專利名稱：非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子器件領(lǐng)域，特別涉及一種非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)及其制備方法
背景技術(shù)：
非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器是一種基于熱效應(yīng)原理工作的熱輻射探測(cè)器件，其核心部分是具有熱感應(yīng)能力的敏感元陣列。通過(guò)增加熱隔離微橋可有效改善敏感元的熱探測(cè)能力，為提高敏感元及整個(gè)探測(cè)器的工作性能，人們不斷地對(duì)熱隔離微橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。目前報(bào)道的可與讀出電路集成的薄膜型非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)可分為兩大類:一類是基于表面微機(jī)械加工技術(shù)的犧牲層技術(shù)，即在已制備好讀出電路的娃基片上直接依次沉積犧牲層、支撐層、敏感層，圖形化后通過(guò)釋放犧牲層得到具有熱隔離微橋結(jié)構(gòu)的陣列探測(cè)器；另一類是將讀出電路和敏感元陣列制備在硅基片的同一層面，基于體微機(jī)械加工技術(shù)，即采用反應(yīng)離子刻蝕、等離子刻蝕、化學(xué)輔助離子刻蝕以及各向異性化學(xué)腐蝕等物理和/或化學(xué)方法，從基片的背面將敏感元所在的部位進(jìn)行一定程度的刻蝕形成一個(gè)空腔，從而在每一個(gè)敏感元底部形成硅基熱隔離微橋結(jié)構(gòu)的陣列探測(cè)器。在上述第一類技術(shù)中，因?yàn)槭窃谧x出電路基片表面上通過(guò)沉積犧牲層和Si3N4支撐層薄膜、然后圖形化，并刻蝕犧牲層薄膜以獲得熱絕緣微橋結(jié)構(gòu)，故工藝上對(duì)Si3N4支撐層有較高要求，如果微橋面積較大，Si3N4薄膜可能會(huì)出現(xiàn)彎曲、翹曲、破裂等現(xiàn)象，橋墩及橋腿的尺寸、工藝質(zhì)量直接影響微橋的質(zhì)量及隔熱效果，因此一個(gè)橋面上制備一個(gè)敏感元；若犧牲層材料為SiO2，刻蝕犧牲層薄膜需要使用HF等，這對(duì)熱釋電薄膜性能破壞較大。若犧牲層為聚酰亞胺，為避免長(zhǎng)時(shí)間的犧牲層釋放過(guò)程中由于溫度升高引起犧牲層焦化，需分段釋放，因而存在耗時(shí)長(zhǎng)的缺陷。而且，后續(xù)敏感層的沉積、圖形化以及上電極制備工藝中易造成微橋損壞。因此該技術(shù)工藝復(fù)雜，技術(shù)難度高，并且敏感元陣列制備工藝復(fù)雜造成的敏感元結(jié)構(gòu)均勻性差異還會(huì)帶來(lái)陣列探測(cè)器電信號(hào)均勻性不高的缺陷。但該技術(shù)由于敏感元陣列直接制備在讀出電路上方，敏感元陣列與讀出電路分別在兩個(gè)不同的層面上占用基片的有效工作面積，因此有利于小面元、高密度像素大規(guī)模陣列器件的制備，是目前能夠盡可能提高敏感元填充率的唯一有效技術(shù)方案。上述第二類技術(shù)則具有微橋制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，基片刻蝕步驟可放在敏感元制備工藝的最后，可有效避免敏感元制作工藝可能對(duì)微橋結(jié)構(gòu)造成的損壞。通過(guò)目前的干法刻蝕技術(shù)，此技術(shù)可得到更為垂直的微腔，從而有效減少熱量的損失，增大測(cè)試信號(hào)的輸出。但遺憾的是，由于該技術(shù)中微橋位于敏感面元正下方，占據(jù)了與敏感面元面積相當(dāng)?shù)墓杌娣e，讀出電路只能設(shè)計(jì)在敏感面元的兩側(cè)，即讀出電路需與敏感面元共同分享基片的有效面積，因此敏感元填充率低，只適合于低像素密度、小陣列器件的制作，無(wú)法滿足小面元、高密度像素大規(guī)模陣列器件的制備要求。再者，上述兩類技術(shù)方案涉及的陣列結(jié)構(gòu)，要實(shí)現(xiàn)薄膜型敏感元陣列與讀出電路的集成，均要求熱敏感層薄膜的制備溫度低于讀出電路的熱耐受溫度(450°C)。而基于熱效應(yīng)原理工作的具有高熱探測(cè)性能的熱敏感元材料，無(wú)論是熱釋電薄膜材料還是氧化釩熱敏電阻薄膜均需在高溫(650°C以上)下結(jié)晶，結(jié)晶不好的熱敏感元材料不具有理想的熱敏感性能。因此，上述兩類技術(shù)方案也不能與目前敏感層材料制備技術(shù)相匹配，敏感層材料制備技術(shù)的不足也正制約著以小面元、高密度像素大規(guī)模陣列為特征的薄膜型非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器件的制造。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新型的非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)及其制備方法，以滿足小面元、高密度像素大規(guī)模陣列器件的制備要求，有效改善由于敏感元陣列制備工藝復(fù)雜、加工難度大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)均勻性差異造成電信號(hào)均勻性不高的缺陷。本發(fā)明所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)，包括含讀出電路的第一基片，含熱隔離微橋陣列和敏感元陣列的第二基片，所述第一基片與第二基片鍵合成一體，所述熱隔離微橋陣列中的各熱隔離微橋單元以刻蝕后的第二基片為橋墩，以與所述橋墩頂面緊密結(jié)合的支撐層為橋面，各熱隔離微橋單元的空氣隙厚度與第二基片的厚度相同；各熱隔離微橋單元的橋面上均設(shè)置有敏感元陣列，各敏感元陣列通過(guò)引線電極與第一基片上對(duì)應(yīng)的讀出電路實(shí)現(xiàn)電連接。本發(fā)明所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其第一基片為硅基片，其第二基片為雙拋面硅基片，第一基片與第二基片通過(guò)硅-硅鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)鍵合，第二基片上各敏感元陣列的下電極通過(guò)爬坡電極制作技術(shù)制作引線電極分別與第一基片上對(duì)應(yīng)的讀出電路的下電極連接，敏感元陣列中各敏感元的上電極通過(guò)爬坡電極制作技術(shù)制作引線電極分別與第一基片上對(duì)應(yīng)的讀出電路的上電極連接。本發(fā)明所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其熱隔離微橋單元的橋面(支撐層)為SiO2層或Si3N4/ SiO2復(fù)合層。本發(fā)明所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其熱隔離微橋單元的橋面(支撐層)厚度為600 nm lOOOnm、長(zhǎng)度x和寬度y為100 y m 1600 V- m,所述長(zhǎng)度x =寬度1，或所述長(zhǎng)度X古寬度y ;其熱隔離微橋單元的空氣隙厚度為120 ii m 365 u m。本發(fā)明所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其熱隔離微橋陣列中，熱隔離微橋單元的行距和列距w > 50 ym，熱隔離微橋單元距第二基片邊緣的距離t ^ 4500 u m。本發(fā)明所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)，組成敏感元陣列的敏感元至少為兩個(gè)，所述敏感元由下電極、敏感層、上電極和上下電極隔離層構(gòu)成。所述敏感元形狀為正方形，其面積可介于1550 UmX 1550 Um與50iimX50ii m之間，其敏感層厚度為500nm 3000nm ;敏感元陣列中，敏感元的行距和列距U= 100 y nT725 y m,敏感元距微橋邊緣的距離V= 25 u m 700 u m。本發(fā)明所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)的制備方法，步驟如下:
①第一基片鍵合面圖形的制備將娃片作為第一基片，在含有讀出電路的第一基片表面沉積一層鈦膜，在所述鈦膜表層沉積一層金膜，然后根據(jù)設(shè)計(jì)好的電極和鍵合面圖形圖形化；
或?qū)⒑凶x出電路的第一基片采用等離子體增強(qiáng)技術(shù)沉積一層SiO2作為鈍化層，再根據(jù)設(shè)計(jì)好的電極和鍵合面圖形圖形化；②支撐層制備將雙拋面硅片作為第二基片，將所述第二基片兩面熱氧化，使其兩面均生成一層致密的SiO2層，選擇其中一面的SiO2層作為支撐層；或在雙面熱氧處理后的雙拋面硅片的其中一面上生長(zhǎng)一層Si3N4，形成Si3N4/ SiO2復(fù)合支撐層；將支撐層所在的面定義為第二基片的正面；③敏感元陣列制備根據(jù)設(shè)計(jì)好的非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器的圖形、尺寸及工藝要求依次在所述支撐層上制作組成敏感元陣列的敏感元；④第二基片正面的保護(hù)將制備有敏感元陣列的第二基片正面沉積一層SiO2層，進(jìn)行正面保護(hù)；⑤熱隔離微橋陣列的制備根據(jù)設(shè)計(jì)好的非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器的微橋圖形及尺寸在制有敏感元陣列的第二基片背面采用干法刻蝕技術(shù)刻蝕微橋圖形，刻蝕深度到達(dá)其正面的支撐層，形成以刻蝕后的第二基片為橋墩、以支撐層為橋面的熱隔離微橋陣列，且組成熱隔離微橋陣列的各熱隔離微橋單元的橋面上均有敏感元陣列；⑥第一基片與第二基片的鍵`合采用硅-硅鍵合技術(shù)將制備有敏感元陣列的第二基片的背面與制備有讀出電路的第一基片鍵合成一體；⑦除去第二基片正面的保護(hù)層；⑧敏感元電極與讀出電路電極的連接通過(guò)爬坡電極制作技術(shù)制作引線電極，將第二基片上各敏感元陣列的下電極通過(guò)引線電極分別與第一基片上對(duì)應(yīng)的讀出電路的下電極連接，將敏感元陣列中各敏感元的上電極通過(guò)引線電極分別與第一基片上對(duì)應(yīng)的讀出電路的上電極連接。上述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)及其制備方法中，各種電極的厚度為 10 nm lOOOnm，電極材料為 Al、Au、Pt、PtT1、AuPtTi 或 NiCr。上述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)及其制備方法中，敏感元的敏感層為(1-x) Pb (Scl72Tal72) O3-XPbTiO3 (PSTT (x))、PVxLax (ZryTi1^y) O3 (PLZT)、PbTiO3 (PT)、PbTiZrO3 (PZT)、Pb1^xLaxTiO3 (PLT) ,Ba1^xSrxTiO3 (BST)、BST/LN0、PT/Pb0、PZT/Pb0、PLT/Pb0、PLZT/PbO或PSST/PbO材料的單層或多層薄膜，或是上述多種材料的多層膜。上述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)的制備方法中，所使用的硅-硅鍵合技術(shù)可以是金硅共熔硅-硅鍵合技術(shù)，濕法親水低溫硅-硅鍵合工藝、等離子活化處理低溫硅-硅直接鍵合工藝、真空低溫硅-硅直接鍵合工藝和紫外光輔助表面活化疏水硅-硅鍵合工藝中的一種。所使用的刻蝕技術(shù)可以是反應(yīng)離子刻蝕、等離子刻蝕、化學(xué)輔助離子刻蝕以及各向異性化學(xué)腐蝕技術(shù)中的一種獨(dú)立使用或其中兩種交替使用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:1、由于本發(fā)明所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)的敏感元與讀出電路分別制作在兩張硅基片上，解除了敏感材料不能在高于450°C環(huán)境中熱處理的限制，使得現(xiàn)有敏感材料制備技術(shù)與本發(fā)明陣列結(jié)構(gòu)器件制備工藝兼容，可獲得高熱電性能的探測(cè)器敏感元陣列。2、由于本發(fā)明技術(shù)方案采用體硅微機(jī)械加工工藝制作大面積微橋，使得多個(gè)面元(敏感元)可共用一個(gè)微橋橋面，大大提高了敏感元及微橋結(jié)構(gòu)的一致性，從而顯著改善探測(cè)器陣列電學(xué)輸出信號(hào)的均勻性。3、由于本發(fā)明所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)的敏感元陣列與讀出電路分別制作在兩張硅基片上，敏感元陣列不需要與讀出電路分享基片工作面積，滿足小面元、高密度像素大規(guī)模陣列器件的制備要求，在現(xiàn)有技術(shù)允許的條件下可獲得最高的填充率。4、采用本發(fā)明技術(shù)方案制作的微橋空氣隙比已有的犧牲層技術(shù)制作的微橋空氣隙(2 5 y m)尺寸更大(120 365 u m)，因而具有更好的熱隔離效果，更好地改進(jìn)了探測(cè)器陣列的熱響應(yīng)特性。5、本發(fā)明所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)的制備中，基片刻蝕步驟可放在敏感元制備工藝的最后，可有效避免敏感元制作工藝可能對(duì)微橋結(jié)構(gòu)造成的損壞。



圖1為本發(fā)明所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)的含敏感元陣列的熱隔離微橋單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1的俯視圖。圖3為本發(fā)明所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)的熱隔離微橋陣列的示意圖。圖中，I—第一基片、2—第二基片、3—支撐層(橋面)、4一敏感元的下電極、5—敏感層、6—敏感元的上電極、7—上下電極隔離層、8—引線電極、9 一讀出電路的下電極、10—讀出電路的上電極、11 一熱隔離微橋單元的空氣隙。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)及其制備方法作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例1本實(shí)施例中，非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)包括含讀出電路的第一基片1、含熱隔離微橋陣列和敏感元陣列的第二基片2，所述第一基片I與第二基片2通過(guò)硅-硅鍵合技術(shù)鍵合成一體，所述熱隔離微橋陣列中的各熱隔離微橋單元以刻蝕后的第二基片2為橋墩，以與所述橋墩頂面緊密結(jié)合的支撐層3為橋面，各熱隔離微橋單元的空氣隙11厚度與第二基片的厚度相同，如圖1、圖2所示；第一基片I為硅基片，第二基片2為雙拋面硅基片，橋面(支撐層3)為SiO2層。所述熱隔離微橋陣列由4X3個(gè)相同的熱隔離微橋單元組成，所述熱隔離微橋單元在第二基片2上的分布如圖3所示，各熱隔離微橋單元的長(zhǎng)度X = 40011111、寬度7=40011111，橋面厚度為600 nm，空氣隙11厚度為365 ym，熱隔離微橋陣列中，熱隔離微橋單元的行距和列距w=50 y m，熱隔離微橋單元距第二基片邊緣的距離t=4500i!m。各熱隔離微橋單元的橋面上均設(shè)置有相同的敏感元陣列。各熱隔離微橋單元橋面上的敏感元陣列由3X3個(gè)相同的敏感元組成，在熱隔離微橋單元上的分布如圖2所示，各敏感元的形狀為正方形，其面積為50 i!mX50 ym，敏感元陣列中，敏感元的行距和列距U=IOO V- m,敏感元距微橋邊緣的距離v=25 V- m。所述敏感元由下電極4、敏感層5、上電極6和上下電極隔離層7構(gòu)成，其下電極4由PtTi制作，厚度為250nm，其敏感層5由BST/LNO制作，厚度為2500nm，上電極6由NiCr制作，厚度為IOnm上下電極隔離層7由SiO2制作，厚度為300nm。各敏感元陣列的下電極通過(guò)爬坡電極制作技術(shù)制作引線電極8分別與第一基片上對(duì)應(yīng)的讀出電路的下電極9連接，敏感元陣列中各敏感元的上電極6通過(guò)爬坡電極制作技術(shù)制作引線電極8分別與第一基片上對(duì)應(yīng)的讀出電路的上電極10連接。所述引線電極8由AuPtTi制作，厚度為400nm、讀出電路的上電極10和下電極9由PtTi制作，厚度為 250nm。實(shí)施例2本實(shí)施例中，非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)包括含讀出電路的第一基片1、含熱隔離微橋陣列和敏感元陣列 的第二基片2，所述第一基片I與第二基片2通過(guò)硅-硅鍵合技術(shù)鍵合成一體，所述熱隔離微橋陣列中的各熱隔離微橋單元以刻蝕后的第二基片2為橋墩，以與所述橋墩頂面緊密結(jié)合的支撐層3為橋面，各熱隔離微橋單元的空氣隙11厚度與第二基片的厚度相同；第一基片I為硅基片，第二基片2為雙拋面硅基片，橋面(支撐層3)為Si02/Si3N4復(fù)合層。所述熱隔離微橋陣列由8X8個(gè)相同的熱隔離微橋單元組成，各熱隔離微橋單元的長(zhǎng)度X = 1600iim、寬度y=1600iim,橋面厚度為1000 nm,空氣隙11厚度為365iim，熱隔離微橋陣列中，熱隔離微橋單元的行距和列距w=170iim，熱隔離微橋單元距第二基片邊緣的距離t=4500i!m。各熱隔離微橋單元的橋面上均設(shè)置有相同的敏感元陣列。各熱隔離微橋單元橋面上的敏感元陣列由IlX 11個(gè)相同的敏感元組成，各敏感元的形狀為正方形，其面積為50 mX 50 m，敏感元陣列中，敏感元的行距和列距u=100 u m,敏感元距微橋邊緣的距離v=25 u m。所述敏感元由下電極4、敏感層5、上電極6和上下電極隔離層7構(gòu)成，其下電極4由PtTi制作，厚度為250nm，其敏感層5由PZT/PbO制作，厚度為1500nm，上電極6由NiCr制作，厚度為10nm，上下電極隔離層7由SiO2制作，厚度為300nm。各敏感元陣列的下電極通過(guò)爬坡電極制作技術(shù)制作引線電極8分別與第一基片上對(duì)應(yīng)的讀出電路的下電極9連接，敏感元陣列中各敏感元的上電極6通過(guò)爬坡電極制作技術(shù)制作引線電極8分別與第一基片上對(duì)應(yīng)的讀出電路的上電極10連接。所述引線電極8由AuPtTi制作，厚度為400nm、讀出電路的上電極10和下電極9由PtTi制作，厚度為 250nm。實(shí)施例3本實(shí)施例為制備實(shí)施例1所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)的方法，步驟如下:(I)第一基片鍵合面圖形的制備將娃片作為第一基片I，在含有讀出電路的第一基片I表面沉積一層厚30nm的鈦膜，在所述鈦膜表層沉積一層厚120nm的金膜，然后根據(jù)設(shè)計(jì)好的電極和鍵合面圖形光刻圖形，實(shí)現(xiàn)鍵合面的圖形化；(2)支撐層制備將雙拋面硅片作為第二基片2，將所述第二基片兩面熱氧化，使其兩面均生成一層600nm厚致密的SiO2層；選擇其中一面作為支撐層3，該面定義為第二基片的正面；(3)敏感元陣列制備①進(jìn)行正面標(biāo)記刻蝕將第二基片的正面，依次進(jìn)行涂膠(正性膠AZ6130)、前烘(100°C，10分鐘)、曝光(14秒)、后烘(IOO0C，10分鐘)、顯影(14秒)、堅(jiān)膜工藝(IlO0C, 20分鐘)，等離子體刻蝕SiO2層至Si基底，去膠；②再次進(jìn)行正面光刻，制作底電極圖形依次進(jìn)行涂膠(負(fù)性膠，L-300膠)、前烘(95°C，5分鐘)、曝光(55秒)、后烘(105°C，5分鐘)、顯影(45秒)、堅(jiān)膜工藝(110°C，20分鐘)，蒸發(fā)電極(Ti50nm，Pt200nm)，剝離去膠；③采用磁控濺射或溶膠凝膠成膜技術(shù)在正面制備BST/LN0敏感層，厚度為2200nm/300nm ；④再次進(jìn)行正面光刻，并制作敏感元圖形依次進(jìn)行涂膠(正性膠AZ6130)、前烘(100°C，10分鐘)、曝光(14秒)、后烘(100°C，10分鐘)、顯影(14秒)、堅(jiān)膜工藝(110°C，20分鐘)，采用濕法腐蝕的方法將BST/LN0敏感層圖形化，然后用去離子水清洗，再用光刻膠剝離液將光刻膠去除，進(jìn)一步用去離子水清洗，然后干燥，得到尺寸為50X50 m的敏感元陣列，敏感元行距和列距均為100 m ;⑤上下電極間的SiO2隔離層制備采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)在正面沉積一層300nm厚的SiO2層，正面進(jìn)行光刻，依次進(jìn)行涂膠(正性膠AZ6130)、前烘(IOO0C，10分鐘)、曝光(14秒)、后烘(100°C，10分鐘)、顯影(14秒)、堅(jiān)膜工藝(110°C，20分鐘)，等離子體刻蝕SiO2,去膠；⑥再次進(jìn)行正面光刻，制作上電極圖形依次進(jìn)行涂膠(負(fù)性膠，L-300膠)、前烘(95°C，5分鐘)、曝光(55秒)、后烘(105°C，5分鐘)、顯影(45秒)、堅(jiān)膜工藝(110°C，20分鐘)蒸發(fā)電極(NiCr，10nm)，剝離去膠；⑦再次進(jìn)行正面光刻，制作上電極引線制作依次進(jìn)行涂膠(負(fù)性膠，L-300膠)、前烘(95°C，5分鐘)、曝光(55秒)、后烘(105°C，5分鐘)、顯影(45秒)、堅(jiān)膜工藝(110°C，20分鐘)，蒸發(fā)電極(AuPtTi，400nm)，剝離去膠；(4)第二基片正面的保護(hù)將制備有敏感元的基片表面采用等離子體增強(qiáng)技術(shù)沉積一層非晶SiO2層，進(jìn)行正面保護(hù)；(5)熱隔離微橋陣列的制備①進(jìn)行背面光刻，制作背面刻蝕圖形依次進(jìn)行涂膠(正性膠AZ6130)、前烘(100°C，10分鐘)、曝光(14秒)、后烘(100°C，10分鐘)、顯影(14秒)、堅(jiān)膜工藝(110°C，20分鐘)，采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)刻蝕微橋圖形，刻蝕深度到達(dá)正面的SiO2層，去膠。形成橋面尺寸為400iimX400iim的熱隔離微橋陣列，微橋行距和列距均為50 m ;②正面去油去膠；(6)第一基片與第二基片的鍵合采用硅-硅鍵合工藝將基片I與基片2背面進(jìn)行鍵合。將清潔的第一基片和第二基片2在自然環(huán)境中貼合，之后將預(yù)鍵合的兩個(gè)基片在退火爐中350°C下退火2小時(shí)，取出，得到讀出電路與敏感元陣列連接的探測(cè)器結(jié)構(gòu)；(7)刻蝕SiO2,除去第二基片正面保護(hù)層；(8)敏感元電極與讀出電路電極的連接再次進(jìn)行正面光刻，制作爬坡引線電極圖形，實(shí)現(xiàn)敏感元陣列與讀出電路的電連接。依次進(jìn)行涂膠(負(fù)性膠，L-300膠)、前烘(95°C，5分鐘)、曝光(55秒)、后烘(105°C，5分鐘)、顯影(45秒)、堅(jiān)膜工藝(110°C，20分鐘)、采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的方式蒸發(fā)電極(AuPtTi，400nm)，剝離去膠。實(shí)施例4本實(shí)施例為制備實(shí)施例2所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)的方法，步驟如下:(I)第一基片鍵合面圖形的制備將娃片作為第一基片I，在含有讀出電路的第一基片I表面沉積一層厚30nm的鈦膜，在所述鈦膜表層沉積一層厚120nm的金膜，然后根據(jù)設(shè)計(jì)好的電極和鍵合面圖形光刻圖形，實(shí)現(xiàn)鍵合面的圖形化；(2)支撐層制備將雙拋面硅片作為第二基片2，將所述第二基片兩面熱氧化，使其兩面均生成一層600nm厚致密的SiO2層；選擇其中一面作為正面，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)在SiO2層上沉積一層400nm厚的Si3N4薄膜，以該SiO2/ Si3N4復(fù)合層作為支撐層3 ；(3)敏感元陣列制備①進(jìn)行正面標(biāo)記刻蝕將第二基片的正面，依次進(jìn)行涂膠(正性膠AZ6130)、前烘(100°C，10分鐘)、曝光(14秒)、后烘(IOO0C，10分鐘)、顯影(14秒)、堅(jiān)膜工藝(IlO0C,20分鐘)，等離子體刻蝕SiO2/ Si3N4復(fù)合層至Si基底，去膠；②再次進(jìn)行正面光刻，制作底電極圖形依次進(jìn)行涂膠(負(fù)性膠，L-300膠)、前烘(95°C，5分鐘)、曝光(55秒)、后烘(105°C，5分鐘)、顯影(45秒)、堅(jiān)膜工藝(110°C，20分鐘)，蒸發(fā)電極(Ti50nm，Pt200nm)，剝離去膠；③采用磁控濺射或溶膠凝膠成膜技術(shù)在正面制備PZT/PbO敏感層，厚度為1200nm/300nm ；④再次進(jìn)行正面光刻，并制作敏感元圖形依次進(jìn)行涂膠(正性膠AZ6130)、前烘(100°C，10分鐘)、曝光(14秒)、后烘(100°C，10分鐘)、顯影(14秒)、堅(jiān)膜工藝(110°C，20分鐘)，采用濕法腐蝕的方法將PZT/PbO敏感層圖形化，然后用去離子水清洗，再用光刻膠剝離液將光刻膠去除，進(jìn)一步用去離子水清洗，然后干燥，得到尺寸為50X50 m的敏感元陣列，敏感元行距和列距均為100 m ;⑤上下電極間的SiO2隔離層制備采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)在正面沉積一層300nm厚的SiO2層，正面進(jìn)行光刻，依次進(jìn)行涂膠(正性膠AZ6130)、前烘(IOO0C，10分鐘)、曝光(14秒)、后烘(100°C，10分鐘)、顯影(14秒)、堅(jiān)膜工藝(110°C，20分鐘)，等離子體刻蝕SiO2,去膠；⑥再次進(jìn)行正面光刻，制作上電極圖形
依次進(jìn)行涂膠(負(fù)性膠，L-300膠)、前烘(95°C，5分鐘)、曝光(55秒)、后烘(105°C，5分鐘)、顯影(45秒)、堅(jiān)膜工藝(110°C，20分鐘)蒸發(fā)電極(NiCr，10nm)，剝離去膠；⑦再次進(jìn)行正面光刻，制作上電極引線制作依次進(jìn)行涂膠(負(fù)性膠，L-300膠)、前烘(95°C，5分鐘)、曝光(55秒)、后烘(105°C，5分鐘)、顯影(45秒)、堅(jiān)膜工藝(110°C，20分鐘)，蒸發(fā)電極(AuPtTi，400nm)，剝離去膠；(4)第二基片正面的保護(hù)將制備有敏感元的基片表面采用等離子體增強(qiáng)技術(shù)沉積一層非晶SiO2層，進(jìn)行正面保護(hù)；(5)熱隔離微橋陣列的制備①進(jìn)行背面光刻，制作背面刻蝕圖形依次進(jìn)行涂膠(正性膠AZ6130)、前烘(100°C，10分鐘)、曝光(14秒)、后烘(100°C，10分鐘)、顯影(14秒)、堅(jiān)膜工藝(110°C，20分鐘)，采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)刻蝕微橋圖形，刻蝕深度到達(dá)正面的SiO2層，去膠。形成橋面尺寸為1600 ii mX 1600 ii m的熱隔離微橋陣列，微橋行距和列距均為170 m ;②正面去油去膠；(6)第一基片與第二基片的鍵合采用硅-硅鍵合工藝將基片I與基片2背面進(jìn)行鍵合。將清潔的第一基片和第二基片2在自然環(huán)境中貼合，之后將預(yù)鍵合的兩個(gè)基片在退火爐中350°C下退火2小時(shí)，取出，得到讀出電路與敏感元陣列連接的探測(cè)器結(jié)構(gòu)；(7)刻蝕SiO2,除去第二基片正面保護(hù)層；(8)敏感元電極與讀出電路電極的連接再次進(jìn)行正面光刻，制作爬坡引線電極圖形，實(shí)現(xiàn)敏感元陣列與讀出電路的電連接。依次進(jìn)行涂膠(負(fù)性膠，L-300膠)、前烘(95°C，5分鐘)、曝光(55秒)、后烘(105°C，5分鐘)、顯影(45秒)、堅(jiān)膜工藝(110°C，20分鐘)、采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的方式蒸發(fā)電極(AuPtTi，400nm)，剝離去膠。本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，可根據(jù)器件的要求，設(shè)計(jì)權(quán)利要求所限定的各種非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)，包括含讀出電路的第一基片(I)，其特征在于還包括含熱隔離微橋陣列和敏感元陣列的第二基片(2)，所述第一基片(I)與第二基片(2)鍵合成一體，所述熱隔離微橋陣列中的各熱隔離微橋單元以刻蝕后的第二基片(2)為橋墩，以與所述橋墩頂面緊密結(jié)合的支撐層(3)為橋面，各熱隔離微橋單元的空氣隙(11)厚度與第二基片的厚度相同；各熱隔離微橋單元的橋面上均設(shè)置有敏感元陣列，各敏感元陣列通過(guò)引線電極與第一基片上對(duì)應(yīng)的讀出電路實(shí)現(xiàn)電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述第一基片(I)為硅基片，所述第二基片(2)為雙拋面硅基片，第一基片(I)與第二基片(2)通過(guò)硅-硅鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)鍵合，第二基片上各敏感元陣列的下電極通過(guò)爬坡電極制作技術(shù)制作引線電極分別與第一基片上對(duì)應(yīng)的讀出電路的下電極(9)連接，敏感元陣列中各敏感元的上電極(6)通過(guò)爬坡電極制作技術(shù)制作引線電極分別與第一基片上對(duì)應(yīng)的讀出電路的上電極(10)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述熱隔離微橋單元的橋面為SiO2層或Si3N4/ SiO2復(fù)合層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述熱隔離微橋單元的橋面厚度為600 nm lOOOnm、長(zhǎng)度和寬度為100 μ m 1600 μ m,所述長(zhǎng)度=寬度，或所述長(zhǎng)度古寬度；所述熱隔離微橋單元的空氣隙(11)厚度為120μπι 365 μ m0
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述熱隔離微橋單元的橋面厚度為600 nm lOOOnm、長(zhǎng)度和寬度為IOOym 1600 μ m，所述長(zhǎng)度=寬度，或所述長(zhǎng)度古寬度；所述熱隔離微橋單元的空氣隙(11)厚度為120 μ m 365 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2 所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其特征在于組成敏感元陣列的敏感元至少為兩個(gè)，所述敏感元由下電極(4)、敏感層(5)、上電極(6)和上下電極隔離層(7)構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其特征在于組成敏感元陣列的敏感元至少為兩個(gè)，所述敏感元由下電極(4)、敏感層(5)、上電極(6)和上下電極隔離層(7)構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其特征在于組成敏感元陣列的敏感元至少為兩個(gè)，所述敏感元由下電極(4)、敏感層(5)、上電極(6)和上下電極隔離層(7)構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其特征在于熱隔離微橋陣列中，熱隔離微橋單元的行距和列距w > 50 μ m，熱隔離微橋單元距第二基片邊緣的距離t彡4500 μ m。
10.一種非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)的制備方法，步驟如下: ①第一基片鍵合面圖形的制備 將娃片作為第一基片(I)，在含有讀出電路的第一基片(I)表面沉積一層鈦膜，在所述鈦膜表層沉積一層金膜，然后根據(jù)設(shè)計(jì)好的電極和鍵合面圖形圖形化； 或?qū)⒑凶x出電路的第一基片(I)采用等離子體增強(qiáng)技術(shù)沉積一層SiO2作為鈍化層，再根據(jù)設(shè)計(jì)好的電極和鍵合面圖形圖形化；②支撐層制備 將雙拋面硅片作為第二基片(2)，將所述第二基片兩面熱氧化，使其兩面均生成一層致密的SiO2層，選擇其中一面的SiO2層作為支撐層； 或在兩面熱氧處理后的雙拋面硅片的其中一面上生長(zhǎng)一層Si3N4,形成Si3N4/ SiO2復(fù)合支撐層； 將支撐層所在的面定義為第二基片(2)的正面； ③敏感元陣列制備 根據(jù)設(shè)計(jì)好的非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器的圖形、尺寸及工藝要求依次在所述支撐層(3)上制作組成敏感元陣列的敏感元； ④第二基片正面的保護(hù) 將制備有敏感元陣列的第二基片(2)正面沉積一層SiO2層，進(jìn)行正面保護(hù)； ⑤熱隔離微橋陣列的制備 根據(jù)設(shè)計(jì)好的非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器的微橋圖形及尺寸在制有敏感元陣列的第二基片(2)背面采用干法刻蝕技術(shù)刻蝕微橋圖形，刻蝕深度到達(dá)其正面的支撐層(3)，形成以刻蝕后的第二基片(2)為橋墩、以支撐層為橋面的熱隔離微橋陣列，且組成熱隔離微橋陣列的各熱隔離微橋單元的橋面上均有敏感元陣列； ⑥第一基片與第二基片的鍵合 采用硅-硅鍵合技術(shù)將制備有敏感元陣列的第二基片(2)的背面與制備有讀出電路的第一基片(I)鍵合成一體； ⑦除去第二基片正面的保護(hù)層； ⑧敏感元電極與讀出電路電極的連接 通過(guò)爬坡 電極制作技術(shù)制作引線電極，將第二基片(2)上各敏感元陣列的下電極通過(guò)引線電極分別與第一基片上對(duì)應(yīng)的讀出電路的下電極(9)連接，將敏感元陣列中各敏感元的上電極(6)通過(guò)引線電極分別與第一基片上對(duì)應(yīng)的讀出電路的上電極(10)連接。
全文摘要
非制冷薄膜型紅外焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)，包括含讀出電路的第一基片，含熱隔離微橋陣列和敏感元陣列的第二基片，所述第一基片與第二基片鍵合成一體，所述熱隔離微橋陣列中的各熱隔離微橋單元以刻蝕后的第二基片為橋墩，以與所述橋墩頂面緊密結(jié)合的支撐層為橋面；各熱隔離微橋單元的橋面上均設(shè)置有敏感元陣列，各敏感元陣列通過(guò)引線電極與第一基片上對(duì)應(yīng)的讀出電路實(shí)現(xiàn)電連接。制備方法第一基片鍵合面圖形的制備；支撐層制備；敏感元陣列的制備；第二基片正面保護(hù)；熱隔離微橋陣列的制備；第一基片與第二基片的鍵合；除去第二基片的正面保護(hù)層；敏感元電極讀出電路電極的連接。
文檔編號(hào)H01L27/144GK103117287SQ201310030429
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月25日
發(fā)明者余萍, 陳瀟洋, 王曉峰, 楊春麗, 胡旭, 朱建國(guó), 張小山, 徐尊平 申請(qǐng)人:四川大學(xué)