一种宽波段的非制冷红外探测器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种宽波段的非制冷红外探测器及其制备方法，包含读出电路的半导体衬底和一具有第一微桥支撑结构的探测器，所述探测器与所述半导体衬底的读出电路形成电连接，所述第一微桥结构上设有第二微桥结构，所述第二微桥结构上设有第三微桥结构；使用该方法，可以拓宽红外探测器的检测波段，从而扩展红外探测器的应用领域。不仅工艺简单，成本低，而且不会增加读出电路的设计难度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体技术中的微机电系统(MEMS:Micro-electromechanical Systems)工艺制造领域，具体涉及一种宽波段的非制冷红外探测器及其制备方法。
技术介绍
非制冷红外探测技术是无需制冷系统对外界物体的红外辐射(IR)进行感知并转化成电信号经处理后在显示终端输出的技术，可广泛应用于国防、航天、医学、生产监控等众多领域。非制冷红外焦平面探测器由于其能够在室温状态下工作，并具有质量轻、体积小、寿命长、成本低、功率小、启动快及稳定性好等优点，满足了民用红外系统和部分军事红外系统对长波红外探测器的迫切需要，近几年来发展迅猛，正朝着高灵敏、宽谱段、高分辨率、低功耗、小型化和智能化的方向发展。非制冷红外探测器主要包括测辐射热计、热释电和热电堆探测器等，其中基于MEMS制造工艺的微测辐射热计(Micro-bolometer)红外探测器由于其响应速率高，制作工艺简单且与集成电路制造工艺兼容，具有较低的串音和较低的1/f噪声，较高的帧速，工作无需斩波器，便于大规模生产等优点，是非制冷红外探测器的主流技术之一。微测辐射热计(Micro-bolometer)是基于具有热敏特性的材料在温度发生变化时电阻值发生相应的变化而制造的一种非致冷红外探测器。工作时对支撑在绝热结构上的热敏电阻两端施加固定的偏置电压或电流源，入射红外辐射引起的温度变化使得热敏电阻阻值减小，从而使电流、电压发生改变，并由读出电路(ROIC:Readout Integrated Circuits)读出电信号的变化。作为热敏电阻的材料必须具有较高的电阻温度系数(TCR:Temperature Coefficient of Resistance)，较低的1/f噪声，适当的电阻值和稳定的电性能，以及易于制备等要求。微测辐射热计的红外或者太赫兹辐射探测过程，主要是通过悬空的微桥结构来完成的，所以微测辐射热计的结构制造是决定其性能的关键因素。传统的非制冷红外焦平面阵列探测器的单元通常采用悬臂梁微桥结构，它利用牺牲层释放工艺形成桥支撑结构，支撑平台上的热敏材料通过微桥与基底读出电路相连。牺牲层厚度即光学谐振腔(空腔)高度的确定：空腔除了起到热绝缘作用之外，还可以增强器件对红外辐射或者太赫兹辐射的吸收(吸收系数可高达90％)，以及定位器件对红外或太赫兹吸收的波段。目前，非制冷红外成像波段主要集中在长波红外波段(8μm～14μm)，而成像波段位于中波红外波段(3μm～5μm)的产品较少。长波段红外成像技术成熟、灵敏度高，对烟雾的穿透能力较强，能够对大部分目标提供优异的成像效果；中波红外成像背景辐射干扰小，在湿度较大的环境中可视距离优于长波红外，在导弹预警方面有重要应用。所以，发展宽波段的红外探测器非常有必要。国外在红外多波段成像方面，美国雷神曾申请专利(美国专利：US7629582B2)。该专利采用的技术方案是采用光子型探测器和热敏型探测器混合集成的方式，光子型探测器作为短波红外探测器，而热敏型探测器作为长波红外探测器。该方案虽然可以实现宽波段的红外探测，但是由于使用两种器件叠加探测，这种方法会导致工艺难度大、成本高、读出电路设计复杂。国内在红外多波段成像方面，中国电子科技集团公司第十三研究所申请专利(一种MEMS非制冷双波段红外探测器及其制备，申请号：200910228000)。该专利采用通过调节光学谐振腔长度的方式实现双波段成像。该方法原理简单，容易设计，但是由于需要增加电路调节谐振腔变化高度，不仅工艺难度大，也增加了读出电路设计的难度。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种工艺简单，成本低，而且不会增加读出电路的设计难度的宽波段的非制冷红外探测器。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：一种宽波段的非制冷红外探测器，包含读出电路的半导体衬底和一具有第一微桥支撑结构的探测器，所述探测器与所述半导体衬底的读出电路形成电连接，所述第一微桥结构上设有第二微桥结构，所述第二微桥结构上设有第三微桥结构。作为优选的技术方案，所述第二微桥结构包括第二支撑层，所述第二支撑层上设有第二吸收层；所述第三微桥结构包括第三支撑层，所述第三支撑层上设有第三吸收层。本专利技术还提供一种制备所述宽波段的非制冷红外探测器的方法。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：一种制备宽波段的非制冷红外探测器的方法，包括步骤：1)在已加工好的读出电路的半导体衬底上制作金属反射层，薄膜厚度0.05～0.40μm；蚀刻反射层之后在反射层图形上沉积一层绝缘介质；然后进行牺牲层的制备；在牺牲层上利用PECVD沉积低应力Si3N4薄膜作为支撑层，支撑层厚度0.10～0.30μm；2)使用光刻和RIE蚀刻的方法蚀刻掉部分牺牲层以及底部的绝缘介质，露出下面的金属电极，形成Via通孔，然后利用PVD沉积电极，一般使用Ti,NiCr,TiN薄膜，厚度利用光刻和蚀刻的方法，蚀刻出电极图形，再利用PECVD沉积一层低应力Si3N4介质层，厚度3)制备电极层和热敏层，所述热敏层材料使用VOx薄膜，采用离子束沉积或物理气相沉积的方法生长，薄膜厚度4)在蚀刻结束的结构上制备第二层结构的牺牲层，牺牲层厚度为0.5μm～3μm，利用PECVD沉积低应力Si3N4薄膜作为支撑层，支撑层厚度0.10～0.30μm；5)利用PECVD或PVD方法沉积一层吸收层薄膜，如Ti、TiN等金属或非金属，薄膜厚度为然后使用光刻蚀刻的方法图形化吸收层薄膜和Si3N4薄膜，形成第二层结构；6)完成第二层结构的制备后，制作第三层结构的牺牲层，牺牲层厚度为0.5μm～3μm，利用PECVD沉积低应力Si3N4薄膜作为支撑层，支撑层厚度0.10～0.30μm，再利用PECVD或PVD方法沉积一层吸收层薄膜，如Ti、TiN等金属或非金属，薄膜厚度为然后光刻图形化吸收层薄膜和Si3N4薄膜，形成第三层结构；8)牺牲层的释放，把完成吸收层和Si3N4薄膜蚀刻的器件放入去胶机或离子刻蚀机、等离子灰化等设备中，释放牺牲层，形成最终的微桥结构。作为优选的技术方案，所述步骤1)中所述的绝缘介质采用Si3N4薄膜或者SiO2薄膜，薄膜厚度0.02～0.30μm。作为优选的技术方案，所述步骤1)、步骤4)或步骤6)中所述的牺牲层选用非晶碳、非晶硅、耐温光刻胶。作为优选的技术方案，所述步骤3)制备电极层和热敏层方法为：在支撑层Si3N4上利用PVD制备电极层和电极钝化层并通过光刻图形化，再采用离子束沉积或物理气相沉积的方法在图形化的电极层保护层上生长热敏薄膜层VOx薄膜和热敏层保护层并通过光刻图形化。作为进一步的优选，所述步骤3)制备电极层和热敏层具体方法为：利用PVD沉积电极，一般使用Ti,NiCr,TiN薄膜，厚度利用光刻和蚀刻的方法，蚀刻出电极图形，利用PECVD沉积一层低应力Si3N4介质层，厚度使用光刻蚀刻的方法在电极(Ti，TiN,NiCr)保护层上蚀刻掉部分保护层Si3N4，形成电极与热敏层的接触孔，使用SF6、CHF3、O2或CF4、O2等气体作为蚀刻气体，电极厚度较薄，需要使用终点监测EPD(End Point Detection)进行蚀刻反应结束监控，以免将电极全部蚀刻干净；蚀刻完Contact孔后，立即沉积热敏薄膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽波段的非制冷红外探测器，包含读出电路的半导体衬底和一具有第一微桥支撑结构的探测器，所述探测器与所述半导体衬底的读出电路形成电连接，其特征在于：所述第一微桥结构上设有第二微桥结构，所述第二微桥结构上设有第三微桥结构。

【技术特征摘要】
1.一种宽波段的非制冷红外探测器，包含读出电路的半导体衬底和一具有第一微桥支撑结构的探测器，所述探测器与所述半导体衬底的读出电路形成电连接，其特征在于：所述第一微桥结构上设有第二微桥结构，所述第二微桥结构上设有第三微桥结构。2.如权利要求1所述的宽波段的非制冷红外探测器，其特征在于：所述第二微桥结构包括第二支撑层，所述第二支撑层上设有第二吸收层；所述第三微桥结构包括第三支撑层，所述第三支撑层上设有第三吸收层。3.一种制备如权利要求1或2所述的宽波段的非制冷红外探测器的方法，其特征在于，包括步骤：1)在已加工好的读出电路的半导体衬底上制作金属反射层，薄膜厚度0.05～0.40μm；蚀刻反射层之后在反射层图形上沉积一层绝缘介质；然后进行牺牲层的制备；在牺牲层上利用PECVD沉积低应力Si3N4薄膜作为支撑层，支撑层厚度0.10～0.30μm；2)使用光刻和RIE蚀刻的方法蚀刻掉部分牺牲层以及底部的绝缘介质，露出下面的金属电极，形成Via通孔，利用PVD沉积电极，厚度利用光刻和蚀刻的方法，蚀刻出电极图形，再利用PECVD沉积一层低应力Si3N4介质层，厚度3)制备电极层和热敏层，所述热敏层材料使用VOx薄膜，采用离子束沉积或物理气相沉积的方法生长，薄膜厚度4)在蚀刻结束的结构上制备第二层结构的牺牲层，牺牲层厚度为0.5μm～3μm，利用PECVD沉积低应力Si3N4薄膜作为支撑层，支撑层厚度0.10～0.30μm；5)利用PECVD或PVD方法沉积一层吸收层薄膜，如Ti、TiN等金属或非金属，薄膜厚度为然后使用光刻蚀刻的方法图形化吸收层薄膜和Si3N4薄膜，形成第二层结构；6)完成第二层结构的制备后，制作第三层结构的牺牲层，牺牲层厚度为0.5μm～3μm，利用PECVD沉积低应力Si3N4薄膜作为支撑层，支撑层厚度0.10～0.30μm，再利用PECVD或PVD方法沉积一层吸收层薄膜，薄膜厚度为然后光刻图形化吸收层薄膜和Si3N4薄膜，形成第三层结构；8)牺牲层的释放，把完成吸收层和Si3N4薄膜蚀刻的器件放入去胶机或离子刻蚀机、等离子灰化设备中，释放牺牲层，形成最终的微桥结构。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱栋，王鹏，王宏臣，陈文礼，马宏，
申请(专利权)人：烟台睿创微纳技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37