红外探测器及其制作方法及多波段非制冷红外焦平面

摘要

本发明红外探测器包括基底结构、微桥结构，基底结构包括含有读出电路的硅衬底基底、两个读出电路电极、反射层，微桥结构包括微桥桥面、两个支撑柱、两个支撑桥腿。反射层位于硅衬底基底的一端面上；两个读出电路电极呈对角线分布，与反射层位于硅衬底基底的同一端面上，且互不接触；两个支撑桥腿各有一端与桥面相连，另一端经由支撑柱、读出电路电极分别与读出电路相连；使桥面悬空于反射层之上，二者之间形成光学谐振腔；桥面自光学谐振腔向上分布有支撑层、热敏层、钝化层、电磁波激发层。此外，还提供一种制作探测器的方法及多波段红外焦平面。本发明实现一种结构简单、体积小、制作工艺难度低、低成本、高成品率的多波段非制冷红外焦平面。

说明书

技术领域

本发明涉及红外探测与成像技术领域，尤其涉及一种采用MEMS技术制作的多波段非制冷红外焦平面。

背景技术

红外成像技术作为一种广泛使用的夜视技术，与其它夜视技术（人工照明、微光成像）相比，红外成像技术不需要任何辅助照明方式或微光条件，在完全没有光照条件下直接对物体的红外辐射成像。而且红外成像在雾、云、烟和灰尘等环境条件下均能提供优良的图像性能，彻底摆脱了人工照明或弱光成像的技术限制，因此被称为第三代全天候成像技术。

非制冷红外成像技术相对于制冷型探测器，具有成本低、体积小、功耗低的特点。随着非制冷红外探测器技术水平的不断提高，在许多的应用场合已经逐步取代制冷型红外探测器，成为更多红外夜视仪系统广泛采用的成像核心芯片，从而具有非常广阔的民事和国防应用前景。

目前商业化的非制冷红外焦平面产品所采用的材料主要有无定形硅(Amorphous silicon(α-Si))、氧化钒(Vanadium oxide(VOx))和钛酸锶钡(Barium strontium titanate(BST))三种。非制冷红外焦平面成像原理可简述为，当探测器吸收外界红外辐射能量，探测器的温度会发生变化：采用无定形硅和氧化钒材料则探测器通过电阻变化将温度变化转换成电信号；采用钛酸锶钡材料则探测器通过电容变化将温度变化转换成电信号；然后再根据电信号的大小，换算成目标物体的温度，从而得到目标物体的温度分布，对目标物体进行成像。

目前，非制冷红外成像波段主要集中在长波红外波段（8μm～14μm），而成像波段位于中波红外波段（3μm～5μm）的产品比较少。这两个波段成像均有各自的优点：长波红外成像技术成熟，灵敏度高，对烟雾的穿透能力比较强，能够对大部分目标提供优异的成像效果；中波红外成像背景辐射干扰小，在湿度比较大的环境中可视距离优于长波红外，在导弹预警方面有重要的应用。由于长波红外成像和中波红外成像各具优点，且提供不同的光谱信息，所以美国的一些先进夜间战术成像系统同时配备有长波红外和中波红外成像系统。

近年来，多波段红外成像技术引起了许多公司和研究机构的兴趣。为了实现多波段成像，红外成像系统一般采用多个对不同波段响应的探测器，这样的系统设计复杂，体积、重量、功耗均比较大，而且成本高。

国外在红外多波段成像方面，美国雷神公司在2009年12月申请了多波段成像专利（美国专利，名称：Dual Band Imager with Visible or SWIR Detectors Combined with Uncooled LWIR Detectors，专利号：US 7,629,582 B2, 公开日期：2009.12.8）。该专利的技术方案是采用光子型探测器和热敏型探测器混合集成的方式，光子型探测器作为短波红外探测器，而热敏型探测器作为长波红外探测器。该专利技术方案的优点是短波红外和长波红外的探测器分别采用不同的器件，而且采用层叠的方式混合集成在一起，短波红外探测器对长波红外具有很高的透过率，所以短波红外探测器和长波红外探测器互不影响，分辨率高。缺点是工艺难度很大，由于采用两种不同原理的器件，读出电路设计非常复杂。

国内在红外多波段成像方面，中国电子科技集团公司第十三研究所在2009年12月申请了一个双波段成像专利（中国专利，名称：一种MEMS 非制冷双波段红外探测器及其制备，申请号：200910228000.6，公开日期：2010.05.26）。该专利采用通过调节光学谐振腔长度的方式实现双波段成像。该专利的优点是原理比较简单，容易设计。缺点是采用双层微桥结构，而且两层微桥结构分别独立，使得结构复杂，工艺实现难度很大；由于需要额外的对谐振腔长的控制，也增加了读出电路设计的难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种实现简单、可降低成像系统的体积、重量和功耗，且低成本的多波段非制冷红外焦平面。

作为本发明技术方案的一方面，提供一种红外探测器，包括基底结构、微桥结构，所述基底结构包括含有读出电路的硅衬底基底、两个读出电路电极、反射层，所述微桥结构包括微桥桥面、两个支撑柱、两个支撑桥腿，其中，

所述反射层位于所述硅衬底基底的一端面上；所述两个读出电路电极呈对角线分布，与所述反射层位于所述硅衬底基底的同一端面上；

所述两个支撑桥腿各有一端与所述微桥桥面相连，另一端经由所述两个支撑柱和两个读出电路电极分别与所述硅衬底基底上的读出电路相连；使得所述微桥桥面悬空于所述反射层之上，在所述微桥桥面与所述反射层之间形成一光学谐振腔；

所述微桥桥面自所述光学谐振腔向上依次分布有支撑层、热敏层、钝化层，特别地，所述微桥桥面还包括一电磁波激发层，所述电磁波激发层位于所述钝化层之上，与所述钝化层紧密接触。

进一步地，所述电磁波激发层通过在极化材料上制作阵列型亚波长微结构实现。

进一步地，所述极化材料为能与外部输入的红外辐射信号发生耦合作用的金属材料或者电介质材料中的一种。

进一步地，所述金属材料为金、银、铂、镍、钛、钨中的一种；所述电介质材料为碳化硅、氧化锌、砷化镓中的一种。

进一步地，所述阵列型亚波长微结构由多个微结构单元规则排列形成。

进一步地，所述微结构单元的形状为矩形、圆形、多边形中的一种或多种。

进一步地，所述微结构单元的周期基本与欲选波段的中心波长相同，所述微结构单元的尺寸约为周期的一半。

作为本发明技术方案的另一方面，还提供一种制作红外探测器的方法，具体实现步骤如下，

第一步，制作基底结构：利用电子束蒸发或者磁控溅射方法在硅衬底基底上镀制镍铬、铝、或氮化钛中的一种或几种金属，以在所述硅衬底基底的同一端面上形成反射层和两个读出电路电极，再通过剥离工艺、干法刻蚀或者湿法刻蚀方法实现图形化；

第二步，制作牺牲层：对光敏型聚酰亚胺或者非光敏型聚酰亚胺采用旋涂方法来制作所述牺牲层；或者，对二氧化硅或者多晶硅采用化学气相沉积的方法来制作所述牺牲层；

第三步，制作牺牲层通孔：通过光刻方法在由光敏型聚酰亚胺制成的所述牺牲层上制作牺牲层通孔；或者，通过干法刻蚀方法在由非光敏型聚酰亚胺、二氧化硅或者多晶硅制成的所述牺牲层上制作牺牲层通孔；

第四步，制作微桥结构中的支撑层：使用氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、或碳化硅中的任一种材料，采用化学气相沉积方法制作形成所述支撑层；

第五步，制作微桥结构中的热敏层：对氧化钒采用反应溅射方法镀制形成所述热敏层；或者，对无定形硅采用等离子体增强化学气相沉积法镀制形成所述热敏层，然后再通过干法刻蚀实现图形化；

第六步，制作微桥结构中的钝化层：使用氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、或碳化硅中的任一种材料，采用化学气相淀积方法制作形成所述钝化层；

第七步，制作读出电路电极接触孔和热敏层接触孔：利用由氧气与三氟甲烷混合构成的刻蚀气体，采用干法刻蚀方法形成读出电路电极接触孔和热敏层接触孔；

第八步，制作金属接触电极层：使用钛、铝、氮化钛、钒中的任一种金属，采用电子束蒸发或磁控溅射制作所述金属接触电极层，然后再通过干法刻蚀方法实现图形化；

第九步，制作微桥结构中的电磁波激发层：采用磁控溅射方法或化学气相沉积方法制作形成所述电磁波激发层，然后再利用干法刻蚀方法或者湿法刻蚀方法实现图形化，形成阵列型亚波长微结构；

第十步，刻蚀出微桥结构，去除所述牺牲层，释放微桥结构：先采用干法刻蚀方法刻蚀出微桥结构；再采用下列方法去除所述牺牲层：利用氧等离子体干法去除由光敏型聚酰亚胺或者非光敏型聚酰亚胺制成的所述牺牲层；或者，利用氟化氢气体去除由二氧化硅制成的所述牺牲层；或者，利用氟化氙去除由多晶硅制成的所述牺牲层。

进一步地，所述电磁波激发层的厚度为50nm～200nm。

作为本发明技术方案再一方面，本发明还提供一种多波段非制冷红外焦平面，所述焦平面上规则排布或者不规则排布有多个上述能吸收不同波段红外辐射信号的红外探测器。

本发明的有益效果是：本发明技术方案在现有非制冷红外探测器技术方案的基础上进一步改进，增加一电磁波激发层，由电磁波激发层与入射红外辐射信号之间发生耦合作用实现光谱选择，进而实现红外焦平面的多波段红外成像。由本发明技术方案构成的红外焦平面具有结构简单、体积小、制作工艺难度系数低、低成本、高成品率等优点，同时，由于本发明是在现有成熟的非制冷探测器工艺上进行的改进，这就无需再重新设计读出电路，大大缩短了研发周期、降低研发成本和产品成本。

附图说明

图1为本发明红外探测器的结构示意图；

图2为图1中的红外探测器的A-A′剖面结构示意图；

图3为本发明中电磁波激发层的阵列型亚波长微结构的第一种构成示意图；

图4为本发明中电磁波激发层的阵列型亚波长微结构的第二种构成示意图；

图5为本发明中电磁波激发层的阵列型亚波长微结构的第三种构成示意图；

图6为电磁波耦合中心波长与极化材料、阵列排布方式和周期之间的关系示意图；

图7a为本发明中的基底结构在A-A′方向的截面示意图；

图7b为本发明中的牺牲层在A-A′方向的截面示意图；

图7c为制作牺牲层通孔后牺牲层在A-A′方向的截面示意图；

图7d为本发明中的支撑层在A-A′方向的截面示意图；

图7e为本发明中的热敏层在A-A′方向的截面示意图；

图7f为本发明中的钝化层在A-A′方向的截面示意图；

图7g制作电极接触孔与热敏层接触孔后钝化层在A-A′方向的截面示意图；

图7h为本发明中的金属接触电极在A-A′方向的截面示意图；

图7i为本发明中的电磁波激发层在A-A′方向的截面示意图；

图7j为本发明中的微桥结构在A-A′方向的截面示意图；

图8为本发明中的不同波段的探测器构成焦平面的一种排布方式的示意图；

图9为本发明中的不同波段的探测器构成焦平面的另一种排布方式的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

作为本发明技术方案的一方面，如图1所示，提供一种红外探测器包括基底结构、微桥结构，基底结构包括含有读出电路的硅衬底基底1、反射层2、两个读出电路电极6，微桥结构包括微桥桥面5、两个支撑柱3、两个支撑桥腿4。

反射层位于硅衬底基底的一端面上；两个读出电路电极呈对角线分布，与反射层位于硅衬底基底的同一端面上，且与反射层互不接触。两个支撑桥腿各有一端与微桥桥面相连，另一端经由两个支撑柱和两个读出电路电极分别与硅衬底基底上的读出电路相连；使得微桥桥面悬空于反射层之上，在微桥桥面与反射层之间形成一光学谐振腔。

其中，反射层2的材料一般为金属材料，这是由于金属材料在红外波段能够提供非常高的宽谱反射率，具体材料科可采用铝、镍铬合金、金、氮化钛等。反射层2与微桥桥面5之间形成的光学谐振腔13，可增强探测器对红外辐射信号的吸收率，提高探测器的灵敏度。

支撑柱3与支撑桥腿4相互配合，用来支撑微桥桥面5，实现微桥桥面5与读出电路之间的电连接，同时还增大微桥桥面5和硅衬底基底1之间的热阻，提高探测器的响应度。其中，支撑柱3的结构可采用由支撑材料和金属材料共同构成的碗状结构，也可采用仅通过金属材料构成的塞状结构。上述金属材料一般采用电导率大的铝、镍、钛、钒等金属。桥腿4一般由包括介质支撑层和金属导电层的多层结构构成。

微桥桥面5自光学谐振腔13向上依次分布有支撑层8、热敏层9、钝化层10、电磁波激发层12，电磁波激发层12位于钝化层10之上，与钝化层10紧密接触。本发明通过电磁波激发层12与入射的红外辐射信号14之间发生耦合作用来实现光谱选择，进而实现由本发明的探测器构成的红外焦平面的多波段红外成像。

参见图3、图4、图5，电磁波激发层12通过在极化材料上制作阵列型亚波长微结构实现。

进一步地，上述极化材料为能与外部输入的红外辐射信号发生耦合作用的金属材料或者电介质材料中的一种。具体地，金属材料可为金、银、铂、镍、钛、钨中的一种；电介质材料（dielectric material）可为碳化硅、氧化锌、砷化镓中的一种。

参见图3、图4、图5，阵列型亚波长微结构由多个微结构单元15/16规则排列形成，阵列型亚波长微结构选取的波段由所述微结构单元15/16的形状、尺寸、和周期决定。

微结构单元的形状可为矩形、圆形、多边形中的一种或多种，此外，吸收波段还与微结构单元的尺寸、周期的选取有关。如图3所示，若微结构单元15为矩形，则微结构单元15的尺寸即为边长L，P为周期；如图4、图5所示，若微结构单元16为圆形，则微结构单元16的尺寸即为半径R，P为周期。一般而言，周期基本与欲选波段的中心波长相同，即周期在欲选波段的中心波长附近选值，微结构单元的尺寸约为周期的一半。具体如下：对于中波红外波段（即波长为3μm～5μm的波段，则中心波长为4μm）和长波红外波段（即波长为8μm～14μm的波段，则中心波长为11μm）而言，周期的选取范围可以从几微米到二十几微米，尺寸大小可以从几微米到十几微米范围内选值。此外，还要根据极化材料的选取情况，在上述周期与尺寸选值的基础上计算做一些微调，以使电磁波激发层12激发波长与所选波段相对应。具体地可按如下步骤选取周期：首先，根据选取的极化材料的介电常数获得一基准周期；其次，在微结构单元的材料、形状、周期、尺寸均确定的情况下进行仿真，若仿真结果显示激发出的波长与所选波段的波长之间存在偏差，则微调基准周期后，再进行仿真，直至激发出的波长与所选波段相应为止。

作为本发明技术方案的另一方面，还提供一种制作红外探测器的方法，具体实现步骤如下，

第一步，制作基底结构：利用电子束蒸发、磁控溅射等方法在硅衬底基底1上镀制镍铬（NiCr）、铝（Al）、或氮化钛（TiN）等一种或几种金属，以在硅衬底基底1的同一端面上形成反射层2和两个读出电路电极6，厚度可为50nm～300nm；然后再通过剥离工艺、干法刻蚀或者湿法刻蚀方法实现图形化。作为本步骤的实施例，采用电子束蒸发镀制NiCr，形成厚度为50nm～300nm的反射层2和读出电路6，然后再采用湿法刻蚀方法实现图形化，参见图7a。

第二步，制作牺牲层7，参见图7b。本步骤根据选材不同，有以下两种实现方式：若选用光敏型聚酰亚胺或者非光敏型聚酰亚胺（PI：polyimide），则可对PI采用旋涂方法制作牺牲层7；若选用二氧化硅（SiO₂）或多晶硅（poly-silicon），则对二氧化硅或者多晶硅采用化学气相沉积的方法制作牺牲层7。牺牲层7的厚度为1mm～3mm，作为本步骤的一个实施例，牺牲层7厚度为2.5mm。

第三步，制作牺牲层通孔71，参见图7c。本步骤根据制作牺牲层7的材料的不同，有以下两种实现方式：若选用光敏型PI制作的牺牲层7，则通过光刻方法在牺牲层7上制作牺牲层7通孔；若选用非光敏型PI、二氧化硅或者多晶硅制成的牺牲层7，则通过RIE干法刻蚀方法在牺牲层7上制作牺牲层7通孔。其中，RIE干法刻蚀气体一般为氧气（O₂）、三氟甲烷（CHF₃）、四氟化碳（CF₄）、六氟化硫（SF₆）等。通过优化刻蚀工艺，使得牺牲层通孔71的侧壁具有一定倾斜角度，以利于台阶覆盖，降低点连接失效概率，提高微桥结构的强度和良率。

第四步，制作微桥结构100中的支撑层8：使用氮化硅（SiNx）、二氧化硅（SiO₂）、氮氧化硅（SiON）、或碳化硅（SiC）中的任一种材料，采用化学气相沉积方法制作形成支撑层8，支撑层8厚度为50nm～300nm，参见图7d。另外，需要说明的是，若上述第二步制作牺牲层7选用的是SiO₂，则本步骤中，不能与牺牲层7选用相同的材料，即不能选用SiO₂，这样可以防止在后续释放微桥结构时，对支撑层8产生影响。

第五步，制作微桥结构100中的热敏层9，本步骤根据选材不同，有以下两种实现方式：若选用氧化钒（VO_x），则可对VO_x采用反应溅射方法镀制形成热敏层9；若选用无定形硅（α-Si），则可对α-Si采用等离子体增强化学气相沉积法镀制形成热敏层9，热敏层9的厚度为50nm～300nm。然后再通过RIE干法刻蚀实现图形化，参见图7e。

第六步，制作微桥结构100中的钝化层10：使用氮化硅（SiN_x）、二氧化硅（SiO₂）、氮氧化硅（SiON）、或碳化硅（SiC）中的任一种材料，采用化学气相淀积方法制作形成钝化层10，钝化层10厚度为50nm～300nm，参见图7f。另外，需要说明的是，若上述第二步制作牺牲层7选用的是SiO₂，则本步骤中，也不能与牺牲层7选用相同的材料，即不能选用SiO₂，同样可防止在后续释放微桥结构时，对钝化层10产生影响。

第七步，制作读出电路电极接触孔19和热敏层接触孔20：利用由氧气（O₂）与三氟甲烷（CHF₃）混合构成的刻蚀气体，采用RIE干法刻蚀出读出电路电极接触孔19和热敏层接触孔20，参见图7g。

第八步，制作金属接触电极层11：使用钛（Ti）、铝（Al）、氮化钛（TiN）、钒（V）中的任一种金属材料，采用电子束蒸发或磁控溅射制作金属接触电极层11，厚度50nm～200nm；然后再通过RIE干法刻蚀实现图形化，刻蚀气体一般可为氩气（Ar）、三氟甲烷（CHF₃）、三氯化硼（BCl₃）、氯气（Cl₂）等，参见图7h。

第九步，制作微桥结构100中的电磁波激发层12：对极化材料采用磁控溅射方法制作或化学气相沉积方法形成电磁波激发层12，然后再利用干法刻蚀方法或者湿法刻蚀方法实现图形化，形成阵列型亚波长微结构；作为本步骤的一个实施例对金（Au）采用磁控溅射方法制作，形成厚度为50nm～200nm的电磁波激发层12；然后再利用碘化钾（KI）与碘（I₂）的溶液湿法刻蚀方法实现图形化。不同的探测器上制作的微结构的尺寸和周期根据不同的响应波段进行设计，从而实现多波段成像，参见图7i。

第十步，刻蚀微桥结构100，去除牺牲层7，释放微桥结构100：首先采用光刻方法实现微桥结构的图形化；然后利用CHF₃与O₂混合干法刻蚀钝化层10和支撑层8，直到露出牺牲层7为止，至此刻蚀出微桥结构100；最后再根据制作牺牲层7的选材，采用下列三种方式去除牺牲层7：若选用光敏型聚酰亚胺或者非光敏型聚酰亚胺制成牺牲层7，则采用氧等离子体干法去除牺牲层7；若采用SiO₂制成的牺牲层7，则利用氟化氢（HF）气体去除牺牲层7；若采用多晶硅制成的牺牲层7，则利用氟化氙（XeF₂）去除牺牲层7。经上述步骤，即可形成微桥结构100，参见图7j。

作为本发明技术方案再一方面，本发明还提供一种多波段非制冷红外焦平面，焦平面上规则排布或者不规则排布有多个上述能吸收不同波段红外辐射信号的红外探测器。采用本发明的技术方案，只需要单个焦平面，通过在焦平面上的不同探测器上制作不同形状和阵列的亚波长微结构即可实现多波段成像。

不同波段响应的探测器可采用不同的排布方式，如双波段非制冷焦平面201/202的中波段红外探测器17和长波段红外探测器18可有如下两种排布方式：

如图8所示，双波段非制冷焦平面201采用棋盘形式排列，分辨率在水平和垂直两个方向上按同样比例降低。也就是，若吸收中波段的红外辐射信号，则在水平和垂直两个方向每隔一个长波段红外探测器18，提取一个经中波段红外探测器17采集获得的图像，与全部分布中波段红外探测器17的焦平面相比，分辨率在水平和垂直方向上均降低了一半。

如图9所示，双波段非制冷焦平面202采用在水平方向上隔行排列的方式排布，则分辨率在水平方向上降低一半，垂直方向上保持不变。也就是，若吸收长波段红外辐射信号，则在水平方向上每隔一个中波段红外探测器17，提取一个经长波段红外探测器18采集获得的图像，与全部分布长波段红外探测器18的焦平面相比，分辨率在水平方向上降低了一半，但是垂直方向上分辨率不改变。同理，也可在垂直方向上隔行排列形成红外焦平面。

上述图8、图9所示的红外焦平面上的中波段红外探测器17与长波段红外探测器18均为规则排布，此外，多个中波段红外探测器17和多个长波段红外探测器18还可不规则排布。在需要中波段红外辐射信号图像时，提取经中波段红外探测器17获取的图像信息；在需要长波段红外辐射信号图像时，则提取经由长波段红外探测器18获取的图像信息；或者也可以同时对中波段和长波段红外辐射成像，然后再通过后续的图像处理分别获得中波红外辐射图像和长波红外辐射图像，具体方法如下：因为在焦平面制作完成后，其上分布的中波段红外探测器17与长波段红外探测器18的位置关系是固定的，这样在得到整个焦平面获取的图像数据后，可根据需要，比如需要中波段红外辐射信号图像，则从获得的焦平面图像数据中提取出由焦平面上分布的中波段红外探测器17获得的图像信息构成中波红外辐射图像，若需要长波段红外辐射信号图像，则从获得的焦平面图像数据中提取出由焦平面上分布的长波段红外探测器18获得的图像信息构成长波红外辐射图像。

本发明通过在探测器表面制作亚波长微结构来实现多波段成像，但是本方法不仅限于非制冷红外探测器，还可应用于其它类型探测成像技术中，例如在制冷型探测器、CMOS传感器、CCD传感器等成像芯片上均可以使用，以实现多波段成像。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。