專利名稱：一種mems非制冷雙波段紅外探測(cè)器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非制冷紅外探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè) 器及其制備方法。
背景技術(shù)：
非制冷紅外探測(cè)技術(shù)覆蓋了從民用到國(guó)防的諸多領(lǐng)域，也已經(jīng)成為紅外探測(cè)技術(shù)
最流行的方向，這種技術(shù)使我們有能力在常溫下就獲得具有很高敏感性能的非制冷紅外探
測(cè)器。另外，它還具有成本低、體積小、重量輕、功耗小和響應(yīng)波段寬等優(yōu)點(diǎn)。 非制冷紅外探測(cè)器的基本工作原理是，目標(biāo)物體的輻射被非制冷紅外探測(cè)器吸
收，從而引起熱敏感薄膜溫度升高，由于熱敏感薄膜具有溫度_電阻(TCR)特性，其電阻值
將發(fā)生變化，并通過(guò)其中的電學(xué)通道將這種變化傳遞給讀出電路，從而檢測(cè)出該電阻值的
變化，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外輻射的探測(cè)。 由于對(duì)非制冷紅外探測(cè)器的迫切需求，其設(shè)計(jì)技術(shù)方面經(jīng)歷了較快的發(fā)展。在微 橋結(jié)構(gòu)得到應(yīng)用以后，設(shè)計(jì)主要圍繞三個(gè)方面進(jìn)行一是器件的熱學(xué)設(shè)計(jì)，即如何減少器件 的熱響應(yīng)時(shí)間，并保證響應(yīng)幅度；二是器件的力學(xué)設(shè)計(jì)，在保證熱學(xué)特性的同時(shí)，微結(jié)構(gòu)要 具有良好的機(jī)械特性；三是器件的熱輻射吸收能力，在單元結(jié)構(gòu)尺寸日趨減小的情況下，已 成為限制器件性能的主要因素之一。 為了提高器件的輻射吸收能力，通常有兩種方法一個(gè)是采用薄金屬吸收層的方 法；另一個(gè)是采用共振吸收腔的方法?，F(xiàn)有技術(shù)中探測(cè)器的反射層固定，使共振吸收腔腔長(zhǎng) 也固定，而只能針對(duì)某一波段增強(qiáng)吸收。在紅外制導(dǎo)方面，波長(zhǎng)為3 m-5 m和8 m-12 m 的兩個(gè)波段是軍用紅外探測(cè)器工作的主要波段，也是大氣中探測(cè)紅外輻射的最好波段。長(zhǎng) 波紅外傳感器通過(guò)煙塵觀看時(shí)優(yōu)于中波傳感器，中波傳感器則可以在遠(yuǎn)距離情況下提供 較高的目標(biāo)分辨率，而雙波段紅外探測(cè)器將具有探測(cè)兩個(gè)波段的優(yōu)點(diǎn)，因此研制波長(zhǎng)為 3 ii m-5 ii m禾P 8 ii m_12 y m都能響應(yīng)的MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè)器是十分必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè)器，通過(guò)將現(xiàn) 有技術(shù)中的固定反射層改為橋式可控反射層從而使共振吸收腔的腔長(zhǎng)可控，實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)為 3 ii m_5 ii m禾口 8 ii m_12 y m雙波段的口向應(yīng)。 本發(fā)明還提供了該MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè)器的制備方法。 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明中MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè)器采用下述結(jié)構(gòu)其
包括硅襯底、底層電極、錨固于硅襯底上的微橋結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)中還包括位于微橋結(jié)構(gòu)
與硅襯底形成的空腔內(nèi)并錨固于底層電極兩側(cè)、硅襯底上的橋式可控反射層。 上述橋式可控反射層借助起支撐作用的錨點(diǎn)和設(shè)置于可控反射層與底層電極之
間的靜電驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下調(diào)節(jié)。 上述橋式可控反射層下方設(shè)有防止其下調(diào)時(shí)與底層電極接觸而使靜電驅(qū)動(dòng)消失
3的介質(zhì)凸點(diǎn)，介質(zhì)凸點(diǎn)位于底層電極上，厚度為200nm-500nm。 上述橋式可控反射層與微橋結(jié)構(gòu)中的熱敏電阻薄膜形成腔長(zhǎng)L為1 m-2. 5 m的
共振吸收腔，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)為3 ii m-5 ii m和8 ii m_12 y m雙波段的響應(yīng)。 本發(fā)明中MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè)器制備方法的技術(shù)方案為包括如下工藝
步驟 1)采用光刻剝離的方法在硅襯底上制備底層電極和下端電極； 2)旋涂犧牲層，依次淀積微橋結(jié)構(gòu)的支撐層、熱敏電阻薄膜，濺射紅外吸收層及上
端電極，淀積保護(hù)層； 3)刻蝕連接上端電極與下端電極的通孔并制備金屬柱，去除犧牲層形成完整的微 橋結(jié)構(gòu)。 關(guān)鍵在于所述步驟1)和步驟2)之間增加了如下工藝步驟
Al、在底層電極上生長(zhǎng)介質(zhì)凸點(diǎn)； A2、旋涂犧牲層并固化后，采用光刻、腐蝕工藝制備橋式可控反射層及其錨點(diǎn)；
A3、在橋式可控反射層和底層電極之間引入靜電驅(qū)動(dòng)。 所述支撐層材料為SiNx或Si(^ ;所述熱敏電阻薄膜材料為V0X、 a-Si或 poly-SiGe ;所述紅外吸收層材料為金屬Ni、 Ti或NiCr，且厚度控制在10nm-20nm ;所述保 護(hù)層材料為SiN,或Si(^。 所述紅外吸收層圖形化后，其兩端部分同時(shí)是與熱敏電阻薄膜接觸的微橋結(jié)構(gòu)的 上端電極。 所述介質(zhì)凸點(diǎn)的材料為Si(^，其厚度要避免過(guò)薄引起針孔并能夠承受10V-60V的
激勵(lì)電壓而不發(fā)生擊穿，控制在200nm-500nm;為了降低介質(zhì)層的電荷注入效應(yīng)，防止反射
層與介質(zhì)發(fā)生粘附，采取減少接觸面積的方法，將介質(zhì)制作成凸點(diǎn)形狀。 采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于1、該MEMS非制冷雙波段紅外探
測(cè)器將現(xiàn)有技術(shù)中的固定反射層改為橋式可控反射層從而實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)為3 ii m-5 ii m和
8iim-12iim雙波段的響應(yīng)；2、該MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè)器制備方法中采用表面犧牲
層工藝，步驟簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。 圖1是該MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)的截面示意圖。 圖2a-2b是該MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè)器中橋式可控反射層在不同靜電驅(qū)動(dòng)
下的位置截面示意圖。 其中，圖2a是橋式可控反射層在靜電驅(qū)動(dòng)V = OV時(shí)的位置，= 1 y m ;
圖2b是橋式可控反射層在靜電驅(qū)動(dòng)V = V。時(shí)的位置，L2 = 2. 5 ii m。
圖3a-3f是制備該MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè)器的工藝步驟截面示意圖。
其中，圖3a是在硅襯底上制作底層電極和下端電極的截面示意圖；
圖3b是制備介質(zhì)凸點(diǎn)的截面示意圖； 圖3c是生長(zhǎng)第一層犧牲層，并制備橋式可控反射層及其錨點(diǎn)的截面示意圖；
圖3d是在橋式可控反射層和底層電極之間引入靜電驅(qū)動(dòng)的截面示意 圖3e是生長(zhǎng)第二層犧牲層，并依次淀積微橋結(jié)構(gòu)的支撐層、熱敏電阻薄膜，濺射 紅外吸收層及上端電極，淀積保護(hù)層的截面示意圖； 圖3f是刻蝕使上端電極與下端電極連接的通孔并制備金屬柱，去除犧牲層的截 面示意圖。 其中，l.硅襯底2.底層電極3.下端電極4.介質(zhì)凸點(diǎn)5.反射層錨點(diǎn)6.橋式 可控反射層7.共振吸收腔8.支撐層9.熱敏電阻薄膜10.紅外吸收層ll.上端電極 12.保護(hù)層13.金屬柱14.犧牲層
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)Dl，該MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)中包括硅襯底1、底層電極2、錨固 于硅襯底1上的微橋結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)中還包括位于微橋結(jié)構(gòu)與硅襯底1形成的空腔內(nèi) 并錨固于底層電極2兩側(cè)、硅襯底1上的橋式可控反射層6。微橋結(jié)構(gòu)的橋面主體共有四層 組成，分別為支撐層8、熱敏電阻薄膜9、紅外吸收層IO和保護(hù)層12，橋墩為下端電極3，橋 腿為金屬柱13，這些結(jié)構(gòu)都在硅襯底1上制作完成。采用微橋結(jié)構(gòu)降低了器件的熱傳導(dǎo)，使 得熱導(dǎo)損失不再是限制器件性能的主要因素。 MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè)器工作原理為在紅外輻射作用下，橋面溫度改變， 由于熱阻效應(yīng)，橋面中的熱敏電阻值將改變，通過(guò)測(cè)試電阻的變化并輸出電壓信號(hào)來(lái)探測(cè) 紅外輻射。對(duì)應(yīng)于不同波段的紅外輻射，需要使橋式可控反射層6與微橋結(jié)構(gòu)中熱敏電阻 薄膜9形成的共振吸收腔7腔長(zhǎng)L在可控范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外輻射的加強(qiáng) 吸收。 參照?qǐng)D2a-2b，該探測(cè)器要求對(duì)波長(zhǎng)為3 y m_5 y m禾P 8 y m_12 y m的雙波段都能響 應(yīng)，因此選定峰值波長(zhǎng)A為4ym和10i!m，由于加強(qiáng)共振吸收的條件為吸收腔腔長(zhǎng)L二 入/4n (真空中折射率n = 1)，則對(duì)應(yīng)兩個(gè)波長(zhǎng)段的共振吸收腔7腔長(zhǎng)分別為= 1 y m， L2 =2. 5 ii m。 為使橋式可控反射層6與微橋結(jié)構(gòu)中熱敏電阻薄膜9形成的共振吸收腔7腔長(zhǎng)L 為1 m-2. 5 ii m，在橋式可控反射層6及底層電極2之間引入靜電驅(qū)動(dòng)。當(dāng)靜電驅(qū)動(dòng)為0V 時(shí)，橋式可控反射層6在其錨點(diǎn)5的支撐作用下使共振吸收腔7腔長(zhǎng)k = 1 i！ m ;當(dāng)靜電驅(qū) 動(dòng)為V。時(shí)，橋式可控反射層6在靜電驅(qū)動(dòng)作用下下調(diào)使共振吸收腔7腔長(zhǎng)L2 = 2. 5 i！ m ;同 時(shí)為防止橋式可控反射層6下調(diào)時(shí)與底層電極2接觸而使靜電驅(qū)動(dòng)消失，在底層電極2上 設(shè)置了介質(zhì)凸點(diǎn)4。從而實(shí)現(xiàn)了共振吸收腔7在波長(zhǎng)為3 m-5 ii m禾P 8 m_12 P m雙波段實(shí) 現(xiàn)共振吸收加強(qiáng)，形成雙波段響應(yīng)窗口 。 如圖3a-3f是制備上述MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè)器工藝步驟的截面示意圖。
參照?qǐng)D3a，采用光刻剝離的方法在硅襯底上制備底層電極2和下端電極3，厚度為 500nm ;所述底層電極2在現(xiàn)有技術(shù)中作為固定反射層。 參照?qǐng)D3b，在底層電極2上生長(zhǎng)介質(zhì)凸點(diǎn)4，光刻腐蝕完成凸點(diǎn)的圖形化。所述介 質(zhì)凸點(diǎn)的材料為Si(^，其厚度要避免過(guò)薄引起針孔并能夠承受10V-60V的激勵(lì)電壓而不發(fā) 生擊穿，控制在200nm-500nm ;為了降低介質(zhì)層的電荷注入效應(yīng)，防止反射層與介質(zhì)發(fā)生粘 附，采取減少接觸面積的方法，將介質(zhì)制作成凸點(diǎn)形狀。 參照?qǐng)D3c，旋涂犧牲層14并固化，所用犧牲層14的材料為聚酰亞胺，厚度為1. 5 m ;光刻并刻蝕犧牲層，露出橋式可控反射層的錨點(diǎn)5，去除光刻膠，然后電子束蒸發(fā)
反射層薄膜厚度為500nm，光刻并腐蝕出反射層圖形，去除光刻膠，完成橋式可控反射層6
及其錨點(diǎn)5的制備，橋式可控反射層6及其錨點(diǎn)5的材料為金屬Ti或Al。 參照?qǐng)D3d，在橋式可控反射層6和底層電極2之間引入靜電驅(qū)動(dòng)。 參照?qǐng)D3e，再次旋涂犧牲層14并固化后，淀積微橋結(jié)構(gòu)的支撐層8。支撐層8的
材料必須具有良好的機(jī)械特性以及低應(yīng)力且熱傳導(dǎo)系數(shù)??；采用SiNx或Si02薄膜，厚度為
50nm。 在支撐層8上淀積熱敏電阻薄膜9。熱敏電阻薄膜9的材料為V0X、 a _Si或 poly-SiGe;在紅外輻射作用下，熱敏電阻薄膜9溫度改變，由于熱阻效應(yīng)，熱敏電阻值將改 變，通過(guò)測(cè)試電阻值的變化并輸出電壓信號(hào)來(lái)探測(cè)紅外輻射。 在熱敏電阻薄膜9上濺射紅外吸收層10及上端電極11。紅外吸收層10材料為金 屬Ni、Ti或NiCr，厚度控制在10nm-20nm，作用是提高器件對(duì)紅外輻射的吸收；采用濺射工 藝制備，能夠很好地控制金屬的厚度以及具有良好的均勻性；紅外吸收層10圖形化后，其 兩端部分同時(shí)是與熱敏電阻薄膜接觸的微橋結(jié)構(gòu)的上端電極11。 在紅外吸收層10上淀積保護(hù)層12。保護(hù)層12的材料為SiNx或Si02，厚度為30nm ; 由于紅外吸收層10的電阻值容易受到后續(xù)工藝如等離子刻蝕、犧牲層14釋放等工藝影響， 電阻值的變化將會(huì)影響紅外吸收效率，制作保護(hù)層12使紅外吸收層10的電阻值穩(wěn)定。
參照?qǐng)D3f，首先光刻露出刻蝕圖形，然后用CF4+02刻蝕橋面四層薄膜到犧牲層終 止，再用02刻蝕犧牲層到下端電極3處終止，通孔制作完成；采用光刻剝離的方法制備光刻 圖形，然后電子束蒸發(fā)金屬、剝離光刻膠，金屬柱13制備完成；最后，采用CF4+(^刻蝕橋面四 層薄膜到犧牲層終止，再采用02等離子刻蝕犧牲層釋放結(jié)構(gòu)，MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè) 器制備完成。 上述的MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè)器及其制備方法，只是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例， 而不是全部的實(shí)施例。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有具 有橋式可控反射層的MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè)器及其制備方法，都屬于本發(fā)明保護(hù)的 范圍。
權(quán)利要求
一種MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè)器，結(jié)構(gòu)中包括硅襯底(1)、底層電極(2)、錨固于硅襯底(1)上的微橋結(jié)構(gòu)，其特征在于結(jié)構(gòu)中還包括位于微橋結(jié)構(gòu)與硅襯底(1)形成的空腔內(nèi)并錨固于底層電極(2)兩側(cè)、硅襯底(1)上的橋式可控反射層(6)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè)器，其特征在于所述的橋 式可控反射層(6)借助起支撐作用的錨點(diǎn)(5)和設(shè)置于橋式可控反射層(6)與底層電極 (2)之間的靜電驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下調(diào)節(jié)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè)器，其特征在于所述 的橋式可控反射層(6)下方設(shè)有防止其下調(diào)時(shí)與底層電極(2)接觸而使靜電驅(qū)動(dòng)消失的介 質(zhì)凸點(diǎn)(4)，介質(zhì)凸點(diǎn)(4)位于底層電極(2)上，厚度為200nm-500nm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè)器，其特征在于所述的橋 式可控反射層(6)與微橋結(jié)構(gòu)中的熱敏電阻薄膜(9)形成腔長(zhǎng)L為1 i！ m-2. 5 y m的共振吸 收腔(7)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè)器，其特征在于所述的微 橋結(jié)構(gòu)包括下端電極(3)，上端電極(11)，金屬柱(13)，由支撐層(8)、熱敏電阻薄膜(9)、紅 外吸收層(10)和保護(hù)層(12)組成的橋面主體。
6. —種如權(quán)利要求1所述的MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè)器的制備方法，包括如下工藝 步驟1) 采用光刻剝離的方法在硅襯底上制備底層電極(2)和下端電極(3);2) 旋涂犧牲層(14)，依次淀積微橋結(jié)構(gòu)的支撐層(8)、熱敏電阻薄膜(9)，濺射紅外吸 收層(10)及上端電極(ll)，淀積保護(hù)層(12);3) 刻蝕連接上端電極(11)與下端電極(3)的通孔并制備金屬柱(13)，去除犧牲層 (14)形成完整的微橋結(jié)構(gòu)。其特征在于所述步驟1)和步驟2)之間增加如下工藝步驟Al、在底層電極(2)上生長(zhǎng)介質(zhì)凸點(diǎn)(4);A2、旋涂犧牲層(14)并固化后，采用光刻、腐蝕工藝制備橋式可控反射層(6)及其錨點(diǎn)(5);A3、在橋式可控反射層(6)和底層電極(2)之間引入靜電驅(qū)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種MEMS非制冷雙波段紅外探測(cè)器及其制備方法，該探測(cè)器包括硅襯底、底層電極、錨固于硅襯底上的微橋結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)中還包括位于微橋結(jié)構(gòu)與硅襯底形成的空腔內(nèi)并錨固于底層電極兩側(cè)、硅襯底上的橋式可控反射層。橋式可控反射層借助起支撐作用的錨點(diǎn)和設(shè)置于橋式可控反射層與底層電極之間的靜電驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下調(diào)節(jié)，從而使共振吸收腔的腔長(zhǎng)可控，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)為3μm-5μm和8μm-12μm雙波段的響應(yīng)。該探測(cè)器制備方法中采用兩次表面犧牲層工藝在硅襯底上制備微橋結(jié)構(gòu)和橋式可控反射層，工藝簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)B81B7/02GK101713688SQ200910228000
公開(kāi)日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者徐永青, 胥超 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所