一種焦平面陣列微橋單元橋腿復(fù)合結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及光電探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種焦平面陣列微橋單元橋腿復(fù)合結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]由于氧化釩薄膜具有:(a)低Ι/f噪聲、(b)高電阻溫度系數(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)“TCR”)、(c)良好的微機(jī)電系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)“MEMS”)工藝兼容性等優(yōu)點(diǎn)，因此，氧化釩薄膜作為熱阻型敏感薄膜被廣泛用于制備探測(cè)性能優(yōu)異的微測(cè)輻射熱計(jì)型非制冷焦平面陣列和相應(yīng)的非制冷探測(cè)器。氧化釩作為敏感材料，也被用于制造適于THz波段(0.1?1THz)目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別的THz探測(cè)焦平面陣列。此外，由于氧化釩薄膜在室溫附近具有優(yōu)異的相變特性，使其在溫度傳感器、氣體傳感器、電致變色器件和光學(xué)開(kāi)關(guān)等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]在高性能的探測(cè)器和傳感器等器件中，常常采用陣列化的敏感單元結(jié)構(gòu)，陣列結(jié)構(gòu)的具體形式則取決于器件的應(yīng)用要求。以氧化釩非制冷焦平面陣列為例，基于氧化釩敏感薄膜的焦平面陣列一般都是由一組二維微橋單元陣列構(gòu)成，每個(gè)微橋單元包括一個(gè)敏感區(qū)和作為支撐的橋腿。橋腿不但提供對(duì)敏感區(qū)的機(jī)械支撐，也是敏感元的引出電極以及重要的熱傳導(dǎo)途徑。被探測(cè)對(duì)象的輻射投射到敏感單元輻射吸收區(qū)后，輻射被吸收，導(dǎo)致敏感區(qū)溫度升高。同時(shí)，熱量以熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射方式向周?chē)h(huán)境流動(dòng)。這種熱量流動(dòng)將降低敏感區(qū)的溫升幅度，從而降低探測(cè)器的響應(yīng)。因此，為了獲得高探測(cè)性能，陣列一般被密封于抽真空后的管殼內(nèi)，且陣列內(nèi)的各個(gè)微橋單元間相互隔開(kāi)。這使經(jīng)由橋腿向襯底傳遞的熱傳導(dǎo)成為微橋單元的主要熱損失方式。敏感單元溫升導(dǎo)致熱敏薄膜電阻發(fā)生變化，橋腿中的高電導(dǎo)率膜層，作為引出電極讀出熱敏薄膜阻值的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被探測(cè)目標(biāo)的探測(cè)。
[0004]為了獲得高探測(cè)性能的非制冷焦平面陣列，其微橋單元電極材料一般要求具有高電導(dǎo)率、低熱導(dǎo)率、以及容易獲得與MEMS工藝和IC工藝良好兼容性的制備方法等特點(diǎn)。目前，氧化釩焦平面陣列常用的電極材料為NiCr薄膜、Ti薄膜等。其中，由于NiCr薄膜良好的抗氧化性能而成為目前氧化釩焦平面陣列最常用的電極材料。但是，NiCr薄膜的彈性模量大。這易導(dǎo)致NiCr薄膜具有大的殘余應(yīng)力，從而引起陣列單元的翹曲等形變。其次，NiCr薄膜的圖形化難以采用傳統(tǒng)常用的干法刻蝕設(shè)備和刻蝕工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，這也在一定程度上降低了其工藝兼容性。Ti薄膜雖然易于圖形化，且具有適度的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，但其易于氧化的特點(diǎn)影響了其工藝兼容性。因此，開(kāi)發(fā)一種新型的氧化釩焦平面陣列用電極材料，將可望進(jìn)一步提高氧化釩焦平面陣列的探測(cè)性能。
[0005]此外，在目前的焦平面陣列結(jié)構(gòu)中，橋腿部分一直被視為微橋單元主要的熱損失途徑:即微橋單元的橋面吸收紅外輻射后，導(dǎo)致溫升；同時(shí)，橋面溫升導(dǎo)致橋面與橋腿之間的溫差夜帶來(lái)橋面向橋腿的熱量流失，這將抑制橋面溫升的最終值。為了減小橋面向橋腿方向的熱量流失，一般在橋腿設(shè)計(jì)中，采用超長(zhǎng)橋腿結(jié)構(gòu)或窄橋腿的策略。但橋腿長(zhǎng)度將受限于占空比和微橋單元力學(xué)穩(wěn)定性等設(shè)計(jì)要求，而目前的橋腿寬度已經(jīng)達(dá)到了 0.5 μ m，進(jìn)一步縮小橋腿寬度也將顯著提升焦平面陣列的制造成本。設(shè)計(jì)新型的橋腿結(jié)構(gòu)以降低橋腿的熱導(dǎo)損失，可能為實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)的氧化釩焦平面陣列提供一種新的選擇。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種新型的、具有高電導(dǎo)率、低熱導(dǎo)率、紅外吸收率高的微橋單元橋腿復(fù)合結(jié)構(gòu)，該橋腿結(jié)構(gòu)與非制冷焦平面陣列器件的MEMS工藝兼容，能適用于非制冷焦平面陣列器件的批量研制。
[0007]為解決本實(shí)用新型的技術(shù)問(wèn)題，所采用的技術(shù)方案如下:
[0008]—種焦平面陣列微橋單元橋腿復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述橋腿復(fù)合結(jié)構(gòu)采用導(dǎo)電聚合物薄膜或摻雜導(dǎo)電聚合物薄膜作為焦平面陣列微橋單元中與橋面層中的氧化釩或摻雜氧化釩熱敏薄膜的電極接觸孔接觸的引出電極，所述引出電極將所述氧化釩或摻雜氧化釩熱敏薄膜與微橋單元中的橋柱進(jìn)行電學(xué)連通。
[0009]進(jìn)一步地，所述導(dǎo)電聚合物優(yōu)選聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺導(dǎo)電聚合物。
[0010]進(jìn)一步地，所述摻雜導(dǎo)電聚合物的摻雜劑為路易斯酸或質(zhì)子酸。所述路易斯酸優(yōu)選三氯化鐵；所述質(zhì)子酸優(yōu)選氨基磺酸。
[0011]進(jìn)一步地，所述微橋單元橋腿復(fù)合結(jié)構(gòu)在與微橋單元橋面層相近處增設(shè)有橋腿吸收結(jié)構(gòu)，所述氧化釩或摻雜氧化釩熱敏薄膜上設(shè)有電極接觸孔，所述橋腿吸收結(jié)構(gòu)的一側(cè)以橋腿一與電極接觸孔相連，另一側(cè)以橋腿二與微橋單元的橋柱相連。
[0012]進(jìn)一步地，所述橋腿吸收結(jié)構(gòu)、橋腿一、橋腿二都依次由上層SiNx薄膜層、作為引出電極的導(dǎo)電聚合物薄膜層或摻雜導(dǎo)電聚合物薄膜層以及下層SiNx薄膜層三層膜系構(gòu)成。
[0013]進(jìn)一步地，所述上層SiNx薄膜層、所述導(dǎo)電聚合物薄膜層或摻雜導(dǎo)電聚合物薄膜層以及所述下層SiNx薄膜層的各膜層厚度分別為50-100nm、50-150nm、100-200nm。
[0014]進(jìn)一步地，所述橋腿吸收結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)和寬分別為微橋單元的長(zhǎng)和寬的10-20%。
[0015]進(jìn)一步地，所述橋腿一的寬度為0.5-1.0 μ m，長(zhǎng)度為3.0-5.0 μπι。
[0016]進(jìn)一步地，所述橋腿二的寬度為0.8-2.0 μ m，長(zhǎng)度根據(jù)微橋單元的尺度和所述橋腿吸收結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度決定。
[0017]進(jìn)一步地，所述上層SiNx薄膜采用射頻濺射或化學(xué)氣相沉積工藝進(jìn)行制備，其工藝溫度不超過(guò)200 °C。
[0018]本實(shí)用新型具有如下有益效果:
[0019]1、首先，本實(shí)用新型的橋腿復(fù)合結(jié)構(gòu)中采用導(dǎo)電聚合物薄膜或摻雜導(dǎo)電聚合物薄膜作為微橋單元的電極材料，由于導(dǎo)電聚合物或摻雜導(dǎo)電聚合物薄膜的熱導(dǎo)率比常用的電極材料NiCr薄膜、Ti薄膜等金屬薄膜材料低約一個(gè)數(shù)量級(jí)，這有利于降低微橋單元橋腿結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)，提高非制冷焦平面陣列器件的靈敏度。
[0020]2、其次，本實(shí)用新型的橋腿復(fù)合結(jié)構(gòu)中增加橋腿吸收結(jié)構(gòu)，橋腿吸收結(jié)構(gòu)有助于降低微橋橋面的熱量流失速率，這也有利于提高非制冷焦平面陣列器件的靈敏度。
[0021]3、工藝兼容性好:由于本實(shí)用新型中所采用的導(dǎo)電聚合物薄膜或摻雜導(dǎo)電聚合物薄膜非常容易通過(guò)常見(jiàn)的光刻工藝進(jìn)行圖形化，能保證微橋結(jié)構(gòu)制備與MEMS制造工藝良好的工藝兼容性。
[0022]4、本實(shí)用新型中的導(dǎo)電聚合物薄膜或摻雜導(dǎo)電聚合物薄膜容易通過(guò)旋涂等工藝進(jìn)行制備，降低了焦平面陣列微橋單元引出電極的制造成本。
【附圖說(shuō)明】
[0023]為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0024]圖1為基于本實(shí)用新型的橋腿復(fù)合結(jié)構(gòu)得到的微橋單元投影的示意圖；
[0025]圖2為本實(shí)用新型的橋腿復(fù)合結(jié)構(gòu)的三層膜系結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]【附圖說(shuō)明】:
[0027]11-橋腿一 ；12-橋腿二 ； 13-橋腿吸收結(jié)構(gòu)；2_橋面層；21_電極接觸孔；3-橋柱；
[0028]Wl-橋腿二的寬度；W2_橋腿吸收結(jié)構(gòu)邊沿與橋面層邊沿的距離；
[0029]L1-橋腿一的長(zhǎng)度；L2_橋腿吸收結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度；
[0030]tl-橋腿一的寬度；t2_橋腿吸收結(jié)構(gòu)的寬度；
[0031]dl-橋腿一距離橋面層邊沿的距離；
[0032]Cl-上層SiNx薄膜層；C2_導(dǎo)電聚合物薄膜層或摻雜導(dǎo)電聚合物薄膜層；C3_下層SiNx薄膜層；
[0033]h1-上層SiNx薄膜層的膜厚；h2_導(dǎo)電聚合物薄膜層或摻雜導(dǎo)電聚合物薄膜層的膜厚；h3_下層SiNx薄膜層的膜厚。
【具體實(shí)施方式】
[0034]以下結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述:
[0035]圖1為以L形橋腿為例，基于本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的橋腿復(fù)合結(jié)構(gòu)所得到焦平面陣列的一個(gè)微橋單元投影示意圖。
[0036]實(shí)施例1:
[0037]本實(shí)施例是在襯底上以MEMS工藝形成微橋單元尺寸為50X50 μπι的128X128焦平面陣列橋結(jié)構(gòu)。具體包括以下步驟:
[0038](I)以化學(xué)氣相沉積工藝制備得到膜厚為10nm的SiNx薄膜；
[0039](2)然后以反應(yīng)濺射工藝在步驟(I)中的SiNx薄膜上沉積一層膜厚為lOOnm、薄膜方阻為10kQ/ □的氧化釩薄膜，形成氧化釩熱敏薄膜橋面層2 ；
[0040](3)再采用化學(xué)氣相沉積工藝在步驟(2)中的氧化釩熱敏薄膜上制備膜厚為50nm的SiNx薄膜；
[0041](4)然后結(jié)合光刻工藝和反應(yīng)離子刻蝕工藝在步驟(3)中的SiNx薄膜上開(kāi)出電極接觸孔21 ;
[0042](5)以能量為300eV、束流密度為5mA/cm2的Ar離子束流轟擊步驟⑷中的電極接觸孔lmin，然后再采用旋涂工藝制備聚乙炔薄膜，膜厚為80nm，所述聚乙炔薄膜作為引出電極與所述的氧化銀薄膜接觸；
[0043](6)再采用180°C的化學(xué)氣相沉積工藝在步驟(5)所述的聚乙炔薄膜上制備SiNx薄膜Cl，膜厚為80nm;
[0044](7)再結(jié)合光刻工藝和反應(yīng)離子刻蝕工藝對(duì)步驟(6)中得到的結(jié)構(gòu)圖形化，形成以聚乙炔薄膜為電極材料、以氧化釩薄膜為熱敏薄膜的非制冷紅外焦平面陣列微橋單元，最終形成非制冷紅外焦平面陣列。
[0045]步驟(7)中通過(guò)圖形化，形成橋腿復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖1所示，具體包括:與橋柱3相連的橋腿二 12，橋腿二 12與橋腿吸收結(jié)構(gòu)13 —側(cè)相連，橋腿吸收結(jié)構(gòu)5的另一側(cè)通過(guò)橋腿一11與電極接觸孔21相連，橋腿吸收結(jié)構(gòu)13設(shè)置在橋面層2相近處。
[0046]如圖1所示，本實(shí)施例中，矩形橋腿吸收結(jié)構(gòu)13的長(zhǎng)L2和寬12分別為7.0 μπκ5.0 μπι，橋腿吸收結(jié)構(gòu)13