具有改進(jìn)性能的微測熱輻射計陣列的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是有關(guān)對給定光譜帶的光輻射進(jìn)行熱探測的微測熱輻射計陣列，包括一個支撐襯底和給定規(guī)模的微測熱輻射計陣列（300），排列成陣列。每一個上述的微測熱輻射計包括一個懸掛于上述支撐襯底之上的隔膜（301），所述隔膜包括一個吸收入射輻射的元件（305）和一個與吸收器熱接觸的測溫元件（304），與上述吸收元件電絕緣。吸收元件包括至少一個第一金屬/絕緣體/金屬（MIM）結(jié)構(gòu)，包括多個三層亞微細(xì)粒厚度的膜，即，第一金屬膜（311），電介質(zhì)膜（310），和第二金屬膜（309），上述MIM結(jié)構(gòu)具有對上述光譜帶中的至少一種波長的入射輻射的諧振吸收。微測熱輻射計像素被上述隔膜（301）覆蓋的區(qū)域小于或等于整個微測熱輻射計像素區(qū)域的一半。
【專利說明】具有改進(jìn)性能的微測熱輻射計陣列
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有改進(jìn)性能的微測熱輻射計陣列，尤其在檢測紅外輻射方面?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]非制冷紅外探測器數(shù)十年來都是大力度研究和發(fā)展的主題。在這種探測器中，目前電阻微測熱輻射計的市場，尤其在民用設(shè)施(家用電子產(chǎn)品，司機(jī)或飛行員輔助設(shè)備，夜視裝置，火災(zāi)調(diào)查等)領(lǐng)域大量增長。電阻微測熱輻射計特別適用于紅外波段的探測，尤其適用于波段III (8-12 μ m)的探測，對應(yīng)光譜帶之一，在大氣中傳播使得物體在室溫發(fā)射的或者生物發(fā)射的熱量能被觀察到。
[0003]準(zhǔn)備用于攝像機(jī)的微測熱輻射計陣列可以以一排探測元件的形式制造，在其余描述部分被稱作“微測熱輻射計像素”。微測熱輻射計陣列本來用于紅外熱成像(波長在紅外波段II和III，分別是3-5 μ m和8_12 μ m)。相比于量子探測器為基礎(chǔ)的成像器，他們具有兩大優(yōu)勢。一方面，他們在室溫條件運作，可以減少利用他們的照相機(jī)的相當(dāng)一部分制備成本和運作成本。另一方面，他們的制備技術(shù)與硅系微電子兼容，從而允許陣列直接在用CMOS技術(shù)生產(chǎn)的讀出電路上制造。顯微技術(shù)和直接連接到讀出電路使得生產(chǎn)大型微測熱輻射計陣列(一般是1024X768)成本非常低。通過結(jié)合這兩種優(yōu)勢，微測熱輻射計陣列使紅外成像比基于量子探測器的成像器成本低很多。因此，目前市場上的微測熱輻射計陣列是用比較成熟的技術(shù)制造的，該技術(shù)將從這些微測熱輻射計陣列的本質(zhì)能力獲得的性能用到極致。具體的，他們可以吸收超過90%以上8-12 μ m波段的入射輻射，并且他們的填充因數(shù)，例如敏感區(qū)與探測器陣列的總區(qū)域之比，接近100%。盡管具有這些性能，微測熱輻射計陣列與制冷技術(shù)相比的劣勢在于他們有限的敏感度和較慢的反應(yīng)時間。
[0004]圖1A，IB和IC是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中的微測熱輻射計像素的示意圖。
[0005]如圖1A所示，微測熱輻射計像素100主要包括形成吸收器/熱敏電阻組合的隔膜101，伴隨有吸收元件和一個與吸收元件良好熱接觸的測溫元件或者熱敏電阻，支撐襯底103，隔膜101懸掛在襯底103上方。其還包括熱絕緣臂106和導(dǎo)電連接元件114以將測溫元件與支撐襯底上的襯墊115電連接。該支撐襯底，例如由硅材料制成，為微測熱輻射計像素提供機(jī)械硬度并且包括電路(沒有在圖1中顯示)來偏置和讀取測溫元件的電阻。該吸收器/熱敏電阻組合用固定元件懸掛在支撐襯底103的上方，該固定元件在圖1示例中也是電連接元件114。吸收入射光子流量會增加吸收器的溫度。熱敏電阻能夠?qū)崿F(xiàn)對于這種溫度變化的電測量。對于給定的光子通量，將吸收器/熱敏電阻組合與其支撐襯底熱絕緣(通過熱絕緣臂和吸收器/熱敏電阻組合周圍的隔熱真空)可以通過增加吸收器/熱敏電阻單元的溫度增長來增加器件的敏感度。
[0006]圖1B和IC分別顯示了另一現(xiàn)有微測熱輻射計像素的俯視圖和剖視圖。形成吸收器/熱敏電阻單元的隔膜101通過固定元件(未示出)懸掛在襯底103上方，熱絕緣臂106形成連接到支撐襯底上的襯墊115的電連接元件。在這個例子中，形成吸收器/熱敏電阻單元的隔膜101包括在一邊的一個吸收元件105 (圖1C)和，在另一邊的與吸收器非常良好熱接觸的熱敏元件104。該吸收器在傳統(tǒng)技術(shù)中包括一種金屬膜。該熱敏電阻一般是選擇隨溫度具有明顯電阻率變化的材料例如氧化釩(VOx)或非晶硅(a-Si)材料制備的電阻。該熱絕緣臂是例如低熱導(dǎo)率機(jī)電連接裝置，將吸收器/熱敏電阻組合懸在隔熱真空中。
[0007]在微測熱輻射計陣列中的每個微測熱輻射計像素接著與它的相鄰的器件通過電熱絕緣邊分開。從而該微測熱輻射計像素對于經(jīng)過其某些區(qū)域的入射光子通量不敏感，包括熱絕緣臂，與支撐襯底電連接的元件和絕緣邊。對于入射通量不敏感區(qū)域的存在對微測熱輻射計像素的敏感度影響由填充因數(shù)給出，在本描述中由吸收區(qū)域的面積107 (在圖1B示例中的形成吸收/熱敏電阻單元的隔膜膜101)與微測熱輻射計像素的總區(qū)域的面積(在圖1B中由框113表示)的比例定義。
[0008]可以看出，大致上的，溫度變化AT (K)在入射通量作用下將測溫元件穩(wěn)態(tài)溫升量化，微測熱輻射計像素的反應(yīng)時間τ (秒)可通過以下公式得出:
[0009]Δ T= n.A.Rth.P (公式 I)
[0010]τ =Cth.Rth (公式 2)
[0011]其中η的值在O到I之間，是吸收元件吸收的入射光能量的比例，P是光功率流(ff/m2), A是隔膜面積，Cth是測溫元件的熱容量(J/K)，Rth是所有熱連接測溫元件和支撐襯底的元件尤其是熱絕緣臂的熱阻(K/W)。
[0012]溫度變化Λ T在入射通量作用下將隔膜的溫升量化。其通過熱敏電阻轉(zhuǎn)化成電信號。測得的電信號因此與微測熱輻射計像素的吸收區(qū)域上的光功率流成正比，稱為微測熱輻射計像素的“反應(yīng)”， 與熱阻Rth成正比。微測熱輻射計像素的敏感度，代表可測出的最小光通量差，取決于反應(yīng)的第一近似值。增加熱阻Rth從而增加敏感度，不利于反應(yīng)時間，反應(yīng)時間也有所增加。
[0013]首先，微測熱輻射計像素的設(shè)計因此是其面積分割之間的折衷，在形成吸收器/熱敏電阻單元的隔膜的面積和由多種熱絕緣元件(例如熱絕緣臂和絕緣邊)形成的“熱絕緣”面積之間。具體的，吸收的光功率流通過增加吸收器/熱敏電阻膜的面積(公式I中的PXA的乘積)而增加，但是較差的熱絕緣(低Rth)導(dǎo)致一個很小的溫度上升。一個相矛盾的情況，熱絕緣占據(jù)大空間會更加有效，但是吸收的光子數(shù)會減小。設(shè)計微測熱輻射計還會受到需要將其他非吸收部分(如電連接元件)的面積最小化的約束。因此，最先進(jìn)的具有小于20 μ m的像素的微測熱輻射計陣列目前對于紅外在大約45mK的敏感度的填充因數(shù)接近100% (例如參見J.L.Tissot具有17 μ m像素間距的高性能非致冷非晶硅VGA IRFPA “Highperformance Uncooled amorphous silicon VGA IRFPA withl7 μ m pixel-pitch，，，SPIE進(jìn)程第 7660 卷 76600T-1(2010) “Proceedings of SPIE Vol.766076600T-1 (2010)，，)。
[0014]已知將形成吸收器/熱敏電阻單元的隔膜放置于聚鏡子102距離為Cl=AciA的位置，λ ^是光檢測波段的中心波長，以形成四分之一波長諧振腔達(dá)到高吸收，一般可以獲得8到12 μ m大氣傳播波段III整體的90%。這種設(shè)備在例如專利申請W02002/055973中有所描述，該申請公開了一種具有寬光譜吸收波段的微測熱輻射計陣列。
[0015]相反的，Maier等2009年文章(波長可調(diào)諧的微測輻射熱計與超材料吸收器“Wavelength-tunable microbolometers with metamaterial absorbers，，，光學(xué)快報34卷第19 “Optics letters, Vol.34, N0.19”)描述了一種具有控制光譜選擇性的微測熱福射計陣列。該微測熱輻射計描述包括有一個在兩個氮化硅膜之間由非晶硅膜形成的測溫元件，該膜上覆蓋有一組吸收元件，由安排在二維陣列中的的方形金屬/絕緣體/金屬多層結(jié)構(gòu)組成并在紅外區(qū)域具有諧振吸收。該金屬/絕緣體/金屬(MM)多層結(jié)構(gòu)通過選擇每個吸收元件的橫向尺寸，可在所給光譜帶的波長條件激發(fā)等離子諧振，由此為微測熱輻射計陣列提供光譜選擇性。然而，達(dá)到光譜選擇性對敏感度不利，吸收被限制在入射輻射的光譜帶的一部分，并且對反應(yīng)時間不利，要加熱的熱質(zhì)量增加。
[0016]Maier等2010年的文章(多光譜的中紅外微測福射熱計“Multispectralmicrobolometers for the midinfrared”，光學(xué)快報 35 卷第 22, “Opticsletters, Vol.35，N0.22”)也描述了應(yīng)用等離子諧振的微測熱輻射計陣列。圖2顯示了在這篇文章中描述的在微測熱輻射計像素中形成吸收器/熱敏電阻單元的隔膜的示意圖。隔膜201包括測溫元件204和由MIM多層結(jié)構(gòu)形成的吸收元件205,其中吸收元件包括與測溫元件204相連的連續(xù)金屬層，絕緣層和頂金屬層，其橫向尺寸定義了諧振波長并由此定義了微測熱輻射陣列的光譜響應(yīng)。相比于Maier等2010年的文章，安排完全覆蓋像素區(qū)域的金屬連續(xù)層可以增加微測熱輻射計的吸收。然而，在整個像素區(qū)域的連續(xù)絕緣和金屬層的安置增加了熱質(zhì)量。此外，如Maier等2009年的文章，M頂諧振器減少了光譜過濾不利于微測熱輻射計像素的敏感度。
[0017]然而，目前像素尺寸達(dá)到波長的市場趨勢意味著微測熱輻射計陣列的敏感度非常重要。面對由于紅外成像應(yīng)用(家庭電子產(chǎn)品，夜視，火災(zāi)探測等)產(chǎn)生的新的限制，目前，針對敏感度和像素尺寸都十分需要增加微測熱輻射計陣列潛能的技術(shù)突破，同時保持其所有優(yōu)勢，尤其是其在室溫條件運作的能力和他們的低成本。
[0018]本發(fā)明的一個目的是提供一種微測熱輻射計陣列，其中MIM結(jié)構(gòu)吸收它的每個微測熱輻射計像素上的入射光子，并且其設(shè)計使得吸收器與入射波長的耦合徹底改進(jìn)，以使熱絕緣體占據(jù)的面積增加同時保持填充因數(shù)接近I。這種概念性的突破使得光吸收和熱絕緣之間的折衷以及質(zhì)量可以重新定義以此提高微測熱輻射計陣列的靈敏度和/或反應(yīng)時間。本發(fā)明的另一個目的是為了制備出非常小尺寸的微測熱輻射計陣列像素(一般大約一個波長)，因為如果想要較好的靈敏度利用目前的技術(shù)不可能達(dá)到這種像素尺寸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及一種用來對于給定光譜帶的光輻射進(jìn)行熱探測的微測熱輻射計，包括一個支撐襯底和具有給定尺寸的微測熱輻射計像素陣列，其中每個微測熱輻射計像素包括:
[0020]利用支持元件懸掛于支撐襯底上方的隔膜，該隔膜由吸收入射輻射的元件和與該吸收器熱接觸的測溫元件組成，與上述吸收器元件電絕緣；
[0021]將上述測溫元件與支撐襯底導(dǎo)電連接的元件；
[0022]設(shè)置于測溫元件和襯底之間的熱絕緣臂；
[0023]并且其中:
[0024]吸收元件包括至少一個第一金屬/絕緣體/金屬(MM)結(jié)構(gòu)，包括多個三層疊加的亞微細(xì)粒厚度的膜的多層結(jié)構(gòu)，即第一金屬膜、電介質(zhì)膜、和第二金屬膜，上述MM結(jié)構(gòu)具有對上述光譜帶中的至少一種波長的入射輻射的諧振吸收；并且
[0025]微測熱輻射計像素被上述隔膜覆蓋的區(qū)域小于或等于整個微測熱輻射計像素區(qū)域的一半。
[0026]對于耦合給定波長的最佳MM結(jié)構(gòu)的有效吸收面積比該結(jié)構(gòu)占據(jù)的實際面積大得多。通過選擇限制微測熱輻射計像素被隔膜覆蓋的面積到微測熱輻射計總面積的至少一半，熱絕緣體的面積增加了，吸收面積沒有減少。由此，在沒有增加反應(yīng)時間的情況下微測熱輻射計的敏感度增加了，測溫元件的質(zhì)量也被限制了。
[0027]此外，由于吸收器和測溫元件形成的隔膜的小覆蓋區(qū)使得可用空間增加，可以形成具有足夠長度的熱絕緣臂，顯著增加熱阻而由此增加微測熱輻射計的敏感度?；蛘撸梢詼p少熱絕緣臂的長度以限制反應(yīng)時間。
[0028]有利地，熱絕緣臂形成支撐膜的一部分。
[0029]它們也可以形成導(dǎo)電連接測溫元件的元件。
[0030]根據(jù)一個不同實施例，熱絕緣臂和/或每個微測熱輻射計像素的測溫元件形成在結(jié)構(gòu)膜中。
[0031]根據(jù)另一個不同實施例，同樣的膜可以用來形成熱絕緣臂和/或測溫元件。在這種情況下，有利地，形成熱絕緣臂的部分比形成測溫元件的部分具有更高電導(dǎo)率。這種更高的電導(dǎo)率是通過例如在膜局部摻雜獲得的。
[0032]根據(jù)另一個不同實施例，每個微測熱輻射計的測溫元件是蛇形結(jié)構(gòu)，其長度比寬度大很多，因此使得它對于總電阻的以及微測熱輻射計像素的敏感度的貢獻(xiàn)增加。
[0033]根據(jù)另一個不同實施例，每個微測熱輻射計像素的測溫元件包括一種材料或從非晶硅，釩基化合物和S1-Ge合金中選擇的多層材料。
[0034]根據(jù)另一個不同實施例，所有微測熱輻射計陣列的微測熱輻射計像素都相同。或者，微測熱輻射計像素可以彼此不同并且包括具有不同諧振波長的M頂結(jié)構(gòu)，為了獲得和多譜探測器和/或適合吸收具有不同偏振的入射波長。
[0035]根據(jù)另一個不同實施例，該至少一個微測熱輻射計像素的第一 MIM結(jié)構(gòu)大體位于微測熱輻射計像素的中間。它可以是例如實質(zhì)上方形結(jié)構(gòu)，其橫向尺寸由想要的吸收波長確定。有效吸收區(qū)域，約為波長的平方，大于MIM結(jié)構(gòu)的區(qū)域并可以調(diào)整到覆蓋微測熱輻射計像素的幾乎所有區(qū)域。因此可以生產(chǎn)一種微測熱輻射計陣列，其具有更小的像素，一般是波長的大小，具有足夠的空間保證熱絕緣，且微測熱輻射計陣列對入射波偏振不敏感。
[0036]根據(jù)另一個不同實施例，至少一個微測熱輻射計像素的吸收元件可以包括多個上述MIM結(jié)構(gòu)，安排在微測熱輻射計像素的表面。
[0037]例如，對于給定的微測熱輻射計像素，上述結(jié)構(gòu)都是相同的，并且分布在微測熱輻射計像素的整個區(qū)域。例如，MIM結(jié)構(gòu)是正方形，對理想吸收光譜的給定波長具有最佳吸收，使得更大的微測熱輻射計像素可以制備出來，所有MIM結(jié)構(gòu)的有效吸收面積使得所有或者幾乎所有微測熱輻射計像素的面積都被覆蓋。
[0038]或者，對于給定微測熱輻射計像素，上述MM結(jié)構(gòu)中至少兩個是不同的，可以在該入射輻射下在該光譜帶的至少兩個不同的波長處形成等離子諧振，從而使得微測熱輻射計像素的光譜響應(yīng)可以“成形”。
[0039]根據(jù)另一個不同實施例，該至少一個微測熱輻射計像素的吸收元件包括至少一個第二 MIM結(jié)構(gòu)，在該第一 MIM結(jié)構(gòu)上疊加，該第一和第二結(jié)構(gòu)可以在該光譜帶的至少兩個不同波長處具有入射輻射的諧振，并且共享一個共同的金屬膜。這種配置使得微測熱輻射計像素的光譜響應(yīng)成形，甚至在小像素的情況下，該結(jié)構(gòu)在例如像素中間疊加。
[0040]MIM結(jié)構(gòu)有利地包含具有特定橫向尺寸的正方形，這樣可以優(yōu)化在關(guān)注光譜帶中某一波長處的吸收。實際上，所述MM結(jié)構(gòu)的橫向尺寸小于或等于λ_/2η，其中λ_為所述光譜帶中最大波長，η為所述MM結(jié)構(gòu)中電介質(zhì)膜的折射率。正方形MM結(jié)構(gòu)對偏振不敏感。
[0041]另一種選擇是，MM結(jié)構(gòu)可以是矩形，所述MIM結(jié)構(gòu)的至少一個橫向尺寸小于或等于λ_/2η。這種情況下，此結(jié)構(gòu)對偏振敏感。可以調(diào)整兩個橫向尺寸獲得在關(guān)注光譜帶分別兩個波長處的諧振吸收。一個用于檢測TE偏振波，另一個用于檢測TM偏振波。另一種選擇是，可以調(diào)整單一橫向尺寸獲得在某給定波長處的諧振吸收，另一橫向尺寸可以較大，例如與像素的橫向尺寸相當(dāng)，這樣檢測器可以僅對一種偏振敏感，從而形成一個偏振過濾器。
[0042]對MM結(jié)構(gòu)來說，其他形狀也是可行的，例如三角形或六邊形，從而使調(diào)整檢測器的偏振響應(yīng)成為可能。有利地，每一種情況下，所述MIM結(jié)構(gòu)至少有一個橫向尺寸小于或等于 W2n。
[0043]根據(jù)另一個不同實施例，每一個微測熱輻射計像素中所述MIM結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)膜由具有較高折射率的材料制成，例如選自硫化鋅(ZnS )，三氟化釔(YF3 )，氮化硅((SiNx)，氧化娃(SiOx),氮氧化娃(SiOxNy),無非晶鍺(a-Ge),非晶娃(a-Si)和非晶娃鍺合金(a-SiGe)的一種材料。
[0044]根據(jù)另一個不同實施例，每一個微測熱輻射計像素中所述MIM結(jié)構(gòu)的第一或第二金屬層由在所關(guān)注的光譜帶具有低損失的材料制成，例如選自金，銅，鋁和銀的一種材料。一個粘合層，例如由鈦或鉻制成，置于金屬層與電介質(zhì)膜之間，從而保證兩層間更好的粘
口 ο
[0045]根據(jù)另一個不同實施例，測溫元件通過電絕緣膜與吸收器隔離。
[0046]有利地，每一個微測熱輻射計像素進(jìn)一步包含位于所述隔膜所在平面一定距離d處的反射器，從而在所述波長處形成一個諧振腔。這樣，大多數(shù)光能將被此結(jié)構(gòu)吸收，傳播造成的能量損失將非常小。
[0047]根據(jù)另一個不同實施例，支撐襯底包括一個回路，可以讀取每一個微測熱輻射計的測溫元件的電阻。
[0048]根據(jù)另一個方面，本發(fā)明關(guān)于一種可檢測紅外輻射的攝像機(jī)，其包括光學(xué)成像器件，根據(jù)第一個方面的一種位于所述光學(xué)系統(tǒng)焦平面附近的微測熱輻射計陣列和一個用于處理熱輻射計讀取回路發(fā)射的信號的裝置。
[0049]根據(jù)另一個方面，本發(fā)明關(guān)于一種制造微測熱輻射計陣列的方法，根據(jù)上述任何一個權(quán)利要求，包括:
[0050]在支撐襯底上沉積一層犧牲膜；
[0051]在所述膜上固定微測熱輻射計的位置處形成開口 ；
[0052]沉積一層結(jié)構(gòu)化膜，從而構(gòu)造每一個微測熱輻射計的測溫元件和熱絕緣臂；
[0053]在每個形成的測溫元件處設(shè)置MIM結(jié)構(gòu)；
[0054]除去犧牲膜。
[0055]有利地，此方法包括在犧牲膜沉積前的一個沉積反射膜步驟，從而形成每一個微測熱輻射計的反射器元件。【專利附圖】

【附圖說明】
[0056]以下將闡明本發(fā)明的其他特征和優(yōu)勢，由【專利附圖】

【附圖說明】:
[0057]圖1A (已描述)為根據(jù)先前技術(shù)第一個例子，一種微測熱輻射計像素的透視圖；
[0058]圖1B和IC (已描述)分別為根據(jù)先前技術(shù)第二個例子，一種微測熱輻射計像素的頂部和剖面示意圖；
[0059]圖2 (已描述)為根據(jù)先前技術(shù)，微測熱輻射計像素中，利用等離子體諧振形成吸收器/熱敏電阻裝置的隔膜基本單元；
[0060]圖3A和3B分別為根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例，一種微測熱輻射計像素的頂部和剖面示意圖；
[0061]圖4A為根據(jù)本發(fā)明，適用于微測熱輻射計像素的一個采用單MIM結(jié)構(gòu)的吸收器的典型實施例；圖4B為利用此結(jié)構(gòu)獲得的吸收作為波長的函數(shù)圖表；圖4C-4H顯示了分別以最大吸收為函數(shù)，與此結(jié)構(gòu)的橫向尺寸(圖4C)，電介質(zhì)膜厚度(圖4D)，金屬膜厚度(圖4E)，空腔寬度(圖4F)，入射角(圖4G)和周期(圖4H)的對應(yīng)關(guān)系；
[0062]圖5為用于形成測溫元件的結(jié)構(gòu)化膜的典型實施例和根據(jù)本發(fā)明的另一個微測熱輻射計像素實施例中的絕緣臂；
[0063]圖6A-6C為根據(jù)本發(fā)明，適用于微測熱輻射計像素不同變型的多種MM結(jié)構(gòu)實例；
[0064]圖7A為根據(jù)本發(fā)明，適用于微測熱輻射計像素的利用雙MIM結(jié)構(gòu)的復(fù)雜吸收器的典型實施例示意圖；圖7B為圖7A的實例中，吸收作為波長的函數(shù)圖表；
[0065]圖8A-8D為根據(jù)本發(fā)明的其他典型實施例，微測熱輻射計像素的頂視圖示意圖；
[0066]圖9A-9F為根據(jù)本發(fā)明的一個典型實施例，微測熱輻射計陣列制造過程的步驟示意圖；
[0067]圖10為根據(jù)本發(fā)明，含有微測熱輻射計陣列的熱成像攝像機(jī)示意圖。
【具體實施方式】
[0068]圖3A和3B分別為根據(jù)本檢測特定光譜帶中某一波長輻射的發(fā)明，例如在紅外光區(qū)，第一個典型的微測熱輻射計像素的頂視圖和剖面圖。本公開圖表中的元件沒有等比例顯示，這樣可以使附圖更易讀。微測熱輻射計像素300包括通過支撐元件懸掛于支撐襯底303上的隔膜(301，圖3B)。隔膜301由吸收入射輻射的元件305和測溫元件302形成，與吸收器熱接觸，最好完全或接近完全覆蓋整個表面以便均勻加熱，但與表面電絕緣，例如通過一個由氮化硅制成的絕緣層。微測熱輻射計像素300有利地包含與測溫元件熱絕緣的臂306，其一端與測溫元件連接，另一端連接于與支撐襯底接觸的固定點。微測熱輻射計像素300也包括電連接測溫元件的支撐襯底的元件。例如，支撐襯底303可以由硅制成；它可以為微測熱輻射計提供機(jī)械硬度，并包含提供偏壓和讀取測溫元件304電阻的回路(圖3中未顯示)。在圖3A和3B的實例中，支撐元件包含熱絕緣臂306和固定元件(圖3A和3B中未顯示)。固定元件有利地包括至少一種導(dǎo)電材料，從而將測溫元件304與讀取電路的導(dǎo)電連接襯墊315連接。有利地，熱絕緣臂與所述固定元件形成將測溫元件連接于支撐襯底讀數(shù)回路的元件?？?13顯示了微測熱輻射計像素的外部輪廓，一般為正方形。實際上，嵌入微測熱輻射計陣列的微測熱輻射計像素的外部橫向尺寸可以根據(jù)相應(yīng)的微測熱輻射計陣列的尺寸與相關(guān)尺寸中微測熱輻射計像素數(shù)量的比值得出。
[0069]圖3的實例中，吸收器元件包括含有3層膜的MM結(jié)構(gòu)305，分別為第一金屬層311，電介質(zhì)膜310和第二金屬層309，三層膜為層疊排列。在以下說明中，“電介質(zhì)”這一術(shù)語可理解為介電常數(shù)的實部為正，虛部為O或在關(guān)注光譜帶的輻射波長處相對實部非常小的一種材料。因此電介質(zhì)在相關(guān)的光譜帶波長處為透明或弱吸收。形成電介質(zhì)膜兩側(cè)金屬層的金屬，對其來講為金屬或介電常數(shù)ε為負(fù)值且在相關(guān)波長處表現(xiàn)為低損失的材料，例如金，銀，鋁或銅。由于吸收結(jié)構(gòu)中要求獲得最大吸收，使用一層薄粘合層是可以接受的，如用鈦或鉻制成，促進(jìn)金屬材料和電介質(zhì)間的粘合，或金屬材料和絕緣臂間的粘合，當(dāng)吸收元件和測溫元件間存在絕緣臂時。此粘合層可以使所用材料在更寬范圍內(nèi)選擇，包括互相附著較弱的材料。MM結(jié)構(gòu)305有利地大致為矩形，最好為正方形且包含至少一個選定的橫向尺寸，從而在所述光譜一定頻率的入射輻射處產(chǎn)生等離子體諧振。有利地，膜層含有大致相同的橫向尺寸。金屬層309、311和電介質(zhì)膜310的厚度為選定的亞微米級,從而利用入射輻射產(chǎn)生等離子體諧振，諧振與電介質(zhì)/金屬界面相耦合，以下將詳細(xì)闡述。例如，MIM結(jié)構(gòu)置于微測熱輻射計像素300中心附近。此例中，測溫元件304包含與吸收元件大致相同的橫向尺寸，以實現(xiàn)與吸收元件良好的熱接觸。
[0070]有利地，支撐襯底303被反射器302覆蓋，可由例如金或者鋁制成，置于距MM結(jié)構(gòu)距離為d處，距離d的選擇是為了在MIM吸收器305和反射器平面間形成另一個空腔。距離d的選擇，在先有的熱輻射計中約為λ /4，可以經(jīng)優(yōu)化考慮等離子體諧振機(jī)制，如下所述。
[0071]有利地，測溫元件304和絕緣臂306由同樣的材料或多層材料制成。有利地，可以選擇電阻隨溫度變化較大的材料。通常地，可選擇相對電阻變化約±2%/Κ且噪聲程度低的材料。例如，這種材料可以從非晶硅(a-Si)，硅鍺合金或者基于氧化釩的化合物中選擇。
[0072]圖4A-4G詳細(xì)地說明了根據(jù)本發(fā)明對微測熱輻射計吸收器中MIM結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。
[0073]圖4A顯示，一般地，一組矩形MM結(jié)構(gòu)405含有第一橫向尺寸wl和第二橫向尺寸?2，此MIM結(jié)構(gòu)朝向置于微測熱輻射計像素支撐襯底(未顯示)的反射器402，位于距吸收器40距離為d處。設(shè)定尺寸《2遠(yuǎn)大于尺寸《1，這樣MM結(jié)構(gòu)可認(rèn)為是半無限條形，橫向尺寸wl為決定諧振波長的唯一特征尺寸。通常，吸收器元件的最大尺寸幾乎延伸至整個像素長度。每一個吸收器元件405包含一個三層的金屬/絕緣體/金屬層。圖4A中只顯示了兩個微測熱輻射計像素的MIM結(jié)構(gòu)，每一個MIM結(jié)構(gòu)位于像素中心附近。微測熱輻射計像素的其他元件(測溫元件，熱絕緣臂，導(dǎo)電連接，基底等)沒有顯示。由于微測熱輻射計像素按陣列排列，MIM結(jié)構(gòu)405大小與像素相同的間距P呈周期分布。
[0074]已知(見例子Le Perchec et al.具有非常薄的半導(dǎo)體區(qū)的等離子體基光傳感器“Plasmon-based photosensors comprising a very thin semiconducting region，，，應(yīng)用物理快報 94，181104 (2009) “Applied Physics Letters94, 181104 (2009) ” 或者法國專利申請F(tuán)R2，940，522)條形MM結(jié)構(gòu)(長度遠(yuǎn)大于寬度)大致上作為兩金屬層間縱向的法布里-拍羅(Fabry-Perot)腔,其諧振波長λ r由下式給出:
[0075]λ r=2neffw (式 3)
[0076] 其中w為此MIM結(jié)構(gòu)的橫向尺寸(或?qū)挾?，neff為此MM腔的有效折射率。[0077]由于有效折射率需遠(yuǎn)大于1，這表明，按照式3，MM結(jié)構(gòu)的橫向尺寸必須小于理想諧振波長的一半。實際上，需要優(yōu)化此結(jié)構(gòu)以獲得遠(yuǎn)大于I的有效折射率。特別地，將選擇高指數(shù)電介質(zhì)。例如，為優(yōu)化波段III操作的一種結(jié)構(gòu)，電介質(zhì)可以從硫化鋅(ZnS)，三氟化宇乙(YF3),氮化娃((SiNx),氧化娃(SiOx),氮氧化娃(SiOxNy),非晶鍺(a_Ge),非晶娃(a_Si)和非晶娃鍺合金(a-SiGe)中選擇。
[0078]通過已知的計算機(jī)代碼可以優(yōu)化此結(jié)構(gòu),例如P.Lalanne和J.P.Hugonin開發(fā)的ID 或 2D Reticolo 軟件?*C0mS0l?開發(fā)的 Comsol Multiphysics?軟件包。
[0079]這些應(yīng)用程序顯示，為獲得理想波長處的最大吸收，可以按照以下方法優(yōu)化此結(jié)構(gòu)。第一步，根據(jù)式3并利用電介質(zhì)的實際折射率，估計此結(jié)構(gòu)的橫向尺寸，其作為理想諧振波長和所選的電介質(zhì)膜電介質(zhì)的折射率的函數(shù)。第二步，通過首先選擇足夠大的金屬層409和411的厚度(通常大于幾百納米)，優(yōu)化電介質(zhì)膜厚度，以獲得最大吸收。然后，第三步是當(dāng)反射器存在時，優(yōu)化到反射器402的距離d。下一步(第四步)，計算可以獲得完全吸收的最小金屬厚度。最后，以小增量修正此結(jié)構(gòu)的橫向尺寸w從而獲得理想的諧振波長(第五步)。
[0080]這樣，圖4B表明針對圖4A中的MIM結(jié)構(gòu)類型計算的吸收值，這些結(jié)構(gòu)形狀上為矩形，包含間距P，橫向尺寸(寬度)W1和相對寬度較大的長度W2，這樣此結(jié)構(gòu)可以利用一維模型建模。實際上，一維模型非常適合于波長比寬度大5-10倍的光譜帶。對于長度較小的矩形或正方形結(jié)構(gòu)，必須使用一個2D軟件程序；但上述的優(yōu)化原則仍相同。為波段III吸收而優(yōu)化的MIM結(jié)構(gòu),約8.5 μ m。計算中取間距ρ=7 μ m進(jìn)行。此例中，金屬層411,409選用的金屬為金，電介質(zhì)膜410選定的電介質(zhì)為ZnS，折射率n=2.2。膜層厚度分別為50nm (膜411),180nm (膜410)和50nm (膜409)，MM結(jié)構(gòu)和反射器402之前的距離d=4.5 μ m。此MM結(jié)構(gòu)橫向尺寸W1=L 6 μ m。吸收曲線表明最大吸收接近100%，Q因子，即最大吸收的波長與峰值一半處全光譜寬度的比值，約為15。
[0081 ] 圖4C-4H分別表明在與圖4A相似的構(gòu)型中，參數(shù)值相同時，此結(jié)構(gòu)橫向尺寸，電介質(zhì)厚度，金屬層厚度，此結(jié)構(gòu)平面和反射器402間距，入射角度和間距的影響
[0082]圖4C中曲線441-447分別通過在1.7 μ m和2.3 μ m之間，以0.1 μ m的步長改變吸收器(405，圖4a)的橫向尺寸W1獲得。如預(yù)期，觀察到的諧振波長向更長波長處移動，諧振波長的數(shù)值從低于9 μ m到高于12 μ m。這些曲線也表明，利用諧振的較小光譜寬度(Q因子約15)，可以實現(xiàn)光譜濾波作用，所有波段III可被掃描。
[0083]圖4D中的曲線450通過在橫向尺寸W1=L 6 μ m時，改變電介質(zhì)膜410的厚度獲得。裝置顯示，存在獲得最大吸收的最優(yōu)電介質(zhì)厚度。因此在優(yōu)化此結(jié)構(gòu)時，一旦計算獲得此結(jié)構(gòu)的合適寬度(式3)，可以按上述為一個給定電介質(zhì)定義最優(yōu)電介質(zhì)厚度。曲線也顯示了，在最優(yōu)電介質(zhì)厚度約±10%的范圍內(nèi)，幾乎可以獲得完全吸收。
[0084]圖4E中的曲線460表明金屬層409和411的厚度對最大吸收的影響。高于一個特定的臨界值時，可以獲得完全吸收。低于此臨界值時，吸收降低，金屬層厚度不足以阻礙光直接穿過MIM結(jié)構(gòu)。為優(yōu)化此結(jié)構(gòu)，需選擇可以實現(xiàn)最大吸收的最小厚度值，在此例中通常在40nm至60nm之間。
[0085]圖4F中的曲線470顯示，此結(jié)構(gòu)的最大吸收與吸收器405和反射器402平面之間的距離有關(guān)。無反射器時，裝置顯示MM結(jié)構(gòu)在諧振波長處無反射，但非最優(yōu)吸收，部分能量被傳播，沒有被MIM結(jié)構(gòu)吸收。對空腔厚度的優(yōu)化保證了所有能量在諧振時被吸收，從而有助于加熱測溫元件。這樣，圖4F闡釋的例子中，空腔厚度在3.5 μ m和4.5 μ m之間時，可觀察到最大吸收。
[0086]圖4顯示了在采用與上述方法類似的計算條件下，最大吸收量作為輻射入射角度的函數(shù)圖?？梢钥吹?，直至15°，吸收幾乎達(dá)到全部，隨后緩慢減小。這個結(jié)果是值得注意的，因為以此方法產(chǎn)生的微輻射熱探測器像素對輻射入射角度具有非常低的靈敏度，尤其是對這種探測器常用的輻射入射角度范圍。
[0087]圖4B至圖4G描繪了在紅外波段的波段III內(nèi)，對于給定電介質(zhì)的MM結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。同樣的優(yōu)化方法可以作為所選電介質(zhì)的功能應(yīng)用在探測所需的光譜帶上。例如，同樣是對波段III的探測，如果所選的電介質(zhì)是鍺，其折射率為n=4，對位于1D、諧振波長為9μπι的結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，得到橫向條紋尺寸為W=L Ιμπι，金屬(如金)膜厚度60nm，電介質(zhì)膜厚度260nm,以及腔厚d=4 μ m。
[0088]根據(jù)一種變型，例如圖4A中所描繪的，MM結(jié)構(gòu)405形成了條紋(長W2大于寬W1),并且只有TM偏振輻射(即磁場與這些線平行的輻射)被吸收。如前文所述，通過調(diào)整條紋的寬度來調(diào)整諧振波長?？梢允筂M結(jié)構(gòu)為正方形更為有利，這樣可以使吸收不依賴于偏振。在這種情況下，可以通過改變正方形的橫向尺寸來調(diào)整諧振波長。這種實施例的一個例子如圖3A所示。根據(jù)另一個不同實施例，MIM結(jié)構(gòu)可以是矩形的，具有第一橫向尺寸W1和第二橫向尺寸W2，這兩個尺寸被調(diào)整以在所關(guān)注的光譜帶中的兩個波長分別產(chǎn)生諧振。在這種情況下，微輻射熱探測器的操作是偏振的，對TE和TM偏振都各有一諧振。另外，也可以使MM結(jié)構(gòu)的分布被設(shè)計為在整個微輻射熱探測器像素中與不同的偏振態(tài)產(chǎn)生諧振，從而使具有不同偏振態(tài)的入射輻射被選擇性地吸收以得到比如同一場景的兩幅圖像，即TE偏振圖像和TM偏振圖像。
[0089]因此，對MM結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)的選擇(金屬膜及電介質(zhì)膜的厚度，電介質(zhì)性質(zhì)，所述結(jié)構(gòu)的橫向尺寸)使一個或多個諧振波長處的吸收達(dá)到幾乎100%，同時只對入射角度有很小的依賴，并且可選擇偏振依賴性。
[0090]前面已經(jīng)顯示，這種MM結(jié)構(gòu)可作為一種光學(xué)納米天線。其諧振頻率由天線的幾何尺寸來設(shè)定。在諧振處，只要有合適的設(shè)計，可以觀察到幾乎完全的吸收。前面已經(jīng)表明，對于正方形的MM結(jié)構(gòu)來說，如此優(yōu)化了的MM結(jié)構(gòu)其有效吸收面積是與諧振波長的平方在同一數(shù)量級的。對于條紋型MIM結(jié)構(gòu)的情形，有效的ID吸收面積是與諧振波長同一數(shù)量級的。
[0091]圖4H顯示了在如圖4A的一維結(jié)構(gòu)中，計算的最大吸收曲線490作為間距p的函數(shù)圖，其中電介質(zhì)(ZnS，折射率n=2.2)膜厚180nm，兩層以金制成的金屬膜均厚50nm，腔寬度d=4.5 μ m,橫向條紋尺寸W1=L 7 μ m。諧振波長為大約8 μ m。當(dāng)間距小于諧振波長時，可以使所有的入射光子被吸收，吸收就達(dá)到最大化。當(dāng)間距大于諧振波長時，吸收量就下降。這是因為諧振器(405，圖4A)之間的間隔大于有效吸收面積。因此，這一以一結(jié)構(gòu)型進(jìn)行的模擬證實了與波長同一數(shù)量級的有效ID吸收面積。對于正方形的諧振器，其有效吸收面積與諧振波長的平方為同一數(shù)量級。
[0092]使用以上述方法優(yōu)化的MIM結(jié)構(gòu)能在限制吸收器面積的同時使有效吸收面積保持在與波長平方相同的數(shù)量級。因此，可以使微測熱輻射計像素的橫向尺寸Lp顯著地減小至諧振波長值，從而得益于與像素面積(在圖3A中由框313表示)相等的吸收面積307，因而得到接近100%的填充因子，同時確保由吸收器和測溫元件形成的隔膜其橫向尺寸遠(yuǎn)小于像素的尺寸。
[0093]通常，對于式(3)，對一個基本上為正方形的MM結(jié)構(gòu)，形成吸收器/熱敏電阻單元隔膜301的面積大約為(λ/2η)2，其中λ為吸收量最大的波長，η為電介質(zhì)的折射率。對于寬為λ/2η、長度與像素尺寸相當(dāng)?shù)木匦蜯IM結(jié)構(gòu)，隔膜面積大約為Lp.λ/2η。因此，在第一種情況下，隔膜的面積可能小于像素面積的四分之一，電介質(zhì)的折射率大于I。在第二種情況下，隔膜的面積將被限制到微輻射熱探測器像素面積的一半。在實踐中，電介質(zhì)的折射率大于I，通常選取在2至5之間，容易得知，取決于MIM結(jié)構(gòu)的參數(shù)，形成吸收器/熱敏電阻單元的隔膜面積可能低于像素面積的10%。
[0094]吸收器尺寸的顯著減小可特別用于設(shè)計具有小尺寸(大約與所探測波長相同)像素用于高分辨率紅外成像的微輻射熱探測器陣列。吸收器尺寸的減小也使得相比于現(xiàn)有技術(shù)中的微輻射熱探測器，絕熱面積(達(dá)到超過微輻射熱探測器像素面積的50%)的增加成為可能?，F(xiàn)有技術(shù)的微輻射熱探測器像素中的吸收器面積必須要全部覆蓋整個像素面積。比如，可以增加絕熱臂的長度，從而提高微輻射熱探測器的靈敏度。
[0095]在微輻射熱探測器像素比所關(guān)注的光譜帶平均波長大的情況下，可將幾種MIM結(jié)構(gòu)排布在像素面積上，使得有效吸收面積覆蓋整個像素面積(這將在下面圖8D的例子中敘述)。然而，同樣是在這種情況下，被吸收器元件覆蓋的微輻射熱探測器像素將遠(yuǎn)小于像素的總面積，使得有可能要使用更大的絕熱面積。
[0096]像素面積中所釋放的額外空間可用于例如增加熱阻，通過例如使絕熱臂比圖3Α中所示的更長，從而增加微輻射熱探測器的靈敏度來實現(xiàn)。另外，這也減小了測溫元件的面積，所述面積被限制不超過與其接觸的吸收器的面積是更有利的。因此，測溫元件的質(zhì)量也被降低了，從而降低了其熱容量(直接與其質(zhì)量相關(guān))，進(jìn)而減少了響應(yīng)時間。
[0097]或者，如果為了減少響應(yīng)時間，可以選擇更短絕熱臂。
[0098]根據(jù)另一個不同實施例，一方面為測溫元件，另一方面為絕熱臂，可以通過結(jié)構(gòu)化膜的方法制備。
[0099]圖5為一個典型的微輻射熱探測器像素，其面積被框513包圍，所述微輻射熱探測器像素包含形成吸收器/熱敏電阻單元的隔膜501。在給定參照物504的情況下，所述熱敏電阻或測溫單元與吸收器接觸(圖中未示出)。在這個例子中，一給定的包含一種材料或多層材料的膜被結(jié)構(gòu)化，一方面為了形成測溫元件，另一方面為了形成絕熱臂。在這個例子中，所述膜形成測溫元件504的那一部分被結(jié)構(gòu)化以最大化吸收器和測溫元件之間的接觸面積，同時增大后者的電阻。例如，膜形成測溫元件504的那一部分被結(jié)構(gòu)化為蛇形，其長度遠(yuǎn)大于其寬度。微輻射熱探測器的總電阻為絕熱臂電阻和熱敏電阻的總和。然而，后者在被吸收的輻射影響下變化最大，而絕熱臂的電阻僅僅在溫度梯度的部分影響下變化。所述溫度梯度橫跨絕熱臂各個末端，其中一個末端與測溫元件連接，另一個末端與固定點連接，固定點與支撐襯底接觸。因此，結(jié)構(gòu)化測溫元件能提高其對總電阻的貢獻(xiàn)，從而微輻射熱探測器像素的響應(yīng)得到改善。另外，也可以通過增加形成絕熱臂的那部分膜的電導(dǎo)率來提高測溫元件對總電阻的貢獻(xiàn)，例如，如果膜是半導(dǎo)體膜，可以利用離子注入對膜進(jìn)行局部摻雜。[0100]舉例來說，在圖3A或圖5所示的微輻射熱探測器像素的情形中，側(cè)邊尺寸被選為12 μ m,絕熱臂寬I μ m，且在I μ m的每匝之間有絕熱間隙，則每個絕熱臂的熱阻大約為25方(即每個絕熱臂的熱阻等于厚度相同、以串聯(lián)方式排列的給定材料的25方)。圖5中的蛇形將有可能寬0.2 μ m，并在這0.2 μ m寬度中每匝之間具有絕熱間隙，從而獲得60方的電阻。
[0101]前文已經(jīng)展示，優(yōu)化的MM等離子體結(jié)構(gòu)是使得對諧振波長的光達(dá)到準(zhǔn)全吸收的等離子體諧振區(qū)域。另外，MIM結(jié)構(gòu)光譜響應(yīng)的形狀可以通過結(jié)合幾個不同的諧振器來按照需求進(jìn)行改變。下文描述的例子將顯示其中幾種不同的實施例變型。
[0102]圖6A至6C為一種微輻射熱探測器像素的3幅圖，其中形成吸收器/熱敏電阻單元的隔膜具有特別的結(jié)構(gòu)，使得微輻射熱探測器陣列的光譜響應(yīng)可以被調(diào)整。在這幾幅圖中，就如在圖4A中一樣，只示出了吸收器和反射器。在這些例子中，MIM吸收器為復(fù)合的，由多個諧振波長不同的吸收器組成。
[0103]在圖6A所示的第一個例子中，吸收器包含多個MM結(jié)構(gòu)，標(biāo)記為6054至6051)，空間上分布在整個微輻射熱探測器像素的面積上。這些結(jié)構(gòu)位于同一平面上，與沉積在支撐襯底(未不出)上的反射器602相距d。每個MIM結(jié)構(gòu)包含由三層膜609、610、611，即由第一金屬膜611、電介質(zhì)膜610和第二金屬膜609組成的多層膜。優(yōu)選地，對于不同的MIM結(jié)構(gòu)這三層膜的厚度將是一樣的。每個MM結(jié)構(gòu)可以通過前述的步驟進(jìn)行優(yōu)化，從而幾乎完全地吸收所期望的光譜吸收帶中的波長。吸收波長特別地由MM結(jié)構(gòu)的橫向尺寸來限定。因此,在這個例子中,MM結(jié)構(gòu)是正方形的，每一個MM結(jié)構(gòu)的橫向尺寸都不同，從而獲得光譜帶中不同波長的諧振。如此獲得的微輻射熱探測器陣列就是不依賴偏振的。每個MIM結(jié)構(gòu)的有效吸收面積都與諧振波長的平方在同一數(shù)量級，從而也就遠(yuǎn)大于吸收器的實際面積，通常大4至20倍。在一個包含所述微輻射熱探測器像素陣列的微輻射熱探測器陣列中，由于像素排列為陣列(未示出)，每個MIM結(jié)構(gòu)在整個探測器上周期性重復(fù)，間距大小與像素尺寸相當(dāng)。因此，對應(yīng)每個MM結(jié)構(gòu)的吸收波長，可以保證對入射到整個微輻射熱探測器陣列面積上的光子的吸收。例如，當(dāng)每個像素有4個不同的MIM結(jié)構(gòu)，并且被優(yōu)化對應(yīng)4個不同的波長(如圖6A所示)，就可以獲得在所關(guān)注光譜帶中的寬帶吸收。
[0104]圖6B顯示了一個變型，其中吸收器605同樣是復(fù)合的，含有多個不同的MIM結(jié)構(gòu)605a至605d ;但是，這個例子中的MM結(jié)構(gòu)并不是在空間上分布在整個像素面積上，而是一個層疊在另一個之上。因此，在這個例子中，第一個MM結(jié)構(gòu)605a的第一金屬膜611a形成了第二個MIM結(jié)構(gòu)605b的第二金屬膜611B，以此類推。在這個例子中，如圖6A中的例子一樣，MIM結(jié)構(gòu)605a至605d具有不同的橫向尺寸，使得在所用探測器的光譜帶中不同的波長可以被吸收。將所述多層MIM結(jié)構(gòu)大體上放置于微輻射熱探測器像素中心的周圍將更為有利。如此，有效吸收面積完全或幾乎完全覆蓋像素的整個面積，從而可以保證每一吸收波長的填充因子接近100%。
[0105]圖6C顯示了第三種變型，其中MM結(jié)構(gòu)為層疊排列，與圖6B —樣。在這個變型中，從一個MM結(jié)構(gòu)到另一個MM結(jié)構(gòu)，電介質(zhì)材料的性質(zhì)是不同的，從而可以調(diào)整諧振波長，并且可以選擇性地使MIM結(jié)構(gòu)的橫向尺寸基本一致，使得對吸收波長的選擇有更大的靈活性。
[0106]雖然圖6A至6C所示的例子中MM結(jié)構(gòu)都是正方形的，但是完全可以制備具有矩形MIM結(jié)構(gòu)的同種微輻射熱探測器像素。在這種情況下，所述結(jié)構(gòu)不再是對偏振不敏感的?？梢赃x擇性地優(yōu)化這些結(jié)構(gòu)的橫向尺寸來獲得對每一種(TE或TM)偏振態(tài)不同波長的吸收。將其他形狀用于MIM結(jié)構(gòu)也是可以想到的，例如可以是三角形或六邊形的，從而調(diào)整微輻射熱探測器像素的偏振響應(yīng)。
[0107]圖7A顯示了一種吸收器的實施例，所述吸收器包含兩個MM結(jié)構(gòu)7054和705^在這個例子中，就如在圖4A的例子中一樣，只示出了吸收器單元和反射器702。另外，MIM結(jié)構(gòu)的長W2遠(yuǎn)大于其寬度(w1A，w1B)，并且通常與像素的長度差不多，從而所述結(jié)構(gòu)可以用半無限的條紋來模擬。在這個例子中，所述的兩個MIM結(jié)構(gòu)排列在同一個微輻射熱探測器像素中。一旦制成了微輻射熱探測器陣列，結(jié)構(gòu)705a和705b就被周期性的排列起來，間距大小與像素尺寸相當(dāng)。
[0108]圖7B顯示了以圖7A所示類型的微輻射熱探測器獲得的吸收曲線720作為波長的函數(shù)，其中條紋寬度w1A=l.8 μ m, w1B=2.1 μ m,間距ρ=6 μ m,腔厚d=4.6 μ m,金屬膜厚50nm,電介質(zhì)膜厚190nm，電介質(zhì)折射率2.2。這條曲線上有兩個吸收峰，分別位于諧振波長約9.5和Ilym處，表明了塑造光譜帶形狀的可行性。
[0109]圖8A至8D為按照本發(fā)明制備的微輻射熱探測器其他實施例的頂視圖。其中同等的元件以相同的參考數(shù)字標(biāo)示。
[0110]所述微輻射熱探測器像素被框813所包圍，而每個圖中的框807則代表了有效吸收面積。支撐襯底以參考數(shù)字803標(biāo)示。與圖3A中一樣，所述探測器裝備有讀數(shù)回路(未示出)以及用于連接測溫元 件和讀數(shù)回路的導(dǎo)電連接襯墊815。
[0111]圖8A中的例子顯示了一種微輻射熱探測器像素800或包含一個簡單的吸收器元件805，即一個包含了單一 MM結(jié)構(gòu)的元件，或包含一個復(fù)合的吸收器元件805，即一個包含了一組層疊的MM結(jié)構(gòu)的元件，如圖6B和6C中的例子一樣。將吸收器元件置于微輻射熱探測器像素中心的周圍將更為有利。像素的尺寸與所述結(jié)構(gòu)的吸收波長在同一數(shù)量級，例如對于波帶III的操作，12 μ m。因此，以例如像素800形成的微輻射熱探測器陣列的光譜特征形狀可以是窄的(單一吸收器)或具有某種形狀的(復(fù)合吸收器)。在圖8A中，不能看見位于吸收器元件下方的測溫元件。優(yōu)化形成吸收器的MIM結(jié)構(gòu)可以使所獲得的有效吸收面積807遠(yuǎn)大于吸收器自身的面積，從而可以獲得接近100%的有效填充率以及非常大的絕熱邊。在圖8A的例子中，所述絕熱邊利于形成更長的絕熱臂806，增大熱阻，進(jìn)而提高靈敏度。由此造成的響應(yīng)時間的增加被隔膜熱容的減小所補(bǔ)償，隔膜熱容的減小是由于測溫元件質(zhì)量的減小，測溫元件的面積受限于吸收器元件的面積。
[0112]圖SB中所示的微輻射熱探測器像素820與圖8A中所示的微輻射熱探測器像素類似，主要的區(qū)別在于圖8B中的絕熱臂806短一些。這樣的構(gòu)造利于響應(yīng)時間而不利于靈敏度，適用于快速成像。
[0113]圖SC顯示了一種微輻射熱探測器像素840，其吸收器845是復(fù)合的，包含了一組吸收器元件850、851、852和853。每一個吸收器元件可以是單一的MM結(jié)構(gòu)或者多層的MM結(jié)構(gòu)，如圖6B或6C所示的一樣。利用這種像素可以獲得在整個關(guān)注的光譜帶上有特別形狀的光譜響應(yīng)。更有利的是，所述吸收器元件排列在像素中心，如前述例子中一樣每個吸收器元件的有效吸收面積與像素面積大致相同。因此，此構(gòu)型同樣適用于小型像素，即尺寸在所關(guān)注光譜帶平均波長的數(shù)量級。
[0114]圖8D中的例子描繪了一種更大的微輻射熱探測器像素860，例如尺寸為24 μ m。在這種情況下，吸收器865是由一組相同的吸收器元件871至874組成的，每一個吸收器元件由單一 MIM結(jié)構(gòu)或多層MIM結(jié)構(gòu)形成。每個吸收器元件被優(yōu)化以得到覆蓋部分像素面積的有效吸收面積，例如圖8D中，每個吸收器元件覆蓋了像素面積的四分之一，從而四個吸收器元件的有效吸收面積807覆蓋了整個像素面積，如上所述。
[0115]圖9A到9F顯示了圖表說明，根據(jù)一個例子，一種依據(jù)本發(fā)明的用于制造微測熱輻射計陣列的方法。根據(jù)這一例子，所有微測熱輻射計的微測熱輻射計像素都是生產(chǎn)于同一過程中。在第一步(圖9A)，一個金屬反射器(902)，例如由鋁制造，被沉積于支撐襯底(903)的上表面，所述襯底包括一個讀數(shù)回路(在圖9A中未顯示)和將測溫元件連接到讀數(shù)回路的導(dǎo)電連接襯墊915。反射器，比如，被定義為鋁膜的光刻/蝕刻。反射器可，比如，在襯底的所有區(qū)域形成一個連續(xù)層，以及提供給連接襯墊的開口。在第二步(圖9B)，一層犧牲膜，比如聚酰亞胺，膜920沉積于支撐襯底903。這層膜將被用于形成懸掛隔膜。它的厚度被定義為有關(guān)希望形成于吸收器平面與反射器之間的空腔高度的函數(shù)。之后開口于犧牲膜920中形成，比如干法刻蝕，以便使錨定元件安置到位(圖9C)。在之后的步驟里(圖9D)，一層熱阻膜，例如由非晶硅制備的，和絕緣膜，例如由氮化硅制備的，被沉積并且由熱阻膜和絕緣膜形成的裝配體被組裝好，例如通過干法刻蝕或者剝離工藝(lift-off)，以定義測溫元件和絕緣臂。MM結(jié)構(gòu)905，作為吸收器，被沉積(圖9E)，例如通過剝離工藝，在裝配體930絕緣膜的上表面，在預(yù)備形成測溫元件的區(qū)域。絕緣膜具有使測溫元件的熱阻膜與結(jié)構(gòu)中第一金屬膜911電絕緣的功能。MIM結(jié)構(gòu)包括多層的第一金屬膜911,電介質(zhì)膜910和第二金屬膜909，膜的尺寸被最優(yōu)化以吸收要求的波長，正如上文所述。例如可以是金/硫化鋅/金多層膜。最后，犧牲層被除去(圖9F)，例如通過干法刻蝕，為了通過絕緣臂906和錨定元件912形成懸掛于襯底上的隔膜(904)，空腔908在吸收器905和反射器902之間形成。
[0116]在過程中的第一個變型，有利地適用于測溫元件由半導(dǎo)體制備的情況，對摻雜部分930的操作以形成熱絕緣臂，例如，通過離子注入，在圖9E中所示步驟之后引入。如果結(jié)構(gòu)905用作為注入離子的掩膜，局部離子注入可有利地自對準(zhǔn)。也可通過光致抗蝕劑掩膜限制注入?yún)^(qū)域僅于裝配體930形成熱絕緣臂的部分獲得。
[0117]在過程中的第二個變型，錨定元件由另外的金屬膜制造。為了達(dá)到這一目的，在圖9B所示步驟之后，熱阻膜，例如由非晶硅制備的，沉積于犧牲膜920之上。在步驟9C中形成的開口之后連續(xù)地穿過非晶硅膜和犧牲膜。錨定元件被安置于沉積單一金屬，例如鈦膜或一組包括例如鈦、氮化鈦和鋁金屬膜處，這些膜通過光刻/蝕刻定義和構(gòu)成，以形成導(dǎo)電連接襯墊915和非晶硅膜末端的上表面之間的機(jī)電連接。在之后的步驟(圖9D)中，一層絕緣的，例如氮化硅膜，被沉積。由熱阻膜和絕緣膜形成的裝配體構(gòu)成，例如通過干法刻蝕，以定義測溫元件和絕緣臂。
[0118]另一個存在于延展金屬膜(可選擇為金屬膜)的可能變型，以前經(jīng)常用來生產(chǎn)絕緣臂全部或部分的錨定元件。這一選擇提供了臂低電阻因此可能使過程中第一變型的離子注入操作變成多余的，如果測溫元件不是半導(dǎo)體這可能是有利的。
[0119]圖10說明了一個典型的合并了配置有像素的微測熱輻射計陣列和本發(fā)明的攝像機(jī)。該攝像機(jī)，例如用來紅外成像，包括:輸入光學(xué)器件2用來形成圖像；位于上述光學(xué)器件焦平面置于真空包裝4中的微測熱輻射計陣列3，該包裝包括一個對所關(guān)注的波長透明的蓋子；電子設(shè)備5用于給微測熱輻射計陣列提供電源并且處理由微測熱輻射計陣列讀數(shù)回路發(fā)送的信號。顯示器6可顯示獲得的圖像。憑借本發(fā)明中的微測熱輻射計陣列，可以獲得非常高分辨率的圖像(微測熱輻射計像素達(dá)到與波長相同的尺寸)同時保持了非常好的敏感性。
[0120]盡管只對一定數(shù)量的具體典型實施例進(jìn)行了描述，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見，根據(jù)本發(fā)明的微測熱輻射計包括各種各樣的不同實施例、以及對實施例的修改和改進(jìn)，為了使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以通過本公開方案鑒別其他不超過本公開方案范圍的實施例，該保護(hù)范圍受到以下附加權(quán)利說明書的限制。
[0121]特別地，盡管大部分描述的例子都是在紅外線的波段III操作的，本發(fā)明適用于其他光譜帶尤其是從遠(yuǎn)紅外到毫米波長范圍的光譜帶。
【權(quán)利要求】
1.一種用于對給定光譜帶的光輻射進(jìn)行熱探測的微測熱輻射計陣列，包括一個支撐襯底和給定尺寸的微測熱輻射計像素(300)陣列，其中每個微測熱輻射計像素包括: 利用支撐元件懸掛于上述支撐襯底之上的隔膜(301)，所述隔膜包括一個吸收入射輻射的元件(305)和一個與吸收器熱接觸的測溫元件(304)，與上述吸收元件電絕緣； 將上述測溫元件與支撐襯底導(dǎo)電連接的元件； 設(shè)置于測溫元件與支撐襯底之間的熱絕緣臂(306)； 并且其中: 吸收元件包括至少一個第一金屬/絕緣體/金屬(MIM)結(jié)構(gòu),包括多個三層疊加的亞微細(xì)粒厚度的膜的多層結(jié)構(gòu)，即第一金屬膜(311)、電介質(zhì)膜(310)和第二金屬膜(309)，上述MM結(jié)構(gòu)具有對上述光譜帶中的至少一種波長的入射輻射的諧振吸收；并且 微測熱輻射計像素被上述隔膜(301)覆蓋的區(qū)域小于或等于整個微測熱輻射計像素區(qū)域的一半。
2.如權(quán)利要求1所述的微測熱輻射計陣列，其中上述熱絕緣臂也形成了測溫元件導(dǎo)電連接的元件。
3.如上述任一權(quán)利要求所述的微測熱輻射計陣列，其中每個微測熱輻射計像素的熱絕緣臂和/或測溫元件形成于結(jié)構(gòu)化膜(930)。
4.如上述任一權(quán)利要求所述的微測熱輻射計陣列，其中每個微測熱輻射計像素的測溫元件呈現(xiàn)蛇形的結(jié)構(gòu)。
5.如上述任一權(quán)利要求所述的微測熱輻射計陣列，其中每個微測熱輻射計像素的測溫兀件包括一層或多層材料，所述材料可從非晶娃、鑰;基化合物和娃-鍺合金中選擇。
6.如上述任一權(quán)利要求所述的微測熱輻射計陣列，其中每個微測熱輻射計像素的測溫元件通過電絕緣膜與吸收元件絕緣。
7.如上述任一權(quán)利要求所述的微測熱輻射計陣列，其中至少一個微測熱輻射計像素的所述第一層MIM結(jié)構(gòu)設(shè)置于大體位于微測熱輻射計像素中心。
8.如上述任一權(quán)利要求所述的微測熱輻射計陣列，其中至少一個微測熱輻射計像素的吸收元件包括多層上述MM結(jié)構(gòu)，設(shè)置于微測熱輻射計像素表面。
9.如權(quán)利要求8所述的微測熱輻射計陣列，其中至少兩個所述MM結(jié)構(gòu)是不同的并且具有對上述光譜帶中的至少兩個不同波長的入射輻射的諧振吸收。
10.如上述任一權(quán)利要求所述的微測熱輻射計陣列，其中至少一個微測熱輻射計像素的吸收元件包括至少一個第二 MM結(jié)構(gòu)，第二 MM結(jié)構(gòu)疊加在所述第一 MM結(jié)構(gòu)上，所述第一和第二結(jié)構(gòu)具有對上述光譜帶中的至少兩個不同波長的入射輻射的諧振吸收，并共享公共的金屬膜。
11.如上述任一權(quán)利要求所述的微測熱輻射計陣列，其中，對于每個微測熱輻射計像素，所述MIM結(jié)構(gòu)的至少一個橫向尺寸小于或等于λ_/2η，其中λ_是上述光譜帶的最長波長并且η是所述MM結(jié)構(gòu)中電介質(zhì)膜的電介質(zhì)的折射率。
12.如上述任一權(quán)利要求所述的微測熱輻射計陣列，其中所述每個微測熱輻射計像素的MIM結(jié)構(gòu)中的電介質(zhì)膜是由以下材料中選擇一種制備而來，硫化鋅(ZnS)、三氟化釔(YF3)、氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiOx)、氧氮化硅(SiOxNy)、非晶鍺(a-Ge)、非晶硅(a-Si)和硅鍺非晶合金(a-SiGe)。
13.如上述任一權(quán)利要求所述的微測熱輻射計陣列，其中所述每個微測熱輻射計像素的MIM結(jié)構(gòu)中的第一或第二金屬膜是由以下材料中選擇一種制備而來，金、銅、鋁和銀。
14.如上述任一權(quán)利要求所述的微測熱輻射計陣列，其中每個微測熱輻射計像素進(jìn)一步包括一個位于與上述隔膜平面相距為d的反射器(302)，以便在上述波長形成諧振腔。
15.如上述任一權(quán)利要求所述的微測熱輻射計陣列，其中所述支撐襯底包括用于讀取每個微測熱輻射計像素測溫元件電阻的回路。
16.探測紅外輻射的攝像機(jī)，包括光學(xué)成像器件，位于上述光學(xué)成像器件焦平面附近的如上述任一權(quán)利要求所述的微測熱輻射計陣列，和處理由熱輻射器讀數(shù)回路傳送的信號的>j-U ρ?α裝直。
17.一種用于制造如上述任一權(quán)利要求所述的微測熱輻射計陣列的方法，包括: 在支撐襯底上沉積一層犧牲膜； 在上述膜錨定微測熱輻射計像素元件的位置形成開口； 沉積一層結(jié)構(gòu)化膜以對于每一個微測熱輻射計像素定義測溫元件和熱絕緣臂； 在形成的每一個測溫元件上沉積MM結(jié)構(gòu)； 去除犧牲膜。
18.一種用于制造權(quán)利要求17中所述的微測熱輻射計陣列的方法，包括，在沉積犧牲膜之前，對于每一個微測熱輻射計像素和反射元件，一步沉積反射膜結(jié)構(gòu)形成。
【文檔編號】G01J5/08GK103930755SQ201280044662
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月15日
【發(fā)明者】C·克什蘭, P·布雄, R·海達(dá)爾, J-L·佩盧阿德, J-J·約恩, J·德尚, F·帕爾多, S·科蘭 申請人:中央科學(xué)研究中心, 法國宇航院, 原子能和替代能源專員署