CN109459146B - 一种基于压电谐振器的非制冷红外探测器的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于压电谐振器的非制冷红外探测器的制备方法涉及红外探测技术领域，解决了制备方法所得红外探测器吸收率较低的问题，包括制备压电谐振器；压电谐振器上依次制备金属反射层、介质层和金属阵列层；制备读出集成电路衬底；连接读出集成电路衬底和压电谐振器。本发明的制备方法具有集成制造、批量生产、成本低廉等优势；通过在压电谐振器表面集成金属反射层、介质层和金属阵列层，利用金属阵列层实现对红外光谱的增强吸收，吸收能量作用于压电谐振器上，将吸收率提高到80％以上，同时增加了非制冷红外探测器对入射频谱的选择性。该方法所制得的非制冷红外探测器既有传统非制冷红外探测的优点，同时响应快速、探测灵敏度高。

Description

一种基于压电谐振器的非制冷红外探测器的制备方法

技术领域

本发明涉及红外探测技术领域，具体涉及一种基于压电谐振器的非制冷红外探测器的制备方法。

背景技术

非制冷型红外探测器也叫室温探测器，可在室温条件下工作。非制冷红外探测器一般是热探测器，即通过探测红外辐射的热效应来工作。非制冷红外探测器具有体积小、重量轻、寿命长、成本低、功耗低等优点，因此非制冷红外探测器在军事、安防、医疗检测等领域得到越来越广泛的应用。

近年来，随着微纳传感技术的发展，压电谐振器的应用也扩展到非制冷红外探测器领域。一方面，压电谐振器通常具有微型的尺寸，抗外界干扰能力更强；另一方面，压电谐振器通常工作在谐振模拟，且具有很高的品质因数，所以器件表现出很高的灵敏度；以上两个方面促使基于压电谐振器的非制冷红外探测器表现出优秀的信噪比指标。另外，压电谐振器采用频率读出电路方式，该种方式可以有效抑制闪烁噪声(1/f噪声)。

然而现有的基于压电谐振器的非制冷红外探测器的制备方法中，所制得的探测器均对红外辐射的吸收率较低、均对入射频谱没有选择性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于压电谐振器的非制冷红外探测器的制备方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于压电谐振器的非制冷红外探测器的制备方法，包括如下步骤：

S1、取得硅基底；

S2、在硅基底上制备左通孔、右通孔和凹槽；所述凹槽位于硅基底上表面上，左通孔和右通孔分居凹槽两侧且均贯穿硅基底上下表面；

S3、在左通孔内制备左通孔电极，在右通孔内制备右通孔电极，在左通孔电极下端、硅基底下表面制备第一电极，在右通孔电极下端、硅基底下表面制备第二电极；

S4、利用牺牲层材料填充凹槽制备牺牲层，所述牺牲层覆盖硅基底上表面，牺牲层的厚度大于凹槽的深度；

S5、将硅基底上表面进行平坦化处理直至牺牲层和硅基底上表面共面；

S6、在S5所得的硅基底和牺牲层的上表面制备底电极；所述底电极覆盖S5所得的牺牲层，底电极连接左通孔电极；

S7、在底电极上表面上制备压电层；

S8、在压电层上表面上制备顶电极；所述顶电极连接右通孔电极；

S9、在顶电极上表面上制备金属反射层；

S10、在金属反射层上表面上制备介质层；

S11、在介质层上表面上制备金属阵列层；

S12、刻蚀S5所得的牺牲层，得到空腔，压电谐振器制备完成；

S13、制备读出集成电路衬底；

S14、读出集成电路衬底键合第一电极和第二电极，得到非制冷红外探测器，制备完成。

一种基于压电谐振器的非制冷红外探测器的制备方法制备的非制冷红外探测器。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过MEMS微加工方法制造，将压电谐振器、金属反射层、介质层和金属阵列层集成在读出集成电路衬底上，因此具有集成制造、批量生产、成本低廉等优势。

2、通过在压电谐振器表面集成金属反射层、介质层和金属阵列层的结构，利用金属阵列层等实现对红外光谱的增强吸收，吸收的能量作用于压电谐振器上，克服了压电谐振器的敏感表面对红外辐射的吸收率较低的问题，将非制冷红外探测器的吸收率从20％提高到80％以上。

3、通过制备金属阵列层、介质层和金属反射层增加了非制冷红外探测器对入射频谱的选择性。

4、本发明的制备方法所制备的非制冷红外探测器是薄膜结构，相比于以往微桥结构的非制冷红外探测器在抗震性能和像元一致性等方面具有明显优势。

5、本发明的制备方法所制备的非制冷红外探测器既有传统非制冷红外探测低成本、小型化、高稳定性、长寿命的优点，也兼具制冷型红外探测器快速响应、高探测灵敏度的优点。

附图说明

图1为本发明的非制冷红外探测器的制备过程S1对应的状态图。

图2为本发明的非制冷红外探测器的制备过程S2对应的状态图。

图3为本发明的非制冷红外探测器的制备过程S3对应的状态图。

图4为本发明的非制冷红外探测器的制备过程S4对应的状态图。

图5为本发明的非制冷红外探测器的制备过程S5对应的状态图。

图6为本发明的非制冷红外探测器的制备过程S6对应的状态图。

图7为本发明的非制冷红外探测器的制备过程S7对应的状态图。

图8为本发明的非制冷红外探测器的制备过程S8对应的状态图。

图9为本发明的非制冷红外探测器的制备过程S9对应的状态图。

图10为本发明的非制冷红外探测器的制备过程S10对应的状态图。

图11为本发明的非制冷红外探测器的制备过程S11对应的状态图。

图12为本发明的非制冷红外探测器的制备过程S12对应的状态图。

图13为本发明的非制冷红外探测器的制备过程S13对应的状态图。

图14为本发明的非制冷红外探测器的制备过程S14对应的状态图。

图15为本发明的非制冷红外探测器的制备过程S15对应的状态图。

图16为本发明的非制冷红外探测器的三维结构示意图。

图17为本发明的非制冷红外探测器的表面等离激元的结构示意图。

图18为本发明的非制冷红外探测器的压电谐振器的结构示意图。

图中：1、读出集成电路衬底，1-1、第一衬底电极，1-2、第二衬底电极，1-3、衬底，2、压电谐振器，2-1、顶电极，2-.2、压电层，2-3、底电极，2-4、第一电极，2-5、第二电极，2-6、硅基底，2-7、右通孔电极，2-8、左通孔电极，2-9、空腔，2-17、右通孔，2-18、左通孔，2-19、凹槽，2-29、牺牲层，3、表面等离激元，3-1、金属阵列层，3-2、介质层，3-3、金属反射层，4、围板，5、红外窗口。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明的一种基于压电谐振器2的非制冷红外探测器的制备方法具体步骤如下：

S1、取得硅基底2-6

如图1所示，取得硅基底2-6；硅基底2-6为半导体行业中常用的高阻双抛硅片。

S2、在硅基底2-6上制备左通孔2-18、右通孔2-17和凹槽2-19

如图2所示，在硅基底2-6上制备左通孔2-18、右通孔2-17和凹槽2-19(在S12中，凹槽2-19配合底电极2-3成为空腔2-9)。凹槽2-19位于硅基底2-6上表面上，左通孔2-18位于凹槽2-19左侧，右通孔2-17位于凹槽2-19右侧，左通孔2-18和右通孔2-17均贯穿硅基底2-6上下表面。左通孔2-18和右通孔2-17的制备工艺通常采用深硅离子反应刻蚀(DRIE)。凹槽2-19的制备工艺可以采用干法或湿法刻蚀。

S3、制作导电电极

如图3所示，在左通孔2-18内制备左通孔电极2-8，在右通孔2-17内制备右通孔电极2-7，在左通孔电极2-8下端、硅基底2-6的下表面制作第一电极2-4，第一电极2-4连接左通孔电极2-8下端。在右通孔电极2-7下端、硅基底2-6的下表面制作第二电极2-5，第二电极2-5连接右通孔电极2-7下端。左通孔电极2-8、右通孔电极2-7、第一电极2-4和第二电极2-5的制备工艺通常采用电镀的方法，电镀的材料可以选用Cu、Au或Ni等。

S4、利用牺牲层材料填充凹槽2-19

如图4所示，利用牺牲层材料在硅基底2-6上表面沉积第一牺牲层，第一牺牲层填充覆盖凹槽2-19和覆盖硅基底2-6上表面。第一牺牲层的厚度要大于凹槽2-19的深度。第一牺牲层的材料通常采用硼硅玻璃。第一牺牲层以及下述的第二牺牲层统称为牺牲层2-29。

S5、将硅基底2-6上表面磨平

如图5所示，将硅基底2-6上表面进行平坦化处理直至牺牲层2-29和硅基底2-6上表面共面。平坦化通常采用化学机械研磨的工艺。硅基底2-6平坦化后，硅基底2-6上表面露出左通孔电极2-8和右通孔电极2-7，第一牺牲层平坦化后称为第二牺牲层，第二牺牲层仅存在于凹槽2-19中，第二牺牲层上表面与硅基底2-6上表面共面。

S6、制备底电极2-3

如图6所示，在S5完成后的硅基底2-6上表面和第二牺牲层上表面制备底电极2-3。底电极2-3一端与左通孔电极2-8的上端连接，底电极2-3覆盖第二牺牲层。底电极2-3的制备通常采用磁控溅射的工艺。

S7、制备压电层2-2

如图7所示，在底电极2-3上表面上制备压电层2-2。优选的是，压电层2-2在硅基底2-6上的投影面积大于凹槽2-19(即S12的空腔2-9)在硅基底2-6上的投影面积。压电层2-2通常采用气相化学沉积的方法制备。

S8、制备顶电极2-1

如图8所示，在压电层2-2上表面上制备顶电极2-1。顶电极2-1的一端与右通孔电极2-7连接。顶电极2-1的制备通常采用磁控溅射的工艺。

S9、制备金属反射层3-3

如图9所示，在顶电极2-1上表面上制备金属反射层3-3。金属反射层3-3通常采用溅射或者真空蒸镀的方法制备，金属反射层3-3的面积要小于顶电极2-1。

S10、制备介质层3-2

如图10所示，在金属反射层3-3上表面上制备介质层3-2。介质层3-2的制备通常采用溅射或者真空蒸镀等工艺方法。介质层3-2面积通常小于等于金属反射层3-3面积，即介质层3-2的下表面的面积小于等于金属反射层3-3上表面的面积。

S11、制备金属阵列层3-1

如图11所示，在介质层3-2上表面上制备金属阵列层3-1，此时得到表面等离激元3。金属阵列层3-1可以采用光刻或者电子束光刻、剥离等工艺完成。

S12、刻蚀牺牲层2-29以得到空腔2-9

如图12所示，刻蚀释放第二牺牲层，得到空腔2-9，即此时得到了压电谐振器2。上述空腔2-9可以采用HF溶液湿法刻蚀第二牺牲层或者采用气态HF干法刻蚀第二牺牲层得到。

S13、制备读出集成电路衬底1

如图13所示，制备读出集成电路衬底1。读出集成电路衬底1包括衬底1-3、设置在衬底1-3上且连接衬底1-3的两个衬底电极，分别称为第一衬底电极1-1和第二衬底电极1-2。

S14、将读出集成电路衬底1与压电谐振器2进行键合

如图14所示，通过键合的方式，将压电谐振器2与读出集成电路衬底1连接，得到非制冷红外探测器。也就是将第一衬底电极1-1和第一电极2-4连接、将第二衬底电极1-2和第二电极2-5连接。键合方式通常采用金属热压键合工艺。

S15、封装

如图15所示，对S14所得到的器件进行封装。围板4胶在读出集成电路衬底1上，再将红外窗口5胶连围板4的上部，红外窗口5位于金属阵列层3-1的正上方。读出集成电路衬底1、围板4和红外窗口5组成密封腔。围板4可以采用硅片晶圆、玻璃片或者陶瓷封装结构等。该密封腔可根据集成电路衬底1上面各个结构的要求，对密封腔抽真空。制备完成。

上述的底电极2-3和顶电极2-1通常采用Mo、W、Al、Pt或者Ni等材料。压电层2-2通常采用AlN、ZnO、LiNbO₃或石英等材料。右通孔电极2-7、左通孔电极2-8、第一电极2-4和第二电极2-5通常采用电镀工艺制作，可选材料包括Au、Cu或Ni，但不限于这几种材料。

上述制造方法是通过MEMS微加工方法，将压电谐振器2、金属反射层3-3、介质层3-2和金属阵列层3-1集成在读出集成电路衬底1上，因此具有集成制造、批量生产、成本低廉等优势。

根据上述方法所制得的基于压电谐振器2的非制冷红外探测器，可定义为包括读出集成电路衬底1、压电谐振器2和表面等离激元3，如图16所示。读出集成电路衬底1、压电谐振器2和表面等离激元3依次连接。读出集成电路衬底1位于最底层，压电谐振器2位于中间层，表面等离激元3位于最上层，表面等离激元3位于压电谐振器2上表面上。

上述的读出集成电路衬底1的功能是读取压电谐振器2的电学信号。通常读出集成电路衬底1工作在射频波段，更具体地，读出集成电路衬底1工作在压电谐振器2的谐振频率附近波段(约1GHz～3GHz)。

表面等离激元3由从下到上依次为金属反射层3-3、介质层3-2和金属阵列层3-1组成，如图17所示，介质层3-2位于金属反射层3-3的上表面上，金属阵列层3-1位于介质层3-2的上表面上。金属阵列层3-1的材料通常采用Au、Ag、Al等，但不限于这三种金属；金属阵列层3-1制作工艺可采用常用半导体工艺及电子束光刻技术。介质层3-2的材料通常采用Ge、MgF₂、SiO₂或AlN等，但不限于这些材料。

压电谐振器2包括硅基底2-6、空腔2-9、底电极2-3、压电层2-2、顶电极2-1、左通孔电极2-8、右通孔电极2-7、第一电极2-4和第二电极2-5，具体结构如图18所示。硅基底2-6上设有左通孔2-18和右通孔2-17，左通孔电极2-8位于左通孔2-18内、左通孔电极2-8填充左通孔2-18，右通孔电极2-7位于右通孔2-17内、右通孔电极2-7填充右通孔2-17。第一电极2-4和第二电极2-5均设置在硅基底2-6的下表面，第一电极2-4连接左通孔电极2-8的下端，可以为第一电极2-4与左通孔电极2-8一体成型，第二电极2-5连接右通孔电极2-7的下端，可以为第二电极2-5与右通孔电极2-7一体成型。第一电极2-4连接读出集成电路衬底1的第一衬底电极1-1，第二电极2-5连接读出集成电路衬底1的第二衬底电极1-2，左通孔电极2-8通过第一电极2-4连通读出集成电路衬底1，右通孔电极2-7通过第二电极2-5连通读出集成电路衬底1。空腔2-9位于硅基底2-6的上表面，底电极2-3设置在空腔2-9和硅基底2-6的上面，空腔2-9位于底电极2-3和硅基底2-6之间，底电极2-3覆盖空腔2-9，即空腔2-9在硅基底2-6上的投影面积小于底电极2-3在硅基底2-6上的投影面积，也就是底电极2-3和硅基底2-6的中间的空间称之为空腔2-9，空腔2-9作用是实现声波的反射，将机械能限制在压电谐振器2内部。压电层2-2设置在底电极2-3上表面上，顶电极2-1设置在压电层2-2上表面上，顶电极2-1与表面等离激元3的金属反射层3-3连接，金属反射层3-3设置在顶电极2-1的上表面上，底电极2-3连接左通孔电极2-8的上端，顶电极2-1连接右通孔电极2-7的上端。优选的是，压电层2-2在硅基底2-6上的投影面积大于空腔2-9在硅基底2-6上的投影面积。

读出集成电路衬底1、压电谐振器2和表面等离激元3可直接连接，也可以压电谐振器2和表面等离激元3之间通过第一连接层连接(顶电极2-1通过第一连接层连接金属反射层3-3)、读出集成电路衬底1和压电谐振器2之间通过第二连接层连接(读出集成电路衬底1通过第二连接层连接硅基底2-6)。

根据本发明的方法制备的非制冷红外探测器，提供了一种基于表面等离激元3和压电谐振器2技术的非制冷红外探测器结构。其传感机理在于利用表面等离激元3实现对红外光谱的增强吸收，吸收的能量作用于压电谐振器2上，通过检测压电谐振器2电学参数的变化，推导出红外辐射量。本发明通过在压电谐振器2表面集成表面等离激元3的结构，克服了压电谐振器2的敏感表面对红外辐射的吸收率较低的问题，将非制冷红外探测器的吸收率从现有技术中的低于20％提高到80％以上。同时，通过在压电谐振器2表面集成表面等离激元3克服了压电谐振器2对入射频谱没有选择性的问题，增加非制冷红外探测器对入射频谱的选择性。本发明提供的非制冷红外探测器是薄膜结构，相比于以往微桥结构的非制冷红外探测器在抗震性能和像元一致性等方面具有明显优势。通过压电谐振器2和表面等离激元3集成在读出集成电路衬底1上，因此具有集成制造、批量生产、成本低廉等优势。该非制冷红外探测器既有传统非制冷红外探测低成本、小型化、高稳定性、长寿命的优点，也兼具制冷型红外探测器快速响应、高探测灵敏度的优点。

对S14所得到的器件进行封装S15后，即所制得的红外探测器还包括围板4和红外窗口5。如图15所示，围板4设置在读出集成电路衬底1上，例如通过密封胶粘在读出集成电路衬底1上表面。红外窗口5设置在围板4上，而且红外窗口5位于表面等离激元3的正上方，允许红外光透过该红外窗口5照射在表面等离激元3的表面。读出集成电路衬底1、围板4和红外窗口5共同构成密封腔，根据工作条件的需求，密封腔为压电谐振器2和表面等离激元3提供真空环境。

Claims (10)

1.一种基于压电谐振器的非制冷红外探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、取得硅基底(2-6)；

S2、在硅基底(2-6)上制备左通孔(2-18)、右通孔(2-17)和凹槽(2-19)；所述凹槽(2-19)位于硅基底(2-6)上表面上，左通孔(2-18)和右通孔(2-17)分居凹槽(2-19)两侧且均贯穿硅基底(2-6)上下表面；

S3、在左通孔(2-18)内制备左通孔电极(2-8)，在右通孔(2-17)内制备右通孔电极(2-7)，在左通孔电极(2-8)下端、硅基底(2-6)下表面制备第一电极(2-4)，在右通孔电极(2-7)下端、硅基底(2-6)下表面制备第二电极(2-5)；

S4、利用牺牲层材料填充凹槽(2-19)制备牺牲层(2-29)，所述牺牲层(2-29)覆盖硅基底(2-6)上表面，牺牲层(2-29)的厚度大于凹槽(2-19)的深度；

S5、将硅基底(2-6)上表面进行平坦化处理直至牺牲层(2-29)和硅基底(2-6)上表面共面；

S6、在S5所得的硅基底(2-6)和牺牲层(2-29)的上表面制备底电极(2-3)；所述底电极(2-3)覆盖S5所得的牺牲层(2-29)，底电极(2-3)连接左通孔电极(2-8)；

S7、在底电极(2-3)上表面上制备压电层(2-2)；

S8、在压电层(2-2)上表面上制备顶电极(2-1)；所述顶电极(2-1)连接右通孔电极(2-7)；

S9、在顶电极(2-1)上表面上制备金属反射层(3-3)；

S10、在金属反射层(3-3)上表面上制备介质层(3-2)；

S11、在介质层(3-2)上表面上制备金属阵列层(3-1)，所述金属阵列层(3-1)、介质层(3-2)和金属反射层(3-3)构成表面等离激元(3)，所述表面等离激元(3)实现对红外光谱的增强吸收；

S12、刻蚀S5所得的牺牲层(2-29)，得到空腔(2-9)，压电谐振器(2)制备完成；

S13、制备读出集成电路衬底(1)；

S14、读出集成电路衬底(1)键合第一电极(2-4)和第二电极(2-5)，得到非制冷红外探测器，制备完成。

2.如权利要求1所述的一种基于压电谐振器的非制冷红外探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤S14之后还包括封装的步骤。

3.如权利要求2所述的一种基于压电谐振器的非制冷红外探测器的制备方法，其特征在于，所述封装的步骤具体为在读出集成电路衬底(1)上胶连围板(4)，再在围板(4)上部胶连红外窗口(5)，所述红外窗口(5)位于金属阵列层(3-1)的正上方；读出集成电路衬底(1)、围板(4)和红外窗口(5)组成密封腔。

4.如权利要求1所述的一种基于压电谐振器的非制冷红外探测器的制备方法，其特征在于，所述S13中的读出集成电路衬底(1)包括衬底(1-3)、均设置在衬底(1-3)上且连接衬底(1-3)的第一衬底电极(1-1)和第二衬底电极(1-2)；所述S14中读出集成电路衬底(1)键合第一电极(2-4)和第二电极(2-5)具体为第一衬底电极(1-1)连接第一电极(2-4)、第二衬底电极(1-2)连接第二电极(2-5)。

5.如权利要求1所述的一种基于压电谐振器的非制冷红外探测器的制备方法，其特征在于，所述S12的空腔(2-9)在硅基底(2-6)上的投影面积小于压电层(2-2)在硅基底(2-6)上的投影面积。

6.如权利要求1所述的一种基于压电谐振器的非制冷红外探测器的制备方法，其特征在于，S10中所述介质层(3-2)下表面的面积小于等于金属反射层(3-3)上表面的面积。

7.如权利要求1所述的一种基于压电谐振器的非制冷红外探测器的制备方法，其特征在于，制备所述金属阵列层(3-1)采用的材料为Au、Ag或Al；制备所述介质层(3-2)采用的材料为Ge、MgF₂、SiO₂或AlN；制备所述底电极(2-3)和顶电极(2-1)采用的材料为Mo、W、Al、Pt或Ni；制备所述压电层(2-2)采用的材料为AlN、ZnO、LiNbO₃或石英；制备所述左通孔电极(2-8)、右通孔电极(2-7)、第一电极(2-4)和第二电极(2-5)采用的材料为Au、Cu或Ni。

8.如权利要求1所述的一种基于压电谐振器的非制冷红外探测器的制备方法，其特征在于，所述左通孔(2-18)和右通孔(2-17)的采用深硅离子反应刻蚀法制备；所述凹槽(2-19)采用干法或湿法刻蚀制备；所述左通孔电极(2-8)、右通孔电极(2-7)、第一电极(2-4)和第二电极(2-5)采用电镀法制备；所述底电极(2-3)和顶电极(2-1)均采用磁控溅射工艺制备；所述压电层(2-2)采用气相化学沉积法制备；所述金属反射层(3-3)采用溅射或者真空蒸镀法制备；所述介质层(3-2)采用溅射或者真空蒸镀方法制备；所述金属阵列层(3-1)采用光刻工艺制备；所述空腔(2-9)采用HF溶液湿法刻蚀牺牲层(2-29)或者采用气态HF干法刻蚀牺牲层(2-29)的方法制备；所述键合为金属热压键合。

9.如权利要求1至8中任意一项所述的制备方法制备的非制冷红外探测器。

10.如权利要求9所述的非制冷红外探测器，其特征在于，非制冷红外探测器包括第一连接层和第二连接层，顶电极(2-1)通过第一连接层连接金属反射层(3-3)，读出集成电路衬底(1)通过第二连接层连接硅基底(2-6)。

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