CN219301808U - 非制冷红外探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种非制冷红外探测器，包括：基底、反射镜、导电吸气剂锚柱、微桥及热敏电阻；基底内设置有读出电路，所述导电吸气剂锚柱与读出电路电连接，所述微桥架设于导电吸气剂锚柱上，所述热敏电阻位于微桥背离导电吸气剂锚柱的表面，所述反射镜位于微桥、基底和导电吸气剂锚柱围成的谐振腔内。本申请经改善的结构设计，将导电吸气剂锚柱设置于探测器内，使其成为探测器结构的一部分，能够在不额外增加探测器尺寸的情况下，充分发挥吸气剂功能，有助于探测器的小型化。同时，导电吸气剂锚柱不仅能支撑微桥，由此使微桥悬空形成光学谐振腔，而且能起到连接热敏电阻和读出电路的导电作用，有助于提高探测器性能。

Description

非制冷红外探测器

技术领域

本实用新型涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种非制冷红外探测器。

背景技术

非制冷红外探测器的工作原理是将外部红外辐射引起的探测器内热敏电阻的温度变化转化为电信号的变化并输出。热敏电阻吸收红外辐射后的热量主要通过热传导、热对流和热辐射等方式与外界进行能量交换。

为了减少热对流引起的热敏电阻热量的损失，非制冷红外探测器通常密封在一个真空的封装盒中。因为没有空气的存在，热对流引起的热量损失可以忽略不记。为了更长时间维持真空封装盒内的真空度，非制冷红外探测器封装过程中需要用到吸气剂，即在封装过程中将吸气剂设置在非红外探测器结构上。根据封装工艺的不同，最终封装出的结构大体可以分为类型，第一种是吸气剂被封装于封装管壳中，第二种是吸气剂设置于反射镜的位置，同时作为反射镜，第三种则是将吸气剂设置于热敏感元下方或上方。吸气剂设置于封装管壳中的结构会增大管壳的体积，不利于探测器的小型化；作为反射镜的吸气剂激活后会影响红外反射，进而影响红外吸收；设置于热敏感元下方或上方的吸气剂独立于探测器结构之外，不是探测器本身必要的结构，使得探测器的结构更复杂，所需的制备工艺增加，推高了探测器的成本。

基于此，需要开发一种新的非制冷红外探测器，在提高其性能的同时使其制作成本进一步降低。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种非制冷红外探测器，用于解决现有技术中的非制冷红外探测器，因所需的吸气剂或被封装于管壳中，导致探测器体积增大，或吸气剂设置于反射镜的位置以同时作为反射镜，影响红外吸收，导致探测器性能下降，或吸气剂独立设置于热敏感元下方或上方，使得探测器的结构更加复杂，所需的制备工艺增加，导致探测器成本增加等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种非制冷红外探测器，包括：基底、反射镜、导电吸气剂锚柱、微桥及热敏电阻；基底内设置有读出电路，所述导电吸气剂锚柱与读出电路电连接，所述微桥架设于导电吸气剂锚柱上，因此微桥与基底具有一定间距，所述热敏电阻位于微桥背离导电吸气剂锚柱的表面，所述反射镜位于微桥、基底和导电吸气剂锚柱围成的谐振腔内。

可选地，所述热敏电阻位于反射镜的正上方。

可选地，所述反射镜贴置于基底表面。

可选地，所述导电吸气剂锚柱包括钛层、氮化钛层、钴层、和稀土层中的若干种。

可选地，所述反射镜包括铝层、钛层、氮化钛层和铝铜合金层中的若干种。

可选地，所述微桥自上而下包括第一介质层、导电层和第二介质层。

可选地，第一介质层和第二介质层包括氮化硅层、二氧化硅层和氮氧化硅层中的若干种，导电层包括钛层和/或氮化钛层。

可选地，所述导电吸气剂锚柱为实心柱。

可选地，所述热敏电阻包括半导体热敏电阻、合金热敏电阻和金属热敏电阻中的任意一种。

可选地，所述微桥包括空心桥柱和桥面，所述空心桥柱立设于导电吸气剂锚柱上，所述桥面通过空心桥柱架设于谐振腔上方，并向外延伸。

更可选地，所述空心桥柱的上部尺寸大于下部尺寸。

如上所述，本实用新型的非制冷红外探测器，具有以下有益效果：本申请经改善的结构设计，将导电吸气剂锚柱设置于探测器内，使其成为探测器结构的一部分，可以在不额外增加探测器尺寸的情况下，充分发挥吸气剂功能，有助于探测器的小型化。同时，导电吸气剂锚柱不仅能支撑微桥，由此使微桥悬空形成光学谐振腔，而且能起到连接热敏电阻和读出电路的导电作用，有助于提高探测器性能。

附图说明

图1显示为本实用新型提供的非制冷红外探测器的例示性结构示意图。

图2至12显示为本实用新型提供的非制冷红外探测器于制备过程中呈现出的例示性截面结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。

如图1所示，本申请提供一种非制冷红外探测器，包括：基底1、反射镜2、导电吸气剂锚柱3、微桥4及热敏电阻5；基底1内设置有读出电路，所述导电吸气剂锚柱3通常位于基底1上，并与读出电路电连接，所述微桥4架设于导电吸气剂锚柱3上，因而微桥4与基底1具有一定间距，所述热敏电阻5位于微桥4背离导电吸气剂锚柱3的表面，所述反射镜2位于微桥4、基底1和导电吸气剂锚柱3围成的谐振腔8内，且微桥4上通常设置有与谐振腔8相连通的释放孔9，该释放孔9在制备探测器的过程中可以经该释放孔9导入等离子体，以将原本位于谐振腔8所在位置的牺牲层材料去除，由此将谐振腔8释放出来。

本申请经改善的结构设计，将导电吸气剂锚柱设置于探测器内，使其成为探测器结构的一部分，可以在不额外增加探测器尺寸的情况下，充分发挥吸气剂功能，有助于探测器的小型化。同时，导电吸气剂锚柱不仅能支撑微桥，由此使微桥悬空形成光学谐振腔，而且能起到连接热敏电阻和读出电路的导电作用，有助于提高探测器性能。

本实施例中的所述基底1可以为硅、锗、锗硅、绝缘体上硅等硅基材料的基底1，也可以是砷化镓等化合物半导体材质的基底1。在晶圆级制造中，单个基底1上将形成成千上万个器件，因而相应的读出电路也将有多个。导电吸气剂锚柱3贴置于基底1表面，并通过显露于基底1表面的金属焊垫(未标示)等结构与读出电路电连接。基底1表面除金属焊垫外的表面则可以设置有钝化层等保护层。

反射镜2的具体设置位置可以根据需要而定。在本申请提供的一优选示例中，所述反射镜2贴置于基底1表面，有助于简化探测器整体结构和制备工艺。反射镜2的结构可以为单一金属层，例如为金层、银层、铂层、钛层、铝层、镍层、铬层等金属层中的任意一种，也可以是合金层，例如为包括前述任一金属的化合物层或合金层中的任意一种，或者可以是多个金属层的层叠。若为金属层，则优选单一材料层。所述反射镜2也可以是由介质层构成的高反膜层，例如包括交替层叠的SiO2薄膜层与Si薄膜层、交替层叠的SiO2薄膜层与TiO2薄膜层、或交替层叠的SiO2薄膜层与Ta2O5薄膜层。在其他的示例中，在设置有支撑反射镜2的支撑结构的情况下，也可以将反射镜2设置于微桥4的下表面。或者同时设置位于微桥4下表面和位于基底1上表面的两个反射镜2。当反射镜2设置于微桥4下表面时，反射镜2可以为半反半透镜。反射镜2的厚度可以根据其材质和/或谐振腔8的中心波长而定，例如反射镜2如果为设置于基底1表面的金属反射镜2时，其厚度较佳地为不小于100nm，以使得入射的红外光几乎不会到达基底1，从而使得反射镜2与下面的基底1可以几乎不影响谐振现象。当然，反射镜2的厚度也不可过大，否则占用体积太大，使得谐振腔8太小，影响红外光吸收。发明人经大量实验发现，位于基底1上的反射镜2的厚度较佳地为200nm-500nm，比如为200nm，300nm，400nm，500nm或这区间的任意值。设置反射镜2，可以使得进入谐振腔8的红外辐射被反射回热敏电阻5，并引起谐振腔8的共振，从而改善红外光吸收效率，提高整个探测器的光电转换效率。此外，为提高反射效果，所述热敏电阻5较佳地位于反射镜2的正上方，两者位于上下两个相互平行的水平面上，即热敏电阻5与反射镜2上下对应，且所述反射镜2的表面积较佳地为不小于热敏电阻5的表面积，使得热敏电阻5的正投影完全落在反射镜2上，以进一步提高探测器的效率。

所述导电吸气剂锚柱3顾名思义同时具备导电、吸气以及支撑功能，其材质较佳地为可低温激活的吸气剂，更具体地为包括钛层、氮化钛层、钴层和稀土材料层中的若干种。即，其既可以是单一结构层，也可以是前述材料层堆叠而成。其形状尺寸可以根据需要设定，对此不做严格限制。但在较佳的示例中，可以采用矩形柱结构的导电吸气剂锚柱3，以提供良好的支撑。且本实施例中的导电吸气剂锚柱3较佳地为实心柱，更准确地说为纯导电实心柱，即其由单一的导电吸气材料层构成，外表面没有设置介质层等绝缘材料。也就是说其显露出的表面也都是具有导电与吸气功能的材料层，由此可以增大吸气面积，提高探测器性能。

在一较佳示例中，所述微桥4自上而下包括第一介质层、导电层和第二介质层，第一介质层和第二介质层可以起到隔热作用，降低因热传导引起的热损失，而导电层可以将热敏电阻5经由导电吸气剂锚柱3而连接至读出电路以实现探测器的红外检测功能。

在较佳的示例中，第一介质层和第二介质层可选自氮化硅层、二氧化硅层和氮氧化硅层中的若干种，导电层可选自钛层和/或氮化钛层，但并不仅限于此。因为这些材料层不仅可以充分满足相应的功能，同时制备工艺相对更成熟，价格相对低廉，有助于降低探测器的制造成本。各结构层的厚度可以根据需要而定，例如各结构层的厚度为80nm-150nm。

所述热敏电阻5可包括半导体热敏电阻5、合金热敏电阻5和金属热敏电阻5中的任意一种，热敏电阻5例如可以为平面板状结构。

在一较佳示例中，所述微桥4包括空心桥柱和桥面，所述空心桥柱立设于导电吸气剂锚柱3上，所述桥面通过空心桥柱架设于谐振腔8上方，并向外延伸。即桥面与空心桥柱连接而悬于谐振腔8的上方，热敏电阻5位于桥面上。形成于桥面上的释放孔9可以为圆形孔，也可以为环形孔或其他结构。空心桥柱和导电吸气剂锚柱3的高度之和决定了谐振腔8的高度，因而两者的具体尺寸可以根据谐振腔8的工作波长而定，对此不做具体限定。设置空心桥柱，同时桥面沿背离谐振腔8的方向向外延伸，有助于提高探测器的探测灵敏度。在进一步的示例中，在设置有空心桥柱的情况下，可将所述空心桥柱设置为上部尺寸大于下部尺寸，即空心桥柱的外轮廓的横截面呈现上宽下窄的梯形结构，有助于提高微桥4的机械强度。

本实施例提供的非制冷红外探测器还可以具有位于微桥上方的盖层(未示出)等其他结构，由于这部分内容非本申请的发明点，对此不做详细展开。

下面结合附图1至12对本申请提供的非制冷红外探测器的制备方法做一例示性说明。

首先，提供具有读出电路的基底1，例如提供制作有读出电路的硅晶圆，其结构可以参考图2所示；

在基底1表面涂胶、曝光、显影，制作铝反射镜图形；铝反射镜图形区无光阻覆盖，其他区域均被光阻6覆盖，得到的结构可以参考图3所示；

采用包括但不限于PVD工艺于图3所示的结构上溅射反射镜材料铝，得到的结构如图4所示；

采用剥离工艺将图4所示的晶圆上的光阻6和光阻上的铝剥离干净，留在晶圆上的铝作为探测器的反射镜2，得到的结构如图5所示；

在图5所示的结构上进行涂胶、曝光、显影，制作锚柱图形；锚柱图形区域无光阻6覆盖，其他区域均有光阻6覆盖，得到的结构如图6所示；

通过PVD工艺在图6所示的结构上溅射导电型吸气剂层3a，得到的结构如图7所示；

通过剥离工艺将图7所示的晶圆上的光阻6和光阻6上的导电型吸气剂层3a去除；留在晶圆上的导电型吸气剂层3a作为支撑探测器并同时起到吸气和导电功能的导电吸气剂锚柱3，得到的结构如图8所示；

在图8所示的结构上旋涂聚酰亚胺牺牲层7，并进行高温固化和吸气剂激活，得到的结构如图9所示；

通过光刻和刻蚀图像化图9中所示的聚酰亚胺牺牲层7，并停留在导电吸气剂锚柱3上，得到的结构如图10所示；

通过PVD工艺在图10所示的结构上溅射导电微桥材料层4a和热敏电阻材料，并图形化热敏电阻材料以形成热敏电阻5，得到的结构如图11所示；

通过光刻和刻蚀图形化图11中所示的微桥材料层4a，得到的结构如图12所示，且微桥4中形成有释放孔9；

通过释放孔9将刻蚀等离子体导入至聚酰亚胺牺牲层7以将其去除，微桥4和基底1之间由聚酰亚胺牺牲层7释放出的空间作为光学谐振腔8，最终得到如图1所示的非制冷红外探测器。

从上述制作过程可以看到，本申请提供的非制冷红外探测器相较于现有的探测器，其制备工艺更加简单，且各步骤采用的都是常规工艺，因而其制作成本可以有效降低。

综上所述，本实用新型提供一种非制冷红外探测器，包括：基底、反射镜、导电吸气剂锚柱、微桥及热敏电阻；基底内设置有读出电路，所述导电吸气剂锚柱与读出电路电连接，所述微桥架设于导电吸气剂锚柱上，所述热敏电阻位于微桥背离导电吸气剂锚柱的表面，所述反射镜位于微桥、基底和导电吸气剂锚柱围成的谐振腔内。本申请经改善的结构设计，将导电吸气剂锚柱设置于探测器内，使其成为探测器结构的一部分，可在不额外增加探测器尺寸的情况下，充分发挥吸气剂功能，有助于探测器的小型化。同时，导电吸气剂锚柱不仅能支撑微桥，由此使微桥悬空形成光学谐振腔，而且能起到连接热敏电阻和读出电路的导电作用，有助于提高探测器性能。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种非制冷红外探测器，其特征在于，包括：基底、反射镜、导电吸气剂锚柱、微桥及热敏电阻；基底内设置有读出电路，所述导电吸气剂锚柱与读出电路电连接，所述微桥架设于导电吸气剂锚柱上，所述热敏电阻位于微桥背离导电吸气剂锚柱的表面，所述反射镜位于微桥、基底和导电吸气剂锚柱围成的谐振腔内。

2.根据权利要求1所述的非制冷红外探测器，其特征在于，所述热敏电阻位于反射镜的正上方。

3.根据权利要求1所述的非制冷红外探测器，其特征在于，所述反射镜贴置于基底表面。

4.根据权利要求1所述的非制冷红外探测器，其特征在于，所述导电吸气剂锚柱包括钛层、氮化钛层、钴层和稀土材料层中的若干种，所述反射镜包括铝层、钛层、氮化钛层和铝铜合金层中的若干种。

5.根据权利要求1所述的非制冷红外探测器，其特征在于，所述微桥自上而下包括第一介质层、导电层和第二介质层。

6.根据权利要求5所述的非制冷红外探测器，其特征在于，第一介质层和第二介质层包括氮化硅层、二氧化硅层和氮氧化硅层中的若干种，导电层包括钛层和/或氮化钛层。

7.根据权利要求1所述的非制冷红外探测器，其特征在于，所述导电吸气剂锚柱为实心柱。

8.根据权利要求1所述的非制冷红外探测器，其特征在于，所述热敏电阻包括半导体热敏电阻、合金热敏电阻和金属热敏电阻中的任意一种。

9.根据权利要求1至8任一项所述的非制冷红外探测器，其特征在于，所述微桥包括空心桥柱和桥面，所述空心桥柱立设于导电吸气剂锚柱上，所述桥面通过空心桥柱架设于谐振腔上方，并向外延伸。

10.根据权利要求9所述的非制冷红外探测器，其特征在于，所述空心桥柱的上部尺寸大于下部尺寸。

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