CN102509729B - 可调谐热光带通滤波器像素阵列的制作方法 - Google Patents

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本发明公开了一种可调谐热光带通滤波器像素阵列的制作方法，通过光刻、刻蚀工艺在腔体材料的正面制作热隔离柱，并利用Au/Au键合方式实现热隔离；同时利用Au薄膜的宽光谱、高反射率特性，并采用高热光系数的晶态半导体材料作为腔体实现F-P腔热光可调谐滤波器。本方法中，无需生长具有近红外波段低吸收系数的非晶硅薄膜材料，大大降低了光学膜生长难度。

Description

可调谐热光带通滤波器像素阵列的制作方法
技术领域
本发明涉及热成像，特别指非制冷红外成像领域，以及半导体制造技术。
背景技术
非制冷红外探测***由于其较低的成本、较小的体积，应用前景非常广泛。目前，基于非晶硅、氧化钒等材料热阻特性的红外探测芯片已经商业化。同时，采用光学读出方式的微带通滤波器红外成像阵列则是其有力的竞争者。由于光学读出非制冷红外成像***为全光***，与传统的热释电或多晶硅非制冷红外成像仪相比，无需复杂的读取电路。采用Fabry-Perot（F-P）腔阵列作为核心结构，利用多光束干涉原理读取红外信号，不仅可使***的结构紧凑简洁、探测灵敏度较高，而且易于大规模集成。该类***的一个典型结构可参考“红移***公司”2004年提交的题为“红外摄像机***”的专利申请（申请号：200480027494.7），其包含可调谐热光滤波器像素阵列、近红外光源和近红外检测器阵列，其中像素阵列的制造是其中的核心。
这里每个像素阵列均包含了热隔离结构，以及可调谐热光带通滤波器，对于该滤波器，一方面需要其构成材料具有较高的热光系数（一般采用非晶硅薄膜），一方面需要其对近红外检测光有尽量小的吸收，因此该滤波器的制备具有很高的难度。
发明内容
为了克服背景技术的不足，本发明提供了一种可调谐热光带通滤波器像素阵列的制作方法。
本发明提供的可调谐热光带通滤波器像素阵列的制作方法，包括以下步骤：
1)    选取腔体材料以及衬底材料；
2)    通过光刻、刻蚀工艺在腔体材料的正面制作热隔离柱；
3)    在腔体材料正面的非隔离柱区及所述热隔离柱的表面蒸镀Au金属层；
4)    在衬底材料表面蒸镀Au金属层；
5)    将热隔离柱表面的Au金属层及衬底材料的Au金属层进行键合；
6)    刻蚀腔体材料的背面，使所述腔体材料的厚度为所用近红外检测光的1/2光学波长的整数倍；
7)    采用光刻、刻蚀工艺分隔腔体材料上的像素点，形成像素阵列；
8)    在各像素表面制备高反射率介质膜。
其中，所述腔体材料为高热光系数材料，高热光系数材料对近红外光透明且易于加工，热光系数高于1×10-4/K，高热光系数材料包括GaAs晶圆或者Si晶圆；其中，所述Si晶圆的热光系数为1.8×10-4/K，所述GaAs晶圆的热光系数为2.5×10-4/K。所述热隔离柱的横向尺寸依据像素点的尺寸设计，不超过像素点横向尺寸的1/10，所述热隔离柱的高度由热隔离需要，不小于10μm；所述腔体材料正面非隔离柱区表面的粗糙度不大于10nm；则所述热隔离柱的高度及腔体材料正面的非隔离柱区的粗糙度可采用调整刻蚀气体的压力及射频功率的方式实现。
其中，所述金属层为Au金属层，其厚度不小于1.5μm；所述腔体材料正面非隔离柱区的刻蚀表面金属层构成高反射率宽谱反射镜。
其中，所述腔体材料的背面经刻蚀，使刻蚀后的腔体材料表面的粗糙度不大于5nm。
其中，所述高反射率介质膜为折射不同的两种介质膜交替层叠而成,所述的折射率不同的两种介质膜对近红外检测光透明，且每种介质膜的厚度为1/4光学波长。
其中，折射率不同的两种介质膜，其组合方式包括TiO2/SiO2组合或者Si/SiO2组合，其中，基于TiO2/SiO2组合方式，所述高反射率介质膜包括2层TiO2和2层SiO2，基于Si/SiO2组合方式，所述高反射率介质膜包括2层Si和2层SiO2。
本发明公开了一种可调谐热光带通滤波器像素阵列的制作方法，通过光刻、刻蚀工艺在腔体材料的正面制作热隔离柱并利用Au/Au键合方式实现热隔离，同时利用Au薄膜的宽光谱、高反射率特性，并采用高热光系数的晶态半导体材料作为腔体实现F-P腔热光可调谐滤波器，无需生长具有近红外波段低吸收系数的非晶硅薄膜材料，大大降低了生长光学膜的难度。
附图说明
图1为本发明实施例的制作方法流程图。
图2为本发明实施例的像素阵列的制作流程示意图，其中，图2a为制作热隔离柱的示意图，图2b为在腔体材料表面蒸镀金属层的示意图，图2c为金属层键合示意图，图2d为刻蚀腔体材料背面示意图，图2e为分隔像素点示意图，图2f为蒸镀高反射率介质膜示意图。
具体实施方式
下面参照附图，结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本发明实施例可调谐热光带通滤波器像素阵列的制作方法包括：
S101，选取腔体材料以及衬底材料；
S102，通过光刻、刻蚀工艺在腔体材料的正面制作热隔离柱；
S103，在腔体材料正面的非隔离柱区及所述热隔离柱的表面蒸镀Au金属层；
S104，在衬底材料表面蒸镀Au金属层；
S105，将热隔离柱表面的Au金属层及衬底材料的Au金属层进行键合；
S106，刻蚀腔体材料的背面，使所述腔体材料的厚度为所用近红外检测光的1/2光学波长的整数倍；
S107，采用光刻、刻蚀工艺分隔腔体材料上的像素点，形成像素阵列；
S108，在各像素表面制备高反射率介质膜。
如图2所示，根据设计需要以及实际工艺的可靠性，选取腔体材料210为Si晶圆，其热光系数达到1.8×10-4/K，且在850nm及以上波段吸收系数很小。衬底材料220选取普通玻璃片，在本发明实施例中，衬底材料的选择没有特殊要求，即具有刚性、易加工等即可，一般的材料均能满足要求，比如Si片，玻璃片等。
如图2a所示，在腔体材料210正面，通过光刻、刻蚀工艺制作热隔离柱211；热隔离柱211横向尺寸一般不超过像素点横向尺寸的1/10，高度根据热隔离需要，一般不小于10μm。本实施例中热隔离柱211为直径10μm的圆柱；为保证滤波器的光学性质，非隔离柱区的刻蚀表面要求尽量均匀，粗糙度控制在10nm以内，通过控制刻蚀气体压力与射频功率实现。
如图2b所示,在腔体材料210正面一次蒸镀Au金属层，包括热隔离柱211表面蒸镀的Au金属层212和腔体材料210正面非隔离柱区的刻蚀表面蒸镀的Au金属层213，所述Au金属层213构成高反射率宽谱反射镜，在800nm至1100nm波段，其反射率不小于97%；在衬底材料220表面蒸镀1.5μm以上的Au金属层221。所述金属层212、金属层213的厚度在1.5μm以上，在本实施例中，所述Au金属层212、金属层213的厚度为1.5μm，所述Au金属层221厚度为1.5μm。
如图2c所示，通过Au/Au共熔晶键合，将热隔离柱211端面的Au金属层212与衬底材料的Au金属层221进行键合，Au/Au键合时，将温度控制在350℃左右，压力2000N，保持20分钟即可。
如图2d所示，刻蚀腔体材料的另一面，精确控制厚度以及均匀性，最终厚度为所用近红外检测光的1/2光学波长的整数倍，这里选取厚度为2.4微米，通过控制射频功率与刻蚀气体压力使粗糙度控制在5nm以内。
如图2e所示，利用光刻、等离子刻蚀工艺，将各像素点隔断开，形成像素阵列，像素点之间的间隔为2微米。
如图2f所示，采用电子束蒸镀方式，在各像素表面蒸镀高反射率介质膜230自下而上依次为84nm的TiO2、142nm的SiO2、84nm的TiO2、142nm的SiO2，与Au金属层213共同构成F-P腔带通滤波器，腔体为晶体硅，因此该滤波器具有良好的热光调谐特性，反射率可达95%以上。
实施例2
如图1所示，本发明实施例可调谐热光带通滤波器像素阵列的制作方法包括：
S101，选取腔体材料以及衬底材料；
S102，通过光刻、刻蚀工艺在腔体材料的正面制作热隔离柱；
S103，在腔体材料正面的非隔离柱区及所述隔离柱的表面蒸镀Au金属层；
S104，在衬底材料表面蒸镀Au金属层；
S105，将热隔离柱表面的Au金属层及衬底材料的Au金属层进行键合；
S106，刻蚀腔体材料的背面，使所述腔体材料的厚度为所用近红外检测光的1/2光学波长的整数倍；
S107，采用光刻、刻蚀工艺分隔腔体材料上的像素点，形成像素阵列；
S108，在各像素表面制备高反射率介质膜。
如图2所示，根据设计需要以及实际工艺的可靠性，选取腔体材料210为GaAs晶圆，其热光系数达到2.5×10-4/K，且在850nm及以上波段吸收系数很小。衬底材料220选取K9玻璃，在本发明实施例中，衬底材料的选择没有特殊要求，即具有刚性、易加工等即可，一般的材料均能满足要求，比如Si片，玻璃片等。
如图2a所示，在腔体材料210正面，通过光刻、刻蚀工艺制作热隔离柱211；热隔离柱211横向尺寸一般不超过像素点横向尺寸的1/10，高度由热隔离需要，一般不小于10μm。本实施例中热隔离柱211为直径8μm的圆柱；为保证滤波器的光学性质，非隔离柱区的刻蚀表面要求尽量均匀，粗糙度控制在10nm以内，通过控制刻蚀气体压力与射频功率实现。
如图2b所示,在腔体材料210正面一次蒸镀Au金属层，包括热隔离柱211表面蒸镀的Au金属层212和腔体材料210正面非隔离柱区的刻蚀表面蒸镀的Au金属层213，所述Au金属层213构成高反射率宽谱反射镜，在800nm至1100nm波段，其反射率不小于97%；在衬底材料220表面蒸镀1.5μm以上的Au金属层221。所述Au金属层212、Au金属层213的厚度在1.5μm以上，在本实施例中，所述Au金属层212和Au金属层213的厚度为2μm，所述Au金属层221厚度为2μm。
如图2c所示，通过Au/Au共熔晶键合，将热隔离柱211端面的Au金属层212与衬底材料的Au金属层221进行键合，Au/Au键合时，将温度控制在350℃左右，压力2000N，保持20分钟即可。
如图2d所示，刻蚀腔体材料的另一面，精确控制厚度以及均匀性，最终厚度为所用近红外检测光的1/2光学波长的整数倍，这里选取厚度为1.2μm，通过控制射频功率与刻蚀气体压力使粗糙度控制在5nm以内。
如图2e所示，利用光刻、等离子刻蚀工艺，将各像素点隔断开，形成像素阵列，像素点之间的间隔为1微米。
如图2f所示，采用电子束蒸镀方式，在各像素表面蒸镀Si/SiO2高反射率介质膜230，自下而上依次为61nm的Si、142nm的SiO2、61nm的Si、142nm的SiO2，与Au金属层213共同构成F-P腔带通滤波器，腔体为晶体硅，因此该滤波器具有良好的热光调谐特性，反射率可达95%以上。
本发明保护范围不限于上述情况，本领域技术人员在不脱离保护范围内可以进行各种选择，例如在所述腔底材料的选取上，本领域技术人员可以选择本发明实施例1公开的热光系数为1.8×10-4/K的Si晶圆，也可以选择本发明实施例2公开的热光系数为2.5×10-4/K的GaAs晶圆，同时也可以选择热光系数高于1×10-4/K的其他高热光系数材料。
本发明实施例公开了一种可调谐热光带通滤波器像素阵列的制作方法，通过光刻、刻蚀工艺在腔体材料的正面制作热隔离柱，并利用Au/Au键合方式实现热隔离；同时利用Au薄膜的宽光谱、高反射率特性，并采用高热光系数的晶态半导体材料作为腔体实现F-P腔热光可调谐滤波器，无需生长具有近红外波段低吸收系数的非晶硅薄膜材料，大大降低了光学膜生长难度。并且，本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种变形和修改。

Claims (11)

1.一种可调谐热光带通滤波器像素阵列的制作方法，其特征在于，包括：
选取腔体材料以及衬底材料；
通过光刻、刻蚀工艺在腔体材料的正面制作热隔离柱；
在腔体材料正面的非隔离柱区的刻蚀表面及热隔离柱的表面蒸镀Au金属层；
在衬底材料表面蒸镀Au金属层；
将腔体材料及衬底材料的Au金属层进行键合；
刻蚀腔体材料的背面，使所述腔体材料的厚度为所用近红外检测光的1/2光学波长的整数倍；
采用光刻、刻蚀工艺分隔腔体材料上的像素点，形成像素阵列；
在各像素表面制备高反射率介质膜。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述腔体材料为高热光系数材料，热光系数高于1×10-4/K。
3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述高热光系数材料是GaAs晶圆或者Si晶圆，其中，所述Si晶圆的热光系数为1.8×10-4/K，所述GaAs晶圆的热光系数为2.5×10-4/K。
4.根据权利要求1或2或3所述的制作方法，其特征在于，所述热隔离柱的横向尺寸依据像素点的尺寸设计，不超过像素点横向尺寸的1/10，所述热隔离柱的高度由热隔离需要，不小于10μm；所述腔体材料正面的非隔离柱区的刻蚀表面粗糙度不大于10nm。
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述热隔离柱的高度及腔体材料正面的非隔离柱区的粗糙度可采用调整刻蚀气体的压力及射频功率的方式实现。
6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述金属层为Au金属层，其厚度不小于1.5μm；其中，所述腔体材料的正面非隔离柱区的表面金属层构成高反射率宽谱反射镜。
7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述腔体材料的背面经刻蚀，使刻蚀后的腔体材料表面的粗糙度不大于5nm。
8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述高反射率介质膜为折射率不同的两种介质膜交替层叠而成。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述的折射率不同的两种介质膜对近红外检测光透明，且每种介质膜的厚度为所用近红外检测光的1/4光学波长。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述折射率不同的两种介质膜，其组合方式是TiO2/SiO2组合或者Si/SiO2组合。
11.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，基于TiO2/SiO2组合方式时，所述高反射率介质膜包括2层TiO2和2层SiO2；基于Si/SiO2组合方式时，所述高反射率介质膜包括2层Si和2层SiO2。
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