CN101298997A - 双层结构的室温红外探测器阵列及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双层结构的室温红外探测器阵列及其制备方法，所述阵列由多个红外探测单元组成，所述探测单元为双层结构，包括上层的红外热转换层和下层的热敏感器件层；所述红外热转换层由支撑薄膜和热吸收层构成；所述热敏感器件层包括热敏感器件、位于热敏感器件下方的承载层、支撑承载层和热敏感器件并使两者悬空在衬底上的折线支撑结构，以及设在热敏感器件和互连线上方的保护层；所述的红外热转换层通过热传导柱支撑在热敏感器件层上。本发明通过纳米颗粒能够有效地提高红外辐射的吸收和热转换效率，并利用多种纳米颗粒实现多波段甚至全波段的红外敏感测量，折线支撑结构能有效地降低热敏感器件的热量损失，提高绝热能力和探测率。
Description
技术领域
发明属于微传感器领域，特别涉及一种双层结构的室温红外探测器阵列及其制造方法。
背景技术
红外探测器阵列是在可视条件差的环境中，如黑夜、烟雾、雾霾中进行成像的有利工具。红外探测器阵列被广泛地应用于军事遥感、目标识别与跟踪、汽车夜视、防灾救灾、医学检测、气象预报、农业、地质勘测等诸多领域，其研究和生产都受到广泛的关注。实现红外成像的方式有两种，主动式和被动式。主动式通过成像设备发射并接收物体的反射回波，对被测物体成像。被动式利用了高于绝对零度的物体都会产生红外热辐射的特性，通过直接测量物体辐射的红外波进行成像。
通常，被动式红外探测器可以分为光子探测器和热探测器两种类型。光子探测器是利用半导体材料的光子效应制成的探测器，光子效应是指探测器吸收光子后，本身发生电子状态的改变，从而引起光伏或光电导等现象。光子探测器具有响应时间短、噪声等效温度差(NETD)低等优点，NETD约为5mK-10mK；但是由于其热噪声随温度的升高呈指数上升，造成器件的热噪声对环境温度异常敏感，因此光子探测器通常需要工作在80K左右的低温环境中。在实验室中，常采用液氮杜瓦制冷设备实现探测器所需的低温环境；在便携式热像仪和夜视***中，常采用机械循环制冷以达到所需的低温。这需要复杂的制冷设备，严重影响了光子型探测器的可靠性、功耗、便携性和***成本，因此应用领域非常有限，通常只应用在军事和航空航天等不计成本的领域。
热探测器及其构成的红外焦平面阵列的测量原理是将高于绝对零度的物体产生的红外热辐射转化为敏感器件的温度变化，进而测量由于温度变化引起的器件物理或电学参数的变化。这种测量方法的噪声受温度影响较小，因此工作时一般不需要制冷，可以直接在常温下工作，因而价格便宜、易于使用和维护，可靠性好。这种水平的红外焦平面能够满足绝大多数民用领域和部分军事领域的要求。但这种热探测器的主要缺点是探测率较低，其等效噪声温度差通常要比光子探测器要低1-2个数量级，理想情况下可以实现20mk-50mK的NETD。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种能够提高热隔离效率和探测率的双层结构的室温红外探测器阵列。
本发明的另一个目的是提供上述红外探测器阵列的制造方法。
本发明采取的技术方案是一种双层结构的室温红外探测器阵列，所述阵列由多个红外探测单元组成，所述的探测单元为双层结构，包括上层的红外热转换层和下层的热敏感器件层；所述的红外热转换层由支撑薄膜和位于支撑薄膜上方的热吸收层构成；所述的热敏感器件层包括热敏感器件、位于热敏感器件下方的承载层、支撑承载层和热敏感器件并使承载层和热敏感器件悬空在衬底上的折线支撑结构，以及设在热敏感器件和互连上方的保护层；所述的红外热转换层通过热传导柱支撑在热敏感器件层上。
所述的热传导柱的材料为氮化硅或金属材料；所述的热传导柱至少为一个。
所述的热吸收层为垂直支撑薄膜表面排列的碳纳米管阵列。
所述的支撑薄膜的材料为氮化硅、氮氧化硅、二氧化硅或铝；所述的绝热薄膜和折线支撑结构的材料选自二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或聚酰亚胺中的一种；所述的热敏感器件选自二极管、金属氧化物场效应管、非晶硅或多晶硅晶体管、锆钛酸铅(PZT)或钛酸锶钡(BST)热释电器件、热电偶或热敏感电阻中的一种。
所述的热吸收层为氮化硅、氮氧化硅或二氧化硅薄膜。
所述的热吸收层由纳米颗粒和高分子聚合物载体混合而成；所述的纳米颗粒与高分子聚合物载体的重量比范围为1∶100至100∶1，纳米颗粒的直径范围为0.1纳米至10微米。
所述的热吸收层至少为一层，每层的纳米颗粒由一种或多种纳米颗粒构成，每层的高分子聚合物载体为相同或不同。
所述的纳米颗粒选自纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米氧化钛、纳米氧化镁或碳纳米管中的至少一种，所述的高分子聚合物选自苯并环丁烯、聚酰亚胺或聚二甲苯中的一种。
本发明采取的另一个技术方案是，提供了一种双层结构的室温红外探测器的制造方法，该方法包括以下的步骤：
(1)在SOI衬底上利用微加工技术制造热敏感器件，利用集成电路制造技术制造互连和信号处理电路，在热敏感器件上沉积二氧化硅或氮化硅保护层，然后刻蚀保护层和SOI的埋层二氧化硅层，形成折线支撑结构的图形；
(2)在保护层上沉积牺牲层，刻蚀牺牲层形成热传导柱的支撑点，沉积热传导柱材料，光刻并刻蚀去除热传导柱以外的其他部分，形成热传导柱，在热传导柱上方沉积红外热转换层的支撑薄膜层；
(3)在红外热转换层的支撑薄膜层上方，采用氮化硅、氮氧化硅或二氧化硅薄膜材料，采用化学气相沉积制造热吸收层，厚度为1微米，或在支撑薄膜层上方，采用垂直排列的碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列采用化学气相沉积的方法制造；
(4)光刻并干法刻蚀红外热转换层的热吸收层及支撑薄膜层，使相邻单元之间的红外热转换层形成分立的单元；
(5)利用各向同性刻蚀技术刻蚀牺牲层，使红外热转换层通过热传导柱支撑在热敏感器件层上；
(6)利用各向同性刻蚀技术，将SOI衬底位于热敏感器件层下方的部分去除，形成腔体，将红外敏感器件层利用绝热的折线形支撑结构支撑在衬底上，形成最终的双层结构。
本发明的上述制备方法的步骤(3)和步骤(4)的制备方法如下：
(3)在红外热转换层的支撑薄膜层上方，利用高分子聚合物作为载体，将纳米颗粒混合于高分子聚合物的前驱体中，沉积在支撑薄膜层上方，加热固化并交联高分子聚合物，形成固态薄膜层，纳米颗粒与高分子聚合物载体的重量比范围为1∶100至100∶1，纳米颗粒直径范围为0.1纳米至10微米；
(4)光刻并干法刻蚀红外热转换层的混合有纳米颗粒的高分子聚合物层和固态薄膜层及支撑薄膜层，使相邻单元之间的红外热转换层形成分立的单元。
本发明采用红外热转换层和热敏感器件层分离的双层结构，红外热转换层通过热传导柱支撑在热敏感器件层上，由支撑薄膜和纳米颗粒热吸收层构成，将红外辐射转换为温度的变化传递给热敏感器件，热敏感器件将其转换为电信号实现成像。这种结构利用支撑在热敏感器件层上方的红外热转换层增加红外吸收面积，提高器件填充率；利用纳米颗粒作为红外吸收材料提高红外吸收效率，能够实现多波段甚至全波段的红外吸收和探测。利用折线结构支撑热敏感器件层使其悬空在衬底表面，有效降低热损失，提高热隔离效率和探测率。
附图说明
图1是本发明所述的双层结构的红外探测器单元示意图；
图2是图1的A-A视图；
图3是本发明实施例提供的在SOI衬底上制造好热敏感器件的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的在图3中的衬底上，制造热传导柱和沉积红外热转换层的支撑薄膜后的示意图；
图5是本发明实施例提供的在图4中的衬底上，继续沉积以高分子聚合物作为载体的纳米颗粒热吸收层后的示意图；
图6是本发明实施例提供的对图5中刻蚀分离不同探测器单元的红外热转换层后的示意图；
图7是本发明实施例提供的对图6中去除牺牲层后的示意图；
图中：10SOI衬底，11单晶硅层，12二氧化硅层，13空腔，14信号处理电路，20热敏感器件层，21热敏感器件承载层，22互连线，23保护层，24热敏感器件，30热传到柱，31折线支撑结构，40红外热转换层，41支撑薄膜，42第一层纳米热吸收层，43第二层纳米热吸收层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。本发明实施例提供一种简单易行的基于绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)衬底，具体说明实现方法。
参见图1和图2，SOI衬底10的二氧化硅层12和单晶硅层11支撑信号处理电路14；红外热转换层40由支撑薄膜41和位于支撑薄膜上方的两层纳米颗粒热吸收层42、43构成；热敏感器件层20包括热敏感器件24、承载热敏感器件24的承载层21、设在热敏感器件24和互连线22上方的保护层23；热敏感器件层20通过折线支撑结构31支撑悬空在空腔13上，热敏感器件层20上方通过热传导柱30支撑红外热转换层40；热敏感器件24通过互连线22与信号处理电路14相连。
实施例1
(1)在SOI衬底10上利用微加工技术制造热敏感器件24，利用集成电路制造技术制造互连线22和信号处理电路14，热敏感器件24为二极管，在热敏感器件24上沉积氮化硅保护层23，然后刻蚀保护层23和SOI的埋层二氧化硅层12，形成热敏感器件承载层21和折线支撑结构31的图形，参见图3；
(2)在保护层23上沉积牺牲层25，刻蚀牺牲层25形成热传导柱30的支撑点，沉积热传导柱材料氮化硅，光刻并刻蚀去除热传导柱30以外的其他部分，形成热传导柱30，热传导柱30的数量为2个，在热传导柱30上方沉积红外热转换层的支撑薄膜层41，支撑薄膜层41的材料为氮氧化硅，参见图4；
(3)利用高分子聚合物作为载体，将纳米颗粒混合于高分子聚合物的前驱体中，在红外热转换层的支撑薄膜层41上方沉积两层混合物，分别形成第一层纳米颗粒热吸收层42和第二层纳米颗粒热吸收层43，第一层纳米颗粒热吸收层42中纳米颗粒与高分子聚合物载体的重量比范围为20∶1，纳米颗粒为纳米二氧化硅，纳米颗粒的直径为0.1纳米，高分子聚合物为聚酰亚胺；第二层纳米颗粒热吸收层43中纳米颗粒与高分子聚合物载体的重量比范围为1∶80，纳米颗粒为纳米氧化铝与纳米氧化钛的混合物，纳米颗粒的直径均为10微米，高分子聚合物为聚二甲苯。每层沉积完成后分别加热固化并交联高分子聚合物，最终形成固态薄膜层，参见图5；
(4)光刻并干法刻蚀红外热转换层40的纳米颗粒吸收层42和43及支撑薄膜层41，使相邻单元之间的红外热转换层形成分立的单元，参见图6；
(5)利用各向同性刻蚀技术刻蚀牺牲层25，使红外热转换层40通过热传导柱30支撑在热敏感器件层20上，参见图7；
(6)利用各向同性刻蚀技术，将SOI衬底位于热敏感器件层下方的部分去除，形成腔体13，将红外敏感器件层20利用绝热的折线形支撑结构21支撑在衬底上，形成最终的双层结构，参见图1；
实施例2
步骤同实施例1相同，所不同的是：
步骤(1)中的热敏感器件24为金属氧化物场效应管；在热敏感器件24上沉积二氧化硅保护层23；
步骤(2)中的热传导柱30的材料为铝；数量为1个，支撑薄膜层41的材料为二氧化硅；
步骤(3)中，在红外热转换层的支撑薄膜层41上方，沉积三层纳米颗粒热吸收层42，第一层纳米颗粒与高分子聚合物载体的重量比范围为100∶1，纳米颗粒为纳米氧化钛，纳米颗粒的直径为1微米，高分子聚合物为聚酰亚胺；第二层纳米颗粒与高分子聚合物载体的重量比范围为1∶50，纳米颗粒为纳米氧化镁、纳米氧化钛与纳米氧化铝的混合物，纳米颗粒的直径分别为0.5纳米、5微米、1微米，高分子聚合物为苯并环丁烯。第三层纳米颗粒与高分子聚合物载体的重量比范围为1∶10，纳米颗粒为纳米二氧化硅与纳米氧化铝的混合物，高分子聚合物为苯并环丁烯。
实施例3
步骤同实施例1相同，所不同的是：
步骤(1)中的热敏感器件24为热敏电阻；
步骤(2)中的热传导柱30的材料为铬；数量为3个，支撑薄膜层41的材料为二氧化硅；
步骤(3)中，纳米颗粒与高分子聚合物的混合物，沉积在支撑薄膜层41上方形成纳米颗粒热吸收层，加热固化并交联高分子聚合物，形成固态薄膜层，纳米颗粒与高分子聚合物载体的重量比范围为1∶100，纳米颗粒为纳米二氧化硅与纳米氧化铝的混合物，纳米颗粒直径分别为0.1纳米、10微米，高分子聚合物为苯并环丁烯。
实施例4
步骤同实施例1，所不同的是：
步骤(3)中的红外热吸收层采用氮化硅材料，采用化学气相沉积制造，厚度为1微米。
步骤(4)中光刻并干法刻蚀红外热转换层的氮化硅层及支撑薄膜层，使相邻单元之间的红外热转换层形成分立的单元。
实施例5
步骤同实施例1，所不同的是：
步骤(3)中的红外热吸收层采用垂直排列的碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列可以在选择性区域采用化学气相沉积的方法制造。
步骤(4)中干法刻蚀红外热转换层的氮化硅层及支撑薄膜层，使相邻单元之间的红外热转换层形成分立的单元。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双层结构的室温红外探测器阵列，所述阵列由多个红外探测单元组成，其特征在于，所述的探测单元为双层结构，包括上层的红外热转换层和下层的热敏感器件层；所述的红外热转换层由支撑薄膜和位于支撑薄膜上方的热吸收层构成；所述的热敏感器件层包括热敏感器件、位于热敏感器件下方的承载层、支撑承载层和热敏感器件并使两者悬空在衬底上的折线支撑结构，以及设在热敏感器件和互连线上方的保护层；所述的红外热转换层通过热传导柱支撑在热敏感器件层上。
2.如权利要求1所述的红外探测器阵列，其特征在于，所述的热传导柱的材料为氮化硅或金属材料；所述的热传导柱至少为一个。
3.如权利要求1所述的红外探测器阵列，其特征在于，所述的热吸收层为垂直支撑薄膜表面排列的碳纳米管阵列。
4.如权利要求1所述的红外探测器阵列，其特征在于，所述的支撑薄膜的材料为氮化硅、氮氧化硅、二氧化硅或铝；所述的绝热薄膜和折线支撑结构的材料选自二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或聚酰亚胺中的一种；所述的热敏感器件选自二极管、金属氧化物场效应管、非晶硅或多晶硅晶体管、锆钛酸铅或钛酸锶钡热释电器件、热电偶或热敏感电阻中的一种。
5.如权利要求1所述的红外探测器阵列，其特征在于，所述的热吸收层为氮化硅、氮氧化硅或二氧化硅薄膜。
6.如权利要求1所述的红外探测器阵列，其特征在于，所述的热吸收层由纳米颗粒和高分子聚合物载体混合而成；所述的纳米颗粒与高分子聚合物载体的重量比范围为1∶100至100∶1，纳米颗粒的直径范围为0.1纳米至10微米。
7.如权利要求6所述的红外探测器阵列，其特征在于，所述的热吸收层至少为一层，每层的纳米颗粒由一种或多种纳米颗粒构成，每层的高分子聚合物载体为相同或不同。
8.如权利要求6所述的红外探测器阵列，其特征在于，所述的纳米颗粒选自纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米氧化钛、纳米氧化镁或碳纳米管中的至少一种，所述的高分子聚合物选自苯并环丁烯、聚酰亚胺或聚二甲苯中的一种。
9.如权利要求1所述的红外探测器阵列的制造方法，其特征在于，该方法包括以下的步骤：
(1)在SOI衬底上利用微加工技术制造热敏感器件，利用集成电路制造技术制造互连和信号处理电路，在热敏感器件上沉积二氧化硅或氮化硅保护层，然后刻蚀保护层和SOI的埋层二氧化硅层，形成折线支撑结构的图形；
(2)在保护层上沉积牺牲层，刻蚀牺牲层形成热传导柱的支撑点，沉积热传导柱材料，光刻并刻蚀去除热传导柱以外的其他部分，形成热传导柱，在热传导柱上方沉积红外热转换层的支撑薄膜层；
(3)在红外热转换层的支撑薄膜层上方，采用氮化硅、氮氧化硅或二氧化硅薄膜材料，采用化学气相沉积制造热吸收层，厚度为1微米，或在支撑薄膜层上方，采用垂直排列的碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列采用化学气相沉积的方法制造；
(4)光刻并干法刻蚀红外热转换层的热吸收层及支撑薄膜层，使相邻单元之间的红外热转换层形成分立的单元；
(5)利用各向同性刻蚀技术刻蚀牺牲层，使红外热转换层通过热传导柱支撑在热敏感器件层上；
(6)利用各向同性刻蚀技术，将SOI衬底位于热敏感器件层下方的部分去除，形成腔体，将红外敏感器件层利用绝热的折线形支撑结构支撑在衬底上，形成最终的双层结构。
10.如权利要求9所述的红外探测器阵列的制造方法，其特征在于，所述的步骤(3)和步骤(4)的制备方法如下：
(3)在红外热转换层的支撑薄膜层上方，利用高分子聚合物作为载体，将纳米颗粒混合于高分子聚合物的前驱体中，沉积在支撑薄膜层上方，加热固化并交联高分子聚合物，形成固态薄膜层，纳米颗粒与高分子聚合物载体的重量比范围为1∶100至100∶1，纳米颗粒直径范围为0.1纳米至10微米；
(4)光刻并干法刻蚀红外热转换层的混合有纳米颗粒的高分子聚合物层和固态薄膜层及支撑薄膜层，使相邻单元之间的红外热转换层形成分立的单元。
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