室温法布里－珀罗红外探测器阵列及其制作方法

摘要

本发明涉及一种室温F－P红外探测器阵列及制作方法，其特征在于硅基底和可动微镜之间构成了红外谐振腔，可动微镜和带有高反膜的玻璃之间构成F－P腔。其制作特征在于采用普通硅片，首先通过腐蚀硅确定F－P腔的长度，通过制作牺牲层确定红外谐振腔的长度，在牺牲层上淀积氮化硅、铝或金薄膜，光刻并刻蚀出微镜图案，随后去掉牺牲层材料，释放可动微镜，最后在真空中作硅－玻璃键合，形成F－P腔。本发明的优点在于：采用体硅与表面牺牲层技术相结合的工艺，可方便的制作出符合要求的红外谐振腔和F－P腔，提高了器件的红外探测性能，同时在工艺过程即实现了红外探测器阵列的真空封装，不需要专门的真空封装，简化了工艺，保证了器件的性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能的法布里-珀罗(Fabry-Perot，简称F-P)红外探测器阵列及制作方法，属于微电子机械系统领域。

背景技术

光学读出红外热成像技术是一种全新的红外探测技术，与传统的电学读出红外探测技术相比它具有一系列的潜在的优点：采用光学读出，利用光学原理(如光的干涉或衍射原理等)实现像增强与像转换，整个系统是个全光系统，不需要复杂的读出电路，可以用眼睛而不用其他任何接收装置观察到红外图像，这是传统的红外成像方式做不到的；可以在室温下工作，无需笨重的制冷设备；探测灵敏度高，重量轻，能量消耗少，其潜在的价格优势明显。

J.K.Gimzewski，J.R.Barnes等人首先将微机械双材料悬臂梁用于热测量(J.K.Gimzewski，Ch.Gerber，E.Meyer，et al.Observation of a chemicalreaction using a micromechanical sensor.Chem.Phys.Lett.，vol.217，1994：589-594；J.R.Barnes，R.J.Stephenson，M.E.Welland，et al.Photothermalspectroscopy with femtojoule sensitive using a micromechanical device.Nature，vol.372，1994：.79-82.)，其能量和温度分辨率可达1pJ、10^-5K，展示了将其用于红外探测的前景。1997年，Manalis等人报道了采用Si/Al双材料悬臂梁制作的光学读出红外焦平面阵列，主要将其用来探测工作波长为0.78μm的红外激光(S.R.Manalis，S.C.Minne，C.F.Quate，et al.Two-dimensioned Micromechical Bimorph Arrays for Detection of ThermalRadiation，Appl.Phys.Lett.，Vol.70，1997：3311-3313.)。但是，由于Si/Al高的热导率和在8-14μm波段的低吸收率，这种材料组合并不适合于红外探测；另一方面，这种红外探测阵列采用了散焦效应的工作原理，其灵敏度将很难得到提高。此后，加州大学伯克利分校的Majumder等人提出了一种被称为MIRROR的微机械红外焦平面阵列(T.Perazzo，M.Mao，O.Kwon，A.Majumdar.Infrared vision uncooled micro-optomechanical camera.Appl.Phys.Lett.，vol.74，1999：3567-3569.)。该器件基于光栅衍射的原理，将红外辐射直接转化为可见光，但是对MIRROR系统来说，为了实现光学读出，针孔板是必要的，这无疑增加了系统的复杂性并降低了可见光图像显示的分辨率；另外需要将制作好的器件置于专门的容器中以实现真空封装。

针对上述问题，我们提出了光调制热成像系统(LMTID)(一种用于光调制热成像系统的芯片及制作方法.熊斌，冯飞，王跃林.ZL02136625.X.)。在最初的设想中，红外探测器阵列是采用SOI硅片制作的，另外在探测器制作完成后需要专门的真空封装，这些无疑也增加了制作的成本和工艺的复杂性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高性能的F-P红外探测器阵列及制作方法，一方面，改进器件结构以提高器件性能；另一方面，改进制作方法以简化工艺制作，减小制作难度，最终达到降低制作成本的要求。

本发明的目的是这样实现的：采用表面微机械与体微机械加工手段相结合的办法，制作出两个腔体——红外谐振腔和F-P腔，一方面红外谐振腔可以提高红外吸收薄膜对红外辐射的吸收，另一方面选择合适的F-P腔腔长以保证在没有红外辐射时，干涉图像强度为零；通过改进工艺制作方法，采用普通的硅片而不是SOI硅片来制作红外探测器阵列，降低了制作成本。

上述目的可以通过以下工艺制作实现：首先在硅片上腐蚀出F-P腔的腔体；然后制作锚区和牺牲层材料；在锚区和牺牲层材料上淀积红外吸收层与可见光反射层薄膜；刻蚀红外吸收层与可见光反射层薄膜，形成可动微镜结构；去除牺牲层形成红外谐振腔；随后作一次硅—玻璃键合，形成F-P腔。所采用的红外吸收层与可见光反射层薄膜还应满足热膨胀系数应相差很大的条件，一般选用非金属充当红外吸收层，金属薄膜充当可见光反射层，考虑到工艺制作等因素，非金属材料通常选择SiNx，金属材料通常选择Al、Au等，但并不限于上述材料，为了方便说明，在下面的实施例中将以SiNx、Al、Au为例。

如图1所示，F-P红外探测系统包括三部分：红外光学系统、F-P红外探测器阵列和可见光读出部分，其中F-P红外探测器阵列是核心部件。红外光学系统将探测目标的红外辐射图像成像于F-P红外探测器阵列上；可见光读出部分包括激光光源(波长不限于λ＝632.8nm，只要是在可见光范围内即可)、准直扩束透镜、光阑、分光镜、透镜、CCD和计算机图像处理等部分，可见光(激光)通过准直、扩束后，经光阑、分光镜照射到F-P红外探测器阵列上，经F-P红外探测器阵列调制后的可见光被分光镜反射后可成像于人眼或经透镜会聚于CCD摄像头，计算机图像处理系统与CCD相连接，可对获得的图像进行实时处理。

如图2、图4所示，F-P红外探测器阵列由硅基底1、m×n的可动微镜阵列2和带高反膜的玻璃3组成；硅基底1除了充当衬底及热沉外，还起到了红外滤光片的作用，而无需专门的红外滤波片；带高反膜的玻璃3由玻璃31以及制作在其表面的高反膜32构成(如图4所示)；m×n的可动微镜阵列2制作于硅基底1上，而带高反膜的玻璃3与硅基底1通过阳极键合或其它方法相连接，实现对可动微镜阵列的真空封装，无需专门的真空容器封装。硅基底1和m×n的可动微镜阵列2之间构成了红外谐振腔，可动微镜阵列和下面的硅基底表面的距离应为入射红外辐射波长的二分之一，提高了可动微镜对红外辐射的吸收；而m×n的可动微镜阵列2和带高反膜的玻璃3之间构成F-P腔，可动微镜的反射面和固定镜面的反射面是F-P腔的两个反射面，它们之间的距离决定了可动微镜阵列的在没有红外辐射时的初始相位。

如图3所示，一个可动微镜就是一个单元像素，可动微镜由镜面22、双材料梁21及锚区9构成，双材料梁21的一端连接镜面22，另一端通过锚区9与硅基底1相连接。镜面22一方面吸收红外辐射，另外一方面还反射可见光；当红外辐射从硅基底1一侧入射，导致镜面22温度升高，双材料梁21由于两端存在温度差而发生弯曲，带动镜面22沿其法向运动，此时红外辐射转化为镜面22机械位移，该位移对入射可见光光强进行调制。可动微镜按照功能划分可分为：红外吸收区、可见光反射区及双材料梁区，即红外吸收区吸收红外辐射导致双材料梁发生弯曲，从而带动可见光反射区发生位移，在图3中，红外吸收区和可见光反射区合在一起构成了镜面22与双材料梁21相连接。可动微镜并不只限于图3所示的结构，只要具备红外吸收区、可见光反射区及双材料梁区，且在吸收红外辐射时能在沿可见光反射区法线方向发生位移即可。

器件的工作过程：如图1所示，红外辐射经过红外光学系统和硅滤波片成像于F-P红外探测器阵列上，由于红外的热效应引起了微镜的位移，改变了F-P腔的两个反射面之间的距离，从而可以对入射的单色可见光进行调制，调制过的可见光经过半透镜干涉成像于人眼视网膜上或者用CCD相机摄制下来，从而完成了红外图像向可见光图像的转化。

如图5所示，制作F-P红外探测器阵列的具体工艺如下：对硅片进行热氧化，氧化温度为900-1100℃，光刻并图形化，去胶；腐蚀硅，腐蚀深度等于F-P腔的腔长，去掉二氧化硅掩膜；进行热氧化，氧化温度为900-1100℃，光刻并图形化；腐蚀硅，腐蚀深度等于红外谐振腔的腔长，去掉二氧化硅掩膜；填充牺牲层材料(光刻胶、聚酰亚胺和unity-400等有机材料或金属材料)，光刻并图形化；淀积低应力SiNx、Al或Au薄膜，光刻并图形化，去掉凹坑周围的SiNx、Al或Au薄膜；光刻，刻蚀凹坑内的SiNx、Al或Au薄膜，定义可动微镜结构；去掉牺牲层材料，释放可动微镜结构，可动微镜与硅基底之间构成红外谐振腔；选取表面平整的玻璃，在玻璃表面蒸镀高反膜，其反射率为50％～99.999...％，光刻并图形化。

本发明具有以下积极效果和优点：

1、采用普通硅片制作红外探测器阵列，降低了制作成本；

2、采用牺牲层工艺可方便地制作出红外谐振腔，提高了器件的红外吸收性能；

3、通过体硅工艺可以准确控制F-P腔的长度，提高了器件的性能；

4、工艺过程中实现了红外探测器阵列的真空封装，提高了器件的性能。

附图说明

图1是F-P红外探测系统原理图。

图2是F-P红外探测器阵列的立体示意图。可动微镜不限于图中所示的形状。

图3是F-P红外探测器阵列的单元像素图。

图4是实施例1的F-P红外探测器阵列芯片中一个像元沿图3中AA’方向上的剖面图。

图5是图4所示的实施例1的工艺流程图。a氧化并图形化；b腐蚀硅；c氧化并图形化；d腐蚀硅；e制作牺牲层；f淀积低应力SiNx和金属Al或Au；g刻蚀微镜图案；h去掉牺牲层结构，释放可动微镜；i在玻璃上制作高反膜并图形化；j真空键合。

图6是图4所示的实施例1的另一种工艺流程图。a氧化并图形化；b腐蚀硅；c淀积Au或者SiC薄膜并图形化；d阳极氧化，制作多孔硅牺牲层；e淀积低应力SiNx和金属Al或Au；f刻蚀微镜图案；g去掉牺牲层结构，释放可动微镜；h在玻璃上制作高反膜并图形化；i真空键合。

图7是图4所示的实施例1的又一种工艺流程图。a淀积Au或者SiC薄膜并图形化；b腐蚀硅并制作牺牲层；c制作锚区；d淀积低应力SiNx和金属Al或Au；e刻蚀微镜图案；f去掉牺牲层结构，释放可动微镜；g在玻璃上制作高反膜并图形化；h真空键合。

图中：

1-硅基底                           2-m×n可动微镜阵列

3-带高反膜的玻璃                   4-氧化硅薄膜

5-牺牲层材料                       6-Al或Au薄膜

7-氮化硅薄膜                       8-碳化硅薄膜

9-锚区                             21-可动微镜的镜面部分

22-可动微镜的双材料支撑梁部分      31-玻璃

32-高反膜

具体实施方式

实施例1

在图4所示的实施例1中，微镜(包括四周的双材料复合梁)是氮化硅和铝膜或金膜构成的复合膜(梁)。通过去除牺牲层，形成红外谐振腔；通过硅-玻璃键合，把微镜阵列和带有高反膜的玻璃键合在一起，构成了F-P腔。红外谐振腔和F-P腔的长度可由牺牲层厚度以及硅的腐蚀深度准确控制。

下面结合图5详细阐述本实施例的工艺流程，对本发明作进一步说明。

(1)对硅片进行热氧化，氧化温度为900-1100℃，光刻并图形化，去胶，如图5a所示；

(2)腐蚀硅，腐蚀深度等于F-P腔的腔长，去掉二氧化硅掩膜，如图5b所示；

(3)进行热氧化，氧化温度为900-1100℃，光刻并图形化，如图5c所示；

(4)腐蚀硅，腐蚀深度等于红外谐振腔的腔长，去掉二氧化硅掩膜，如图5d所示；

(5)填充牺牲层材料(光刻胶、聚酰亚胺和unity-400等有机材料或金属材料)，光刻并图形化，如图5e所示；

(6)淀积低应力SiNx、Al或Au薄膜，光刻并图形化，去掉凹坑周围的SiNx、Al或Au薄膜，如图5f所示；

(7)光刻，刻蚀凹坑内的SiNx、Al或Au薄膜，定义可动微镜结构，如图5g所示；

(8)去掉牺牲层材料，释放可动微镜结构，可动微镜与硅基底之间构成红外谐振腔，如图5h所示；

(9)选取表面平整的玻璃，在玻璃表面蒸镀高反膜，其反射率为50％～99.999...％，光刻并图形化，如图5i所示；

(10)硅、玻璃在真空环境下键合，键合温度200-450℃，可动微镜与玻璃之间形成了F-P腔，同时完成了对红外探测器阵列的真空封装，如图5j所示。

在5a-5d中，还可以采用其它材料作掩膜，如Si₃N₄薄膜等。

图6是是图4所示的实施例1的另一工艺流程图。与图5所示的工艺流程图相比较，其主要的区别在于牺牲层材料不是有机材料或者金属，而是选择多孔硅作牺牲层材料。制作牺牲层材料的掩膜不是图5c中的热氧化，而是图6c中的淀积^Au或^SiC薄膜(也可以选择其它掩膜材料)；制作牺牲层的方法改为阳极氧化(电流密度小于100mA/cm²)，如图6d；腐蚀多孔硅牺牲层释放可动微镜结构，如图6g；其它步骤类似。

图7是是图4所示的实施例1的又一工艺流程图。与图5、图6所示的工艺流程图相比较，其主要的区别在于锚区与衬底材料不同，而是由淀积的非金属/金属材料构成。图7b中的牺牲层材料可以是光刻胶、聚酰亚胺和unity-400等有机材料、金属材料或多孔硅等材料；牺牲层材料如果是有机材料或金属材料，则图7a的掩膜还可选择氧化硅；其它步骤类似。

值得注意的是，工艺方法并不受图5、6、7所示的工艺流程限制，只要能实现图4所示的器件结构即可。