專(zhuān)利名稱(chēng)：光學(xué)讀出熱型紅外圖像傳感器中加強(qiáng)型紅外吸收板及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)讀出熱型紅外圖像傳感器中的紅外吸收板及其制備方法，更具體地說(shuō)是 基于微梁陣列的、單層膜結(jié)構(gòu)的光學(xué)讀出熱型紅外圖像傳感器中的紅外吸收板及其制備方法。
背景技術(shù)：
室溫物體紅外輻射的峰值波段為8-14微米，針對(duì)于這一波段的紅外成像主要有量子型和 熱型成像裝置。量子型紅外成像需要對(duì)探測(cè)器靶面進(jìn)行制冷，附加的制冷設(shè)備使得整個(gè)裝置體積笨重且 價(jià)格昂貴，不利于民用化和大量普及。熱型成像裝置不需要制冷裝置，降低了體積，減少了成本，保持了高精度，有著廣泛的 應(yīng)用前景。目前市場(chǎng)上使用的熱型紅外成像裝置通過(guò)電學(xué)方式讀出探測(cè)器陣列感熱像素上的 熱電信號(hào)，獲得紅外圖像。但是，由于所探測(cè)的熱電信號(hào)很微弱，集成電路要有相當(dāng)高的信 噪比和很強(qiáng)的增益。由于感熱像素與基底之間所使用的金屬導(dǎo)線(xiàn)連接降低了感熱像素的熱阻， 從而降低了探測(cè)時(shí)的溫升，并且讀出電流會(huì)在探測(cè)器上產(chǎn)生附加熱量，結(jié)果降低了熱成像的 溫度探測(cè)靈敏度。同時(shí)高難度的讀出電路的設(shè)計(jì)和制作會(huì)使整個(gè)探測(cè)裝置的成本很高。而通過(guò)光學(xué)讀出方法檢測(cè)因吸收紅外輻射產(chǎn)生的雙材料微懸臂梁陣列變形不會(huì)在探測(cè)器 上產(chǎn)生附加的熱量，無(wú)需金屬導(dǎo)線(xiàn)連接，更易于在探測(cè)單元與基底之間實(shí)現(xiàn)良好的熱隔離。 針對(duì)這種新穎的讀出方法，國(guó)內(nèi)外分別展開(kāi)了大量的研究美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校、美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和日本Nikon公司分別設(shè)計(jì)和制作了相 類(lèi)似的紅外焦平面陣列(FPA)，它們的共同特征為基于光-機(jī)械式的雙材料微懸臂梁，通過(guò) 站立的錨腳懸空立于硅基底上嵌套而成陣列。FPA的微懸臂梁?jiǎn)卧?或簡(jiǎn)稱(chēng)微粱單元)為紅外 輻射探測(cè)器的敏感單元，由熱脹系數(shù)不同的兩種材料組成雙面結(jié)構(gòu)，雙材料梁在吸收入射紅 外輻射后溫度升高，產(chǎn)生熱致離面位移。再通過(guò)光學(xué)讀出系統(tǒng)，檢測(cè)出微梁?jiǎn)卧屑t外吸收 板的離面位移，就可以得到被測(cè)物體的熱輻射信息。由于這些結(jié)構(gòu)中保留了硅基底，而可見(jiàn) 光不能透過(guò)硅基底，因而只能從微梁?jiǎn)卧纳厦嬉胱x出光，讓紅外線(xiàn)透過(guò)硅基底。但是， 當(dāng)紅外線(xiàn)經(jīng)過(guò)硅基底前后兩個(gè)表面的時(shí)候，會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，大約40%的紅外線(xiàn)無(wú)法到達(dá)探 測(cè)器件上，這使得紅外線(xiàn)的吸收率嚴(yán)重下降，降低了探測(cè)器件的靈敏性。本發(fā)明人在公開(kāi)號(hào)為CN1556648的發(fā)明專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)中，公開(kāi)了一種"光-機(jī)械式微梁陣列 熱型紅外圖像傳感器"，如圖l、圖2所示，該技術(shù)方案中消除了硅基底，采用由支撐框架3 側(cè)向懸臂式支撐的無(wú)硅基底單層膜平面結(jié)構(gòu)。微梁?jiǎn)卧邪瑹岣綦x梁l、熱變形梁2和紅外吸收板4，紅外吸收板4是由金屬鍍層和紅外吸收膜構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)，由熱隔離梁l和熱變形梁 2構(gòu)成折轉(zhuǎn)式分布的熱變形機(jī)構(gòu)，所有構(gòu)件位于同一層面上。熱致變形量為被測(cè)微梁?jiǎn)卧岸?的紅外吸收板4的轉(zhuǎn)角變形。這種結(jié)構(gòu)形式由于無(wú)硅基底，避免了紅外線(xiàn)經(jīng)過(guò)硅基底前后兩個(gè) 表面的情況發(fā)生，紅外線(xiàn)可直接到達(dá)紅外吸收板的表面，克服了紅外線(xiàn)損失，顯著提高了探 測(cè)器件的靈敏性。但是，由于制作過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，紅外吸收板4會(huì)產(chǎn)生彎曲，致使紅 外吸收板4的表面平整度受到影響，結(jié)果導(dǎo)致影響光學(xué)檢測(cè)靈敏度。進(jìn)一步的分析表明，紅外 吸收板4的彎曲主要是紅外吸收膜和金屬鍍層的殘余應(yīng)力引起的。為此，在實(shí)際制作中，對(duì)熱 變形梁2采用厚的金屬表層，而對(duì)于紅外吸收板4采用薄的金屬鍍層。為了進(jìn)一步提高FPA性能要求，需要進(jìn)一步減小紅外吸收板的厚度。紅外吸收板越薄，探 測(cè)靈敏度越高、熱響應(yīng)時(shí)間越短。然而，針對(duì)公開(kāi)號(hào)為CN1556648的無(wú)基底結(jié)構(gòu)形式，在進(jìn)一 步減小紅外吸收板厚度同時(shí)， 一個(gè)重大的問(wèn)題是，紅外吸收板的變形將隨之增大，嚴(yán)重影響 了FPA性能的提高。顯然，在這一技術(shù)方案中紅外吸收板的厚度與平整度之間存在著矛盾。此前，本發(fā)明人在公開(kāi)號(hào)為CN1970430的發(fā)明專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)中，進(jìn)一步提出了利用雙層 共振腔來(lái)解決紅外吸收板的變形所帶來(lái)的影響FPA性能的問(wèn)題，但是這一雙層共振腔的結(jié)構(gòu) 形式過(guò)于復(fù)雜，制作時(shí)必須使用犧牲層及其釋放工藝，而犧牲層釋放工藝難度大，成品率極 低，因此制作成本昂貴。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種光學(xué)讀出熱型紅外圖像傳感 器中加強(qiáng)型紅外吸收板，以期通過(guò)較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式解決紅外吸收板在厚度與平整度之間 所存在著矛盾，從而更進(jìn)一步提高FPA性能。本發(fā)明同時(shí)提供光學(xué)讀出熱型紅外圖像傳感器中加強(qiáng)型紅外吸收板的制備工藝，以期通 過(guò)較為簡(jiǎn)單的工藝進(jìn)行加強(qiáng)型紅外吸收板的實(shí)施。本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案。本發(fā)明光學(xué)讀出熱型紅外圖像傳感器中加強(qiáng)型紅外吸收板，其結(jié)構(gòu)形式是以非金屬紅外 吸收膜為下層、以金屬鍍層為上層，形成單層膜結(jié)構(gòu)；其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在紅外吸收膜的底部， 設(shè)置抗彎曲加強(qiáng)筋，抗彎曲加強(qiáng)筋與非金屬紅外吸收膜為同種材質(zhì)或不同種材質(zhì)。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于抗彎曲加強(qiáng)筋的選用材質(zhì)為SiNx或Si02?？箯澢訌?qiáng)筋的厚度為紅外吸收膜的厚度的1-3倍。本發(fā)明光學(xué)讀出熱型紅外圖像傳感器中加強(qiáng)型紅外吸收板的制備方法是按如下步驟操作a、 按所設(shè)定的紅外吸收膜上抗彎曲加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)，在基片上刻蝕出加強(qiáng)筋生長(zhǎng)槽；b、 在基片的加強(qiáng)筋生長(zhǎng)槽中，生長(zhǎng)成加強(qiáng)筋；c、 在生長(zhǎng)有加強(qiáng)筋的基片的表面生長(zhǎng)成紅外吸收膜層；d、 在紅外吸收膜層上，按微梁?jiǎn)卧慕Y(jié)構(gòu)形式位于中央形成紅外吸收膜、位于兩旁分別 形成基本梁；e、 在紅外吸收膜的表面形成金屬鍍層；f、 在一一間隔的基本梁上形成金屬表層；g、 去除基片，得到帶有加強(qiáng)筋的紅外吸收板，以及位于紅外吸收板兩側(cè)的折轉(zhuǎn)式分布的 熱隔離梁和熱變形梁。與己有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在1、 為了提高探測(cè)靈敏度，需要使紅外吸收板更為平整，對(duì)于單層膜結(jié)構(gòu)的FPA而言，單 純依靠改善工藝很難使紅外吸收板更為平整。本發(fā)明加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)通過(guò)提高整個(gè)板的抗彎剛度， 實(shí)現(xiàn)了在相同的工藝條件下進(jìn)一步減小紅外吸收板的曲率，因此提高了探測(cè)靈敏度。2、 對(duì)于單層膜結(jié)構(gòu)的FPA而言，為了進(jìn)一步提高FPA性能，需要進(jìn)一步減小紅外吸收材料 薄膜的厚度，而紅外吸收材料薄膜越薄，紅外吸收板的彎曲程度就越大。本發(fā)明加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu) 的設(shè)置使大部分彎矩由加強(qiáng)筋承擔(dān)，因此在減少紅外吸收材料薄膜的厚度時(shí)，紅外吸收板的 彎曲程度不會(huì)因此而顯著增加，從而有效的提高FPA的探測(cè)靈敏度。3、 本發(fā)明保留了公開(kāi)號(hào)為CN1556648的發(fā)明專(zhuān)利中傳感器所擁有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、紅外能量 可以直接到達(dá)探測(cè)單元、熱隔離梁及熱變形梁的折轉(zhuǎn)式設(shè)計(jì)有利于紅外吸收板形成窄長(zhǎng)的矩 形結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)，使紅外吸收板處在由于變形角度疊加所致的角度偏轉(zhuǎn)最大方向上，并且各微 梁?jiǎn)卧刹捎庙樞蚱戒伒姆绞綐?gòu)成探測(cè)陣列，不會(huì)出現(xiàn)大面積的空閑和浪費(fèi)，從而避免了采用多層單元相嵌的結(jié)構(gòu)。4、 本發(fā)明相對(duì)于公開(kāi)號(hào)為CN1970430的發(fā)明專(zhuān)利來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)形式大為簡(jiǎn)化。5、 本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單、制作難度并無(wú)明顯加大。
圖l為已有技術(shù)中公開(kāi)號(hào)為CN1556648、名稱(chēng)為無(wú)基底光-機(jī)械式微梁陣列熱型紅外圖 像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1所示結(jié)構(gòu)的微梁?jiǎn)卧嚵衅戒伿疽鈭D。 圖3 (a)為本發(fā)明實(shí)施方式一結(jié)構(gòu)示意圖。圖3 (b)為圖3 (a)所示結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋分布示意圖。
圖4 (a)為本發(fā)明實(shí)施方式二結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4 (b)為圖4 (a)所示結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋分布示意圖。
圖5 (a)為本發(fā)明實(shí)施方式三結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5 (b)為圖5 (a)所示結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋分布示意圖。
圖6 (1) —圖6 (8)為本發(fā)明制備工藝流程圖。
圖中標(biāo)號(hào)l熱隔離梁、2熱變形梁、3支撐框架、4紅外吸收板、5條狀筋、6矩形框狀筋、 7紅外吸收膜、8金屬鍍層、9基片、IO加強(qiáng)筋生長(zhǎng)槽、ll加強(qiáng)筋、12紅外吸收膜層、13基本梁、 14金屬表層、15基本加強(qiáng)筋層。
以下通過(guò)具體實(shí)施方式
，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖l、圖3 (a)、圖4 (a)和圖5 (a)，與公開(kāi)號(hào)為CN1556648的發(fā)明專(zhuān)利中傳感 器相同的是，采用由支撐框架3側(cè)向懸臂式支撐的無(wú)硅基底單層膜平面結(jié)構(gòu)。微梁?jiǎn)卧邪?含熱隔離梁1、熱變形梁2和紅外吸收板4，由熱隔離梁1和熱變形梁2構(gòu)成折轉(zhuǎn)式分布的熱 變形機(jī)構(gòu)，所有構(gòu)件位于同一層面上。熱致變形量為被測(cè)微梁?jiǎn)卧岸说募t外吸收板4的轉(zhuǎn)角變形。
圖3 (b)所示，與公開(kāi)號(hào)為CN1556648的發(fā)明專(zhuān)利中傳感器相同的結(jié)構(gòu)也包括以非金屬 紅外吸收膜7為下層、以金屬鍍層8為上層，形成單層膜結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例中，對(duì)于公開(kāi)號(hào)為CN1556648的發(fā)明專(zhuān)利中傳感器所作出的改進(jìn)結(jié)構(gòu)是在紅外 吸收膜7的底部，設(shè)置抗彎曲加強(qiáng)筋。針對(duì)本實(shí)施例中側(cè)向懸臂式支撐的結(jié)構(gòu)形式，紅外吸 收板4的彎曲方向是沿著其懸臂方向，因此，抗彎曲加強(qiáng)筋也是沿著懸臂方向設(shè)置，即與熱 隔離梁平行的方向。
抗彎曲加強(qiáng)筋與非金屬紅外吸收膜7為同種材質(zhì)或不同種材質(zhì)，具體應(yīng)采用比熱容小、楊 氏模量大、與非金屬紅外吸收膜相一致的SiNx、 Si02等材質(zhì)，抗彎曲加強(qiáng)筋的厚度為紅外吸 收膜厚度的l-3倍。
抗彎曲加強(qiáng)筋可以為條狀筋5，具體包括圖3 (a)和圖3 (b)所示的至少兩道相互平行的 條狀筋，各道條狀筋在非金屬紅外吸收膜7的底部均勻分布；也包括圖5 (a)和圖5 (b)所示 的位于非金屬紅外吸收膜7底部中央的一道條狀筋5。
抗彎曲加強(qiáng)筋還可以是矩形框狀筋6，如圖4 (a)和圖4 (b)所示，矩形框狀筋6沿非金 屬紅外吸收膜7的底部邊框設(shè)置。參見(jiàn)圖6，具體制備按如下步驟完成-1、 圖6 (1)所示，按所設(shè)定的紅外吸收板上加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)，包括其斷面形狀及其分布狀 況，在基片9 (比如Si基片、玻璃基片等)上，用干法刻蝕技術(shù)(如感應(yīng)耦合等離子ICP,反應(yīng) 等離子刻蝕RIE)刻蝕出加強(qiáng)筋生長(zhǎng)槽10;2、 圖6 (2)所示，LPCVD (低壓化學(xué)氣相沉積)SiNx或Si02等薄膜材料于有生長(zhǎng)槽10的 基片9的表面，并完全覆蓋生長(zhǎng)槽IO，構(gòu)成基本加強(qiáng)筋層15;3、 圖6 (3)所示，用化學(xué)機(jī)械研磨方法拋光基片9的表面的基本加強(qiáng)筋層15，直至基本 加強(qiáng)筋層15除凹槽里面的膜材料外其他的膜材料剛好被去除，從而構(gòu)成加強(qiáng)筋U。4、 圖6(4)所示，在生長(zhǎng)有加強(qiáng)筋11的基片9的表面，LPCVD(低壓化學(xué)氣相沉積)SiNx， Si02 等薄膜材料形成紅外吸收膜層12;5、 圖6 (5)所示，按微梁?jiǎn)卧慕Y(jié)構(gòu)形式，在紅外吸收膜層12上進(jìn)行干法刻蝕(如感應(yīng) 耦合等離子ICP,反應(yīng)等離子刻蝕RIE)，分別形成微梁?jiǎn)卧械幕玖?3和紅外吸收膜7;6、 圖6 (6)所示，通過(guò)微細(xì)金屬圖形制作中的剝離技術(shù)lift-off工藝，在紅外吸收膜7 的表面形成金屬鍍層8;7、 圖6 (7)所示，通過(guò)微細(xì)金屬圖形制作中的剝離技術(shù)lift-off工藝，在基本梁13上間 隔形成金屬表層14;8、 圖6 (8)所示，濕法去除基片9，紅外吸收膜7及其表面金屬鍍層8即構(gòu)成紅外吸收板4， 具有金屬表層14的基本梁13即構(gòu)成熱變形梁2，沒(méi)有金屬表層的基本梁13即構(gòu)成熱隔離梁1， 完成制備，獲得帶有加強(qiáng)筋11的紅外吸收板4，以及位于紅外吸收板4兩側(cè)的折轉(zhuǎn)式分布的熱 隔離梁1和熱變形梁2。上述制備過(guò)程中的，步驟4-8與公開(kāi)號(hào)為CN1556648的發(fā)明專(zhuān)利中傳感器制備方法相同。
權(quán)利要求
1、光學(xué)讀出熱型紅外圖像傳感器中加強(qiáng)型紅外吸收板，其結(jié)構(gòu)形式是以非金屬紅外吸收膜(7)為下層、以金屬鍍層(8)為上層，形成單層膜結(jié)構(gòu)；其結(jié)構(gòu)特征是在所述紅外吸收膜(7)的底部，設(shè)置抗彎曲加強(qiáng)筋，所述抗彎曲加強(qiáng)筋與所述非金屬紅外吸收膜(7)為同種材質(zhì)或不同種材質(zhì)。
全文摘要
光學(xué)讀出熱型紅外圖像傳感器中加強(qiáng)型紅外吸收板及其制備方法，其結(jié)構(gòu)形式是以非金屬紅外吸收膜為下層、以金屬鍍層為上層，形成單層膜結(jié)構(gòu)；其結(jié)構(gòu)特征是在所述紅外吸收膜的底部，設(shè)置抗彎曲加強(qiáng)筋，所述抗彎曲加強(qiáng)筋與所述非金屬紅外吸收膜為同種材質(zhì)或不同種材質(zhì)。本發(fā)明以較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式解決了紅外吸收板在厚度與平整度之間所存在著矛盾，從而更進(jìn)一步提高了FPA性能。本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單、易于實(shí)施。
文檔編號(hào)G01J5/02GK101226081SQ20081002055
公開(kāi)日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2008年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月1日
發(fā)明者伍小平, 史海濤, 張青川, 焦斌斌, 陳大鵬 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)