高应力平衡的红外探测器制造技术

本实用新型专利技术涉及红外成像技术领域，公开了一种高应力平衡的红外探测器，包括基底和微结构，微结构包括桥面、设置在桥面相对侧方向的两只桥腿和锚柱，桥腿的一边端部与桥面连接在一起，另一边端部通过锚柱连接在基底上，基底表面上设有反射膜层，桥面是悬空在该反射膜层的正上方，并与之形成真空间隙层，所述微结构的桥面采用了对称的薄膜结构，从下到上依次为应力缓冲层、吸收层、热敏感层、保护层和钝化层，应力更容易实现补偿，从而使桥面的结构非常平整和稳定，不会发生翘曲变形，降低了本实用新型专利技术的工艺实现难度。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及红外成像系统
的一种用于常温下的红外焦平面阵列探测器，针对的红外辐射波长范围是8 14i! m。
技术介绍
探测红外光波的红外辐射探测器，按探测原理分为光子型和热敏型探测器。光子型需要工作在液氦(约77K)制冷的环境中，而热敏型探测器通常工作在常温下，多个该种探测器单元以二维阵列的形式排列在芯片基底上，并将芯片置于红外辐射成像系统聚焦透镜的焦平面上时，则构成了用于常温下的红外焦平面阵列探测器(IRFPA)。这种用于常温下的红外探测器(IRFPA)通常包括两部分基底和微结构。微结构中包括1、用于吸收红外辐射并将其转化为热的装置；2、将该探测器对于基底热绝缘并以便探测器在红外热辐射的作用下可以实现温升的装置；3、热敏感装置，是在红外辐射的加热作用下，其自身的某些特性(例如电阻或者电阻率)随温度变化的部件。在基底上通常集成读取热敏感部分特性变化的电路装置，是利用标准的半导体工艺制造。对于红外焦平面阵列探测器，基底上的电路是一种能够施加电信号激励把探测器各个微结构单元(Pixel)的特性变化(例如电阻变化)转化为电信号(电流或者电压)、并对二维探测器阵列实现顺序寻址CMOS读出集成电路，该读出电路还能够对探测器单元的电信号进行预处理，例如进行增益放大、非均匀校正(NUC)等处理。红外探测器 的两个重要指标分别噪声等效温差NETD和热响应时间常数T。NETD涵义是当被测红外热辐射目标的温度变化，导致焦平面探测器输出端的电压等于噪声电压时，该温度变化量称为NETD，即探测器所能分辨的探测目标的最小温度变化。NETD越小越好，在目前已装备的非制冷红外热象仪的NETD通常为20 IOOmK之间。响应时间常数T定义假定桥面在吸收红外辐射后，温升达到热平衡时时间为t，则T为t. (1-e—1)，其大小决定了探测器的帧频F，当然t也是越小越能满足红外成像的要求，通常是在毫米级的范围，例如响应时间t ( 10ms，适用的帧频F彡30Hz。影响上述两个指标的因素很多，诸如探测器的阵列大小、单元像素的间距(Pitch)、各个膜层的材料、热敏感层的温度电阻特性(TCR)和电阻率、桥腿的线宽(CD)、厚度和长度、各层材料的厚度以及光学真空间隙的高度等等。在红外探测器制造过程中，各层薄膜结构会产生应力(stress)，分类为张应力和压应力。应力超越了微结构所能承受的范围，就会导致桥面上结构的翘曲、卷曲变形，应力过大甚至会导致微结构脱模、桥腿的断裂等严重情形，进而影响探测器的红外热能量吸收、热阻分布以及热响应率等重要指标的均匀性，也就成为影响探测器NETD性能以及探测器本身稳定性的重要因素。所以，如何降低、消除微结构上薄膜应力成为红外探测器阵列制造过程中非常棘手的问题。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种桥面结构平整稳定，不会发生翘曲变形的红外焦平面阵列探测器。为了达到上述目的，本技术的技术方案是这样实现的一种高应力平衡的红外探测器，包括微结构和基底，其中微结构包括桥面，设置在桥面相对侧方向的两只桥腿和锚柱，微结构的桥腿一边端部与桥面连接在一起，另一边端部通过锚柱连接在基底上，所述的基底为读出集成电路衬底，表面上设有反射膜层；所述的微结构的桥面是悬空在基底的上方，并与之上的反射膜层形成真空间隙层，所述微结构的桥面薄膜对称，桥面上的吸收层的压应力(或者张应力)和钝化层的张应力(或者压应力)容易实现平衡。所述的桥面从下到上依次为应力缓冲层、吸收层、热敏感层、保护层和钝化层。 所述吸收层的薄膜和钝化层的薄膜对称。所述的热敏感层的材料为非晶硅(a_S1:H)、非晶锗硅(a-SiGe)或氧化钒(VOx)。所述的桥腿设置在桥面相对应的二侧上，且桥腿与桥面分布于同一平面上。所述的桥腿从下到上依次为缓冲层、热阻层、导电层和钝化层。所述热阻层的薄膜和桥退钝化层的薄膜对称。所述的锚柱由金属组成；或由金属或半导体填充物和氧化硅组成，从内到外依次是填充物和氧化硅材料。所述的桥腿的导电层一边端部与桥面的热敏感层电学相连，另一边端部通过锚柱实现与基底的读出电路之间的电学相连。所述的基底表面上反射膜层的材料是铝、钛、金、镍铬等金属或金属合金，在8 14 iim红外波段的反射率范围为80% 100%。所述的真空间隙层的厚度为1. 8 2. 5 ii m。所述的微结构作为一个探测器单元，是以二维阵列的形式，排列在基底之上。所述的桥面的应力缓冲层与保护层采用同一材料，且为氧化硅；桥面的吸收层与钝化层采用同一材料，且为氮化硅或氮氧化硅。所述的桥腿的缓冲层材料为氧化硅；桥腿的热阻层与钝化层采用同一材料，且为氮化硅或氮氧化硅；桥腿的导电层材料为钛、氮化钛或镍铬合金等金属或金属合金。本技术中，所述的微结构的桥面采用了对称的薄膜结构，从下到上依次为应力缓冲层、吸收层、热敏感层、保护层和钝化层，应力更容易实现补偿，从而使桥面的结构非常平整和稳定，不会发生翘曲变形，降低了本技术的工艺实现难度。附图说明图1为本技术用于常温下的红外探测器的阵列示意图；图2为本技术用于常温下的红外阵列探测器单元的俯视示意图；图3为图2中的A-A剖视图，表示微结构的剖面结构；图4为图2中的B-B剖视图，表示微结构的剖面结构；图5为本技术中的用于常温下的红外探测器所利用的应力平衡原理图；图6为本技术中的红外探测器非晶硅TCR与NETD之间的关系图；图7为本技术中的红外探测器非晶硅电阻率Resistivity与NETD之间的关系图；图8为本技术的新型锚柱的形成方式图。图中附图标记10 :微结构；20 :基底；30 :桥面；31 :应力缓冲层；32 :吸收层；33 热敏感层；34 :保护层；35 :钝化层；36 :桥腿的端部导线；40 :桥腿；41 :缓冲层；42 :热阻层；43 :导电层；44 :钝化层；50 :真空间隙；60 :发射膜层；70 :锚柱；71 :半导体填充材料；72 :氧化硅；80 :氧化硅；90 :锚柱的通道；100 :填充物的通道具体实施方式以下结合具体实例，对本技术的目的、技术方案做详细说明。如图1，图2所示，分别为本技术的用于常温下的红外探测器阵列和单元结构的俯视示意图。探测器单元是以二维阵列的形式排列在基底20上的，包括微结构10、基底20。其微结构10包括桥面30、两个L形桥腿40和锚柱70，桥腿40的一边端部36与桥面30连接在一起，另一边端部43分别通过两个锚柱70连接在基底20上，所述的基底20表面上设有反射膜层60，桥面30是悬空在基底20的反射膜层60的正上方并与基底20之间形成真空间隙层50，为了对桥面30进行平衡支撑，桥腿40设置在桥面30的相对应二侧上，且桥腿40与桥面30分布于同一水平面上。本实施案例中的锚柱70由半导体填充材料71和氧化硅72组成，从内到外依次是该填充物71和氧化硅72材料。基底20为硅衬底，通常含有读出集成电路(ROIC)，在基底20表面上的反射膜层60材料为金属铝Al，其在10 U m波段的红外反射率达到98%以上，但反射膜层60的材料不局限于Al,在8 14 iim远红外波段具有80% 100%的反射率的金属或合金材料均是可行的。桥面30位于在反射膜层60的正上方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高应力平衡的红外探测器，包括微结构(10)和基底(20)，其中微结构(10)包括桥面(30)，设置在桥面相对侧方向的两只桥腿(40)和锚柱(70)，微结构(10)的桥腿(40)一边端部与桥面(30)连接在一起，另一边端部通过锚柱(70)连接在基底(20)上，所述的基底(20)为读出集成电路衬底，表面上设有反射膜层(60)；所述的微结构(10)的桥面(30)是悬空在基底(20)的上方，并与之上的反射膜层(60)形成真空间隙层，其特征在于：所述微结构的桥面薄膜对称。

【技术特征摘要】
1.一种高应力平衡的红外探测器，包括微结构(10)和基底(20)，其中微结构(10)包括桥面(30)，设置在桥面相对侧方向的两只桥腿(40)和锚柱(70)，微结构(10)的桥腿(40) 一边端部与桥面(30)连接在一起，另一边端部通过锚柱(70)连接在基底(20)上，所述的基底(20)为读出集成电路衬底，表面上设有反射膜层(60);所述的微结构(10)的桥面(30)是悬空在基底(20)的上方，并与之上的反射膜层(60)形成真空间隙层，其特征在于所述微结构的桥面薄膜对称。2.根据权利要求1所述的高应力平衡的红外探测器，其特征在于所述的桥面(30)从下到上依次为应力缓冲层(31)、吸收层(32)、热敏感层(33)、保护层(34)和钝化层(35)。3.根据权利要求2所述的高应力平衡的红外探测器，其特征在于吸收层(32)的薄膜和钝化层(35)的薄膜对称。4.根据权利要求2所述的高应力平衡的红外探测器，其特征在于所述的桥面(30...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄立，王大甲，
申请(专利权)人：武汉高德红外股份有限公司，
类型：实用新型
国别省市：