基于薄膜体声波谐振器的偏振型红外探测器的制备方法与流程

本发明涉及红外探测技术领域，具体涉及基于薄膜体声波谐振器的偏振型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而无需制冷，因此具有更易于便携等优点。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。非制冷红外探测器因其省略了体积庞大、价格昂贵的制冷机构，在体积、重量、寿命、成本、功耗、启动速度及稳定性等方面相比于制冷型红外探测器具有优势。但在响应时间、探测灵敏度方面较制冷型红外探测器存在差距。

近年来，随着微纳传感技术的发展，薄膜体声波谐振器的应用也扩展到非制冷红外探测器领域。一方面，薄膜体声波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，薄膜体声波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薄膜体声波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，薄膜体声波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)。

然而现有的基于薄膜体声波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。

随着军事防护技术的日渐发展，传统的红外探测器已经无法满足在复杂背景中对于靶标精确探测的要求。红外偏振探测技术能同时获取目标辐射的强度和偏振信息，在伪装、烟幕等复杂环境下保证探测的准确性，对于红外侦查技术具有革命性的突破。因此，市场对于高性能的红外偏振探测器具有更迫切的需求。红外偏振探测一般分为分时、分振幅、分孔径以及分焦平面等几种偏振技术。分时偏振探测器是通过旋转偏振片来获得不同时间点的不同偏振方向的信息，这种技术虽然方法简单但结构不稳定，容易产生虚像；分振幅偏振探测器由多个不同的焦平面组成，每一个焦平面光路都有不同方向的偏振起偏器，这种系统能够有效降低目标移动引起的虚像，但能量利用率低、体积大、价格昂贵；分孔径偏振探测器是通过光路控制把不同偏振方向的图像投影到焦平面的不同区域，相比较与分振幅系统，它的光路更短，对准后光路不易受到干扰，但其空间分辨率低，体积重量较大。所以亟需一种制备方法使得所制备的红外探测器兼具稳定性高、能量利用率高、体积重量小和成本低等优点。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供基于薄膜体声波谐振器的偏振型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：

基于薄膜体声波谐振器的偏振型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；所述金属阵列层由复数个特性方向一致的金属单元组成；

s12、刻蚀s5所得的牺牲层，得到空腔，薄膜体声波谐振器制备完成；

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。

如基于薄膜体声波谐振器的偏振型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、本发明通过在薄膜体声波谐振器表面集成金属反射层、介质层和金属阵列层的结构，利用金属阵列层实现对红外光谱的增强吸收，吸收的能量作用于薄膜体声波谐振器上，克服了薄膜体声波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。

2、通过制备复数个特性方向一致的金属单元组成的金属阵列层实现偏振光吸收，解决了红外偏振探测器由于偏振片与成像单元间的对准偏差所产生的成像误差，稳定性高；直接在薄膜体声波谐振器上制备微纳偏振结构，体积较小，工艺制作简单，极大的提高探测器的响应率，简化后续的光学系统设计，在结构和性能上对红外偏振探测器进行优化。

3、本发明通过mems微加工方法制造，将薄膜体声波谐振器、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。

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、本发明的的制备方法所制备的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结构示意图。

图16为本发明的非制冷红外探测器的金属阵列层的一种具体结构图。

图17为本发明的非制冷红外探测器的金属阵列层的另一种具体结构图。

图18为本发明的非制冷红外探测器的读出集成电路衬底的结构示意图。

图19为本发明的非制冷红外探测器的薄膜体声波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、薄膜体声波谐振器，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、偏振响应结构，3-1、金属阵列层，3-11、金属单元，3-12、开口，3-2、介质层，3-3、金属反射层，4、第一连接层，5、第二连接层。

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。

本发明基于薄膜体声波谐振器的偏振型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)。凹槽位于硅基底上表面上，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，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，此时得到偏振响应结构3(金属阵列层3-1、介质层3-2和金属反射层3-3)。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，释放第二牺牲层，得到空腔2-9，即得到薄膜体声波谐振器2，此时偏振响应结构3与薄膜体声波谐振器2为连接状态。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与薄膜体声波谐振器2进行键合

如图14所示，通过键合的方式，将薄膜体声波谐振器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

对s14所得到的器件进行封装。围板胶在读出集成电路衬底1上，再将红外窗口胶连围板的上部，红外窗口5位于金属阵列层3-3的正上方。读出集成电路衬底1、围板和红外窗口组成密封腔。围板可以采用硅片晶圆、玻璃片或者陶瓷封装结构等。该密封腔可根据薄膜体声波谐振器2和偏振响应结构3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，将薄膜体声波谐振器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薄膜体声波谐振器2的偏振敏感型红外探测器，可定义为包括读出集成电路衬底1(又称roic衬底)、薄膜体声波谐振器2、金属反射层3-3、介质层3-2和金属阵列层3-1，如图15所示，读出集成电路衬底1、薄膜体声波谐振器2、金属反射层3-3、介质层3-2和金属阵列层3-1依次连接，薄膜体声波谐振器2位于读出集成电路衬底1上、金属反射层3-3位于薄膜体声波谐振器2上表面、介质层3-2位于金属反射层3-3上表面，金属阵列层3-1位于介质层3-2上表面。金属阵列层3-1由复数个特性方向一致的金属单元3-11组成。

上述的薄膜体声波谐振器2与金属反射层3-3连接可直接连接也可以通过第一连接层4连接(顶电极2-1通过第一连接层4连接金属反射层3-3)，读出集成电路衬底1和薄膜体声波谐振器2可直接连接也可以通过第二连接层5连接(读出集成电路衬底1通过第二连接层5连接硅基底2-6)，所说第二连接层5为连接电极。

基于上述的制备方法制得的一种基于薄膜体声波谐振器2的偏振敏感型红外探测器，提供了一种基于金属反射层3-3、介质层3-2、金属阵列层3-1和薄膜体声波谐振器2技术的非制冷红外探测器结构。其传感机理在于利用金属阵列层3-1、介质层3-2和金属反射层3-3、实现对红外光谱的增强吸收，吸收的能量作用于薄膜体声波谐振器2上，通过检测薄膜体声波谐振器2电学参数的变化，推导出红外辐射量。本发明通过在薄膜体声波谐振器2表面集成金属反射层3-3、介质层3-2和金属阵列层3-1的结构，克服了薄膜体声波谐振器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，也增加了对入射光谱的选择性。复数个特性方向一致的金属单元3-11组成的金属阵列层3-1，金属反射层3-3、介质层3-2和金属阵列层3-1共同构成偏振响应结构3，偏振响应结构3实现偏振光吸收，解决了红外偏振探测器由于偏振片与成像单元间的对准偏差所产生的成像误差，稳定性高；直接在薄膜体声波谐振器2上制备微纳偏振结构，即制备具有偏振性能的金属阵列层3-1，工艺制作简单，体积较小，极大的提高探测器的响应率，简化后续的光学系统设计，在结构和性能(包括空间分辨率)上对红外偏振探测器进行优化。另外，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。通过薄膜体声波谐振器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。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。

s11的金属阵列层3-1由金属单元3-11这种重复结构组成，该重复结构具有明显的方向特征，金属单元3-11之间特征方向一致。当偏振光的方向与金属单元3-11的特性方向相一致的时候，红外辐射吸收明显增强，即实现了偏振敏感型红外吸收。金属阵列层3-1具体可为如图16、图17所示，每个金属单元3-11上设有开口3-12，金属单元3-11之间的开口3-12方向相同，图16中的金属单元3-11均为u型结构，图16的u型外轮廓为具有开口3-12的矩形，图17的u型外轮廓为具有开口3-12的圆形。图16和图17为位于介质层3-2上的金属阵列层3-1的两种结构的举例，但不限于图16和图17两种结构。

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。

读出集成电路衬底1的结构如图18所示。读出集成电路衬底1的功能是读取薄膜体声波谐振器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工作在薄膜体声波谐振器2的谐振频率附近波段(约1ghz～3ghz)。

s12的薄膜体声波谐振器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19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，将机械能限制在薄膜体声波谐振器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，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。

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和红外窗口。围板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。红外窗口设置在围板上，而且红外窗口位于金属阵列层3-1的正上方，允许红外光透过该红外窗口照射在金属阵列层3-1的表面。读出集成电路衬底1、围板和红外窗口共同构成密封腔，根据工作条件的需求，密封腔为薄膜体声波谐振器2、金属反射层3-3、介质层3-2和金属阵列层3-1提供真空环境。