集成紅外屏蔽結(jié)構(gòu)的太赫茲波室溫探測單元及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種集成紅外屏蔽結(jié)構(gòu)的太赫茲波室溫探測單元及其制備方法，用于太赫茲波段的高性能探測。所述探測器的頂層是金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖形，作為過濾和屏蔽紅外波段的結(jié)構(gòu)；第二層為復(fù)合薄膜微橋橋面，其橋面頂部為亞波長結(jié)構(gòu)金屬圖形，作為電磁諧振器，用于吸收特定頻率的太赫茲波；底層為一個(gè)厚的金屬層平面，其主要作用為增加電磁波磁場部分諧振吸收，減少透射。本發(fā)明不但具有高的吸收效率，同時(shí)對紅外波段噪聲能進(jìn)行有效削弱和抑制，提升探測單元的信噪比，而且具有易集成、陣列化、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，適用于室溫工作、實(shí)時(shí)探測的太赫茲探測成像陣列探測器。
【專利說明】集成紅外屏蔽結(jié)構(gòu)的太赫茲波室溫探測單元及制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太赫茲波探測【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及屏蔽紅外波段結(jié)構(gòu)、微橋橋面結(jié)構(gòu)和超材料的十字架結(jié)構(gòu)的太赫茲波室溫探測器。
技術(shù)背景
[0002]太赫茲(THz)波，頻率介于0.1?1THz (波長范圍3mm?30 μ m)的電磁輻射波，電磁波譜位于微波和紅外波段之間，因而太赫茲分析系統(tǒng)需兼顧電子學(xué)和光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢。由于THz輻射在大氣環(huán)境下衰減嚴(yán)重，且其輻射產(chǎn)生和檢測方法極度缺乏，人們對此波段電磁輻射性質(zhì)了解有限，因此該波段被稱為電磁波譜中的THz空隙。此波段為電磁波譜中最后Iv待全面研究的頻率窗口。
[0003]電磁超材料，通過在關(guān)鍵尺度上對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有序設(shè)計(jì)，突破自然規(guī)律限制得到超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。從1999年J.B.Pendry從理論證實(shí)這一效應(yīng)后，超材料在可見光到微波波段范圍已被廣泛研究。超材料在一定的頻率附近有著極好的吸收，故可設(shè)計(jì)應(yīng)用成電磁波吸收器。超材料吸收器通過獨(dú)立調(diào)節(jié)其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，使電磁波從空氣和真空中傳播到超材料界面時(shí)產(chǎn)生阻抗匹配，以此產(chǎn)生反射最小化；同理，對調(diào)節(jié)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，使折射率虛部的吸收系數(shù)變大，對磁場和電場輻射產(chǎn)生最大吸收。超材料吸收器從微波波段到可見光波段都已見報(bào)道。
[0004]太赫茲系統(tǒng)主要由THz輻射源，探測器以及各功能器件組成。相比于微波波段，太赫茲波吸收結(jié)構(gòu)尺寸相對較小，頻段響應(yīng)靈敏，在THz熱成像技術(shù)中有重要應(yīng)用。
[0005]THz技術(shù)從20世紀(jì)末至今，THz輻射源作為重要的研究部分，其輸出功率得到了不斷的增強(qiáng)，如美國Microtech Instrument Inc.公司研發(fā)的BWO太赫茲光源在〈ITHz頻段輸出功率為50mW左右；英國Edinburgh Instrument公司設(shè)計(jì)的CO2激光泵浦太赫茲激光器在ITHz?7.5THz波段峰值輸出功率能達(dá)到150mW。但相對于紅外波段，工業(yè)激光器如氟化氫氣體激光器輸出功率可達(dá)14W量級或更高，且對于自然條件下地面接收太陽輻射1390W/m2。如此量級下，作為臨近波段，紅外輻射在THz波段的影響甚大。再者，在MEMS技術(shù)中使用微橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱探測使用的氮化硅SiNx材料，對8?14 μ m波段的紅外光有著良好的吸收。由于相鄰紅外波段對THz探測有著極大的影響，因此在實(shí)際THz波段進(jìn)行探測時(shí)，必須使用窗口材料進(jìn)行頻率截止過濾和削弱紅外波段影響。
[0006]本發(fā)明所涉及的一種集成紅外屏蔽結(jié)構(gòu)的太赫茲波室溫探測單元，首先根據(jù)在非制冷紅外探測器的微橋結(jié)構(gòu)上增加方形十字架結(jié)構(gòu)來進(jìn)行吸收太赫茲波，依據(jù)吸收頻率波段設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對太赫茲波的探測；其次，在吸收結(jié)構(gòu)上方再進(jìn)行金屬柵格結(jié)構(gòu)對紅外波段進(jìn)行屏蔽過濾反射作用。此結(jié)構(gòu)充分利用現(xiàn)有的微橋結(jié)構(gòu)易集成、陣列化、尺寸小、實(shí)時(shí)探測、室溫工作等優(yōu)勢，并通過對紅外噪聲進(jìn)行過濾，制造出集成紅外屏蔽結(jié)構(gòu)太赫茲室溫探測器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供一種減小紅外噪聲輻射，增強(qiáng)太赫茲輻射吸收率的太赫茲波室溫探測單元，該探測結(jié)構(gòu)能有效屏蔽紅外噪聲，增強(qiáng)太赫茲輻射吸收，使對太赫茲波段的高性能探測實(shí)現(xiàn)成為可能。
[0008]本發(fā)明目的是通過采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0009]一種集成紅外屏蔽結(jié)構(gòu)的太赫茲波室溫探測單元，用于太赫茲波段的探測成像，其特征在于:結(jié)構(gòu)包括頂層、第二層、底層；頂層為紅外屏蔽結(jié)構(gòu)，第二層為復(fù)合薄膜微橋橋面，底層為一個(gè)厚金屬平面；頂層與第二層之間為頂層紅外屏蔽犧牲層(30)，第二層與底層之間為底層犧牲層(23)。
[0010]具體地，本發(fā)明探測單元結(jié)構(gòu)包括襯底1、驅(qū)動(dòng)電路10、反射層21、底部犧牲層23、紅外屏蔽結(jié)構(gòu)犧牲層30、紅外屏蔽層33 ;所述反射層設(shè)置在驅(qū)動(dòng)電路10上，該驅(qū)動(dòng)電路設(shè)有電路接口 22 ;所述底部犧牲層23制備在帶有反射層的襯底上，在反射層由下而上依次制備有緩沖層24、微橋支撐層25和紅外屏蔽結(jié)構(gòu)支撐層底部31、微橋頂部電極26，該頂部電極與所述電路接口 22連接；在該頂部電極和支撐層上由下而上依次制備有敏感層、保護(hù)層(氮化硅層)、方形十字架金屬圖形層(即頂層吸收層(29):亞波長結(jié)構(gòu)金屬圖形的方形十字架結(jié)構(gòu)電磁諧振器)。所述頂層紅外屏蔽犧牲層30制備在方形十字架金屬圖形層上，在該犧牲層上依次制作紅外屏蔽結(jié)構(gòu)支撐層頂部32、紅外屏蔽層(金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu))33。
[0011]在本發(fā)明中，所述敏感層為具有高電阻溫度系數(shù)的無相變氧化釩薄膜，用作太赫茲波段的敏感層；在本發(fā)明中，所述方形十字架金屬圖形層用作太赫茲輻射吸收層；在本發(fā)明中，所述頂層金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)用作削弱過濾紅外輻射，屏蔽紅外光所用。
[0012]在本發(fā)明中，所述金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)厚度約為0.3μπι ;所述頂層方形十字架金屬圖形層金屬結(jié)構(gòu)的厚度大約為0.05 μ m,邊長為56 μ m,寬為5 μ m ;所述氧化鑰;薄膜的電阻溫度系數(shù)為-2% /K?6% /K，厚度為0.1 μπι。
[0013]在本發(fā)明中，所述雙吸收層釋放后，原犧牲層的位置形成諧振腔，該諧振腔高度為
3μ m?6 μ m,以充分吸收太赫茲波段的目標(biāo)福射。
[0014]在本發(fā)明中，所述犧牲層材料為聚酰亞胺、二氧化硅、氧化的多孔硅和磷硅玻璃中的一種。
[0015]所述支撐層由單層薄膜構(gòu)成或者多層薄膜構(gòu)成，材料為氮化硅或二氧化硅，支撐層的厚度在0.2?I μ m之間。
[0016]所述緩沖層材料為金屬或者金屬合金或者非金屬材料；所述微橋頂部電極層材料為鎢、鉬、鋁、鎳、鈦或鉻或者任何一種它們的合金，優(yōu)選金。
[0017]按照本發(fā)明提供的微橋結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0018]①在帶有驅(qū)動(dòng)電路的底層反射層上生長犧牲層，采用光刻刻蝕工藝圖形化犧牲層，使?fàn)奚鼘訄D案邊緣的斷面形狀呈現(xiàn)正梯形形狀，露出驅(qū)動(dòng)電路的電路接口，其中犧牲層的材料為聚酰亞胺、二氧化硅、氧化的多孔硅和磷硅玻璃等；
[0019]②在已有犧牲層圖案的襯底上用AZ5214光刻制備金屬鋁緩沖層圖形，然后用磁控濺射法制備金屬鋁薄膜，鋁薄膜的厚度在0.3?1.5μπι范圍內(nèi)，最后用丙酮溶液在超聲條件下進(jìn)行光刻膠的剝離，剝離后在片面留下鋁緩沖層圖形；
[0020]③在步驟②所得的器件上用PECVD設(shè)備及混頻濺射技術(shù)制作低應(yīng)力的氮化硅支撐層，制備氮化硅層的厚度范圍在0.2?I μ m范圍內(nèi)，然后對該層薄膜進(jìn)行光刻和刻蝕，刻蝕出支撐橋面圖形和紅外過濾屏蔽支撐層底部的圓柱，露出電極接口 ；
[0021]④在步驟③所得的器件上進(jìn)行微橋頂部電極圖形的制備。用磁控濺射法制備NiCr薄膜，NiCr薄膜的厚度在0.05?I μ m范圍內(nèi)，用丙酮也在超聲條件下進(jìn)行光刻膠的剝離，剝離后在片面留下NiCr電極圖形，要求頂部電極層與電極接口電連接；
[0022]⑤在已制備微橋電極層的襯底上用濺射設(shè)備制備敏感層薄膜，厚度為
0.005-0.1 μ m，然后對該層敏感層進(jìn)行光刻和刻蝕，刻蝕出所需的薄膜圖形；
[0023]⑥在敏感圖形上用PECVD設(shè)備及混頻濺射技術(shù)制作低應(yīng)力的氮化硅保護(hù)層，制備氮化硅層的厚度范圍在0.1?Iym范圍內(nèi)，然后對該層薄膜進(jìn)行光刻和刻蝕，刻蝕出橋面的圖形；
[0024]⑦保護(hù)層氮化硅上用AZ5214光刻膠進(jìn)行頂層金的方形十字架圖形的制備，然后用金屬熱蒸發(fā)法制備金屬圖形，圖形的厚度在0.05?0.15 μ m范圍內(nèi)，最后用丙酮也在超聲條件下進(jìn)行光刻膠的剝離，剝離后在片面留下金屬的方形十字架圖形；
[0025]⑧在步驟⑦所得的器件上繼續(xù)生長犧牲層，犧牲層厚度為0.3?3μπι，同步驟①進(jìn)行頂層犧牲的圖形化，并露出步驟③中支撐反射層底部圓柱形部分；
[0026]⑨在步驟⑧所得器件上使用PECVD設(shè)備及混頻濺射技術(shù)再次進(jìn)行低應(yīng)力氮化硅支撐層制備，其厚度范圍在0.2?I μ m，然后對該層薄膜進(jìn)行光刻和刻蝕，刻蝕出支撐紅外屏蔽層的圖形；
[0027]⑩在氮化硅支撐層上進(jìn)行紅外屏蔽層金屬圖形的制備，然后用磁控濺射法或蒸發(fā)法制備金屬薄膜，其厚度在0.05?0.1 μ m范圍，采用半導(dǎo)體工藝或剝離工藝實(shí)現(xiàn)金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；
[0028](Q)用氧氣等離子體轟擊器件釋放犧牲層，形成微橋結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行封裝形成探測單元。
[0029]用作敏感層的氧化釩薄膜采用磁控濺射法制備；濺射時(shí)控制濺射功率為100?500W，氧分壓為0.5%?10%，濺射時(shí)間為5?60min，退火溫度為200?600°C。
[0030]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0031]本發(fā)明采用通過在非制冷紅外探測器的微橋結(jié)構(gòu)上增加方形十字架結(jié)構(gòu)來吸收太赫茲波，從而實(shí)現(xiàn)對太赫茲波的探測與成像；對于紅外噪聲影響探測，采用金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對紅外進(jìn)行屏蔽吸收；此種器件制備工藝成熟合理。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為太赫茲室溫探測器微橋結(jié)構(gòu)頂層超材料類十字架結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖2為探測器頂層紅外屏蔽層結(jié)構(gòu)示意圖，灰色部分為金屬。
[0034]圖3中A?M為本發(fā)明的紅外屏蔽結(jié)構(gòu)太赫茲室溫探測單元結(jié)構(gòu)的簡單制備流程，其中圖3-A為已具有驅(qū)動(dòng)電路的襯底，圖3-B為已具有底部驅(qū)動(dòng)電路和反射層的襯底，圖3-C為制備好犧牲層圖形的襯底，圖3-D為制備出緩沖層圖形的襯底，圖3-E為制備好微橋支撐層和反射支撐層下部的襯底，圖3-F為制備好頂部電極層圖形的襯底，圖3-G為制備好氧化釩薄膜圖形的襯底，圖3-H為制備好氮化硅薄膜圖形的襯底，圖3-1為制備好十字架圖形的襯底，圖3-J為制備好反射層犧牲層的襯底，圖3-K為制備出反射層支撐層上部和橋面的襯底，圖3-L為沉積出紅外屏蔽結(jié)構(gòu)的襯底，圖3-M為釋放掉兩次犧牲層后的器件結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
[0035]附圖標(biāo)記:1為襯底、10為驅(qū)動(dòng)電路、21為反射層、22為電路接口、23為底部犧牲層、24為緩沖層、25為微橋支撐層、26為微橋頂部電極、27為氧化釩薄膜、28為氮化硅薄膜、29為十字架層、30為頂層紅外屏蔽犧牲層、31為紅外屏蔽結(jié)構(gòu)支撐層底部、32為紅外屏蔽結(jié)構(gòu)支撐層頂部、33為金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)層。
[0036]圖4為紅外屏蔽層在太赫茲波段的透過率。
[0037]圖5為紅外屏蔽層在紅外波段的透過率。
[0038]圖6為紅外屏蔽層的仿真結(jié)構(gòu)圖。
[0039]圖7是太赫茲室溫探測器在2.5THz處的吸收性能曲線，R為反射率，T為透過率，A為吸收率。
[0040]圖8為太赫茲室溫探測器在頻率2.5THz處的仿真結(jié)構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0041]下面結(jié)合附圖以及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0042]本發(fā)明提供一種集成紅外屏蔽結(jié)構(gòu)的太赫茲波室溫探測單元結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括襯底1、驅(qū)動(dòng)電路10、反射層21、底部犧牲層23、頂層紅外屏蔽犧牲層30，所述反射層設(shè)置在驅(qū)動(dòng)電路10上，該驅(qū)動(dòng)電路設(shè)有電路接口 22 ;所述底部犧牲層23制備在該帶有反射層的襯底上，在反射層由下而上依次制備有緩沖層24、微橋支撐層25和紅外屏蔽結(jié)構(gòu)支撐層底部31、微橋頂部電極26，該微橋頂部電極與所述電路接口鏈接；在該微橋頂部電極和支撐層上由下而上依次制備有氧化釩薄膜、氮化硅層和十字架結(jié)構(gòu)；所述頂層紅外屏蔽犧牲層30制備在該帶有微橋結(jié)構(gòu)和十字架結(jié)構(gòu)的襯底上,在十字架結(jié)構(gòu)上層依次制備有紅外屏蔽結(jié)構(gòu)支撐層頂部32，金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)33，該屏蔽結(jié)構(gòu)支撐層與所述底部支撐層外端相連。
[0043]本發(fā)明所述的一種集成紅外屏蔽結(jié)構(gòu)的太赫茲波室溫探測單元制備流程包括:在帶有驅(qū)動(dòng)電路10的反射層21上進(jìn)行犧牲層23的制備，并用光刻工藝形成犧牲層圖案，所形成的犧牲層圖案要露出底部電路接口 22 ;制備緩沖層24圖案，制備微橋支撐層25和紅外屏蔽結(jié)構(gòu)支撐層底部31，并用光刻工藝形成支撐層圖案，露出電極接口 22 ;制備頂部電極層26，并用光刻工藝形成微橋頂部金屬電極圖案，要求微橋頂部電極與電極接口 22相連；制備用作敏感層的氧化釩薄膜27并將其圖形化；制備用作保護(hù)層的氮化硅薄膜28并將其圖形化；植被用作吸收太赫茲的十字架圖形29并將其圖形化；制備頂層紅外屏蔽結(jié)構(gòu)犧牲層30，露出紅外屏蔽結(jié)構(gòu)底部支撐層31 ;制備紅外屏蔽結(jié)構(gòu)支撐層頂部32，所形成的支撐層結(jié)構(gòu)與紅外屏蔽結(jié)構(gòu)支撐層底部31相連；制備用作紅外屏蔽功能的金屬薄膜，并將其進(jìn)行光刻圖形化后形成金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)32 ;在釋放兩部分犧牲層后，形成紅外屏蔽太赫茲輻射室溫探測單元。
[0044]微橋結(jié)構(gòu)中，諧振腔的高度為1.5?3μπι，以充分吸收太赫茲波段的目標(biāo)輻射；所述犧牲層材料為聚酰亞胺、二氧化硅、磷硅玻璃和氧化的多孔硅等，犧牲層可用等離子轟擊、反應(yīng)離子刻蝕或者用化學(xué)試劑去除。支撐材料要求其具有一定的剛性保證微橋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，具有低的應(yīng)力保證微橋受熱形變較小，同時(shí)盡量選擇熱傳導(dǎo)較低的材料來制備橋面，所述支撐層有單層薄膜結(jié)構(gòu)或者由多層薄膜構(gòu)成，材料為二氧化硅或者氮化硅，支撐層的厚度在0.2?Ium之間。設(shè)置緩沖層的目的是減弱電路接口與頂部電極層之間的高度差，以方便底部電路和頂部金屬線的連接，所述緩沖層材料為金屬或者金屬合金或者非金屬材料；所述頂部電極層材料為鋁、鎢、鈦、鉬、鎳、鉻或者任何一種它們的合金。
[0045]氧化釩薄膜為具有高電阻溫度系數(shù)的無相變氧化釩薄膜，用作敏感層的氧化釩薄膜采用磁控濺射法制備；濺射時(shí)控制濺射功率為100?500W，氧分壓為0.5%?10%，濺射時(shí)間為5?60min，退火溫度為200?600°C。制備的氧化釩薄膜的電阻溫度系數(shù)為_2% /K?6% /K，厚度為lOOnm。
[0046]微橋上面十字架為太赫茲輻射吸收結(jié)構(gòu)層。
[0047]以下通過實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明:
[0048]該微橋結(jié)構(gòu)在已經(jīng)制備好底部驅(qū)動(dòng)電路10的反射層21上展開，驅(qū)動(dòng)電路10已經(jīng)留出電路接口 22，如圖3-B所示。
[0049]首先清洗襯底表面，去除表面沾污，并對襯底在200°C下烘烤，以去除表面水汽，增強(qiáng)粘接性能。用自動(dòng)涂膠軌道進(jìn)行光敏聚酰亞胺(犧牲層)的涂覆，通過轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)聚酰亞胺薄膜的厚度，對涂覆的光敏聚酰亞胺進(jìn)行120°C的烘烤以除去部分膠內(nèi)的溶劑，利于曝光線條的整齊。采用NIKON光刻機(jī)對光敏聚酰亞胺進(jìn)行曝光過程，經(jīng)過曝光的襯底送到自動(dòng)顯影軌道進(jìn)行膠的顯影，顯影液為標(biāo)準(zhǔn)的正膠顯影液TMAH。顯影后的光敏聚酰亞胺圖形呈現(xiàn)出雙橋墩孔圖案，如圖3-C所示。隨后將聚酰亞胺薄膜放置在用惰性保護(hù)的退火烘箱中進(jìn)行亞胺化處理，亞胺化溫度設(shè)置為階段上升，最高溫度在250°C?400°C，恒溫時(shí)間為30?120min，亞胺化后的聚酰亞胺厚度為2 μ m。
[0050]采用AZ5214光刻進(jìn)行金屬鋁緩沖層圖形的制備。首先將AZ5214光刻膠旋轉(zhuǎn)涂覆在襯底表面，然后進(jìn)行掩膜曝光，曝光完成后用熱板烘烤(110°C，1.5min)讓曝光部分光刻膠發(fā)生變化，繼而進(jìn)行泛曝光進(jìn)程，然后顯影得到需要?jiǎng)冸x的圖案。采用磁控濺射法制備金屬鋁薄膜，鋁薄膜的厚度為0.5μπι。然后用丙酮溶液在超聲條件下進(jìn)行光刻膠的剝離。剝離后再片面留下如圖3-D所示的鋁緩沖層圖形。
[0051]采用PECVD設(shè)備及混頻濺射技術(shù)制作低應(yīng)力的氮化硅支撐層，制備氮化硅層的厚度為0.2 μπι。然后對該層薄膜進(jìn)行光刻和刻蝕，刻蝕出支撐橋面和紅外屏蔽結(jié)構(gòu)支撐層下部的圖形。該層氮化硅在橋墩處的圖形部分覆蓋率緩沖層圖案，如圖3-Ε所示。
[0052]采用ΑΖ5214光刻膠進(jìn)行NiCr頂部電極圖形的制備。首先將ΑΖ5214光刻膠旋轉(zhuǎn)涂覆在制備完襯底支撐層的襯底表面，然后進(jìn)行掩膜曝光，曝光完成后再用熱板烘烤(110°c，
1.5min)然曝光部分的膠發(fā)生變化，繼而進(jìn)行泛曝光進(jìn)程，然后顯影得到需要?jiǎng)冸x的圖案。采用磁控濺射法制備NiCr薄膜，NiCr薄膜的厚度為0.5 μ m。然后用丙酮也在超聲條件下進(jìn)行光刻膠的剝離。剝離后再片面留下如圖3-F所示的NiCr電極圖形。該圖形與底層電路接口相連。
[0053]在制備好電極引線后，用濺射設(shè)備制備氧化釩薄膜用作太赫茲波的敏感層。濺射時(shí)控制濺射功率為100?500W，氧分壓為0.5%?10%，濺射時(shí)間為5?60min，退火溫度為200?600°C。制備的氧化釩薄膜的相變溫度為20?60°C，厚度為0.1 μ m。然后對該層氧化釩薄膜進(jìn)行光刻和刻蝕，刻蝕出如圖3-G所示的上層氧化釩薄膜圖形。
[0054]在制備好氧化釩薄膜后，再采用PECVD設(shè)備及混頻濺射技術(shù)制作低應(yīng)力的氮化硅保護(hù)層保護(hù)氧化釩薄膜，制備氮化硅層的厚度為0.1 μ m。然后對該層薄膜進(jìn)行光刻和刻蝕，刻蝕出橋面的圖形。該層氮化硅在橋面處的圖形，如圖3-H所示。
[0055]在保護(hù)層氮化硅上用AZ5214光刻膠進(jìn)行頂層金屬的十字架圖的制備，然后用金屬熱蒸發(fā)法制備金屬圖形，薄膜的厚度為0.1 μ m，最后用丙酮也在超聲條件下進(jìn)行光刻膠的剝離，剝離后再片面留下金屬的十字架圖形，如圖3-1所示。
[0056]制備好金屬圖形后，再次對整個(gè)器件進(jìn)行第二次犧牲層的制作。用自動(dòng)涂膠軌道進(jìn)行光敏聚酰亞胺(犧牲層)的涂覆，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)聚酰亞胺薄膜的厚度，對涂覆的光敏聚酰亞胺進(jìn)行120°C下的烘烤以除去部分膠內(nèi)的溶劑，利于曝光線條的整齊。采用NIKON光刻機(jī)對光敏聚酰亞胺進(jìn)行曝光過程，經(jīng)過曝光的襯底送到自動(dòng)顯影軌道進(jìn)行膠的顯影，顯影液為標(biāo)準(zhǔn)的正膠顯影液TMAH。顯影后的光敏聚酰亞胺圖形呈現(xiàn)出橋墩孔圖案，且在橋墩孔底部露出紅外屏蔽結(jié)構(gòu)支撐層底部的上端，如圖3-1所示。隨后將聚酰亞胺薄膜放置在用惰性保護(hù)的退火烘箱中進(jìn)行亞胺化處理，亞胺化溫度設(shè)置為階段上升，最高溫度在250°C?400°C，恒溫時(shí)間為30?120min，亞胺化后的聚酰亞胺厚度為3 μ m。
[0057]采用PECVD設(shè)備及混頻濺射技術(shù)制作低應(yīng)力的氮化硅支撐層，制備氮化硅層的厚度為0.2 μ m,將此氮化娃支撐層與底層紅外屏蔽結(jié)構(gòu)支撐層連接起,形成紅外屏蔽結(jié)構(gòu)支撐層，如圖3-J所示。
[0058]在紅外屏蔽結(jié)構(gòu)支撐層上用AZ5214光刻膠進(jìn)行頂層金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖形掩膜的制備，然后用金屬熱蒸發(fā)法制備金屬圖形，薄膜的厚度為0.1 μ m，最后用丙酮也在超聲條件下進(jìn)行光刻膠的剝離，剝離后再片面留下金屬的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖形，如圖3-K所示。
[0059]用氧氣等離子體轟擊器件，將已經(jīng)亞胺化的光敏聚酰亞胺(犧牲層)去除，形成具有氮化硅橋面支撐結(jié)構(gòu)的紅外屏蔽太赫茲輻射探測單元，該探測單元的剖面示意圖如圖3-M所示。
【權(quán)利要求】
1.一種集成紅外屏蔽結(jié)構(gòu)的太赫茲波室溫探測單元，用于太赫茲波段的探測成像，其特征在于:結(jié)構(gòu)包括頂層、第二層、底層；頂層為紅外屏蔽結(jié)構(gòu)，第二層為復(fù)合薄膜微橋橋面，底層為一個(gè)厚金屬平面；頂層與第二層之間為頂層紅外屏蔽犧牲層(30)，第二層與底層之間為底層犧牲層(23)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成紅外屏蔽結(jié)構(gòu)的太赫茲波室溫探測單元，其特征在于:頂層的紅外屏蔽結(jié)構(gòu)由金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)層(33)和紅外屏蔽支撐層(32)構(gòu)成；金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)層(33)是由金屬薄膜形成的柵格或網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，，該網(wǎng)格結(jié)構(gòu)制作在紅外屏蔽支撐層(32)之上；紅外屏蔽支撐層(32)制作于頂層紅外屏蔽犧牲層(30)之上；該紅外屏蔽結(jié)構(gòu)與紅外屏蔽結(jié)構(gòu)底部支撐層(31)相連，并受到紅外屏蔽結(jié)構(gòu)底部支撐層(31)的支撐作用形成空腔結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成紅外屏蔽結(jié)構(gòu)的太赫茲波室溫探測單元，其特征在于:所述復(fù)合薄膜微橋橋面位于頂層紅外屏蔽犧牲層(30)和底層犧牲層(23)之間，其由上到下主要包括頂層吸收層(29)、鈍化保護(hù)層(28)、敏感層(27)、頂部電極(26)、支撐層(25)；所述頂層吸收層(29)為亞波長結(jié)構(gòu)金屬圖形的方形十字架結(jié)構(gòu)電磁諧振器；其長度決定吸收器的諧振頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成紅外屏蔽結(jié)構(gòu)的太赫茲波室溫探測單元，其特征在于:所述底層厚金屬平面位于襯底讀出電路(21)和底層犧牲層(23)之間，形成太赫茲波的反射；讀出電路(21)及與微橋結(jié)構(gòu)的接口(22)設(shè)于襯底(I)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成紅外屏蔽結(jié)構(gòu)的太赫茲波室溫探測單元，其特征在于:所述的頂層金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)材料為金、鋁、鈦、銅、鎳或鉻及其合金；金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)厚度為0.05~0.15 μ m,長度和寬度為3-8 μ m ;金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在紅外波段透過率為不超過0.08 %，在l-5THz波段透過率不少于80%，在2-3THz波段透過率不少于90%。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的集成紅外屏蔽結(jié)構(gòu)的太赫茲波室溫探測單元，其特征在于，所述的方形十字架結(jié)構(gòu)材料為金、鋁、鈦、銅、鎳或鉻及其合金；所述方形十字架結(jié)構(gòu)的厚度為0.05~0.15 μ m,長度為30~80 μ m，寬為2~5 μ m，吸收太赫茲頻率為I~3THz中的特定頻點(diǎn)，且在該頻點(diǎn)的吸收效率超過95%，該頻點(diǎn)為中心帶寬為0.1THz吸收效率超過50%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成紅外屏蔽結(jié)構(gòu)的太赫茲波室溫探測單元，其特征在于，所述的頂層紅外屏蔽犧牲層(30)厚度為0.3-3μπι，底層犧牲層(23)厚度為0.3-2μπι;復(fù)合薄膜微橋橋面和底層犧牲層去除后形成的空腔一起構(gòu)成高度為1.5-3 μ m諧振腔。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成紅外屏蔽結(jié)構(gòu)的太赫茲波室溫探測單元，其特征在于，底層厚金屬平面的厚度大于0.3 μ m，金屬材料為金、鋁、鈦、銅、鎳或鉻及其合金，金屬表面粗糙度低于0.01 μ m。
9.一種制備權(quán)利要求1-8任一所述集成紅外屏蔽結(jié)構(gòu)的太赫茲波室溫探測單元的方法，其特征在于，包括以下步驟: ①在帶有驅(qū)動(dòng)電路的底層反射層上生長底層犧牲層，采用光刻刻蝕工藝圖形化底層犧牲層，使底層犧牲層圖案邊緣的斷面形狀呈現(xiàn)正梯形形狀，露出驅(qū)動(dòng)電路的電路接口，其中底層犧牲層的材料為聚酰亞胺、二氧化硅或氧化的多孔硅和磷硅玻璃； ②在已有底層犧牲層圖案的襯底上用AZ5214光刻制備金屬鋁緩沖層圖形，然后用磁控濺射法制備金屬鋁薄膜，鋁薄膜的厚度在0.3~1.5μπι范圍內(nèi)，最后用丙酮溶液在超聲條件下進(jìn)行光刻膠的剝離，剝離后在片面留下鋁緩沖層圖形； ③在步驟②所得的器件上用PECVD設(shè)備及混頻濺射技術(shù)制作低應(yīng)力的氮化硅支撐層，制備氮化硅層的厚度范圍在0.2~I μ m范圍內(nèi)，然后對該層薄膜進(jìn)行光刻和刻蝕，刻蝕出支撐橋面圖形和紅外過濾屏蔽支撐層底部的圓柱，露出電極接口 ； ④在步驟③所得的器件上進(jìn)行微橋頂部電極圖形的制備；用磁控濺射法制備NiCr薄膜，NiCr薄膜的厚度在0.05~I μ m范圍內(nèi)，用丙酮也在超聲條件下進(jìn)行光刻膠的剝離，剝離后在片面留下NiCr電極圖形，要求頂部電極層與電極接口電連接； ⑤在已制備微橋電極層的襯底上用濺射設(shè)備制備敏感層薄膜，厚度為0.005-0.1 μ m,然后對該層敏感層進(jìn)行光刻和刻蝕，刻蝕出所需的薄膜圖形； ⑥在薄膜圖形上用PECVD設(shè)備及混頻濺射技術(shù)制作低應(yīng)力的氮化硅保護(hù)層，制備氮化硅層的厚度范圍在0.1~Iym范圍內(nèi)，然后對該層薄膜進(jìn)行光刻和刻蝕，刻蝕出橋面的圖形； ⑦保護(hù)層氮化硅上用AZ5214光刻膠進(jìn)行頂層的方形十字架圖形的制備，然后用金屬熱蒸發(fā)法制備金屬圖形，圖形的厚度在0.05~0.15 μ m范圍內(nèi)，最后用丙酮也在超聲條件下進(jìn)行光刻膠的剝離，剝離后在片面留下金屬的方形十字架圖形； ⑧在步驟⑦所得的器件上繼續(xù)生長犧牲層，犧牲層厚度為0.3~3μπι，同步驟①進(jìn)行頂層犧牲的圖形化，并露出步驟③中支撐反射層底部圓柱形部分； ⑨在步驟⑧所得器件上使用PECVD設(shè)備及混頻濺射技術(shù)再次進(jìn)行低應(yīng)力氮化硅支撐層制備，其厚度范圍在0.2~I μ m，然后對該層薄膜進(jìn)行光刻和刻蝕，刻蝕出支撐紅外屏蔽層的圖形； ⑩在氮化硅支撐層上進(jìn)行紅外屏蔽層金屬圖形的制備，然后用磁控濺射法或蒸發(fā)法制備金屬薄膜，其厚度在0.05~0.1 μπι范圍，采用半導(dǎo)體工藝或剝離工藝實(shí)現(xiàn)金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)； 用氧氣等離子體轟擊器件釋放犧牲層，形成微橋結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行封裝形成探測單元。
【文檔編號】H01L31/101GK104078526SQ201410317837
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月14日
【發(fā)明者】王軍, 吳雪飛, 張也馳, 茍君, 吳志明, 蔣亞東 申請人:電子科技大學(xué)