專利名稱：輻射熱測量計及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外探測器，尤其涉及一種通過改變熱敏電阻的結(jié)構(gòu)而獲得的一
種輻射熱測量計。
背景技術(shù)：
輻射熱測量計是一種熱敏電阻型探測器，是當前研制最為成功的紅外探測器之 一。輻射熱測量計基于熱敏電阻處于輻射通量的條件下其電阻發(fā)生變化的性質(zhì)來檢測能 量，其中熱敏電阻一般由金屬或半導體材料制成。當探測器吸收紅外輻射功率AW時，引起 溫度改變AT，熱敏電阻的電阻變化AR，利用讀出電路(R0IC)將該電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓 或電流的變化，即可得到與之對應的紅外輻射功率。 自1992年美國技術(shù)解密后，對輻射熱測量計的研究經(jīng)歷了迅速發(fā)展的階段。人 們已經(jīng)研究了基于各種材料制作的輻射熱測量計，包括氧化釩(V0x)、多晶硅、非晶硅、多晶 鍺硅、金屬材料以及高溫超導材料YBaCuO等。在這些材料中，氧化釩(V0x)和摻雜非晶硅 這兩種半導體材料由于有著較高的溫度電阻系數(shù)(TCR)、適中的電阻率、較低的制備工藝溫 度、能夠與IC工藝兼容等優(yōu)點，得到了迅速的發(fā)展。目前，主流的輻射熱測量計結(jié)構(gòu)仍為采 用表面犧牲層工藝制備的懸空微橋結(jié)構(gòu)，主要包括基底層、固定連接于基底層上的支撐層、 在支撐層上制成的吸收層和信號傳輸結(jié)構(gòu)等，其主要改進在于材料特性的優(yōu)化、熱敏電阻 單元尺寸的減少及陣列規(guī)模的增加。 對熱敏電阻材料的要求一般有以下幾點(l)高TCR值；(2)低熱容、低熱導；(3) 低1/f噪聲參數(shù)；(4)高紅外吸收率；(5)適中的電阻值。其中，較低的電阻會使有效電阻溫 度系數(shù)減小，較高的電阻會帶來較高的電壓響應，但是同時也會造成Johnson噪聲、熱噪聲 和1/f噪聲的增加。上述這些參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，任意參數(shù)的改變都必須考慮其他參數(shù)的變化， 所以在熱敏電阻單元尺寸不斷減少的情況下，要保證電阻值基本不變，可以通過以下兩種 途徑達到(1)改變熱敏電阻材料的摻雜濃度；(2)優(yōu)化熱敏電阻電阻結(jié)構(gòu)。目前通過摻雜 得到的摻雜非晶硅的電阻率范圍為102Q cm 109Q cm，但是摻雜濃度改變的同時會影 響材料的其他參數(shù)，而且原位摻雜的能力有限，僅僅通過原位摻雜工藝改變熱敏電阻阻值， 工藝上存在很大的難度。如果能夠通過優(yōu)化熱敏電阻電阻結(jié)構(gòu)并結(jié)合摻雜濃度的改變而使 電阻值滿足設(shè)計的要求對于輻射熱測量計的制備將是十分有利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是通過優(yōu)化熱敏電阻的電阻結(jié)構(gòu)，結(jié)合熱敏電阻材料摻 雜濃度的改變，解決以往輻射熱測量計只依賴通過改變熱敏電阻材料摻雜濃度的方法以使 其符合性能要求的問題，從而達到設(shè)計結(jié)構(gòu)靈活多變的目的。 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是一種輻射熱測量計，結(jié)構(gòu)中包 括基底、位于基底上方的支撐層、制作在支撐層上的下電極、下電極上制備有熱敏電阻、熱 敏電阻上覆有上電極、上電極上制備有吸收層，其中基底和支撐層平行且有間隙地設(shè)置，上電極、下電極分別由獨立單元形成上電極單元組和下電極單元組，借助于設(shè)置在上、下電極
之間的熱敏電阻形成串聯(lián)電流通路。上電極和下電極有間隔地且相對交錯地排列于熱敏電
阻的上表面和下表面，上電極的兩端設(shè)有引出線與基底相連。
上述輻射熱測量計的制備方法具體步驟為 1)在基底上電子束蒸發(fā)制備反射層； 2)制備犧牲層； 3)淀積低應力氮化硅或氧化硅薄膜制備支撐層； 4)光刻、刻蝕犧牲層形成下電極圖形錨點，濺射形成分別獨立的下電極； 5)淀積非晶硅薄膜并摻雜，光刻、刻蝕完成熱敏電阻的制備； 6)光刻、刻蝕犧牲層形成上電極圖形錨點，濺射形成分別獨立的上電極； 7)淀積、光刻、刻蝕制備吸收層； 8)刻蝕犧牲層，釋放輻射熱測量計微結(jié)構(gòu)。 采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于在單元尺寸相同的情況下，相對于傳 統(tǒng)的平面電阻方式，通過采用熱敏電阻串聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計使熱敏電阻結(jié)構(gòu)的設(shè)計更靈活，使熱 敏電阻阻值的調(diào)整不再局限于薄膜厚度以及電阻率的改變，從而使熱敏電阻的阻值在大范 圍可調(diào)，優(yōu)化了器件的性能，滿足了不同應用的需求，這樣將很大程度的提高了設(shè)計的靈活 性。 在工藝上，有兩個因素對非晶硅電阻率影響較大，摻雜比例以及工藝溫度，由于輻 射熱測量計需要考慮與IC集成工藝及其他工藝的兼容性，因此工藝溫度一般控制在300°C 左右，可調(diào)范圍不大，因此從工藝上改變電阻率主要與摻雜氣體比例有關(guān)，制備時摻入的雜 質(zhì)原子進入非晶硅的無序網(wǎng)絡中，只有部分的雜質(zhì)原子能夠處于施主或受主態(tài)，實現(xiàn)有效 的摻雜，大部分的雜質(zhì)原子無法提供載流子，隨著摻雜量的不斷增加，不能無限制的降低電 阻率，因為過多的摻雜還會造成雜質(zhì)原子的過飽和，形成大量的缺陷態(tài)，破壞非晶硅的結(jié) 構(gòu)，反而使電阻率增加，因此非晶硅電阻率摻雜存在一個范圍內(nèi)，超出這個范圍工藝上都很 難實現(xiàn)。本發(fā)明所提供的輻射熱測量計通過改變熱敏電阻結(jié)構(gòu)設(shè)計從而使得在高電阻率的 情況下實現(xiàn)制備過程，從而降低了制作工藝的難度。


圖1是本發(fā)明一實施例輻射熱測量計的示意結(jié)構(gòu)的剖面圖；
圖2是本發(fā)明中熱敏電阻串聯(lián)電路原理示意圖；
圖3是圖1所示結(jié)構(gòu)的熱敏電阻中電流的流向示意圖； 圖中1基底，2反射層，3支撐層，4下電極，5熱敏電阻，6上電極，7吸收層，A代表
電流流向。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。 參見圖l，本發(fā)明提供的輻射熱測量計，器件為傳統(tǒng)的橋式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中包括基 底1、位于基底1上方的支撐層3、制作在支撐層3上的下電極4、下電極4上制備有熱敏電 阻5、熱敏電阻5上覆有上電極6、上電極6上制備有吸收層7，其中基底1和支撐層3平行且有間隙地設(shè)置，上電極6、下電極4分別由獨立單元形成上電極單元組和下電極單元組， 借助于設(shè)置在上、下電極之間的熱敏電阻5形成串聯(lián)電流通路。上電極6和下電極4有間 隔地且相對交錯地排列于熱敏電阻5的上表面和下表面，上電極6的兩端設(shè)有引出線與基 底1相連，構(gòu)成熱敏電阻5的材料為摻雜的非晶硅。 上述輻射熱測量計，在所述基底1上制備有由Al制成的反射層2。 上述輻射熱測量計，所述上電極6和下電極4由NiCr金屬材料制成。 上述輻射熱測量計，所述吸收層7由低導熱性的絕緣材料制成，優(yōu)選為氮化硅或
氧化硅或氮氧化硅。 本發(fā)明提供的輻射熱測量計的工作原理在紅外輻射作用下，氮化硅吸收層吸收 紅外線能量，傳遞給熱敏電阻，熱敏電阻5由于熱阻效應阻值將發(fā)生變化，利用讀出電路 (R0IC)將該電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，即可得到與之對應的紅外輻射功率。
為提供器件對紅外輻射能量的吸收，提高器件的精確度及靈敏度，在基底1上沉 積由Al制成的反射層2，將漏過吸收層7的紅外線再次反射到吸收層7，從而提高了器件的 紅外吸收率。 作為熱敏電阻5材料，摻雜非晶硅由于有電阻溫度系數(shù)以及噪聲的影響，通常將 其阻值控制在10KQ 100KQ的范圍內(nèi)，根據(jù)熱敏電阻5的計算公式 及=/3~^~ 式中，p為電阻率，L為熱敏電阻5長度，w為熱敏電阻5寬度，h為熱敏電阻5厚 度。由于熱敏電阻5體積參數(shù)與熱容和熱傳導有關(guān)，通過改變體積參數(shù)調(diào)整熱敏電阻將會 使熱容改變，影響器件的性能。對于17y mX17iim的熱敏單元，熱敏電阻設(shè)計值為50KQ ， 對于平面電阻來說，將熱敏電阻5的長寬比L/w設(shè)計為50，熱敏電阻5的厚度定為1500A， 要滿足電阻值的要求，熱敏電阻5的電阻率必須控制在< 50Q cm的范圍，這樣的摻雜水 平處于非晶硅薄膜原位摻雜的極限，工藝上存在很大的難度，但采用電阻串聯(lián)的結(jié)構(gòu)則可 以滿足條件，因為此時薄膜的厚度為電阻的長度，相對于平面電阻，熱敏電阻5長度可從微 米量級降低到亞微米量級，同時通過調(diào)整熱敏電阻5的個數(shù)以及增加薄膜電阻率來滿足設(shè)
計的需求。例如，設(shè)計電阻值為50KQ，面積為17iimX17iim，厚度為1500 A的熱敏單元 來說，采取4個熱敏電阻5串聯(lián)的形式，4個熱敏電阻5的阻值相同，熱敏電阻5的尺寸為 2 ii mX 15 ii m，電阻率為250 Q .cm就可以滿足要求。這樣的電阻率對于非晶硅原位摻雜是 容易實現(xiàn)的，采用電阻串聯(lián)的方法實現(xiàn)了小尺寸下通過電阻結(jié)構(gòu)的改變來滿足熱敏電阻5 值設(shè)計的要求，降低了工藝難度。 上述輻射熱測量計的制備方法，其步驟包括
1)在基底1上電子束蒸發(fā)制備反射層2 ;
2)制備犧牲層； 3)淀積低應力氮化硅或氧化硅薄膜制備支撐層3 ; 4)光刻、刻蝕犧牲層形成下電極4圖形錨點，濺射形成分別獨立的下電極4 ;
5)淀積非晶硅薄膜并摻雜，光刻、刻蝕完成熱敏電阻5的制備；
6)光刻、刻蝕犧牲層形成上電極6圖形錨點，濺射形成分別獨立的上電極6 :
7)淀積、光刻、刻蝕制備吸收層7 ;
5
8)刻蝕犧牲層，釋放輻射熱測量計微結(jié)構(gòu)。
可以總結(jié)為以下具體工序 1)反射層2的制備基底1選用硅襯底，拋光、清洗后旋涂光刻膠，采用光刻剝離 的方法完成反射層2的圖形化，電子束蒸發(fā)Al，厚度為500nm，最后剝離去除光刻膠，反射層 2制備完成。 2)制備犧牲層控制轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)數(shù)以及旋轉(zhuǎn)時間，使聚酰亞胺的厚度為2.5ym左 右，然后按照聚酰亞胺的固化溫度曲線固化，犧牲層制備完成。 3)支撐層3的制備支撐層3材料必須具有以下性質(zhì)①具有良好的機械特性以 及低應力，②熱傳導系數(shù)小。通常采用等離子體化學氣相沉積PECVD淀積低應力的氮化硅 或氧化硅薄膜作為支撐層3，優(yōu)選用氧化硅，因為氧化硅的熱傳導系數(shù)更小，沉積氧化硅的 厚度為50nm。 4)下電極4的制備下電極4金屬材料的選擇必須滿足3個條件①具有良好的 粘附性，②與非晶硅接觸具有良好的歐姆接觸特性，③熱傳導系數(shù)較小。NiCr合金能夠較好 的滿足以上3個條件，選用NiCr作為下電極4金屬材料，光刻犧牲層聚酰亞胺，干法刻蝕聚 酰亞胺形成錨點，濺射NiCr，厚度為20nm，刻蝕形成下電極4。 5)熱敏電阻5的制備選用摻雜非晶硅作為熱敏電阻5材料，根據(jù)電阻值和器件 結(jié)構(gòu)設(shè)計電阻圖形，淀積熱敏電阻5非晶硅薄膜后，離子注入摻雜非晶硅，光刻、腐蝕完成
熱敏電阻5的制備，薄膜厚度為1500 A。 6)上電極6的制備與下電極4要求相同，可采用NiCr作為熱敏電阻5的上電極 6材料，NiCr作為上電極6還有一個作用，可以同時作為紅外吸收層7。采用濺射工藝制備， 濺射能夠很好的控制金屬的厚度以及具有良好的均勻性。光刻犧牲層聚酰亞胺，干法刻蝕 聚酰亞胺形成錨點，最后光刻、腐蝕完成上電極6的制備。 7)吸收層7的制備采用雙頻PECVD淀積低應力的氮化硅作為吸收層7，厚度為 30nm，淀積后光刻、腐蝕形成吸收層7。同時由于上電極6NiCr的方塊電阻值容易受到后續(xù) 工藝如等離子刻蝕、犧牲層釋放等工藝影響，電阻值的變化將會影響紅外吸收效率，所以吸 收層7氮化硅可以作為上電極6金屬的保護層。 8)結(jié)構(gòu)釋放采用02等離子刻蝕方法刻蝕聚酰亞胺，釋放器件結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
一種輻射熱測量計，結(jié)構(gòu)中包括基底(1)、位于基底(1)上方的支撐層(3)、制作在支撐層(3)上的下電極(4)、下電極(4)上制備有熱敏電阻(5)、熱敏電阻(5)上覆有上電極(6)、上電極(6)上制備有吸收層(7)，其中基底(1)和支撐層(3)平行且有間隙地設(shè)置，其特征在于上電極(6)、下電極(4)分別由獨立單元形成上電極單元組和下電極單元組，借助于設(shè)置在上、下電極之間的熱敏電阻(5)形成串聯(lián)電流通路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射熱測量計，其特征在于上電極(6)和下電極(4)有間隔 地且相對交錯地排列于熱敏電阻(5)的上表面和下表面，上電極(6)的兩端設(shè)有引出線與 基底(1)相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射熱測 的非晶硅。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射熱測 該反射層(2)由A1材料制成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射熱測 金屬材料制成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射熱測 氮氧化硅。
7. —種權(quán)利要求1中所述的輻射熱測量計的制備方法，其特征在于包括以下步驟1) 在基底(1)上電子束蒸發(fā)制備反射層(2);2) 制備犧牲層；3) 淀積低應力氮化硅或氧化硅薄膜制備支撐層(3);4) 光刻、刻蝕犧牲層形成下電極(4)圖形錨點，濺射形成分別獨立的下電極組；5) 淀積非晶硅薄膜并摻雜，光刻、刻蝕完成熱敏電阻(5)的制備；6) 光刻、刻蝕犧牲層形成上電極(6)圖形錨點，濺射形成分別獨立的上電極組；7) 淀積、光刻、刻蝕制備吸收層(7);8) 刻蝕犧牲層，釋放輻射熱測量計微結(jié)構(gòu)。量計，其特征在于構(gòu)成熱敏電阻(5)的材料為摻雜 量計，其特征在于在基底(1)上制備有反射層(2)， 量計，其特征在于上電極(6)和下電極(4)由NiCr 量計，其特征在于吸收層(7)為氮化硅或氧化硅或
全文摘要
本發(fā)明提供了一種輻射熱測量計及其制作方法，尤其涉及一種通過改變熱敏電阻的結(jié)構(gòu)而獲得的一種輻射熱測量計。該輻射熱測量計結(jié)構(gòu)中包括基底、位于基底上方的支撐層、制作在支撐層上的下電極、下電極上制備有熱敏電阻、熱敏電阻上覆有上電極、上電極上制備有吸收層，其中基底和支撐層平行且有間隙地設(shè)置，上電極、下電極與熱敏電阻組成串聯(lián)電連接。這種結(jié)構(gòu)設(shè)置使熱敏電阻的阻值在大范圍可調(diào)，優(yōu)化了器件的性能，滿足了不同應用的需求，這樣將很大程度的提高了設(shè)計的靈活性。
文檔編號G01J5/20GK101776485SQ20101003331
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月7日
發(fā)明者徐永青, 胥超 申請人:中國電子科技集團公司第十三研究所