CN109946261A - 吸收波长可调的太赫兹波探测装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸收波长可调的太赫兹波探测装置及其制备方法，制备方法包括：提供衬底，在所述衬底上制作形成支撑层；在所述支撑层上制作形成热敏层；在所述支撑层和所述热敏层上制作形成导电层；在所述热敏层上制作形成吸收层；在所述衬底的背向所述吸收层的表面上制作通光孔；提供基座和可动反射镜，将所述可动反射镜安装于所述基座上；将所述基座与所述衬底固定连接，使得所述吸收层与所述可动反射镜的反射面平行对准。本发明公开的制备方法，工艺简单，将探测器和调谐波长的可动反射镜分离开，可使得探测装置的探测范围覆盖整个太赫兹波段，同时新的薄膜工艺有助于提高探测率，降低热响应时间常数。

Description

吸收波长可调的太赫兹波探测装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及太赫兹波探测领域，尤其涉及一种吸收波长可调的太赫兹波探测装置及其制备方法。

背景技术

非制冷微测热辐射计起源于上个世纪80年代末，该类型探测器设计之初是针对8～14μm远红外波段探测，根据其热辐射探测机理，理论上可以探测涵盖近红外到毫米波范围的热辐射光。经过近30年的发展，基于氧化钒热阻敏感薄膜的非制冷微测热辐射计在探测率方面取得很大进步，可以达到10⁹cm﹒Hz^1/2/w,这比太赫兹波波探测领域常用的氘代L-丙氨酸硫酸三甘肽(DLATGS)热释电探测器高一个数量级，但是比制冷型探测器(液氦制冷超导探测器)低至少一个数量级，当前的非制冷微测热辐射计限于结构和材料还没有达到室温下背景噪声探测极限，还有一定的改进空间。

目前，绝大多数太赫兹波波探测领域均使用热释电探测器，其探测波长范围比较大，使用大功率光源可以弥补探测器率略低的缺陷，但是对于微弱和缓变太赫兹波信号，非制冷微测热辐射计更具优势，遗憾的是单个非制冷微测热辐射计吸收太赫兹波波范围太窄，其波长吸收范围由悬空的热敏薄膜桥面和底部反射镜距离决定，如果想探测感兴趣的太赫兹波波段，需要改变间距，必须专门定制探测器。

为了实现宽谱太赫兹波波探测，专利号US7968846B2的发明专利提出了一种吸收波长可调的非制冷微测热辐射计，该发明专利提出的太赫兹波吸收波长可调的非制冷微测热辐射计利用热敏薄膜导电桥腿和太赫兹波波谐振增强反射镜之间的静电引力，通过电压调节热敏薄膜吸收桥面和反射镜之间的距离，但是由于桥腿面积很小，提供的静电力有限，在外加100V电压条件下，间距变化不超过2μm，吸收中心波长范围不超过8μm，远远不能覆盖整个太赫兹波波段(0.1～10THz)。另外，仍旧采用原始的设计和工艺，特别是在制作谐振腔时，继续沿用聚酰亚胺牺牲层结构，由于该层不能经受300℃以上高温，故其上层薄膜，包括氮化硅和氧化钒薄膜均不能采用高温镀膜工艺，这对减薄氮化硅支撑层(降低热响应时间)和减少氧化钒热阻敏感层缺陷(降低1/f低频噪声)无任何帮助。再者，通过电压调节热敏薄膜吸收桥面和反射镜之间的距离，这会导致桥腿发生变形，引起整体桥面阻抗波动，产生电流噪声。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种制备工艺简单的吸收波长可调的太赫兹波探测装置的制备方法，并且制得的探测装置可实现对太赫兹波的吸收波长进行大范围调谐。

为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种吸收波长可调的太赫兹波探测装置的制备方法，包括：

提供衬底，在所述衬底上制作形成支撑层；

在所述支撑层上制作形成热敏层；

在所述支撑层和所述热敏层上制作形成导电层；

在所述热敏层上制作形成吸收层；

在所述衬底的背向所述吸收层的表面上制作通光孔；

将可动反射镜的基座与所述衬底固定连接，使得所述吸收层与所述可动反射镜的反射面对准。

优选地，在所述支撑层上制作形成所述热敏层之后，所述制备方法还包括对所述热敏层的两侧部分进行刻蚀。

优选地，在所述支撑层和所述热敏层上制作形成所述导电层之后，所述制备方法还包括对所述热敏层上的部分所述导电层进行刻蚀，使得所述热敏层暴露。

优选地，在所述支撑层和所述热敏层上制作形成所述导电层之后，所述制备方法还包括在所述导电层和所述热敏层上制作形成绝缘层。

优选地，在所述导电层和所述热敏层上制作形成绝缘层之后，所述制备方法还包括对所述热敏层两侧的所述绝缘层、所述导电层和所述支撑层的部分区域进行刻蚀，以在所述绝缘层、所述导电层和所述支撑层形成多个连续的长条孔。

优选地，将所述基座与所述衬底固定连接，使得所述吸收层与所述可动反射镜的反射面对准的具体方法为：制作形成多个粘贴柱，将所述多个粘贴柱的两端分别粘贴于所述基座和所述衬底。

优选地，采用低压气相沉积工艺在所述衬底上制作形成所述支撑层，所述支撑层为氮化硅层，所述支撑层的厚度范围为20～30nm。

优选地，采用磁控溅射工艺在所述支撑层上制作形成所述热敏层，所述热敏层为氧化钒层，所述热敏层的厚度为5～10nm。

优选地，采用磁控溅射工艺在所述绝缘层正对所述热敏层的部分制作形成所述吸收层，所述吸收层为镍铬合金层，所述吸收层的厚度为5nm。

本发明还公开一种吸收波长可调的太赫兹波探测装置，包括基座、可动反射镜和探测器；

所述探测器包括衬底、设于所述衬底上的支撑层、设于所述支撑层上的热敏层、设于所述热敏层上的吸收层和设于所述热敏层两侧且与所述热敏层电连接的导电层；

所述基座与所述探测器相对设置，所述可动反射镜设于所述基座，且所述可动反射镜的反射面与所述吸收层相向，所述可动反射镜用于沿着垂直于所述反射面的方向上活动；所述衬底上设有用于暴露所述吸收层和所述可动反射镜的通光孔。

本发明实施例公开了一种吸收波长可调的太赫兹波探测装置制备方法，工艺简单，将探测器和调谐波长的可动反射镜分离开，可使得探测装置的探测范围覆盖整个太赫兹波段，同时新的薄膜工艺有助于提高探测率，降低热响应时间常数。

附图说明

图1A至1I为本发明实施例的探测装置制备工艺流程图。

图2为本发明实施例的探测器示意图。

图3为本发明实施例的探测装置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及单点探测器实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，其结构及制作方法同样适用于线阵探测器，并不用于限定本发明。

图1A至图1H示出了本实施例的吸收波长可调的太赫兹波探测装置的制备方法的工艺步骤；

步骤1、如图1A所示，提供衬底31，在衬底31上制作形成支撑层32。

具体地，选用超平双面抛光单晶硅片用作衬底31，衬底31的厚度均匀性不超过200nm。在约800℃的温度环境下，利用低压气相沉积法在衬底31上生长一层厚度为20～30nm的高弹性模量的氮化硅薄膜，形成支撑层32。

步骤2、如图1B所示，在支撑层32上制作形成热敏层33。

具体地，热敏层33的制作材料优选为在具有良好热电性能的氧化钒。进一步地，优选采用磁控溅射工艺，在约500℃高温条件下，在支撑层32表面沉积一层厚度5～10nm的氧化钒热敏薄膜。

步骤3、如图1C所示，优选采用光刻刻蚀工艺，使用氯气反应离子刻蚀氧化钒热敏薄膜两侧的部分，使得热敏层33只保留中间部分。当然在其他实施中，可直接在支撑层30上制作如图1C所示的热敏层33，不需要对热敏层33进行刻蚀。

步骤4、如图1D所示，在支撑层32和热敏层33上制作形成导电层35。

具体地，导电层35的材料优选采用镍铬合金材料。进一步地，利用溅射工艺，在热敏层33和支撑层32上生长一层厚度为10nm的镍铬合金层，以形成覆盖热敏层33和支撑层32的导电层35，导电层35用于将热敏层33的电信号输出至外界电路。

步骤5、如图1E所示，利用氯气/六氟化硫反应离子刻蚀位于热敏层33上的部分镍铬合金层，形成分别位于热敏层33两侧的导电层35。这样可以避免后续制作的吸收层34与导电层35发生电接触。

进一步地，导电层35包括贴合于支撑层32的主体部35a、自主体部35a的靠近热敏层33的一端弯折形成的第一导电部35b和自第一导电部35b的一端弯折形成的第二导电部35c，第一导电部35b贴合于热敏层33的侧壁，第二导电部35c贴合于热敏层33的背向支撑层32的表面上，这样可保证导电层35与热敏层33之间的稳定接触，提高了两者的导电稳定性。

步骤6、如图1F所示，在导电层35和热敏层33上制作形成绝缘层36。

具体地，利用低温化学气相沉积在导电层35和热敏层33上形成一层厚度为10nm的致密氮化硅绝缘层，可以进一步地避免吸收层34与导电层35接触导电。

步骤7、如图1F所示，在绝缘层36上制作形成吸收层34。

作为优选实施例，利用溅射工艺，在绝缘层36上生长一层厚度为5nm的镍铬合金层，通过光刻刻蚀工艺，使用氯气/六氟化硫反应离子刻蚀工艺刻蚀位于热敏层33两侧的部分镍铬合金层，使得镍铬合金层只保留与热敏层33正对的部分，形成吸收层34。

步骤8、如图1G所示，在绝缘层36、导电层35和支撑层32上制作形成多个连续的长条孔。

具体地，采用氯气/六氟化硫干法刻蚀工艺，对热敏层33两侧的绝缘层36和导电层35部分区域进行刻蚀，然后采用热磷酸湿法刻蚀对支撑层32的相应区域进行刻蚀，以在绝缘层36、导电层35和支撑层32上形成多个间隔的长条孔37。作为优选实施例，多个长条孔37交替设置，使得绝缘层36、导电层35和支撑层32的形成S型多周期的绝热腿结构，这样延长了热敏层33和吸收层34至衬底31边缘之间的热量传播路径，将减少了热敏层33和吸收层34热量的损失。另外，可通过调节长条孔37的数量和宽度，可调整探测器30的热导参数。

步骤9、如图1H和如图2所示，在衬底31的背向吸收层34的表面上制作形成通光孔31a。

具体地，使用氟化氙气体干法刻蚀工艺从衬底31的背面刻蚀，直到刻穿整个衬底31，形成暴露吸收层34和S型多周期的绝热腿结构的通光孔31a，方便太赫兹波从通光孔31a进入到探测装置内。

步骤10、如图1I和图3所示，提供可动反射镜20，将可动反射镜20的基座10与衬底31固定连接，使得吸收层34与可动反射镜20的反射面对准。

作为优选实施例，可动反射镜20选为微机电***位移反射镜，可通过外界电压控制微机电***位移反射镜的移动距离，微机电***位移反射镜的步进范围可达到500μm，可使得探测器30的探测范围可覆盖整个太赫兹波段。

具体地，将吸收层34与可动反射镜20的反射面对准，使用多个2～4μm厚度的粘贴柱40，多个粘贴柱40的两端分别粘贴基座10的表面与衬底31表面，这样基座10、可动反射镜20和探测器30形成了吸收波长可调的太赫兹波探测装置。

如图3所示，本发明实施例的一种吸收波长可调的太赫兹波探测装置包括可动反射镜20和探测器30。如图2所示，探测器30包括衬底31、设于衬底31上的支撑层32、设于支撑层32上的热敏层33、设于热敏层33上的吸收层34和设于热敏层33两侧且与热敏层33电连接的导电层35。可动反射镜20的基座10与衬底31相对设置，可动反射镜20设于基座10上，且可动反射镜20的反射面与吸收层34相向，可动反射镜20可沿着垂直于反射面的方向上活动，反射面与可吸收层34构成谐振腔，衬底31上开设有用于暴露吸收层34和可动反射镜20的通光孔31a。这样，外界的太赫兹波可从通光孔31a进入，并通过可动反射镜20反射至吸收层34，吸收层34产生热量并将产生的热量传递至热敏层33上，造成热敏层33的电阻发生变化，通过检测热敏层33电阻的变化可测出太赫兹波的信号。另外通过调节可动反射镜20，反射面与吸收层34之间的距离，从而调节探测装置对不同波段太赫兹波的吸收。

本发明公开了一种吸收波长可调的太赫兹波探测装置及其制备方法，其具有如下有益效果：

(1)探测器和调谐波长的可动反射镜分离开，充分利用成熟的微机电***位移反射镜大范围步进距离(最高可达500μm)，使得探测装置的探测范围覆盖整个太赫兹波段(0.1～10THz)。

(2)摒弃聚酰亚胺牺牲层(经典探测器制作必要的步骤)的使用，直接在单晶硅片衬底上高温制作氮化硅和氧化钒薄膜，最后利用衬底背面开孔通光的方式实现太赫兹波探测，简化了制作工艺，同时提高探测器灵敏度，降低热响应时间常数。

(3)采用探测器和调谐器件分离结构，在调谐过程中，探测器桥面不会发生形变，不会产生额外的噪声信号。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种吸收波长可调的太赫兹波探测装置的制备方法，其特征在于，包括：

提供衬底(31)，在所述衬底(31)上制作形成支撑层(32)；

在所述支撑层(32)上制作形成热敏层(33)；

在所述支撑层(32)和所述热敏层(33)上制作形成导电层；

在所述热敏层(33)上制作形成吸收层(34)；

在所述衬底(31)的背向所述吸收层(34)的表面上制作通光孔(31a)；

将可动反射镜(20)的基座(10)与所述衬底(31)固定连接，使得所述吸收层(34)与所述可动反射镜(20)的反射面对准。

2.根据权利要求1所述的吸收波长可调的太赫兹波探测装置的制备方法，在所述支撑层(32)上制作形成所述热敏层(33)之后，所述制备方法还包括对所述热敏层(33)的两侧部分进行刻蚀。

3.根据权利要求2所述的吸收波长可调的太赫兹波探测装置的制备方法，其特征在于，在所述支撑层(32)和所述热敏层(33)上制作形成所述导电层(35)之后，所述制备方法还包括对所述热敏层(33)上的部分所述导电层(35)进行刻蚀，使得所述热敏层(33)暴露。

4.根据权利要求3所述的吸收波长可调的太赫兹波探测装置的制备方法，其特征在于，在所述支撑层(32)和所述热敏层(33)上制作形成所述导电层(35)之后，所述制备方法还包括在所述导电层(35)和所述热敏层(33)上制作形成绝缘层(36)。

5.根据权利要求4所述的吸收波长可调的太赫兹波探测装置的制备方法，其特征在于，在所述导电层(35)和所述热敏层(33)上制作形成绝缘层(36)之后，所述制备方法还包括对所述热敏层(33)两侧的所述绝缘层(36)、所述导电层(35)和所述支撑层(32)的部分区域进行刻蚀，以在所述绝缘层(36)、所述导电层(35)和所述支撑层(32)上形成多个连续的长条孔(37)。

6.根据权利要求1所述的吸收波长可调的太赫兹波探测装置的制备方法，其特征在于，将所述基座(10)与所述衬底(31)固定连接，使得所述吸收层(34)与所述可动反射镜(20)的反射面对准的具体方法为：制作形成多个粘贴柱(40)，将所述多个粘贴柱(40)的两端分别粘贴于所述基座(10)和所述衬底(31)。

7.根据权利要求1所述的吸收波长可调的太赫兹波探测装置的制备方法，其特征在于，采用低压气相沉积工艺在所述衬底(31)上制作形成所述支撑层(32)，所述支撑层(32)为氮化硅层，所述支撑层(32)的厚度范围为20～30nm。

8.根据权利要求1所述的吸收波长可调的太赫兹波探测装置的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射工艺在所述支撑层(32)上制作形成所述热敏层(33)，所述热敏层(33)为氧化钒层，所述热敏层(33)的厚度为5～10nm。

9.根据权利要求1所述的吸收波长可调的太赫兹波探测装置的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射工艺在所述绝缘层(36)正对所述热敏层(33)的部分制作形成所述吸收层(34)，所述吸收层(34)为镍铬合金层，所述吸收层(34)的厚度为5nm。

10.一种吸收波长可调的太赫兹波探测装置，其特征在于，包括可动反射镜(20)和探测器(30)；

所述探测器(30)包括衬底(31)、设于所述衬底(31)上的支撑层(32)、设于所述支撑层(32)上的热敏层(33)、设于所述热敏层(33)上的吸收层(34)和设于所述热敏层(33)两侧且与所述热敏层(33)电连接的导电层(35)；

所述可动反射镜(20)的基座(10)与所述探测器(30)相对设置，且所述可动反射镜(20)的反射面与所述吸收层(34)相向，所述可动反射镜(20)用于沿着垂直于所述反射面的方向上活动；所述衬底(31)上设有用于暴露所述吸收层(34)和所述可动反射镜(20)的通光孔(31a)。