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