[發明專利]光學讀出熱-機械型紅外探測器結構及其制造方法

有效

• 申請號: 201210002470.2
• 申請日: 2012-01-06
• 公開（公告）號: CN103199144A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發明（設計）人: 劉瑞文;焦斌斌;孔延梅;尚海平;李志剛;盧狄克;高超群;陳大鵬
• 申請（專利權）人: 昆山光微電子有限公司
• 主分類號: H01L31/101
• 分類號: H01L31/101;H01L31/18;G01J5/00
• 代理公司: 昆山四方專利事務所 32212
• 代理人: 盛建德

技術領域

本發明涉及一種光學讀出熱-機械型紅外探測器結構及其制造方法。?

背景技術

紅外技術廣泛應用于工業、農業、醫療、科學等各行業，紅外成像、紅外測溫、紅外理療、紅外檢測、紅外報警、紅外遙感、紅外加熱等是各行業爭相選用的先進技術。軍事中，紅外成像，紅外偵察，紅外跟蹤，紅外制導，紅外預警，紅外對抗等在現代戰爭和未來戰爭中是必不可少的戰術和戰略手段。?

紅外探測器是用于將不可見的紅外輻射轉化為可見的圖像。按照探測原理的不同，可以將傳統探測器分為兩大類：光電型紅外探測器和熱型紅外探測器。光電型紅外探測器具有響應時間快、NETD低等特點，在軍事上得到廣泛應用。但由于其工作時需要將光電子和熱電子分離，因此需要制冷(工作在液氮(77K)環境中)設備，造成此種紅外探測器體積大，功耗高，價格昂貴，限制了其向民用方向發展。近年利用紅外輻射具有顯著熱效應這一特點而發展起來的非制冷紅外探測器逐漸商業化，典型的有熱電阻型、熱電堆型和熱釋電型紅外探測器。此類探測器制作靈活，無需制冷，功耗小，成本低，已逐漸應用于各領域。但此類探測器均采用電讀出的方式，由于探測信號較小，因此對讀出電路的設計提出很高要求，同時也?增加了整個芯片的制作工藝難度。此外讀出電路功耗所產生的熱量也影響了探測器敏感元件的響應。隨著MEMS技術的發展，光-機械型非制冷紅外探測器近年成為研究熱點。該類探測器設計靈活，制作工藝簡單，信號讀出方式采用非接觸式的光讀出方式，大大降低功耗，同時理論預測該類探測器的NETD可達到5mK，具有十分廣闊的應用前景。考慮到絕熱結構設計，該類探測器通常可分為以犧牲層釋放技術為基礎的、帶襯底結構的紅外FPA(focal?plane?array)，和無襯底全鏤空的FPA結構。帶襯底的FPA可及時將熱量傳遞到襯底，使熱成像速率提高，但由于襯底的存在，有大約40％紅外輻射被襯底吸收和反射，降低了紅外吸收效率，此外，犧牲層釋放工藝復雜，常會造成結構層與沉底的粘連，導致像元失效。而無襯底全鏤空紅外FPA，雖提高了紅外吸收效率，但由于其全鏤空的特點，像元的能量不能及時傳遞出去散失掉，造成各像元之間熱量互相傳遞，各像元不能獨立工作，熱串擾現象嚴重，熱成像響應時間長，同時器件尺寸的縮小對其性能影響巨大，限制了像元尺寸縮小。?

發明內容

為了克服上述缺陷，本發明提供了一種光學讀出熱-機械型紅外探測器結構及其制造方法，該紅外探測器結構不僅繼承了上述帶襯底FPA和全鏤空FPA的優點，同時也克服了他們存在的缺點。該結構較帶襯底結構的FPA提高了紅外吸收效率，較全鏤空FPA提高了薄膜區域的溫度均勻性，使得各像元之間可以獨立工作，提升了熱響應速率，同時各像元制作在支撐層?上，無需額外的支撐框架，使占空比得到提高；此外其上下疊加式變形懸臂梁結構的設計不僅提高溫度響應靈敏度，而且提高了光學填充因子，更有利于像元向更小尺寸方向發展。?

本發明為了解決其技術問題所采用的技術方案是：一種光學讀出熱-機械型紅外探測器結構，包括若干個呈陣列分布的像元單元，所述每個像元單元包括：襯底、支撐層、紅外吸收層、反光板和雙材料懸臂梁，所述支撐層位于所述襯底的上側面上，所述襯底的下側面中心呈半鏤空狀；所述紅外吸收層間隔位于所述支撐層的上側面上方，所述反光板位于所述紅外吸收層上側面上；所述雙材料懸臂梁為兩個，且平行間隔對稱設于所述支撐層上側面上；所述每個雙材料懸臂梁包括上下平行間隔設置的上橫梁和下橫梁，所述下橫梁由第一非金屬層和第一金屬層組成，所述第一金屬層位于第一非金屬層上側面上，且該下橫梁的第一非金屬層的下側面一端向下延伸與所述支撐層連接形成一體；所述上橫梁由第二非金屬層和第二金屬層組成，所述第二非金屬層位于所述第二金屬層上側面上，且該上橫梁的第二非金屬層的另一端沿其軸向和第二金屬層的另一端面向下分別延伸與所述第一非金屬層的另一端面連接形成一體；所述兩個雙材料懸臂梁的上橫梁的第二非金屬上的一端分別沿與支撐面平行的平面相向延伸與所述紅外吸收層連接形成一體。?

作為本發明的進一步改進，所述支撐層、第一非金屬層、第二非金屬層和紅外吸收層分別為氧化硅層和氮化硅層之一。?

作為本發明的進一步改進，所述第一金屬層、第二金屬層和反光層分別為鋁層和金層之一。?

作為本發明的進一步改進，所述襯底的下側面半鏤空方向與所述雙材料懸臂梁的橫梁所在方向為垂直或平行。?

本發明還提供一種上述的光學讀出熱-機械型紅外探測器結構的制造方法，包括以下步驟：?