專(zhuān)利名稱(chēng)：輻射熱測(cè)量計(jì)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外探測(cè)器，尤其涉及一種通過(guò)改變熱敏電阻的結(jié)構(gòu)而獲得的一
種輻射熱測(cè)量計(jì)。
背景技術(shù)：
輻射熱測(cè)量計(jì)是一種熱敏電阻型探測(cè)器，是當(dāng)前研制最為成功的紅外探測(cè)器之 一。輻射熱測(cè)量計(jì)基于熱敏電阻處于輻射通量的條件下其電阻發(fā)生變化的性質(zhì)來(lái)檢測(cè)能 量，其中熱敏電阻一般由金屬或半導(dǎo)體材料制成。當(dāng)探測(cè)器吸收紅外輻射功率AW時(shí)，引起 溫度改變AT，熱敏電阻的電阻變化AR，利用讀出電路(R0IC)將該電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓 或電流的變化，即可得到與之對(duì)應(yīng)的紅外輻射功率。 自1992年美國(guó)技術(shù)解密后，對(duì)輻射熱測(cè)量計(jì)的研究經(jīng)歷了迅速發(fā)展的階段。人 們已經(jīng)研究了基于各種材料制作的輻射熱測(cè)量計(jì)，包括氧化釩(V0x)、多晶硅、非晶硅、多晶 鍺硅、金屬材料以及高溫超導(dǎo)材料YBaCuO等。在這些材料中，氧化釩(V0x)和摻雜非晶硅 這兩種半導(dǎo)體材料由于有著較高的溫度電阻系數(shù)(TCR)、適中的電阻率、較低的制備工藝溫 度、能夠與IC工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，得到了迅速的發(fā)展。目前，主流的輻射熱測(cè)量計(jì)結(jié)構(gòu)仍為采 用表面犧牲層工藝制備的懸空微橋結(jié)構(gòu)，主要包括基底層、固定連接于基底層上的支撐層、 在支撐層上制成的吸收層和信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)等，其主要改進(jìn)在于材料特性的優(yōu)化、熱敏電阻 單元尺寸的減少及陣列規(guī)模的增加。 對(duì)熱敏電阻材料的要求一般有以下幾點(diǎn)(l)高TCR值；(2)低熱容、低熱導(dǎo)；(3) 低1/f噪聲參數(shù)；(4)高紅外吸收率；(5)適中的電阻值。其中，較低的電阻會(huì)使有效電阻溫 度系數(shù)減小，較高的電阻會(huì)帶來(lái)較高的電壓響應(yīng)，但是同時(shí)也會(huì)造成Johnson噪聲、熱噪聲 和1/f噪聲的增加。上述這些參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，任意參數(shù)的改變都必須考慮其他參數(shù)的變化， 所以在熱敏電阻單元尺寸不斷減少的情況下，要保證電阻值基本不變，可以通過(guò)以下兩種 途徑達(dá)到(1)改變熱敏電阻材料的摻雜濃度；(2)優(yōu)化熱敏電阻電阻結(jié)構(gòu)。目前通過(guò)摻雜 得到的摻雜非晶硅的電阻率范圍為102Q cm 109Q cm，但是摻雜濃度改變的同時(shí)會(huì)影 響材料的其他參數(shù)，而且原位摻雜的能力有限，僅僅通過(guò)原位摻雜工藝改變熱敏電阻阻值， 工藝上存在很大的難度。如果能夠通過(guò)優(yōu)化熱敏電阻電阻結(jié)構(gòu)并結(jié)合摻雜濃度的改變而使 電阻值滿足設(shè)計(jì)的要求對(duì)于輻射熱測(cè)量計(jì)的制備將是十分有利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是通過(guò)優(yōu)化熱敏電阻的電阻結(jié)構(gòu)，結(jié)合熱敏電阻材料摻 雜濃度的改變，解決以往輻射熱測(cè)量計(jì)只依賴(lài)通過(guò)改變熱敏電阻材料摻雜濃度的方法以使 其符合性能要求的問(wèn)題，從而達(dá)到設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)靈活多變的目的。 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是一種輻射熱測(cè)量計(jì)，結(jié)構(gòu)中包 括基底、位于基底上方的支撐層、制作在支撐層上的下電極、下電極上制備有熱敏電阻、熱 敏電阻上覆有上電極、上電極上制備有吸收層，其中基底和支撐層平行且有間隙地設(shè)置，其中，熱敏電阻分為獨(dú)立單元組并聯(lián)設(shè)置在上電極和下電極之間。
上述輻射熱測(cè)量計(jì)的制備方法具體步驟為
1)在基底上電子束蒸發(fā)制備反射層；
2)制備犧牲層； 3)淀積低應(yīng)力氮化硅或氧化硅薄膜制備支撐層； 4)光刻、刻蝕犧牲層形成下電極圖形錨點(diǎn)，濺射形成下電極； 5)淀積非晶硅薄膜并摻雜，光刻、刻蝕完成熱敏電阻分離單元組的制備； 6)淀積氮化硅隔離層； 7)光刻、刻蝕犧牲層形成上電極圖形錨點(diǎn)，濺射形成上電極； 8)淀積、光刻、刻蝕制備吸收層； 9)刻蝕犧牲層，釋放輻射熱測(cè)量計(jì)微結(jié)構(gòu)。 采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于在單元尺寸相同的情況下，相對(duì)于傳 統(tǒng)的平面電阻方式，通過(guò)采用熱敏電阻并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使熱敏電阻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更靈活，使熱 敏電阻阻值的調(diào)整不再局限于薄膜厚度以及電阻率的改變，從而使熱敏電阻的阻值在大范 圍可調(diào)，優(yōu)化了器件的性能，滿足了不同應(yīng)用的需求，這樣將很大程度的提高了設(shè)計(jì)的靈活 性。 在工藝上，有兩個(gè)因素對(duì)非晶硅電阻率影響較大，摻雜比例以及工藝溫度，由于輻 射熱測(cè)量計(jì)需要考慮與IC集成工藝及其他工藝的兼容性，因此工藝溫度一般控制在300°C 左右，可調(diào)范圍不大，因此從工藝上改變電阻率主要與摻雜氣體比例有關(guān)，制備時(shí)摻入的雜 質(zhì)原子進(jìn)入非晶硅的無(wú)序網(wǎng)絡(luò)中，只有部分的雜質(zhì)原子能夠處于施主或受主態(tài)，實(shí)現(xiàn)有效 的摻雜，大部分的雜質(zhì)原子無(wú)法提供載流子，隨著摻雜量的不斷增加，不能無(wú)限制的降低電 阻率，因?yàn)檫^(guò)多的摻雜還會(huì)造成雜質(zhì)原子的過(guò)飽和，形成大量的缺陷態(tài)，破壞非晶硅的結(jié) 構(gòu)，反而使電阻率增加，因此非晶硅電阻率摻雜存在一個(gè)范圍內(nèi)，超出這個(gè)范圍工藝上都很 難實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明所提供的輻射熱測(cè)量計(jì)通過(guò)改變熱敏電阻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從而使得在高電阻率的 情況下實(shí)現(xiàn)制備過(guò)程，從而降低了制作工藝的難度。


圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的輻射熱測(cè)量計(jì)的示意結(jié)構(gòu)的剖面圖；
圖2是平面電阻形式中熱敏電阻的電路原理示意圖；
圖3是本發(fā)明熱敏電阻并聯(lián)電路原理示意圖； 圖中1基底，2反射層，3支撐層，4下電極，5熱敏電阻，6隔離層，7上電極，8吸收 層，9電極I，IO電極II。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。 參見(jiàn)圖l，本發(fā)明提供的輻射熱測(cè)量計(jì)，器件為傳統(tǒng)的橋式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中包括基 底1、位于基底1上方的支撐層3、制作在支撐層3上的下電極4、下電極4上制備有熱敏電 阻5、熱敏電阻5上覆有上電極7、上電極7上制備有吸收層8，其中基底1和支撐層3平行 且有間隙地設(shè)置，熱敏電阻5分為獨(dú)立單元組并聯(lián)設(shè)置在上電極7和下電極4之間。熱敏
4電阻5各獨(dú)立單元之間間隔均勻。熱敏電阻5各個(gè)獨(dú)立單元的間隔內(nèi)充填氮化硅材料形成 隔離層6。構(gòu)成熱敏電阻5的材料為摻雜的非晶硅。 上述輻射熱測(cè)量計(jì)，所述基底1上制備有由Al制成的反射層2。 上述輻射熱測(cè)量計(jì)，所述上電極7和下電極4由NiCr金屬材料制成。 上述輻射熱測(cè)量計(jì)，所述吸收層8由低導(dǎo)熱性的絕緣材料制成，優(yōu)選為氮化硅或
氧化硅或氮氧化硅。 本發(fā)明提供的輻射熱測(cè)量計(jì)的工作原理在紅外輻射作用下，由氮化硅制成的吸 收層8吸收紅外線能量，傳遞給熱敏電阻5，熱敏電阻5由于熱阻效應(yīng)阻值將發(fā)生變化，利用 讀出電路(ROIC)將該電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，即可得到與之對(duì)應(yīng)的紅外輻 射功率。 為提供器件對(duì)紅外輻射能量的吸收，提高器件的精確度及靈敏度，在基底1上沉 積Al作為反射層2，將漏過(guò)吸收層8的紅外線再次反射到吸收層8，從而提高了器件的紅外 吸收率。 作為熱敏電阻5的材料，摻雜非晶硅由于有電阻溫度系數(shù)以及噪聲的影響，通常 將其阻值控制在10KQ 100KQ的范圍內(nèi)，根據(jù)熱敏電阻的計(jì)算公式 i = /7~^~ 式中，p為電阻率，L為熱敏電阻5的長(zhǎng)度，w為熱敏電阻5的寬度，h為熱敏電阻 5的厚度。由于熱敏電阻5體積參數(shù)與熱容和熱傳導(dǎo)有關(guān)，通過(guò)改變體積參數(shù)調(diào)整電阻將會(huì) 使熱容改變，影響器件的性能，針對(duì)于17 i！ mX 17 i！ m的熱敏單元，熱敏電阻5設(shè)計(jì)電阻值為 50K Q ，對(duì)于平面電阻的情況，將熱敏電阻5的長(zhǎng)寬比L/w設(shè)計(jì)為50，熱敏電阻5的厚度定為 1500A，要滿足電阻值的要求，電阻率必須控制在< 50Q cm的范圍內(nèi)，這樣的摻雜水平處 于非晶硅薄膜原位摻雜的極限，工藝上存在很大的難度，但采用熱敏電阻5并聯(lián)的結(jié)構(gòu)則 可以滿足條件，因?yàn)榇藭r(shí)熱敏電阻5的厚度為熱敏電阻5的長(zhǎng)度，相對(duì)于平面電阻，電阻長(zhǎng) 度從微米量級(jí)降低到亞微米量級(jí)，同時(shí)通過(guò)調(diào)整并聯(lián)熱敏電阻5的個(gè)數(shù)以及增加熱敏電阻 5的電阻率來(lái)滿足設(shè)計(jì)的需求。例如，設(shè)計(jì)熱敏電阻5電阻值為50KQ時(shí)，熱敏單元面積為 17 ii mX 17 ii m，熱敏電阻5的厚度為1500 A，采取4個(gè)熱敏電阻5并聯(lián)的形式，4個(gè)熱敏電 阻5的阻值相同，熱敏電阻5的尺寸為3iimX15iim，熱敏電阻5的電阻率為6000 Q cm， 這樣的摻雜水平工藝中容易實(shí)現(xiàn)，因此采用熱敏電阻5并聯(lián)的形式提高了設(shè)計(jì)的靈活性， 降低了工藝的難度。 上述輻射熱測(cè)量計(jì)的制備方法，其步驟包括
1)在基底1上電子束蒸發(fā)制備反射層2 ;
2)制備犧牲層； 3)淀積低應(yīng)力氮化硅或氧化硅薄膜制備支撐層3 ; 4)光刻、刻蝕犧牲層形成下電極4圖形錨點(diǎn)，濺射形成下電極4 ; 5)淀積非晶硅薄膜并摻雜，光刻、刻蝕完成熱敏電阻5分離單元組的制備； 6)淀積氮化硅隔離層6 ; 7)光刻、刻蝕犧牲層形成上電極7圖形錨點(diǎn)，濺射形成上電極7 ;
8)淀積、光刻、刻蝕制備吸收層8 ;
9)刻蝕犧牲層，釋放輻射熱測(cè)量計(jì)微結(jié)構(gòu)。
可以總結(jié)為以下具體工序 1)反射層2的制備基底1選用硅襯底，拋光、清洗后旋涂光刻膠，采用光刻剝離 的方法完成反射層2的圖形化，電子束蒸發(fā)Al，厚度為500nm，最后剝離去除光刻膠，反射層 2制備完成。 2)制備犧牲層控制轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)數(shù)以及旋轉(zhuǎn)時(shí)間，使聚酰亞胺的厚度為2.5ym左 右，然后按照聚酰亞胺的固化溫度曲線固化，犧牲層制備完成。 3)支撐層3的制備支撐層3的材料必須具有以下性質(zhì)①具有良好的機(jī)械特性 以及低應(yīng)力，②熱傳導(dǎo)系數(shù)小。通常采用等離子體化學(xué)氣相沉積PECVD淀積低應(yīng)力的氮化 硅或氧化硅薄膜作為支撐層3，優(yōu)選用氧化硅，因?yàn)檠趸璧臒醾鲗?dǎo)系數(shù)更小，沉積氧化硅 的厚度為50nm。 4)下電極4的制備下電極4的材料的選擇必須滿足3個(gè)條件①具有良好的粘 附性，②與非晶硅接觸具有良好的歐姆接觸特性，③熱傳導(dǎo)系數(shù)較小。NiCr合金能夠較好的 滿足以上3個(gè)條件，選用NiCr作為下電極4的金屬材料，光刻犧牲層聚酰亞胺，干法刻蝕聚 酰亞胺形成錨點(diǎn)，濺射N(xiāo)iCr，厚度為20nm，刻蝕形成下電極4。 5)熱敏電阻5的制備選用摻雜非晶硅作為熱敏電阻5材料，根據(jù)電阻值和器件 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電阻圖形，淀積熱敏電阻5非晶硅薄膜后，離子注入摻雜非晶硅，光刻、腐蝕完成
熱敏電阻5的制備，薄膜厚度為1500 A。 6)隔離層6的制備采用氮化硅作為上電極7和下電極4間的隔離層6的材料， 實(shí)現(xiàn)熱敏電阻5間的電隔離，厚度小于或等于熱敏電阻5的厚度，采用雙頻PECVD淀積后光 刻、腐蝕制備形成。 7)上電極7的制備與下電極4的要求相同，可采用NiCr作為上電極7的材料， NiCr作為上電極7還有一個(gè)作用，可以同時(shí)作為紅外吸收層。采用濺射工藝制備，濺射能夠 很好的控制金屬的厚度以及具有良好的均勻性。光刻犧牲層聚酰亞胺，干法刻蝕聚酰亞胺 形成錨點(diǎn)，最后光刻、腐蝕完成上電極7的制備。 8)吸收層8的制備采用雙頻PECVD淀積低應(yīng)力的氮化硅作為吸收層8，厚度為 30nm，淀積后光刻、腐蝕形成吸收層8。同時(shí)由于上電極7NiCr的方塊電阻值容易受到后續(xù) 工藝如等離子刻蝕、犧牲層釋放等工藝影響，電阻值的變化將會(huì)影響紅外吸收效率，所以吸 收層8的氮化硅可以作為上電極7的保護(hù)層。 9)結(jié)構(gòu)釋放采用02等離子刻蝕方法刻蝕聚酰亞胺，釋放器件結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
一種輻射熱測(cè)量計(jì)，結(jié)構(gòu)中包括基底(1)、位于基底(1)上方的支撐層(3)、制作在支撐層(3)上的下電極(4)、下電極(4)上制備有熱敏電阻(5)、熱敏電阻(5)上覆有上電極(7)、上電極(7)上制備有吸收層(8)，其中基底(1)和支撐層(3)平行且有間隙地設(shè)置，其特征在于熱敏電阻(5)分為獨(dú)立單元組并聯(lián)設(shè)置在上電極(7)和下電極(4)之間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的輻射熱測(cè)量計(jì)，其特征在于熱敏電阻(5)各獨(dú)立單元之間間 隔均勻。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的輻射熱測(cè)量計(jì)，其特征在于熱敏電阻(5)各個(gè)獨(dú)立單元的間 隔內(nèi)充填氮化硅材料形成隔離層(6)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的輻射熱測(cè)量計(jì)，其特征在于上述構(gòu)成熱敏電阻(5)的材料為 摻雜的非晶硅。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的輻射熱測(cè)量計(jì)，其特征在于基底(1)上制備有反射層(2)，該 反射層由A1制備而成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的輻射熱測(cè)量計(jì)，其特征在于上電極(7)和下電極(4)由NiCr 金屬材料制成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的輻射熱測(cè)量計(jì)，其特征在于吸收層(8)為氮化硅或氧化硅或 氮氧化硅。
8. —種權(quán)利要求1中所述的輻射熱測(cè)量計(jì)的制備方法，其特征在于包括以下步驟1) 在基底(1)上電子束蒸發(fā)制備反射層(2);2) 制備犧牲層；3) 淀積低應(yīng)力氮化硅或氧化硅薄膜制備支撐層(3);4) 光刻、刻蝕犧牲層形成下電極(4)圖形錨點(diǎn)，濺射形成下電極(4);5) 淀積非晶硅薄膜并摻雜，光刻、刻蝕完成熱敏電阻(5)分離單元組的制備；6) 淀積氮化硅隔離層(6);7) 光刻、刻蝕犧牲層形成上電極(7)圖形錨點(diǎn)，濺射形成上電極(7);8) 淀積、光刻、刻蝕制備吸收層(8);9) 刻蝕犧牲層，釋放輻射熱測(cè)量計(jì)微結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種輻射熱測(cè)量計(jì)及其制備方法，該輻射熱測(cè)量計(jì)通過(guò)改變熱敏電阻的結(jié)構(gòu)和摻雜濃度使其電阻值符合設(shè)計(jì)要求以滿足應(yīng)用的需要，結(jié)構(gòu)中包括基底、位于基底上方的支撐層、制作在支撐層上的下電極、下電極上制備有熱敏電阻、熱敏電阻上覆有上電極、上電極上制備有吸收層，其中基底和支撐層平行且有間隙地設(shè)置，上電極、下電極與熱敏電阻組成并聯(lián)電連接。熱敏電阻有間隔地設(shè)置在上電極和下電極之間。這種結(jié)構(gòu)設(shè)置使熱敏電阻的阻值在大范圍可調(diào)，優(yōu)化了器件的性能，滿足了不同應(yīng)用的需求，這樣將很大程度的提高了設(shè)計(jì)的靈活性。
文檔編號(hào)G01J5/20GK101776484SQ20101003331
公開(kāi)日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2010年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月7日
發(fā)明者徐永青, 胥超 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所