CN115403004A - 一种红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于真空封装方式的结构设计与制备方法，具体涉及一种非制冷红外探测器的阵列及其真空封装方法，通过沉积、图形化、旋涂、刻蚀、镀膜等技术的使用使得微盖支撑层和增透膜层共同形成密闭微盖，在中空锚柱孔内形成支撑柱，支撑柱对微盖形成支撑，像元阵列结构整体封装在密闭微盖内，微盖内为满足探测器结构工作的真空环境，有效避免的微型真空腔腔内无支撑的问题，解决了真空腔易破裂的问题，提高了阵列级真空封装的可靠性，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及真空封装技术领域，具体涉及一种红外探测器及其制备方法。
背景技术
非制冷红外探测器在安防监控、电力检测、消防警用及军事领域均具有重要作用，其可在无需低温制冷的环境中使用，在生产、生活中较为常见；红外热成像仪能在完全黑暗的情况下探测到物体,即使在有烟雾、粉尘的情况下也不需要可见光光源。热成像仪以被动的方式探测物体发出的红外辐射，比其他带光源的主动成像系统更具有隐蔽性。非制冷红外探测器是通过焦平面阵列将吸收的红外能量，将红外能量转化为电信号的一种装置。
随着非制冷红外探测器在民用领域的更广泛应用，对探测器的尺寸、成本及性能提出了更多的要求。由于传统的金属、陶瓷封装具有体积大、成本高的特点，限制了非制冷红外探测器在更多领域的推广应用。新的晶圆级封装虽然能降低红外探测器的成本和体积，但晶圆级封装是在工艺上并非完全兼容芯片前段MEMS工艺，需要为晶圆级单独搭建一条晶圆级封装线，这在一定程度上增加了红外芯片的封装成本。
非制冷红外探测器的阵列级真空封装，是一种全新的技术，它是利用MEMS工艺技术和特殊的红外透过材料搭建出微型高真空腔体，几乎将探测器封装流程全部整合于MEMS工艺制程中，这极大地改变了目前的封装技术形态。阵列级真空封装是探测器的MEMS结构作为一个整体，封盖在采用MEMS技术制备出的微型真空腔内。阵列级真空封装技术将非制冷红外探测器的封装成本降到了极致，同时能减小探测器的体积和重量。
阵列级真空封装是在完成MEMS结构后，采用通过释放、镀膜、刻蚀等技术形成微型真空腔，确保非制冷红外探测器的焦平面阵列在真空环境下。由于微型真空腔需要将整个焦平面结构全部包围，微型真空腔若仅有四周的的支撑，将在冲击震动时易破裂和坍塌，结构稳定性差。且微型真空腔的膜层由于大面积上无支撑，在制备过程易受应力影响，膜层易破裂。
由此，目前急需有一种有效避免的微型真空腔腔内无支撑的问题，且真空腔易破裂的问题的非制冷红外探测器的阵列级真空封装结构及其制备方法的方案来解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明提供一种红外探测器及其制备方法，有效避免的微型真空腔腔内无支撑的问题，解决了真空腔易破裂的问题，具有良好的应用前景。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
提供衬底；
在衬底上形成像元阵列，所述像元阵列包括多个像元，每个像元包括中空锚柱以及支撑在中空锚柱上的微桥结构；
在中空锚柱的空腔内部及上方形成支撑柱；
形成微盖结构，支撑柱对微盖结构进行支撑。
进一步的，所述在中空锚柱的空腔内部及上方形成支撑柱，具体包括：
在像元阵列上形成牺牲层，并刻蚀中空锚柱的空腔内部及上方的牺牲层材料形成通孔；
在通孔内形成支撑柱；
在形成微盖结构的过程中对所述牺牲层进行释放。
进一步的，所述在通孔内形成支撑柱具体包括：
在通孔底部形成第一种子层金属，采用电镀方式在通孔内形成支撑柱。
进一步的，所述在通孔底部形成第一种子层金属具体包括：
沉积种子金属材料，形成位于通孔底部的第一种子层金属和位于牺牲层上方的第二种子层金属；在第二种子层金属上覆盖绝缘材料；
形成支撑柱之后，去除第二种子层金属和绝缘材料。
进一步的，所述在通孔底部形成第一种子层金属具体包括：
沉积种子金属材料，形成位于通孔底部的第一种子层金属和位于牺牲层上方的第二种子层金属；采用图形化方法去除第二种子层金属。
进一步的，第一种子层金属的材料为钛、铜、金中的一种或其中多种成分叠加形成的多层材料。
进一步的，支撑柱的材料为铜或镍或金或锡或钛或银。
进一步的，所述在衬底上形成像元阵列之前还包括：
在衬底上形成吸气剂，所述吸气剂采用反射金属材料，且对应于微桥结构下方设置。
进一步的，所述反射金属材料为钛或锆或钒。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种红外探测器，包括：
衬底；
像元阵列，位于所述衬底上，其包括多个像元，每个像元包括中空锚柱以及支撑在中空锚柱上的微桥结构；
微盖结构；
以及支撑柱；
其中，所述支撑柱形成于中空锚柱的空腔内部以及上方，支撑柱对微盖结构进行支撑。
本发明相较于现有技术的有益效果如下：
本发明提供一种红外探测器及其制备方法，在中空锚柱孔内形成支撑柱，支撑柱对微盖形成支撑，像元阵列结构整体封装在密闭微盖内，微盖内为满足探测器结构工作的真空环境，有效避免的微型真空腔腔内无支撑的问题，解决了真空腔易破裂的问题，提高了阵列级真空封装的可靠性。
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示出的结构获得其他的附图。
图1为阵列像元结构剖视结构示意图；
图2为3×3阵列像元结构俯视结构示意图；
图3至图10为阵列像元真空封装的制备方法示意图；
附图标号说明：
1、衬底，2、接触金属，3、吸气剂，4、第一牺牲层，5、第一通孔，6、锚柱，7、微桥结构，8、第二牺牲层，9、第二通孔，10、第一种子层金属，11、第二种子层金属，12、绝缘材料，13、支撑柱，14、微盖支撑层，15、释放孔，16、增透膜层。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合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的一部分实施例，而不是全部的实施例。
通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围；若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例1
在本实施例中，如图1-2所示，图1中以封装腔内只有三个像元结构为例。像元阵列结构整体封装在密闭微盖内，微盖内为满足探测器结构工作的真空环境，其中像元阵列为红外探测器的全部或部分像元。微盖支撑层14和增透膜层16共同形成密闭微盖，支撑柱13对微盖形成支撑。图2中以3×3阵列像元结构为例，展示密闭微盖对像元结构封装的俯视效果，在实际结构中，由于微盖为非透明层，微盖内的像元俯视并不可见。
如图3-10所示，本发明提供一种红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在内置有读出电路的衬底1上采用沉积和图形化方式依次制备接触金属2和吸气剂3；其中，接触金属2与读出电路电连接，吸气剂3为具有表面活性的金属或非金属材料，用于吸附密封腔中的气体以形成真空，优选可以采用反射金属材料，从而还可以作为反射镜置于微桥结构下方，与微桥结构的桥面之间形成光学谐振腔，反射金属材料具体可以为以钛或锆或钒或其任意组合为主要成分的材料；当吸气剂3选用导电良好材料时，接触金属2可以和吸气剂3为相同材料，并可同步制备完成；
步骤2：旋涂第一牺牲层4，并刻蚀位于接触金属2上方的牺牲层材料形成第一通孔5，露出接触金属2；
步骤3：沉积介质层、金属层以及热敏薄膜层等材料，并多次图形化形成中空锚柱6和微桥结构7，其中锚柱6位于第一通孔5内且与接触金属2电连接，锚柱6内部为空腔，锚柱6和微桥结构7形成电学导通，组合形成红外探测器的焦平面阵列的像元，并通过接触金属2传导电学信号至衬底1上；多个像元组成像元阵列；
步骤4：旋涂第二牺牲层8，并刻蚀中空锚柱6的空腔内部及上方的牺牲层材料形成第二通孔9；
步骤5：沉积种子金属材料，形成位于第二通孔9底部的第一种子层金属10和位于第二牺牲层8上方的第二种子层金属11，第一种子层金属10与接触金属2间有介质层，不形成电学导通；完成种子层金属沉积后，在第二种子层金属11上覆盖绝缘材料12，具体可以在第一种子层金属10和第二种子层金属11上旋涂或沉积绝缘材料12，通过图形化使得第一种子层金属10上不覆盖绝缘材料12，保证电镀时只有第一种子层金属10外露导电；第一种子层金属10和第二种子层金属11的材料为金属钛或铜或金或其混合叠加的多层材料；绝缘材料12为光刻胶或聚酰亚胺或二氧化硅或氮化硅或其任意组合；
步骤6：通过电镀方式，在第二通孔9内形成支撑柱13，支撑柱13的材料为铜或镍或金或锡或钛或银或其任意组合；
步骤7：去除第二种子层金属11和绝缘材料12，然后沉积微盖支撑层14，微盖支撑层14的材料为硅或非晶硅或锗或其任意组合；
步骤8：刻蚀微盖支撑层14，形成释放孔15，通过释放孔15去除第一牺牲层4和第二牺牲层8，然后在微盖支撑层14上沉积增透膜层16，增透膜层16同时封堵释放孔15，微盖支撑层14和增透膜层16共同形成微盖结构，微盖结构盖封在像元阵列上且与衬底之间形成密封腔，形成阵列级真空封装结构，增透膜层16是锗或硫化锌或硫化镁的单层材料膜层或其多次组合交替膜层堆。
基于该红外探测器的制备方法生成的非制冷红外探测器的阵列级真空封装结构为：微盖支撑层14和增透膜层16共同形成密闭微盖，在中空锚柱6的孔内形成支撑柱13，支撑柱13对微盖形成支撑，微盖为非透明层，像元阵列结构整体封装在密闭微盖内，微盖内为满足探测器结构工作的真空环境；有效避免的微型真空腔腔内无支撑的问题，解决了真空腔易破裂的问题。
实施例2
一种红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在内置有读出电路的衬底1上采用沉积和图形化方式依次制备接触金属2和吸气剂3；其中，接触金属2与读出电路电连接，吸气剂3为具有表面活性的金属或非金属材料，用于吸附密封腔中的气体以形成真空，优选可以采用反射金属材料，从而还可以作为反射镜置于微桥结构下方，与微桥结构的桥面之间形成光学谐振腔，反射金属材料具体可以为以钛或锆或钒或其任意组合为主要成分的材料；当吸气剂3选用导电良好材料时，接触金属2可以和吸气剂3为相同材料，并可同步制备完成；
步骤2：旋涂第一牺牲层4，并刻蚀位于接触金属2上方的牺牲层材料形成第一通孔5，露出接触金属2；
步骤3：沉积介质层、和金属层以及热敏薄膜层等材料，并多次图形化形成锚柱6和微桥结构7，其中锚柱6位于第一通孔5内且与接触金属2电连接，锚柱6内部为空腔，锚柱6和微桥结构7形成电学导通，组合形成红外探测器的焦平面阵列的像元，并通过接触金属2传导电学信号至衬底1上；多个像元组成像元阵列；
步骤4：旋涂第二牺牲层8，并刻蚀中空锚柱6的空腔内部及上方的牺牲层材料形成第二通孔9；
步骤5：沉积种子金属材料，形成位于第二通孔9底部的第一种子层金属10和位于第二牺牲层8上方的第二种子层金属11，第一种子层金属10与接触金属2间有介质层，不形成电学导通；完成种子层金属沉积后，采用图形化方法去除第二种子层金属11，而保留第一种子层金属10，此种工艺方式不需要沉积绝缘材料即可保证电镀时只有第一种子层金属10外露导电；第一种子层金属10和第二种子层金属11的材料为金属钛或铜或金或其混合叠加的多层材料；
步骤6：通过电镀方式，在第二通孔9内形成支撑柱13；支撑柱13的材料为铜或镍或金或锡或钛或银或其任意组合；
步骤7：沉积微盖支撑层14；微盖支撑层14的材料为硅或非晶硅或锗或其任意组合；
步骤8：刻蚀微盖支撑层14，形成释放孔15，通过释放孔15去除第一牺牲层4和第二牺牲层8，然后在微盖支撑层14上沉积增透膜层16，增透膜层16同时封堵释放孔15，微盖支撑层14和增透膜层16共同形成微盖结构，微盖结构盖封在像元阵列上且与衬底之间形成密封腔，形成阵列级真空封装结构，增透膜,16是锗或硫化锌或硫化镁的单层材料膜层或其多次组合交替膜层堆。
基于该红外探测器的制备方法生成的非制冷红外探测器的阵列级真空封装结构为：微盖支撑层14和增透膜层16共同形成密闭微盖，在中空锚柱6的孔内形成支撑柱13，支撑柱13对微盖形成支撑，微盖为非透明层，像元阵列结构整体封装在密闭微盖内，微盖内为满足探测器结构工作的真空环境；有效避免的微型真空腔腔内无支撑的问题，解决了真空腔易破裂的问题。
实施例3
本实施例提供一种红外探测器，可以采用如实施例1或实施例2所述的方法制备而成，其包括：
衬底1，内置有读出电路；
像元阵列，位于所述衬底1上，其包括多个像元，每个像元包括中空锚柱6以及支撑在中空锚柱6上的微桥结构7，锚柱6内部为空腔，锚柱6和微桥结构7形成电学导通，并通过接触金属2传导电学信号至衬底1上；
微盖结构，盖封在像元阵列上且与衬底1之间形成密封腔，微盖结构包括微盖支撑层14和增透膜层16，微盖支撑层14上具有释放孔15，增透膜层16封堵释放孔15；
以及支撑柱13；
其中，所述支撑柱13形成于中空锚柱6的空腔内部以及上方，支撑柱13对微盖结构进行支撑。
本发明提供一种红外探测器及其制备方法，通过沉积、图形化、旋涂、刻蚀、镀膜等技术的使用，使得微盖支撑层和增透膜层共同形成密闭微盖，在中空锚柱孔内形成支撑柱，支撑柱对微盖形成支撑，像元阵列结构整体封装在密闭微盖内，微盖内为满足探测器结构工作的真空环境，有效避免的微型真空腔腔内无支撑的问题，解决了真空腔易破裂的问题，提高了阵列级真空封装的可靠性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种红外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底(1)；
在衬底(1)上形成像元阵列，所述像元阵列包括多个像元，每个像元包括中空锚柱(6)以及支撑在中空锚柱(6)上的微桥结构(7)；
在中空锚柱(6)的空腔内部及上方形成支撑柱(13)；
形成微盖结构，支撑柱(13)对微盖结构进行支撑。
2.根据权利要求1所述的红外探测器的制备方法，其特征在于，所述在中空锚柱(6)的空腔内部及上方形成支撑柱(13)，具体包括：
在像元阵列上形成牺牲层，并刻蚀中空锚柱(6)的空腔内部及上方的牺牲层材料形成通孔；
在通孔内形成支撑柱(13)；
在形成微盖结构的过程中对所述牺牲层进行释放。
3.根据权利要求2所述的红外探测器的制备方法，其特征在于，所述在通孔内形成支撑柱(13)具体包括：
在通孔底部形成第一种子层金属(10)，采用电镀方式在通孔内形成支撑柱(13)。
4.根据权利要求3所述的红外探测器的制备方法，其特征在于，所述在通孔底部形成第一种子层金属(10)具体包括：
沉积种子金属材料，形成位于通孔底部的第一种子层金属(10)和位于牺牲层上方的第二种子层金属(11)；在第二种子层金属(11)上覆盖绝缘材料(12)；
形成支撑柱(13)之后，去除第二种子层金属(11)和绝缘材料(12)。
5.根据权利要求3所述的红外探测器的制备方法，其特征在于，所述在通孔底部形成第一种子层金属(10)具体包括：
沉积种子金属材料，形成位于通孔底部的第一种子层金属(10)和位于牺牲层上方的第二种子层金属(11)；采用图形化方法去除第二种子层金属(11)。
6.根据权利要求3所述的红外探测器的制备方法，其特征在于，第一种子层金属(10)的材料为钛、铜、金中的一种或其中多种成分叠加形成的多层材料。
7.根据权利要求1所述的红外探测器的制备方法，其特征在于，支撑柱(13)的材料为铜或镍或金或锡或钛或银。
8.根据权利要求1所述的红外探测器的制备方法，其特征在于，所述在衬底(1)上形成像元阵列之前还包括：
在衬底(1)上形成吸气剂(3)，所述吸气剂(3)采用反射金属材料，且对应于微桥结构下方设置。
9.根据权利要求8所述的红外探测器的制备方法，其特征在于：所述反射金属材料为钛或锆或钒。
10.一种红外探测器，其特征在于，包括：
衬底(1)；
像元阵列，位于所述衬底(1)上，其包括多个像元，每个像元包括中空锚柱(6)以及支撑在中空锚柱(6)上的微桥结构(7)；
微盖结构；
以及支撑柱(13)；
其中，所述支撑柱(13)形成于中空锚柱(6)的空腔内部以及上方，支撑柱(13)对微盖结构进行支撑。
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