[发明专利]红外焦平面阵列器件及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及红外成像技术领域，特别涉及一种红外焦平面阵列器件及其制作方法。

背景技术

红外成像技术广泛应用于军事、工业、农业、医疗、森林防火、环境保护等各领域，红外成像装置的核心部件是红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array，IRFPA)。根据工作原理分类，红外成像装置可分为：光子型红外探测器和非制冷型红外探测器。

光子型红外探测器采用窄禁带半导体材料，如HgCdTe、InSb等，利用光电效应实现红外光信号向电信号的转换，因而要工作在77K或更低的温度下，这就需要匹配笨重而又复杂的制冷设备，导致这种红外成像装置难以小型化，携带不方便；另一方面，HgCdTe和InSb等材料价格昂贵、制备困难，且与常规IC工艺不兼容，所以光子型红外探测器的价格一直居高不下。

上述因素都极大地阻碍了红外成像装置(例如红外摄像机)的广泛应用，特别是在民用方面，迫切需要开发一种性能适中、价格低廉的新型红外摄像机。非制冷型红外探测器通过红外探测单元吸收红外线，继而红外能量引起红外探测单元的电学特性发生变化，把红外能量转化为电信号，通过读出电路读取该信号并进行处理。

红外焦平面阵列器件由多个探测单元的组成，是非制冷型红外探测器的核心部件，图1和图2是现有的两种非制冷红外探测器的结构示意图。这两种结构主要以单晶硅PN结二极管作为红外传感层，利用单晶硅PN结二极管的温敏特性对加工工艺不敏感的特点，从而有利于制作出均匀性很好的红外焦平面阵列器件。而且图中的两种结构都是采用共振吸收结构来提高红外吸收效率，为了提高红外吸收效率，制作有专门的金属反射层，而其中的金属反射层结构复杂，制作难度较大。此外，上述两种结构均是采用两步释放法，即第一步采用O₂等离子体灰化方法释放Polymide(聚酰亚胺)牺牲层从而形成衬底上面的共振吸收结构的空腔A，第二步采用XeF₂气相释放方法释放衬底内的单晶硅，从而制作出悬空结构的空腔B。主要的问题在于，共振吸收结构非常复杂，不易于制造，而且Polymide牺牲层材料与常规的IC工艺也不兼容。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种红外焦平面阵列器件，其结构既能够提高红外吸收效率又能够采用常规的IC制作工艺，有利于降低制作成本。

为解决上述问题，本发明提供一种红外焦平面阵列器件，包括：

衬底；

空腔，位于所述衬底内；

红外传感层，悬空于所述空腔的上方；

悬臂梁，悬空于所述衬底上方，一端与衬底固定连接，另一端与红外传感层固定连接；

红外反射层，遮盖于所述红外传感层的上方并且与红外传感层之间具有共振腔，通过支撑柱与所述红外传感层连接。

优选的，所述空腔周围的衬底为用于散热的热沉，所述悬臂梁与衬底连接的一端即连接在所述热沉上。

所述悬臂梁基本设置于所述热沉上方，与热沉之间具有间隙。

所述悬臂梁包括电引线及电引线介质层，所述电引线从红外传感层吸收热量并散入所述热沉。

优选的，所述红外传感层包括单晶硅电阻、单晶硅PN结二极管、单晶锗硅电阻或者单晶锗硅PN结二极管。

所述衬底为SOI衬底，则所述红外传感层由所述SOI衬底中的顶硅层制作。

所述红外反射层包括金属层和所述金属层外部的支撑介质层。

所述金属层包括Ti或者TiN。

红外反射层与红外传感层之间的共振腔的厚度范围为1-3.5um。

所述电引线的材料为Ti，TiN或Ti/TiN复合层，所述热沉的材料为非晶硅或多晶硅。

相应的，本发明还提供一种红外焦平面阵列器件的制作方法，包括以下步骤：

提供衬底，在所述衬底上形成热沉沟槽以及所述热沉沟槽内的支撑介质层；

去除热沉沟槽底部的支撑介质层，并在所述热沉沟槽内形成热沉；

在所述衬底表面形成第一介质层，并在所述热沉位置的第一介质层上形成第一释放牺牲层及第一释放牺牲层上面的悬臂梁；

在所述热沉沟槽外的第一介质层上形成红外传感层，并在整个衬底表面覆盖第二释放牺牲层；

在所述第二释放牺牲层上形成红外反射层及其支撑柱；

采用气相腐蚀方法释放掉第一释放牺牲层、第二释放牺牲层以及红外传感层下面的衬底材料。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：