CN209929328U - 一种基于硅介质结构的增强型红外薄膜探测器 - Google Patents

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黄志明
胡涛
张惜月
张志博
吴敬
江林
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Abstract

本专利公开了一种基于硅介质结构的增强型红外薄膜探测器，所述探测器由氧化铝衬底，锰钴镍氧敏感元，硅介质结构层，锗单晶半球透镜，以及器件管座组成。在传统热敏薄膜型探测器的基础上，通过在锰钴镍氧敏感元表面，引入特定图案的硅介质结构层，达到增强敏感元在红外波段的宽带吸收的目的，从而使探测器的响应率和探测率进一步提升。本专利设计的器件制备工艺简单，可实现红外波段的宽带增强探测，对于探测器的性能改善和提升具有重要意义。

Description

一种基于硅介质结构的增强型红外薄膜探测器
技术领域
本专利涉及红外探测器领域，更具体的说，涉及一种基于硅介质结构的增强型红外薄膜探测器。
背景技术
红外波段是波长介于微波与可见光之间的电磁波，目前在遥感探测，热成像，辐射制冷，环境监测以及夜视等方面都有着广泛的应用。随着第三代红外探测技术的发展，室温工作、响应速度快、探测率高、信噪比高、易于大规模集成焦平面探测器等性能指标成为未来红外探测器的发展方向。
在众多类型探测器中，作为热敏电阻型探测器的代表——锰钴镍氧(Mn-Co-Ni-O)热敏薄膜型探测器展现出优异的性能：跟制冷型探测器相比，免去昂贵繁重的制冷系统，制备工艺简单，易于大规模集成，宽波段响应；跟氧化钒，非晶硅等热敏探测器相比，在结构上避免了微桥工艺中桥面面积、自身重量过大等因素，具有很好的制备工艺的兼容性；在材料的性能对比上，锰钴镍氧薄膜材料有着制备成本低廉，电阻率适中、TCR系数大，老化速率慢、性能稳定和可靠性高等优势。目前，Mn-Co-Ni-O热敏型红外薄膜探测器已经在科学和技术等领域都有着广泛的应用和良好的发展前景。
本专利是在传统的锰钴镍氧热敏型红外薄膜探测器[1-2]基础上，结合超材料设计思想，通过在敏感元表面，引入特定图案的硅介质结构层，达到增强敏感元在红外波段的吸收的目的，从而使探测器的响应率和探测率进一步提升。本专利设计的器件制备工艺简单，可实现红外波段的宽带增强探测，对于探测器的性能改善和提升具有重要意义。
参考文献：
[1]Y.Hou，et al，Characterization of Mn1.56Co0.96Ni0.48O4films for infrareddetection.Applied Physics Letters，92，20，2008.
[2]C.OuYang，et al，Uncooled bolometer based on Mn1.56Co0.96Ni0.48O4thinfilms for infrared detection and thermal imaging.Appl Phys Lett，105，022105，2014
发明内容
本专利的目的是公开一种基于硅介质结构的增强型红外薄膜探测器的结构，通过合理设计硅介质结构层的参数，达到增加吸收的目的，从而使探测器的响应率和探测率等性能指标进一步提升。
本专利的基于硅介质结构的增强型红外薄膜探测器的结构描述如下：图1，图2和图3分别为本专利的探测器的整体结构图，未封装锗单晶半球透镜时探测器的俯视图和敏感元部分的局部放大图。
如图1、图2，图3所示，一种基于硅介质结构的增强型红外薄膜探测器包括：锰钴镍氧敏感元1，硅介质结构层2，氧化铝衬底3，电极4，金线焊丝5，导热硅脂6，器件引脚7，锗单晶半球透镜8，器件管座9。器件结构具体描述如下：氧化铝衬底3上方依次为锰钴镍氧敏感元1和硅介质结构层2；氧化铝衬底3用导热硅脂6粘贴在器件管座9上；在锰钴镍氧敏感元1的表面，硅介质结构层2的两侧，是电极4；器件引脚7与电极4用金线焊丝5相连；锗单晶半球透镜8封装在器件管座9上方的卡槽里。
如图1，氧化铝衬底3为非晶氧化铝宝石片，厚度为65um；锰钴镍氧敏感元1，厚度为5-8um；硅介质结构层2，厚度为1.9um，方块结构周期为4.8um-5.0um，占空比为0.25。
本专利的一种基于硅介质结构的增强型红外薄膜探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)采用射频磁控溅射方法，在非晶氧化铝衬底上沉积厚度为5-8um的锰钴镍氧热敏薄膜；
2)采用电子束蒸发工艺，高真空环境下，在锰钴镍氧热敏薄膜上沉积一层厚度为1.9um的多晶硅薄膜，再采用等离子体刻蚀工艺，刻蚀出特定图案的硅介质结构层；
3)运用套刻技术、镀金工艺制作敏感元的电极；
4)机械划片探测元，粘贴在器件管座的中心；将电极和器件引脚用焊丝相连，完成电学导通；在器件管座上方卡槽里，粘贴锗单晶半球透镜，完成封装。
本专利的基于硅介质结构的增强型红外薄膜探测器，制备工艺简单，通过引入硅介质结构层，达到增强敏感元吸收的目的，从而使探测器的响应率和探测率进一步提升，可实现红外波段的宽带增强探测，对于探测器的性能改善和提升具有重要意义。
附图说明
图1为本专利的探测器的整体结构图。
图2为未封装锗单晶半球透镜时探测器的俯视图。
图3为探测器的敏感元部分的局部放大图(侧视)，虚线框为敏感元部分的单周期结构示意图。
图4为本专利实施例1-3的硅介质结构层的单周期结构俯视图，其中图(a)为本专利实施例1的单周期结构示意图；图(b)为本专利实施例2的单周期结构示意图；图(c)为本专利实施例3的单周期结构示意图。
图5为本专利实施例1的基于硅介质结构的增强型红外薄膜探测器与无硅介质结构层的探测器性能(锰钴镍氧敏感元吸收)模拟对比图。
图6为本专利实施例2的基于硅介质结构的增强型红外薄膜探测器与无硅介质结构层的探测器性能(锰钴镍氧敏感元吸收)模拟对比图。
图7为本专利实施例3的基于硅介质结构的增强型红外薄膜探测器与无硅介质结构层的探测器性能(锰钴镍氧敏感元吸收)模拟对比图。
图8为本专利的探测器的制备工艺流程图。
具体实施方式
为使本专利的目的、技术方案和优点更加清楚，设计了实例1-3的三种探测器，其中图4为本专利实施例1-3的探测器的敏感元部分的单周期结构俯视图，图5-7对应本专利实施例1-3的基于硅介质结构的增强型红外薄膜探测器与无硅介质结构层的探测器性能(锰钴镍氧敏感元吸收)模拟对比图，图8为本专利的探测器的制备工艺流程图。所述探测器的制备方法具体由以下步骤实现：
实施例1：
1.制备红外敏感元薄膜。将厚度为65um的非晶氧化铝衬底3，用丙酮、酒精、去离子水清洗，并用氮气吹干，放入样品托盘中，采用射频磁控溅射方法沉积锰钴镍氧热敏薄膜，衬底温度为500度，溅射功率为100W，生长时间为约为3天，获得厚度约为5um的锰钴镍氧敏感元1。
2.制备硅介质结构层。采用电子束蒸发的工艺，在锰钴镍氧敏感元1的上，沉积一层厚度为1.9um的多晶硅。在多晶硅表面，选用光刻胶AZ 4330进行图形光刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为3000转/分，匀胶时间设为30秒。前烘曝光显影，得到硅介质层待刻蚀的图形。再利用等离子体刻蚀技术，刻蚀出深度为1.9um，方块结构周期为5um，占空比为0.25的硅介质结构层2，再次使用丙酮、酒精、去离子水清洗，并用氮气吹干。
3.制备电极。选用光刻胶AZ 4330进行图形光刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为2000转/分，匀胶时间设为30秒。前烘曝光显影，得到中间间距为200um，单边电极长宽为50um×200um的图形。再使用电子束蒸发沉积30nm厚的铬膜和300nm厚的金膜，获得电极4。再用丙酮去胶和浮金，使用酒精、去离子水清洗，氮气吹干，获得探测元。
4.切片和封装。机械划片探测元，尺寸为300um×200um，用导热硅脂6粘贴在器件管座9的中心；然后运用点焊技术，将电极4和器件引脚7用金线焊丝5相连，完成电学导通；在器件管座9上方卡槽里，粘贴锗单晶半球透镜8，完成封装。
实施例2：
1.制备红外敏感元薄膜。将厚度为65um的非晶氧化铝衬底3，用丙酮、酒精、去离子水清洗，并用氮气吹干，放入样品托盘中，采用射频磁控溅射方法沉积锰钴镍氧热敏薄膜，衬底温度为500度，溅射功率为100W，生长时间为约为4天，获得厚度约为6.5um的锰钴镍氧敏感元1。
2.制备硅介质结构层。采用电子束蒸发的工艺，在锰钴镍氧敏感元1的上，沉积一层厚度为1.9um的多晶硅。在多晶硅表面，选用光刻胶AZ 4330进行图形光刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为3000转/分，匀胶时间设为30秒。前烘曝光显影，得到硅介质层待刻蚀的图形。再利用等离子体刻蚀技术，刻蚀出深度为1.9um，方块结构周期为4.8um，占空比为0.25的硅介质结构层2，再次使用丙酮、酒精、去离子水清洗，并用氮气吹干。
3.制备电极。选用光刻胶AZ 4330进行图形光刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为2000转/分，匀胶时间设为30秒。前烘曝光显影，得到中间间距为200um，单边电极长宽为50um×200um的图形。再使用电子束蒸发沉积30nm厚的铬膜和300nm厚的金膜，获得电极4。再用丙酮去胶和浮金，使用酒精、去离子水清洗，氮气吹干，获得探测元。
4.切片和封装。机械划片探测元，尺寸为300um×200um，用导热硅脂6粘贴在器件管座9的中心；然后运用点焊技术，将电极4和器件引脚7用金线焊丝5相连，完成电学导通；在器件管座9上方卡槽里，粘贴锗单晶半球透镜8，完成封装。
实施例3：
1.制备红外敏感元薄膜。将厚度为65um的非晶氧化铝衬底3，用丙酮、酒精、去离子水清洗，并用氮气吹干，放入样品托盘中，采用射频磁控溅射方法沉积锰钴镍氧热敏薄膜，衬底温度为500度，溅射功率为100W，生长时间为约为6天，获得厚度约为8um的锰钴镍氧敏感元1。
2.制备硅介质结构层。采用电子束蒸发的工艺，在锰钴镍氧敏感元1的上，沉积一层厚度为1.9um的多晶硅。在多晶硅表面，选用光刻胶AZ 4330进行图形光刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为3000转/分，匀胶时间设为30秒。前烘曝光显影，得到硅介质层待刻蚀的图形。再利用等离子体刻蚀技术，刻蚀出深度为1.9um，方块结构周期为4.9um，占空比为0.25的硅介质结构层2，再次使用丙酮、酒精、去离子水清洗，并用氮气吹干。
3.制备电极。选用光刻胶AZ 4330进行图形光刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为2000转/分，匀胶时间设为30秒。前烘曝光显影，得到中间间距为200um，单边电极长宽为50um×200um的图形。再使用电子束蒸发沉积30nm厚的铬膜和300nm厚的金膜，获得电极4。再用丙酮去胶和浮金，使用酒精、去离子水清洗，氮气吹干，获得探测元。
4.切片和封装。机械划片探测元，尺寸为300um×200um，用导热硅脂6粘贴在器件管座9的中心；然后运用点焊技术，将电极4和器件引脚7用金线焊丝5相连，完成电学导通；在器件管座9上方卡槽里，粘贴锗单晶半球透镜8，完成封装。
以上所述的具体实施例，对本专利的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本专利的具体实施例而已，并不用于限制本专利，凡在本专利的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于硅介质结构的增强型红外薄膜探测器,包括锰钴镍氧敏感元(1)，硅介质结构层(2)，氧化铝衬底(3)，电极(4)，金线焊丝(5)，导热硅脂(6)，器件引脚(7)，锗单晶半球透镜(8)，器件管座(9),其特征在于:
所述的探测器结构如下：氧化铝衬底(3)上方依次为锰钴镍氧敏感元(1)和硅介质结构层(2)；氧化铝衬底(3)用导热硅脂(6)粘贴在器件管座(9)上；在锰钴镍氧敏感元(1)的表面，硅介质结构层(2)的两侧，是电极(4)；器件引脚(7)与电极(4)用金线焊丝(5)相连；锗单晶半球透镜(8)封装在器件管座(9)上方的卡槽里。
2.根据权利要求1所述的一种基于硅介质结构的增强型红外薄膜探测器，其特征在于：所述的氧化铝衬底(3)为非晶氧化铝宝石片，厚度为65um。
3.根据权利要求1所述的一种基于硅介质结构的增强型红外薄膜探测器，其特征在于：所述的锰钴镍氧敏感元(1)的厚度为5-8um。
4.根据权利要求1所述的一种基于硅介质结构的增强型红外薄膜探测器，其特征在于：所述的硅介质结构层(2)的厚度为1.9um，方块结构周期为4.8um-5.0um，占空比为0.25。
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