[发明专利]热光型红外探测器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种热光型红外探测器及制作方法，属于微电子机械系统领 域。

背景技术

以HgCdTe、Microbolometer为代表的传统红外探测器采用电学读出方式， 其芯片包含两部分：红外敏感阵列和信号读取电路，两部分集成在同一芯片 上，其技术复杂程度较高，导致这种红外探测器特别是当阵列规模比较大时， 成本较高。光学读出红外热成像技术是一种全新的红外探测技术，它基于双 材料效应或热光效应将红外辐射转化为可见光或近红外光图像，并采用成熟 的CCD或CMOS相机进行探测，其探测器芯片中只包含红外敏感阵列，不 需要信号读取电路，大大降低了探测器芯片的制作难度。这种新型的红外探 测器具有非致冷，探测灵敏度高，重量轻，能量消耗少等特点，更重要的是 其潜在的价格优势明显。

基于双材料效应的光学读出红外探测器(BM-IRD)以双材料梁为基本 结构单元，双材料梁受红外辐射将发生偏转，通常基于4F光学系统将可动 微镜的机械转角转化为可见光图像，从而实现红外探测，在这种技术方案中， 其光学系统的小型化将是一个挑战(Yang Zhao，Minyao Mao，Roberto Horowitz，Arumava Majumdar and et al.Optomechanical uncooled infrared imaging system：design，microfabrication，and performance.Jounal of Microelectomechanical systems，vol.11，No.2，2002：136-146.)。基于热光效应 的光学读出红外探测器(热光型红外探测器，TO-IRD)是利用某些具有较高 热光系数的半导体薄膜，通过合适的膜系设计，使得每个像素都相当于一个 热可调谐薄膜滤光片，当含有被测目标温度分布信息的红外辐射经过红外光 学部分成像在TO-IRD上时，像素吸收红外辐射温度变化会引起材料折射率 的变化，导致像素对读出光反射率(透射率)的变化，从而实现对读出光的 调制，即每个像素都相当于一个波长转换器，这些像素将被测目标的红外辐 射转化为CCD或CMOS相机易于探测的近红外光信号，最后通过已商业化 的CCD或CMOS相机进行探测。整个红外探测过程可概括为：红外吸收→ 温度变化→折射率变化→读出光调制→近红外光成像。与BM-IRD相比较， 在TO-IRD中无可动部件，相对降低了器件设计与制作难度，更为重要的是 其光学系统易于小型化。

就目前所查阅到的文献资料，只有RedShift System公司发表了TO-IRD 的研究结果(http://www.cndzz.com/tech/Article/cg/200604/5962.html)。他们以 透明导热基板为衬底，以热绝缘材料为牺牲层，以氮化硅/非晶硅为膜系材料， 设计并制作出了TO-IRD。在该方案中，支撑像素的隔热柱高度是由牺牲层 的厚度所决定的，一般而言，牺牲层厚度通常只有几微米厚，导致像素的隔 热柱不高，限制了像素隔热性能的进一步提高，这也是他们所制作的TO-IRD 的噪声等效温差不高的一个主要原因；没有设计专门的红外吸收层，红外辐 射的吸收率偏低；另外在其器件的制作过程中尚未实现对器件的真空封装。

发明内容

针对现有技术方案存在的问题，本发明的目的在于提出一种热光型红外探 测器(TO-IRD)及其制作方法，这种红外探测器具有隔热性能好，红外辐射 吸收率高，在器件制作过程中实现对器件的真空封装等优点。

本发明的目的是这样实现的：在所述的TO-IRD中，采用特殊的隔热柱结 构和工艺设计，制作出具有较高高度、站立于硅衬底上的隔热柱，提高TO-IRD 的隔热性能；在像素膜系结构中，通过设计和制作专门的红外吸收层，提高 TO-IRD对红外辐射的吸收率，且不影响它对读出光的调制功能；采用硅玻 璃键合或在真空中粘接红外滤光片，实现器件的真空封装。