CN102384789A - 红外焦平面阵列器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种红外焦平面阵列器件，包括：衬底；空腔，位于所述衬底内；红外敏感层，悬空于所述空腔的上方；反射层，设置于所述空腔的底部，与所述红外敏感层相对；悬臂梁，悬空于所述衬底上方，一端与衬底固定连接，另一端与红外敏感层固定连接。所述空腔周围的衬底为用于散热的热沉，所述悬臂梁与衬底连接的一端即连接在所述热沉上。相应的，本发明还提供所述红外焦平面阵列器件的制作方法。所述红外焦平面阵列器件，采用反射层、红外敏感层以及他们之间的空腔所组成的共振吸收结构来提高探测单元对红外线的吸收效率，这种共振吸收结构的制作完全与常规IC工艺兼容。
Description
技术领域
本发明涉及红外成像技术领域，特别涉及一种红外焦平面阵列器件及其制作方法。
背景技术
红外成像技术广泛应用于军事、工业、农业、医疗、森林防火、环境保护等各领域，红外成像装置的核心部件是红外焦平面阵列(Infrared Focal PlaneArray，IRFPA)。根据工作原理分类，红外成像装置可分为：光子型红外探测器和非制冷型红外探测器。
光子型红外探测器采用窄禁带半导体材料，如HgCdTe、InSb等，利用光电效应实现红外光信号向电信号的转换，因而要工作在77K或更低的温度下，这就需要匹配笨重而又复杂的制冷设备，导致这种红外成像装置难以小型化，携带不方便；另一方面，HgCdTe和InSb等材料价格昂贵、制备困难，且与常规IC工艺不兼容，所以光子型红外探测器的价格一直居高不下。
上述因素都极大地阻碍了红外成像装置(例如红外摄像机)的广泛应用，特别是在民用方面，迫切需要开发一种性能适中、价格低廉的新型红外摄像机。非制冷型红外探测器通过红外探测单元吸收红外线，继而红外能量引起红外探测单元的电学特性发生变化，把红外能量转化为电信号，通过读出电路读取该信号并进行处理。
红外焦平面阵列器件由多个探测单元的组成，是非制冷型红外探测器的核心部件，图1和图2是目前两种主要的红外焦平面阵列器件的结构示意图，图中仅示出了其中一个探测单元的微结构。两者均采用非晶硅和VOx(氧化钒)作为温敏电阻形成红外敏感层11而实现对红外线的探测。
由于VOx材料的制作不能与常规的IC工艺不兼容的，因而上述结构的红外焦平面阵列器件不能在现有的集成电路制造工厂中进行大规模的生产，导致器件成本比较高，影响其推广应用。此外，上述两种结构都制造在已形成有读出电路的硅片上，通常具有读出电路硅片存在较厚的介质层，因而形成一个较大的热容，探测单元上吸收的红外能量无法及时耗散出去，会导致多个探测单元之间的串扰，从而降低红外成像的质量。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种红外焦平面阵列器件，其结构能够采用常规的IC制作工艺，有利于降低制作成本。
为解决上述问题，本发明提供一种红外焦平面阵列器件，包括：
衬底；
空腔，位于所述衬底内；
红外敏感层，悬空于所述空腔的上方；
反射层，设置于所述空腔的底部，与所述红外敏感层相对；
悬臂梁，悬空于所述衬底上方，一端与衬底固定连接，另一端与红外敏感层固定连接。
优选的，所述空腔周围的衬底为用于散热的热沉，所述悬臂梁与衬底连接的一端即连接在所述热沉上。
可选的，所述热沉与衬底为一体，所述空腔通过刻蚀衬底而形成。
可选的，所述热沉形成于所述衬底表面，围绕而成所述空腔。
优选的，所述悬臂梁设置于所述空腔上方，与所述红外敏感层之间隔离。
所述悬臂梁设置于所述空腔外的衬底上方，与衬底之间具有间隙。
所述悬臂梁包括电引线及电引线介质层，所述电引线从红外敏感层吸收热量并散入所述热沉。
所述红外敏感层包括红外吸收层和包裹在所述红外吸收层外的支撑介质层。
所述电引线的材料为Ti，TiN或Ti/TiN的复合层，所述红外敏感层的材料为非晶硅、非晶锗硅、VOx，所述热沉的材料为非晶硅、非晶锗硅或金属。
相应的，还提供一种红外焦平面阵列器件，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成空腔及空腔周围的热沉；
在所述空腔底部形成释放阻挡层及所述释放阻挡层上的反射层；
在所述空腔内填充释放牺牲层；
在所述具有释放牺牲层的衬底表面形成红外敏感层和悬臂梁，所述悬臂梁和红外敏感层之间的间隙作为释放工艺中的释放孔；
去除释放牺牲层，从而形成悬空结构和共振吸收结构。
可选的，在所述衬底上形成空腔及空腔周围的热沉具体包括：通过光刻、刻蚀工艺在所述衬底内形成空腔，所述空腔周围的衬底即为热沉。
可选的，在所述衬底上形成空腔及空腔周围的热沉具体包括：
在所述衬底表面沉积第三介质层，然后采用光刻、刻蚀工艺在所述第三介质层中制作空腔；
在所述空腔内形成释放牺牲层并在其上面淀积第一介质层；
在所述第一介质层上形成具有热沉图案光刻胶层；
以所述光刻胶层为掩膜在所述第三介质层内形成热沉区域的沟槽，露出下面的衬底表面；
在所述沟槽内填充热沉材料，从而形成热沉。
优选的，在所述空腔内填充释放牺牲层的步骤中还包括：在所述热沉上保留特定厚度的释放牺牲层。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本发明实施例中的红外焦平面阵列器件，采用反射层、红外敏感层以及他们之间的空腔所组成的共振吸收结构来提高探测单元对红外线的吸收效率，这种共振吸收结构的制作完全与常规IC工艺兼容；其次，采用以单晶硅或具有读出电路的单晶硅为衬底，在红外敏感层周围制作形成散热的热沉，从而有利于减小探测单元之间的串扰，提高红外成像质量；另外，本发明的实施例还采用悬空结构来增加红外敏感层与其他区域之间的热隔离效果。
附图说明
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1和图2是目前两种主要的红外焦平面阵列器件的结构示意图；
图3为实施例一中红外焦平面阵列器件的结构示意图；
图4为图3的顶视图；
图5至图9实施例一红外焦平面阵列器件的制作方法的示意图；
图10为实施例二中红外焦平面阵列器件的结构示意图；
图11至图15为实施例二中红外焦平面阵列器件的制作方法的示意图；
图16为实施例三中红外焦平面阵列器件的结构示意图；
图17为图16的顶视图；
图18为图17中探测单元阵列示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
对于目前的民用非制冷型红外探测器来说，降低成本是大规模应用的关键，以硅平面工艺为核心的集成电路制造技术已经发展的相对成熟，如果能利用常规的IC工艺来制作非制冷型红外探测器的核心部件红外焦平面阵列器件，则将大大降低设备制造成本。
基于此，本发明采用共振吸收结构来提高红外探测单元对红外线的吸收效率，这种共振吸收结构的制作完全与常规IC工艺兼容；另一方面，本发明采用以单晶硅或具有读出电路的单晶硅为衬底，特别是在电引线区域制作有利于散热的热沉，从而有利于减小探测单元之间的串扰，提高红外成像质量；再一方面，本发明还采用悬空结构来增加红外敏感层与其他区域之间的热隔离效果。
以下详细说明本发明所述红外焦平面阵列器件及其制作方法的具体实施例。
实施例一
图3为本实施例中红外焦平面阵列器件的结构示意图，图4为图3的顶视图，为清楚的表明本发明的创新点，图中仅示出了红外焦平面阵列的一个探测单元，所述探测单元包括：
衬底101；
空腔104，位于所述衬底101内；
红外敏感层105，悬空于所述空腔104的上方；
反射层103，设置于所述空腔104的底部，与所述红外敏感层105相对；
悬臂梁106，悬空于所述衬底101上方，与红外敏感层105基本在一个水平面，其一端与衬底101固定连接，另一端与红外敏感层105固定连接。
其中，所述衬底101为单晶硅的裸晶片，空腔104通过刻蚀衬底内的单晶硅而形成，本实施例中所述空腔104为矩形，占据了一个探测单元的大部分面积；所述空腔104周围的衬底为用于散热的热沉108，所述悬臂梁106与衬底101连接的一端即通过锚109固定连接在所述热沉108上，换言之，刻蚀衬底形成空腔104后，空腔104周围的单晶硅侧壁即为热沉108。
所述悬臂梁106也设置于空腔104上方，与所述红外敏感层105之间隔离，本实施例中的探测单元共有两个悬臂梁106，它们分别连接在红外敏感层105的对角(参见图2)，以支撑该红外敏感层105悬空，从而形成悬空的热隔离结构。
悬臂梁106包括电引线1061及电引线介质层1062，所述电引线1061从红外敏感层105吸收热量并散入所述热沉108，由于热沉108位于红外敏感层105的周围可以将其产生的热量及时排走，从而减小探测单元之间的信号串扰，提高成像质量。
所述红外敏感层105包括红外吸收层1051和包裹在所述红外吸收层外的支撑介质层1052。所述红外吸收层的材料为非晶硅、非晶锗硅或VOx。所述电引线的材料为Ti，TiN或Ti/TiN的复合层，所述热沉的材料也可以为非晶硅、非晶锗硅或金属。
所述空腔104的内表面具有释放阻挡层102，用于在释放工艺中保护衬底，空腔104底面的释放阻挡层上设有反射层103。反射层103、红外敏感层105以及它们之间的空腔共同组成共振吸收结构，有利于提高探测单元红外吸收的效果。所述反射层的材料包括Al、AlSi、AlSiCu和Ni中的一种或者至少两种的组合。
图5至图9上述红外焦平面阵列器件的制作方法的示意图，所述方法包括以下步骤：
如图5所示，提供单晶硅衬底101，在所述衬底101内通过光刻、刻蚀工艺形成空腔104，空腔104周围的衬底即为热沉108，在空腔104内表面形成释放阻挡层102，所述释放阻挡层102为氧化硅，采用热氧化或CVD工艺形成。
如图6所示，在所述空腔104底部的释放阻挡层102上形成反射层103，具体的，通过IC工艺中的溅射方法溅射金属膜103’，然后涂覆光刻胶401，并进行回刻至合适的厚度，接着采用IC工艺中的金属腐蚀液，如H2SO4：H2O2等对所述金属膜103’进行腐蚀，最终形成共振吸收结构需要的反射层103(见图7)。
如图7所示，在所述空腔104内填充释放牺牲层402，具体的，采用PECVD(等离子体增强化学气相淀积)方法在整个裸露的衬底表面淀积低温非晶硅，然后通过IC工艺中的平坦化方法去掉空腔104外多余的非晶硅，只留下用于释放空腔104的释放牺牲层402，最后再利用PECVD方法淀积第一介质层403。
如图8所示，在所述衬底表面形成红外敏感层105和悬臂梁106。具体的，在所述第一介质层上淀积非晶硅膜(图中未示出)，通过IC工艺中常规的光刻、刻蚀方法由所述非晶硅膜制作出红外吸收层1051、电引线1061，最后在所述红外吸收层1051、电引线1061表面热氧化形成第二介质层(图中未标号)，所述第二介质层与第一介质层构成了红外敏感层105的支撑介质层1052和悬臂梁106的电引线介质层1062，而悬臂梁106和红外敏感层之间的间隙作为释放工艺中的释放孔107。
如图9所示，去除释放牺牲层402(见图8)，从而形成悬空结构和共振吸收结构，具体的，采用XeF2等气相腐蚀技术去掉释放牺牲层402，释放出空腔104。
本实施例中的红外焦平面阵列器件，采用反射层、红外敏感层以及他们之间的空腔所组成的共振吸收结构来提高探测单元对红外线的吸收效率，这种共振吸收结构的制作完全与常规IC工艺兼容；另一方面，本实施例采用以单晶硅或具有读出电路的单晶硅为衬底，在红外敏感层周围制作形成散热的热沉，从而有利于减小探测单元之间的串扰，提高红外成像质量；再一方面，本发明还采用悬空结构来增加红外敏感层与其他区域之间的热隔离效果。
以上实施例中，所述热沉与衬底为一个整体，热沉是单晶硅衬底的一部分，刻蚀形成空腔后自然形成热沉，实际上，所述热沉也可以在衬底表面单独形成，下面实施例中详细说明。
实施例二
图10为本实施例中所述红外焦平面阵列器件的结构示意图，同样的，其探测单元也包括：衬底201，位于所述衬底201内的空腔204，悬空于所述空腔204的上方的红外敏感层205，设置于所述空腔204的底部、与所述红外敏感层205相对反射层203，悬空于所述衬底201上方的悬臂梁206，悬臂梁的一端与热沉208固定连接，另一端与红外敏感层205固定连接。
与实施例一的区别在于，热沉208形成于所述衬底表面，由热沉208围绕而成所述空腔204。换言之，热沉208与衬底201不是一体，而是在衬底表面专门形成的结构，而空腔204也不是有刻蚀衬底形成的，而是通过制作热沉208而围绕而成的。
以下进一步说明上述红外焦平面阵列器件的制作方法，图11至图15为本实施例中红外焦平面阵列器件的制作方法的示意图。
如图11所示，提供单晶硅裸晶片或具有读出电路的单晶硅裸晶片作为衬底201，在所述衬底201上形成空腔204和空腔内的反射层203。具体的，在所述衬底表面沉积第三介质层404，然后采用IC工艺中常规的光刻、刻蚀工艺在所述第三介质层404中制造出空腔204，然后利用与实施例一中相同的方法形成释放阻挡层202和反射层203。
如图12所示，在所述空腔内形成释放牺牲层402并在其上面采用PECVD方法淀积第一介质层403，然后在所述第一介质层403上形成具有热沉图案光刻胶层401。
如图13所示，在所述第三介质层404内形成热沉208。具体的，以所述光刻胶层401(见图12)为掩膜在第三介质层404内形成热沉区域的沟槽(图中未标号)，露出下面的衬底表面，在所述沟槽内填充热沉材料，例如单晶硅、非晶硅或金属材料，从而形成热沉208。
如图14所示，形成红外敏感层205、悬臂梁206，以及释放孔207。具体的制作方法与实施例一类似，在此不再赘述。
如图15所示，去除释放牺牲层402(见图12)，从而形成悬空结构和共振吸收结构，具体的，采用XeF2等气相腐蚀技术去掉释放牺牲层402，释放出空腔204。
上述两个实施例中，所述悬臂梁基本位于空腔上方，实际上，悬臂梁也可以位于空腔外的衬底上方，具体在以下实施例中详细说明。
实施例三
图16为本实施例中红外焦平面阵列器件的结构示意图，图17为图16的顶视图，图中仅示出了一个探测单元，图18为图17中探测单元阵列示意图。
如图16、17所示，与前述实施例的区别在于，所述悬臂梁306设置于位于空腔304周围的热沉308上方，与热沉308之间具有间隙。通过锚309从将悬臂梁306的一端与热沉相连，另一端与红外敏感层305相连，从而将整个红外敏感层支持起来。这样一来，红外敏感层305几乎可以覆盖整个空腔304的上方区域，则增大了共振吸收结构的有效反射面积，从而提高红外敏感层305的吸收效率。
如图18所示，多个探测单元30重复排列组成阵列结构，实施例一、二中的探测单元也是类似的。
本实施例中红外焦平面阵列器件的制造方法与实施例一、二类似，其中热沉可以为实施例一、二中任一形式。
主要不同之处在于在形成释放牺牲层402时，需要在热沉308上保留一定厚度的释放牺牲层402，以便通过释放工艺后，能在悬臂梁306和其下方的热沉之间留有间隙，从而减小热导。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (13)
1.一种红外焦平面阵列器件，其特征在于，包括：
衬底；
空腔，位于所述衬底内；
红外敏感层，悬空于所述空腔的上方；
反射层，设置于所述空腔的底部，与所述红外敏感层相对；
悬臂梁，悬空于所述衬底上方，一端与衬底固定连接，另一端与红外敏感层固定连接。
2.根据权利要求1所述红外焦平面阵列器件，其特征在于，所述空腔周围的衬底为用于散热的热沉，所述悬臂梁与衬底连接的一端即连接在所述热沉上。
3.根据权利要求2所述红外焦平面阵列器件，其特征在于，所述热沉与衬底为一体，所述空腔通过刻蚀衬底而形成。
4.根据权利要求2所述红外焦平面阵列器件，其特征在于，所述热沉形成于所述衬底表面，围绕而成所述空腔。
5.根据权利要求1或2所述红外焦平面阵列器件，其特征在于，所述悬臂梁设置于所述空腔上方，与所述红外敏感层之间隔离。
6.根据权利要求1或2所述红外焦平面阵列器件，其特征在于，所述悬臂梁设置于所述空腔外的衬底上方，与衬底之间具有间隙。
7.根据权利要求2所述红外焦平面阵列器件，其特征在于，所述悬臂梁包括电引线及电引线介质层，所述电引线从红外敏感层吸收热量并散入所述热沉。
8.根据权利要求7所述红外焦平面阵列器件，其特征在于，所述红外敏感层包括红外吸收层和包裹在所述红外吸收层外的支撑介质层。
9.根据权利要求8所述红外焦平面阵列器件，其特征在于，所述电引线的材料为Ti，TiN或Ti/TiN的复合层，所述红外敏感层的材料为非晶硅、非晶锗硅、VOx，所述热沉的材料为非晶硅、非晶锗硅或金属。
10.一种红外焦平面阵列器件，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成空腔及空腔周围的热沉；
在所述空腔底部形成释放阻挡层及所述释放阻挡层上的反射层；
在所述空腔内填充释放牺牲层；
在所述具有释放牺牲层的衬底表面形成红外敏感层和悬臂梁，所述悬臂梁和红外敏感层之间的间隙作为释放工艺中的释放孔；
去除释放牺牲层，从而形成悬空结构和共振吸收结构。
11.根据权利要求10所述红外焦平面阵列器件的制作方法，其特征在于，在所述衬底上形成空腔及空腔周围的热沉具体包括：
通过光刻、刻蚀工艺在所述衬底内形成空腔，所述空腔周围的衬底即为热沉。
12.根据权利要求10所述红外焦平面阵列器件的制作方法，其特征在于，在所述衬底上形成空腔及空腔周围的热沉具体包括：
在所述衬底表面沉积第三介质层，然后采用光刻、刻蚀工艺在所述第三介质层中制作空腔；
在所述空腔内形成释放牺牲层并在其上面淀积第一介质层；
在所述第一介质层上形成具有热沉图案光刻胶层；
以所述光刻胶层为掩膜在所述第三介质层内形成热沉区域的沟槽，露出下面的衬底表面；
在所述沟槽内填充热沉材料，从而形成热沉。
13.根据权利要求10、11或12所述红外焦平面阵列器件的制作方法，其特征在于，在所述空腔内填充释放牺牲层的步骤中还包括：在所述热沉上保留特定厚度的释放牺牲层。
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