專利名稱：紅外探測器的制作方法
一種紅外探測器屬于半導(dǎo)體微電子技術(shù)領(lǐng)域。
從原理上講，本發(fā)明紅外探測器屬于熱探測器的氣動探測器領(lǐng)域。目前，傳統(tǒng)的氣動紅外探測器如高萊(Golay cell)探測器(見

圖1)采用以下結(jié)構(gòu)，它主要包括有透紅外窗口3、熱容量很小的吸收薄膜4、氣室、柔鏡2及光學(xué)系統(tǒng)。氣室通過一管道與柔鏡2相通，柔鏡2是一個背面鍍有反射層的軟薄層，光學(xué)系統(tǒng)包括有光柵5、可見光源6、反射鏡7及光電二極管8。當(dāng)紅外輻射1投射到吸收薄膜4時，吸收膜4被加熱，并將熱量傳給氣體，使氣體溫度和壓力升高，從而推動柔鏡2擴(kuò)張，柔鏡2的這一微小變化通過光學(xué)系統(tǒng)反映給光電二極管8并用光電二極管來指示柔鏡的微小變化。這樣，通過光電二極管指示的變化，便可得知紅外輻射的強(qiáng)弱。該探測器存在著如下一些缺點(1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不牢固。(2)做成小面積不容易。(3)對不同波段的紅外輻射沒有選擇性，不能滿足使用需要。(4)響應(yīng)時間長，靈敏度不高。(5)光學(xué)系統(tǒng)較昂貴。
本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種制造成本低、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可對不同波段的紅外輻射進(jìn)行選擇性檢測并且響應(yīng)速度快、探測靈敏度高的新型紅外探測器。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的紅外探測器建立在一種全新的工作機(jī)理基礎(chǔ)上，它是采用傳統(tǒng)硅IC工藝及硅微機(jī)械的方法設(shè)計出的一種和IC工藝兼容的全新硅基紅外探測器，它主要包括有硅基襯底、設(shè)在硅基襯底上并充有對特定波段紅外線具有較強(qiáng)吸收性的特殊氣體的密閉腔、覆蓋于密閉腔上的透紅外窗口薄膜及形變薄膜、及測量形變薄膜形變的元件。以上結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計思想及制作工藝如下整個探測器是在硅基襯底上實現(xiàn)，即在硅上腐蝕一個腔，在腔上用犧牲層技術(shù)或其它技術(shù)覆蓋上一層透紅外窗口薄膜及形變薄膜，然后根據(jù)探測的波段在腔中充入一種對特定波段紅外線具有較強(qiáng)吸收性的特殊氣體，并對上述腔進(jìn)行密封，最后做上測量形變的元件。這樣，本發(fā)明紅外探測器工作時，透過透紅外窗口薄膜，密閉腔內(nèi)的特殊氣體吸收特定波段的紅外輻射后受熱膨脹，產(chǎn)生的壓力導(dǎo)致形變薄膜產(chǎn)生形變，進(jìn)而引起與薄膜形變有關(guān)的參量變化，通過測量這些參量的變化，便可達(dá)到間接探測紅外輻射的目的。
本發(fā)明上述測量形變薄膜形變的元件可以為一可變電容，它通過在密閉腔的形變薄膜上做一極板、在密閉腔相對形變薄膜的另一面做另一極板而構(gòu)成。通過以上結(jié)構(gòu)，在密閉腔上下兩面之間形成一可變電容器，這樣當(dāng)密閉腔內(nèi)的特殊氣體吸收特定波段的紅外輻射后受熱膨脹，產(chǎn)生的壓力導(dǎo)致形變薄膜產(chǎn)生形變，從而導(dǎo)致電容器上下極板間距發(fā)生變化，引起電容器電容量的變化，通過測量形變導(dǎo)致的電容量的變化，來達(dá)到間接探測紅外輻射的目的。當(dāng)然，通過測量由薄膜形變而引起的其它參量的變化(如在形變薄膜上做一變電阻或其它與形變有關(guān)的量等)，同樣也可達(dá)到本發(fā)明的目的。
本發(fā)明上述密閉腔中，可根據(jù)對不同波段紅外輻射檢測的使用需求，而選擇性地充入不同的特殊氣體，該氣體對所要檢測波段的紅外線具有較強(qiáng)吸收性、而對其它波段紅外線的吸收性與所要檢測波段紅外線吸收性相比可以忽略。這樣，由于選擇不同氣體而形成的對不同波段紅外輻射的探測選擇性，可制成不同波段的紅外探測器。另外，上述特殊氣體還可以為多種在某波段具有相似特性的氣體的混合，并可以用中性氣體如Ar、He進(jìn)行稀釋。
從整體結(jié)構(gòu)上，本發(fā)明的紅外探測器，既可采用單個紅外探測器結(jié)構(gòu)，也可采用多個紅外探測器的并聯(lián)組合結(jié)構(gòu)，或多個紅外探測器的其它組合形式。同樣，所述充有特殊氣體的密閉腔結(jié)構(gòu)也可以用不同的結(jié)構(gòu)形式在硅基襯底上實現(xiàn)。另外，所述透紅外窗口薄膜、形變薄膜既可采用不同材料，也可采用同一種材料(如多晶硅膜或單晶硅膜)，并且透紅外窗口薄膜也可兼做形變薄膜(即透紅外窗口薄膜和形變薄膜可采用既可透紅外又可實現(xiàn)形變功能的同一器件)。再則，當(dāng)探測波段在5～13μm時，所述的特殊氣體可選用氟乙烯。
本發(fā)明由于采用了一種密閉腔式結(jié)構(gòu)，在密閉腔中充入一種特殊氣體(具有選擇性吸收紅外輻射特性的氣體)，該氣體對某特定波段的紅外線有明顯的吸收，而對其它波段的紅外吸收很弱，所以在這一波段氣體吸收紅外輻射后受熱膨脹所產(chǎn)生的壓力要明顯大于其它波段，因而在這一波段引起的薄膜的形變要明顯大于其它波段，體現(xiàn)在所要檢測的物理量(如電容上為電容值)有明顯的變化，通過測量這些物理量的變化，便可達(dá)到間接探測紅外輻射的目的。這樣，根據(jù)不同需要，在密閉腔中選擇性地充入不同的氣體，便可制成檢測不同波段紅外輻射的探測器，實現(xiàn)對不同波段的紅外輻射的選擇性檢測。另外，本發(fā)明不象傳統(tǒng)的氣動探測器(如高萊管)那樣通過輻照使吸收膜先加熱，然后吸收膜把熱量傳給氣室中的普通氣體，使氣體受熱膨脹產(chǎn)生壓力，而是直接由對特定波段紅外線具有較強(qiáng)吸收性的氣體(如氟乙烯)吸收紅外輻射，使氣體受熱膨脹產(chǎn)生壓力，這樣避免了輻照使吸收膜加熱這樣一個慢過程，無疑縮短了響應(yīng)時間，加快了響應(yīng)速度。所選擇的特殊氣體能引起紅外吸收的前提是這種特殊氣體(如氟乙烯)分子的轉(zhuǎn)動和振動能引起偶極矩的變化，因而能引起紅外吸收，普通氣體如氫氣、氮氣、氧氣等沒有沒有偶極矩和偶極矩的變化，因而對紅外輻射沒有響應(yīng)，即其紅外吸收率為零，因此傳統(tǒng)的氣動探測器只有借助吸收膜，紅外輻照先將吸收膜加熱，然后吸收膜再將熱量傳給普通的氣體，使氣體的溫度和壓力增大，這無疑增大了響應(yīng)時間。其次，由于本發(fā)明是在硅基底上實現(xiàn)的，它利用的是傳統(tǒng)的IC平面工藝和硅微機(jī)械的方法，因此體積小、可靠性高、成本低、利于批量生產(chǎn)，它是紅外探測器和硅工藝的結(jié)合，是半導(dǎo)體紅外探測器，它為紅外探測器的小型化開辟了一條道路。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1)具有一般熱探測器室溫下可正常工作的特點，無需制冷。
2)具有光子探測器的選擇吸收性，通過對不同氣體的選擇可制成不同波段的紅外探測器。
3)響應(yīng)速度較快，探測靈敏度高。
4)與現(xiàn)有硅工藝兼容且工藝簡單，成本低。
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖1高萊探測器示意圖；圖2本發(fā)明一個具體實施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖(以電容式測量元件為例)；圖3圖2的剖視圖(正視)。
實施例如圖2、圖3所示，分別為采用本發(fā)明而設(shè)計的紅外探測器的一個具體實施例的整體結(jié)構(gòu)及剖視圖，它為一個單元硅基紅外探測器，從圖中可見，它主要包括有硅基襯底14，制作在硅基襯底上的密閉腔13(氣室)，覆蓋于密閉腔上方的透紅外窗口薄膜10(同時也是形變薄膜)，分別在密閉腔兩面淀積的上、下電極9、11(電極可采用Al、Au等金屬及硅擴(kuò)散層制作而成)，及密封填充區(qū)12，密閉腔內(nèi)充有特殊氣體(如氟乙烯)。其中，所述透紅外窗口薄膜可采用多晶硅膜，所述密封填充區(qū)可由聚酰亞胺、光刻膠、或其它粘結(jié)劑構(gòu)成。通過上述結(jié)構(gòu)，在密閉腔的上下電極之間形成一可變電容器，可變電容器的上極板即可變形板由多晶硅膜及金屬電極組成。使用時，透過透紅外窗口薄膜(同時也是形變薄膜)，密閉腔內(nèi)的特殊氣體吸收特定波段的紅外輻射后受熱膨脹，產(chǎn)生的壓力導(dǎo)致透紅外窗口薄膜產(chǎn)生形變，導(dǎo)致電容器上下極板間距發(fā)生變化，引起電容器電容量的變化，通過測量形變導(dǎo)致的電容量的變化，便可達(dá)到間接探測紅外輻射的目的。
如前所述，除采用本實施例所示的單元硅基紅外探測器結(jié)構(gòu)外，本發(fā)明的紅外探測器也可做成多個單元硅基紅外探測器的并聯(lián)組合結(jié)構(gòu)或其它組合結(jié)構(gòu)。另外，本發(fā)明的密閉腔、覆蓋膜及電極等元件之間也可采用其它的連接方式或結(jié)構(gòu)，從而在它們之間形成一個以充有特殊氣體的密閉腔為主要部件的其它可變參量元件(如可變電阻等)的結(jié)構(gòu)，這樣，通過測量由于密閉腔內(nèi)特殊氣體吸收紅外輻射后的壓力變化進(jìn)而引起的這些可變參量元件的參量變化，來達(dá)到對一定波段的紅外探測目的，以上這些結(jié)構(gòu)變型都不脫離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1．一種紅外探測器，其特征在于它主要包括有硅基襯底、在硅基襯底上制作并充有對特定波段紅外線具有較強(qiáng)吸收性的特殊氣體的密閉腔、覆蓋于密閉腔上的透紅外窗口薄膜及形變薄膜、及測量形變薄膜形變的元件。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外探測器，其特征在于所述測量形變薄膜形變的元件為一可變電容，它通過在密閉腔的形變薄膜上做一極板、在密閉腔相對形變薄膜的另一面做另一極板而構(gòu)成。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外探測器，其特征在于所述測量形變薄膜形變的元件也可為在形變薄膜上制作的電阻或與形變有關(guān)的其它量。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外探測器，其特征在于根據(jù)探測波段的不同，可在密閉腔中充入不同的特殊氣體，該氣體對所要檢測波段的紅外線具有較強(qiáng)吸收性、而對其它波段紅外線的吸收性與所要檢測波段紅外線吸收性相比可以忽略。
5．根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的紅外探測器，其特征在于所述特殊氣體可以為多種在某波段具有相似特性的氣體的混合。
6．根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的紅外探測器，其特征在于所述特殊氣體可以用中性氣體如Ar、He進(jìn)行稀釋。
7．根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的紅外探測器，其特征在于所述特殊氣體在探測波段在5～13μm時可選用氟乙烯。
8．根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外探測器，其特征在于所述透紅外窗口薄膜和形變薄膜可采用既可透紅外又可實現(xiàn)形變功能的同一器件。
9．根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的紅外探測器，其特征在于所述透紅外窗口薄膜為多晶硅膜或單晶硅膜。
10．根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外探測器，其特征在于可采用多個紅外探測器的并聯(lián)組合結(jié)構(gòu)，或多個紅外探測器的其它組合形式。
全文摘要
一種紅外探測器包括有硅基襯底、充有特殊氣體的密閉腔、覆蓋于密閉腔上的透紅外窗口薄膜及形變薄膜、及測量元件等。它利用特殊氣體對某一波段紅外線的較強(qiáng)吸收性,當(dāng)該氣體吸收該波段紅外輻射后受熱膨脹產(chǎn)生的壓力作用于覆蓋膜上時,覆蓋膜產(chǎn)生形變導(dǎo)致與之相特殊氣體對某一波段紅外線的較強(qiáng)吸收性,當(dāng)該氣體吸收該波段紅外輻射后受熱膨脹產(chǎn)生的壓力作用于覆蓋膜上時,覆蓋膜產(chǎn)生形變導(dǎo)致與之相關(guān)的參量變化,通過測量該參量的變化來探測紅外輻射。本發(fā)明能有效地在室溫下檢測某一波段的紅外輻射,并具有成本低、體積小、靈敏度高等特點,廣泛用于預(yù)警、空間技術(shù)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
文檔編號H01L23/18GK1233855SQ99100398
公開日1999年11月3日 申請日期1999年1月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月28日
發(fā)明者沈光地, 鄒德恕, 董欣, 高國, 陳建新, 杜金玉, 孫澤長, 韓金茹, 劉瑩 申請人:北京工業(yè)大學(xué)