CN115172506A - 一种中红外探测器及其制备方法 - Google Patents

一种中红外探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中红外探测器及其制备方法。本发明基于SiGe介质‑周期金属方块的磁共振吸收结构提供中红外吸收,利用Si‑SiO2微桥上的锰钴镍氧敏感元将入射红外光转换为电学信号。具体结构为:Si‑SiO2衬底上制备有绝热微桥,微桥上方依次制备有氧化铝缓冲层,锰钴镍氧敏感元,Cr/Au周期金属方块,双层SiGe介质‑周期金属方块吸收结构,锰钴镍氧薄膜敏感元两侧制备有外接电极及引线。双层SiGe介质‑周期金属方块吸收结构主要针对8‑12μm中红外窗口设计,可在降低锰钴镍氧敏感元电阻、热容的同时实现中红外高吸收,且探测器具备‑40~120℃宽温度区间范围内电阻温度系数较为稳定的优势特点,可应用于环境监测、夜视成像、工业测温等方面。

Description

一种中红外探测器及其制备方法
技术领域
本发明公开了一种中红外探测器及其制备方法。更具体的,涉及一种以双层SiGe介质-周期金属方块实现红外吸收,以硅基微桥结构实现器件低热导的锰钴镍氧红外热敏探测器,并提供了器件的制备方法。
背景技术
尖晶石结构锰钴镍氧化物具有较高的负电阻温度系数,在红外探测、温度传感、地球能量收支探测等方面已获得重要应用[1-3]。在发展非制冷热敏红外探测器方面,锰钴镍氧(MCNO)相比氧化钒(VOx)、非晶硅(a-Si)热敏探测器具有更低的电流噪声品质因数,因此有希望获高室温探测率[4]。然而,MCNO薄膜在4~14μm波长范围内存在光学透明窗口(k<0.2),限制了器件在8~12μm中红外窗口波段性能提升[5-7]。另一方面,目前报道的MCNO器件的热导较大,使得器件响应率与探测率较低[8]
根据磁共振吸收机理,入射红外光将在介质-金属-介质微台面结构中产生感应电流以使红外光被吸收,只要设计合适尺寸厚度的微台面,即可实现8-12μm波段的近完美吸收。我们经过模拟计算发现,对0.05μm厚的金与0.2μm厚的SiGe介质层组成的磁共振吸收结构而言,台面尺寸L和SiGe合金的折射率n之间满足关系式:n·L=4.69μm时,将能实现中心波长为10μm的近完美吸收峰(>90%),而适当调大或调小台面尺寸,将能使吸收峰的峰位向长波或短波发生移动。
为此,本专利选用Si、Ge比例为6:4的Si0.6Ge0.4合金薄膜材料(红外波段折射率约为3.69),设计了一种双层SiGe介质-周期金属方块吸收结构及硅基微桥结构的锰钴镍氧红外热敏探测器,可使锰钴镍氧器件实现8~12μm范围内80%~99%的较高吸收,进而实现高性能红外热敏探测。
以上所涉及的参考文献如下:
[1]Schmidt,R.and A.W.Brinkman,Studies of the temperature andfrequency dependent impedance of an electroceramic functional oxide NTCthermistor.Advanced Functional Materials,2007.17(16):p.3170-3174.
[2]Baliga,S.,A.L.Jain,and W.Zachofsky,Sputter Deposition andCharacterization of Ni-Mn-O and Ni-Co-Mn-O Spinels on Polymide and GlassSubstrates.Applied Physics a-Materials Science&Processing,1990.50(5):p.473-477.
[3]Huang,Z.M.,et al.,High performance of Mn-Co-Ni-O spinel nanofilmssputtered from acetate precursors.Scientific Reports,2015.5:p.10899.
[4]Zhou,W.,et al.,Annealing effect on the structural,electrical and1/f noise properties of Mn-Co-Ni-O thin films.Journal of Materials Science-Materials in Electronics,2014.25(4):p.1959-1964.
[5]Dannenberg,R.,et al.,Infrared optical properties ofMn1.56Co0.96Ni0.48O4 spinel films sputter deposited in an oxygen partial pressureseries.Journal of Applied Physics,1999.86(5):p.2590-2601.
[6]张志博,王丁,邱琴茜,高艳卿,周炜,吴敬,黄志明.紫外─远红外宽波段NiMn2O4及Mn1.56Co0.96Ni0.48O4光学性质的研究[J].红外与毫米波学报,2020,39(1):65~71.
[7]Zhou,W.,et al.,Optical properties of Mn-Co-Ni-O thin filmsprepared by radio frequency sputtering deposition.Journal of Applied Physics,2014.115(9).
[8]张雷博,侯云,周炜,黄志明,褚君浩.锰钴镍氧薄膜热敏型多元红外探测器研制[J].红外与毫米波学报,2014,33(4):359~363.
发明内容
本发明的目的是提出一种中红外探测器及其制备方法。结合双层SiGe介质-周期金属方块的磁共振吸收机理实现中红外吸收,以硅基绝热微桥结构实现器件的低热导,解决原有锰钴镍氧器件中红外8~12μm范围吸收效率低,探测率性能有限的难题。
本发明的中红外探测器结构可描述如下如图1、图2和图3所示;制备方法流程图如图4所示。如图1所示为本发明探测器侧视结构图,Si-SiO2衬底1上制备有绝热微桥2,绝热微桥2上方依次制备有氧化铝缓冲层3,锰钴镍氧薄膜敏感元4,Cr/Au周期金属方块5,双层SiGe介质-周期金属方块吸收结构6,锰钴镍氧薄膜敏感元两侧制备有外接电极7及引线8。
如图2所示为双层SiGe介质-周期金属方块吸收结构6的最小周期单元结构图。锰钴镍氧薄膜敏感元4表面的Cr/Au周期金属方块5上方依次制备有:下层介质方块9,下层金属方块10,上层介质方块11,上层金属方块12。其中下层介质方块9及下层金属方块10各四个,位于Cr/Au周期金属方块5的上方且边长对应相同;上层介质方块11与上层金属方块12各四个,位于各个下层金属方块10的上方且边长对应相同。
本发明的中红外探测器是这样制备的:
(a)制备缓冲层及锰钴镍氧膜层。依次在Si-SiO2衬底上通过原子层沉积(ALD)制备厚度50nm的氧化铝缓冲层,通过磁控溅射方法沉积制备1μm厚的锰钴镍氧膜层;
(b)制备Cr/Au周期金属方块。通过紫外光刻与溅射镀金方法在锰钴镍氧上方制备边长尺寸5μm,周期6μm,总周期数n=6~8,厚度0.15μm的Cr/Au周期金属方块;
(c)制备下层介质方块与下层金属方块。通过紫外光刻方法,利用AZ5214薄胶制备边长分别为1.30μm,1.35μm,1.41μm,1.46μm的光刻胶窗口,依次通过磁控溅射方法沉积制备0.2μm厚的Si0.6Ge0.4介质膜层,以双离子束溅射方法制备0.05μm厚的下层金属方块;
(d)制备上层介质方块与上层金属方块。通过电子束光刻,在下层金属方块上方制备边长依次为1.10μm,1.15μm,1.19μm,1.24μm的光刻胶窗口,随后通过磁控溅射方法沉积制备0.2μm厚的上层Si0.6Ge0.4介质膜层,以双离子束溅射方法制备0.05μm厚的上层金属方块;
(e)器件敏感元与绝热微桥制作。选用AZ4330胶,通过光刻镀金制作器件敏感元外接金电极;选用AZ4620厚胶,通过紫外光刻将锰钴镍氧器件敏感元保护起来;制作Si-SiO2微桥结构所对应的光刻胶窗口;
(f)Si衬底深槽刻蚀。依次通过氩离子干法刻蚀除去相应位置的锰钴镍氧、氧化铝缓冲层和SiO2膜层;设定反应气体为CF4,通过诱导耦合各向异性等离子刻蚀(ICP)制作深宽比5:1~8:1的Si深槽;
(g)各向同性Si衬底刻蚀获取绝热微桥。继续通过诱导耦合各向同性等离子刻蚀(反应气体为SF4)使得两侧Si深槽互相联通,得到器件绝热微桥;
(h)完成探测器的封装点焊。将衬底片分割切片,粘贴封装到静电屏蔽管壳的导热热沉上,超声点焊将器件金属引线连接到外部电学引脚上。
附图说明:
图1为本发明的中红外探测器侧视结构图。
图2为本发明的中红外探测器俯视结构图。
图3为本发明的中红外探测器最小周期单元的结构图。
图4为本发明的中红外探测器制备方法流程。
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,下面结合附图描述本发明的示例性实施例的技术方案。
按照上述结构,制作了3个实施例探测器:
实施例探测器1:
步骤1,制备缓冲层及锰钴镍氧膜层。依次在Si-SiO2衬底上通过原子层沉积(ALD)制备厚度50nm的氧化铝缓冲层,通过磁控溅射方法沉积制备1μm厚的锰钴镍氧膜层;
步骤2,制备Cr/Au周期金属方块。通过紫外光刻与溅射镀金方法在锰钴镍氧膜层上方制备边长尺寸5μm,周期A=6μm,总周期数n=6,厚度0.15μm的Cr/Au周期金属方块;
步骤3,制备下层介质方块与下层金属方块。通过紫外光刻方法,利用AZ5214薄胶制备边长分别为L1=1.30μm,L2=1.35μm,L3=1.41μm,L4=1.46μm的光刻胶窗口,依次通过磁控溅射方法沉积制备0.2μm厚的Si0.6Ge0.4介质膜层,以双离子束溅射方法制备0.05μm厚的下层金属方块;
步骤4,制备上层介质方块与上层金属方块。通过电子束光刻,在下层金属方块上方制备边长依次为L5=1.10μm,L6=1.15μm,L7=1.19μm,L8=1.24μm的光刻胶窗口,随后通过磁控溅射方法沉积制备0.2μm厚的上层Si0.6Ge0.4介质膜层,以双离子束溅射方法制备0.05μm厚的上层金属方块,金属可选为10nm Ti/40nm Au;
步骤5,器件敏感元与绝热微桥制作。选用AZ4330胶,通过光刻镀金制作器件敏感元外接金电极;选用AZ4620厚胶,制作Si-SiO2微桥结构所对应的光刻胶窗口,通过紫外光刻保护L=40μm见方的锰钴镍氧器件敏感元,设置双桥腿宽度H=8μm,
步骤6,Si衬底深槽刻蚀。依次通过氩离子干法刻蚀除去相应位置的锰钴镍氧、氧化铝缓冲层和SiO2膜层;设定反应气体为CF4,通过诱导耦合各向异性等离子刻蚀(ICP)制作深宽比8:1的Si深槽,刻蚀深度约为330μm;
步骤7,各向同性Si衬底刻蚀获取绝热微桥。继续通过诱导耦合各向同性等离子刻蚀(反应气体为SF4)使得两侧Si深槽互相联通,得到器件绝热微桥;
步骤8,完成探测器的封装点焊。将衬底片分割切片,粘贴封装到静电屏蔽管壳的导热热沉上,超声点焊将器件金属引线连接到外部电学引脚上。
实施例探测器2:
步骤1,制备缓冲层及锰钴镍氧膜层。依次在Si-SiO2衬底上通过原子层沉积(ALD)制备厚度50nm的氧化铝缓冲层,通过磁控溅射方法沉积制备1μm厚的锰钴镍氧膜层;
步骤2,制备Cr/Au周期金属方块。通过紫外光刻与溅射镀金方法在锰钴镍氧膜层上方制备边长尺寸5μm,周期A=6μm,总周期数n=7,厚度0.15μm的Cr/Au周期金属方块;
步骤3,制备下层介质方块与下层金属方块。通过紫外光刻方法,利用AZ5214薄胶制备边长分别为1.30μm,1.35μm,1.41μm,1.46μm的光刻胶窗口,依次通过磁控溅射方法沉积制备0.2μm厚的Si0.6Ge0.4介质膜层,以双离子束溅射方法制备0.05μm厚的下层金属方块;
步骤4,制备上层介质方块与上层金属方块。通过电子束光刻,在下层金属方块上方制备边长依次为1.10μm,1.15μm,1.19μm,1.24μm的光刻胶窗口,随后通过磁控溅射方法沉积制备0.2μm厚的上层Si0.6Ge0.4介质膜层,以双离子束溅射方法制备0.05μm厚的上层金属方块,金属可选为10nm Ti/40nm Au;
步骤5,器件敏感元与绝热微桥制作。选用AZ4330胶,通过光刻镀金制作器件敏感元外接金电极;选用AZ4620厚胶,制作Si-SiO2微桥结构所对应的光刻胶窗口,通过紫外光刻保护A=42μm见方的锰钴镍氧器件敏感元,设置双桥腿宽度H=9μm;
步骤6,Si衬底深槽刻蚀。依次通过氩离子干法刻蚀除去相应位置的锰钴镍氧、氧化铝缓冲层和SiO2膜层;设定反应气体为CF4,通过诱导耦合各向异性等离子刻蚀(ICP)制作深宽比7:1的Si深槽,刻蚀深度约为290μm;
步骤7,各向同性Si衬底刻蚀获取绝热微桥。继续通过诱导耦合各向同性等离子刻蚀(反应气体为SF4)使得两侧Si深槽互相联通,得到器件绝热微桥;
步骤8,完成探测器的封装点焊。将衬底片分割切片,粘贴封装到静电屏蔽管壳的导热热沉上,超声点焊将器件金属引线连接到外部电学引脚上。
实施例探测器3:
步骤1,制备缓冲层及锰钴镍氧膜层。依次在Si-SiO2衬底上通过原子层沉积(ALD)制备厚度50nm的氧化铝缓冲层,通过磁控溅射方法沉积制备1μm厚的锰钴镍氧膜层;
步骤2,制备Cr/Au周期金属方块。通过紫外光刻与溅射镀金方法在锰钴镍氧膜层上方制备边长尺寸5μm,周期A=6μm,总周期数n=8,厚度0.15μm的Cr/Au周期金属方块;
步骤3,制备下层介质方块与下层金属方块。通过紫外光刻方法,利用AZ5214薄胶制备边长分别为1.30μm,1.35μm,1.41μm,1.46μm的光刻胶窗口,依次通过磁控溅射方法沉积制备0.2μm厚的Si0.6Ge0.4介质膜层,以双离子束溅射方法制备0.05μm厚的下层金属方块;
步骤4,制备上层介质方块与上层金属方块。通过电子束光刻,在下层金属方块上方制备边长依次为1.10μm,1.15μm,1.19μm,1.24μm的光刻胶窗口,随后通过磁控溅射方法沉积制备0.2μm厚的上层Si0.6Ge0.4介质膜层,以双离子束溅射方法制备0.05μm厚的上层金属方块,金属可选为10nm Ti/40nm Au;
步骤5,器件敏感元与绝热微桥制作。选用AZ4330胶,通过光刻镀金制作器件敏感元外接金电极;选用AZ4620厚胶,制作Si-SiO2微桥结构所对应的光刻胶窗口;
步骤6,Si衬底深槽刻蚀。通过紫外光刻保护55微米见方的锰钴镍氧器件敏感元,依次通过氩离子干法刻蚀除去相应位置的锰钴镍氧、氧化铝缓冲层和SiO2膜层;设定反应气体为CF4,通过诱导耦合各向异性等离子刻蚀(ICP)制作深宽比6:1的Si深槽,刻蚀深度约为330μm;
步骤7,各向同性Si衬底刻蚀获取绝热微桥。继续通过诱导耦合各向同性等离子刻蚀(反应气体为SF4)使得两侧Si深槽互相联通,得到器件绝热微桥;
步骤8,完成探测器的封装点焊。将衬底片分割切片,粘贴封装到静电屏蔽管壳的导热热沉上,超声点焊将器件金属引线连接到外部电学引脚上。
如上所述,本发明的中红外探测器及其制备方法,具有如下有益效果:本发明中特殊设计的双层SiGe介质-周期金属方块结构可以将锰钴镍氧在8~12μm的吸收大幅提高到平均80%以上,而干法刻蚀制作的绝热微桥可大幅减小器件热导,所实现的器件在非制冷红外探测方面有广泛应用前景,因而具有较高利用价值。上述实例仅例示性说明本发明的原理及其作用效果,而非用于限制本发明,任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种中红外探测器,其特征在于所述的探测器具备如下器件结构:Si-SiO2衬底(1)上制备有绝热微桥(2),绝热微桥(2)上方依次制备氧化铝缓冲层(3),锰钴镍氧薄膜敏感元(4),Cr/Au周期金属方块(5),双层SiGe介质-周期金属方块吸收结构(6),锰钴镍氧薄膜敏感元两侧制备有外接电极(7)及电学引线(8)。
2.根据权利要求1所述的一种中红外探测器,其特征在于,所述的Cr/Au周期金属方块(5)边长尺寸5μm,周期6μm,厚度0.15μm。
3.根据权利要求1所述的一种中红外探测器,其特征在于,所述的双层SiGe介质-周期金属方块吸收结构(6)制作在Cr/Au周期金属方块(5)表面,其最小周期单元为:下层介质方块(9),下层金属方块(10),上层介质方块(11),上层金属方块(12);其中下层介质方块(9)及下层金属方块(10)各四个,两者边长对应相同且位于Cr/Au周期金属方块(5)上表面,边长依次为1.30μm,1.35μm,1.41μm,1.46μm;上层介质方块(11)与上层金属方块(12)各四个,两者边长对应相同且位于各个下层金属方块(10)的上方,边长依次为1.10μm,1.15μm,1.19μm,1.24μm。
4.一种制备如权利要求1所述中红外探测器的方法,其特征在于方法步骤如下:
步骤1,制备缓冲层及锰钴镍氧膜层,依次在Si-SiO2衬底上通过原子层沉积(ALD)制备厚度50nm的氧化铝缓冲层,通过磁控溅射方法沉积制备1μm厚的锰钴镍氧膜层;
步骤2,制备Cr/Au周期金属方块,通过紫外光刻与溅射镀金方法在锰钴镍氧膜层上方制备边长尺寸5μm,周期6μm,总周期数n=6~8,厚度0.15μm 的Cr/Au周期金属方块;
步骤3,制备下层介质方块与下层金属方块,通过紫外光刻方法,利用AZ5214薄胶制备边长分别为1.30μm,1.35μm,1.41μm,1.46μm的光刻胶窗口,依次通过磁控溅射方法沉积制备0.2μm厚的Si0.6Ge0.4介质膜层,以双离子束溅射方法制备0.05μm厚的下层金属方块;
步骤4,制备上层介质方块与上层金属方块,通过电子束光刻,在下层金属方块上方制备边长依次为1.10μm,1.15μm,1.19μm,1.24μm的光刻胶窗口,随后通过磁控溅射方法沉积制备0.2μm厚的上层Si0.6Ge0.4介质膜层,以双离子束溅射方法制备0.05μm厚的上层金属方块;
步骤5,器件敏感元与绝热微桥光刻,选用AZ4330胶,通过光刻镀金制作器件敏感元外接金电极;剥离去胶后选用AZ4620厚胶,通过紫外光刻将锰钴镍氧器件敏感元保护起来;制作Si-SiO2微桥结构所对应的光刻胶窗口;
步骤6,Si衬底深槽刻蚀,依次通过氩离子干法刻蚀除去相应位置的锰钴镍氧、氧化铝缓冲层和SiO2膜层;设定反应气体为CF4,通过诱导耦合各向异性等离子刻蚀(ICP)制作深宽比5:1~8:1的Si深槽;
步骤7,各向同性Si衬底刻蚀获取绝热微桥,继续通过诱导耦合各向同性等离子刻蚀,反应气体为SF4,使得两侧Si深槽互相联通,剥离去胶后得到器件绝热微桥;
步骤8,完成探测器的封装点焊,将衬底片分割切片,粘贴封装到静电屏蔽管壳的导热热沉上,超声点焊将器件金属引线连接到外部电学引脚上。
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