一種低熱導(dǎo)的太赫茲探測單元微橋結(jié)構(gòu)及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低熱導(dǎo)的太赫茲探測單元微橋結(jié)構(gòu)，該微橋結(jié)構(gòu)包括橋墩、橋腿、橋面。橋墩連接底層讀出電路與橋腿，橋腿呈懸空結(jié)構(gòu)并連接橋墩與探測橋面，橋面由兩只橋腿支撐形成懸空結(jié)構(gòu)。橋面實(shí)現(xiàn)外部太赫茲輻射能量到橋面溫升到電學(xué)信號的轉(zhuǎn)變，該電學(xué)信號通過橋腿和橋墩傳遞給底層讀出電路，實(shí)現(xiàn)太赫茲輻射的探測。本發(fā)明采用的橋腿呈細(xì)長的“弓”型形狀，橋腿盤曲的平面與水平的橋面間夾角在30°-70°之間，傾斜的橋腿懸空未與襯底相連。該設(shè)計(jì)一方面增加了橋腿的長度，減弱了因橋腿的機(jī)械連接而產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)。另一方面，增加了橋面太赫茲輻射吸收面積，提高了單元占空比。該微橋結(jié)構(gòu)提高了探測單元性能并適宜規(guī)?；a(chǎn)。
【專利說明】一種低熱導(dǎo)的太赫茲探測單元微橋結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太赫茲探測，以及非制冷紅外探測領(lǐng)域，具體涉及一種用于太赫茲微測輻射熱計(jì)的微橋結(jié)構(gòu)與制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外探測器把不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)化為可檢測的電信號，實(shí)現(xiàn)對外界事物的觀察。紅外探測器分為量子探測器和熱探測器兩類。熱探測器又稱非制冷紅外探測器，可以在室溫下工作，具有重量輕，集成度高，成本低可靠性強(qiáng)等多優(yōu)點(diǎn)，在軍事，商業(yè)和民用等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。非制冷紅外探測器主要包括熱釋電，熱電偶，熱敏電阻三種類型。其中給予熱敏電阻的微測輻射熱計(jì)是焦平面探測器，是今年發(fā)展迅猛的，應(yīng)用極為廣泛的一種非制冷紅外探測器(Leonard P.Chen, “Advanced FPAs for MultipleApplications”Proc.SPIE，4721，1-15)。
[0003]太赫茲波常指頻率在0.1THz-lOTHz范圍內(nèi)的電磁波。由于所處頻段較特殊，屬于宏觀電子學(xué)和微觀光子學(xué)的過渡范圍，因此THz波表現(xiàn)出一系列不同于其他頻段電磁波的獨(dú)特性質(zhì)，使之在軍事和民用領(lǐng)域(如成像、通信、遙感、雷達(dá)、天文、生物醫(yī)學(xué)等)具有重要的科研價(jià)值及廣闊的應(yīng)用。與其他波相比，太赫茲波的特點(diǎn)有①太赫茲輻射的頻率范圍很寬，它幾乎覆蓋了各種大分子的轉(zhuǎn)動頻率和震蕩頻率；②太赫茲輻射的能量很小，只有幾毫電子伏特，不容易破壞被檢測的物質(zhì)；③太赫茲輻射有著很高的空間分辨率和時(shí)間分辨率；④太赫茲輻射具有對某些物質(zhì)的穿透性；⑤太赫茲輻射的時(shí)域頻譜信噪比很高，目前，對太赫茲輻射強(qiáng)度測量的信噪比可大于10'太赫茲探測器是是把更長的太赫茲波段(30-3000 μ m)的電磁波輻射轉(zhuǎn)化為可檢測的電信號，實(shí)現(xiàn)對外界事物的觀察，同樣具有重要的軍事和民用前景。太赫茲探測器也有多種型號，其中非制冷太赫茲飛測輻射熱計(jì)與紅外微測輻射熱計(jì)具有類似的結(jié)構(gòu)。可以通過對后者的改進(jìn)來獲取，是太赫茲的重要應(yīng)用面。微測輻射熱計(jì)是紅外及太赫茲探測器件的重要應(yīng)用之一，微測輻射熱計(jì)的紅外或者太赫茲探測過程，主要通過懸浮的微橋結(jié)構(gòu)來完成，其主要原理是光吸收層接受外界的太赫茲輻射導(dǎo)致微橋溫度發(fā)生變化，溫度的變化導(dǎo)致熱敏電阻薄膜的電阻發(fā)生變化，這種電學(xué)性能的變化通過電極檢測，并傳寄到讀出電路，完成信號處理、成像。所以懸浮微橋是影響此類探測器制造成敗或者性能高低的性能的關(guān)鍵因素因素，其中微橋的形狀和結(jié)構(gòu)，橋腿的穩(wěn)定性和絕緣性等是重要的影響因素。
[0004]對于非制冷探測器的性能的主要限制因素是熱絕緣問題，兩條細(xì)長的橋腿起到機(jī)械支撐、電連通和熱絕緣三個(gè)作用。20世紀(jì)90年代Honeywell公司首先研制出I型橋腿結(jié)構(gòu)的非制冷紅外微測福射焦平面，參見1994年2月15日授權(quán)的Honeywell公司BarrettE.Cole申報(bào)的美國專利USP5286976。但是這種微橋結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，制備工藝容易實(shí)現(xiàn)。但是微橋橋腿并沒有達(dá)到良好的絕熱效果。同時(shí)橋腿占據(jù)了一定的橋面面積，減少了光學(xué)吸收面積，導(dǎo)致器件性能下降，限定了器件的進(jìn)一步提高。所以傳統(tǒng)的微橋結(jié)構(gòu)很難滿足器件高性能的要求。[0005]隨后在這種結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，BAE SYSTEMS研制出L型橋腿非制冷紅外探測器，增加了橋腿的長度，減小了橋面面積，用這種設(shè)計(jì)的探測器性能有所提升，但是隨著橋面面積的減小，光學(xué)填充因子也隨之下降，降低了器件的靈敏度。基于這一點(diǎn)，2003年12月23日授權(quán)的Raytheon公司Michael Bay申報(bào)的美國專利USP6667479，提出一種新型S型雙層微橋結(jié)構(gòu)。這種雙層微橋結(jié)構(gòu)包括上下兩個(gè)獨(dú)立的橋面，其中敏感層及光吸收層都集中在上橋面，如傳統(tǒng)的單層橋面結(jié)構(gòu)；下橋面僅由電極及介質(zhì)材料構(gòu)成，且下橋面呈彎曲S型結(jié)構(gòu)，隱藏在橋面下方。這種結(jié)構(gòu)S型橋腿較長，所以絕緣性較好，但是S型橋腿的力學(xué)穩(wěn)定相對較差，容易導(dǎo)致橋腿曲變，薄膜脫落，甚至坍塌。
[0006]另一種典型的雙層結(jié)構(gòu)是2001年12月23日授權(quán)的Boeing公司EugeneT.Fitzgibbons申報(bào)的美國專利USP6307194.這種微橋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是器件的敏感層處在下橋面，而光吸收層獨(dú)立處在橋面上，上下兩個(gè)橋面之間通過一根導(dǎo)熱連接柱連接起來，呈傘型雙層結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是將光吸收層和熱敏薄膜獨(dú)立分開，傘狀吸收平面提升了器件的填充率。這種結(jié)構(gòu)還能相應(yīng)的調(diào)整熱容和熱導(dǎo)，有利于最大限度的吸收光輻射，提高響應(yīng)率，降低了噪聲損耗。傘狀結(jié)構(gòu)比S型結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，工藝也相對簡單，適合大規(guī)模生產(chǎn)。但是傘狀結(jié)構(gòu)上下兩層只是通過一根導(dǎo)熱連接柱連接，這使得下層橋面受熱勻，導(dǎo)致熱敏薄膜轉(zhuǎn)化電信號不均勻，輸出信號不穩(wěn)定，而極大的影響了器件性能。
[0007]傳統(tǒng)的單層微橋結(jié)構(gòu)橋腿絕熱效果及光學(xué)吸收等方面還存在不足，需要改進(jìn)，S型，傘型雙層結(jié)構(gòu)在熱學(xué)，力學(xué)穩(wěn)定方面仍然有不足之處，需要改進(jìn)。本專利提出一種新型微橋結(jié)構(gòu)，橋腿采用“弓”型設(shè)計(jì)，并沿著橋面呈爬坡型傾斜。一方面增加了橋腿長度，一方面傾斜設(shè)計(jì)減小橋腿占據(jù)橋面面積，提高了橋面的光學(xué)填充因子，這在此前相關(guān)文獻(xiàn)及專利中并未提出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明要解決的問題是:提供了一種低熱導(dǎo)太赫茲探測單元微橋結(jié)構(gòu)及制備方法，該微橋結(jié)構(gòu)及制備提高了器件的工作性能。
本發(fā)明提出的問題是這樣解決的:
一種低熱導(dǎo)的太赫茲探測單元微橋結(jié)構(gòu)，包括襯底(10)、讀出電路(20)，讀出電路接口(21)、橋墩、橋腿和橋面。讀出電路(20)制作在襯底(10)之上，并留有讀出電路接口
(21)與橋墩相連接，橋墩通過橋腿與橋面相連接。所述橋面和橋腿懸浮于襯底之上，通過橋墩形成支撐，橋面與襯底之間構(gòu)成空腔(30)，橋面由底層到頂層依次為支撐層(50)，熱阻敏感層(70)，鈍化層(80)，吸收層(90)。
所述橋腿一端與橋面相連，另一端架在橋墩上，整個(gè)橋腿呈“弓”字形盤曲型狀。
所述橋腿所在平面為傾斜平面，與水平橋面之間的夾角在30° -70°之間。
所述傾斜“弓”字形橋腿的頂部與橋面(90)水平，底端高于襯底(10)上面的讀出電路
(20)，為懸空結(jié)構(gòu)。
所述橋腿由兩次犧牲層工藝完成的。
所述傾斜“弓”字形橋腿的底部位于第一犧牲層之上，頂部位于第二犧牲層之上，兩次犧牲層決定了“弓”字形橋腿的上下位置和所在平面的傾斜角度。
所述橋腿“弓”形結(jié)構(gòu)水平方向長度dl為1-3μπι，“弓”形結(jié)構(gòu)縱向長度由單元尺寸決定，彎曲腿寬度d2為1.2-5 μ m,橋腿寬度d3為0.4-1.2 μ m,橋腿支撐層厚度與電極厚度均為 300-700nm。
所述橋腿的長度可以通過橋腿的傾斜角度、水平方向長度dl、彎曲腿寬度d2進(jìn)行調(diào)節(jié)，獲得需要熱導(dǎo)參數(shù)和單元熱響應(yīng)時(shí)間參數(shù)。
進(jìn)一步地，所述微橋橋面吸收層(90) —般采用黑金，鎳，鉻，或者鎳鉻合金；鈍化層(80)材料一般為氮化硅，碳化硅，或者氮化鈦中的一種；敏感層(70)材料為氧化釩薄膜，氧化鈦薄膜，非晶硅薄膜，氧化釩復(fù)合膜，氧化鈦復(fù)合膜中當(dāng)中的一種；所述頂部電極層(60)材料鋁、鎢、鈦、鉬、鎳鉻合金或者任何一種它們的合金。
所述橋面底層支撐層和橋腿支撐層材料一般為二氧化硅，氮化硅，碳化硅中的一種或幾種。
本發(fā)明還提出一種低熱導(dǎo)太赫茲探測單元微橋結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于制備步驟
為:
①清洗含有讀出電路(20)的襯底(10)，在襯底表面沉積一層Al或NiCr或Ti金屬作為反射層，厚度為50-500nm。光刻Al或NiCr或Ti金屬作為橋墩與反射層圖形。
②在金屬表面旋涂第一層犧牲層厚度為100nm-700nm，圖形化光刻出微橋橋墩孔圖形，并進(jìn)行高溫固化處理。
③在犧牲層薄膜上旋涂第二層犧牲層厚度為1-3μ m，光刻出微橋橋墩孔圖形，以及放置微橋橋腿的傾斜凹槽圖形。進(jìn)行犧牲層低溫固化處理。
④在第二層犧牲層薄膜表面沉積微橋橋面第一層氮化硅薄膜作為支撐層和絕緣層，厚度為0.1-1μπι。并在橋墩處光刻刻蝕，形成與襯底反射層金屬的電極連接孔。同時(shí)在第二犧牲層傾斜凹槽處形成傾斜的介質(zhì)薄膜覆蓋層。
⑤在④上覆蓋層電極層材料，并圖形化，形成微橋結(jié)構(gòu)的電極，厚度為10-500nm。
⑥在⑤所述器件上支撐層表面生長熱敏電阻薄膜，厚度為50-500nm。
⑦在⑥所述器件上生長氮化硅、氧化硅復(fù)合薄膜作為鈍化層，保護(hù)敏感層和調(diào)控微橋應(yīng)力，厚度為10-1500nm。
⑧在⑦所述器件上制備吸收層，其厚度在20-200nm。。
⑨在⑧基礎(chǔ)上對復(fù)合薄膜進(jìn)行圖形處理，刻蝕至第二層犧牲層，形成橋面、“弓”形橋腿和橋墩，釋放第二層犧牲和第一犧牲層形成諧振腔(30)，同時(shí)橋腿和橋面保持懸空狀態(tài)并形成低熱導(dǎo)探測單元。
制作步驟中，兩次生長犧牲層所用材料相同，犧牲層所用材料為聚酰亞胺，二氧化硅，氧化的多孔硅和磷硅玻璃，第二層犧牲層釋放后原犧牲層的位置形成諧振腔，諧振腔厚度為1.5-3 μ m。犧牲層(30)的去除用氧等離子轟擊或者用反應(yīng)離子刻蝕或者化學(xué)試劑清除。
【專利附圖】

【附圖說明】
圖1是微橋結(jié)構(gòu)俯視圖
圖中標(biāo)記及說明:如圖所示，犧牲層去除位置，與集成電路接口處(31)，橋墩(40)，橋墩孔(51)，支撐層(50)，電極(60)，橋面吸收層(90), dl弓形結(jié)構(gòu)橋腿橫向?qū)挾燃s為I μ m,d2彎曲橋腿寬度0.5-1 μ m, d3橋腿寬度0.3-0.5 μ m。
圖2是微橋結(jié)構(gòu)主視圖 圖中標(biāo)記及說明:如圖所示:集成電路襯底(10)，集成電路所在位置(20)，集成電路接口(21)，橋墩臺階犧牲層(40)，第一層犧牲層薄膜，正對應(yīng)橋腿下方，避免橋腿與襯底(10)上的電路(20)接觸，導(dǎo)致熱流失，損壞器件(41)，第二層犧牲層去除位置，形成諧振空腔
(30)，支撐層(50)，電極(60)，熱敏感層薄膜(70)，鈍化層(80)，光吸收層(90)。
圖3是微橋結(jié)構(gòu)左視圖
圖中標(biāo)記及說明:如圖所示，集成電路襯底(10)，集成電路(20)，第一層犧牲層薄膜
(41)，橋墩孔(51)，橋面(91)。
【具體實(shí)施方式】
下面通過具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明:
實(shí)例:一種太赫茲探測單元微橋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括橋墩，橋腿，橋面，橋面包括支撐層，敏感層，鈍化層，吸收層等部件，該結(jié)構(gòu)制作在已經(jīng)制備好的驅(qū)動電路(20)的襯底(10)上，集成電路已經(jīng)留出電路接口(21)。
(1)清洗襯底(10)表面,去除表面沾污,并對襯底進(jìn)行200°C以下烘烤，以去除表面的水汽，放進(jìn)等離子增強(qiáng)(PECVD)系統(tǒng)中，沉積一層非晶二氧化硅薄膜作為鈍化層，二氧化硅鈍化層的厚度為200nm。
(2)在二氧化硅鈍化層表面，利用磁控濺射系統(tǒng)，沉積一層IOOnm的金屬鋁，作為微橋的反射層。
(3)在金屬鋁表面光刻出懸浮微橋的橋墩圖形，刻蝕該金屬鋁至二氧化硅鈍化層，形成微橋橋墩孔和金屬鋁孤島。
(4)在金屬鋁表面旋涂第一層厚度為300nm的光敏聚酰亞胺薄膜，對聚酰亞胺進(jìn)行光刻處理，形成懸浮微橋橋墩孔，在橋腿下方正對應(yīng)位置處形成犧牲層聚酰亞胺薄膜。
(5)在上述表面旋涂第二層厚度為2μ m的聚酰亞胺薄膜，進(jìn)行光刻處理，形成梯形聚酰亞胺薄膜孤島和懸浮微橋橋墩孔。
(6)利用聚酰亞胺薄膜孤島和橋墩孔表面，利用PECVD在300°C下，沉積厚度為500nm的微橋橋面的第一層非晶氮化硅作為支撐與絕緣材料。
(7)利用磁控濺射在非晶氮化硅表面沉積一層厚度為IOOnm金屬鋁，并且圖形化作為電極。
(8)利用磁控濺射在上述表面沉積一層厚度為150nm的氧化釩薄膜作為熱敏電阻層。
(9)利用PECVD系統(tǒng)在在熱阻薄膜表面沉積一層厚度為200nm的氮化硅薄膜作為鈍化層。
(11)利用磁控濺射在氮化硅薄膜表面沉積一層厚度為40nm的鎳鉻合金(鎳30%，鉻70% )作為吸收層。
(12)在上述薄膜表面刻蝕出微橋結(jié)構(gòu)，刻蝕該復(fù)合膜至第二層聚酰亞胺薄膜，形成懸浮的微橋橋面，“弓”形橋腿，橋墩。
(13)采用氧離子體去除第一和第二層聚酰亞胺薄膜，形成諧振空腔。
(14)封裝形成太赫茲探測單元器件。
【權(quán)利要求】
1.一種低熱導(dǎo)的太赫茲探測單元微橋結(jié)構(gòu)，包括襯底(10)、讀出電路(20)，讀出電路接口(21)、橋墩、橋腿和橋面，其特征在于:讀出電路(20)制作在襯底(10)之上，并留有讀出電路接口(21)與橋墩相連接，橋墩通過橋腿與橋面相連接；所述橋面和橋腿懸浮于襯底之上，通過橋墩形成支撐，橋面與襯底之間構(gòu)成空腔(30)，橋面由底層到頂層依次為支撐層(50)，熱阻敏感層(70)，鈍化層(80)，吸收層(90)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低熱導(dǎo)的太赫茲探測單元微橋結(jié)構(gòu)，其特征在于橋腿一端與橋面相連，另一端架在橋墩上，整個(gè)橋腿呈“弓”字形盤曲型狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低熱導(dǎo)的太赫茲探測單元微橋結(jié)構(gòu)，其特征在于橋腿所在平面為傾斜平面，與水平橋 面之間的夾角在30° -70°之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低熱導(dǎo)的太赫茲探測單元微橋結(jié)構(gòu)，其特征在于傾斜“弓”字形橋腿的頂部與橋面(90)水平，底端高于襯底(10)上面的讀出電路(20)，為懸空結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低熱導(dǎo)的太赫茲探測單元微橋結(jié)構(gòu)，其特征在于傾斜的橋腿由兩次犧牲層工藝完成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的低熱導(dǎo)的太赫茲探測單元微橋結(jié)構(gòu)，其特征在于傾斜“弓”字形橋腿的底部位于第一犧牲層之上，頂部位于第二犧牲層之上，兩次犧牲層決定了“弓”字形橋腿的上下位置和所在平面的傾斜角度。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低熱導(dǎo)的太赫茲探測單元微橋結(jié)構(gòu)，其特征在于橋腿“弓”形結(jié)構(gòu)水平方向長度dl為1-3 μ m，“弓”形結(jié)構(gòu)縱向長度由單元尺寸決定，彎曲腿寬度d2為1.2-5 μ m,橋腿寬度d3為0.4-1.2 μ m,橋腿支撐層厚度與電極厚度均為300_700nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低熱導(dǎo)的太赫茲探測單元微橋結(jié)構(gòu)，其特征在于橋腿的長度通過橋腿的傾斜角度、水平方向長度dl、彎曲腿寬度d2進(jìn)行調(diào)節(jié)，獲得需要熱導(dǎo)參數(shù)和單元熱響應(yīng)時(shí)間參數(shù)。
9.一種制備權(quán)利要求1所述低熱導(dǎo)的太赫茲探測單元微橋結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于制備步驟為: ①清洗含有讀出電路(20)的襯底(10)，在襯底表面沉積一層Al或NiCr或Ti金屬作為反射層，厚度為50-500nm ;光刻Al或NiCr或Ti金屬作為橋墩與反射層圖形； ②在金屬表面旋涂第一層犧牲層厚度為100nm-700nm，圖形化光刻出微橋橋墩孔圖形，并進(jìn)行高溫固化處理； ③在犧牲層薄膜上旋涂第二層犧牲層厚度為1-3μ m，光刻出微橋橋墩孔圖形，以及放置微橋橋腿的傾斜凹槽圖形，進(jìn)行犧牲層低溫固化處理； ④在第二層犧牲層薄膜表面沉積微橋橋面第一層氮化硅薄膜作為支撐層和絕緣層，厚度為0.1-1 μ m,并在橋墩處光刻刻蝕，形成與襯底反射層金屬的電極連接孔，同時(shí)在第二犧牲層傾斜凹槽處形成傾斜的介質(zhì)薄膜覆蓋層； ⑤在④所述的器件上覆蓋層電極層材料，并圖形化，形成微橋結(jié)構(gòu)的電極，厚度為10_500nm: ⑥在⑤所述的器件上支撐層表面生長熱敏電阻薄膜，厚度為50-500nm； ⑦在⑥所述的器件上生長氮化硅、氧化硅復(fù)合薄膜作為鈍化層，保護(hù)敏感層和調(diào)控微橋應(yīng)力，厚度為10-1500nm; ⑧在⑦所述器件上制備吸收層，其厚度在20-200nm；⑨在⑧基礎(chǔ)上對復(fù)合薄膜進(jìn)行圖形處理，刻蝕至第二層犧牲層，形成橋面、“弓”形橋腿和橋墩，釋放第二層犧牲 和第一犧牲層形成諧振腔(30)，同時(shí)橋腿和橋面保持懸空狀態(tài)并形成低熱導(dǎo)探測單元。
【文檔編號】G01J5/20GK103940518SQ201410182730
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月23日
【發(fā)明者】王軍, 郭曉珮, 丁杰, 樊林, 吳志明, 蔣亞東 申請人:電子科技大學(xué)