CN103759838A - 微桥结构红外探测器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微桥结构红外探测器及其制造方法。所述探测器包括：读出电路衬底、微桥桥腿、热敏感层、红外反射层以及红外吸收层。所述红外吸收层支撑设置于所述热敏感层的上方，并与所述红外反射层形成针对入射红外光的谐振腔，所述微桥桥腿置于红外反射层下方，并与读出电路衬底形成电学链接。上述结构能够在降低器件热导的同时增加器件红外吸收率，提高了器件的填充率，解决谐振腔缺陷，从而提高了器件热隔离效果和响应率，优化器件性能。

Description

微桥结构红外探测器及其制造方法

技术领域

本发明属于微机电技术领域，具体涉及一种多层的微桥结构红外探测器及其制造方法。

背景技术

现有技术中的红外探测器是采用在CMOS电路上集成MEMS微桥结构，利用敏感材料探测层（通常为非晶硅或氧化钒）吸收红外线且将其转化成电信号，据此来实现热成像功能。当前红外探测器的主要发展方向为减小像元结构尺寸并增大阵列尺寸，改善探测器的图像分辨率，扩大红外探测器的应用范围， 其MEMS制造工艺的水平已成为制约产品性能的主要因素。红外探测器的微桥结构从早期的100*100微米缩小到现今的17*17微米像元结构。小的像元结构可以减小薄膜的应力不匹配并增强探测器的灵敏度和分辨率；另外，对于相同的阵列规模，小的像元结构意味着更小的探测器及镜头尺寸，从而可以缩小红外热像仪***的重量和尺寸，增加红外热像仪的便携性。

附图1所示是现有技术中一种典型的单层微桥结构示意图，包括衬底10，衬底10表面的红外反射层11、桥面12设置在所述红外反射层11的表面，并通过与桥腿13通过介质层16横向支撑形成谐振腔14，红外吸收层15设置于所述桥面12内部。单层微桥的优点在于结构简单，易于制造，但缺点是桥腿13和桥面12处于同一平面，在像元微桥面积一定的情况下，增加像元桥腿长度提高热阻时必然降低微桥有效红外吸收面积，从而难以在降低器件热导的同时提高红外光吸收率。特别是随着像元尺寸逐渐减少，小尺寸探测器像元设计空间越来越局限，其结构缺陷越来越显著，限制了器件性能的进一步提高。

双层微桥结构的设计是为解决传统单牺牲层微桥结构中像元红外光吸收有效面积与器件热导之间的矛盾而提出的。附图2所示是现有技术中一种典型的双层微桥结构示意图，包括衬底20，衬底20表面的红外反射层21、桥面22设置在所述红外反射层21的表面，并通过与桥腿23纵向支撑形成谐振腔24，红外吸收层25设置于所述桥面22内部。双层结构设计的重点是将红外反射层21与热绝缘的桥腿23所在平面完全分开，使其不再相互影响，但这种结构也存在缺陷，即大面积红外吸收层25与红外反射层21所形成的谐振腔24中夹有桥腿23，桥腿23会影响红外入射光波的谐振效果，降低红外吸收效率。

故，提出一种具有高吸收效率的微桥结构，是现有技术亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有高吸收效率的微桥结构红外探测器及其制造方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种微桥结构红外探测器，包括：衬底，所述衬底的上表面设置有电极；桥腿，所述桥腿采用导电材料制成，所述桥腿支撑设置于所述衬底上方，支撑点位于所述衬底上表面的电极处，从而与所述电极电学连接；热敏感层，所述热敏感层设置于所述桥腿上方，并通过设置在所述热敏感层通孔中的电连接支架支撑设置于所述桥腿的表面，所述电连接支架用于所述热敏感层与所述桥腿进而与所述电极的电学连接；红外反射层，所述红外反射层设置于所述桥腿与所述热敏感层之间，并通过介质层与所述热敏感层悬空部分的下表面贴合；红外吸收层，所述红外吸收层支撑设置于所述热敏感层的表面，吸收入射红外光，转化成热量传导至所述敏感层，所述红外吸收层进一步与所述红外反射层形成针对入射红外光的谐振腔。

可选的，所述桥腿的本体部分处于一与衬底平行的第一平面内，并通过自弯折形成的支架支撑设置于所述电极的表面。

可选的，所述热敏感层和电连接支架的本体部分处于一与衬底平行第二平面内，所述电连接支架进一步通过自弯折形成的支架支撑设置于所述桥腿的表面。

可选的，所述红外吸收层的本体部分处于一与衬底平行第三平面内，并通过自弯折形成的支架支撑设置于所述热敏感层的表面。

可选的，所述衬底、桥腿、热敏感层以及红外吸收层的表面进一步具有覆盖层。

可选的，所述桥腿的材料选自于钛、氮化钛和钽中的任意一种。

可选的，所述热敏感层的材料选自于非晶硅和氧化钒中的任意一种。

可选的，所述电连接支架的材料选自于钛、钽、镍、铬、氮化钛、以及镍铬合金中的任意一种。

可选的，所述红外反射层的材料选自于铝、银和金中的任意一种。

可选的，所述红外吸收层的材料选自于氮化钛和镍铬合金中的任意一种。

本发明进一步提供了一种微桥结构红外探测器的制作方法，包括如下步骤：提供衬底，所述衬底的表面内设置有电极；在衬底表面制作桥腿，所述桥腿的悬空部分通过第一牺牲层与所述衬底之间分离；在桥腿表面制作图形化的红外反射层，所述红外反射层通过第二牺牲层与所述桥腿之间分离；在所述红外反射层的表面制作介质层；在所述介质层表面制作热敏感层以及与热敏感层连接的电连接支架，所述电连接支架形成于所述热敏感层内的通孔中，穿过所述图形化的红外反射层的间隙以及介质层，支撑设置于所述桥腿的表面；在所述热敏感层的表面制作红外吸收层，所述红外吸收层的悬空部分通过第三牺牲层与所述热敏感层之间分离；去除所述第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层，从而使桥腿、红外反射层、热敏感层、以及红外吸收层部分悬空，并且所述红外吸收层与所述红外反射层形成针对入射红外光的谐振腔，所述热敏感层位于所述谐振腔中。

可选的，所述桥腿的本体部分处于一与衬底平行的第一平面内，并通过自弯折形成的支架支撑设置于所述电极的表面。

可选的，所述热敏感层和电连接支架的本体部分处于一与衬底平行第二平面内，所述电连接支架进一步通过自弯折形成的支架支撑设置于所述桥腿的表面。

可选的，所述红外吸收层的本体部分处于一与衬底平行第三平面内，并通过自弯折形成的支架支撑设置于所述热敏感层的表面。

本发明的优点在于，桥腿与红外反射层、红外吸收层分层设计的形式，有效增加了小尺寸象元的设计空间，在降低器件热导的同时增加器件红外吸收率，提高了器件的填充率，解决谐振腔缺陷，从而提高了器件热隔离效果和响应率，优化器件性能。

附图说明

附图1所示是现有技术中一种典型的单层微桥结构示意图；

附图2所示是现有技术中一种典型的双层微桥结构示意图；

附图3所示是本发明具体实施方式所述微桥红外探测器的制作工艺示意图；

附图4A至附图4G所示是本具体实施方式的工艺示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的微桥结构红外探测器及其制造方法的具体实施方式做详细说明。

附图3所示是本发明具体实施方式所述微桥红外探测器的制作工艺示意图，包括：步骤S30，提供衬底，所述衬底的上表面设置有电极；步骤S31，在衬底表面制作桥腿，所述桥腿的悬空部分通过第一牺牲层与所述衬底之间分离；步骤S32，在桥腿表面制作图形化的红外反射层，所述红外反射层通过第二牺牲层与所述桥腿之间分离；步骤S33，在所述红外反射层的表面制作介质层；步骤S34，在所述介质层表面制作热敏感层以及与热敏感层连接的电连接支架，所述电连接支架形成于所述热敏感层内的通孔中，穿过所述图形化的红外反射层的间隙以及介质层，支撑设置于所述桥腿的表面；步骤S35，在所述热敏感层的表面制作红外吸收层，所述红外吸收层的悬空部分通过第三牺牲层与所述热敏感层之间分离；步骤S36，去除所述第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层，从而使桥腿、红外反射层、热敏感层、以及红外吸收层部分悬空，并且所述红外吸收层与所述红外反射层形成针对入射红外光的谐振腔。

附图4A至附图4G所示是本具体实施方式的工艺示意图。

附图4A所示，参考步骤S30，提供衬底400，所述衬底400的上表面内设置有电极，本具体实施方式以电极411、412为例。在其它的具体方式中，电极的数目和位置可以根据探测器的形状和结构做出调整。所述衬底400的材料可以是包括单晶硅在内的任意一种常用的衬底材料。电极411与412的材料可以是金属。电极411与412实现探测器与衬底400中的读出电路间的电连接。衬底400中的读出电路（未图示）是在制作探测器之前通过标准CMOS工艺在衬底400中制作完成的。第一覆盖层491设置在电极411与412之间，以保证电极之间的电学隔离。第一覆盖层491的材料例如可以是氧化硅或者氮化硅等。

附图4B所示，参考步骤S31，在衬底400表面制作桥腿420，所述桥腿420的悬空部分通过第一牺牲层481与所述衬底400之间分离。为了保护桥腿420，进一步在制作桥腿420之前生长第二覆盖层492，并在桥腿420制作之后生长第三覆盖层493。第二覆盖层492和第三覆盖层493的作用在于当第一牺牲层481被除去而释放出桥腿420的结构之后，可以对桥腿420的表面起到保护作用。第一牺牲层481的材料可以为非晶硅、聚酰亚胺、多晶硅等。所述第二覆盖层492和第三覆盖层493的材料例如可以是氧化硅或者氮化硅等。

本具体实施方式中，所述桥腿420的本体部分处于一与衬底400平行的第一平面A内，并通过自弯折形成的支架支撑设置于所述衬底400表面的电极411与412上。在其它的具体实施方式中，所述桥腿420的本体部分也可以通过支柱或者其它刚性结构实现支撑功能。所述桥腿420应当选用低导热率的导电材料，例如选自于钛、氮化钛和钽中的任意一种。选用低导热材料可以防止所述衬底400中的热量通过所述桥腿420扩散至红外探测器中。

附图4C所示，参考步骤S32，在桥腿420表面制作图形化的红外反射层430，所述红外反射层430通过第二牺牲层482与所述桥腿420之间分离。所述红外反射层430图形化的目的在于后续制作的电连接支架可以通过图形之间的间隙与桥腿420接触，形成对谐振腔中的红外敏感部件的机械支撑，并能够将产生的电学信号导出。所述第二牺牲层482的材料可以为非晶硅、聚酰亚胺、多晶硅等。所述红外反射层430的材料应当是对红外光具有高反射率的材料，可以选自于铝、银和金中的任意一种。

附图4D所示，参考步骤S33，在所述红外反射层430的表面制作介质层440。由于第二牺牲层482是要被除去的，因此红外反射层430可以通过介质层440贴附在其它部件的表面，并且介质层440进一步对红外反射层430和其它部件起到电学隔离效果。介质层440的材料例如可以是氧化硅、氮化硅及多晶硅等材料的单层或复合层结构。

附图4E所示，参考步骤S34，在所述介质层440表面制作热敏感层450以及与热敏感层450连接的电连接支架460，所述电连接支架460设置在热敏感层450的通孔中，并穿过所述图形化的红外反射层430的间隙以及介质层440，支撑设置于所述桥腿420的表面。红外反射层430通过介质层440贴附在热敏感层450的下表面，可以保证在第二牺牲层482被除去后，红外反射层430不至于脱落。且介质层440起到了红外反射层430和热敏感层450之间的电学隔离作用。

所述热敏感层450的材料选自于非晶硅和氧化钒中的任意一种，该层的作用在于吸收红外辐射产生的热量并将其转化成电信号。由于所述热敏感层450和所述桥腿420之间是通过所述电连接支架460机械连接在一起的，因此同所述桥腿420类似的，所述电连接支架460的材料应当是低导热率导电材料，例如可以是选自于钛、钽、镍、铬、氮化钛、以及镍铬合金中的任意一种。

在本具体实施方式中，热敏感层450和电连接支架460的本体部分处于一与衬底400平行第二平面B内，所述电连接支架460进一步通过自弯折形成的支架支撑设置于所述桥腿420的表面。在其它的具体实施方式中，所述电连接支架460也可以通过支柱或者其它刚性结构实现支撑功能。

附图4F所示，参考步骤S35，在所述热敏感层450的表面制作红外吸收层470，所述红外吸收层470的悬空部分通过第三牺牲层483与所述热敏感层450之间分离。所述第三牺牲层483的材料可以为非晶硅、聚酰亚胺、多晶硅等。

所述红外吸收层470的材料选自于氮化钛和镍铬合金中的任意一种薄膜材料，其薄膜材料的方块电阻在377Ω/□左右，可最大化提高红外吸收效果，所述红外吸收层470的本体部分处于与衬底400平行第三平面C内，并通过自弯折形成的支架支撑设置于所述热敏感层450的表面。在其它的具体实施方式中，所述红外吸收层470的本体部分也可以通过支柱或者其它刚性结构实现支撑功能。红外吸收层470能够吸收入射的红外光并转化成热量，热量进一步通过红外吸收层470和热敏感层450的接触部传导至热敏感层450，并由热敏感层450将其转化成电信号。

为了保护所述热敏感层450，在制作第三牺牲层483之前可以首先在所述热敏感层450的表面制作第四覆盖层494。为了保护所述红外吸收层470，在制作所述红外吸收层470之前可以首先制作第五覆盖层495，并在制作所述红外吸收层470之后可以制作第六覆盖层496。所述第四覆盖层494、第五覆盖层495和第六覆盖层496的材料例如可以是氧化硅或者氮化硅等。

附图4G所示，参考步骤S36，去除所述第一牺牲层481、第二牺牲层482和第三牺牲层483，从而使桥腿420、红外反射层430、热敏感层450、以及红外吸收层470部分悬空，并且所述红外吸收层470与所述红外反射层430形成针对入射红外光的谐振腔，所述热敏感层450位于所述谐振腔中。可以采用选择性腐蚀或者选择性溶解的方法除去所述第一牺牲层481、第二牺牲层482和第三牺牲层483。所述红外吸收层470与所述红外反射层430形成的谐振腔，其沿着垂直于衬底400方向的深度，即沿着入射光方向的深度应当为入射红外光波长的1/4，以形成红外光波入射谐振腔，加强热敏感层450的红外吸收率。

参考附图4G所示即为本具体实施方式所述微桥结构红外探测器的结构示意图，包括衬底400、桥腿420、红外反射层430、热敏感层450、以及红外吸收层470。所述400衬底的上表面设置有电极。所述桥腿420采用导电材料制成，所述桥腿420支撑设置于所述衬底400上方，支撑点位于所述衬底400上表面的电极411和412处，从而与所述电极411和412电学连接。所述热敏感层450设置于所述桥腿420上方，并通过设置在所述热敏感层450通孔中的电连接支架460支撑设置于所述桥腿420的表面，所述电连接支架460用于所述热敏感层450与所述桥腿420进而与所述电极411和412的电学连接。所述红外反射层430设置于所述桥腿420与所述热敏感层450之间，并通过介质层440与所述热敏感层450悬空部分的下表面贴合。所述红外吸收层470支撑设置于所述热敏感层450的上方，并与所述红外反射层430形成针对入射红外光的谐振腔，所述热敏感层450位于所述谐振腔中。

上述结构的优点在于所述桥腿420与所述红外反射层430、红外吸收层470分层设计的形式。所述红外吸收层470几乎布满了器件的所有横向空间，而所述所述热敏感层450除保留用于穿过所述电连接支架460的空隙之外，亦几乎布满了器件的所有横向空间，故而上述结构有效地增加了小尺寸象元的设计空间。所述红外吸收层470和专门的红外反射层430形成针对入射红外光的谐振腔，加强了红外吸收效率。所述热敏感层450和所述桥腿420隔离，避免了热效应对所述热敏感层450的影响。故上述结构能够在降低器件热导的同时增加器件红外吸收率，提高了器件的填充率，解决谐振腔缺陷，从而提高了器件热隔离效果和响应率，优化器件性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种微桥结构红外探测器，其特征在于，包括：

衬底，所述衬底的上表面设置有电极；

桥腿，所述桥腿采用导电材料制成，所述桥腿支撑设置于所述衬底上方，支撑点位于所述衬底上表面的电极处，从而与所述电极电学连接；

热敏感层，所述热敏感层设置于所述桥腿上方，并通过设置在所述热敏感层通孔中的电连接支架支撑设置于所述桥腿的表面，所述电连接支架用于所述热敏感层与所述桥腿进而与所述电极的电学连接；

红外反射层，所述红外反射层设置于所述桥腿与所述热敏感层之间，并通过介质层与所述热敏感层悬空部分的下表面贴合；

红外吸收层，所述红外吸收层支撑设置于所述热敏感层的表面，吸收入射红外光，转化成热量传导至所述热敏感层，所述红外吸收层进一步与所述红外反射层形成针对入射红外光的谐振腔。

2.根据权利要求1所述的微桥结构红外探测器，其特征在于，所述桥腿的本体部分处于一与衬底平行的第一平面内，并通过自弯折形成的支架支撑设置于所述电极的表面。

3.根据权利要求1所述的微桥结构红外探测器，其特征在于，所述热敏感层和电连接支架的本体部分处于一与衬底平行第二平面内，所述电连接支架进一步通过自弯折形成的支架支撑设置于所述桥腿的表面。

4.根据权利要求1所述的微桥结构红外探测器，其特征在于，所述红外吸收层的本体部分处于一与衬底平行第三平面内，并通过自弯折形成的支架支撑设置于所述热敏感层的表面。

5.根据权利要求1所述的微桥结构红外探测器，其特征在于，所述衬底、桥腿、热敏感层以及红外吸收层的表面进一步具有覆盖层。

6.根据权利要求1所述的微桥结构红外探测器，其特征在于，所述桥腿的材料选自于钛、氮化钛和钽中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的微桥结构红外探测器，其特征在于，所述热敏感层的材料选自于非晶硅和氧化钒中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的微桥结构红外探测器，其特征在于，所述电连接支架的材料选自于钛、钽、镍、铬、氮化钛、以及镍铬合金中的任意一种。

9.根据权利要求1所述的微桥结构红外探测器，其特征在于，所述红外反射层的材料选自于铝、银和金中的任意一种。

10.根据权利要求1所述的微桥结构红外探测器，其特征在于，所述红外吸收层的材料选自于氮化钛和镍铬合金中的任意一种。

11.一种微桥结构红外探测器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供衬底，所述衬底的表面内设置有电极；

在衬底表面制作桥腿，所述桥腿的悬空部分通过第一牺牲层与所述衬底之间分离；

在桥腿表面制作图形化的红外反射层，所述红外反射层通过第二牺牲层与所述桥腿之间分离；

在所述红外反射层的表面制作介质层；

在所述介质层表面制作热敏感层以及与热敏感层连接的电连接支架，所述电连接支架形成于所述热敏感层内的通孔中，穿过所述图形化的红外反射层的间隙以及介质层，支撑设置于所述桥腿的表面；

在所述热敏感层的表面制作红外吸收层，所述红外吸收层的悬空部分通过第三牺牲层与所述热敏感层之间分离；

去除所述第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层，从而使桥腿、红外反射层、热敏感层、以及红外吸收层部分悬空，并且所述红外吸收层与所述红外反射层形成针对入射红外光的谐振腔。

12.根据权利要求11所述的微桥结构红外探测器的制作方法，其特征在于，所述桥腿的本体部分处于一与衬底平行的第一平面内，并通过自弯折形成的支架支撑设置于所述电极的表面。

13.根据权利要求11所述的微桥结构红外探测器的制作方法，其特征在于，所述热敏感层和电连接支架的本体部分处于一与衬底平行第二平面内，所述电连接支架进一步通过自弯折形成的支架支撑设置于所述桥腿的表面。

14.根据权利要求11所述的微桥结构红外探测器的制作方法，其特征在于，所述红外吸收层的本体部分处于一与衬底平行第三平面内，并通过自弯折形成的支架支撑设置于所述热敏感层的表面。

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