專利名稱：一種紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外探測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)及其 制備方法。
背景技術(shù)：
目前，非制冷紅外探測器分為兩種， 一種是傳統(tǒng)的電讀出非制冷紅外探測
器，另一種是光學(xué)讀出非制冷紅外探測器。
光學(xué)讀出非制冷紅外探測是一種基于材料熱光效應(yīng)的紅外探測技術(shù)，即由
于紅外輻射的作用引起探測器溫度的升高，從而導(dǎo)致探測材料的光學(xué)特性發(fā)生 改變，利用商用SiCCD(Charge Coupled Device,電荷藕合器件圖像傳感器)來探 測其光學(xué)性能的改變來實現(xiàn)對紅外輻射的探測。與傳統(tǒng)電讀出非制冷紅外探測 器不同，這種光學(xué)讀出非制冷紅外探測技術(shù)不需要設(shè)計專用讀出電路，而可采 用商用Si CCD進行信號的讀出，因此在成本上相對電讀出非制冷紅外探測器更 低，有利于紅外探測技術(shù)在民用領(lǐng)域中的推廣。
非制冷紅外探測器的制備工藝的關(guān)鍵點在于制備出具有與襯底熱絕緣以及 像元之間熱絕緣的探測器陣列。熱絕緣一般通過懸空結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，像元與襯底 之間有空隙，這樣在真空環(huán)境下避免了熱傳導(dǎo)以及熱對流所導(dǎo)致的像元之間的 串?dāng)_?，F(xiàn)有技術(shù)中制備熱絕緣結(jié)構(gòu)采用的工藝是先制備犧牲層，然后沉積熱 輻射敏感材料，制備出探測器結(jié)構(gòu)后，去掉犧牲層形成懸空的熱絕緣結(jié)構(gòu)。以 典型的電讀出非制冷紅外探測器--非晶硅^t測輻射熱計為例，其制備工藝中采用 聚酰亞胺作為傳統(tǒng)的犧牲層材料，可以通過光刻技術(shù)中的勻膠工藝實現(xiàn)犧牲層 的沉積，并可利用光刻技術(shù)中的曝光和顯影直接在該犧牲層成形圖形，與半導(dǎo)體工藝兼容性很好。但聚酰亞胺作為犧牲層存在的最大問題是當(dāng)犧牲層經(jīng)過 高溫化后，通常采用干法去膠，因為利用濕法工藝是^[艮難去除，而干法去膠的 橫向鉆蝕能力較差，這樣對于非制冷紅外探測器像元面積較大時，位于探測器 像元下中間部位的犧牲層很難去掉。為了解決這一問題，通常在刻蝕成像元圖 形的同時，在每個像元的中心成形一些小孔，在干法去膠過程中通過這些小孔 能夠很好的去除像元下中間部位的聚酰亞胺犧牲層。
但對于光學(xué)讀出非制冷紅外探測器來說，其利用的是探測器材料的光學(xué)效 應(yīng)，對于探測器像元與襯底之間的懸空層高度的精確度有很高的要求，也要求 探測器像元表面保證絕對的平整。如果采用聚酰亞胺作為犧牲層， 一方面由于 聚酰亞胺通過勻膠工藝涂敷，厚度很難精確控制；另外，聚酰亞胺去除難度大， 如果采用類似非晶硅微測輻射熱計的工藝方法在像元中心開很多小孔，必將引 起一系列的例如衍射等其它光學(xué)現(xiàn)象。
一篇名為新型低功耗非制冷紅外攝像機的文獻Novel Low-Cost Uncooled Infrared Camera, Proc. of SPIE 5783,496-505,記載了采用SiNx材料通過 PECVD(Plasma-enhanced chemical vapor d印osition ，等離子體增強型化學(xué)氣相沉 積)的方式生長犧牲層，然后沉積上光讀出探測器的熱敏感多層膜即像元材料， 最后刻蝕出正六邊形的像元面積以及像元之間的間隔，在每個正六邊形像元的 中央設(shè)計一個支撐柱，SiNx犧牲層的去除釆用干法刻蝕方法去除，但是這種熱 絕緣結(jié)構(gòu)容易造成應(yīng)力失配而導(dǎo)致探測器表面翹曲和脫落等現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是，提供一種紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)及其制備方法， 克服現(xiàn)有的熱絕緣結(jié)構(gòu)容易造成應(yīng)力失配而導(dǎo)致探測器表面翹曲和脫落的缺 陷。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，所述紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)制備方法，包括如
下步驟
步驟一、在紅外探測器襯底上沉積犧牲層； 步驟二、通過第 一次光刻和刻蝕過程在犧牲層中制備小孔； 步驟三、在犧牲層上沉積熱敏感多層膜，同時將所述小孔填滿； 步驟四、通過第二次光刻和刻蝕過程在將紅外^t笨測器襯底以上的部分劃分 成像元陣列，所述小孔均勻地分布在每個像元的邊緣處。 步驟五、去除犧牲層。 所述犧牲層材料是^i化鋅。
所述步驟一是采用磁控賊射方法在探測器襯底上沉積犧牲層的。 所述步驟二具體包括如下過程使用勻膠設(shè)備在犧牲層上面涂敷光刻膠， 經(jīng)過紫外曝光后在光刻膠上光刻出小孔的圖形，然后利用電感耦合等離子體刻 蝕將小孔處的犧牲層完全去除，最終在紅外探測器襯底上形成帶有小孔的犧牲層。
所述步驟四具體包括如下過程勻膠設(shè)備在熱敏感多層膜上面涂敷光刻膠， 經(jīng)過紫外曝光后在光刻膠上光刻出像元陣列圖形，然后利用電感耦合等離子體 刻蝕形成深至紅外纟笨測器襯底為止的像元間隔。
所述步驟五具體包括如下過程將經(jīng)過步驟四后得到的器件放入犧牲層腐 蝕液中浸泡，取出后去除殘留腐蝕液最后經(jīng)烘烤成形。
所述犧牲層腐蝕液是濃度為36% -38 %的鹽酸溶液。
一種紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)，熱敏感多層膜劃分為矩形的像元陣列，像元 間隔深至紅外探測器襯底為止，在紅外探測器襯底與熱敏感多層膜之間設(shè)有與 熱敏感多層膜材料相同的支撐柱，所述支撐柱均勻的分布在每個像元的邊緣處。
所述矩形的像元陣列為正方形的像元陣列或者長方形的像元陣列。
所述每個像元的邊緣處包括每個像元的四個角處。釆用上述技術(shù)方案，本發(fā)明至少具有下列優(yōu)點
本發(fā)明所述紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)中，矩形像元的邊緣處均勻的排布支撐 柱，具有更好的穩(wěn)定性和支撐效果，克服現(xiàn)有的熱絕緣結(jié)構(gòu)容易造成應(yīng)力失配 而導(dǎo)致探測器表面翹曲和脫落的缺陷。
所述紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)的制備方法，使用濕法腐蝕犧牲層材料，利用 腐蝕液橫向鉆蝕效應(yīng)，反應(yīng)迅速，無須在像元中心開許多小孔以幫助去除犧牲 層材料，故工藝方法簡單，且能夠有效緩解由于應(yīng)力所造成的去掉犧牲層后像 元變形問題，保證了紅外探測器的表面平整。


圖1是本發(fā)明第一實施例所述紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)的制備方法流程圖2是本發(fā)明在紅外探測器襯底上制備犧牲層的結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明在犧牲層上開設(shè)小孔的結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明進行紅外探測器像元材料生長后的結(jié)構(gòu)示意圖5是本發(fā)明單個像元的立體結(jié)構(gòu)示意圖6是本發(fā)明劃分完成的部分像元陣列平面示意圖7是本發(fā)明所述紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)立體示意圖。
具體實施例方式
為進一步闡述本發(fā)明為達成預(yù)定目的所采取的技術(shù)手段及功效,以下結(jié)合附 圖及實施例，對本發(fā)明提出的所述紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)及其制備方法，詳細 說明如下。
本發(fā)明第一實施例如圖1所示， 一種紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)的制備方法， 具體包括如下步驟制備四柱支撐懸空微結(jié)構(gòu)的具體工藝如下
步驟一、紅外探測器襯底清洗將紅外探測器村底4依次用石油醚、丙酮、 乙醇清洗后，用氮氣槍吹干。步驟二、犧牲層制備將紅外探測器襯底4裝入磁控濺射設(shè)備中，采用的 工藝參數(shù)為射頻功率300-450W， Ar氣流10-30sccm,工作氣壓5 x 10-3-1.5 x l(T2Pa，生長溫度70-90。C。
通過'賊射的方法在其上沉積犧牲層5，如圖2所示，當(dāng)制作的是光學(xué)讀出非 制冷紅外探測器時，犧牲層5的厚度依據(jù)光學(xué)讀出非制冷紅外探測器的設(shè)計值確 定，此內(nèi)容是本領(lǐng)域公知的技術(shù)內(nèi)容，故此處不詳述。另外，由于磁控濺射設(shè) 備中膜厚監(jiān)控裝置可以精確地控制犧牲層5的生長厚度，避免了現(xiàn)有技術(shù)中釆用 聚酰亞胺作為犧牲層時，只能采用勻膠方法涂敷，且厚度不易控制精確的缺點。 由于磁控濺射的方法本身是本領(lǐng)域的常用技術(shù)手段，故此處不詳述。
步驟三、犧牲層開孔將生長完犧牲層5的器件，利用勻膠設(shè)備涂敷3 4微 米厚的光刻膠，通過紫外曝光方法在光刻膠上光刻出小孔3的圖形，如圖3所示， 小孔3圖形覆蓋的面積沒有光刻膠保護，然后再利用ICP(Inductively Coupled Plasma,電感耦合等離子體)刻蝕技術(shù)將沒有光刻膠保護部分的犧牲層完全去除， 具體工藝參數(shù)為Ar流量15-200sccm, 112流量15-20sccm,工作氣壓5-10mTorr， 射頻功率150-200W， j氐頻功率500-600W。
刻蝕完后去掉殘余光刻膠，最終在器件上形成圖3所示的小孔3的結(jié)構(gòu)。優(yōu) 選的，小孔直徑為5jum。
步驟四、紅外探測器像元材料生長如圖4所示，在器件上利用PECVD設(shè) 備沉積紅外探測器熱敏感多層膜6,作為紅外探測器襯底上像元材料支撐柱的小 孔3部位也被填滿。熱敏感多層膜6主要由SiNx和非晶硅材料組成，本領(lǐng)域制 造紅外探測器通常采用SiNx和非晶硅材料交替生長的方式制備熱敏感多層膜， 其具體生長的厚度和層數(shù)等是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)探測器的設(shè)計值確定的， 故此處不詳述。
步驟五、像元成形利用光刻技術(shù)，光刻出如圖6所示的矩形的像元陣列圖 形，優(yōu)選的像元圖形為100 jamxlOO jam的正方形，也可以選擇像元圖形為50 m mx50nm的正方形，^象元的立體圖如圖5所示，由于^象元之間的^象元間隔l沒有光刻膠保護，利用ICP刻蝕技術(shù)刻蝕出像元間隔1至紅外探測器村底4上表面為 止，釆用的工藝參lt為CHF3流量50-60sccm，工作氣壓3-5mTorr，射頻功 率150-200W,低頻功率500-600W。像元間隔1的寬度可以為2 6 p m,像元 間隔l的寬度越小，刻蝕出像元間隔l以及去除犧牲層的難度就會加大，但是像 元間隔l的寬度越大，像元的占空比變小，綜合考慮后優(yōu)選的像元間隔l的寬度 為5jam,刻蝕完后去除器件表面殘余的光刻膠，形成如圖5所示的像元結(jié)構(gòu)。步 驟三中形成的小孑L3均勻地分布在每個像元的四個角處，分散膜層的應(yīng)力，也可 以均勻地分布在像元四個邊的中間。
步驟六、犧牲層去除將整個器件放入犧牲層腐蝕液中，犧牲層腐蝕液采 用濃度為36%-38%的鹽酸溶液，經(jīng)過15-20分鐘后犧牲層可全部去除，然后取出 才笨測芯片，將其過一遍丙酮溶液和一遍乙醇溶液清洗掉犧牲層腐蝕液，接下來 放入60。C以上的烘箱，烘烤2-3分鐘，待清洗溶劑揮發(fā)完畢便可最終完成紅外探 測器的熱絕緣結(jié)構(gòu)，如圖7所示，懸空層7的高度對應(yīng)著犧牲層5的厚度，支撐住 8實際上就是小孔3填滿熱敏感多層膜6之后所形成的。
本發(fā)明所述紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)的制備方法，使用濕法腐蝕犧牲層材料， 利用腐蝕液橫向鉆蝕效應(yīng)，反應(yīng)迅速，無須像現(xiàn)有技術(shù)那樣在像元中心開許多 小孔以幫助去除犧牲層材料，故工藝方法簡單，且能夠有效緩解由于應(yīng)力所造 成的去掉犧牲層后像元變形問題，保證了紅外探測器的表面平整。
本發(fā)明第二實施例， 一種紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)，熱敏感多層膜6劃分為 正方形或者長方形的像元陣列，其平面示意圖如圖6所示，優(yōu)選的像元圖形為 lOO]amxlOO iam的正方形，也可以選4奪<象元圖形為50nmx50 |d m的正方形。 像元之間的間隔1深至紅外探測器村底4為止，優(yōu)選的像元間隔1的寬度為5 jam。在紅外探測器襯底4與熱敏感多層膜6之間設(shè)有與熱敏感多層膜6的材料 相同的支撐柱8，如圖7所示，支撐柱8分布在每個像元的四個角處。優(yōu)選的， 支撐柱8直徑為5鋒。
在本發(fā)明所述紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)中，矩形像元的邊緣處均勻的排布支撐柱，具有更好的穩(wěn)定性和支撐效果，克服現(xiàn)有的熱絕緣結(jié)構(gòu)容易造成應(yīng)力失 配而導(dǎo)致探測器表面翹曲和脫落的缺陷。
通過具體實施方式
的說明，當(dāng)可對本發(fā)明為達成預(yù)定目的所釆取的技術(shù)手
段及功效得以更加深入且具體的了解，然而所附圖示僅是提供參考與說明之用， 并非用來對本發(fā)明加以限制。
權(quán)利要求
1、一種紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)制備方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一、在紅外探測器襯底上沉積犧牲層；步驟二、通過第一次光刻和刻蝕過程在犧牲層中制備小孔；步驟三、在犧牲層上沉積熱敏感多層膜，同時將所述小孔填滿；步驟四、通過第二次光刻和刻蝕過程在將紅外探測器襯底以上的部分劃分成像元陣列，所述小孔均勻地分布在每個像元的邊緣處；步驟五、去除犧牲層。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)制備方法，其特征在于，所 述犧牲層材料是硫化鋅。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)制備方法，其特征在于，所 述步驟一是采用磁控濺射方法在探測器襯底上沉積犧牲層的。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)制備方法，其特征 在于，所述步驟二具體包括如下過程使用勻膠設(shè)備在犧牲層上面涂敷光刻膠， 經(jīng)過紫外曝光后在光刻膠上光刻出小孔的圖形，然后利用電感耦合等離子體刻 蝕將小孔處的犧牲層完全去除，最終在紅外探測器襯底上形成帶有小孔的犧牲 層。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)制備方法，其特征 在于，所述步驟四具體包括如下過程勻膠設(shè)備在熱敏感多層膜上面涂敷光刻 膠，經(jīng)過紫外曝光后在光刻膠上光刻出像元陣列圖形，然后利用電感耦合等離 子體刻蝕形成深至紅外探測器襯底為止的像元間隔。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)制備方法，其特征 在于，所述步驟五具體包括如下過程將經(jīng)過步驟四后得到的器件放入犧牲層 腐蝕液中浸泡，取出后去除殘留腐蝕液最后經(jīng)烘烤成形。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)制備方法，其特征在于，所述犧牲層腐蝕液是濃度為36 % -38 %的鹽酸溶液。
8、 一種紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)，其特征在于，熱敏感多層膜劃分為矩形的像元陣列，像元間隔深至紅外探測器襯底為止， 在紅外探測器襯底與熱敏感多層膜之間設(shè)有與熱敏感多層膜材料相同的支撐 柱，所述支撐柱均勻的分布在每個像元的邊緣處。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述矩形的 像元陣列為正方形的像元陣列或者長方形的像元陣列。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述 每個像元的邊緣處包括每個像元的四個角處。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種紅外探測器熱絕緣結(jié)構(gòu)及其制備方法，該方法使用濕法腐蝕犧牲層材料，利用腐蝕液橫向鉆蝕效應(yīng)，反應(yīng)迅速，無須在像元中心開許多小孔以幫助去除犧牲層材料，故工藝方法簡單，且能夠有效緩解由于應(yīng)力所造成的去掉犧牲層后像元變形問題，保證了紅外探測器的表面平整。該熱絕緣結(jié)構(gòu)中，矩形像元的邊緣處均勻的排布支撐柱，具有更好的穩(wěn)定性和支撐效果，克服現(xiàn)有的熱絕緣結(jié)構(gòu)容易造成應(yīng)力失配而導(dǎo)致探測器表面翹曲和脫落的缺陷。
文檔編號B81C1/00GK101603861SQ200910089499
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月22日
發(fā)明者浩 孫, 朱西安, 梁宗久, 胡小燕 申請人:中國電子科技集團公司第十一研究所