之间具有一定的间距，吸气剂高温激活不会对红外焦平面阵列产生不利影响，解决了吸气剂需高温激活和探测器功能区内敏感材料不能承受高温之间的矛盾难题。
优选地，所述吸气剂像元有多个，各所述吸气剂像元并联、串联或串并联连接，以确保所需的外部电流电压条件处于合适范围内，保证各吸气剂像元均能被可靠地激活。
在上述红外探测器中，吸气剂像元的制备工艺与红外焦平面阵列的制备工艺是可以兼容的，因此吸气剂像元与红外焦平面阵列可以同期制备，能显著地简化探测器的制备流程。例如，吸气剂像元与红外焦平面阵列可以共用衬底；吸气剂像元的接电结构12可与红外焦平面阵列的读出电路同期地在衬底上图形化制作；制备吸气剂像元时的牺牲层15可与制备红外焦平面阵列时的牺牲层15一同地制作在衬底上；当第一介质层142、基础柱体131和基础桥层采用相同的介质材料时，例如采用氮化硅、氧化硅或硅等，并且与红外焦平面阵列中的桥腿等材料相同时，第一介质层142、基础柱体131和基础桥层可与红外焦平面阵列中的桥腿同期沉积和图形化。
上述红外探测器封装完成后，通过基底11上的接电结构12与外部电源连接，通电可以激活吸气剂单元中的吸气剂。
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 (8)
1.一种吸气剂像元，其特征在于：包括基底、支撑单元、桥腿和吸气剂单元，所述吸气剂单元包括吸气剂层，所述支撑单元支承于所述基底上，所述桥腿的两端分别与所述吸气剂层的端部以及所述支撑单元的顶端连接以致所述吸气剂单元与所述基底之间具有悬空间距；于所述基底上形成有接电结构，通过所述桥腿和所述支撑单元实现所述吸气剂层与所述接电结构之间的电学导通，经支撑单元和桥腿对吸气剂层直接通电激活；
所述吸气剂单元包括上下层叠的多个吸气剂层，相邻两个吸气剂层之间通过介质层分隔；于所述介质层上开设有连通孔，并通过所述连通孔中填充的吸气剂连接上下相邻的两个吸气剂层，并且通过连通孔的设计，使上下吸气剂层之间的电学连接满足电路阻值要求。
2.如权利要求1所述的吸气剂像元，其特征在于：所述支撑单元包括多个支撑柱，所述支撑柱包括中空的基础柱体、填充在所述基础柱体的中空腔内的导电内柱以及沉积形成在所述基础柱体顶部的导电帽层，所述导电内柱与所述接电结构连接。
3.如权利要求1所述的吸气剂像元的制备方法，其特征在于，包括：
S1，在基底上形成接电结构，并在基底上制作牺牲层；
S2，在牺牲层中刻蚀形成沉积孔，自沉积孔中向上生长形成支撑单元；在牺牲层顶面制作形成桥腿和吸气剂单元；
S3，去除牺牲层，获得所述吸气剂像元。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述吸气剂单元包括上下层叠的多个吸气剂层，相邻两个吸气剂层之间通过介质层分隔；
S2具体包括：
S21，在牺牲层上沉积第一吸气剂层并进行图形化；在牺牲层中刻蚀形成沉积孔；
S22，在步骤S21制得产物上沉积介质材料并图形化，形成第一介质层、所述支撑单元的基础柱体以及所述桥腿的基础桥层，其中，基础柱体自沉积孔中向上生长形成；
S23，在步骤S22制得产物上沉积相应材料并图形化，形成填充在所述基础柱体的中空腔内的导电内柱、桥腿的导电层和第二吸气剂层。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：介质层图形化时，在该介质层上刻蚀形成连通孔，在该介质层上沉积吸气剂层时，吸气剂材料还填充所述连通孔以实现上下相邻的两个吸气剂层之间的电学导通。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述第一介质层以及所述支撑单元的基础柱体的材质相同且二者同时制作；所述支撑单元的导电内柱、桥腿的导电层以及第二吸气剂层采用相同的吸气剂材料且三者同时制作。
7.一种红外焦平面探测器，包括红外焦平面阵列和封装壳体，其特征在于：还包括至少一个如权利要求1或2所述的吸气剂像元，各所述吸气剂像元均封装于所述封装壳体内。
8.如权利要求7所述的红外焦平面探测器，其特征在于：所述吸气剂像元有多个，各所述吸气剂像元并联、串联或串并联连接。
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