[发明专利]非制冷薄膜型红外焦平面阵列探测器结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子器件领域，特别涉及一种非制冷薄膜型红外焦平面阵列探测器结构及其制备方法

背景技术

非制冷薄膜型红外焦平面阵列探测器是一种基于热效应原理工作的热辐射探测器件，其核心部分是具有热感应能力的敏感元阵列。通过增加热隔离微桥可有效改善敏感元的热探测能力，为提高敏感元及整个探测器的工作性能，人们不断地对热隔离微桥结构进行改进。目前报道的可与读出电路集成的薄膜型非制冷红外焦平面阵列探测器结构可分为两大类：一类是基于表面微机械加工技术的牺牲层技术，即在已制备好读出电路的硅基片上直接依次沉积牺牲层、支撑层、敏感层，图形化后通过释放牺牲层得到具有热隔离微桥结构的阵列探测器； 另一类是将读出电路和敏感元阵列制备在硅基片的同一层面，基于体微机械加工技术，即采用反应离子刻蚀、等离子刻蚀、化学辅助离子刻蚀以及各向异性化学腐蚀等物理和/或化学方法，从基片的背面将敏感元所在的部位进行一定程度的刻蚀形成一个空腔，从而在每一个敏感元底部形成硅基热隔离微桥结构的阵列探测器。   

在上述第一类技术中，因为是在读出电路基片表面上通过沉积牺牲层和Si₃N₄支撑层薄膜、然后图形化，并刻蚀牺牲层薄膜以获得热绝缘微桥结构，故工艺上对Si₃N₄支撑层有较高要求，如果微桥面积较大，Si₃N₄薄膜可能会出现弯曲、翘曲、破裂等现象，桥墩及桥腿的尺寸、工艺质量直接影响微桥的质量及隔热效果，因此一个桥面上制备一个敏感元；若牺牲层材料为SiO₂，刻蚀牺牲层薄膜需要使用HF等，这对热释电薄膜性能破坏较大。若牺牲层为聚酰亚胺，为避免长时间的牺牲层释放过程中由于温度升高引起牺牲层焦化，需分段释放，因而存在耗时长的缺陷。而且，后续敏感层的沉积、图形化以及上电极制备工艺中易造成微桥损坏。因此该技术工艺复杂，技术难度高，并且敏感元阵列制备工艺复杂造成的敏感元结构均匀性差异还会带来阵列探测器电信号均匀性不高的缺陷。但该技术由于敏感元阵列直接制备在读出电路上方，敏感元阵列与读出电路分别在两个不同的层面上占用基片的有效工作面积，因此有利于小面元、高密度像素大规模阵列器件的制备，是目前能够尽可能提高敏感元填充率的唯一有效技术方案。

上述第二类技术则具有微桥制备工艺相对简单的优点，基片刻蚀步骤可放在敏感元制备工艺的最后，可有效避免敏感元制作工艺可能对微桥结构造成的损坏。通过目前的干法刻蚀技术，此技术可得到更为垂直的微腔，从而有效减少热量的损失，增大测试信号的输出。但遗憾的是，由于该技术中微桥位于敏感面元正下方，占据了与敏感面元面积相当的硅基片面积，读出电路只能设计在敏感面元的两侧，即读出电路需与敏感面元共同分享基片的有效面积，因此敏感元填充率低，只适合于低像素密度、小阵列器件的制作，无法满足小面元、高密度像素大规模阵列器件的制备要求。

再者，上述两类技术方案涉及的阵列结构，要实现薄膜型敏感元阵列与读出电路的集成，均要求热敏感层薄膜的制备温度低于读出电路的热耐受温度（450℃）。而基于热效应原理工作的具有高热探测性能的热敏感元材料，无论是热释电薄膜材料还是氧化钒热敏电阻薄膜均需在高温（650℃以上）下结晶，结晶不好的热敏感元材料不具有理想的热敏感性能。因此，上述两类技术方案也不能与目前敏感层材料制备技术相匹配，敏感层材料制备技术的不足也正制约着以小面元、高密度像素大规模阵列为特征的薄膜型非制冷薄膜型红外焦平面阵列探测器件的制造。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型的非制冷薄膜型红外焦平面阵列探测器结构及其制备方法，以满足小面元、高密度像素大规模阵列器件的制备要求，有效改善由于敏感元阵列制备工艺复杂、加工难度大导致结构均匀性差异造成电信号均匀性不高的缺陷。

本发明所述非制冷薄膜型红外焦平面阵列探测器结构，包括含读出电路的第一基片，含热隔离微桥阵列和敏感元阵列的第二基片，所述第一基片与第二基片键合成一体，所述热隔离微桥阵列中的各热隔离微桥单元以刻蚀后的第二基片为桥墩，以与所述桥墩顶面紧密结合的支撑层为桥面，各热隔离微桥单元的空气隙厚度与第二基片的厚度相同；各热隔离微桥单元的桥面上均设置有敏感元阵列，各敏感元阵列通过引线电极与第一基片上对应的读出电路实现电连接。