CN107478336A - 太赫兹成像阵列芯片及其制作方法、成像*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹成像阵列芯片及其制作方法、成像***。其中，太赫兹成像阵列芯片，由太赫兹成像单元按照像素点等间距排列，该太赫兹成像单元包括：衬底；太赫兹吸收层结构板，位于衬底上方，与衬底之间存在距离；悬空驱动臂，位于太赫兹吸收层结构板的两侧，其中一端固定，一端悬空，悬空的一侧与太赫兹吸收层结构板固定，包括两层不同膨胀系数的材料；以及固定结构，连接衬底和悬空驱动臂的固定端。该太赫兹成像阵列芯片具有自动的温度补偿功能；并采用激光及CCD光学信号采集***直接成像，省去了与输出电路的集成，结构简单，成本较低。
Description
技术领域
本公开属于太赫兹成像结构领域，涉及一种太赫兹成像阵列芯片及其 制作方法、成像***。
背景技术
在电磁波频段中，太赫兹(Terahertz，THz)辐射的频率范围是100GHz 到10THz，介于微波和远红外之间。之前这段频段被叫做太赫兹空白隙， 是因为微波和射频源的频率无法延伸到太赫兹区间，而光学发射器的频率 无法降低到这个区间。然而在过去十几年，太赫兹的应用被重视，有很多 学者进入这个领域，使太赫兹源和检测仪的发展进程大大加快，这个太赫 兹空白隙正在迅速缩小。太赫兹的应用领域广泛，可以应用于ppm级别的 化学成分分析、获取材料的内部信息、近距离探测、安全检测、无损检测、 成像技术等。
对于太赫兹成像领域，成像的方式有单传感元扫描方式和太赫兹阵列 传感器(由单一的传感单元阵列组成)两类。一些太赫兹的应用，如公共 场所安检、无损材料控制等，对太赫兹成像计的快速成像要求很高，需要 采用阵列式成像方法。传感单元可以基于光导体天线、电光采样技术和热 辐射测定计几大类。其中，热辐射测定计是基于硅衬底的微机械加工技术 (Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)，采用热吸收改变传感单元的 电学性质的原理进行制作的。热辐射测定计的制作工艺与CMOS兼容，不 需要引入复杂的III-VI族元素制作工艺。传统的热辐射测定计采用氧化钒 (VOx)作为热敏感层，主要利用其较高的热阻系数，但沉积氧化钒需要 在较高温下进行，因此在氧化钒上层通常需要沉积一层或几层吸热层增加 器件的灵敏度。吸热层的材料通常包括Ni，NiCr，Ti，W，TiN以及TiWN，吸热层薄膜可以通过物理气相沉积(PVD)的方法沉积。在制作过程中吸 热层和热敏感层要进行悬空处理以进行热隔离。传感单元通常要与读出电 路(Read Out IntegratedCircuit，ROIC)进行键合处理，读取电路采用专 用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)，每一个读出单 元对应于上方传感单元。还需配合时钟控制电路，放大滤波电路，模数转 换电路而输出。另外需要温度传感器和一定算法以对传感单元进行温度补 偿。
传统的基于氧化钒热敏感薄膜制作的太赫兹热辐射测定计需要与读 出电路(ROIC)集成进行信号读取；且传统的太赫兹热辐射测定计本身 不具有温度补偿结构，需要与温度传感器一起集成到太赫兹成像***中， 来补偿温度对器件本身的影响。可见，传统的基于热敏感原理的热辐射测 定计需要与电路***配合，自身结构复杂，且由其搭建的传统太赫兹成像 ***的结构也十分复杂，成本较高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种太赫兹成像阵列芯片及其制作方法、成像***，以 至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种太赫兹成像阵列芯片，由太赫兹 成像单元按照像素点等间距排列，该太赫兹成像单元包括：衬底；太赫兹 吸收层结构板，位于衬底上方，与衬底之间存在距离；悬空驱动臂，位于 太赫兹吸收层结构板的两侧，其中一端固定，一端悬空，悬空的一侧与太 赫兹吸收层结构板固定，包括两层不同膨胀系数的材料；以及固定结构， 连接衬底和悬空驱动臂的固定端。
在本公开的一些实施例中，悬空驱动臂为两组，每组悬空驱动臂包括 两个L形结构，分为内L形结构和外L形结构，分别由各自的固定端固定 在衬底上；每组悬空结构的内L形结构和外L形结构在远离固定端的两臂 之间为U形连接；这两个L形结构均包含下层材料，在靠近固定端的那两 臂上，在下层材料之上还包含上层材料，且上层材料比下层材料具有更高 的热膨胀系数。
在本公开的一些实施例中，太赫兹吸收层结构板自下而上包括：下保 护层，太赫兹吸收层，光学反射层，结构层以及上保护层。
在本公开的一些实施例中，下保护层能够使太赫兹透过；和/或太赫兹 吸收层的材料包括如下材料中的一种或几种：Ti、TiN、TiW、TiWN或W； 和/或光学反射层为激光的反射层，包括如下材料中的一种或几种：金属， 包括：Ag、Al；或者金属化合物，包括：AlSiCu、AlCu；和/或结构层的 材料包括：氮化物、氧化物或氮氧化物；和/或结构层的厚度介于1μm～10 μm之间。
在本公开的一些实施例中，太赫兹成像阵列芯片的尺寸介于30 μm～300μm之间。
根据本公开的另一个方面，提供了一种太赫兹成像阵列芯片的制作方 法，包括：在硅衬底上制作光刻胶牺牲层并进行光刻，形成用作固定结构 的空隙；在一次光刻后的结构上进行第二次光刻，在空隙处形成一宽度更 大的浅凹槽，在该浅凹槽的邻近位置形成一凹槽结构；在光刻后的结构上 制作太赫兹吸收层结构板；在得到的太赫兹吸收层结构板的两侧先后沉积 驱动臂下层材料、驱动臂上层材料，并进行图形化处理，制作双层驱动臂 结构；以及去除光刻胶牺牲层，形成驱动臂和太赫兹吸收层结构板的悬空 结构，完成太赫兹成像阵列芯片的制作。
根据本公开的又一个方面，提供了一种太赫兹成像阵列芯片的制作方 法，包括：对SOI硅片衬底上的硅牺牲层进行光刻和刻蚀，形成用作固定 结构的空隙和一凹槽结构；在刻蚀后的结构上制作太赫兹吸收层结构板； 在得到的太赫兹吸收层结构板的两侧先后沉积驱动臂下层材料、驱动臂上 层材料，并进行图形化处理，制作双层驱动臂结构；以及去除硅牺牲层和 太赫兹吸收层结构板正对部分的衬底，形成驱动臂和太赫兹吸收层结构板的悬空结构，完成太赫兹成像阵列芯片的制作。
在本公开的一些实施例中，在光刻后的结构上制作太赫兹吸收层结构 板包括：在光刻后的结构上依次沉积下保护层、太赫兹吸收层、光学反射 层和结构层；刻蚀掉两侧部分的下保护层、太赫兹吸收层、光学反射层和 结构层至光刻胶牺牲层上表面；以及在刻蚀后的结构层上沉积上保护层； 在刻蚀后的结构上制作太赫兹吸收层结构板包括：在刻蚀后的结构上依次 沉积下保护层、太赫兹吸收层、光学反射层和结构层；刻蚀掉两侧部分的 下保护层、太赫兹吸收层、光学反射层和结构层至硅牺牲层的上表面；以 及在刻蚀后的结构层上沉积上保护层。
根据本公开的其它一个方面，提供了一种太赫兹成像***，包括：本 公开提到的任一种太赫兹成像阵列芯片；一激光器，放置于太赫兹成像阵 列芯片的斜上方，向该太赫兹成像阵列芯片发射激光，并由该太赫兹成像 阵列芯片进行激光的反射；一透镜，将反射的激光进行聚焦；以及一CCD 阵列，放置于反射激光的成像平面上，接收由太赫兹成像阵列芯片反射并 由透镜聚焦的激光。
在本公开的一些实施例中，太赫兹从该太赫兹成像阵列芯片的底部入 射，引起太赫兹吸收层结构板的旋转；CCD阵列的每个像点对应着太赫兹 成像阵列芯片的每个像点，通过检测CCD像点的入射光强度，得到太赫 兹图像。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的太赫兹成像阵列芯片及其制 作方法、成像***，具有以下有益效果：
通过构造驱动臂和太赫兹吸收层结构板的悬空结构，并采用双温度敏 感片热致伸缩原理制作驱动臂，每组驱动臂包括两个L形结构，该L形结 构包括上层材料和下层材料，且上层材料比下层材料具有更高的热膨胀系 数；当太赫兹入射后，吸收层温度升高导致每组驱动臂的内L形结构弯曲， 带动吸收层结构板转动。当环境温度变化后，每组的驱动臂的内层和外层 L形结构会产生相同的弯曲角度，使得驱动臂远端与太赫兹吸收层结构板的节点不产生相对位移，有效去除了环境温度变化对器件的影响，使得该 太赫兹成像阵列芯片具有自动的温度补偿功能；并采用激光及CCD光学 信号采集***直接成像，省去了与输出电路的集成，结构简单，成本较低。
附图说明
图1A为根据本公开实施例太赫兹成像阵列芯片单像元的结构示意图。
图1B为根据本公开实施例太赫兹成像阵列芯片单像元在太赫兹射线 照射下，太赫兹吸收层结构板旋转之后的结构示意图。
图2为根据本公开实施例太赫兹成像阵列芯片单像元的结构图。
图3为根据本公开一实施例太赫兹成像阵列芯片的制作方法流程图。
图4为根据本公开一实施例采用硅表面加工工艺制作太赫兹成像阵列 芯片的过程示意图；其中，(a)为第一次光刻胶牺牲层的图形化；(b)为 第二次光刻胶牺牲层的图形化；(c)为依次沉积下保护层、太赫兹吸收层、 光学反射层以及结构层；(d)为刻蚀至光刻胶牺牲层的上表面；(e)为在 结构层上沉积上保护层；在光刻胶牺牲层上表面沉积驱动臂下层和上层材 料，并将上层材料图形化；(f)为驱动臂下层材料的图形化；(g)为去除 光刻胶牺牲层，形成驱动臂和太赫兹吸收层结构板的悬空结构。
图5为基于表面加工MEMS技术制作的太赫兹成像阵列芯片的图像， 其中，(a)为光刻胶牺牲层去除之前的光学显微镜图像；(b)为光刻胶牺 牲层去除之后的SEM图像。
图6为根据本公开另一实施例太赫兹成像阵列芯片的制作方法流程图。
图7为根据本公开另一实施例采用硅表面加工工艺和体硅加工工艺结 合制作太赫兹成像阵列芯片的过程示意图；其中，(a)为对SOI硅片上层 硅的图形化，制作一凹槽结构；(b)为采用反应离子刻蚀法和光刻法刻蚀 硅牺牲层，刻蚀出固定结构的空隙；(c)为依次沉积下保护层、太赫兹吸 收层、光学反射层以及结构层；(d)为刻蚀至硅牺牲层的上表面；(e)为 在结构层上沉积上保护层；在硅牺牲层上表面沉积驱动臂下层和上层材料， 并将上层材料图形化；(f)为驱动臂下层材料的图形化；(g)为从衬底背 面进行深硅刻蚀，然后采用XF2气体刻蚀掉硅牺牲层，形成驱动臂和太赫 兹吸收层结构板的悬空结构，衬底与太赫兹吸收层结构板相对的部分带有 太赫兹入射窗口。
图8为根据本公开实施例太赫兹成像***的结构示意图。
【符号说明】
100-衬底；
11-太赫兹吸收层结构板；
111-下保护层； 112-太赫兹吸收层；
113-光学反射层； 114-结构层；
115-上保护层；
12-悬空驱动臂；
121-驱动臂下层材料； 122-驱动臂上层材料；
123-凹槽结构；
13-固定结构。
具体实施方式
本公开提供了一种太赫兹成像阵列芯片及其制作方法、成像***，通 过构造驱动臂和太赫兹吸收层结构板的悬空结构，并采用双温度敏感片热 致伸缩原理制作驱动臂，每组驱动臂包括两个L形结构，该L形结构包括 上层金属材料和下层材料(氧化物、氮化物或氮氧化物)，且上层材料比 下层材料具有更高的热膨胀系数；当外界温度变化后，每组的驱动臂的内 层和外层L形结构会产生相同的弯曲角度，使得驱动臂远端与太赫兹吸收 层结构板的节点不产生相对位移，有效去除了外界温度变化对器件的影响， 使得该太赫兹成像阵列芯片具有自动的温度补偿功能；并采用激光及CCD 光学信号采集***直接搭建成像***进行成像，省去了与输出电路的集成， 结构简单，成本较低。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种太赫兹成像阵列芯片。
图1A为根据本公开实施例太赫兹成像阵列芯片单像元的结构示意图； 图1B为根据本公开实施例太赫兹成像阵列芯片单像元在太赫兹射线照射 下，太赫兹吸收层结构板旋转之后的结构示意图；图2为根据本公开实施 例太赫兹成像阵列芯片单像元的结构图。
结合图1A-图1B，本公开的太赫兹成像阵列芯片，由太赫兹成像单元 按照像素点等间距排列，该太赫兹成像单元包括：衬底100；太赫兹吸收 层结构板11，位于衬底上方，与衬底之间存在距离；悬空驱动臂12，位 于太赫兹吸收层结构板11的两侧，其中一端固定，一端悬空，悬空的一 侧与太赫兹吸收层结构板固定，包括两层不同膨胀系数的材料；以及固定 结构13，连接衬底100和悬空驱动臂12的固定端。
下面对本公开实施例中太赫兹成像阵列芯片的各个组成部分进行详 细介绍。
本实施例中，衬底100为导电的硅衬底，其导电率范围介于0.1 Ω·cm～100Ω·cm之间。
本公开提出的太赫兹成像阵列芯片的尺寸介于30μm～300μm之间， 该芯片中像素的具体尺寸根据选择的太赫兹的波长范围而定。我们给出像 素尺寸的确定方法。由于太赫兹的波长范围为30μm～3mm，根据瑞丽判 据，两个像点的最小间距为d＝1.22λF(其中，λ为光的波长，F为成像 ***的光圈)。由两个像点的最小间距公式可以得知：选择大光圈可以提 高物体的分辨率，如F1.0。假设选择的波长为0.3mm的太赫兹射线，根 据瑞丽判据得到的两像点的最小间距d为370μm。在实际应用中像素尺寸 可以再小些，然后通过光学补偿或者后处理的方式进行成像的优化，不过 像素尺寸不能过小，这样会造成像素点的浪费。
参照图2所示，本实施例中，该太赫兹成像阵列芯片包含两组悬空驱 动臂12，每组悬空驱动臂包括两个L形结构，分为内L形结构和外L形 结构，均由各自的固定端固定在硅衬底上；每组悬空结构的内L形结构和 外L形结构远离固定端的两臂之间为U形连接；这两个L形结构均包含 下层材料，在靠近固定端的那两臂上，在下层材料之上还包含上层材料，且上层材料比下层材料具有更高的热膨胀系数。
本实施例中，驱动臂下层材料121为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，驱 动臂上层材料122为金属材料，诸如铝、铜等，但本公开不局限于此，只 要驱动臂上层材料的膨胀系数大于下层材料的膨胀系数即可。
参照图1A所示，在悬空驱动臂11下方，还包括一凹槽结构123，这 一凹槽结构是为了增加驱动臂的机械强度。结合图1A和图2来看，图1A 中的该凹槽结构示意图2中两组驱动臂中双L形结构下层材料的凹槽结构。
参照图1A所示，太赫兹吸收层结构板11自下而上包括：下保护层 111，太赫兹吸收层112，光学反射层113，结构层114以及上保护层115； 其中，下保护层111能够使太赫兹透过，太赫兹吸收层112的材料包括但 不限于如下材料中的一种或几种：Ti、TiN、TiW、TiWN或W等，还可 以是其他起到吸热作用的材料；光学反射层113为激光的反射层，采用平 整度较高、具有较大反射系数的金属薄膜，如Ag，Al或者金属化合物， 如AlSiCu、AlCu等，结构层114为氮化物或者氧化物，本实施例中结构 层114的厚度介于1μm～10μm之间；上保护层115的材料包括：氧化硅、 氮化硅或氮氧化硅等。
需要说明的是，图1A和图1B用以说明结构与连接关系，各个部分 的形状和尺寸并非附图所限定，在图2所示的太赫兹成像阵列芯片的单像 元结构图中，两组悬空驱动臂的L形结构均向上翘曲，主要是由于在芯片 制备过程中为了得到驱动臂的悬空结构，将其下面的牺牲层去除过程中， 产生了应力，从而导致翘曲，不影响本公开的结构和连接关系。
下面来介绍本公开的太赫兹成像阵列芯片的工作原理：参照图1B所 示，当太赫兹射线照射至物体，经反射或者透射的太赫兹射线入射到该太 赫兹成像阵列芯片上，图1B中的黑色箭头表示太赫兹射线入射至太赫兹 吸收层，在太赫兹芯片中，大部分太赫兹射线被太赫兹吸收层结构板中的 太赫兹吸收层吸收，进而转化为热量，热量通过热传导方式传至该太赫兹 吸收层结构板11两侧的悬空驱动臂12。由于悬空驱动臂具有不同热膨胀 系数的两种材料层，通常上层为金属物质，下层为硅的氧化物、氮化物或 氮氧化物，在温度升高后，悬空臂上层材料比悬空臂下层材料具有更高的 膨胀系数，因此会具有更大的延伸长度，使得驱动臂弯曲，从而带动太赫 兹吸收层结构板旋转，那么通过测量该太赫兹吸收层结构板的旋转角度或 者横向位移，便可以获得入射的太赫兹射线的强度。
参照图2所示，太赫兹照射后，太赫兹吸收层结构板温度升高，温度 热传导至每组驱动臂的内L形结构的长臂端，在长臂端由于存在具有不同 热膨胀系数的双层材料，致使内L行结构弯曲，带动结构板旋转。而由于 在两L形结构的U形连接处的热冷却结构的存在，外L形的温度保持不 变，不产生弯曲。
下面结合如图2所示的太赫兹成像阵列芯片的结构，来说明该太赫兹 成像阵列芯片本身具有的温度补偿功能。在本实施例中，结合图2来看， 当外界温度变化后，每一组的悬空驱动臂的内层和外层L形结构会产生相 同的弯曲角度，这样就可以保证驱动臂的悬空端与太赫兹吸收层结构板的 节点不产生相对位移，去除了外界温度变化对该芯片的影响。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种太赫兹成像阵列芯片 的制作方法。
图3为根据本公开一实施例太赫兹成像阵列芯片的制作方法流程图。 图4为根据本公开一实施例采用硅表面加工工艺制作太赫兹成像阵列芯片 的过程示意图；其中，(a)为第一次光刻胶牺牲层的图形化；(b)为第二 次光刻胶牺牲层的图形化；(c)为依次沉积下保护层、太赫兹吸收层、光 学反射层以及结构层；(d)为刻蚀至光刻胶牺牲层的上表面；(e)为在结 构层上沉积上保护层；在光刻胶牺牲层上表面沉积驱动臂下层和上层材料， 并将上层材料图形化；(f)为驱动臂下层材料的图形化；(g)为去除光刻 胶牺牲层，形成驱动臂和太赫兹吸收层结构板的悬空结构。
结合图3和图4来看，本公开的太赫兹成像陈列芯片的制作方法，包 括：
步骤S302：在衬底上制作光刻胶牺牲层并进行光刻，形成用作固定结 构的空隙；
本实施例中，衬底为双剖面硅片，其导电率范围介于0.1Ω·cm ～100Ω·cm之间。在衬底正面利用等离子体增强化学气相沉积技术(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，PECVD)沉积一层氮化物或者氧化 物作为激光防反射层，其厚度小于100nm，具体厚度应根据薄膜的情况和 选择的激光的波长而定。
然后在衬底之上进行光刻，通过对光刻胶的甩胶、光刻、显影和UV 烘干，制作光刻胶牺牲层，形成用作固定结构的空隙，如图4中(a)所 示，左方的空白区域为驱动臂与硅片的接触部分，即为固定结构的形状， 用于之后沉积相应的固定结构的材料。
步骤S304：在一次光刻后的结构上进行第二次光刻，在空隙处形成一 宽度更大的浅凹槽，在该浅凹槽的邻近位置形成一凹槽结构；
本实施例中，进行第二次光刻胶的甩胶、光刻、显影和UV烘干步骤 形成浅凹槽，如图4中(b)所示，浅凹槽和一凹槽结构的作用是为了增 加后面驱动臂通过薄膜沉积后的机械强度。
需要说明的是，步骤S304中关于浅凹槽和一凹槽结构的设置，只是 提高机械强度的一个较优的技术方案。
本实施例中，两层光刻胶的总厚度为2～10μm。
步骤S306：在光刻后的结构上制作太赫兹吸收层结构板；
本实施例中，利用化学气相沉积或物理气相沉积的方式制作太赫兹吸 收层结构板11。
在本实施例中，步骤S306包括：
在光刻后的结构上依次沉积下保护层、太赫兹吸收层、光学反射层和 结构层；刻蚀掉两侧部分的下保护层、太赫兹吸收层、光学反射层和结构 层至光刻胶牺牲层上表面；以及在刻蚀后的结构层上沉积上保护层。
首先从下往上依次沉积的薄膜分别为：下保护层111、太赫兹吸收层 112、光学反射层113和结构层114。其中，下保护层111的厚度小于200nm， 其厚度的选择以可以最大程度透过太赫兹为标准，材料可以为诸如氧化硅 或氮化硅等的绝缘材料；太赫兹吸收层112采用的材料包括但不限于：Ti、 TiN、TiW、TiWN或W等；光学反射层113为激光反射层，激光的反射 层应选择平整度较高、具有较大反射系数的金属薄膜，如Ag，Al或者属 化合物如AlSiCu、AlCu等；结构层114为氮化物、氧化物或氮氧化物， 厚度为1～10μm。其中，下保护层完全覆盖住光刻胶牺牲层，并填充了用 作固定结构的空隙，参照图4中(c)所示；然后采用反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)至被硬化的光刻胶表面，结果如图4中(d)所示，在 结构层上沉积上保护层，得到太赫兹吸收层结构板，沉积后的结果参照图 4中(e)的关于太赫兹吸收层结构板的示意。本实施例中，上保护层的材 料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，厚度小于50nm。
步骤S308：在得到的太赫兹吸收层结构板的两侧先后沉积驱动臂下层 材料、驱动臂上层材料，并进行图形化处理，制作双层驱动臂结构；
本实施例中，在光刻胶牺牲层上表面沉积的驱动臂下层材料为氧化硅 或氮化硅，沉积的驱动臂上层材料为Al、Cu等金属，并且图形化驱动臂 上层材料，如图4中(e)所示，然后图形化驱动臂下层材料，以形成完 整的双层驱动臂结构，如图4中(f)所示。
步骤S310：去除光刻胶牺牲层，形成驱动臂和太赫兹吸收层结构板的 悬空结构，完成太赫兹成像阵列芯片的制作。
本实施例中，采用高能量氧气等离子刻蚀去除中间的光刻胶牺牲层， 以形成驱动臂和太赫兹吸收层结构板的悬空结构，如图4中(g)所示。
本实施例制备出来的太赫兹成像阵列芯片的结构满足：太赫兹射线从 该芯片的太赫兹吸收层结构板下方穿过硅衬底入射至太赫兹吸收层。
需要说明的是，步骤S306中，在刻蚀后的结构层上沉积上保护层的 步骤也可以结合在步骤S308中一起实施，即在刻蚀的结构层上沉积上保 护层；在光刻胶牺牲层上表面沉积驱动臂下层和上层材料，并进行图形化 处理。
图5为基于表面加工MEMS技术制作的太赫兹成像阵列芯片的图像， 其中，(a)为光刻胶牺牲层去除之前的光学显微镜图像；(b)为光刻胶牺 牲层去除之后的SEM图像。
参照图5中(a)、(b)可知，基于表面加工MEMS技术制作的太赫 兹成像阵列芯片的每个成像单元包括中心的太赫兹吸收层结构板和两侧 的四条悬空驱动臂，这些成像单元按照像素点等间距排列。将制作的该太 赫兹成像阵列芯片的尺寸与一个10美分的硬币相比，其大小与硬币相当， 甚至还小于硬币的尺寸。
在本公开的第三个示例性实施例中，提供了另一种太赫兹成像阵列芯 片的制作方法。
图6为根据本公开另一实施例太赫兹成像阵列芯片的制作方法流程图。 图7为根据本公开另一实施例采用硅表面加工工艺和体硅加工工艺结合制 作太赫兹成像阵列芯片的过程示意图；其中，(a)为对SOI硅片上层硅的 图形化，制作一凹槽结构；(b)为采用反应离子刻蚀法和光刻法刻蚀硅牺 牲层，刻蚀出固定结构的空隙；(c)为依次沉积下保护层、太赫兹吸收层、 光学反射层以及结构层；(d)为刻蚀至硅牺牲层的上表面；(e)为在结构 层上沉积上保护层；在硅牺牲层上表面沉积驱动臂下层和上层材料，并将 上层材料图形化；(f)为驱动臂下层材料的图形化；(g)为从衬底背面进 行深硅刻蚀，然后采用XF2气体刻蚀掉硅牺牲层，形成驱动臂和太赫兹吸 收层结构板的悬空结构，衬底与太赫兹吸收层结构板相对的部分带有太赫 兹入射窗口。
结合图6和图7来看，本公开的太赫兹成像陈列芯片的制作方法，包 括：
步骤S602：对衬底上的硅牺牲层进行光刻和刻蚀，形成用作固定结构 的空隙和一凹槽结构；
本实施例中，衬底为双剖面SOI(Silicon on Insulator)硅片，其上层 硅作为牺牲层，厚度介于2μm～10μm之间。
在衬底正面利用等离子体增强化学气相沉积技术(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition，PECVD)沉积一层氮化物或者氧化物作为激 光防反射层，其厚度小于100nm，具体厚度应根据薄膜的情况和选择的激 光的波长而定。
然后利用光刻和反应离子刻蚀的方式制作悬空驱动臂与衬底之间的 固定结构，并制作一凹槽结构，以增加驱动臂的机械强度。在本实施例中， 在SOI硅片之上进行光刻，将SOI硅片的上表面硅刻蚀出形状，制作硅牺 牲层，形成用作固定结构的空隙，如图7中(a)所示，其中的空白区域 为一凹槽结构，该凹槽结构的作用是为了增加后面驱动臂通过薄膜沉积后 的机械强度。然后结合光刻和反应离子刻蚀，刻蚀至SOI硅片的二氧化硅 埋氧层之上，刻蚀深度为1μm～2μm左右，不能刻蚀进入二氧化硅埋氧层， 如图7中(b)所示，在左方的空白区域为驱动臂与衬底的接触部分，即 为固定结构的形状，用于之后沉积相应的固定结构的材料。
本实施例中，两层光刻胶的总厚度为2～10μm。
步骤S604：在刻蚀后的结构上制作太赫兹吸收层结构板；
本实施例中，利用化学气相沉积或物理气相沉积的方式制作太赫兹吸 收层结构板11。
在本实施例中，步骤S604包括：
在刻蚀后的结构上依次沉积下保护层、太赫兹吸收层、光学反射层和 结构层；刻蚀掉两侧部分的下保护层、太赫兹吸收层、光学反射层和结构 层至硅牺牲层的上表面；以及在刻蚀后的结构层上沉积上保护层。
首先从下往上依次沉积的薄膜分别为：下保护层111、太赫兹吸收层 112、光学反射层113和结构层114。其中，下保护层111的厚度小于200nm， 其厚度的选择以可以最大程度透过太赫兹为标准，材料可以为但不限于氧 化硅或氮化硅等绝缘材料；太赫兹吸收层112采用的材料包括但不限于： Ti、TiN、TiW、TiWN或W等；光学反射层113为激光反射层，激光的 反射层应选择平整度较高、具有较大反射系数的金属薄膜，如Ag，Al或 者属化合物如AlSiCu等；结构层114为氮化物或者氧化物，厚度为1～4μm。 其中，下保护层完全覆盖住硅牺牲层，并填充了用作固定结构的空隙，参 照图7中(c)所示；然后采用反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE) 至硅牺牲层的表面，结果如图7中(d)所示，在结构层上沉积上保护层， 得到太赫兹吸收层结构板，沉积后的结果参照图7中(e)的关于太赫兹 吸收层结构板的示意。本实施例中，上保护层的材料为氧化硅或氮化硅， 厚度小于50nm。
步骤S606：在得到的太赫兹吸收层结构板的两侧先后沉积驱动臂下层 材料、驱动臂上层材料，并进行图形化处理，制作双层驱动臂结构；
本实施例中，在硅牺牲层上表面沉积的驱动臂下层材料为氧化硅或氮 化硅，沉积的驱动臂上层材料为Al、Cu等金属，并且图形化驱动臂上层 材料，如图7中(e)所示，然后图形化驱动臂下层材料，以形成完整的 双层驱动臂结构，如图7中(f)所示。
步骤S608：去除硅牺牲层和太赫兹吸收层结构板正对部分的衬底，形 成驱动臂和太赫兹吸收层结构板的悬空结构，完成太赫兹成像阵列芯片的 制作。
本实施例中，在SOI硅片背面进行图形化，在太赫兹吸收层结构板正 对部分的衬底上打开一个太赫兹入射窗口，采用深硅刻蚀技术刻蚀至二氧 化硅埋氧层，并采用RIE去除二氧化硅，之后采用用XF2气体各向同性刻 蚀掉硅牺牲层，以形成驱动臂和太赫兹吸收层结构板的悬空结构，如图7 中(g)所示。
本实施例制备出来的太赫兹成像阵列芯片的结构满足：太赫兹射线穿 过太赫兹入射窗口，从该芯片的太赫兹吸收层结构板下方直接入射至太赫 兹吸收层。
需要说明的是，步骤S604中，在刻蚀后的结构层上沉积上保护层的 步骤也可以结合在步骤S606中一起实施，即在刻蚀后的结构层上沉积上 保护层；在硅牺牲层上表面沉积驱动臂下层和上层材料，并进行图形化处 理。
下面来综合比较第二个实施例和第三个实施例中关于太赫兹成像阵 列芯片的制作方法：从制备工艺上来说，第三个实施例所示的制作方法更 为直接和简单；采用第二个实施例所示的方法进行制作太赫兹成像阵列芯 片，需要选择合适的光刻胶或其他工作物质作为牺牲层材料，该牺牲层材 料需要在后续的加工工艺中保持物理、化学性质的稳定，工艺相对复杂一 些；而采用第二个实施例所示的方法进行制作太赫兹成像阵列芯片直接选 择SOI硅片和深硅刻蚀工艺，直接采用SOI硅片的上硅层作为牺牲层，不 需要选择光刻胶或其他工作物质作为牺牲层材料，工艺相对简单一些；从 制作成本上来说，由于深硅刻蚀和SOI衬底相较与硅表面加工工艺和硅衬 底来说，成本更高，因此第二个实施例所示的制作方法成本较低；在真空 封装方面，第二个实施例所示的制作方法没有在硅衬底上开通太赫兹入射 窗口，因此可以采用玻璃与硅的阳极键合方式进行真空封装，该封装较为 简单；采用第三个实施例所示的制作方法，由于芯片的上、下两面都需要 与玻璃进行键合，因此封装较为复杂，在封装过程中可以考虑加入适当的 惰性气体如Ne，He，增加一定的阻尼力，以阻止结构板的周期性振动。
在本公开的第四个示例性实施例中，提供了一种太赫兹成像***。
图8为根据本公开实施例太赫兹成像***的结构示意图。
参照图8所示，本公开的太赫兹成像***，包括：太赫兹成像阵列芯 片，由太赫兹成像单元按照像素点等间距排列，该太赫兹成像单元包括： 衬底100；太赫兹吸收层结构板11，位于衬底上方，与衬底之间存在距离； 悬空驱动臂12，位于太赫兹吸收层结构板11的两侧，其中一端固定，一 端悬空，悬空的一侧与太赫兹吸收层结构板固定，包括两层不同膨胀系数 的材料；以及固定结构13，连接衬底100和悬空驱动臂12的固定端；一 激光器，放置于太赫兹成像阵列芯片的斜上方，向该太赫兹成像阵列芯片 发射激光，并由该太赫兹成像阵列芯片进行激光的反射；一透镜，将反射 的激光进行聚焦；以及一CCD阵列，放置于反射激光的成像平面上，接 收由太赫兹成像阵列芯片反射并由透镜聚焦的激光。
本实施例中，激光器发射的激光在太赫兹成像阵列芯片上的光斑要大 于太赫兹成像阵列芯片的总面积，以使该成像***检测到所有太赫兹芯片 像素单元的吸热状况。
下面结合图8来介绍该太赫兹成像***的工作原理：太赫兹从太赫兹 成像芯片的底部入射，引起太赫兹吸收层结构板的旋转。一激光器放置在 太赫兹成像芯片的斜上方，向该芯片发射激光，激光在太赫兹成像芯片上 的光斑要大于太赫兹成像芯片的总面积。反射的激光通过透镜被放在成像 平面的CCD阵列吸收。CCD像点的入射光强度与太赫兹吸收层结构板的 旋转角度相关。因此，CCD每个像点对应着太赫兹成像阵列芯片的每个像 点，通过检测CCD像点的入射光强度，可以直接得到太赫兹图像。
该检测***的CCD光学信号采集***采用商业化***，省去了制作 专业太赫兹读取电路的复杂制作过程，结构简单，使用方便。
综上所述，本公开实施例提供了一种太赫兹成像阵列芯片的结构，通 过构造驱动臂和太赫兹吸收层结构板的悬空结构，并采用双温度敏感片热 致伸缩原理制作驱动臂，每组驱动臂包括两个L形结构，该L形结构包括 上层金属材料和下层材料(氧化物或氮化物)，且上层材料比下层材料具 有更高的热膨胀系数；当外界温度变化后，每组的驱动臂的内层和外层L 形结构会产生相同的弯曲角度，使得驱动臂远端与太赫兹吸收层结构板的 节点不产生相对位移，有效去除了外界温度变化对器件的影响，使得该太 赫兹成像阵列芯片具有自动的温度补偿功能；还提供了太赫兹成像阵列芯 片的两种制作方法，以及提供了一种太赫兹成像***，通过采用激光及 CCD光学信号采集***直接搭建成像***进行成像，省去了与输出电路的 集成，结构简单，成本较低。
需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、 “后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保 护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能 导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部 件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。 另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利 要求的限制。再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求 中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个 这样的元件。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限 制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可 基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使 用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而 已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种太赫兹成像阵列芯片，由太赫兹成像单元按照像素点等间距排列，该太赫兹成像单元包括：
衬底；
太赫兹吸收层结构板，位于衬底上方，与衬底之间存在距离；
悬空驱动臂，位于太赫兹吸收层结构板的两侧，其中一端固定，一端悬空，悬空的一侧与太赫兹吸收层结构板固定，包括两层不同膨胀系数的材料；以及
固定结构，连接衬底和悬空驱动臂的固定端。
2.根据权利要求1所述的太赫兹成像阵列芯片，其中，所述悬空驱动臂为两组，每组悬空驱动臂包括两个L形结构，分为内L形结构和外L形结构，分别由各自的固定端固定在衬底上；每组悬空结构的内L形结构和外L形结构在远离固定端的两臂之间为U形连接；这两个L形结构均包含下层材料，在靠近固定端的那两臂上，在下层材料之上还包含上层材料，且上层材料比下层材料具有更高的热膨胀系数。
3.根据权利要求1所述的太赫兹成像阵列芯片，其中，所述太赫兹吸收层结构板自下而上包括：下保护层，太赫兹吸收层，光学反射层，结构层以及上保护层。
4.根据权利要求3所述的太赫兹成像阵列芯片，其中：
所述下保护层能够使太赫兹透过；和/或
所述太赫兹吸收层的材料包括如下材料中的一种或几种：Ti、TiN、TiW、TiWN或W；和/或
所述光学反射层为激光的反射层，包括如下材料中的一种或几种：金属，包括：Ag、Al；或者金属化合物，包括：AlSiCu、AlCu；和/或
所述结构层的材料包括：氮化物、氧化物或氮氧化物；和/或
所述结构层的厚度介于1μm～10μm之间。
5.根据权利要求1所述的太赫兹成像阵列芯片，所述太赫兹成像阵列芯片的尺寸介于30μm～300μm之间。
6.一种太赫兹成像阵列芯片的制作方法，包括：
在硅衬底上制作光刻胶牺牲层并进行光刻，形成用作固定结构的空隙；
在一次光刻后的结构上进行第二次光刻，在空隙处形成一宽度更大的浅凹槽，在该浅凹槽的邻近位置形成一凹槽结构；
在光刻后的结构上制作太赫兹吸收层结构板；
在得到的太赫兹吸收层结构板的两侧先后沉积驱动臂下层材料、驱动臂上层材料，并进行图形化处理，制作双层驱动臂结构；以及
去除光刻胶牺牲层，形成驱动臂和太赫兹吸收层结构板的悬空结构，完成太赫兹成像阵列芯片的制作。
7.一种太赫兹成像阵列芯片的制作方法，包括：
对SOI硅片衬底上的硅牺牲层进行光刻和刻蚀，形成用作固定结构的空隙和一凹槽结构；
在刻蚀后的结构上制作太赫兹吸收层结构板；
在得到的太赫兹吸收层结构板的两侧先后沉积驱动臂下层材料、驱动臂上层材料，并进行图形化处理，制作双层驱动臂结构；以及
去除硅牺牲层和太赫兹吸收层结构板正对部分的衬底，形成驱动臂和太赫兹吸收层结构板的悬空结构，完成太赫兹成像阵列芯片的制作。
8.根据权利要求6或7所述的制作方法，其中：
所述在光刻后的结构上制作太赫兹吸收层结构板包括：在光刻后的结构上依次沉积下保护层、太赫兹吸收层、光学反射层和结构层；刻蚀掉两侧部分的下保护层、太赫兹吸收层、光学反射层和结构层至光刻胶牺牲层上表面；以及在刻蚀后的结构层上沉积上保护层；
所述在刻蚀后的结构上制作太赫兹吸收层结构板包括：在刻蚀后的结构上依次沉积下保护层、太赫兹吸收层、光学反射层和结构层；刻蚀掉两侧部分的下保护层、太赫兹吸收层、光学反射层和结构层至硅牺牲层的上表面；以及在刻蚀后的结构层上沉积上保护层。
9.一种太赫兹成像***，包括：
权利要求1至5任一项所述的太赫兹成像阵列芯片；
一激光器，放置于太赫兹成像阵列芯片的斜上方，向该太赫兹成像阵列芯片发射激光，并由该太赫兹成像阵列芯片进行激光的反射；
一透镜，将反射的激光进行聚焦；以及
一CCD阵列，放置于反射激光的成像平面上，接收由太赫兹成像阵列芯片反射并由透镜聚焦的激光。
10.根据权利要求9所述的成像***，太赫兹从所述太赫兹成像阵列芯片的底部入射，引起太赫兹吸收层结构板的旋转；所述CCD阵列的每个像点对应着太赫兹成像阵列芯片的每个像点，通过检测CCD像点的入射光强度，得到太赫兹图像。
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