本發(fā)明涉及紅外探測技術領域，特別是用于傳感領域的窄帶探測芯片的設計與制作方法。

背景技術：

紅外探測與傳感是一種有著廣泛應用的關鍵技術。目前窄帶吸收型光學天線以及紅外探測型光學天線已經得到深入研究，并取得了很大的進展。但是，還沒有光學天線能夠實現(xiàn)在紅外波段的窄帶吸收。

該類芯片的一個典型結構為“一種非制冷紅外探測系統(tǒng)像素陣列的制作方法”的專利文件(申請?zhí)枺?01110302464.4)，其提出的制作方法工序較多，且只具備單一功能即紅外領域成像，而無法實現(xiàn)窄帶的傳感應用。不利于實現(xiàn)多功能集成式的紅外芯片進一步推廣應用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種可用于傳感領域的紅外探測芯片，用于解決現(xiàn)有技術存在帶寬不夠窄、制造難度較大、成本較高問題，實現(xiàn)窄帶紅外光探測目標。

本發(fā)明技術方案為：一種窄帶紅外探測芯片，包括單晶硅片、金背板、SiO₂介電層；所述金背板設在單晶硅片上，用作反射層；金背板上生長有SiO₂作為介電層；其中：

所述介電層上，制作有若干個結構和尺寸相同的十字形曝光區(qū)，各十字形曝光區(qū)在介電層平面水平和垂直兩個方向均勻、平行分布；其中：

所述十字形曝光區(qū)由4個長寬均相等的矩形曝光塊，以矩形短邊為鄰接邊組成；十字形曝光區(qū)的水平和垂直兩個方向上，矩形曝光塊之間間距相等，兩兩平行對正。

進一步的，所述十字形曝光區(qū)的各個矩形的長度、寬度、厚度、間距可以調整，通過不同的參數(shù)組合，實現(xiàn)不同波段和不同帶寬的窄帶探測；矩形越寬，芯片響應光譜的半高寬FWHM越大，諧振峰紅移；矩形長度越大，響應光譜的半高寬FWHM和吸收率變大，諧振峰紅移；矩形厚度越大，響應光譜的半高寬FWHM基本不變，吸收率增大；矩形間距越大，響應光譜的半高寬FWHM減小，諧振峰藍移。

進一步的，所述矩形寬度取值范圍為40nm-160nm，矩形長度取值范圍為1000nm-1500nm，矩形厚度取值為80nm-300nm；矩形間距取值為110nm-300nm。

相應地，本發(fā)明還提出一種所述窄帶紅外探測芯片的制作方法，包括如下步驟：

(1)選取單晶硅片，通過電子束蒸鍍設備陣蒸鍍不小于100nm厚的金；

(2)通過PECVD設備在所蒸鍍的金表面沉積295-305nm厚的SiO₂，形成介電層；

(3)在所述介電層上旋涂PMMA曝光膠；

(4)在曝光膠上，形成四個相同大小和結構的矩形曝光塊構成的十字形曝光區(qū)，通過電子束曝光設備將所設計的曝光區(qū)曝光；所述矩形尺寸為納米級，呈現(xiàn)對稱十字形，其大小和間距根據(jù)工作頻率和帶寬決定；

(5)通過電子束蒸鍍設備對所述曝光后的十字形區(qū)域鍍金；

(6)去掉PMMA曝光膠，得到所述窄帶紅外探測芯片。

進一步的，所述的窄帶紅外探測芯片制作方法中，所述十字形曝光區(qū)在芯片上呈現(xiàn)二維周期性排列，以應用于不同波段的探測；十字形曝光區(qū)尺寸越大，周期就越大，諧振峰隨著周期增大而紅移；十字形曝光區(qū)尺寸越小，周期就越小，諧振峰隨著周期減小而藍移。

進一步的，所述的窄帶紅外探測芯片制作方法中，所述單晶硅片雙面拋光，對波長大于2微米的波段透明，電阻率為1-5Ω·cm。

進一步的，所述的窄帶紅外探測芯片制作方法中，所述單晶硅片厚度為500um。

其中，PMMA曝光膠是電子束正膠，其主要的特點是超高分辨率、高對比度、可見光有高透過率。被電子束曝光的PMMA膠的化學性質會發(fā)生變化，事先設計好曝光區(qū)域的形狀，之后用特定的溶劑把曝光區(qū)域溶解掉，即得到設計好的精確形狀。

本發(fā)明通過引入表面等離子體共振的機理，設計十字交叉型結構的納米棒陣列，可對紅外波段實現(xiàn)窄帶吸收，制造工藝簡單可靠，有利于多功能集成式的紅外芯片的推廣普及。

總體而言，本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，能夠實現(xiàn)響應光譜在紅外領域的窄帶特性，能夠更進一步提升紅外探測領域的探測精度。與價格昂貴的低溫工作的紅外探測系統(tǒng)相比，本發(fā)明有著更低的成本，更小的體積，更簡單的工藝生產流程，成品率高，應用前景非常廣泛。同時，通過調整光學天線陣列結構的尺寸可以實現(xiàn)波長的可調，波長范圍覆蓋3-8微米，利用表面等離子體共振的原理通過檢測芯片的吸收即可解調出紅外信號，可以使系統(tǒng)結構緊湊簡潔、探測靈敏度高，更易于大規(guī)模集成。

附圖說明

圖1a是本發(fā)明窄帶紅外探測芯片的結構示意圖；

圖1b是本發(fā)明窄帶紅外探測芯片的工作示意圖；

圖2是本發(fā)明窄帶紅外探測芯片在紅外波段的吸收率；

圖3是本發(fā)明窄帶紅外探測芯片對不同折射率目標進行探測的波峰漂移。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

下面結合附圖1至3詳細說明本發(fā)明所提供的窄帶紅外探測芯片及其制作方法。

如圖1a所示，本發(fā)明紅外窄帶探測芯片包括如下主要結構，該主要結構自上而下依次為：

金屬納米棒7、金屬納米棒6、金屬納米棒5、金屬納米棒4以及周期性的陣列結構；金屬納米棒對應前述曝光塊；SiO₂介電層3；金背板2；商用單晶硅片1；

圖1b是本發(fā)明窄帶紅外探測芯片的工作示意圖。

入射光子與金屬表面存在的自由振動的電子相互作用，產生沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿?，亦即表面等離子體。金屬表面等離子體和入射光發(fā)生諧振，顯著提升吸收性能，吸收峰的波長可通過設計金屬納米陣列的形狀來控制。如圖2所示，本發(fā)明窄帶紅外探測芯片在紅外波段的吸收率曲線圖。在3100nm波段有一個吸收峰，吸收率在百分之九十以上，這個吸收峰的半高全寬不超過50nm，屬窄帶吸收。在之前的不斷實驗中，我們發(fā)現(xiàn)當光學天線的結構使得入射光能夠被“包圍”在較小空間范圍時較容易實現(xiàn)窄帶，放佛狹窄的空間將吸收譜“逼”窄了一樣。這也是本發(fā)明采用中間空心的物理基礎。

如圖3所示，本發(fā)明窄帶紅外探測芯片對不同折射率目標進行探測的波峰漂移。本發(fā)明主要用于傳感，由圖3可知本發(fā)明對折射率變化很敏感，目標折射率為1.3時，吸收峰波長在3360nm左右，當目標折射率增大0.06至1.36時，吸收峰波長發(fā)生紅移，移至3410nm左右；本發(fā)明通過測量特定波長光線的吸收強度的變化，并根據(jù)波峰漂移曲線，可實現(xiàn)探測目標折射率的變化。這與傳統(tǒng)的探測方式不同，本設計成本低廉，制作工藝簡單，有利于多功能集成式的紅外芯片的推廣普及。

根據(jù)所述窄帶紅外探測芯片的主要結構，本發(fā)明提供了一種窄帶紅外探測芯片的制作方法。該方法包括如下步驟：

首先，選取單晶硅片1，本實施中選取普通的商用單晶硅片，厚度為0.5毫米，對波長大于2微米的波段透明。第一步用丙酮溶液超聲波清潔3分鐘；第二步用無水乙醇溶液超聲波清潔3分鐘；最后用去離子水超聲波清潔2分鐘。接著，用電子束蒸發(fā)鍍膜機在潔凈的硅片表面蒸鍍80nm厚的金2，作為反射層，再利用PECVD設備在金上面生長300nm厚的SiO₂ 3材料，作為介電層。此時完成樣片的襯底制作。之后，清潔襯底。清潔方法和清潔單晶硅片方法相同，清潔時間1分鐘。

其次，設計一定尺寸的十字交叉形納米棒結構，并制成版圖。先在襯底上均勻涂抹一層PMMA曝光膠，涂抹時間90秒，勻膠機轉速6000轉/分鐘，涂抹厚度約300nm。接著，烘烤2分鐘，烘烤溫度170℃。再使用電子束曝光設備將版圖的圖案轉移至已經旋涂PMMA曝光膠的襯底上，曝光電流10nA。

然后通過化學顯影方式，對已經曝光的PMMA膠進行顯影，通過電子束蒸鍍設備對此樣片進行鍍金，鍍金厚度80nm。

再通過化學溶液浸泡方式去除襯底上未曝光的PMMA膠，此時襯底上呈現(xiàn)周期性規(guī)則結構的十字形金屬納米棒。即獲得目標樣品。

可根據(jù)不同的探測波段對金屬納米棒4、5、6、7進行設計，調整其四根金屬納米棒的長度、寬度、厚度以及間隔距離，即可調整探測芯片的吸收波段，從而實現(xiàn)對不同波段的探測。保持其他參數(shù)不變，當金棒寬度從40nm增大到160nm時，響應光譜的半高寬(FWHM)將逐漸增大，吸收率先變大后變小，諧振峰紅移。保持其他參數(shù)不變，當金棒長度從1000nm增大到1500nm時，響應光譜的半高寬(FWHM)和吸收率都將逐漸變大，諧振峰紅移。保持其他參數(shù)不變，當金棒高度從80nm增大到300nm時，響應光譜的半高寬(FWHM)基本不變，吸收率逐漸增大，諧振峰先藍移再紅移。保持其他參數(shù)不變，當金棒間距從110nm增大到300nm時，響應光譜的半高寬(FWHM)逐漸減小，吸收率先增大后減小，諧振峰藍移。

此外，需要說明的是，除非特別說明或者指出，否則說明書中的術語“上”“下”“前”“后”等描述僅僅用于區(qū)分說明書中的各個組件、元素、步驟等，而不是用于表示各個組件、元素、步驟之間的邏輯關系或者順序關系等。

綜上所述，本發(fā)明是一種用于傳感的窄帶紅外探測芯片及其制造方法，通過實施例的具體描述，其陣列結構設計與制備工藝已被詳細的公示。然而，以上描述的實施例僅為深入理解本發(fā)明創(chuàng)新實質而提供，并非以此限制本發(fā)明具體實施方式的多樣性，但凡基于上述實施例所作的等效替換或簡單修改，均應該被包含于本發(fā)明專利請求的專利保護范圍之內。