CN109813449A - 一种集成偏振非制冷红外探测器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种集成偏振非制冷红外探测器及制作方法涉及红外偏振探测与成像技术领域,解决了由于偏振片与成像单元间的对准偏差所产生的成像误差的问题。探测器的焦平面由2*2像元构成的超像元阵列组成,每个像元的狭缝方向从0度开始,以45度为变化量逐一增加或者递减,该焦平面的像元由下至上依次包括:读出电路为具备放大和降低噪声功能的硅基或者锗基CMOS集成电路,在CMOS集成电路设置读出电极对;绝热微桥包括微桥面、两个微支撑结构和两个微悬臂梁;热敏电阻层为温度电阻系数的绝对值高于2%的材料;读出电极通过通孔与热敏电阻层连接;钝化绝缘层保护热敏电阻层;宽带吸收膜层包括金属层、介质层和金属微阵列,本发明工艺简单,有利于大规模低成本制备。
Description
技术领域
本发明涉及红外偏振探测与成像技术领域,尤其涉及一种集成偏振非制冷红外探测器及制作方法。
背景技术
红外探测器作为红外成像***的核心部件,在过去的数十年时间得到了快速发展,不仅在军事上实现了热成像、探测制导等,在工业、交通、安防监控、气象、环境、医学等诸多领域也具有广泛的应用。红外探测器主要分制冷型和非制冷型红外探测器。非制冷红外探测器是通过热敏电阻材料,将被测红外辐射信号引起的吸收层温度变化转变成电信号,进而获得目标的红外信息。虽然在响应时间、灵敏度方面较制冷型红外探测器存在差距,但其可在室温下工作,不需复杂庞大、昂贵的制冷机构,从而在质量、体积、寿命、成本、功耗、启动速度及稳定性等方面具有独有的突出优势,使其在军用的单兵装备、无人机和民用的消防以及安防等诸多领域都具有相当大的应用需求,而且市场对高性能的非制冷红外探测器需求十分迫切。
红外偏振探测技术能同时获取目标辐射的强度和偏振信息,满足在复杂背景中对于靶标精确探测的要求,在伪装、烟幕等复杂环境下保证探测的准确性,对于红外侦查技术具有革命性的突破。因此,市场对于高性能的红外偏振探测器具有更迫切的需求。外偏振探测一般分为分时、分振幅、分孔径以及分焦平面等几种偏振技术。与其他偏振探测方式相比,分焦平面偏振探测器由于其具有结构紧凑、实时性好、响应效率高等优点而受到广泛应用。
作为红外偏振探测器的核心部件,传统的分焦面红外偏振探测器是将偏振片与红外焦平面进行简单的组合,即将不同方向的偏振片制备到透明基底上,再将其贴到已制备好的成像焦平面上。在偏振片与成像单元的匹配过程中,不可避免的会引入位移偏差、增加相邻成像元间的噪声,导致成像误差,最终探测器的响应效率也随之受到影响。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题,本发明提供了一种集成偏振非制冷红外探测器及制作方法,即直接在成像元上制备亚波长尺寸的偏振选择结构,在实现偏振功能集成的同时也极大的提高器件的响应率、简化后续的光学***设计,在结构和性能上对红外偏振探测器进行了提升,解决了红外偏振探测器由于偏振片与成像单元间的对准偏差所产生的成像误差的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下:
一种集成偏振非制冷红外探测器,探测器的焦平面由2*2像元构成的超像元阵列组成,每个像元的狭缝方向从0度开始,以45度为变化量逐一增加或者递减,每个像元由下至上依次包括:
读出电路,所述读出电路为具备放大和降低噪声功能的硅基或者锗基CMOS集成电路,在所述CMOS集成电路制作与像元阵列位置对应的电极对;
绝热微桥,所述绝热微桥包括微桥面、两个微支撑结构和两个微悬臂梁;所述微悬臂梁一端连接微桥面,另一端连接微支撑结构,所述微支撑结构内部设有接触孔,每个接触孔设置在一个电极上,所述绝热微桥表面和内部设有金属电极;
热敏电阻层,所述热敏电阻层为温度电阻系数的绝对值高于2%的材料;所述电极对通过位于所述接触孔、微悬臂梁和微桥面的金属电极与热敏电阻层连接;
钝化绝缘层,所述钝化绝缘层保护热敏电阻层,并且将热敏电阻与吸收膜层绝缘;
复合偏振选择吸收膜层,所述复合偏振选择吸收膜层包括金属层、介质层和偏振选择金属微阵列,其中介质层为红外波段低损耗材料;所述复合偏振选择吸收膜通过所述钝化绝缘层与所述热敏电阻层绝缘,所述偏振选择金属微阵列为亚波长偏振选择周期排列结构,所述金属微阵列上每个金属单元为金属周期狭缝结构组合或金属周期短线结构组合而成形。
一种集成偏振非制冷红外探测器的制作方法,该方法包括如下步骤:
步骤一:清洗含有CMOS集成电路的衬底,制备50~1000nm氧化硅作为绝缘层及平坦层,在所述绝缘层及平坦层上制作CMOS电极图形,刻蚀氧化硅露出所述电极对,完成读出电路平坦化步骤;
步骤二:在步骤一所述读出电路上采用聚酰亚胺或者多孔硅制作厚度1000-5000nm的牺牲层,在所述牺牲层上制作接触孔,露出电极对;
步骤三:在步骤二所述的牺牲层上制备厚度为200-800nm氮化硅薄膜,在所述氮化硅薄膜上制作绝热微桥图形,形成绝热微桥;
步骤四:在步骤三所述绝热微桥上蒸镀厚度为150-300nm的金属电极,剥离多余的其他部分金属;蒸镀厚度100-800nm金属材料,制作接触孔图形,剥离多余的其他部分金属,形成连接电极对和热敏电阻层的金属电极;
步骤五:在步骤四所述的绝热微桥的微桥面上制作厚度为50-200nm的热敏面电阻层;
步骤六:在步骤五所述的热敏面电阻层上制作厚度为20-200nm钝化绝缘层;
步骤七:在步骤六所述的钝化绝缘层上分别制备30-200nm金属层和50-300nm介质层;
步骤八:在步骤七所述的介质层上蒸镀金属30-200nm,采用电子束曝光方式制备亚波长偏振选择结构,剥离多余的金属,形成金属微阵列;
步骤九:去除牺牲层,完成了一种集成偏振非制冷红外探测器的制作方法。
本发明的有益效果是:本发明所述的一种集成偏振非制冷红外探测器集成具有偏振选择吸层的成像单元,可以实现分焦面偏振探测。在结构上,该集成方式极大的简化了光学***、避免了在成像单元上黏贴偏振片时由于对准误差产生噪声;在性能上,亚波长偏振选择结构在对入射光场进行偏振选择的同时,近场会产生局域增强现象,提高了探测器焦平面的光与物质相互作用强度,进而提高了探测器的响应率,在一定程度上能够弥补由于偏振选择带来的光强损失。
本发明的所涉及的制作方法与传统非制冷红外探测器加工工艺兼容,不增加工艺复杂度,有利于大规模低成本制备。
附图说明
图1本发明一种集成偏振非制冷红外探测器单元结构示意图
图2本发明一种集成偏振非制冷红外探测器单元结构截面图。
图3本发明所述复合偏振选择吸收膜层截面图。
图4为本发明实施例一金属微阵列构示意图。
图5为本发明实施例二金属微阵列结构示意图。
图中:1、读出电路,2、绝热微桥,2-1、微桥面,2-2、微支撑结构,2-3、微悬臂梁,2-4、接触孔,3、热敏电阻层,4、钝化绝缘层,5、复合偏振选择吸收膜层,5-1、金属层,5-2、介质层,5-2-1、第一介质层,5-2-2、第二介质层,5-3、金属微阵列,5-3-1、金属周期狭缝结构,5-3-2、金属周期短线结构。
具体实施方式
本发明提供了一种集成偏振非制冷红外探测器,旨在简化光学***、避免在成像单元上贴偏振片时由于对准误差产生噪声,实现分焦面偏振探测。探测器的焦平面由2*2像元构成的超像元阵列组成,每个像元的狭缝方向从0度开始,以45度为变化量逐一增加或者递减,具体结构如图1所示,包括读出电路1、绝热微桥2、热敏电阻层3、钝化绝缘层4、复合偏振选择吸收膜层5。
所述的读出电路1为硅基或者锗基CMOS集成电路,具备电路放大和降低噪声功能,每个读出电路1具备一个电极对,两个读出电极;在所述CMOS集成电路的对角上设置。
所述绝热微桥2如图2所示,具体包括微桥面2-1,微支撑结构2-2和微悬臂梁2-3;微悬臂梁2-3一端连接微桥面2-1,另一端连接微支撑结构2-2,微支撑结构2-2内设置接触孔2-4,需通过接触孔2-4使得热敏电阻层3与读出电路1内的电极对互联,所以微支撑结构2-2设置在所述读出电极上,所述微桥面2-1和两个微悬臂梁2-3与所述读出电路1非接触连接,悬空在读出电路1上;两个微悬臂梁2-3与微桥面2-1连接的位置位于所述微桥面2-1的对角处,用于支撑微桥面2-1。
所述热敏电阻层3为具备较高温度电阻系数的材料,包括氧化钒、非晶硅、钛酸锶钡等,通过所述接触孔2-4、微支撑结构2-2、微悬臂梁2-3和微桥面2-1的金属电极使读出电路1与热敏电阻层3连接。
所述钝化绝缘层4主要起保护热敏电阻层3以及与复合偏振选择吸收膜层5绝缘,可采用氧化硅、氧化铝、氮化硅、氮化硼等材料。
所述复合偏振选择吸收膜层5如图3,由下至上具体包括金属层5-1,介质层5-2,金属微阵列5-3,其中金属微阵列5-3为亚波长偏振选择周期排列结构,中间介质层5-2和金属层5-1为防反射金属层。介质层5-2可选用硅、氧化硅、氮化硅、硫化锌、硒化锌、磷化铟、锗、硫化铟、氟化镁、氟化钙等材料;金属材料可以选用金、银、铜、铝、钛、铂等阻值低的材料。
作为本发明的另一部分,还提供一种集成偏振非制冷红外探测器的制作方法,具体实现步骤如下。
步骤一:清洗含有CMOS集成电路的衬底,制备50~1000nm氧化硅作为绝缘层及平坦层,采用光刻掩膜在所述绝缘层及平坦层上制作CMOS电极图形,刻蚀氧化硅露出CMOS读出电极对,完成读出电路1;
步骤二:采用聚酰亚胺或者多孔硅在所述读出电路1上作牺牲层,厚度1000-5000nm,采用光刻掩膜制作接触孔2-4,刻蚀暴露的牺牲层,露出CMOS电极;
步骤三:采用PECVD在所述的牺牲层上制备氮化硅薄膜,厚度200-800nm,采用光刻掩膜制作绝热微桥2图形,刻蚀多余氮化硅材料并制备接触孔2-4,形成绝热微桥2;
步骤四:采用光刻掩膜制作绝热微桥2金属电极图形,蒸镀金属材料,厚度150-300nm,剥离形成金属图形结构;用光刻掩膜制作接触孔2-4图形,蒸镀金属材料,厚度100-800nm,剥离光刻胶上其他部分金属,形成连接电极对和热敏电阻层3的金属电极;
步骤五:在所述的绝热微桥2的微桥面2-1上用光刻掩膜制作热敏电阻层3图形,使用热敏材料,剥离形成热敏电阻层3;
步骤六:用光刻掩膜制作微桥面2-1图形,制备钝化绝缘层4,厚度20-200nm,剥离去除多余材料;
步骤七:两次用光刻掩膜制作复合偏振选择吸收膜层5图形,分别制备金属层5-130-200nm和介质层5-2 50-300nm,剥离去除多余材料;
步骤八:采用电子束曝光方式制备亚波长偏振选择响应结构,蒸镀金属30-200nm,剥离形成金属微阵列5-3;
步骤九:去除牺牲层,形成非制冷红外焦平面,完成了一种集成偏振非制冷红外探测器的制作方法。
为更进一步说明本发明实施例提供的一种集成偏振非制冷红外探测器及制作方法,下面结合附图阐述本发明的具体实施方式。
实施例一:
一种集成偏振非制冷红外探测器如图1所示。焦平面像元单元金属微阵列结构如图4所示,第一介质层5-2-1采用锗(Ge)材料,金属微阵列5-3采用金(Au)、每个金属单元为亚波长金属周期狭缝结构5-3-1。亚波长金属周期狭缝结构5-3-1的周期为1微米,宽度0.2微米。波长为8微米附近偏振方向与金属狭缝垂直的红外辐射被复合吸收层吸收,并且将光能转换为金属结构的焦耳热和介质结构的声子吸收,进而对热敏电阻层3进行加温;而偏振方向平行于狭缝的红外辐射则几乎全被反射。被测偏振红外辐射信号引起的复合偏振选择吸收膜层5温度变化转变成电信号,再通过读出电路1获得靶标物体的强度和偏振信息。
本实施例的制作方法如下:
步骤一:清洗硅基CMOS集成电路的衬底,制备100nm氧化硅作为绝缘层及平坦层,在所述绝缘层及平坦层上采用光刻掩膜制作CMOS电极图形,刻蚀氧化硅露出读出电极,完成读出电路1;
步骤二:在所述读出电路1上作牺牲层,采用聚酰亚胺作为牺牲层材料,厚度1000nm,采用光刻掩膜制作接触孔2-4,刻蚀暴露的牺牲层,露出CMOS电极对;
步骤三:采用PECVD在所述的牺牲层上制备氮化硅薄膜,厚度200nm,采用光刻掩膜制作绝热微桥2图形,刻蚀多余氮化硅材料并制备接触孔2-4,形成绝热微桥2;
步骤四:采用光刻掩膜制作绝热微桥2金属电极图形,蒸镀钛(Ti),厚度150nm,剥离形成金属图形结构;用光刻掩膜制作接触孔2-4图形,蒸镀钛(Ti),厚度400nm,剥离光刻胶上其他部分金属,形成连接电极对和热敏电阻层3的金属电极;
步骤五:在所述的绝热微桥2的微桥面2-1上用光刻掩膜制作热敏电阻层3图形,使用热敏材料氧化钒(VOx),剥离形成热敏电阻层3;
步骤六:用光刻掩膜制作微桥面2-1图形,制备氧化硅(SiO2)钝化绝缘层4,厚度20nm,剥离去除多余材料;
步骤七:两次用光刻掩膜制作复合偏振选择吸收膜层5图形,分别制备金(Au)30nm和第一介质层5-2-1锗(Ge)100nm,剥离去除多余材料;
步骤八:采用电子束曝光方式制备亚波长结构,蒸镀金(Au)30nm,剥离形成微阵列,金属单元为金属周期狭缝结构5-3-1。
步骤九:去除牺牲层,形成非制冷红外焦平面,完成了一种集成偏振非制冷红外探测器的制作方法。
实施例二
一种集成偏振非制冷红外探测器如图1所示。焦平面像元单元金属微阵列结构如图5所示,第二介质层5-2-2采用硅(Si)材料,金属微阵列5-3采用金(Au)、每个金属单元为亚波长金属周期短线结构5-3-2。亚波长金属周期短线结构5-3-2的周期为2微米,宽度0.5微米。波长为10微米附近偏振方向与金属短线垂直的红外辐射被复合吸收层吸收,并且将光能转换为金属结构的焦耳热和介质结构的声子吸收,进而对热敏电阻层3进行加温;而偏振方向平行于短线的红外辐射则几乎全被反射。被测偏振红外辐射信号引起的复合偏振选择吸收膜层5温度变化转变成电信号,再通过读出电路1获得靶标物体的强度和偏振信息。
本实施例的制作方法如下:
步骤一:清洗硅基CMOS集成电路的衬底,制备100nm氧化硅作为绝缘层及平坦层,在所述绝缘层及平坦层上采用光刻掩膜制作CMOS电极图形,刻蚀氧化硅露出读出电极,完成读出电路1;
步骤二:在所述读出电路1上作牺牲层,采用聚酰亚胺作为牺牲层材料,厚度1000nm,采用光刻掩膜制作接触孔2-4,刻蚀暴露的牺牲层,露出CMOS电极对;
步骤三:采用PECVD在所述的牺牲层上制备氮化硅薄膜,厚度200nm,采用光刻掩膜制作绝热微桥2图形,刻蚀多余氮化硅材料并制备接触孔2-4,形成绝热微桥2;
步骤四:采用光刻掩膜制作绝热微桥2金属电极图形,蒸镀钛(Ti),厚度150nm,剥离形成金属图形结构;用光刻掩膜制作接触孔2-4图形,蒸镀钛(Ti),厚度400nm,剥离光刻胶上其他部分金属,形成连接电极对和热敏电阻层3的金属电极;
步骤五:在所述的绝热微桥2的微桥面2-1上用光刻掩膜制作热敏电阻层3图形,使用热敏材料氧化钒(VOx),剥离形成热敏电阻层3;
步骤六:用光刻掩膜制作微桥面2-1图形,制备氧化硅(SiO2)钝化绝缘层4,厚度20nm,剥离去除多余材料;
步骤七:两次用光刻掩膜制作复合偏振选择吸收膜层5图形,分别制备金(Au)30nm和第一介质层5-2-2硅(Si)100nm,剥离去除多余材料;
步骤八:采用电子束曝光方式制备亚波长结构,蒸镀金(Au)30nm,剥离形成微阵列,金属单元为金属周期短线结构5-3-2。
步骤九:去除牺牲层,形成非制冷红外焦平面,完成了一种集成偏振非制冷红外探测器的制作方法。
实施例三
一种集成偏振非制冷红外探测器如图1所示。焦平面像元单元金属微阵列中,第一介质层采用锗(Ge)材料,金属微阵列采用金(Au)、每个金属单元为亚波长金属周期短线结构。亚波长金属周期短线结构的周期为4微米,宽度1微米。波长为10微米附近偏振方向与金属短线垂直的红外辐射被复合吸收层吸收,并且将光能转换为金属结构的焦耳热和介质结构的声子吸收,进而对热敏电阻层3进行加温;而偏振方向平行于短线的红外辐射则几乎全被反射。被测偏振红外辐射信号引起的复合偏振选择吸收膜层5温度变化转变成电信号,再通过读出电路1获得靶标物体的强度和偏振信息。
本实施例的制作方法如下:
步骤一:清洗硅基CMOS集成电路的衬底,制备100nm氧化硅作为绝缘层及平坦层,在所述绝缘层及平坦层上采用光刻掩膜制作CMOS电极图形,刻蚀氧化硅露出读出电极,完成读出电路1;
步骤二:在所述读出电路1上作牺牲层,采用聚酰亚胺作为牺牲层材料,厚度1000nm,采用光刻掩膜制作接触孔2-4,刻蚀暴露的牺牲层,露出CMOS电极对;
步骤三:采用PECVD在所述的牺牲层上制备氮化硅薄膜,厚度200nm,采用光刻掩膜制作绝热微桥2图形,刻蚀多余氮化硅材料并制备接触孔2-4,形成绝热微桥2;
步骤四:采用光刻掩膜制作绝热微桥2金属电极图形,蒸镀钛(Ti),厚度150nm,剥离形成金属图形结构;用光刻掩膜制作接触孔2-4图形,蒸镀钛(Ti),厚度400nm,剥离光刻胶上其他部分金属,形成连接电极对和热敏电阻层3的金属电极;
步骤五:在所述的绝热微桥2的微桥面2-1上用光刻掩膜制作热敏电阻层3图形,使用热敏材料氧化钒(VOx),剥离形成热敏电阻层3;
步骤六:用光刻掩膜制作微桥面2-1图形,制备氧化硅(SiO2)钝化绝缘层4,厚度20nm,剥离去除多余材料;
步骤七:两次用光刻掩膜制作复合偏振选择吸收膜层5图形,分别制备金(Au)30nm和第一介质层锗(Ge)100nm,剥离去除多余材料;
步骤八:采用电子束曝光方式制备亚波长结构,蒸镀金(Au)30nm,剥离形成微阵列,金属单元为金属周期短线结构。
步骤九:去除牺牲层,形成非制冷红外焦平面,完成了一种集成偏振非制冷红外探测器的制作方法。
Claims (5)
1.一种集成偏振非制冷红外探测器,其特征在于,探测器的焦平面由2*2像元构成的超像元阵列组成,每个像元的狭缝方向从0度开始,以45度为变化量逐一增加或者递减,每个像元由下至上依次包括:
读出电路,所述读出电路为具备放大和降低噪声功能的硅基或者锗基CMOS集成电路,在所述CMOS集成电路制作与像元阵列位置对应的电极对;
绝热微桥,所述绝热微桥包括微桥面、两个微支撑结构和两个微悬臂梁;所述微悬臂梁一端连接微桥面,另一端连接微支撑结构,所述微支撑结构内部设有接触孔,每个接触孔设置在一个电极上,所述绝热微桥表面和内部设有金属电极;
热敏电阻层,所述热敏电阻层为温度电阻系数的绝对值高于2%的材料;所述电极对通过位于所述接触孔、微悬臂梁和微桥面的金属电极与热敏电阻层连接;
钝化绝缘层,所述钝化绝缘层保护热敏电阻层,并且将热敏电阻与吸收膜层绝缘;
复合偏振选择吸收膜层,所述复合偏振选择吸收膜层包括金属层、介质层和偏振选择金属微阵列,其中介质层为红外波段低损耗材料;所述复合偏振选择吸收膜通过所述钝化绝缘层与所述热敏电阻层绝缘,所述偏振选择金属微阵列为亚波长偏振选择周期排列结构,所述金属微阵列上每个金属单元为金属周期狭缝结构组合或金属周期短线结构组合而成形。
2.根据权利要求1所述的一种集成偏振非制冷红外探测器,其特征在于,所述介质层为锗,所述偏振选择金属微阵列上的金属周期狭缝为1微米,宽度0.2微米,8微米附近偏振方向与金属周期狭缝垂直的红外辐射被复合偏振选择吸收层吸收。
3.根据权利要求1所述的一种集成偏振非制冷红外探测器,其特征在于,所述介质层为硅,所述偏振选择金属微阵列上的金属周期短线为2微米,宽度0.5微米,10微米附近偏振方向与金属周期狭缝垂直的红外辐射被复合偏振选择吸收层吸收。
4.根据权利要求1所述的一种集成偏振非制冷红外探测器,其特征在于,所述介质层为锗,所述偏振选择金属微阵列上的金属周期短线为4微米,宽度1微米,10微米附近偏振方向与金属周期狭缝垂直的红外辐射被复合偏振选择吸收层吸收。
5.基于权利要求1所述的一种集成偏振非制冷红外探测器的制作方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
步骤一:清洗含有CMOS集成电路的衬底,制备50~1000nm氧化硅作为绝缘层及平坦层,在所述绝缘层及平坦层上制作CMOS电极图形,刻蚀氧化硅露出所述电极对,完成读出电路平坦化步骤;
步骤二:在步骤一所述读出电路上采用聚酰亚胺或者多孔硅制作厚度1000-5000nm的牺牲层,在所述牺牲层上制作接触孔,露出电极对;
步骤三:在步骤二所述的牺牲层上制备厚度为200-800nm氮化硅薄膜,在所述氮化硅薄膜上制作绝热微桥图形,形成绝热微桥;
步骤四:在步骤三所述绝热微桥上蒸镀厚度为150-300nm的金属电极图形,剥离多余的其他部分金属;蒸镀厚度100-800nm金属材料,制作接触孔图形,剥离多余的其他部分金属,形成连接电极对和热敏电阻层的金属电极;
步骤五:在步骤四所述的绝热微桥的微桥面上制作厚度为50-200nm的热敏面电阻层;
步骤六:在步骤五所述的热敏面电阻层上制作厚度为20-200nm钝化绝缘层;
步骤七:在步骤六所述的钝化绝缘层上分别制备30-200nm金属层和50-300nm介质层;
步骤八:在步骤七所述的介质层上蒸镀金属30-200nm,采用电子束曝光方式制备亚波长偏振选择结构,剥离多余的金属,形成金属微阵列;
步骤九:去除牺牲层,完成了一种集成偏振非制冷红外探测器的制作方法。
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