一种支撑梁式红外焦平面阵列及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种支撑梁式红外焦平面阵列及其制备方法，它包括硅框架、多个支撑梁和多个微悬臂梁像元。多个支撑梁交错排布搭接在硅框架上，将硅框架包围的窗口分割成多个尺寸、形状完全相同的小窗口，每个小窗口内镶嵌着一个微悬臂梁像元。采用支撑梁支撑微悬臂梁像元方法避免了干法刻蚀制备硅框架式红外焦平面阵列产生的微悬臂梁像元间的不均匀性问题，同时减小了框架的占用面积，提高了填充因子。矩形支撑梁的支撑强度高，可减小背镂空红外焦平面阵列的像面形变问题。此外，支撑梁分割的小窗口可以多个小窗口为一组，每组小窗口错位排布，从而释放支撑梁内部的应力，减小红外焦平面阵列的弯曲形变，提高了器件的可靠性。

Support beam type infrared focal plane array and preparation method thereof

The invention discloses a support beam type infrared focal plane array and a preparation method thereof, which comprises a silicon frame, a plurality of support beams and a plurality of micro cantilever beam elements. A plurality of supporting beams are staggered arranged on the silicon frame, and the window surrounded by the silicon frame is divided into a plurality of small windows with the same size and shape. The support beam supporting the micro cantilever pixel method avoids the dry etching preparation of silicon frame type infrared focal plane arrays of micro cantilever pixels nonuniformity problem, at the same time frame to reduce the occupied area, improve the filling factor. The support strength of the rectangular support beam is high, which can reduce the deformation of the image plane of the back hollow infrared focal plane array. In addition, a small window support beam segmentation can a small window for a group, each small window dislocation arrangement to release stress, supporting beam internal bending deformation decreases, the infrared focal plane array, improve the reliability of the device.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于红外探测成像
，涉及一种光读出式非制冷红外焦平面阵列的设计和制备方法，特别是涉及一种支撑梁式红外焦平面阵列的设计和制备方法。
技术介绍
红外探测器是一种可以将电磁波转化为其它可读出信号的器件。在军事方面，红外探测器在夜视、激光告警和制导等方面发挥着核心作用；在民用方面，商用红外探测系统也已被广泛应用于汽车工业、环境检测和安保监测等领域。一般来说，根据其探测原理，可以将红外探测器分为光子型探测器和热探测器。光子型探测器一般由半导体材料制备，入射的电磁波激发电子到高能级，从而产生感应电流或导致电导率变化。尽管光子型探测器在响应时间和灵敏度方面有优势，但由于其需要庞大的低温设备来抑制噪声，因此限制了其在一些商业和军事领域的应用和推广。热探测器工作的基本原理是探测器吸收入射电磁波能量并将其转化为热，并进一步转化为某种可读出的物理量，这种物理量的变化一般可以是电阻变化(测辐射热式)、电压变化(热电堆式)或机械形变(双材料微悬臂梁式)。热探测器在轻便性和低成本方面优势明显，因此具有广泛应用前景。近年来，双材料微悬臂梁式非制冷红外焦平面阵列得到广泛的关注，其像元为双材料微悬臂梁，它由两种热膨胀系数相差很大的材料构成，因此当环境温度变化时微悬臂梁会发生弯曲形变，这种弯曲形变可以通过制备在悬臂梁上的微镜由光学读出系统读出，进而实现探测成像。早期的双材料微悬臂梁式焦平面阵列采用硅基表面牺牲层工艺制备，双材料微悬臂梁被制备在硅衬底上。在进行探测时，红外由硅衬底背面入射到微悬臂梁式上，而读出可见光由双材料微悬臂梁面入射。由于硅材料对红外具有一定的吸收和反射，使这种探测器的红外吸收效率降低，导致器件探测灵敏度降低。另外一种制备双材料微悬臂梁式非制冷红外焦平面阵列的方法是利用体硅工艺将双材料微悬臂梁下的硅衬底部分或全部去除，形成背面镂空结构，避免硅衬底对入射红外波的吸收。部分去除硅衬底的硅框架式红外焦平面阵列是基于干法刻蚀工艺，选择性去除每个像元下方的硅衬底，形成一定宽度的硅框架支撑微悬臂梁像元。干法刻蚀硅衬底能够获得比较垂直侧壁的框架结构，但在刻蚀硅衬底的过程中，由于需要刻蚀的深度过深，会存在footing效应(footing效应：对硅片进行深刻蚀时，由于刻蚀深度较大，在侧壁出现横向钻蚀的现象)，严重的footing效应会造成像元之间的框架穿通，使结构失效；为防止框架穿通，不得不将框架加宽，其后果是限制了焦平面阵列填充因子的提高。全部去除整个焦平面阵列下方的衬底可以避免footing效应对支撑框架的影响，然而，仅仅采用微悬臂梁像元的结构层材料(通常是薄层的氧化硅或氮化硅)作为支撑结构的镂空式焦平面阵列，强度较低，器件可靠性得不到保证，同时也限制了焦平面阵列像元数的增加；增加微悬臂梁像元结构层厚度，可提高焦平面阵列支撑结构强度，但较厚的结构层会降低微悬臂梁像元的热机械灵敏度，给器件性能带来不利影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种支撑梁式红外焦平面阵列的设计和制备方法，该支撑梁式红外焦平面阵列是利用双材料微悬臂梁作为像元，通过在硅衬底上刻蚀出深槽，再填充其他材料形成支撑梁，该支撑梁作为双材料微悬臂梁像元的支撑结构。本专利技术提供的红外焦平面阵列可进行红外探测和成像，可工作在非制冷环境下。在进行探测成像时，被测物体的红外电磁波辐射聚焦到微悬臂梁像元的红外吸收体上，红外吸收体吸收红外电磁波并将其转化为热量；根据双材料效应，当红外吸收体吸收电磁辐射温度发生改变时，形变支腿会发生弯曲，使双材料微悬臂梁像元发生偏转；热隔离支腿用来减少衬底和双材料微悬臂梁像元之间的热交换；可见光准直入射到微悬臂梁像元的反射镜面上，反射镜面反射入射的可见光，光学检测系统读出不同双材料微悬臂梁像元的形变量和分布，最终通过数据图像处理模块以光强图像的方式将被测物体的红外图像显示出来。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种应用于非制冷红外探测成像的红外焦平面阵列，由硅框架、多条支撑梁和多个微悬臂梁像元组成，该红外焦平面阵列是采用微机械加工工艺制备在硅衬底上，所述硅框架上搭接有多条交错的支撑梁，多条交错的支撑梁将硅框架包围的窗口分割成多个尺寸、形状完全相同的小窗口，每个小窗口内镶嵌着一个微悬臂梁像元，微悬臂梁像元锚定在支撑梁上。所述小窗口可以是纵向、横向对齐排列，也可以错位排列，也可以是多个小窗口为一组，每组小窗口错位排列，错位排列可以释放支撑梁内部的应力，减小焦平面阵列的弯曲形变。所述硅框架是通过湿法腐蚀或干法刻蚀与湿法腐蚀相结合的方法掉窗口内的硅衬底，由剩余的硅衬底构成。所述支撑梁的制备方法是在硅衬底上刻蚀出矩形深槽、再在深槽内淀积回填其他材料、最后去掉硅衬底，形成由其他材料构成的支撑梁；所述其他材料淀积厚度由深槽宽度决定，所述其他材料可以完全填满矩形深槽形成矩形支撑梁，也可以部分填充矩形深槽形成U型支撑梁；所述其他材料可以是一种单一材料，也可以是多种材料的叠加；所述其他材料应该与硅有很好的刻蚀或腐蚀选择比，如氮化硅、氧化硅、碳化硅等。所述采用多种材料叠加填充的支撑梁，可以是在硅衬底上刻蚀出矩形深槽后，先在矩形深槽内淀积一层氮化硅，形成支撑梁的下包裹层；之后淀积氧化硅，氧化硅的厚度应保证填满深槽；再去除深槽外的氧化硅；最后淀积一层氮化硅，形成以氮化硅包裹氧化硅芯材的支撑梁；所述支撑梁的芯材也可以采用其他半导体介质材料或聚合物材料制备。所述多个微悬臂梁像元由光敏面和两条支腿组成，所述光敏面包括红外吸收体和反射镜面；所述红外吸收体可以是氮化硅、氧化硅等介质材料，也可以是黑金属、纳米金属、石墨烯等薄膜，以及这些薄膜材料的多层叠加，也可以是超材料红外吸收体；所述反射镜面采用薄金属膜制备，用于反射可见光，读出多个微悬臂梁像元的偏角度及分布。所述支腿包括形变支腿和热隔离支腿，形变支腿和热隔离支腿交替连接组成回折结构，两条支腿的一端分别搭接在光敏面两侧，另一端分别固定在支撑梁上；所述形变支腿由两种热膨胀系数相差很大的材料组成，第一层材料为具有较小热导率和热膨胀系数的介质材料，如氮化硅、氧化硅等；第二层材料为高热膨胀系数的材料，如金属、聚合物等；所述两种材料的厚度比是为了获得尽可能大的形变量，形变支腿长度在尽量减小占用面积的同时保证获得尽可能大的形变量；所述热隔离支腿仅包括热导率较小的介质材料，该介质材料可以与形变支腿的第一层材料一致，所述热隔离支腿的厚度和长度选择是为了获得尽可能大的隔热效率。本专利技术提出的一种利用深槽刻蚀回填形成氮化硅包裹氧化硅支撑梁的红外焦平面阵列的工艺流程，步骤如下：步骤1：制备深槽以硅基片作为衬底材料，光刻，刻蚀硅衬底，形成矩形深槽结构；步骤2：制备下包裹层采用低压化学气相淀积(LPCVD)方法在硅基片上淀积低应力氮化硅，保形覆盖深槽，制作支撑梁的下包裹层；步骤3：回填芯材采用LPCVD方法在硅基片上淀积氧化硅，厚度大于槽宽度的一半，保证深槽填满，作为支撑梁的芯材，；步骤4：平坦化硅基片表面化学机械抛光或者干法刻蚀硅基片上淀积的氧化硅，去掉深槽以外的氧化硅，保留深槽内的氧化硅芯材；步骤5：生长支撑梁上包裹层和微悬臂梁像元的结构层材料采用LPCVD方法在硅基片上淀积一层氮化硅，用作制备支撑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种支撑梁式红外焦平面阵列，它包括有硅框架、多条支撑梁和多个微悬臂梁像元，该红外焦平面阵列是采用微机械加工工艺制备在硅衬底上，其特征是：所述硅框架上搭接有多条交错的支撑梁，多条交错的支撑梁将硅框架包围的窗口分割成多个尺寸、形状完全相同的小窗口，每个小窗口内镶嵌着一个微悬臂梁像元，微悬臂梁像元锚定在支撑梁上。

【技术特征摘要】
1.一种支撑梁式红外焦平面阵列，它包括有硅框架、多条支撑梁和多个微悬臂梁像元，该红外焦平面阵列是采用微机械加工工艺制备在硅衬底上，其特征是：所述硅框架上搭接有多条交错的支撑梁，多条交错的支撑梁将硅框架包围的窗口分割成多个尺寸、形状完全相同的小窗口，每个小窗口内镶嵌着一个微悬臂梁像元，微悬臂梁像元锚定在支撑梁上。2.如权利要求1所述的红外焦平面阵列，其特征是：所述硅框架是通过湿法腐蚀或干法刻蚀与湿法腐蚀相结合的方法去掉窗口内的硅衬底，由剩余的硅衬底构成。3.如权利要求1所述的红外焦平面阵列，其特征是：所述支撑梁的制备方法是在硅衬底上刻蚀出矩形深槽、再在深槽内淀积回填其他材料、最后去掉硅衬底，形成由其他材料构成的支撑梁；所述其他材料淀积厚度由深槽宽度决定，所述其他材料可以完全填满矩形深槽形成矩形支撑梁，也可以部分填充矩形深槽形成U型支撑梁；所述其他材料可以是一种单一材料，也可以是多种材料的叠加；所述其他材料应该与硅有很好的刻蚀或腐蚀选择比，如氮化硅、氧化硅、碳化硅等。4.如权利要求3所述的支撑梁，其特征是：所述采用多种材料叠加填充的支撑梁，可以是在硅衬底上刻蚀出矩形深槽后，先在矩形深槽内淀积一层氮化硅，形成支撑梁的下包裹层；之后淀积氧化硅，氧化硅的厚度应保证填满深槽；再去除深槽外的氧化硅；最后淀积一层氮化硅，形成以氮化硅包裹氧化硅芯材的支撑梁；所述支撑梁的芯材也可以采用其他半导体介质材料或聚合物材料制备。5.如权利要求1所述的红外焦平面阵列，其特征是：所述小窗口可以是纵向、横向对齐排列，也可以错位排列，也可以是多个小窗口为一组，每组小窗口错位排列；错位排列可以释放支撑梁内部的应力，减小红外焦平面阵列的弯曲形变。6.如权利要求1所述的红外焦平面阵列，其特征是：所述多个微悬臂梁像元由光敏面和两条支腿组成；所述光敏面包括红外吸收体和反射镜面；所述红外吸收体可以是氮化硅、氧化硅等介质材料，也可以是黑金属、纳米金属、石墨烯等薄膜，以及这些薄膜材料的多层叠加，也可以是超材料红外吸收体；所述反射镜面采用薄金属膜制备，用于反射可见光，读出多个微悬臂梁像元的偏转角度及分布。7.如权利要求6所述的两...

【专利技术属性】
技术研发人员：于晓梅，马蔚，赵锐，文永正，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11